3.10 표면 피로

Surface Fatigue

 

이빨 접촉면에 압축응력이 반복적으로 가해져 표면 피로가 발생한다. 이러한 표면피로의 형태는 이발 표면에 작은 피트가 있는 것이 특징이다. 이것은 재료의 내구성 외에도 표면 응력으로 인해 생긴다.

표면 피로의 일반적인 형태는 다음 항목으로 분류하는 것이 편리하다.

(1) 피팅

a. 초기 피팅(Pitting) b. 파괴 피팅(Initial Pitting) c. Spalling

(2) 표면 크러싱(Case Crushing)

피팅이나 Spalling 형태의 표면피로 손상 가능성은 수치적인 기술로 예상할 수 있는데 이때 사용되는 방정식은 다음과 같다.

표면의 압축응력 수 Sc 값은 다음과 같다.

이것은 표면압축 응력 수의 허용치로 비교된다.

Sac 항은 사이클로 운전 가능한 재료의 피로응력이며, 하중강도와 주어진 강도에서 운전 사이클의 각기 조합의 하나인 Sc값들의 수를 계산하는 것이 바람직하다.

2개의 데이터 집합의 플로팅 결과는 그림 3-120과 같다. 여기에 나타난 특별한 경우 운전 사이클 수에 대한 하중강도가 재료의 성능을 초과하는 한 점이 존재한다. 이러한 하중강도에서 기어 세트가 사이클을 충분히 축적할 만큼 오래 운전했을 때 피팅이 관찰된다. 하중강도가 피팅범위에 존재할지라도 피로 현상인 피팅은 이것이 관찰되기 전에 보통 수백만의 하중 사이클까지 올라간다.

피팅이 분명히 관찰되기전 기어 세트를 단시간 실험할때 진행중인 피팅 종류를 추정하는 것이 바람직하다. 피팅은 2 항목으로 분류되는 경향이 있는데, 부식 마지막에 나타나는 부식 형태의 피팅인 “초기 피팅”과 기어가 주행하는 한 계속되는 “파괴 피팅”이 있다.

가해진 응력이 재료 표면의 내구력한도 보다 약간 높으면 피트는 겨우 볼 수 있을 정도로 작아지는 경향이 있지만, 상당히 높으면 초기 피트는 다소 커진다. 몇몇의 경우, 높은 이빨의 하중이 계속되면 작은 피트는 더 큰 형태로 결합된다.

그림 3-120 허용 및 계산 표면 내구응력

 

초기 피팅(Initial Pitting).

이것은 국부 영역의 수정을 요하는 피팅 형태로서, 기어세트 운전은 만족할만 하다 (그림 3-121).

새로운 기어 세트의 초기 접촉은 이빨의 요철중 가장 높은 곳에서 나타난다. 이러한 영역에서의 하중강도가 심하게 초과하지 않으면 작은 피트가 형성되며, 이러한 영역은 교정된다.

교정 피팅(Corrective Pitting).

이것은 Pitting을 일으킬 정도보다 작은 전체 표면 응력이 작용하는 곳에서 하중강도를 감소시키기 위하여 작용하는 이빨 표면 이외의 모든 면적이 접촉하는 곳에서 마멸되고 또한 국부적인 High Spot가 피팅되는 피팅의 형태이다. 이 경우에 초기 피팅 영역은 광택을 띈다. 피팅이 나타난 후 기어세트를 잠시 시험할 때 다음 항목에 일치하면 “초기 피팅”이라 할 수 있다.

그림 3-121 초기피팅. 작은 Misalignment에 의한 헬릭스 외곽 끝에서 시작된 피팅으로서 피트의 직경은 작고 형태는
치차 끝부분에서 중심쪽으로 진행되었다. 한참후 미세한 피팅은 점차 감소되었다. 계속된 운전으로 피팅이
완전히 멈추었고 표면은 광택이나 있다. 새로운 피트는 더 이상 존재하지 않고 치차 전체에 하중이 균등하게
분포하는 경향이 있다(이러한 피팅타입은 교정 피팅(Corrective Pitting)이라 불린다).

 

① 피트 직경이 0.030 in 이하로 매우 작다.

② 피트 영역이 국부적이고 생산 결함으로 인한 High Spot으로 논리적 설명이 가능하다.

③ 표면의 내구 응력의 수치 평가로는 피팅이 발생하지 않아야 함을 나타낸다.

④ 이빨의 정렬 상태가 좋음을 나타내는 피팅이나 광택 면적이 이빨을 따라 연 속해 나있다.

이러한 형태의 피팅은 작은 제작 결함이나 윤곽이 교정된 이빨에서 보통 발견된다.

파괴 피팅(Destructive Pitting).

파괴 피팅은 피트(그림 3-122)가 큰 것이 특징이고 때로 구동기어의 이뿌리에서 처음으로 나타난다. 이러한 형태의 피팅에서는 피트가 매우 깊은 초기 면적은 하중을 전달할 수가 없다. 피팅의 형태에 따라 인접 영역으로의 하중 전달이 가능하기도 하고 불가능하기도 하다. 이 피트는 항상 크므로 이빨은 계속된 주행으로도 회복이 불가능하다. 그래서, 이빨 전체가 파괴될 때까지 피팅이 진행된다.

그림 3-122 파괴 피팅. 주로 이뿌리에서 심한 피팅이 발생하는데, 피팅된 구멍은 교정

피팅보다 직경이 더 크다. 어떤 피팅은 이끝에서도 발생된다.

 

Spalling.

Spalling은 커다란 Shallow 피트(그림 3-123)가 발생하는 피팅의 형태로써, 파괴 피팅과 Spalling은 기어셑이 재료의 형상과 성능을 초과하여 하중을 받을때 발생한다. 때로는 재료의 타입이나 경도를 변경하여 파괴 피팅을 충분히 제거할 수 있다.

그림 3-123 Spalling. 경화 피니언의 이빨 Spalling 발달 단계(표면 크러싱과

혼동하지 말 것). 거대한 불규칙 패치가 제거될때까지 재질이 표면으로부터

다소간 피로가 진전되었다.

그림 3-124 Spalling. 청동 웜기어의 하중영역에서의 Spalling 발달 단계.

 

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