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기어는 회전을 할 때 맞물리는 치면으로부터 하중이 전달되는데, 이때 치면의 하중 분포 형태에 따라 다양한 파손이 일어난다.³⁾ 기어 파손의 경우 치면에 발생하는 응력이 재료의 허용응력을 초과하는지에 대한 평가가 필요하다. 기어의 허용 동력보다 높은 동력일 경우에는 기어의 표면에서 발생하는 피팅(Pitting) 현상이 먼저 발생하는 것이 아니라 기어의 굽힘 모멘트에 의한 기어 이뿌리 부 파손이 발생한다.⁴⁾

Fig. 1은 기어치가 파손된 사례에 대한 사진이다. 위 사례의 경우 허용 동력 이상으로 인한 과부하 하중이 치면에 고르게 분포가 되지 않고 리드 방향 치면의 국소부위에 집중되어 파손된 것으로 생각된다. 따라서 피로 파손된 기어 치면의 하중 분포를 확인하기 위해 기어 해석 프로그램인 Romax를 활용하여 하중 분포 및 파손 가능 여부를 확인하였다.⁵⁾

Fig. 1 
Photograph of the pinion gear failure case

Fig. 2는 파손된 기어의 표면 및 재료를 분석하기 위해 촬영한 파손 단면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 파손된 단면의 경우 피로파괴에서 확인 가능한 비치 마크 무늬가 있었으며, 하중을 반복적으로 전달하는 과정에서 피로가 누적되어 파손된 것으로 확인되었다. 또한 기어 동력 전달 시 이상적인 치면 맞물림이 아닌 치면의 국소 부위로 하중 전달을 함으로써 과도한 하중이 반복됨으로 인해 피로 파괴가 발생한 것으로 생각된다.

Fig. 2 
Photograph of gear failure surface (left), SEM image of gear failure surface (right)

Fig. 8은 전진 구동 시 최적화 수정 전의 우측 치면의 하중분포를 나타내는 이미지이다. 4.48 : 1 헬리컬 기어를 해석한 결과 하중이 엔진 방향으로 분포가 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 기어의 하중이 전체 치면에 균일하게 분포되지 않고 한쪽으로 치우쳐 면적 일부에만 집중이 되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 추력의 영향을 더 받게 되면 케이스 및 축 변형으로 인해 하중 치면이 엔진 방향으로 벗어나서 하중을 전달할 우려가 있으며, 기어 및 내부 베어링의 파손이 발생할 수도 있다. 해석된 결과 중 높은 하중을 확인하기 위해 해석 결과 데이터값을 엑셀로 옮겨 조건부 서식을 통해 높은 하중 값을 확인하였다.

Fig. 8 
Micro geometry optimization before, Right

Fig. 9는 후진 구동 시 최적화 수정 전의 좌측 치면의 하중분포를 나타내는 이미지이다. 전진 치면의 해석 결과와는 반대로 프로펠러 방향으로 하중이 발생하는 것을 확인하였다. 후진 구동의 경우도 전진 구동과 같이 프로펠러 방향의 치면에 집중되어 발생이 된 것을 확인하였다. 높은 하중이 발생한 위치는 전진 치면의 경우 직경 방향(이 끝원 방향) 97.548 mm / 치폭 15.477 mm에서 계산되었으며, 후진 치면의 경우 직경 방향(이 끝원 방향) 97.519 mm / 치폭 52.952 mm에서 계산되었다. 치면 분포 하중 계수(K_Hβ)의 기준인 치폭당 하중 값 경우 전진 치면의 811 N/mm, 후진 치면 843 N/mm로 나타났으며, 전진 치면의 K_Hβ는 1.758 / 후진 치면의 K_Hβ는 1.858 높게 계산되었다. ISO 6336-1:2006의 기준에 따라 표면 경화된 기어는 K_Hβ가 1.2 이상일 경우 기어의 물림 및 하중 분포가 이상적이지 않다. 기어의 하중 분포가 이상적일 경우 K_Hβ는 1에 근접해야 한다.⁶⁾

Fig. 9 
Micro geometry optimization before, Left

Fig. 10와 Fig. 11은 기어 치형수정 최적화 해석을 수행한 결과를 좌/우로 분리하여 나타낸 이미지이다. 전진 치면 해석의 경우, 기어 동력 전달 시 하중이 전체 치폭의 중심부로 고르게 분포가 되는 것을 확인할 수 있었다. 후진 치면 해석의 경우 프로펠러 방향으로 하중이 전달되는 것으로 보이나, 최적화 전과 비교하였을 경우 중심부로 하중이 이동된 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10 
Image of load distribution after micro profile modification, Right

Fig. 11 
Image of load distribution after micro profile modification, Left

확인 결과 가장 높은 하중이 발생한 위치는 전진 치면의 경우 치폭 방향 37.508 mm, 직경 방향(이 끝원 방향) 99.693 mm에서 확인되었으며, 전체 치폭 65 mm / PCD 95.246 mm 기준으로 보았을 때, 하중 동력 전달이 치폭 중심부 근방에서시작되어, 주변으로 치면 전체에 하중이 고르게분포가 되는 것으로 나타났다. 후진 치면의 경우 치폭 방향 43.023 mm, 직경 방향 95.534 mm로 전진 치면과 유사한 위치에서 높은 하중이 발생하였다. 기어 전체 치면 치폭당 분포하중은 전진 치면의 경우 545 N/mm로 약 266 N/mm가 감소하였으며, 치면 분포하중 계수는 1.1356으로 약 0.67 감소하였으며, 후진치면의 경우 579.6 N/mm로 약 263.4 N/mm 감소하였으며, 치면 분포하중 계수의 경우 1.1956으로 약 0.66 감소하였다.