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고객이 리프팅 응용 분야에 웜 기어박스를 지정하는 이유는 웜 구동 장치가 자동 잠금 기능을 갖추고 있어 하중이 역방향으로 미끄러지지 않기 때문이다. 따라서 브레이크가 불필요하며 비용을 절감할 수 있다.
이러한 논리는 많은 기계 설계에서 등장하지만, 위험성이 커서 AGMA 기술 보고서에 명시적인 경고로 포함되어 있다.
참고: 웜 기어 세트는 자동 잠금으로 간주해서는 안 된다. 특정 하중 조건에서는 웜 휠의 역방향 회전이 가능하다.
확립된 공학 참고 자료는 이를 더 직설적으로 표현하며, 적용 사례를 명시한다.
실제로 웜은 호이스트와 같은 안전 관련 시스템의 제동 장치로 사용해서는 안 된다. 일부 재료 및 작동 조건에서는 웜기어의 역회전(백슬라이딩)이 발생할 수 있다.
호이스트, 리프트, 게이트 또는 하중 낙하 시 인명 피해가 발생할 수 있는 어떤 장치라도 설계 중이라면 반드시 브레이크를 채택해야 한다. 웜 기하학적 구조는 이에 대한 대체 수단이 될 수 없다.
그 배경이 되는 공학적 원리이다.
자기잠금은 웜 리드각과 마찰각 사이의 관계에 따라 달라진다. 세 개의 독립된 출처에서 제시한 규칙 설명은 다음과 같다.
· 웜 리드각이 arctan(마찰계수)와 같을 때 자기잠금이 발생하며, 일반적으로 이 각도는 2도에서 8도 범위
· 리드각이 마찰각보다 작을 경우, 웜 휠이 역방향으로 웜을 구동할 수 없다.
· 조건은: 리드각 < arctan(마찰계수)
세 출처 모두 서로 다른 기호로 동일한 내용을 전달한다. 특정 리드각 이하에서는 구동장치가 역구동을 저항한다.
이 기준은 마찰계수를 사용한다. 어떤 마찰계수인가?
정지 상태의 미끄러짐 속도에서 발표된 값은 0.15. 즉 정적 값이며, 이는 최대값이다. 미끄러짐이 시작되자마자 마찰계수는 감소한다.
한 참고문헌은 자기잠금 한계에 대해 정적 마찰계수가 관련 있다고 지적하며, 그 이유는 기어가 시작되지 않기 때문이다.
이것은 고장의 원리다. 정지 상태에서는 마찰력이 높아 구동 장치가 하중을 유지한다. 진동이 가해지면 구동 장치는 미세한 움직임을 경험한다. 이 미세한 움직임은 접촉 상태를 정적 조건에서 동적 조건으로 이동시켜 마찰력을 낮춘다. 하중을 지지할 수 있는 마찰각은 줄어들고, 하중은 서서히 미끄러지기 시작한다.
진동은 특별한 조건이 아니다. 인근에서 작동 중인 기계, 같은 프레임 위에서 시동되는 모터, 건물 외부를 지나가는 차량—모두 정적 자입력 잠금을 무력화시킬 수 있다.
우리가 확인한 공개 문헌에는 진동에 따른 성능 저감 계수에 대한 정량화된 데이터가 존재하지 않는다. 그 부재 자체가 중요한 정보를 전달한다. 공학적 해답은 자입력 잠금 성능을 저감시키는 것이 아니라, 자입력 잠금에 의존하지 않는 것이다.
자입력 잠금과 효율성은 동일한 기하학적 구조를 바라보는 두 가지 관점이다. 역구동을 저항하는 구동 장치는 전진 운전 시에도 많은 에너지를 소모하는 장치다.
시작 횟수에 따른 웜 기어 효율. 자동 잠금 동작은 낮은 효율 영역에서만 발생함.
지배 방정식:
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
여기서 λ는 웜 리드 각이고, φ는 등가 마찰 각임.
공개된 계산 예시: λ = 5도, φ = 6도인 싱글 스타트 웜의 경우, 효율은 45.01%임.
웜 스타트 수에 따른 효율:
| 웜 유형 | 공개된 효율 |
| 싱글 스타트 | 40~50% |
| 단일 시작, 양호한 조건 및 높은 가공 정확도 | 50~70% |
| 이중 시작 | 70~78퍼센트 |
| 다중 시작 | 78~92% |
고효율 설계의 경우 권장 리드 각도는 10~20도 . 이 값은 자동 잠금 대역(2~8도)보다 훨씬 높다는 점에 유의하십시오. 두 가지를 동시에 달성할 수 없습니다.
한 참고 자료에서는 최저 감속비에서 전체 효율 범위를 98%로, 최고 감속비에서는 20%로 제시합니다. 다른 자료에서는 리드 각도, 시작 수, 마찰 계수에 따라 50~90%라고 명시합니다.
이러한 상충 관계는 피할 수 없습니다: 자기잠금 기능은 입력 동력의 절반 이상을 소비합니다.
자기잠금 기능이 필요할 경우:
· 단일 스타트, 낮은 리드 각도, 효율 40~50% 수용
· 부하만 고려하지 말고 손실도 고려해 모터 용량 선정
· 손실된 동력이 열로 전환되므로 기어박스는 발열을 기준으로 용량 선정
·브레이크는 여전히 장착하세요 역구동 시 인명 피해나 손상이 발생할 가능성이 있는 경우
효율성이 우선일 경우:
· 다중 스타트, 리드 각도 10~20도, 효율 78~92%
· 구동 장치가 역구동될 수 있음을 수용하세요
· 브레이크를 설치하거나, 대형추를 사용하거나, 다른 종류의 기어를 선택하세요
양쪽 기능이 모두 필요하다면 웜 기어는 부적절한 선택입니다. 적절한 홀딩 브레이크가 장착된 헬리컬 또는 베벨-헬리컬 유닛을 고려하세요.
웜 기어박스는 일반적으로 기계적 한계보다는 열적 한계에 도달하기 쉽습니다 . 기어 이빨이 전달할 수 있는 토크는 기어박스가 열로 소산시킬 수 있는 토크보다 큽니다.
이는 위에서 제시한 효율 수치의 직접적인 결과입니다. 효율이 45%인 싱글 스타트 웜 구동장치는 입력 동력의 절반 이상을 소형 하우징 내에서 열로 변환합니다. 따라서 웜 기어박스 카탈로그에서는 기계적 정격과 별도로 열적 정격을 명시하며, 실제로 열적 정격이 더 자주 제약 조건이 됩니다.
실제 영향:
· 연속 운전 정격은 단시간 작동 정격보다 훨씬 낮습니다
· 주변 온도가 중요합니다. 20도 작업장에서 정격된 기어박스는 40도 공장 실에서 다르게 작동합니다
· 강제 냉각 또는 더 큰 박스를 사용하는 것이 조기 고장 대응 비용보다 종종 저렴함
단일 감속 웜 기어 커버 5:1에서 75:1 한 출처에 따르면, 특정 대형 감속 용도로 사용되는 웜 기어의 경우 다른 출처는 5:1에서 300:1까지 제시함
단일 단계에서 높은 감속비를 실현할 수 있는 능력은 웜 기어의 진정한 장점이며, 이와 함께 직각 배치 및 미끄러짐 접촉에서 비롯된 조용한 작동 성능도 포함됨. 이러한 점들이 선택 이유임. 자가 잠금 기능은 그 목록에 포함되어서는 안 됨
표준 20도 정상 압력각의 경우, 리드각은 다음 값보다 낮게 유지되어야 함 25도 .
웜 휠은 경화된 강철 웜과 함께 청동 재질로 작동함. 그 이유는 미끄러짐 접촉 때문임. 웜 기어는 굴림보다는 미끄러짐으로 작동하므로, 우수한 미끄러짐 특성과 매몰 특성을 갖춘 상이한 재료 조합이 필요함. 청동과 강철의 조합이 바로 그에 부합하는 조합임
웜은 경화 및 연마 처리되어 있으며, 웨일은 희생 부품이다. 이는 의도된 설계다. 구동부가 마모되면 더 저렴하고 교체하기 쉬운 부품을 교체한다.
피치 라인 속도는 이상 조건에서 최대 30m/s에 달할 수 있으나, 대부분의 산업용 웜 구동장치는 이보다 훨씬 낮은 속도로 작동한다.
브레이크 없이 웜 기어박스를 하중 지지용으로 사용할 수 있는가?
하중이 떨어질 경우 인명 또는 재산 피해를 유발하는 상황에서는 절대 불가능하다. AGMA에서 발표한 가이드라인과 정립된 공학 참고 자료는 명시적으로 웜 세트를 자입성(self-locking)으로 간주해서는 안 된다고 밝히며, 특히 호이스트 등에서 제동 장치로 사용하는 것을 경고한다.
내 웜 기어박스는 수년간 하중을 지지해 왔으며 미끄러짐 없이 작동했다. 그렇다면 자입성이 아닌가?
현재 조건에서는 정적 자입성 상태에 있다. 그러나 윤활유를 변경하거나 기어가 마모되거나, 새 장비에서 발생하는 진동이 추가되거나, 하중이 증가하면 이 상태는 변할 수 있다. 자입성은 고정된 성질이 아니라 특정 조건에서 성립하는 상태다.
왜 내 웜 기어박스가 이렇게 뜨거운가?
웜 기어는 효율이 낮고 손실된 동력이 열로 전환되기 때문입니다. 기계적 정격보다는 열 정격을 기준으로 확인하십시오. 이 두 정격은 서로 다른 수치이며, 일반적으로 열 정격이 먼저 제한 요소가 됩니다.
더블 스타트 웜을 사용하면 효율 문제를 해결할 수 있습니까?
효율을 40~50% 범위에서 70~78% 범위로 높일 수 있습니다. 또한 자동 잠금 기능을 완전히 제거합니다. 기계 내부의 어떤 구성 요소도 이 자동 잠금 기능에 의존하지 않도록 주의하십시오.
모터 용량 산정 시 어떤 효율 값을 사용해야 합니까?
기어박스 제조사가 제공하는 데이터에서 구체적인 감속비와 스타트 수에 해당하는 효율 값을 사용하십시오. 일반적인 값은 사용하지 마십시오. 웜 기어 설계 간 효율 차이가 매우 크기 때문에 일반화된 가정은 모터 용량 산정 오류를 유발할 수 있습니다.
웜 휠 재료로 청동만 사용할 수 있습니까?
청동은 그 이유가 있어 표준 재료로 채택되었습니다. 다만, 실제 사용되는 청동 종류는 작동 조건에 따라 달라집니다. 하중, 회전 속도 및 작동 주기에 따라 기어박스 공급업체와 함께 적절한 등급을 명시하십시오.
톈진 하오롱성예 전기 장비 유한공사에서는 단일 및 다중 스타트 구성을 포함한 웜과 웜 휠 세트를 제조합니다. 브론즈 휠과 경화 연마 강철 웜을 조합한 제품입니다. 원하시는 감속비, 작동 주기, 그리고 역구동 저항 여부를 알려주시면, 귀하의 부하에 대해 웜 기어가 적합한지 솔직하게 안내해 드리겠습니다.
