스플라인 커플링의 강성, 중심 유지력, 마모 및 피로 파손 계산 방법

스플라인 커플링에는 여러 종류가 있습니다. 이러한 커플링은 강성, 인벌류트 스플라인, 정렬 불량, 마모 및 피로 파손과 같은 몇 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성이 스플라인 커플링과 어떻게 관련되는지 이해하려면 이 글을 읽어보세요. 이 글을 통해 필요에 가장 적합한 커플링 유형을 결정하는 데 필요한 지식을 얻을 수 있을 것입니다. 스플라인 커플링은 일반적으로 구형이며 강철로 만들어진다는 점을 기억하십시오.

인벌루트 스플라인

효율적인 측면 간섭 조건은 기어 정렬 불량을 최소화합니다. 두 스플라인이 정렬 불량 없이 결합될 경우, 최대 인장 뿌리 응력은 왼쪽으로 5mm 이동합니다. 스플라인 접촉면을 따라 여러 연결부가 존재하여 발생하는 선형 리드 변화는 유효 간극 또는 간섭을 일정 비율만큼 증가시킵니다. 이러한 유형의 정렬 불량은 고속 장비의 커플링에는 바람직하지 않습니다.
인벌류트 스플라인은 기어박스에 흔히 사용됩니다. 이러한 스플라인은 높은 토크를 전달하며, 커플링 원주 전체에 걸쳐 여러 개의 톱니에 하중을 고르게 분산시키는 데 효과적입니다. 인벌류트 형상과 리드 오차는 스플라인 톱니와 키홈 사이의 간격과 관련이 있습니다. 커플링 용도에서는 일반적으로 스플라인 톱니의 25~50%가 맞물리도록 스플라인을 사용합니다. 이러한 하중 분산 방식은 기존의 단일 키 커플링보다 더 균일합니다.
샹전 쉐(Xiangzhen Xue) 연구팀은 복잡한 스플라인 결합에서 최적의 치아 맞물림을 결정하기 위해 컴퓨터 모델을 사용하여 스플라인에 가해지는 응력을 시뮬레이션했습니다. 연구 결과, 결합 시 "허용 가능한" 루이즈(Ruiz) 매개변수를 사용해야 한다는 것을 알 수 있었습니다. 크라운 스플라인의 마모량을 예측함으로써 연구팀은 결합 과정에서 부품이 입을 손상 정도를 정확하게 예측할 수 있었습니다.
인벌류트 스플라인의 최적 압력각을 결정하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 일반적으로 인벌류트 스플라인은 30도의 압력각을 기준으로 측정합니다. 기어와 마찬가지로 인벌류트 스플라인은 일반적으로 핀 측정법을 통해 검사합니다. 이 방법은 기어 톱니 사이에 특정 크기의 와이어를 삽입하고 그 사이의 거리를 측정하는 것입니다. 이 방법을 통해 기어의 톱니 형상이 적절한지 확인할 수 있습니다.
그림 1에 나타낸 스플라인 시스템은 진동 모델을 보여줍니다. 이 시뮬레이션을 통해 사용자는 인벌류트 스플라인이 커플링에 어떻게 사용되는지 이해할 수 있습니다. 진동 모델은 원동기, 내부 스플라인 및 하중을 나타내는 네 개의 집중 질량 블록으로 구성됩니다. 여기서 중요한 것은 메싱 변형 함수가 이 세 구성 요소에 작용하는 힘을 나타낸다는 점입니다.

커플링의 강성

스플라인 커플링의 강성 계산은 톱니 맞물림 측정을 포함합니다. 다음에서는 두 가지 다른 방법을 사용하여 다양한 톱니 유형을 가진 스플라인 커플링의 강성을 분석합니다. 직접 역산법과 블록 단위 역산법 모두 강성 계산에 필요한 CPU 시간을 줄여주지만, 평가 부분 행렬이 필요합니다. 본문에서는 이 두 방법의 차이점을 논의합니다.
제2절에서는 스플라인 커플링에 대한 해석 모델을 도출합니다. 제3절에서는 계산 과정을 자세히 설명하고, 유한 요소법(FE법)을 이용하여 이 모델을 검증합니다. 마지막으로 강성 비선형성이 로터 동역학에 미치는 영향을 논의하고, 각 방법의 장단점을 비교합니다. 또한, 스플라인 커플링의 횡방향 강성을 추정하는 간단하면서도 효과적인 방법을 제시합니다.
스플라인 커플링의 수치 계산은 준해석적 스플라인 하중 분포 모델을 기반으로 합니다. 이 방법은 정밀한 접촉 격자를 사용하고 각 반복 단계에서 컴플라이언스 행렬을 업데이트해야 하므로 상당한 계산 시간을 소모합니다. 또한, 이 방법은 회전체의 동적 해석에 적용하기 어렵습니다. 따라서 이 방법은 여러 가지 한계를 가지고 있으며, 스플라인 커플링에 대한 충분한 연구가 이루어진 경우에만 사용해야 합니다.
맞물림력은 스플라인 커플링의 정렬 불량으로 인해 발생하는 힘입니다. 이는 스플라인 두께 및 로터의 전달 토크와 관련이 있습니다. 또한 맞물림력은 동적 진동 변위와도 관련이 있습니다. 맞물림력 분석 결과는 그림 7, 8, 9에 나타나 있습니다.
본 논문에서는 스플라인 정렬 불량을 포함하는 스플라인 커플링의 강성을 조사하는 것을 목표로 합니다. 기존 연구 결과는 정확했지만, 몇 가지 문제점이 남아 있었습니다. 예를 들어, 스플라인 정렬 불량은 접촉 손상을 유발할 수 있습니다. 본 논문은 스플라인 정렬 불량 커플링과 관련된 문제점을 분석하고, 스플라인 연결부의 접촉 압력을 추정하는 해석적 접근 방식을 제안합니다. 또한, 본 논문의 결과를 순수 수치 해석 방법으로 얻은 결과와 비교합니다.

정렬 불량

중심력을 결정하기 위해서는 유효 압력각을 알아야 합니다. 유효 압력각을 이용하여 최대 축 방향 하중과 반경 방향 하중, 그리고 업데이트된 더들리(Dudley) 정렬 불량 계수를 기반으로 중심력을 계산합니다. 중심력은 마찰에 의해 전달될 수 있는 최대 축 방향 힘입니다. 계산에는 여러 기존 정렬 불량 계수도 포함됩니다. 본 논문에서는 수직력에 대한 캠 효과를 고려한 새로운 방법을 제시합니다.
이 새로운 방법에서는 스플라인 조인트의 강성을 적분하여 비틀림 진동 해석에 적용 가능한 전체 강성을 얻을 수 있습니다. 또한, 베어링의 강성을 특정 정렬 불량 수준에서 계산할 수 있어 베어링 치수를 정확하게 추정할 수 있습니다. 베어링의 크기와 정렬 상태를 적절하게 유지하기 위해 베어링의 강성을 항상 점검하는 것이 좋습니다.
스플라인 커플링의 정렬 불량은 마모 또는 파손으로 이어질 수 있습니다. 이는 피치 프로파일의 정렬 불량 때문에 발생합니다. 톱니가 인벌류트 프로파일 전체에 걸쳐 접촉하기 때문에 이 문제는 종종 간과됩니다. 이로 인해 하중이 접촉선을 따라 고르게 분산되지 않습니다. 따라서 스플라인 커플링 톱니의 접촉력에 미치는 정렬 불량의 영향을 고려하는 것이 중요합니다.
그림 2에서 수컷 스플라인의 중심은 암컷 스플라인에 중첩됩니다. 정렬 맞물림 거리 또한 동일합니다. 따라서 맞물림력 곡선은 동적 진동 변위에 따라 변화합니다. 스플라인 커플링을 구현하기 전에 해당 매개변수를 알아야 합니다. 본 논문에서는 스플라인 커플링의 정렬 불량 모델과 관련 매개변수를 제시합니다.
자체 제작한 스플라인 커플링 시험 장치를 사용하여 스플라인 커플링의 정렬 불량이 미치는 영향을 연구했습니다. 일반적인 스플라인 커플링과는 달리, 스플라인 커플링에서 정렬 불량이 발생하면 치면의 특정 위치에서 프레팅 마모가 발생합니다. 이는 이러한 유형의 커플링에서 고장의 주요 원인입니다.

마모 및 피로 파손

스플라인 커플링의 마모 및 피로로 인한 파손은 치 마모와 축 정렬 불량 중 어느 것이 먼저 발생하는지에 따라 결정됩니다. 표준 설계 방법은 마모 손상을 고려하지 않고 피로 수명을 큰 근사치로 평가합니다. 본 연구에서는 스플라인 커플링의 마모 및 피로 손상을 평가하기 위해 실험적 연구를 수행했습니다. 실험은 전용 시험 장비와 표준 피로 시험기에 연결된 특수 장치를 사용하여 진행되었습니다. 토크, 정렬 불량 각도, 축 방향 거리와 같은 작동 변수를 변화시켜 피로 손상을 측정했습니다. 또한, 과대 설계의 영향도 평가했습니다.
피로 및 마모 과정에서 외부 스플라인과 내부 스플라인 사이에 기계적 미끄러짐이 발생하여 치명적인 파손으로 이어집니다. 항공 엔진용 스플라인 커플링의 마모 및 피로에 대한 연구 문헌이 부족한 것은 해당 커플링의 적용 사례에 대한 데이터 부족 때문일 수 있습니다. 스플라인의 마모 및 피로 파손은 재질 쌍, 형상, 윤활 조건 등 여러 요인에 따라 달라집니다.
스플라인 커플링 분석 결과, 과도한 치수 설계가 흔히 발생하며 이는 시스템에 다양한 손상을 초래하는 것으로 나타났습니다. 주요 손상으로는 마모, 프레팅, 부식, 그리고 치아 피로 등이 있습니다. 산업 현장에서는 소음 문제도 관찰되었습니다. 그러나 스플라인 커플링의 접촉 거동을 평가하는 것은 어렵고, 수치 시뮬레이션은 특정 코드 및 경계 요소법 사용으로 인해 종종 제약을 받습니다.
스플라인 기어 커플링의 파손은 피로 파괴로 인해 발생했으며, 파손은 키홈의 하단 모서리 반경에서 시작되었습니다. 키홈과 스플라인은 항복 강도를 초과하는 과부하를 받았으며, 스플라인 기어 톱니에서 상당한 항복 현상이 관찰되었습니다. 비표준 합금강으로 제작된 파손 링은 날카로운 모서리 반경을 나타냈는데, 이는 응력 집중의 주요 원인이었습니다.
수명을 결정하기 위해 여러 구성 요소에 대한 연구가 수행되었습니다. 이러한 구성 요소에는 스플라인 샤프트, 밀봉 볼트 및 흑연 링이 포함됩니다. 각 구성 요소는 고유한 설계 매개변수를 가지고 있습니다. 그러나 이러한 구성 요소의 분포에는 유사점이 있습니다. 스플라인 커플링의 마모 및 피로 파손은 이 세 가지 요인의 복합적인 작용으로 발생합니다. 파손 모드는 종종 응력과 변형률의 비선형 분포로 정의됩니다.

CX 편집, 2023년 10월 23일