매우 낮은 온도에서 유성 전송 성능 테스트

Jul 05, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21815(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 기사에서는 알루미늄 합금 2017과 같은 경량 구조 재료로 제작되고 X65Cr14 합금으로 제작되고 이황화 몰리브덴 분말로 윤활 처리된 강철 볼 베어링을 특징으로 하는 베어링 노드가 있는 다단계 유성 변속기의 동작 저항에 대한 연구 결과를 제시합니다. 유성기어 구성의 세부사항이 제시된 후 작동 성능 테스트가 진행되었습니다. 성능 테스트 동안 작동 중인 변속기의 온도는 액체질소를 사용해 -190°C까지 점차 낮아졌습니다. 분석에서는 특히 온도의 함수로서 메커니즘의 전력 소비를 다루었습니다. 결과는 이미 우주에서 작동하는 메커니즘의 매개변수와 비교되었습니다. 측정은 개방된 공간이나 화성과 같은 외계 조건에서 작동하도록 고안된 조작기의 구동 시스템에서 기어링의 적용 가능성을 확인하기 위해 수행되었습니다.

유성 및 스트레인 웨이브 기어 세트는 가장 컴팩트한 디자인을 가지고 있습니다. 유성 변속기에서 기어에 의해 전달되는 토크는 둘 이상의 기어 휠에 거의 균등하게 분배됩니다. 일반적으로 그 수는 3~6개이며, 이는 기어 세트의 컴팩트한 크기에도 불구하고 높은 부하 용량을 가능하게 합니다. 또한 이러한 변속기는 일반적으로 4~10의 기어비로 설계되어 높은 안정성과 약 97%1의 효율성을 제공합니다. 2단 차동 유성 변속기2는 최대 5000까지 더 큰 기어비를 제공하지만 이러한 변속기의 설계는 복잡합니다.

유성 기어 세트는 감속기, 승산기, 차동 장치1와 같은 다양한 구성으로 사용할 수 있습니다. 본 논문에 설명된 기어링 어셈블리에서는 링 휠이 고정되고, 선 기어가 입력 샤프트에 위치하며, 피니언 캐리어가 출력 샤프트에 연결된 감속기 구성이 사용되었습니다. 그림 1은 설계된 4단 유성기어세트의 메커니즘을 도시한 것으로, 기어세트의 최종단인 피니언 캐리어가 회전체의 일부에 연결되어 있다.

설계된 유성 기어링의 다이어그램.

변속기가 작동할 것으로 예상되는 온도는 지구에서는 발생하지 않으므로 비슷한 설계를 찾으려면 주로 화성에서 사용되는 기계에 적용되는 솔루션을 찾아야 합니다. 화성 표면의 온도는 지구보다 태양에서 1.52배 더 멀기 때문에 −140~27°C 범위입니다. 이것이 바로 지구에 닿는 에너지의 43%만이 화성 표면의 동일한 면적에 도달하는 이유입니다3,4.

화성의 조건을 고려할 때 기어 세트를 포함하여 그곳에서 사용되는 장비는 매우 낮은 온도를 견뎌야 하며 이는 화성 착륙선 및 탐사선 설계에 대한 연구에서 논의된 바 있습니다. 변속기 작동 중 마찰 모멘트 변화에 대한 온도의 영향도 매우 중요합니다5.

Mars Volatiles and Climate Surveyor 착륙선에는 4개의 자유도를 갖춘 조작기인 로봇 팔이 장착되었습니다. 해당 액추에이터는 정상 작동 중에 각각 26Nm, 91Nm, 53Nm, 10Nm의 토크를 생성할 수 있었고 최대 순간 토크는 50% 더 높았습니다. 액츄에이터는 유성기어와 하모닉기어 또는 유성기어와 베벨기어를 포함하는 2단 기어로 설계되었습니다. 기어 세트는 DC 브러시 모터로 구동되었습니다. 액츄에이터의 전체 비율은 4000과 16,000이었습니다. 액추에이터의 기계 시스템은 -105°C(-90°C) ~ 35°C의 온도에서 작동하도록 설계되었습니다. 보다 극단적인 기후 조건으로부터 보호하기 위해 조인트에는 1W 및 4W 히터6,7,8가 장착되었습니다. 무부하 작동 중 액추에이터 모터에 필요한 전류량에 온도가 미치는 영향에 대한 테스트 결과, 온도가 감소함에 따라 액추에이터에서 사용하는 전력이 상당히 증가한 것으로 나타났습니다.