기어 점검 및 품질 관리: 기어 NVH 테스트 방법

현대 철도 교통, 항공, 고급 기계 장비 분야에서 기어 전달은 고효율과 신뢰성을 요구할 뿐만 아니라 우수한 NVH 성능(소음, 진동, 승차감)도 필요합니다. NVH 수준은 사용자 경험과 제품 수명에 직접적인 영향을 미치며, 장비 유지보수 비용 및 브랜드 이미지에도 깊은 영향을 미칩니다. 본 문서에서는 기어 NVH의 테스트 방법, 영향 요인, 최적화 전략을 체계적으로 소개합니다.

1. 기어박스에서 NVH의 중요성

기어 변속 과정에서 미세한 기하학적 오차, 조립 편차 또는 재료 결함이 톱니 맞물림 과정에서 진동 및 소음원으로 전환될 수 있습니다. 철도 열차 기어박스의 경우, 높은 소음은 승객의 승차감에 영향을 줄 뿐만 아니라 베어링 및 기어와 같은 부품의 피로 손상을 가속화하여 장비 전체의 수명을 단축시킵니다. 재료와 동력전달 방식을 변경하지 않고 과학적인 NVH 테스트와 최적화를 통해 소음 감소와 수명 연장이라는 두 가지 효과를 동시에 달성할 수 있습니다.

기어박스에서 발생하는 진동과 소음은 하우징의 반응을 통해 차량의 다른 부위로 전달됩니다. 여기서 여기원은 주로 전달 오차이며, 전달 경로에는 기어-축-베어링-하우징 및 기어-공기-하우징 경로가 포함됩니다.

2. 기어 소음의 주요 원천

이형 오차 및 헬리컬 오차: 이러한 오차로 인해 톱니의 불균일한 맞물림이 발생하며, 이로 인해 충격이 발생하고 소음 피크가 증가하게 됩니다.

과도한 기어 표면 거칠기: 맞물림 접촉 상태에 직접적인 영향을 주며 고주파 소음을 발생시킵니다.

조립 편심 및 원주도 편차: 맞물리는 지점에 불균일한 힘을 유발하여 주기적인 소음을 유발합니다.

공진 주파수 중첩: 기어 맞물림 주파수가 기어박스, 축계 또는 외부 구조물의 공진 주파수와 가까울 때 소음이 현저히 증폭됩니다.

3. 기어 소음 시험 방법

3.1 음향 측정

무반향 장에서 마이크로폰을 사용하여 기어박스 작동 중 음압 레벨(dB)을 측정합니다.

음향 강도 분석을 통해 주요 소음원을 파악할 수 있습니다.

환경 소음의 간섭을 방지하기 위해 무향실 또는 반무향 환경에서 시험을 수행해야 합니다.

예를 들어, 트램의 음향 시험에서는 마이크로폰 어레이를 사용하여 트램 차체, 대차 구조 및 휠셋 부품 등의 소음원을 탐지합니다. 음향 영역에는 기어박스, 대차 커버 등이 포함됩니다.

3.2 진동 분석

3축 가속도계를 사용하여 기어박스의 다양한 방향에서 진동 신호를 기록합니다.

FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 통해 진동 신호를 스펙트로그램으로 변환하여 이상 주파수 성분의 존재를 확인합니다.

차수 분석과 결합하여 기어 맞물림 주파수를 다른 기계 부품의 진동과 구분할 수 있습니다.

주파수 스펙트럼은 1x 기어, 1x 피니언, 1xGMF(Gear Meshing Frequency), 2xGMF, 3xGMF 등 다양한 주파수에 해당하는 진폭을 보여줄 수 있습니다. 스퍼 기어의 경우 방사 방향 진동이 더 두드러지고, 헬리컬 기어의 경우 축 방향 진동이 더 뚜렷합니다.

3.3 표면 거칠기 측정

표면 거칠기 측정기(예: Taylor Hobson Talysurf)를 사용하여 치면의 Ra 및 Rz와 같은 파라미터를 측정합니다.

표면 거칠기가 과도할 경우 마찰이 증가할 뿐만 아니라 맞물림 소음도 커지게 됩니다.

고속 기어의 경우, 고주파 소음 성분을 줄이기 위해 Ra ≤ 0.4 μm를 권장합니다.

4. NVH 최적화 전략

4.1 톱니면 수정 최적화

팁 및 루트 릴리프(Tip and Root Relief): 톱니 뿌리가 맞물릴 때의 충격을 완화시킵니다.

크라우닝(Crowning): 톱니 방향으로 하중이 집중되는 현상을 줄입니다. 수정량을 최적화함으로써 맞물리는 충격력을 효과적으로 감소시켜 소음의 근원을 억제할 수 있습니다.

이중 볼록 헬리컬 기어(double-crowned helical gears)와 같은 다양한 수정 방법들이 있으며, 이는 이차, 사차, 육차 포물선과 같은 서로 다른 포물선 프로파일, 저압축 감소 및 끝단 클리어런스 등의 특징을 가진 윤곽 볼록기어(contour crowning gears)를 포함합니다. 수정 방법에 따라 맞물릴 때의 접촉 경로가 달라지게 됩니다.

4.2 표면 거칠기 개선

정밀 연삭, 호닝 또는 연마 및 롤링 기술을 사용하여 표면 거칠기를 줄입니다.

롤링 강화를 통해 Ra 값을 감소시킬 뿐만 아니라, 톱니면 경화층의 품질도 개선할 수 있습니다.

혼잉은 효과적인 공정입니다. 혼잉 공구의 축이 적절히 설정되고, 혼잉 공구(특정 나선각을 갖춘 알루미나와 같은 연마 세라믹으로 정밀 가공된 내측 기어)가 작업 기어를 가공합니다. 작동 중, 기어 톱니면의 가공(접촉) 방향은 실제 기어 맞물림 시의 방향과 거의 동일합니다.

4.3 동적 균형 및 조립 정밀도

기어 및 축계에 대해 동적 균형 시험을 수행하여 진동원을 줄입니다.

조립 중에 방향 편심량(Fr) 및 축 방향 편심량(Fa)을 관리하여 부하 불균일을 방지합니다.

5. 규격 및 시험 요구사항

국제 및 산업 표준에서는 기어 NVH 성능에 대해 명확한 요구사항을 규정하고 있습니다:

ISO 1328: 기어 정확도 등급 및 오차 범위를 명시합니다.

ISO 8579: 기어 변속기 소음 측정에 관한 규정입니다.

ISO 10816: 진동 모니터링 및 평가 기준을 다룹니다.

전체 생산 공정의 품질 관리에 NVH 테스트를 통합함으로써 제품 출하 전 변속 시스템의 조용함과 안정성을 보장할 수 있습니다.

기어 NVH 테스트는 단순한 공장 검사의 일부에 그치지 않고, 기어 설계, 가공, 조립 전 과정에 걸쳐 수행되어야 합니다. 체계적인 음향 측정, 진동 분석 및 표면 거칠기 측정을 통해 수정 최적화 및 정밀 가공 기술을 결합함으로써 비용 증가 없이 기어박스의 운전 시 조용함과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 제품 경쟁력의 발현이자 현대 기계 제조의 고품질 발전을 위한 필연적 추세이기도 합니다.