기어 전송 오류(TE): 원인, 측정 기법 및 주파수 해석
1. 전송 오류(TE)란?
기어 시스템에서 전송 오류(Transmission Error, TE) 는 출력 기어의 실제 위치와 이상적인 위치 간 차이를 의미합니다. 이는 기어 소음과 진동의 주요 원인 중 하나로, 기계의 성능과 내구성에 큰 영향을 미칩니다. 본 글에서는 전송 오류의 주요 원인, 측정 기법 및 주파수 해석 방법을 상세히 분석합니다.
2. 전송 오류(TE)의 주요 원인
전송 오류는 편향(Deflection), 기하학적 오류(Geometric Errors), 기하학적 수정(Geometric Modifications) 등 다양한 요인으로 인해 발생합니다.
2.1 편향(Deflection)
편향은 기어 시스템의 구조적 요인으로 인해 발생하는 변형을 의미합니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.
✔ 기어 메시 접촉 변형(헤르쯔안): 기어 치형이 맞물리는 과정에서 발생하는 미세한 변형
✔ 기어 톱니 굴절 편향: 기어 톱니 자체가 휘어지는 현상
✔ 기어 블랭크 편향: 기어 몸체 자체의 변형
✔ 축(샤프트) 편향: 회전축의 휨과 변형
✔ 베어링 및 변속기 케이스 유연성: 베어링과 케이스의 강성 부족으로 발생하는 구조적 유연성
2.2 기하학적 오류(Geometric Errors)
제조 공정에서 발생하는 미세한 오차로 인해 전송 오류가 증가할 수 있습니다.
✔ 무의식적인 정렬 편차 및 형태 편차
✔ 납(Lead) 편차 및 납 형태 편차
✔ 기어 톱니 바이어스 및 피치(Pitch) 오류
✔ 런아웃(Runout): 기어 축이 완벽하게 중심을 유지하지 못하고 흔들리는 현상
✔ 케이스 내 베어링 위치 오류
2.3 기하학적 수정(Geometric Modifications)
일부 기하학적 수정은 의도적으로 수행되어 전송 오류를 감소시키는 역할을 합니다.
✔ 리드 크라우닝(Lead Crowning): 기어 톱니의 끝부분을 완만하게 가공하여 부하 분포를 균등하게 함
✔ 나선 각도 수정: 나선형 기어의 접촉 상태 최적화
✔ 프로파일 크라우닝(Profile Crowning): 기어 치형을 조정하여 마찰 및 진동 감소
✔ 팁 릴리프(Tip Relief) 및 루트 릴리프(Root Relief): 치형 끝단과 뿌리 부분을 보정하여 충격 완화
3. 전송 오류(TE) 측정 방식
전송 오류는 정적(Static) 또는 동적(Dynamic) 측정 방식을 활용하여 분석할 수 있습니다.
3.1 정적 전송 오류 측정
📌 비적재(Unloaded) 상태 측정
- 제조 과정에서 발생하는 기하학적 오류 분석에 적합
- 기어 품질 검사(Inspection) 용도로 가장 많이 활용됨
📌 하중(Loaded) 상태 측정
- 실제 기어 시스템에서 발생하는 편향(Deflection) 효과 분석 가능
- 동적 특성을 반영하여 실제 운용 조건과 유사한 데이터 확보 가능
3.2 동적 전송 오류 측정
📌 소음 및 진동 분석과 밀접한 관련
- 기어, 샤프트, 베어링, 케이스 전체 시스템의 동적 특성(Dynamic Characteristics) 고려 필수
- 고속 및 고부하 상태에서의 측정 가능
- 일부 기어박스에서는 자유 샤프트(Free Shaft) 접근이 어려워 측정 난이도 증가
4. 전송 오류(TE) 신호의 주파수 해석
전송 오류 신호는 주파수 분석을 통해 해석할 수 있으며, 주요 분석 기법은 다음과 같습니다.
4.1 FFT(Fast Fourier Transform) 기반 주파수 분석
- 기어 소음의 주요 주파수 성분 분석
- 톱니 메시(Tooth Mesh) 주파수 및 그 고조파 분석
4.2 회전당 1회 전송 오류
- 비교적 낮은 주파수 대역
- 자체적으로는 소음 문제를 발생시키지 않지만 런아웃(Runout)과 결합될 경우 사이드밴드(Side Band) 발생
4.3 “고스트(Ghost)” 또는 “팬텀(Phantom)” 주파수
- 그라인딩(Grinding) 과정에서 발생하는 마스터 웜 휠(Master Worm Wheel) 주기적 오류로 인해 생성
- 기어 표면의 결절(Nodules)로 인해 비정상적인 진동 발생
5. 피치(Pitch) 오류가 전송 오류에 미치는 영향
피치 오류는 전송 오류를 증가시키며, 소음 및 진동 문제를 심화시킵니다. 주요 연구 결과는 다음과 같습니다.
✔ Koller와 Regan 연구
- 기존 이론과 달리 피치 오류가 치아 접촉 주파수 및 그 고조파에서 의미 있는 진폭을 발생시킨다고 분석
✔ Welbourn의 연구
- 피치 오류가 전송 오류에 미치는 영향을 재확인하고 실험적 증거 확보의 필요성을 제기
6. 전송 오류(TE) 측정 기법
6.1 광학 인코더(Optical Encoder) 기반 측정
- 각 축에 설치된 두 개의 광학 인코더를 활용하여 전송 오류 분석
- 높은 해상도의 각도 측정 가능
6.2 비틀림 가속도(Torsional Acceleration) 측정
- 변속기 양쪽 샤프트에서 비틀림 가속도 차이를 측정 후 적분하여 전송 오류 데이터 확보
- Opitz 연구 사례에서 적용된 기법
6.3 상용 검사기 활용
- 대부분 정적(Unloaded) 전송 오류 측정용으로 개발
- 최근 동적·하중 조건 측정이 가능한 장비도 출시됨
- 그러나 실제 기어박스 운용 환경과 100% 일치하지 않을 수 있음
7. 결론
기어 전송 오류(TE)는 기어 소음과 진동의 주요 원인이며, 편향(Deflection), 기하학적 오류, 제조 오차 등이 결합되어 발생합니다. 전송 오류를 최소화하기 위해서는:
✅ 정적·동적 전송 오류 측정을 통해 원인 분석
✅ FFT 기반 주파수 분석을 활용한 문제 해결
✅ 기하학적 수정(리드 크라우닝, 팁 릴리프 등) 적용
✅ 광학 인코더 및 비틀림 가속도 측정을 통한 데이터 확보
이처럼 기어 전송 오류를 면밀히 분석하고 최적화하는 것은 소음 감소 및 기어 시스템의 성능 향상에 결정적인 역할을 합니다. 🚀
기어 소음과 진동: 전송 오류와 동적 모델을 통한 분석
1. 서론기어(Gear)는 동력 전달 장치에서 핵심적인 역할을 수행하며, 여러 산업 분야에서 널리 활용됩니다. 그러나 기어의 소음(Noise) 및 진동(Vibration) 문제는 성능과 내구성을 저하시킬 수 있어
1.hwihaian.com
출처
GEAR NOISE AND VIBRATION– A LITERATURE SURVEY
Mats Åkerblom
Volvo Construction Equipment Components AB
SE–631 85 Eskilstuna, Sweden