이제 본론으로 들어가겠습니다. 낮은 rpm 기어 모터를 연구해 본 적이 있는 디자이너, 자동화 기술 또는 산업 프로젝트 리더라면 아마도 비틀림 강성이라는 용어를 우연히 접했을 것입니다. 그리고 이 제품을 처음 구입하는 경우 이 모터에 대한 정보가 무엇인지, 특히 특정 작업을 위해 기어 모터를 선택할 때 왜 신경 써야 하는지 궁금할 것입니다. 수년 동안 낮은 rpm 기어 모터를 판매해 온 사람으로서 저는 이것이 단지 무작위적인 엔지니어링 전문 용어가 아니라 특히 느리게 회전하고 토크가 높은 애플리케이션으로 작업할 때 프로젝트 성능을 결정하거나 손상시키는 요소라는 것을 깨달았습니다. 지나치게 전문 용어가 많은 교과서는 사용하지 않고 커피를 마시면서 이야기를 나누는 것처럼 이 문제를 분석해 보겠습니다.
먼저, 기본 사항을 바로잡아 보겠습니다. 낮은 rpm 기어 모터는 말 그대로 모터의 기본 속도를 낮추고 그 과정에서 토크를 높이는 기어박스와 쌍을 이루는 모터입니다. 이는 전동 공구용 고속 회전, 고RPM 모터가 아닙니다. 이 모터는 컨베이어 벨트 롤러, 산업용 도어 액추에이터, 포장 라인 턴테이블 또는 흔들리지 않고 무거운 물건을 이동해야 하는 소형 AGV(자율 운반 차량)와 같은 작업용 장치입니다. 당사 제품을 본 적이 있다면 아마도 기어박스가 있는 소형 DC 모터, 기어박스가 있는 12V DC 모터, 기어가 있는 6V DC 모터 또는 AB의 전체 저RPM 기어 모터 제품군과 같은 옵션을 본 적이 있을 것입니다. 이 옵션은 모두 정확히 이러한 종류의 작업을 위해 설계되었습니다. 이것이 바로 비틀림 강성이 작용하는 부분이며, 이는 대부분의 사람들이 언뜻 생각하는 것보다 훨씬 더 중요합니다.
그렇다면 비틀림 강성은 실제로 무엇입니까? 상상할 수 있는 것으로 단순화해 보겠습니다. 금속 막대의 한쪽 끝을 잡고 다른 쪽 끝을 비틀면 막대가 맨 끝에 부착된 것을 움직이기 시작하기 전에 막대가 얼마나 구부러지거나 비틀립니까? 막대를 1도(엔지니어의 경우 라디안)만큼 비틀는 데 필요한 토크(비틀림 힘)의 양이 비틀림 강성입니다. 기어 모터의 경우 이는 모터의 전기자, 기어박스의 기어, 샤프트, 베어링, 심지어 전원을 공급하는 모든 장치에 연결되는 출력 샤프트까지 전체 구동계에 적용됩니다. 그것은 전체 비틀림 시스템의 "강성"입니다. 낮은 rpm 기어 모터에는 추가 기어 감속 단계가 있습니다. 그렇죠? 따라서 더 많은 기어가 쌓여 있고, 더 많은 샤프트, 더 많은 부품이 있으며, 이 모든 것이 전체 비틀림 시스템의 강성을 더욱 높여줍니다.
이제 이것이 일반적인 고속 모터가 아닌 낮은 rpm 기어 모터에 특히 중요한 이유는 무엇입니까? 작은 기어박스와 함께 3,000RPM으로 회전하는 빠른 모터를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 기어 감속이 거의 없습니다. 여기서 비틀림 유연성은 큰 문제가 아닐 수 있습니다. 모터가 너무 빠르게 회전하여 작은 비틀림도 전체 성능에 영향을 주지 않기 때문입니다. 하지만 낮은 rpm 기어 모터는요? 예를 들어 10RPM, 5RPM, 심지어 최대 1RPM으로 회전하고 있습니다. 무거운 하중을 옮기기 위해 엄청난 토크를 적용하므로 기어 모터 구동계의 작은 비틀림도 큰 문제가 됩니다. 작년에 제가 본 실제 예를 들어보겠습니다. 한 고객이 무거운 유리병을 포장하기 위한 컨베이어 시스템을 구축하고 있었는데, 그들은 매우 저렴하지만 비틀림 강성이 낮은 일반적인 낮은 rpm 기어 모터를 사용했습니다. 컨베이어는 한 번에 10개의 병을 움직이며 모터가 시작되거나 멈출 때마다 구동계가 1도씩 비틀어졌습니다. 잠깐만요, 그건 많지 않죠? 그러나 모터가 5RPM만 회전하기 때문에 비틀림으로 인해 컨베이어가 부드럽게 움직이지 않고 급격하게 움직이기 시작했습니다. 항아리가 기울어지고, 컨베이어의 프레임이 덜거덕거리고, 반복되는 비틀림으로 인해 한 달 안에 기어가 마모되었습니다. 그들은 우리에게 와서 우리의 저RPM 기어 모터 라인으로 전환했고 문제는 사라졌습니다. 이 정도 규모입니다.
낮은 rpm 기어 모터의 비틀림 강성을 계산하는 방법에 대해 좀 더 기술적으로(그러나 여전히 현실적으로 유지) 살펴보겠습니다. 공식을 외울 필요는 없지만 변수를 알면 쇼핑할 때 도움이 됩니다. 비틀림 강성(간단히 K라고 부르자)은 세 가지 주요 요소에 따라 달라집니다. 첫째, 구동계의 각 개별 구성 요소의 강성입니다. 각 기어, 각 샤프트, 각 베어링에는 고유한 비틀림 강성이 있으며 이를 합산하여 총계를 얻습니다. 둘째, 기어 감속비 - 그것은 큰 것입니다. 기어 모터의 감속비가 100:1인 경우 저속측(출력 샤프트)의 비틀림 강성에 해당 비율의 제곱을 곱합니다. 잠깐만요, 간단히 설명하자면, 고속 모터 샤프트의 강성이 1,000Nm/rad인 경우 100:1 기어 감속으로 출력 샤프트의 강성은 1,000 * (100)^2 = 10,000,000Nm/rad가 됩니다. 이는 큰 차이이며, 이것이 바로 감속비가 높은 저rpm 기어 모터가 올바르게 설계된 경우 출력 구동계가 더 견고한 이유입니다. 셋째, 재료 선택이 엄청납니다. 저렴한 모터는 훨씬 더 유연한 플라스틱 기어나 얇은 알루미늄 샤프트를 사용하기 때문에 기어박스가 있는 소형 DC 모터의 기어 샤프트와 열처리된 합금 기어에 고급 강철을 사용합니다. 이는 단순한 마케팅 라인이 아닙니다. 동일한 기어박스에서 플라스틱 기어와 강철 기어를 테스트했습니다. 플라스틱 기어의 비틀림 강성은 강철 기어의 1/5이었습니다. 부하가 큰 애플리케이션의 경우 이는 당연한 일입니다.
이제, 낮은 rpm 기어 모터의 "좋은" 비틀림 강성은 무엇입니까? 그것은 제가 항상 받는 질문입니다. 짧은 대답은 다음과 같습니다: 그것은 귀하의 지원서에 따라 다릅니다. 모든 경우에 적용되는 일률적인 숫자는 없지만 몇 가지 맥락을 설명하겠습니다. 5kg 미만의 무게를 들어 올리는 박물관 전시용 소형 턴테이블에 전원을 공급하는 6V DC 모터와 같은 작고 가벼운 용도의 경우 10~50Nm/deg(더 쉽게 실제 판독을 위해 Nm/rad에서 변환) 범위의 비틀림 강성을 확보할 수 있습니다. 그러나 500kg의 하중을 이동하는 컨베이어나 로봇 팔 리프팅 부품과 같은 산업용 중부하 작업용 애플리케이션의 경우 100Nm/deg 이상의 비틀림 강성이 필요합니다. 당사의 산업용 저rpm 기어 모터는 토크 등급에 따라 약 200~800Nm/deg에 도달합니다.
잠깐, 비틀림 강성이 너무 낮을 때의 실제적인 영향에 대해 이야기해 봅시다. 왜냐하면 그것이 실제로 직면하게 될 것이기 때문입니다. 첫째, 위치 오류입니다. 매번 정확히 10mm씩 부품을 움직이는 선형 액추에이터나 작은 슬롯에 부품을 배치해야 하는 로봇 팔과 같이 정밀도가 필요한 작업에 기어 모터를 사용하는 경우 비틀림으로 인해 위치가 잘못될 수 있습니다. 예를 들어, 출력을 10도 회전해야 하고 드라이브트레인이 1도 비틀린다면 실제 출력은 9도에 불과합니다. 이는 10% 오류로, 이는 대부분의 산업 자동화에 너무 큰 수치입니다. 둘째, 공명 문제. 공진은 드라이브트레인의 고유 주파수가 모터 입력 주파수와 일치할 때 발생하여 큰 진동을 유발합니다. 유연한 구동계(낮은 비틀림 강성)는 고유 주파수가 낮아 쉽게 공진합니다. 그게 앞서 말씀드렸던 저킹 문제이고, 시간이 지나면 부품이 부러질 수도 있습니다. 셋째, 마모됩니다. 앞뒤로 비틀림으로 인해 기어, 샤프트 및 베어링에 응력이 발생합니다. 시간이 지남에 따라 기어 파손, 샤프트 구부러짐 또는 베어링 고장이 발생합니다. 즉, 모터를 예상보다 자주 교체하게 되어 유지 관리 예산이 낭비됩니다.
이제 값싼 모터로 인해 지치는 대신 올바른 비틀림 강성을 갖춘 낮은 rpm 기어 모터를 어떻게 선택합니까? 먼저 사양을 확인해보세요. 평판이 좋은 공급업체는 비틀림 강성 또는 최소한 기어 재질, 기어 감속비 및 샤프트 재질을 나열합니다. 이것이 단서입니다. 사양에 강성이 언급되지 않은 경우 이는 위험 신호입니다. 특히 매우 저렴한 모델인 경우 더욱 그렇습니다. 둘째, 귀하의 신청서와 일치시키십시오. 주거용 차고용 소형 도어 오프너를 제작하는 경우 시장에서 가장 높은 강성이 필요하지 않습니다. 하지만 연중무휴로 운영되는 공장용 컨베이어를 제작하는 경우 강성은 타협할 수 없습니다. 셋째, 실제 피드백을 요청하세요. 공급업체가 동일한 유형의 모터를 사용하여 수행한 유사한 프로젝트에 대해 알려줄 수 있다면 숫자만 보는 것보다 훨씬 낫습니다. 우리는 12V DC 모터(기어박스 포함)를 12개의 소규모 포장 회사에 공급했는데, 이들 회사 모두 강성으로 인한 위치 오류나 조기 마모가 전혀 없다고 보고했습니다.
잠깐, 여기서 일반적인 오해를 해결해 보겠습니다. 비틀림 강성은 토크와 동일하지 않습니다. 많은 사람들이 이것을 혼동하는데, 그 이유를 쉽게 알 수 있습니다. 토크는 부하를 이동하기 위해 모터가 적용할 수 있는 힘의 양입니다. 이는 얼마나 무거운 물건을 들어 올릴 수 있는지에 중요합니다. 비틀림 강성은 비틀림 없이 힘이 하중에 얼마나 잘 전달되는지를 나타냅니다. 토크 등급은 동일하지만 비틀림 강성이 완전히 다른 두 개의 저rpm 기어 모터를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 기어박스가 장착된 소형 DC 모터의 토크는 5Nm이고 비틀림 강성은 25Nm/deg인 반면, 동일한 크기의 저렴한 오프 브랜드 모델은 토크는 동일하지만 8Nm/deg 강성은 8Nm/deg에 불과합니다. 즉, 5Nm의 토크를 적용하면 값싼 제품이 훨씬 더 많이 비틀어져 앞서 이야기한 모든 문제가 발생한다는 의미입니다.
고려해야 할 또 다른 사항: 기어 모터를 부하에 연결할 때 해당 연결 자체가 전체 비틀림 강성에 영향을 미칩니다. 모터의 출력 샤프트와 컨베이어 또는 액추에이터 사이에 흔들리고 느슨한 커플링을 사용하는 경우 유연성이 더 높아집니다. 그러나 기어 모터의 기본 강성은 여전히 가장 큰 요소입니다. 당사의 기어 모터는 바로 이러한 이유로 정밀 커플링을 옵션으로 제공하므로 연결 지점에서 강성이 떨어지는 것에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
이제 낮은 rpm 기어 모터의 비틀림 강성을 테스트하는 방법에 대해 이야기해 보겠습니다. 이것이 우리 제품의 성능을 아는 방법이기 때문입니다. 우리는 단지 허공에서 숫자를 뽑아내는 것이 아닙니다. 모터의 출력 샤프트를 테스트 장비에 장착하고 토크 센서를 부착한 다음 증가하는 양의 토크를 적용하여 샤프트가 얼마나 비틀어지는지 측정합니다. 우리는 모든 장치가 우리의 사양을 충족하는지 확인하기 위해 다양한 기어비와 모터 전압에 대해 이를 반복합니다. 산업용 등급 저RPM 기어 모터의 경우 정격 토크의 150%로 테스트하여 과부하 조건에서도 충분히 견고한지 확인합니다. 이것이 바로 고객이 문제 없이 연중무휴로 작동하는 이유입니다.
그렇다면 낮은 rpm 기어 모터를 공급하는 사람에게 이것이 왜 중요한가요? 요약하자면, 비틀림 강성을 무시하면 포지셔닝 오류, 조기 부품 고장, 가동 중지 시간 및 더 높은 장기 비용을 보게 됩니다. 올바르게 작동하면 원활한 작동, 정확한 위치 지정, 유지 관리 감소, 수년간 지속되는 모터를 얻을 수 있습니다. 좋은 소식은 모든 응용 분야에 대해 초고강성을 위해 과도한 비용을 지출할 필요가 없다는 것입니다. 특정 요구 사항에 맞게 강성을 맞추면 됩니다. 가벼운 것을 만드는 경우 기본 모델이 작동합니다. 중공업 작업을 수행하는 경우 비틀림 강성이 견고한 모터에 투자하십시오.
문제는 다음과 같습니다. 저는 모터 사양, 특히 비틀림 강성에 대한 코너링이 항상 당신을 괴롭게 한다는 것을 알 만큼 오랫동안 이 게임에 참여해 왔습니다. 초기 비용이 20달러 더 적은 값싼 모터는 수리 비용과 1년 이내에 가동 중지 시간으로 인해 500달러의 비용이 발생하게 됩니다. 우리의 저 rpm 기어 모터는 비틀림 강성을 나중에 고려하지 않고 핵심 기능으로 설계했습니다. 왜냐하면 우리는 고객이 저렴한 옵션을 선택할 때 겪는 골치 아픈 문제를 보아왔기 때문입니다.
현재 낮은 rpm 기어 모터를 구매 중이고 필요한 강성이 무엇인지 확실하지 않거나 기어박스가 있는 소형 DC 모터, 기어박스가 있는 12V DC 모터, 기어가 있는 6V DC 모터 또는 전체 저RPM 기어 모터 제품군 등 당사 모델에 대한 자세한 내용을 알고 싶다면 주저하지 말고 문의하세요. 우리는 소규모 애호가부터 대규모 산업 제조업체에 이르기까지 모든 사람과 협력해 왔으며, 추측할 필요 없이 정확한 응용 분야에 적합한 모터를 선택하는 데 도움을 드릴 수 있습니다. 우리는 귀하의 프로젝트가 원활하게 진행되도록 하기 위해 온 것이지, 나중에 더 많은 문제를 일으킬 모터를 판매하기 위해 온 것이 아닙니다.
결국 비틀림 강성은 단순한 엔지니어링 용어가 아닙니다. 이는 계획대로 작동하는 프로젝트와 계속 골치 아픈 프로젝트의 차이입니다. 시간을 내어 이를 이해하고 사양을 확인한 후 이 기능을 우선시하는 신뢰할 수 있는 공급업체를 선택하세요. 장기적으로 시간, 돈, 좌절감을 줄여줄 것입니다.
참고자료
- 노턴, RL (2020). 기계 설계: 통합 접근 방식(5판). 피어슨 교육.
- Shigley, JE, Mischke, CR, & Budynas, RG(2004). 기계 공학 설계(7판). 맥그로힐.
- 기어 모터 비틀림 강성 테스트 표준. 국제표준화기구(ISO 14782:2019).
