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생산 장비용 급생산 장비용 급생산 장비용 급생산 장비용 급FDP 120wFDP 120wFDP 120wFDP 120w
고강도 감속기 설계 기술 지원고강도 감속기 설계 기술 지원고강도 감속기 설계 기술 지원고강도 감속기 설계 기술 지원
2008. 11.2008. 11.2008. 11.2008. 11.
지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원
지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: GGMGGMGGMGGM
지 식 경 제 부지 식 경 제 부지 식 경 제 부지 식 경 제 부
KETI-RD-2008061
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전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서전문기업기술지원사업 기술지원성과보고서
사 업 명 생산 장비용 급 고강도 감속기 설계기술 지원FDP 120W
지원책임자소속 전자부품연구원:
성명 김 주 한:지원기간
부터2007. 11. 1.
까지2008. 10. 31.
사업비 규모
총 백만원200
지원기관의
참여연구원
김주한 선임
서정무 전임
정 부 출 연 금 백만원: 100
기업부담금현금 백만원: 40
현물 백만원: 60
부품 소재전문기업기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 기술18ㆍ
지원사업 수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.
첨 부 기술지원성과보고서 부: 5
년 월 일2008 11
작성자 지 원 책 임 자( ) : 함 중 걸
지원기관장 사전자부품연구원장( ) : 홍 종 희
확인자 참여기업 대 표( ) : 이 규 찬
한국부품소재산업진흥원 귀하
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제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문
지 식 경 제 부 장 관 귀 하지 식 경 제 부 장 관 귀 하지 식 경 제 부 장 관 귀 하지 식 경 제 부 장 관 귀 하
본 보고서를 생산 장비용 급 고강도 감속기 설계지원지원 지원기간“FDP 120W ”( :
과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다2007. 11 . 01 ~2008. 10. 31) .
2008. 11. .2008. 11. .2008. 11. .2008. 11. .
지원기관 : 전자부품연구원
대표자 서 영 주( )
지원기업 : 주( ) GGM
대표자 이 영 식( )
지원책임자 : 김 주 한 선임연구원
참여연구원 : 성 하 경 수석연구원
GGM : 정 병 인 이사
GGM : 최 병 을 부장
GGM : 최 주 안 과장
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기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서
과제고유번호 연구기간 2007. 11. 01 ~ 2008. 10. 31
연구사업명 부품 소재전문기업기술지원사업ㆍ
지원과제명 에 생산 장비용 급 고강도 감속기 설계기술 지원FDP 120W
지원책임자김주
한지원연구원수
총 명: 2
내부 명: 2
외부 명: 2
총
사업
비
정부 천원: 100,000
기업 천원: 100,000
계 천원: 200,000
지원기관명 전자부품연구원 소속부서명 지능메카트로닉스 연구센터
지원기업 기업명 : GGM 기술책임자 정 병 인:
요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 ) 보고서면 수
등의 산업이 급격히 발전함에 따라 이들의 생PDP, LCD FPD(Flexible Panel Display)
산에 필요한 다양한 종류의 고가 정밀 생산 장비들의 수요가 급증하고 있는데 이들 장,
비들에는 보다 고정밀의 전용 용 고 강도 감속기들이 탑재되고 있으며 현BLDC Motor ,
재 전량 일본에서 수입되고 있음 이에 본 지원 업에서는 자사 생산설비를 이용하여 해.
외에서 수입되고 있는 용 고강도 감속기를 개발해 제조 판매하기를 희망BLDC motor
하였음 지원기업에서 일반 및 모터용 감속기를 생산하고 있으나 고 강도. AC DC ,
용 감속기는 설계 및 제작 가공기술 부족으로 제품 개발에 어려움을 겪고BLDC motor
있었음 이를 해결하기 위하여 지원기관에서는 고정밀 고강도 기어설계 기술지원 감속. ,
기 최적구조 설계기술지원 정밀 생산가공 및 성능평가 기술지원을 통해 제품 개발의,
어려움을 해결하였음 본 개발을 통하여 재조장비 모터용 고강도 감속기 기. FDP BLDC
술 확보 및 상용화를 시켰으며 고강도 고수명 감속기 개발에 적용이 가능할 것으로, FA
사료됨
색 인 어
각 개 이상( 5 )
한 글 고강도 감속기 브러쉬리스 모터 디스플레이 자동화기기, , , ,
영 어High, Strengh, Reduction Gear, BLDC Motor, Display,
Automation
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기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문
사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.
최종목표■ 생산 장비용 급 고강도 감속기 설계기술 지원: FDP 120W
세부목표■ :
고정밀 고강도 기어 설계 지원-
감속기 최적 구조 설계 지원-
생산 가공 및 성능 평가 관련 기술 지원-
기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.
고정밀 고강도 기어 설계 지원○
정밀 기어 치형 설계-
전위 계수 및 치형 수정을 통한 기어 고 강도 설계-
백래쉬 최소화를 통한 감속기의 저소음 구현을 위한 기어 설계-
기어 시뮬레이션을 통한 치형 해석-
감속기 최적 구조 설계 지원○
감속기 구조 해석 및 설계-
감속기 기계요소 설계 및 제작-
조립공차 최소화를 통한 소음 저감을 위한 구조설계 및 제작-
감속기 정밀조립을 위한 지그설계 및 제작-
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생산가공 및 성능 평가 관련 기술지원○
호빙기에 의한 정밀기어 가공 기술- CNC
침탄에 의한 기어 강도 증대 열처리 기술-
감속기 하우징 및 커버류 정밀가공 기술-
감속기 성능평가 기어등급 가공정밀도 소음 부하시험등- ( , , , )
지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.
지원항목지원내용
비고기술지원前 기술지원後
기어 설계지원 - 치형 강도 설계완료,
감속기 구조 설계지원 - 구조 설계 완료
감속기 가공 및 조립
기술지원- 부품가공 및 조립 완료
감속기 시작품 성능
평가기술 기술지원- 개 항목 평가 완료4
기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.
해당기술 적용제품1)
적용제품명 산업에 발전에 필요한 설비에 적용되는 용 고강도 감속기o : FDP BLDC
품질 및 가격2)
구분 경쟁 제품해당기술 적용 제품
비고지원전 지원후
경쟁제품 대비 품질 일본 사O - 대등가격경쟁력
우수경쟁제품 대비 가격 - 경쟁력 有
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원가절감 효과3)
구 분 절 감 금 액 비 고
원부자재 절감 백만원 년/ ( %)
인건비 절감 백만원 년/ ( %)
계 백만원 년/ ( %)
공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※
적용제품 시장전망 매출성과4) ( )
구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비
증가비욜비고
내 수 백만원 년7,307 / 백만원 년12,000 / 64 %
수 출 백만원 년869 / 백만원 년3,000 / 235 %
계 백만원 년8,176 / 백만원 년15,000 / 180 %
참고 적용제품 주요수출국 미국 일본 중국) 1. : , ,
작성당시 환율기준 원 달러2. : 1000 /1
수입대체효과5)
모델명 당해연도 수입핵 차년도수입액 수입대체금액 비고
천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/
천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/
계 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/
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해당기술의 기술력 향상 효과6)
본 지원기업의 기어 설계 및 가공기술의 부족으로 인하여 감속기의 기계적강도와 소음
발생의 측면에서 외국의 기술수준에 비하여 상당히 뒤떨어져 있었으나 지원기관에서 보,
유하고 있는 정밀기어 설계 기술 감속기 구조 설계기술 생산가공 및 성능평가 기술의, ,
지원을 통해 기술적 자립을 확보할 수 있었음.
기술적 파급효과7)
요청기업은 고정밀 고강도 기어 설계기술지원을 통하여 고강도 감속기의 기어 치형 설
계 및 강도 설계 기술과 감속기 최적 구조 설계지원을 통하여 정밀 구조 설계기술을 보
유하게 되었음 또한 감속기 생산가공 및 성능평가 기술지원을 통하여 정밀 기어 및 감.
속기 가공기술 감속기 정밀 성능평가 기술을 보유 하게 되었음 본 기업은 기술개발로, .
기존 공도 및 소음 문제를 해결하여 제품의 품질을 한 단계 끌어 올림 차후 개발 기술, .
을 토대로 용 고강도 고수명 감속기 개발에 응용 적용 예정임FA .
적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,
한국 정밀공학회 춘계 학술대회 논문 발표- 08 (2008. 04.)
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세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.
항 목지원
건수지 원 성 과
기술정보제공 건33 개발 과제 관련 자료 및 기술보고서 제공
시제품제작 건6 개발 과제 시작품 제작
양산화개발 건
공정개선 건
품질향상 건
시험분석 건7
연구원 보유 장비들을 이용하여 업체의 생산
품 및 기술지원 제품에 대한 성능시험평가
지원
수출 및 해외바이어 발굴 건
교육훈련 건
기술마케팅 경영자문/ 건
정책자금알선 건
논문게재 및 학술발표 건
기타 건2 감속기 강도 및 정도 측정 관련 지도
종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.
이번 기술 지원사업 수행을 통해 모터용 고강도 감속기에 관한 기어 설계기술BLDC ,
감속기 구조설계 기술 정밀생산 가공 기술의 기술적 자립을 확보함으로써 국내 및 국, ,
외 경쟁업사의 기술적 우위를 선점하고 관련 시장 확보 및 수출증대가 가능할 것으로
기대됨
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세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□
지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. : 431. : 431. : 431. : 43
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2007. 12. 18 과제 미팅 및 스펙점검Kick-off O
2 2008. 01. 10 선진기술 자료소개 일 사 감속기( O ) O
3 2008. 01. 10 고강도 감속기 샘플 성능평가 소음( )) O
4 2008. 01. 21 고강도 감속기 샘플 성능평가 기어정밀도( ) O
5 2008. 02. 01 과제 시작품 스펙 최종 점검 O
6 2008. 02. 01 기어 설계 방법 혐의 O
7 2008. 02. 15 강도 및 강성 문제 협의 O
8 2008. 02. 15 구동 모터 선정 협의 O
9 2008. 02. 22 구동 모터 성능평가 결과 O
10 2008. 02. 26 기어 설계 초안 협의 O
11 2008. 03. 03 상세 기어 차 설계 결과 협의1 O
12 2008. 03. 03 감속기 구조 설계 관련 협의 O
13 2008. 03. 07 감속기 요소부품 관련 협의 O
14 2008. 03. 17 감속기 소음 관련 협의 O
15 2008. 03. 27 감속기 저소음화 방법 협의 O
16 2008. 03. 28 감속기 구조 상세 설계 협의 O
17 2008. 04. 14 구동 모터 감속기 연결 방법 협의 O
18 2008. 04. 21 모터 출력 샤프트 기어 압입 방법 협의 O
19 2008. 04. 25 단기어 설계 스펙 수정1 O
20 2008. 05. 06 기어 제작 방법 협의 O
21 2008. 05. 15 기어 치 절삭 방법 협의 O
22 2008. 05. 29 감속기 부품 제작 협의 O
23 2008. 06. 09 감속기 조립 방법 협의 O
24 2008. 06. 23 기어 초도 샘플 관련 협의 O
25 2008. 06. 27 감속기 조립 지그 활용 협의 O
26 2008. 08. 04 감속기 플레이트 중심오차 감소방안 협의 O
27 2008. 09. 04 기어 열처리 방안 협의 O
28 2008. 09. 04 시작품 제작 일정 협의 O
29 2008. 09. 16 기어류 입고 관련 협의 O
30 2008. 09. 18 기어류 기어 측정 결과 협의 O
31 2008. 09. 19 하우징 및 커버류 입고 O
32 2008. 09. 19 감속기 조립 O
33 2008. 09. 30 감속기 성능 테스트 협의 O
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NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
34 2008. 10. 10 감속기 소음 문제 해결 관련 협의 O
35 2008. 10. 17 침탄 열처리시 기어 치형 수정 관련 협의 O
36 2008. 10. 17 단 출력기어 버 제거 관련협의3 O
37 2008. 10. 22 모터 입력 샤프트 발란싱 관련 협의 O
38 2008. 10. 27 메탈베어링 압입 방법 개선 협의 O
39 2008. 10. 27 감속기 그리스 주입방법 협의 O
40 2008. 10. 29 감속기 하우징 및 플레이트 정밀도 평가 관련 O
41 2008. 10. 30 감속기 부하시험 결과 협의 O
42 2008. 10. 30 최종 시작품 성능평가 결과 협의 O
43 2008. 10. 31 보고서 및 향후 일정 협의 O
기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 332. : 332. : 332. : 33
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2007. 11. 21 감속기 일체형 모터 수출입 현황자료 O
2 2007. 11. 28 공조팬용 모터 자료BLDC O
3 2007. 12. 05 감속기 구동특성 분석 O
4 2007. 12. 18 모터 구동원리 및 분석 자료SR O
5 2008. 01. 12 감속기 기술동향 O
6 2008. 01. 22 감속기 구조설계 관련 자료 O
7 2008. 01. 25 기어 소음 주차수 분석자료 O
8 2008. 01. 30 기어진동소음대책 O
9 2008. 02. 04 유성기어 특성 자료 O
10 2008. 02. 14 치형 오차 해석 관련 O
11 2008. 03. 04 기어 사이즈와 기어비에 관련 연구자료 O
12 2008. 03. 13 기어 설계자료 O
13 2008. 03. 18 기어커플링 제작 및 결합력 관련 자료 O
14 2008. 04. 03 토크리플 측정 방안 O
15 2008. 04. 10 자동차 첨단 기술자료 O
16 2008. 05. 07 감속기 부하 선정방안 자료 O
17 2008. 05. 15 초음파 구동 원리 및 제작 O
18 2008. 06. 04 감속기 형상에 따른 특성 비교자료 O
19 2008. 06. 18 기어손상 정도 분석 및 대책방안 O
20 2008. 06. 26¹⁾ 연자성 금속 열처리 O
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NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
21 2008. 07. 08 기어모터 기술동향 O
22 2008. 07. 17 기어 개요 및 적용RV O
23 2008. 07. 30 기어 전위계수 선정 기술자료 O
24 2008. 07. 31 부하토크 선정방법 기술자료 O
25 2008. 08. 06 소형모터 기술동향 O
26 2008. 08. 14 연료전지 자동차 구동 기술동향 O
27 2008. 08. 20 초음파 가공원리 및 적용방법 O
28 2008. 09. 04 공조팬 기술 O
29 2008. 09. 17 신원리 기반 액츄에이터 기술자료 O
30 2008. 09. 26 압전 세라믹스 재질적 분석 자료 O
31 2008. 10. 07 영구자석 특성NdFdB O
32 2008. 10. 13 정전필름 모터 기술자료 O
33 2008. 10. 22 로봇 감속기 기술동향 O
시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 63. : 63. : 63. : 6
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2008. 03. 28 감속기 베어링 조립지그 제작 O
2 2008. 08. 29 감속기 커버 및 플레이트 제작 O
3 2008. 09. 22 케이스 조립 지구 제작 O
4 2008. 09. 29 메인기어 압입 지그 제작 O
5 2008. 10. 10 기어류 부품 제작 O
6 2008. 10. 27 감속기 케이스 제작 O
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시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 74. : 74. : 74. : 7
NO. 일자 구체적 내용 증빙유무
1 2008. 01. 04 코킹 토크 분석 O
2 2008. 02. 20 감속기어 형상 측정 O
3 2008. 05. 21 모터 성능특성 분석BLDC NTI O
4 2008. 06. 14 감속기 소음 측정 O
5 2008. 07. 18 모터 일체형 감속기 소음측정 O
6 2008. 08. 12 모터 엔코더 출력특성 평가BLDC O
7 2008. 09. 10 차원 형상 측정3 O
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목 차목 차목 차목 차
제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111
제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111
제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222
제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333
제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222
제 절 기술개발 대상의 개요제 절 기술개발 대상의 개요제 절 기술개발 대상의 개요제 절 기술개발 대상의 개요1111
제 절 기어 설계 기술지원제 절 기어 설계 기술지원제 절 기어 설계 기술지원제 절 기어 설계 기술지원2222
제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원3333
제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원4444
제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333
부 록부 록부 록부 록
활용 기자재 요약서활용 기자재 요약서활용 기자재 요약서활용 기자재 요약서1.1.1.1.
도면도면도면도면2.2.2.2.
과제 관련 기술자료과제 관련 기술자료과제 관련 기술자료과제 관련 기술자료3.3.3.3.
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제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111
제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111
최근 등의 산업이 급격히 발전함에 따라PDP, LCD FPD(Flexible Panel Display)
이들의 생산에 필요한 다양한 종류의 고가 정밀 생산 장비들의 수요가 급증 하고
있는데 이들 장비들에는 보다 고강도 고수명 고정밀의 전용 용 고강, , , BLDC Motor
도 감속기들이 탑재되고 있으며 현재 전량 일본에서 수입되고 있는 실정이다 이에, .
본 지원사업을 통해 제품의 품질은 해외 선진 제품과 대등 하고 가격 경쟁력이 있,
는 모터용 고강도 감속기를 개발 하였다BLDC .
그림 제조장비1.1 FDP : Etcher/Stripper
본 지원사업 이전에 지원기업에서는 자사 생산설비를 이용하여 해외에서 수입되고
있는 용 고강도 감속기를 개발해 제조 판매하기를 희망 하였으나 고BLDC motor ,
강도 용 감속기는 설계 및 제작 가공기술 부족으로 제품 개발에 어려BLDC motor
움을 격고 있었다.
고강도 감속기는 일반 감속기보다 수명은 배정도 시간정도 더 길고 강도2 (10,000 ) ,
는 배정도 더 강하다1.5 .
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그림 모터 및 고강도용 감속기1.2 BLDC
국외의 기술동향 및 수준[ ]
세계적으로 일본이 장비용 전동기 및 감속기 세계 시장의 약 를 점FA BLDC 80%
유하며 시장을 선도하고 있으며 일본의 대표적 업체로는 파낙 야스가와, (Fanuc),
미쓰비시 마쓰시타 오리엔탈 다마가(Yaskawa), (Mitsubishi), (Matsushita), (Oriental),
와 등의 회사들이 기술을 주도 하고 있다 특히 제조 장비용(Tamakawa) . FDP
전동기 및 감속기의 경우 야스가와 및 오리엔탈 제품이BLDC (Yaskawa) (Oriental)
주도적으로 전 세계시장을 석권하고 있으며 동 기술의 필요성 또한 국내에 진출하
여 그 시장규모가 나날이 커지고 있는 야스가와사 의 제품에 대응하기 위(Yaskawa)
한 대체제품으로서 그 최초 활용도가 결정되었다 이는 수입대체효과도 충분히 발.
생될 수 있음을 의미한다 최근 관련기술의 형태는 소형화 고 수명 고 강도 고. , , ,
효율화 저 진동 넓은 속도제어범위 등의 실현이 요구되고 있다 특히 산업현장에, , .
사용되는 대부분의 기기가 통합된 모듈화 개발이 일반화되고 있음에 따라 이러한,
경향은 전동기 부품에도 적용이 되어 모터 및 감속기 제어기 구동BLDC , , BLDC (
드라이버 통합 모듈이 탑재하는 것이 새로운 기술적 이슈가 되고 있다) .
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국내의 기술동향 및 수준[ 1
현재 국내에는 몇몇 중소기업에서 개발하여 소량 생산하고 있는 실정이어서 설계,
기술과 전문 인력의 부족으로 고 강도 감속기 성능수준은 선진국에 비하여 전반적
으로 뒤떨어져 있고 국내 생산업체들은 과거 선진 제품의 단순 모방을고 생산하고, ,
있는 제품의 종류도 외국 제품들에 비하여 많이 부족하여 수요자들의 다양한 요구
에 충분히 대응해 나가지 못하고 있는 실정이고 특히 설계 및 가공기술의 부족으,
로 말미암아 기계적 강도와 소음발생의 측면에서 외국의 기술수준에 비하여 상당히
뒤떨어져 있어 수요량의 많은 부분을 외국 업체에 잠식당해 있는 실정이다.
국내외 연구현황[ ]
연구수행 기관 연구개발의 내용 연구개발성과의 활용현황
야스가와 전기 반도체 및 로봇 분야 주도 시판중
오리엔탈 자동화 및 제조FA FDP 시판중
전자부품연구원 기어드 모터 감속기 개발AC 연구개발후 기술이전완료
성신 급 고강도 감속기100W 시판 중 소량 생산( )
제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222
기술지원의 최종목표■
산업에 발전에 필요한 설비에 적용되는 용 고강도 감속기- FPD BLDC
기술지원의 세부목표■
고정밀 고강도 기어 설계지원-
감속기 최적 구조 설계지원-
감속기 생산가공 및 성능 평가 기술지원-
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기술지원의 성격■
공정개선신제품
제조기술◎ 품질향상
양산화 시험분석 시제품 제작
상세 제원 목표■
수명 이상: 10,000 Iw⦁
최대 허용 토크: 68 Nm⦁
감속기 소음 이하: 45 dB⦁
감속비 최대: 1/200⦁
허용 하중 최대 허용 하중 최대Overhung 300N, Thrust 150N⦁
제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333
고정밀 고강도 기어 설계 지원o
정밀 기어 치형 설계-
전위 계수 및 치형 수정을 통한 기어 고강도 설계-
백래쉬 최소화를 통한 감속기의 저소음 구현을 위한 기어 설계-
기어 시뮬레이션을 통한 치형 해석-
감속기 최적 구조 설계 지원o
감속기 구조 해석 및 설계-
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감속기 기계요소 설계 및 제작-
조립공차 최소화를 통한 소음 저감을 위한 구조설계 및 제작-
감속기 정밀조립을 위한 지그설계 및 제작-
생산가공 및 성능 평가 관련 기술 지원o
호빙기에 의한 정밀기어 가공 기술- CNC
침탄에 의한 기어 강도 증대 열처리 기술-
감속 하우징 및 커버류 정밀가공 기술- 71
감속기 성능평가 기어등급 파공정밀도 소음 부하시험등- ( , , , )
- 20 -
제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222
본 장에서는 년간의 기술지원 사업을 통하여 업체에 대해 기술적으로 지원한 내용1
들을 아래 각 절에서 상세 기술하고자 한다.
제 절 기술개발 대상의 개요제 절 기술개발 대상의 개요제 절 기술개발 대상의 개요제 절 기술개발 대상의 개요1111
기어 기초이론기어 기초이론기어 기초이론기어 기초이론1.1.1.1.
가 맞물리기 위한 조건.
두 개의 기어가 물릴 때 치형곡선상의 점에서 향상 접하고 있고 치형이 서로 떨1 ,
어 지지도 않고 파고 들어가지도 않기 위하여는 접촉점 에 있어서 법선방향 속도p
성분 이 항상 같지 않으면 안된다 밑의 그림 에 잇어서 각각으 회전속도. 3-15 Vl,
V2는
이므로 그의 법선방향 성분을 같다고 하면
따라서
즉 양기어의 회전수의 비 기어비 를 중심거리를 안분하는 점 를 양 치형의 공통번( ) C
선이 통과하고 있는 것을 뜻하고 있다.
이점 를 기어에서는 피치점 이라고 부르고 있다 이상으로부터 접촉C (pitch point) . "
점에 있어서 치형에 세운 공통법선은 피치점을 통과한다 라고 말할 수가 있다 카." .
뮤 의 정리 또는 치형이 물리기 위한 기구학적 필요조건이라고 한다(camus) .
- 21 -
그림 기어치형곡선2.1
또 위식에서 밝혀진 바와 같이 각속도비가 일정하다고 하면 / 의 비도 또
한 일정하게 된다 즉 중심거리는 변하지 않으므로 점은 향상 중심으로부터 일정. C
한 위치에 있다고 말할 수 있다 다시 말하면 이 점의 양 기어에 대한 궤적은. C
를 중심으로 하는 원으로 된다 이 원을 피치 원 이라고 부르고O1,O2 . (pit.h circle)
있다.
나 기어치형.
인볼루트 치형(1)
그림 기어인불루트 치형2.a
- 22 -
인볼루트 치형은 외사이크로이드 곡선에서 큰 원 주위를 구르는 작은 원의 반경이
무한대로 되면서 굴러가는 경우 작은 원 상의 한 점이 그리는 궤적이다 다시 말하, .
면 직선이 원 위를 구를 때 직선의 끝점이 그리는 궤적을 인볼루트 곡선이라 부O
른다 이것은 마치 원통에 실을 감아서 실을 팽팽하게 잡아 당기면서 풀어나갈 대.
실의 끝이 그리는 제적과 같다 인볼루트 곡선은 원 의 바깥 쪽을 직선이 구를 때. O
그리는 궤적 이므로 원 의 안쪽에는 존재하지 않는다 이 원을 인볼루트의 기초원O .
이라 부른다(Base circle) .
기어 치수 설계 이론기어 치수 설계 이론기어 치수 설계 이론기어 치수 설계 이론2.2.2.2.
기어의 치형 압력각 모듈 잇수 등이 결정되면 다음으로는 기어의 치수 계산을, , , ,
하여야 한다 기어의 치수 설계는 크게 스퍼 기어와 헬리컬 기어로 나. , (spur) (hellical)
눌수 있다 끝 틈새 는 가공방법에 따라서 다르다 절삭가공인 경우에는. c . c=0.2m,
세이빙 가공에는 연삭 다듬질 가공에는 이다 이 중 이0.2Sm c=0.35m, c=0.35m .
두께 계산은 실제의 현장에서 가공하는데 필요한 수치이며 활줄 이두께 걸치기 이, ,
두께 오버 핀 치수 중 하나만 계산하면 된다 백래쉬 는 기어 및 피니언, . (Backlash)
이 물려 있을 때 이면에 직각인 방향의 놀음을 백래쉬 라고 한다 표준 래크형 공.
구의 기준 피치선이 기어의 기준 피치원에 일치하고 있는 경우에는 표준 기어이며,
그 밖의 전부 전위 기어이다 치절삭 피치선과 기준 피치선과의 거리를 전위량이라.
고 한다.
- 23 -
전위 기어 치수 계산식< >
- 24 -
기어 강도 설계 이론기어 강도 설계 이론기어 강도 설계 이론기어 강도 설계 이론3.3.3.3.
동력 전달용의 기어에 있어서의 강도 설계를 할 때에는 다음의 항목에 대하여 검3
토할 필요가 있다.
치원의 굽힘강도 치원에 생기는 응력에 의해 치가 피로파괴를 한다( )①
치면의 피로강도②
치면에 생기는 응력등에 의해 치면이 피로 파괴되고 이 생긴다( , Pitting )
스코링 강도③
이상의 항목의 계산결과 중 최소의 허용하중으로 전달마력을 결정하는 것 이지만3
보통은 상기한 중에서 및 의 항만이 검토가 되고 있다(1) (2) .
보통 평 기어와 헬리컬기어 강도설계와 관련하여 일반적으로 많이 쓰이는 규격에는
등이 있으며 그 외에 규격이 있AGMA2001, DIN3990, BS436, JGMA401 , ISO6336
다 여기서는 강도규격에 대하여서만 논의 할 것이다. AGMA .
굽힘강도①
굽힙강도는 이뿌리에서의 균열발생과 관련된 피로 현상이다 굽힘 강도식은 기어.
치가 기초에 단단하게 고정되었을 때 최대응력은 이뿌리의 에서 발생한다는 가fillet
정에 기초하고 있다.
기어의 전달하중에 의한 이뿌리의 굽힘강도는 치면에 작용하는 하중의 접선 방향성
분 의외에도 반경방향 이뿌리의 압축응력 이 중심선에 대한 하중 작용선의 경사에,
의한 이에서의 불균일한 모멘트 분포 이뿌리 에서의 곡률변화에 의한 응력 집, fillet
중과 하중을 받는 이와 인접한 이의 하중 분담등을 고려한다 강도계산시의 하중작.
용 기준점은 정밀하지 않은 기어의 경우는 이 끝으로 하고 정밀한 기어의 경우 한
쌍의 맞불림의 최고위 점으로 사용한다.
- 25 -
허용응력은 재료의 구성과 청정도 통계적 특성 잔류응력 경도 열처리 종류 등에, , , ,
따라 달라진다 적용계수 일 경우 만 사이클의 하중작용에. (application factor)1 100
서 의 신뢰도에 해당하는 허용응격 값은 각각의 재료가 처한 조건에 따라 실험99%
과 현장 경험에서 결정된다 허용응력은 수명계수 를 사용하여 설계수명. (life factor)
사이클에 맞게 조정한다.
- 26 -
면압 강도(pitting resistance)②
기어치의 현상은 피로 현상으로 고려된다 초기 은 국부적으로 과대Pitting . Pitting
응력이 작용하는 부분에서 일어나며 점차적으로 과 응력 작용점이 닳아 없어지거나
하중이 재 분포됨에 따라 은 중지된다 면압 강도식의 목적은 설계 수명시간Pitting .
내에는 현저한 이 발생하지 않는 하중을 결정하기 위해서다 면압 강도식은Pitting .
곡률을 가진 두개의 표면사이의 접촉 압력을 계산하는 응력식을 기본으로 해Hertz
서 이빨간의 하중 분담의 효과 등을 반영하여 수정한 식이다.
면압의 기하계수 는 압력각 나선각 기어비등에 따른 접촉이 형상의 곡률반경을I , ,
평가 한다.
- 27 -
허용응력은 재료의구성과 청정도 기계적 특성 잔류응력 경도 열처리 종류 등에, , , ,
따라 달라진다 적용계수 일 경우 만 사이클의 하중작용에. (application factor)1 100
서 의 신뢰도에 해당하는 허용응력 값은 각각의 재료와 그 재료가 처한 조건에99%
따라 실험과 현장경험에서 결정된다 허용응력은 수명계수 를 사용하여. (life factor)
설계수명 사이클에 맞게 조정한다.
소음을 고려한 기어설계소음을 고려한 기어설계소음을 고려한 기어설계소음을 고려한 기어설계4.4.4.4.
물림율-
많은 기어 치로 하중을 분담하면 치의 휨은 적어지고 소음도 감소가 될 것 이다, .
물림율이 에서 사이의 소음의 크기변화가 없고 이상시에 소음이 감소한다1.1 1.9 , 2
는 보고가 있다 물림률이 증가하면 기어 가공시에도 기어 커트날과의 맞물림 율이.
증가하여 치형의 정밀도가 좋게된다.
- 28 -
물림율을 증가시키는 방법으로는 기어의 전위계수 조정법과 기어의 표준 압력각, ,
이외의 압력각을 사용하는것과 헬리컬 기어을 사용하여 치의 일단으로부터 치20° , ,
줄에 따라 점차 물려 들어가기 때문에 미끄럽게 회전을 전달하는 방법이 있다.
모듈-
치의 굽힘강도는 모듈에 비례하므로 모듈을 크게하여 피를 강하게 하는 것이 치의,
휨을 적게하여 소음을 작게 하는 방법이다 그러나 이 방법은 확실히 부하가 걸린.
기어에만 유효하다 치의 휨에 관계가 없는 무부하 운전시의 소음에 대하여는 별.
효과가 없기 때문이다 무부하 운전시는 휨보다는 도리어 제조의 폭이 우선되기 때.
문이다 소음에 많이 관련되는 치형오차의 경우는 모듈이 작을수록 치형오차가 작.
아지므로 이런 경우에는 모듈이 작으면 효과가 있다, .
치폭-
치폭은 치의 휨에 반 비례한다 즉 치폭이 크면 강성도 커지므로 동일하중을 전달.
시 단위 치폭당 하중이 감소하여 치의 뒤틀림도 적고 고유 진동수도 높게 되므로, ,
소음적인 측면에서는 유리하나 맞물림 충격이 기어 본체로부터 축 베어링에 전해,
지기 쉽기 때문에 진동적인 측면에는 불리하다.
압력 각-
압력각을 작게하면 물림률이 커지고 물림 시작할 때 충격이 가 해질때의 강성이, ,
작게 되므로 소음이 작아진다.
백래쉬-
과도한 백래쉬는 치의 간극으로 인한 진동의 지속 및 부하의 변동으로 인한 치면의
충격 맞물림율의 저하등으로 소음이 발생하고 백래쉬가 너무 작으면 맞물림에서,
간섭을 일으켜 높은 주파수의 소음을 발생하기 쉽다 백래쉬는 기어의 정밀도와 부.
하 및 속도의 조건에 따라 약간 크게 하는 것이 좋은 소음 효과일수가 있다.
잇수-
잇수는 서로 맞닿는 기어 잇수비를 정수로 하는 것 보다 서로 소가 되는 것이 좋,
다.
- 29 -
이것은 피니언의 이빨이 작은 회수의 회전 후에 기어의 같은 이와 맞물리는 것을
피하기 때문이다 잇수비가 정수이면 기어의 회전 오차가 주기적으로 분포하기 때. ,
문에 진동과 소음이 커진다.
직경-
기어의 소음의 크기는 진동원의 에너지로 결정되는 것이 아니고 그 방사면이 크기,
로 결정이 된다 따라서 소음을 작게 하기 위해서는 방사면 될 수록 작게하도록 배.
려한다 방사면의 제일 큰 축방향 면적을 줄이기 위하여 직경은 될 수록 작게 잡아.
야 한다.
전위-
감속 물림일 때 일반적으로 전위를 하지 않았을 경우 퇴거 물림 길이보다 접근 물,
림 길이가 크다 전위를 하면 그 크고 작음이 바뀌게 되어 소음이 작아 진다는 의.
견이 있다 퇴거물림만 있는 기어를 전 퇴거물림 기어 일부 접근물림이 있는 것. ( ) ,全
을 준 퇴거물림 기어라 하며 전퇴거물림 기어는 소음이 작은 기어로서 전후(semi)
독일에서는 기어라 불렸다AA .
그런데 전퇴거물림 기어가 호감이 가는 이유는 작용에 의하여 치면의, Sliding out
마찰력이 회전을 돕는 방향으로 작용하는데 있다 그러나 적당하게 윤활한 기어에.
서는 마찰력이 작기 때문에 그 작용효과가 그리 크지 않다 접근물림 길이를 감소.
하여 소음을 감소시키는 것 외에도 물림 초기의 충격속도를 감소하기 위해서도 고
려된다 단 기어는 소음을 감소시키는 목적 외에 그리 효과가 없다. , AA .
과 및 의 두 종류의 기어를 실험한 결과에 의하면m=4, z= 56 56, x=1.2 x=-1.2 ,
의 기어를 구동하는 전퇴거물림 기어의 동하중은 반대의 전접근물림 기어보다x=1.2
감소하였다.
전위계수의 합이 음 및 양 가지 기어의 동하중 계수 회전수 관계 발표(-), 0 (+) 3 -
자료에 의하면 그것이 증가할수록 공진회전수가 커지며 동하중 계수의 피크 값이,
상승한다 또 인 기어에 대한 실험 결과는 범위에서 소음에 대한 영. m=1 x=0~0.5
향이 확인되었다.
치형수정 및 잇줄모서리 수정의 영향-
하중이 가해지지 않았을 경우 치형수정에 의해 음압레벨이 현저히 낮아지며 헬리,
컬기어의 경우 평기어에 비해 변형량이 치형수정의 최소 값보다 작다.
- 30 -
잇줄 모서리 수정을 했을 경우 치폭이 줄어들기 때문에 물림률 가 감소하는 것과εβ
유사하게 음압이 상승하는 경향이 있다.
감속기의 저 소음화5.
감속기기의 소음 원인에 대하여 서술해 보면 다음과 같다 먼저 기어에 대한 오차.
때문에 생기는 소음이다 기어에 대한 소음 발생기구를 먼저 알아보면 기어의 소음. ,
은 기어 치와 치의 물림으로 인해 원주방향으로 타격되지만 이것이 반경방향으로,
가진력으로 변화되어서 소음이 된다 변환 과정은 한쪽 물림 결합이나 리드 오차에.
의해 치폭 중앙에서 조금이라도 벗어난 곳에 원주 방향 가진력이 가해지면 치에 비
틀림 모멘트로서 작용하여 기어 본체까지도 비틀어 지고 말며 나중에는 축방향의,
진동으로 변환되고 만다 즉 기어 소음이라는 것은 기어 치와 치의 물림충격으로.
인해 기어의 축방향으로 고유진동이 유발되어 여러 가지 경로를 거쳐 사람 귀에 도
달하는 것이다 그럼 치와 치의 물림에 있어서 진동기진력이 생기는 이유는 크게.
두가지로 나눌수 있다.
먼저 기어에 피치오차나 치형오차와 같은 제작 오차가 있고 그 부분에서 급격히,
가속이나 감속이 되어 큰 힘으로 치가 부딪치는 현상이 원인인 경우이다 이런 소.
음을 기어화인소음 이라고 한다 다음으로는 기어 치의 휨으로(gear whine noise) .
인한 소음이다 부하가 걸린 기어의 물림에 있어서는 전혀 제작오차가 없는 기어에.
있어서도 기어의 물림 진행에 따라 동시 물림 치수가 변화하기 때문에 치의 휨량이
변화하여 진동을 유발함과 동시에 휨에 의해 생긴 치형의 이상 때문에 구동기어의
치원에 종동기어의 치신이 격돌하여 큰 진동을 발생시키는 것이다 이 현상은 주로.
전달하중이 클때에 보다 많이 발생 하고 이때는 제작오차보다도 치의 휨 오차의 쪽
이 큰 것이 보통이다.
두 번째 이유로는 기어 치아와 축의 조립상태 케이스와의 조립상태의 오차로 기어,
가 불균형 상태로 되어 소음 진동이 발생하는 것이다 이 경우는 소형 감속기와 같,
이 치수가 작고 공간이 아주 한정된 감속기에서의 소음에 큰 영향을 미치는 인자,
이다.
- 31 -
그림 기어 백래쉬2.3
세 번째 이유로는 백래쉬 에 의한 소음이다 백래쉬는 기어가 맞물림 상(backlash) .
태에서 기어면 사이에 이루어지는 간격을 말하며 기어의 결합 그리스의 윤활 기, , ,
어의 팽창에 의한 변형 흡수등에 절대적으로 필요하다 백래쉬량은 기어의 적용용.
도 따라 달라진다 동력전달이 큰 기어의 경우는 비교적 관대한 백래쉬량을 요한다. .
이러한 경우의 백래쉬량은 기어의 치형오차 온도변화 기어간의 중심거리 오차등을, ,
의상하기 위한 충분한 백래쉬량을 필요로 한다 정확한 제어 컨트롤을 필요로하는.
기어에서는 최소량의 백래쉬량을 필요로 한다 이러한 경우는 백래쉬에 의한 동적.
손실량을 최소로 하기 위함이다 기어 백래쉬와 관련된 소음을 래틀소음. (rattle
라고 한다noise)
기어의 오차의 의한 소음을 줄이기 위해서는 기어 가공정밀도을 높이는 방법과 스, ,
퍼기어의 이끝의 이뿌리 구석 부위에 잇어서 이가 가늘어 지도록 치형을 인벌루트
곡선으로부터 겹치지 않도록 치형 수정을 하는 방법이 있다.
기어 열처리 기술기어 열처리 기술기어 열처리 기술기어 열처리 기술6.6.6.6.
가 열처리.
기어는 형상이 복잡하고 기계적 성질도 내마모성이 요구되고 또 동적인 반복 충격,
에 강하고 게다가 변형이 극히 적어야 하는 등 서로 상반된 성질을 매우 높은 수준
까지 요구한다 따라서 요구조건을 만족할 수 있는 열처리는 대단히 어렵다. .
열처리 방법은 여러가지가 있고 각각 요구하는 바에 따라 재료의 선택과 열처리를
결정하고 있으며 이들 둘 사이에는 밀접한 관계가 있다.
- 32 -
기어 재료는 치수 정도를 확실히 보증하고 가공변형 열변형 경년변형을 방지하기, ,
위하여 열처리를 황삭뒤에 반드시 실시하는 것을 원칙으로 한다.
나 열처리 방법 선정 기준.
침탄 열처리 마찰 속도가 느리고 마찰압력이 크고 형상이 복잡할 때: , .
고주파 열처리 침탄과 같은 조건에서 형상이 간단한 경우: .
질화 열처리 마찰 속도가 빠르고 마찰입력이 낮고 충격응력이 적을 때: ,
다 열처리 방법에 따른 사용 가능 소재.
침탄 열처리(Carburizing)①
침탄 열처리는 일반적으로 저탄소강의 표면에 탄소 를 확산 시켜 탄소 함량을(C)
로 처리하여 사용한다 탄소량이 이하 함량의 강이 사용된다 침탄0.8-1.0% . 0.25% .
한 강은 침탄층만 경도와 내마모성이 크고 비침탄한 부분은 강인한 것이 필요하다.
또한 형상이 복잡한 부품에 사용되므로 담금질성이 좋고 열변형이 적은 것이 요구
된다.
침탄 열처리하는 소재 강의 예는 SCr414, SCr420, SCM415, SCM420, SNCM220,
등이 있다SNCM420 .
침탄 깊이는 대략 아래의 기준으로 정한다.
이하 내마모성만을 필요로 하고 강도는 별로 중요시되지 않는 부품0.15 :
예) Shift fork, Pump shaft
내마모성과 동시에 높은 하중에 대한 강도를 필요로 하는 부품0.5-1.0:
예) Mission gear, Steering arm, Ball Stud
및 회전등의 마모에 대한 고압하중 반보굴곡 하중에 견디는 강도1.0-1.5: Sliding ,
를 요구하는 부품
예) Ring gear, Drive pinion, Piston pin, Gear shaft
이상 고도의 충격적 마모 비교적 고도의 반복하중에 충분히 견디는부품1.5 : ,
예) Connecting shaft, Cam
고주파 열처리②
내마모성을 주거나 피로강도 개선 목적 강재 내에 존재하고 있는 를 이용하므로, C
탄소함량 정도의 강이 적당하다0.35-0.60% .
- 33 -
고주파 처리된 조직이 중요하므로 처리 반드시 필요하다Normalize, QT .
고주파 열처리 실시 강에는 등이 있SM40C, SM45C, SM53C, SCM43S, SCM440
다.
질화처리③
내마모성을 향상시키고 열처리시 변형을 최소화 할 필요가 있는 부품
질화처리 할 수 있는 강은 강을 제외한 거의 모든 강재에 적용할 수 있다SUS .
제 절 기어 설계 기술지원제 절 기어 설계 기술지원제 절 기어 설계 기술지원제 절 기어 설계 기술지원2222
기어 제원 및 강도 설계 결과기어 제원 및 강도 설계 결과기어 제원 및 강도 설계 결과기어 제원 및 강도 설계 결과1.1.1.1.
기어 설계는 기어치형 설계에 따라서 설계 하였고 본 연구원에서 보유한 기AGMA ,
어 설계 기어텍 을 사용하였다Software (spur.-helical: ) .
그림 기어 제원 계산 설정 변수 입력2.4
위 설계 프로그램을 이용하여 총 단의 감속형태를 가지며 전체 감속비는, 4 , 1/200
이며 첫 번째 단에서는 기어 저소음화를 위하여 헬리컬 기어 방식을 채택 하였고, ,
나머지 단에서는 일반 전위 기어 방식을 사용하였다 기어 모듈은 치지각 모듈2~4 .
방식으로 정도로 각단에 적용 하였다0.8~1.25 .
- 34 -
이 틈새 비율은 백래쉬를 최소화 하기 위하여 최소치는 를 적용 시켰다 기어0.25 .
재질은 모든 기어에 를 채택 하였고 침탄 열처리로 기어강도를 향상 시켰SCM415 ,
다 전위계수는 단의 경우 감속기 입력 속도의 크기가 크므로 맞물리는 두 기어에. 1
전위계수를 주었고 단의 경우는 피니언의 경우는 전위계수 기어의 경우+ , 2~4 + , -
전위계수를 주었다.
기어 기본 치수 계산 결과< >
- 35 -
기어 상세치수 계산결과< >
위의 상세치수 계산견과에서 보듯이 물림률이 각 단별 정도 나옴을 확인하1~1.5
였고 이는 기어의 소음적인 특성 및 강도 적인 특성이 적정하게 설계 되었음을 의,
미한다.
기어 강도 결과에서는 감속기의 구동 모터 조건으로 실제 고강도 감속기에 사용되
는 모터의 스펙인 출력 입력속도 조건을 적용하여 해석 하BLDC 90W, 2,000 rpm
였고 신뢰도 계수는 을 적용시켰고 기어 수명 시간은 연속 구동시 시간을, 1 , 6,000
적용하였다.
- 36 -
단 기어 강도 설계 결과<1 >
- 37 -
단 기어 강도 설계 결과< 2 >
- 38 -
단 기어 강도 설계 결과< 3 >
- 39 -
단 기어 강도 설계 결과<4 >
위 결과에서 보듯이 각 단에서 계산된 굽힘응력 서비수 계수 및 접촉응력 서비스
계수가 적정하게 나옴을 확인 하였다 여기서 서비수 계수 이 의미하는 것은 감속. 1
기 연속 구동 시 시간 동안 아무 이상없이 작동 하는 것을 의미한다6,000 .
기어 치형 시뮬레이션 결과기어 치형 시뮬레이션 결과기어 치형 시뮬레이션 결과기어 치형 시뮬레이션 결과2.2.2.2.
기어 치형 시뮬레이션을 통해 각 단 기어 치 형상을 가공 전 미리 검토하여 치형,
상 이상유무 가공 난이도등을 체크 하였다, .
- 40 -
그림 단 피니언 치형 시뮬레이션2.5 1
그림 단 기어 치형 시뮬레이션2.6 2
- 41 -
그림 단 피니언 치형 시뮬레이션2.7 2
그림 단 기어 치형 시뮬레이션2.8 2
- 42 -
그림 단 피니언 치형 시뮬레이션2.9 3
그림 단 기어 치형 시뮬레이션2.10 3
- 43 -
그림 단 피니언 치형 시뮬레이션2.11 4
그림 단 기어 치형 시뮬레이션2.13 4
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제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원제 절 고강도 감속기 구조설계 기술 지원3333
선진 고강도 감속기 분석선진 고강도 감속기 분석선진 고강도 감속기 분석선진 고강도 감속기 분석1.1.1.1.
해외선진 고강도 감속기 일본 사 제품을 구입하여 분석하였다 분석 내용으로는0 .
제품의 각 부품 구조 특성 및 성능을 분석 하였다.
가 일본 사 고강도 감속기 단. O (4 1/200)
그림 고강도 감속기 및 분해 사진 감속비2.13 ( 1/10)
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그림 고강도 감속기 구도 단면도 감속비2.14 ( 1/200)
해외선진제품인 사의 고강도 감속기로 감속비는 단의 형태이며 감속비는O 4 1/200
이다 고강도 감속기의 주요 구성을 보면 고강도 감속기 겉면을 형성하고 있는 하. ,
우징부 기어간의 중심거리를 잡아주면서 감속비 밑면의 형태를 가지는 플레이트부, ,
감속기 중심부에 각단의 기어류들이 위치해 있다 기존 일반 감속기에 비해서 고강.
도 감속기 구조가 다른점은 플레이트부를 기존의 일반 감속기에서는 프레스 금형에
서 나오는 판 형태 타입이나 고강도 감속기에서는 위 분해사진에서 보듯이 다이캐,
스팅 가공을 통해서 기존 일반 감속기보다 큰 부하에서 견딜 수 있는 플레이트 구,
조를 가진다.
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그리고 베어링의 형태도 기존 일반 감속기에서는 메탈 부쉬베어링과 볼베어링을 조
합해서 사용 하였으나 큰 하중에서 잘 견딜 수 있는 볼베어링 형태로 통일 하였다, .
나 일본 사 고강도 감속기 기어 치수 분석. O
해외 선진 제품의 기어 치수를 분석한 결과 기어 모듈은 를 사용 하였0.8~1.25
고 단의 경우에 헬리컬 기어를 채용 하였다 그리고 백래쉬에 중요한 영향을 끼, 1 .
치는 기어 틈새 거리를 이하로 회소화 시켰다0.2 .
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다 선진제품 소음 성능평가.
소음 측정결과■
측정조건o
장소 무향실 암소음- : ( : 18.2dB)
마이크로핀 위치 모터 감속기 부분 축 방향 평행하게 이격- : , 50cm .
이용해서 분석- FFT Analyzer
시료 시료모터에 붙착 된 감속기의 방향 을 달리하여 측정- : (CW,CCW) .
그림 소음 측정 사진2.15
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측정조건o
그림 소음 측정결과2.16
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라 선진제품 기어 정밀도 측정.
고강도 감속기의 기어 정밀도를 측정 하였다 기어 정밀도는 규격을 적용 시켰. JIS
고 정밀도 측정은 기어 측정기를 사용 하였다 기어 측정은 측정기어를, CNC . CNC
측정기에 부착된 기어 측정 을 사용하여 기어의 정밀도를 측정 한 것이다TIP . CNC
기어 측정 장비는 일본의 사의 기어 치형 측정기를 사용하여 측정 하OSAKA CNC
였다 우측 부분은 기어 측정 을 사용하여 정밀도를 측정하는 부분이며 좌측 부. TIP ,
분은 측정된 데이터 결과를 상에서 보여주는 부분이다PC .
그림 기어 정밀 측정기2.17 CNC
그림 에서 보듯이 기어 치형에 측정기 이 들어가 기어 치형 오차 피치 오2.18 Tip ,
차 흔들림 오차등을 측정 하였다, .
그림 기어 정밀도 측정 모습2.18
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그럼 는 가공된 기어들을 정밀 측정한 결과를 나타낸 그림들이다 기어2.19 - 22 .
치형 오차 피치 오차 흔드림 오차 등이 나타나 있다, , .
그림 단 기어 정밀도 급 기어치형 오차2.19 1 (JIS 3 : )
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그림 단 기어 정밀도 급 피치오차 흔들림2.20 1 (JIS 4 : , )
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그림 단 기어 정밀도 급 기어치형 오차2.21 3 (JIS 3 : )
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그림 단 피니언 정밀도 급 피치오차 흔들림2.22 3 (JIS 2 : , )
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고강도 감속기 구조 설계고강도 감속기 구조 설계고강도 감속기 구조 설계고강도 감속기 구조 설계2.2.2.2.
본 반도체 제조 장비용 모터용 고강도 감속기 구조 설계를 아래와 같은 설계BLDC
목표를 가지고 설계 하였다.
부하하중을 고려한 구조 설계-
구조최적화를 통한 저 중량화-
작업환경을 온도 습도 고려한 구조설계- ( , )
저 진동 저 소음화- ,
그림 고강도 감속기 단면 형상도2.23 CAB
그림 에서 보듯이 반도체 제조장비용 모터용 고강도 감속기를 단 감2.23 BLDC 4
속기로 설계 하였다 감속기 구조를 크게 구분하였을 때 감속기 외형을 이루는 감. ,
속기 케이스와 커버가 있고 감속기 내부에 각단의 기어류 부품들이 구성 되어 있,
다.
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입력 구동모터와 결합되는 단 감속기 각단에서는 피니언 일체형 샤프트에 원형1 ,
기어를 압입하여 각단을 이루고 있다.
그림 단 기어 조립도2.24 2
그림 단 기어 조립도2.25 4
그림 에서 보듯이 단에서는 피니언 샤프트에 원형기어가 압입 되어2.24 - 25 1~4
있으며 양 끝에 볼베어링을 두어 원활한 회전을 이루도록 하였다 이는 일반 감속, .
기 각단에 채용하고 있는 부쉬 보다 볼베어링을 채용한 것은 큰 부하하중에 강도,
특성이 볼베어링이 더 우수하기 때문이다.
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그리고 밑의 그림은 감속기 커버를 나타내 도면으로 커버 내부에 각단의 기어 중,
심거리를 고정시켜주는 볼베어링 단이 존재한다 특히 고강도 감속기 커버는 일반.
감속기 커버에 비해 큰 하중을 지지하기 위하여 일반 감속기 커버의 경우 프레스,
금형에 의한 적층구조로 커버를 이루고 있으나 본 고강도 감속기는 아래 도면에,
보듯이 커버 일체형으로 후가공으로 머신 가공을 하여 정밀도 및 강도 측면CNC ,
을 향상 시켰다.
그림 감속기 커버 도면2.26 CAD
제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원제 절 고강도 감속기 제작 및 성능평가 기술 지원4444
고강도 감속기 정밀가공고강도 감속기 정밀가공고강도 감속기 정밀가공고강도 감속기 정밀가공1.1.1.1.
고강도 감속기의 성능을 좌우하는 감속기 케이스 커버와 기어 핵심부품의 가공정,
밀도를 높이기 위한 치 공구 제작 및 가공공정을 개선하였다.
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먼저 감속기 케이스 커버의 가공정밀도를 높이기 위하여 가공 전용 치구를 제작, ,
하였다 이 가공 전용치구는 공압을 이용하여 최적의 압을 일정하게 유지. Chucking
하도록 하며 시에 내부를 변형을 최소화 되게 해준다Chucking .
그리고 커버 가공 전용 주문제작 가공 시 떨림 현상을 방지하기 위하여Boring Bar ,
가공 전용 을 제작 하였다Tool .
그림 감속기 커버 내부 가공 및2.27 JIC
그림 은 머신기를 이용하여 감속기 커버를 가공하기 위하여 커버를2.28 CNC
해주는 모습으로 커버를 정확히 고정하여 정밀 가공을 할 수 있도록Chucking , ,
내부에 을 제작하여 커버 전체를 고정 시킬수 있도록 하였다Chucking JIC , .
그림 감속기 커버 내부에2.28 Chucking Jig
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으로 감속기 케이스 후 가공 시 을 공구 에서 초CNC Machining , Machine Tool HSS
경 및 을 개발하여 의 표면조도 및 가공 정밀성을 향상 시Bite Diamond Bite Case
켰다 그리고 절삭속도도 가공 및 의 전용화로 인하여 가공 속도을 증가시. Bite Tool
켜 절삭량을 적게 하여 가공에 따른 변화를 없애고 표면조도를 개선하였다.
그림 머신2.29 CNC
그림 감속기 케이스 고정2.30 JIG
의 가공정밀도를 높이기 위하여 기존의 수동 대신에Gear , Hobbing Machine CNC
을 사용하여 정밀도를 규격 급 정도까지 높아졌다Hobbing Machine Gear DTN 8 .
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의 가공 인 를 에서 로 교체하여 가공하므Hobbing Machine Tool Hob HSS SKY Hob
로 치면 조도를 향상 시켰다Gear .
또 의 연마 관리는 과 잇수별 가공기준량을 설정하여 이송과 연마Hob Module Hob
의 시기를 설정하여 공구마모로 인한 치형 불량을 줄일 수 있었다 치절 절삭량 및.
속도 관리는 및 잇수에 따른 치절 절삭량 및 절삭 속도의 기준 설정으로Module
일정한 가공품질을 유지 하였다Gear .
그림 좌 기어 호빙 머신 우 기어 호브2.31 : CNC , :
고강도 감속기 정밀조립고강도 감속기 정밀조립고강도 감속기 정밀조립고강도 감속기 정밀조립2.2.2.2.
가 정밀 측정. JIC
시작품 제작에 있어 부품 가공만큼 중요한 부분이 조립과정이다 조립과정에 있어.
서 정밀하지 못하게 조립이 된다면 부품의 정밀 가공이나 금형의 정밀성은 그만큼
의 가치 혹은 효율성이 떨어질 것이다 본 고강도 감속기에서 조립공정상 중요한.
부분은 와 의 압입 공정 와 베어링 및 압입작업 최종적GEAR PINION , Case Oilseal ,
으로 각각의 작업이 되어진 부품들의 조립공정이라 할 수 있다SUB .
나 간의 압입. GEAR - PINION
정밀가공 되어진 와 의 압입공정 중에서 가장 중요한 부분이GEAR PINION PINION
과 간의 수직을 이루면서 조립 되어져야하는 부분이다 이 공정 상에서GEAR .
와 간의 수직이 이루어지질 않았을 경우 와 이 회전하는GEAR PINION GEAR PINION
과정에서 흔들림 이내 이 발생하여 소음과 연결 될 수 있다( ± 0.02 ) .
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와 간의 압입 작업은 아래와 같이 이미 그 정밀도가 검증되어진 를GEAR PINION JIC
이용하여 작업 되어진다 본 과제에서는 유압 프레스를 이용하여 작업하였. 5TON
다.
그림 압입2.32 GEAR
그림 기어 압입지그2.33
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다 선정 및 압입 공정. BEARING
회전체에 있어서 의 억할은 상당히 중요하다 그러므로 사용되어 질BEARING .
의 선정과 그에 따른 수명 작업 방식 의 공차 유지 의BEARING , , SHAFT , BEARING
취급 등은 대단히 중요하다고 말 할 수 있다
라 선정. BEARING
회전하는 축은 개 또는 그 이상의 으로 지지된다 이때 최적의2 BEARINC . BEARING
배열을 결정하기 위해서는 다음의 사항을 고려하여야 한다.
온도 변화에 의한 축의 팽창 또는 수축에 대한 대책-
을 포함한 회전체의 강성과 예압 방법- BEARING
축의 휨 또는 설치 오차에 의한 내 외륜의 기울기- BEARING ,
축 방향과 경 방향 하중의 적절한 분배-
이상은 기본적으로 사용할 을 선정 할 때에 고려되어져야할 사항이다BEARING .
나 압입공정. BEARING
감속기 케이스에 형성되어 있는 에 을 부착HALL BEARING (BEARING HOUSING)
시키는 공정을 말하며 부착되어진 은 이탈되어서는BEARING (BEARING HOUSING)
안 되며 또한 작업 후에 형성된 각 의 좌표 또한 일정한 공차를, CAULKING HALL
유지하여야 하며 의 경우 작업이후에도, BEARING HOUSING CAULKING BEARING
이 원활하게 삽입이 되어져야한다 이는 작업에서 의 압력을 적. CAULKING PRESS
정하게 유지하여야함을 의미한다.
만일 의 압력이 너무 약하다면 이나PRESS METAL BEARING BEARING HOUSING
이 에서 이탈할수 있으며 또한 의 압력이 과도할 경우 소결품인PLATE , PRESS
이 파손될 수 있고 은 수축량이 많아져MEATL BEARING , BEARING HOUSING
이 삽입되지 않고 압입이 되어질 수 있다 이는 의 내 외륜 모BEARTNG . BEARING ,
두를 압입으로 고정 시키는 결과가 나오므로 의 수명은 문론 소음에도 좋BEARING
지 않은 영향을 줄 수 있다.
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그림 는 와 간의 모2.34 PLATE METAL BEARING (BEARING HOUSING) CAULKING
습이다.
그림 베어링 압입2.34
그림 압입2.35 Oilseal
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마 최종 조립 작업.
압입 압입 케이스 등의 작업이 완료되어지면 최종적으GEAR , BEARING , CAULKING,
로 가공되어진 와 커버와의 조립하는 공정만을 남겨두게 된다CASE .
공정상에 특별하게 작용하는 점은 없지만 각 작업이 이루어진 부품들의 관리SUB
에 유의 하여야한다 그림 은 각 부품들을 최종 조립하는 모습이다 그리. 2.36 SUB .
고 그림 은 최종적으로 를 주입하는 그림이다2.38 Grease .
그림 감속기 가조립2.36
그림 감속기 케이스 및 커버 체결2.37 Bolt
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그림 감속기 주입2.38 Grease
유성 감속기 시작품유성 감속기 시작품유성 감속기 시작품유성 감속기 시작품2.2.2.2.
본 기술지원을 통하여 개발된 고강도 감속기 및 부품은 그림 와 같다 앞서 언2.39 .
급했듯이 기어들은 호빙기를 이용하여 정밀 기어를 제작 하였고 감속기 케이CNC ,
스 및 커버는 머신을 이용하여 정밀한 부품을 제작 하였다CNC .
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그림 제작된 감속기 기어 부품2.39
그림 제작된 감속기 케이스 커버2.40 ,
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그림 제작된 고강도 감속기2.41
고강도 감속기 성능평가고강도 감속기 성능평가고강도 감속기 성능평가고강도 감속기 성능평가3.3.3.3.
평가항목 및 방법-
본 사업의 개발목표인 생산장비용 고강도 감속기 위한 목표사양 및 최종 결과FDP
는 다음의 표와 같다.
기술개발 목표사양 및 결과
기술지원 목표 가중치평가기준
평가방법목표사양 결과값
최대허용 토크 25% 68Nm부하시험70Nm
만족부하 하중 시험
최대 수명 25% 시간10,000 수명 중Test 부하 하중 시험
기어 등급 25% 급 이하DIN 7 급DIN 7 기어 측정기CNC
소음 25% 이하45 dB 40.9 dB소음계
무향실( )
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가 고강도 감속기 최대 허용부하 및 구명 시험.
그림 고강도 감속기 부하시험2.42
그림 는 고강도 감속기 시작품을 부하 시험기에 장착하여 시험 하는 모습이다2.42 .
허용부하 시험기는 일정한 부하를 감속기 출력축에 부하를 주는 장치이다 보시는.
바와 같이 모터를 구동 시키면서 감속기 샤프트와 동축으로 결합된 파우더 브레이
크에 전압을 인가하여 해당 부하토크를 인가 하도록 하였다 로드셀을 통하여 측정.
된 힘과 토크 측정용 의 곱으로 부하 토크를 산정 하였다bar .
그림 부하 시험기 로드셀 및2.43 BAR
즉 감속기 부하토크 인디게이트 지시치 이다(Nm) = (Kg) * 0.2m* 9.8 .
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예를 들어 감속기 부하토크가 가 되게 세팅 할려면 인디게이트 지시치를68Nm ,
정도에 맞추어서 시험 하였다35kg .
먼저 최대 부하 시험은 감속기 부하가 정도 세팅하여 분정도 연속 가동시70Nm 30
켜 강도 문제가 발생 하지 않음을 확인 하였다.
그림 고강도 감속기 시작품 최대부하 시험 모습2.44
고강도 감속기 시작품 수명시험은 개발된 감속기를 모터와 결합하여 일반적인 부하
인가 상태에서 감속기를 연속가동 시켜 감속기 이상 유무를 확인 하였다(10Nm) .
감속기 시자품인 나온 시점에서 연속 구동상태로 수명시험을 하는 중이다 현재. (
시간 연속 구동 시 감속기 이상 없음을 확인함700 )
그림 고강도 감속기 수명 시험2.45
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나 기어 정밀도 측정.
고강도 감속기의 기어 정밀도를 측정 하였다 기어 정밀도는 규격을 적용 시켰. JIS
고 정밀도 측정은 기어 측정기를 사용 하였다 기어 측정은 측정기어를, CNC . CNC
측정기에 부착된 기어 측정 을 사용하여 기어의 정밀도를 측정 한 것이다TIP . CNC
기어 측정 장비는 일본의 사의 기어 치형 측정기를 사용하여 측정 하OSAKA CNC
였다 우측 부분은 기어 측정 을 사용하여 정밀도를 측정하는 부분이며 좌측 부. TIP ,
분은 측정된 데이터 결과를 상에서 보여주는 부분이다PC .
그림 기어 정밀 측정기2.46 CNC
그림 에서 보듯이 기어 치형에 측정기 이 들어가 기어 치형 오차 피치 오2.47 Tip ,
차 흔들림 오차등을 측정 하였다, .
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그림 기어 정밀도 측정 모습2.47
그림 는 가공된 기어들을 정밀 측정한 결과를 나타낸 그림들이다 기어2.48 - 54 .
치형 오차 피치 오차 흔드림 오차 등이 나타나 있다, , .
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그림 단기어 정밀도 급 기어 치형 오차2.48 1 (JIS 4 : )
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그림 단 피니언 정밀도 급 기어 치형 오차2.49 2 (JIS 4 : )
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그림 단 기어 정밀도 급 피치 오차 결과 흔들림2.50 3 (JIS 4 : , )
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그림 단 기어 정밀도 급 기어치형 오차2.51 3 (JIS 2 : )
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그림 단 기어 정밀도 급 피치 오차 결과 흔들림2.52 3 (JIS 2 : , )
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그림 단 피니언 정밀도 급 기어치형 오차2.53 3 (JIS 2 : )
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그림 단 기어 정밀도 급 기어치형 오차2.54 4 (JIS 4 : )
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다 고강도 감속기 소음평가.
제작된 고강도 감속기의 소음 평가를 아래와 같이 수행 하였다.
소음 측정■
측정조건o
장소 무향실 암소음- ( : 16.7dB)
마이크로핀위치 모터 감속기 부분 축 방향 평행하게 이격- : , 50cm .
모터를 스펀지위에 평행 하게 눕혀 측정함- .
- FFT Analyzer, Average : 10
시료 시료모터에 붙착 된 감속기의 방향 을 달리하여 측정- : (CW,CCW)
시료모터 및 고강도 감속기 모터 제품 감속기 개발품: K9BP90(GGM ),
그림 소음 측정 장면2.55
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측정결과o
그림 소음 측정 결과2.56
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라 고강도 감속기 기어 경도 시험.
제작된 고강도 감속기의 기어 경도 시험을 실행 하였다 기어 경도를 측정하기 위.
하여 일본 사의 비이커스 경도기를 사용하였고 경도값은 값으로 측정Akashi , HV
되었다 먼저 열처리 이전의 기어 경도 값을 측정 하였고 기어 침탄 열처리 후의. ,
경도 값을 측정하였다 기어 재질은 재질이다 밑의 결과 값에서 보듯이. SCM 415 .
기어 경도값이 침탄 열처리 후 크게 증가 된 것을 알 수 있었다.
그림 기어 경도 측정 모습2.57
기어 경도 측정값< >
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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333
본 성과보고서에서는 에 대한 기술지원 사업을 통하여 지원된 기술적 내용들GCM
을 정리하였다 기술지원 요청업체는 표준형 모터 및 감속기를 생산 하고 있는. AC
유망 중소 전문부품기업으로 생산과 연계된 업무 및 연구를 많이 하였고 인력구성,
이 업체 자체에서 기술을 습득한 인력이 대부분이어서 체계적이고 이론적인 전문기
술을 보유하고 있다고 하기에는 어려웠다 특히 의뢰 기업의 설계 및 가공기술의.
부족으로 말미암아 기계적 강도와 소음발생의 측면에서 외국의 기술수준에 비하여
상당히 뒤떨어져 있었다.
본 기술지원을 통하여 생산 장비용 고강도 고수명 고정도의 감속기 특성을FDP , ,
내기 위해서는 감속기의 고강도화 및 소음 진동 특성이 매우 중요하므로 고정밀, ,
고강도 기어 설계지원 감속기 최적 구조 설계 지원 감속기 가공 및 조립 기술지, ,
원 성능평가 기술지원등을 통하여 고 강도 및 고수명의 우수한 특성을 갖는 고강, ,
도 감속기를 개발하였고 이러한 과정에서 지속적인 기술미팅을 통하여 업체 연구,
원들의 자체 전문지식 및 개발경험을 높이는데 주력하였다.
또한 요청기업은 고강도 기어 설계기술지원을 통하여 고강도 감속기 기어 치형 설,
계 및 강도 설계 기술을 보유할 수 있게 되었고 고강도 감속기의 최적 구조 설계,
지원을 통하여 감속기 구조 설계기술을 보유하게 되었다 또 성능 평가 기술지원.
을 통하여 감속기 평가 기술을 보유하게 됨 본 기업은 기술개발로 제조장비. FDP
모터용 고강도 감속기 기술 확보 및 상용화를 이루었고 차후 자동화 장비용BLDC ,
고강도 감속기 기술개발에 적용 시킬 예정이고 향후 매출에도 기여할 것으로 판,
단된다.
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