3.8 마멸

Wear

 

기어 이빨의 마멸은 접촉면의 표면 재료가 운전중에 닳아 없어지기 때문에 발생하는 것으로써, 진행중에 있는 마멸의 형태는 다음 사항을 평가하면 결정될 수 있다.

① 외형

② 운전중의 유막 두께

③ 오일내 입자크기

④ 기어 표면의 경도

⑤ 하중 운전상태

⑥ 환경

일반적으로 알고있는 마멸의 형태를 다음과 같은 범주로 분류하는 것이 편리한데, 이러한 범주는 외형, 원인 그리고 결과 등을 기초로 한 것이다.

① 정상 마멸

a. 폴리싱

b. 보통 마멸

c. 과도한 마멸

② 연삭마멸

③ 부식 마멸

마멸을 평가할 때는 기어가 운전하고 있는 윤활 체계의 형식을 알아야 한다. 일반적으로 세 가지의 알려진 운전체계가 있는데 : 표면의 거칠기에 대한 유막 두께비는 사실상 윤활 체계의 편리한 지표가 된다. 마멸의 위험성은 표 3-9에서 평가된다.

표 3-9 유막의 손상두께(asperity thickness)비에 대한 마멸의 위험성

유막 두께 비(入)

운전 체계

마멸 위험성

1.5까지

1.51에서 4.0까지

4.1이상

경계(마모)

혼합

완벽한 유체탄성

높음

정상

낮음

 

유막 두께는 기어이빨의 맞물리는 접촉 영역에서의 오일 온도의 함수이므로, 실제값에 대한 불확실성이 있다. 접촉영역내에 있는 온도범위에 관하여 유막 두께비와 유막 두께를 도시하는 것이 도움이 된다 (그림 3-102 참조).

그림 3-102 유막 두께비와 유막 두께 대 온도

3.8.1 正常磨滅 (Normal Wear)

"혼합"의 유막 두께 운전체계(표 3-9)내에서 기어의 운전실험을 통해서 기어는 정상마멸 하면서 운전되고 있음을 알 수 있다. 정상마멸의 형태는 :

폴리싱(Polishing).

양호한 윤활상태에서 장시간 운전된 기어는 보통 폴리싱 상태를 나타낸다 (그림 3-103과 3-104). 계산한 유막 두께비가 "혼합" 체계의 높은 쪽에 있으면 기어는 폴리싱 상태로만 있다고 예상한다. 적당한 기간동안 운전한후 이빨의 폭전체와 뿌리에서 상부까지 균일하게 폴리싱된 것이 관찰되면 이 기어는 설계가 잘 되었고, 조립 및 정비가 정확하게 수행되었음을 의미한다.

폴리싱이란 일반적으로 마멸율이 낮음을 의미한다. 만약 기어가 예상 수명기간 동안에 매우 많은 맞물림 순환을 갖지 않는다면 저 비율의 폴리싱은 고려할 필요가 없다. 기어세트의 수명 초기에 관찰된 폴리싱이 마멸 상태로 보이면 점도가 높은 오일 또는 보다 낮은 입구 온도를 고려해야 한다. 이 변화는 유막을 두껍게 하여 마멸을 감소시키는 경향이 있다.

그림 3-103 폴리싱. 주행 상태의 경화된 하이포이드 피니언의 표면은 고도의 폴리싱 표면을 나타내고 있다. 윤활제내의 고압 첨가제는 이빨 표면의 폴리싱을 촉진시키는 경향을 갖는다.

 

그림 3-104 폴리싱. 42 록웰C로 질화된 헤링본 피니언에 마일드 E.P. 윤활제를 사용하여 800시간 주행후의 폴리싱 정도가 높다.

 

보통마멸(Moderate Wear).

유막이 충분히 두껍지 않으면 폴리싱보다 다소 큰 비율로 마멸이 발생하는데, 이러한 마멸에 의해 이빨의 운전 피치선에 홈(Ridge)이 발생한다 (그림 3-105 참조). 상대적인 미끄럼이 있는 곳인 이끝이나 이뿌리 영역에서는 금속이 마멸된다.

"폴리싱"에서 설명한 바와 같이 유막의 두께를 증가시킴으로 보통 마멸을 제어하는 것이 때로 가능하다. 이러한 마멸은 오일의 오염의 흔적일 수 있다. 그러한 경우는 유막 두께보다 더욱 작은 입자까지 오일을 필터링해야 한다. 진동, 손상, 예상 설계 수명이 다하기전에 진동, 파손 또는 소음 때문에 문제의 진전율로 인해 기어가 부적절하게 운전하지 않는한 보통 마멸은 일반적으로 큰 문제가 되지 않는다.

過度磨滅(Excessive Wear).

유막 두께 비가 1.0 이하이면 특히 많은 맞물림 순환을 야기하는 기어 세트에서는 과도마멸이 예상된다 (그림 3-106). 마멸율이 상당히 높으면 많은 금속이 떨어져나가 예상수명이 다하기 훨씬 전에 이폭이 얇아져 이빨이 부러지거나 거칠게 운전된다.

"보통마멸"에서 제안된 수정사항은 이 같은 문제를 해결하는데 적용되고 또한, 더욱 단단한 재료의 선정이나 기어의 형상 변경 등이 요구된다.

과도 마멸이 나타나는 기어가 유막 두께율이 1.0 근처나 아래이면 마멸은 거칠기 접촉을 기초로 설명을 할 수 있고, 유막 두께율이 4 정도이면 과진동이나 비틀림 작용에 의한 고하중의 존재 또는 연삭마멸의 분명함에 관해 집중 연구해야 한다.

그림 3-105 보통마멸. 기어의 이끝과 이뿌리에 발생한 마멸에 의해 운전 피치선을 볼 수 있다.

 

그림 3-106 과도마멸. 이빨 표면으로부터 금속이 불균일하게 마멸되어 계단처럼
되었다. 이빨 두께가 감소되고, 나선형 윤곽이 손상되었다.

 

3.8.2 硏削 磨滅 (Abrasive Wear)

오일내 존재하는 오염 입자의 크기가 윤활막의 두께보다 크면 연삭마모가 발생한다 (그림 3-107). 대부분의 경우는 윤활계를 청결히 하여 연삭마모를 줄일 수 있다. 밀착봉입, 적절한 씰, 균질한 필터와 정기적인 오일 샘플, 또는 관례를 변경하는 것이 필요하다. 연삭마모가 심한 경우는 그림 3-108과 같다.

그림 3-107 연삭마모. 메팅기어(Mating Gear)에 박힌 불순물을 보이는 42RC로 질화된 헤링본 피니언

 

그림 3-108 연삭마모(심한 경우). 공급 윤활유 내에, 연삭입자의 축적으로 이빨 두께의 대부분이 마멸되었다. 깊은 돌기부(Ridge)와 연마에 의해서도 영향을 받지 않는 치차의 끝단을 주시하라.

 

3.8.3 腐蝕磨滅 (Corrosive Wear)

기어 재질을 손상시키는 화학작용의 결과로 이빨 표면에 부식마모가 발생한다 (그림 3-109와 3-110). 재질을 손상시키는 작용 인자는 외부로부터 기어 세트 케이싱에 또는 윤활유 자체로부터 야기된다.

작용인자의 근원이 기어 케이싱과 윤활계에 있다면 작용인자는 케이싱내의 기공, 씰(Seals), 개스킷이나 윤활계의 개구부를 통해 유입된다. 일단 작용인자의 유입경로를 알면 더 이상의 유입을 막을 수 있다. 특히 나쁜 환경에서는 재질변경이나 재질을 보호하는 특별한 방법이 요구된다.

작용인자는 윤활제 자체의 화학분해로 부터 초래되기도 한다. 극압용 첨가제를 포함하는 윤활제는 고온에서 분해되어 활성 화학혼합물을 형성하는데, 그러한 윤활제를 기어세트에 사용할 때는 운전에 적절한지를 규칙적으로 점검해야 한다.

원래 제조관례 자체가 때로 화학적인 손상 원인일 수 있다. 표면침탄 공정에 사용된 구리 Overlay를 제거하기 위해 생긴 Grinding-Burn이나 Chemical Stripping을 제거하기 위한 금속 에칭후, 세심한 청결과 중화, 또는 부동태화를 수행해야 한다.

때로 마멸율은 장기간에 걸쳐서 특정 이빨을 여러 번 측정하여 추정한다. 마멸율이 매우 현저하지 않는 한 단 한번의 기어세트 시험으로는 치차의 예상 수명을 다하기 전에 만족스럽지 못할 정도로 마멸율이 너무 빠른지 여부를 결정하기에 충분치 못하다.

보통 마멸 상태의 기어세트(그림 3-105)는 때로 이빨 중심부근의 운전 피치선에 돌출(Ridge)을 야기하기도 한다. 마멸의 양이나 비율을 확인하기 위한 측정은 운전 피치선의 돌출부와 떨어진 이끝이나 이뿌리이어야 한다.

마멸율은 하중강도, 재료의 적합성, 재료의 경도, 하중을 전달하는 윤활제의 특성과 운전시간 등의 함수이다.

마멸, 스코어링 및 피팅을 계산할 수 있는 모든 매개변수들이 손상 가능성이 낮을지라도 고속회전기계에 사용되는 기어들은 낮은 마멸율이지만 정상수명 기간동안 많은 맞물림 순환을 가지게 된다. 대개 오일내 작은 미립자나 많은 기동사이클로부터 기어 마멸을 최소로 하기 위해서는 기어를 가능한한 단단히 만들어야 한다.

그림 3-109 부식마멸. 화학 반응으로 인한 표면의 흔적이 있는 것으로 보아 상당한 마멸이 기어에서 발생했음이 분명하다. 이러한 특성의 마멸은 기어 표면이 완전히 사용 불가능할 때가지 계속된다.

 

그림 3-110 부식마멸. AISI 9310 표면 침탄과 Grinding된 피니언은 H2S로 오염된 윤활계 부식을 나타낸다. 이 피니언은 피치직경이 10"이고, 속도 10,000ft/min 이상의 피치선 속도에서 운전하고 있었다.