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설계단계에 백래시에 의한 소음발생을 막기위해 구동부 Gap량은 조립 부품들의 Min-Max공차로 계산하였고, 도면의 Min-Max기준으로 Gap은 +0.055 mm -0.515 mm(오버랩)로 설계되었다.

설계의 수계산된 데이터가 타당한지 확인하는 절차는 3DCS라는 공차분석 프로그램으로 분석을 진행하였다. 통계를 내는 방식을 정규분포와 Min-Max 방법 2가지로 검토하고 도면 기준으로 단품들의 개별 위치도 공차를 반영하였을 때와 조립품 상태에서의 거리 공차를 반영하였을 때의 결과를 정리하면 Table 1과 같이 나타났다. 여기서 조립품의 거리공차는 Fig. 3의 Pumping gear와 Roller 센터와의 거리를 의미한다.

Fig. 3 
Structure & tolerance parts

3DCS를 활용한 공차분석 결과 조립품 상태에서의 공차분석 결과는 정규분포, Min-Max 분포에서 최대 –0.52 ~ 0.09 mm로 설계의도에서 벗어나지 않은 결과를 나타내는 반면, 단품들의 위치도 공차들을 반영하였을 시에는 조립 시 Gap량이 정규분포에서는 0.15 mm, Min-Max 분포에선 0.2 mm로 실제 백래시를 유발할 수 있는 Gap이 발생할 수 있음을 확인하였다. 이 분석결과를 통해 유격 발생 원인이 조립상태의 위치도 공차가 관리가 되지 않음을 추정하였고, 실제 제품 제작 과정을 확인한 결과, 단품 단위의 위치도 공차는 관리가 가능하나 조립을 하면서 발생하는 거리공차는 관리가 난해함을 알 수 있었다.

소음을 부품들간의 간격이 떨어져 있다가 부딪히는 일련의 행위들의 결과물로 규정짓고, 하중을 작용하여 초기간격이 없게 만들면 소음이 발생하지 않을 것이라고 생각하고, 이를 실제로 확인하기 위한 시험을 진행하였다.

백래시에 의한 소음이 발생하는 불량품의 유격 발생 부위를 Fig. 4와 같이 Push-Pull gauge를 이용하여 누른 상태에서 쿠션부에 하중을 부하하여 유격 소음이 발생하는지 확인하였다. Push-Pull gauge하중을 10 kgf, 20 kgf, 30 kgf로 증대하며 시험한 결과 유격 소음이 발생하지 않는 조건은 30 kgf 이상인 것을 알 수 있었다.

Fig. 4 
Load test by push-pull gauge

구동부 Gap 부위에 하중을 전달하는 메커니즘을 구현하기 위해 Fig. 5와 같이 별도의 추가 부품없이 기존의 Housing bracket의 형상을 바꿔 조립 시 후크 부품이 Roller를 누를 수 있는 구조를 고안하였다. 이 구조의 유효성을 확인하기 위해 유동 소음이 있는 제품과 없는 제품에 각각 후크 형상의 Housing bracket을 적용하여 소음 및 작동력에 대한 평가를 진행하였다.¹⁾

Fig. 5 
Tolerance absorption sample

유동 소음이 있는 제품과 없는 제품에 오버랩량을 0.1 ~ 0.7 mm까지 증가시켜 가며 평가를 하였고 그 결과 오버랩량 0.1 mm부터 유동 소음이 발생하지 않음을 확인하였으나, Fig. 6과 같이 작동력이 목표 스펙(상한선 6.5 kgf) 대비 증가되어 현 양산품 품질 수준에서는 적용하기 어려움이 있다.

Fig. 6 
Operating force according to overlap

시험결과, Housing bracket의 오버랩 량에 따라 작동력이 증가하지만 유지되는 구간이 있음을 확인하였다. 하중을 작용하여 공차를 흡수하는 메커니즘을 공차흡수 메커니즘을 제어할 수 있는 방법을 찾기 위해 FEA분석을 진행하였다.

FEA분석을 위한 모델은 후크형상이 추가된 Housing bracket의 롤러 부위와의 접촉 조건을 고려하여, Fig. 7과 같이 후크만 표현한 후 롤러에 변위를 작용해 오버랩 상황을 구성하고, 이때 볼트 조립부에 발생하는 반력을 측정하였다.⁴⁾

Fig. 7 
FEA model about overlap condition

오버랩 경계조건 고려를 위해 롤러의 이동량으로 오버랩량을 조절하여 해석을 진행하였다.

해석에 사용된 기본모델을 통해 볼트 조립부에 발생하는 반력을 예측해 본 결과 0.1 mm 오버랩 조건에 55 kgf, 0.5 ~ 0.7 mm 오버랩 조건에서는 95 kgf에 육박하는 큰 하중이 예측되어 Push-Pull gauge를 이용하여 소음을 제거한 하중(30 kgf) 대비 2 ~ 3배의 큰 하중이 작용된 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 
Hook analysis result of test model

작동력의 증가를 방지하기 위한 설계변경을 위해 후크의 설계 변수를 재질, 두께, 형상(폭) 3가지로 정하고, 이 3가지 설계 변수를 2수준으로 총 8조건의 해석 조건을 만들어 설계 민감도를 확인하였다.³⁾

인자 선정은 실제 적용 가능한 변수 수준을 가늠하여 정하였으며, Table 2와 같이 구성하고 결과값은 오버랩량 0.1 ~ 0.7 mm까지의 모델에 측정되는 하중 데이터를 Min, Max 및 Min-Max 하중 편차에 대한 분석을 진행하였다.

시스템을 구성하기 위한 최소하중에 영향을 미치는 요소를 찾기 위한 Min결과, 과도한 하중에 의한 작동력 증가를 피하기 위한 Max 결과, 오버랩량에 따른 작동력 증가의 폭을 줄이기 위한 Min-Max 편차를 분석한 결과 하기 Table 3과 같은 결과가 나타났다.

Fig. 9 
Main effect plot for operating force

분석 결과 작동력의 편차를 줄이는 주요 요소는 소재의 재질이며, 최소하중에 영향성이 큰 인자는 소재의 두께이며, 최대하중은 두께와 재질의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 이는 소재의 항복강도와 두께에 따른 강성만으로 오버랩 설계의 유격방지 메커니즘을 제어할 수 있음을 보여준다.

8case 중 3번 case인 재질 SPAH440, 두께 2.0 mm, 폭 5 mm의 샘플의 해석 결과가 원하는 오버랩량에 따른 Min-Max 편차가 적은 30 kgf 하중에 근접한 결과를 보였고, 상세한 결과는 Fig. 10과 같았다.

Fig. 10 
FEA result of Case3