3.9 스코어링

Scoring

 

임의 운전하중, 속도, 금속윤활제 조합 및 운전 온도하에서 맞물리는 이빨의 작용측면을 분리하는 유막은 고하중의 온도로 인해 깨지고 금속간 접촉을 일으킨다. 이는 스코어링이라 불리는 반복되는 용융과 균열(Tearing)을 야기한다. 때로 이것은 맞물림에 영향을 받을 만큼 이빨의 표면을 매우 악화시킨다. 더욱 일반적으로 알고 있는 스코어링의 형태는 마멸에서처럼 외형, 원인, 결과에 기초하여 분류된다.

① 프로스팅(Frosting)

② 보통 스코어링(Moderate Scoring)

③ 파괴 스코어링(Destructive Scoring)

스코어링을 평가를 할 때 기어 설계시 내재하는 스코어링 위험도를 분석적으로 평가하는 것이 효과적이다. 특히, 항공기 기어설계에 노력을 기울이면 주어진 설계에서 스코어링 위험도를 평가하는 합리적인 방법의 도출이 가능하다. 전형적인 예상 인화 온도 방정식은 다음과 같다.

이러한 스코어링 평가방법을 이용한 경험으로 볼 때 그 확률은 표 3-10과 같다.

 

표 3-10 AGMA 방법을 사용한 스코어링의 확률

계산된 인화 온도의 수

위험도

275까지

275부터 350

350 이상

낮음

보통

높음

 

주어진 기어 형상에서 스코어링은 입구의 온도, 면 다듬질, 접촉속도(Rubbing Speed)에 강하게 영향을 받는다. 일반적으로 작용선(Action Line)을 따라 5~10개의 각 포인트에서의 인화 온도수가 규정되어야 한다. 도표로된 평가는 표 3-11과 표 3-10을 비교해 볼 때 이러한 데이터는 어디서든 좋은 지침을 제공하고 어느 정도 스코어링이 발생할 것인지를 나타낸다.

 

표 3-11 기어의 작용선을 따라 도표화된 윤활제의 인화 온도의 수

위 치

롤 각 (°)

위 치

인화 온도 지표

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

22.196

18.565

14.934

11.302

12.474

13.646

14.818

15.989

14.199

12.408

10.617

외경

 

 

높은 점, 단일 이빨의 접촉

 

 

 

낮은 점, 단일 이빨의 접촉

 

 

직경 형성

160.17

155.18

154.18

162.95

160.88

158.16

154.92

151.02

156.69

161.01

163.82

 

프로스팅(Frosting).

이것은 가장 가벼운 스코어링 형태로써, 보통 영향을 받는 부위는 이빨의 끝으로 에칭면(그림 3-111과 3-112)의 형상을 가진다. 확대했을 때의 부위는 0.001 in 깊이의 대단히 작은 피트로 구성된다.

프로스팅면은 이빨 표면상에 더 높은 거칠기나 파동의 표시를 갖고 있다.

프로스팅은 이빨높이 표면에 국부결함을 빈번히 발생시킨다. 손상없이 운전될 때 이 부위는 닳아 헤지면서 프로스팅은 사라진다.

그림 3-111 프로스팅. 질화된 헬리컬 기어에 나타난 초기 랜덤 팻치 단계의 프로스팅이다. 정밀 검사를 한 결과 매우 작은 요철 영역이 존재하는 기계 마크를 따라 나타나는 작은 프로스팅 팻치가 있는 것을 알 수 있다.

이러한 프로스팅의 패턴은 원주방향의 용융이나 균열 흔적이 없다.

 

그림 3-112 프로스팅. 질화된 4140 피니언의 프로스팅의 초기 단계이다. 이빨 끝이나 이뿌리에서 분리한 팻치를 나타내는 프로스팅. 이 단계에서 기어의 손상은 그다지 심각하지 않다.

보통 스코어링(Moderate Scoring).

프로스팅 보다 다소 강한 형태로서, 에칭된 외형 외에도 정밀한 실험을 통해 용융과 균열 분리를 작용으로 유발되는 미세한 스크래치를 관찰할 수 있다 (그림 3-113과 3-114).

그림 3-113 보통 스코어링. 피치 직경 5의 8620 표면침탄과 그라인딩된 스퍼 기어의 이끝과 이뿌리에서의 스코어링이다.
스코어링이 어떻게 이빨을 가로질러 확장되며 다른 쪽에는 스코어링이 부분적으로 나타난 것을 주시하라.

 

그림 3-114 보통 스코어링. 기어 표면에 넓게 분포하는 스코어링 작용은 서리 낀 형상을 하는데, 세밀한 실험으로
회전에 의한 용융과 균열분리 및 금속간 접촉이 존재함을 알 수 있다.

파괴 스코어링(Destructive Scoring).

이러한 스코어링 형태는 많은 량의 재료를 제거하며 이끝과 이뿌리 영역(그림 3-115와 3-116)으로 확장한다. 만약, 피치선에 하중이 충분히 집중되어있지 않다면 치차 자체 노력만으로는 하중의 재분포가 불가능한 비율로 피팅이 나타난다.

그림 3-115 파괴 스코어링. 심한 스코어링이 피치선 위, 아래에서 발생하였고 피치선에서
금속이 튀어 올라와 있다. 이런 결과로 하중의 재분포를 위해 피치선이 피칭한다.
일반적으로 이런 기어는 자체 수정이 불가능하고 결국 손상된다.

 

그림 3-116 파괴 스코어링. AISI 9310 그라인딩된 항공기 스파이어럴 베밸 기어의 파괴 스코어링.

이빨 균열이나 피팅과 달리 스코어링은 기어가 주행되자마자 발생한다. 그러므로, 기어의 재설계시 부정확한 정밀도나 정렬 상태가 부적절하거나(그림 3-117) 모든 면에서 설계상 결함이 있으면 초기에 스코어링의 발생을 알 수 있다.

기어세트가 주행하자마자 국부영역에서 스코어링이 관찰되면 스코어링 패턴의 모양과 위치로 조립이나 운전상의 문제가 나타내기도 하지만, 교정되면 앞으로의 스코어링이 제거된다(그림 3-118). 설계시(그림 3-119) 윤곽이나 팁이 변경된 기어에서 스코어링이 가끔 관찰된다. 그러한 경우 추가의 변경으로 스코어링을 수정하기도 한다.

스코어링은 윤활유막의 국부 파괴를 일으키므로 윤활제 자체를 통해 다소 조절이 가능하여 점성이 높은 윤활제로의 변경이나 극압 첨가제의 윤활제의 사용이 고려되기도 한다. 맞물림에서의 오일 입구 온도를 낮추고 이빨의 온도를 감소시키는 냉각오일의 유량을 증가시키는 것도 효과적이다.

그림 3-117 국부 스코어링. 호브절삭(Hobbing)과 셰이빙된 중간 경도(4340)의 선박
기어 패턴의 스코어링이 일정함을 보인다. 보다 심한 스코어링 팻치에 영향을
미친 이빨 표면의 웨이브가 보통의 균일한 스코어링 영역에 중첩되었다.

 

그림 3-118 국부 스코어링. 고속, 고하중의 AISI 9310 표면 침탄되고 그라인딩한 헬리컬 기어의
치차 끝단의 국부 스코어링을 보인다. 설계 과실로 이러한 손상이 오는데,
기어 케이싱이 운전온도에 도달하거나 열팽창 차가 기어 Face Misalignment를 일으킬 때이다.
이로 인한 하중분포로 스코어링이 유발된다.

 

그림 3-119 팁과 루트의 간섭. 본 기어는 메팅기어의 팁이 루트쪽에서 간섭을 유발한 것이 분명하다.
루트쪽에서 빠른 금속제거를 유발하는 국부 스코어링이 발생했다.
수정되지 않으면 간섭의 이러한 성질은 심각한 손상을 유발한다.

 

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