기어 손상

왜 배우는가: 기어 손상은 기계설비 고장과 사고의 주요 원인이며, 감속기 점검·정비 현장에서 손상 형태를 빠르게 식별하고 원인에 맞는 대책을 세우는 능력이 필요하다. 기술사 시험에서도 손상 종류, 발생 원리, 방지대책을 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제127회 3교시 4번, 제99회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기어 손상은 기어가 맞물려 동력을 전달하는 과정에서 접촉면의 반복 응력, 마찰, 윤활 부족, 과부하 등으로 치면(齒面)이나 치 뿌리가 변형되거나 파손되는 현상이다.

기어 손상은 접촉면 피로·마모·스코어링·치 파손 등으로 치형이 변하거나 기어가 파손되는 현상이다.

핵심 키워드

• 피팅(Pitting)
• 스코어링(Scuffing)
• 마모(Wear)
• 치 굽힘 피로(Bending Fatigue)
• 치면 박리(Spalling)
• 윤활막(Lubrication film)
• 헤르츠 접촉응력(Hertzian contact stress)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 기어는 두 개의 톱니가 굴러가며 힘을 주고받는 부품이다. 톱니면은 매번 맞물릴 때마다 큰 압력을 받고, 치 뿌리는 굽힘 응력을 받는다. 이 힘이 반복되면 표면이나 내부에서 균열이 생기고, 결국 톱니가 떨어지거나 치형이 무너진다.

정식 정의로는, 기어 손상은 치면의 접촉 피로와 마찰·마모 현상, 치 뿌리의 굽힘 피로, 과부하·충격에 의한 치 파손을 포함하는 기어의 기능 상실 상태를 말한다.

피팅(Pitting)은 맞물림 접촉면 아래에서 발생한 미세 균열이 표면으로 진전하면서 작은 조각이 떨어져 나가 오목한 구멍이 생기는 현상이다. 기어 자료의 설명처럼, 탄성 응력이 표면 근처에 균열을 만들고 그 균열이 기어 내부로 전파되어 큰 공동을 만든다. 이를 매크로 피팅(macropitting)과 마이크로 피팅(micropitting)으로 나눈다.

스코어링(Scuffing)은 고속·고온에서 과도한 미끄럼이 발생해 윤활막이 파괴되고, 금속면끼리 직접 접촉하여 국부 용착과 찢김이 일어나는 현상이다. 치형이 변형되어 치형 곡선이 깨지므로 치면 손상이 급속히 진행된다.

마모(Wear)는 이물질, 윤활 부족, 미끄럼 접촉에 의해 치면이 서서히 깎여 나가는 현상이다. 치형이 변하면 백래시가 커지고 소음과 진동이 증가한다.

치 굽힘 피로(Bending Fatigue)는 치 뿌리에 반복되는 굽힘 응력이 작용하여 뿌리 필렛부에서 균열이 시작되고, 결국 치가 부러지는 현상이다.

치면 박리(Spalling)는 피팅이 진행되어 표면 아래의 균열이 넓어지면서 큰 면적의 표면층이 떨어져 나가는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

기계의 출력이 커지고 회전속도가 높아지면서 기어 한 쌍이 감당하는 접촉응력과 미끄럼 속도가 함께 커졌다. 과거에는 기어의 강도 계산이 굽힘 강도에만 치우쳤으나, 실제 고장의 상당수가 치면 접촉 피로와 윤활 조건에서 나타나면서 면압과 미끄럼을 함께 보는 설계가 필요해졌다.

기어는 한 번 손상되면 감속기 전체의 교체로 이어지므로 설비 정지 시간과 정비 비용이 크다. 따라서 손상 종류를 구분하고 원인에 맞춰 설계·윤활·정비 대책을 세우는 체계가 중요해졌다.

기어 설계 기준인 ISO 6336과 AGMA 2001은 각 손상 기구에 대한 계산 방법을 제시한다. 그러나 기하, 재료, 열처리의 조합을 모두 포괄하지 못하므로 실험 검증이 함께 요구된다는 점이 강조된다.

기어는 회전속도와 하중에 따라 여러 손상 기구가 동시에 작용한다. 그래서 한 가지 손상만 보지 않고 마찰, 접촉, 굽힘 피로, 윤활 부족의 네 가지 현상을 함께 고려해야 실제 현장 문제를 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

기어 손상은 접촉응력과 굽힘응력이 재료 강도를 넘거나, 반복되어 피로가 누적될 때 생긴다. 손상의 원인은 하중, 속도, 윤활 상태, 정렬 상태로 나뉜다. 구성요소별로 보면 손상이 어디서 시작되는지 판단할 수 있다.

표의 구성요소 중 치면과 윤활막은 피팅과 스코링을 가르는 핵심이다. 치면 손상은 접촉응력 문제이고, 윤활막 손상은 윤활 문제다. 두 원인이 겹치면 손상 진행이 빨라진다.

원리 1은 접촉응력이다. 두 치면이 구르면서 맞물릴 때 Hertz 접촉응력이 생긴다. 이 응력이 반복되면 표면 아래에서 미세 균열이 시작되고, 이것이 커져 치면 조각이 떨어져 나간다. ISO 6336 의 접촉응력 식은 다음과 같다.

$σ_H = Z_H Z_E \sqrt{\frac{F_t}{d_1 b}\cdot\frac{u+1}{u}}$

σH 는 접촉응력(MPa), Ft 는 접선력(N), d1 은 구동 기어 피치원 지름(mm), b 는 치폭(mm), u 는 기어비, ZH 는 영역계수, ZE 는 재료 탄성계수 계수다. 실제 설계에서는 사용계수와 동하중계수를 추가로 곱한다.

원리 2는 굽힘응력이다. 치근은 외팔보로 보고 굽힘응력을 계산한다. 치근 필렛부에서 피로균열이 시작되어 치 파손으로 이어진다.

$σ_F = \frac{F_t}{b\,m}\,Y_F Y_S Y_ε$

m 은 모듈(mm), YF 는 치형계수, YS 는 응력집중계수, Yε 는 물림률 계수다.

원리 3은 윤활막 두께다. 최소 유막두께와 치면 거칠기로 윤활 상태를 나타내는 λ(lambda)를 구한다.

$λ = \frac{h_{min}}{\sqrt{R_{a1}^2+R_{a2}^2}}$

hmin 은 최소 유막두께(μm), Ra1 과 Ra2 는 두 치면의 표면 거칠기(μm)다. λ 값이 작은 영역이면 경계윤활이라 금속 접촉 위험이 크다. λ 가 커질수록 유막이 두꺼워져 피팅과 스코링이 줄어든다.

손상이 진행되는 순서는 다음 도식과 같다. 초기에는 치면 아래 응력이 최대인 곳에서 균열이 생기고, 이후 피팅이 넓어져 치 파손으로 끝난다. 피팅은 응력 반복과 윤활 불량이 겹칠 때 빨리 진행된다.

손상 진단 절차는 다음과 같다.

• 손상 부위와 형태를 육안과 사진으로 기록한다.
• 피팅, 스코링, 마모, 치 파손 중 어느 형태인지 구분한다.
• 하중, 속도, 온도 이력을 확인한다.
• 윤활유의 점도, 오염도, 금속 입자 함량을 분석한다.
• 백래시와 접촉 패턴을 측정해 정렬 상태를 확인한다.
• 원인을 제거한 뒤 재발 방지 대책을 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

기어 강도 계산과 정밀도는 국제표준을 국가표준으로 받아들인 체계를 따른다. 설계 단계의 강도 계산은 ISO 6336이 기본이고, 국내에서는 KS B ISO 6336-1로 채택되어 있다. 미국의 AGMA 2001도 같은 손상 형태에 대해 계산 방법을 제시한다. 두 표준 모두 계산식만으로는 소재, 열처리, 형상의 모든 조합을 다루지 못하므로 실험 확인을 함께 권한다.

정밀도는 KS B ISO 1328-1의 치차 정밀도 등급으로 정한다. 등급이 높을수록 피치와 치형의 허용오차가 작아져 접촉이 고르고 소음과 진동이 줄어든다. 정밀도가 낮으면 한 치에 하중이 몰려 피팅이 빨리 생긴다.

기계 정비와 점검 시에는 산업안전보건기준에 관한 규칙이 적용된다. 정비 중 기계가 갑자기 기동하면 기어에 손이나 공구가 끼는 사고가 생기므로, 기동을 막는 조치와 표지를 해야 한다. 이는 기어 손상 점검 작업의 안전 조건이다.