기어박스

기어박스(gearbox)는 구동축을 회전시키는데 필요한 동력을 전달하기 위해 다양한 기어를 구성하여 만든 기계장치를 의미한다.

개요

기어박스는 구동축을 회전시키는데 필요한 동력을 전달하기 위해 다양한 기어를 구성하여 만든 기계장치를 말한다. 기어를 사용하여 작은 회전력을 큰 회전력으로 증폭시키거나, 낮은 회전을 고속 회전으로 바꿀 수 있다. 기어박스는 기어를 사용하는 변속기 및 감속기를 통칭하는 용어이며 '기어 트레인' 용어의 의미랑 비슷하다. 이러한 기어박스는 기어비에 따른 입력대비 속도 증가 및 감소, 토크의 증가 및 감소를 통하여 시스템에서 요구하는 작동성능을 만족하게 한다. 기어박스는 기어 메커니즘의 우수성 때문에 자동차, 항공기, 선박, 철도, 농업용, 건설기계, 공작기계 등에 사용될 뿐만 아니라, 최근에는 로봇 등 자동화기기에도 다수 사용되고 있다. 최근 들어 기술의 진보와 기어박스의 개발로 더욱더 효율적이고 강력한 기어박스를 적은 비용으로 생산할 수 있다. 기어박스는 일반적으로 회전 방향을 감시하고 원하는 출력 속도가 필요한 애플리케이션에서 입력 사이의 토크 또는 출력을 변환하기 위해 사용된다.

종류

헬리컬 기어박스

헬리컬 기어박스(helical gearbox)

헬리컬 기어박스는 전력 사용이 많지만 적은 효율을 발생한다. 헬리컬 기어는 이 끝이 나선형으로 되어있는 원통 기어를 뜻한다. 톱니바퀴 자체가 두껍고 톱니가 나선으로 되어있어 차례대로 기어가 맞물리고 회전에 의해 점진적으로 맞닿아 돌아가는데, 이 덕분에 부드럽고 조용하다. 닿는 면적이 넓어 힘이 강하지만 가격이 비싸다. 또한, 기어 축을 따라 추력을 가하기 때문에 적절한 추력 방향을 설정해주어야 한다. 그리고 헬리컬 기어는 톱니 사이에 미끄러지는 접점이 있어 기어 샤프트의 축 방향 추력을 만들고 더 많은 열을 발생시키기 때문에 효율이 낮다. 이로 인한 전력 손실이 발생하고 효율이 낮아진다. 두 개의 톱니가 마주치기 시작하면 나선형 기어의 톱니가 톱니 한쪽 끝에 의해 기계 표면과 각도로 닫히고 기계가 완전히 접촉할 때 접촉 상태를 유지한다. 이 설계는 산업용 기어박스를 더욱 부드럽게 구동할 수 있도록 하고 높은 부하 각도를 허용한다. 또한 헬리컬 기어박스는 평행 축과 우측 축 사이의 움직임을 표현할 수 있다.

웜 기어박스

웜 기어박스(worm gearbox)

웜 기어박스는 내구성이 강한 기능에 가장 많이 사용된다. 이 유형의 기어는 넓은 웜(또는 나사) 지름을 통합하여 기어 주변부의 톱니를 맞물리게 한다. 그런 다음 장치는 전기 소비 장치가 회전 속도를 결정하고 더 높은 토크의 변속을 가능하게 한다. 웜 기어박스는 90도의 변속기와 엘리베이터, 컨베이어 벨트에 사용된다. 웜 휠이라 부르는 웜 기어의 기어는 작은 쪽의 기어와 같은 모양을 가진 절삭 공구로 가공해야 하고, 웜 휠의 이는 약간 구부러진 곡선 형태, 이 끝이 이의 중간보다 두꺼워야 한다. 웜 기어는 베벨 기어나 헬리컬 기어와 달리 1조(組)의 맞물림으로 1/5~1/70 정도의 큰 기어 비율을 얻을 수 있다. 따라서 같은 동력을 전달하고자 할 때 베벨 기어나 헬리컬 기어를 사용하는 기계 장치보다 그 크기를 약 1/2로 줄일 수 있는 장점이 있다.

베벨 기어박스

베벨 기어박스(bevel gearbox)

베벨 기어박스에는 장치 하단 근처의 원뿔 모양의 표면에 곡선 톱니가 있다. 평행 축이 아닌 축을 회전하는 데 사용할 수 있으며, 롤링 스톡과 마이닝 등 광범위한 응용 프로그램을 사용할 수 있다. 대부분의 베벨 기어는 외관이 원뿔 모양인데, 이는 기어의 피치 표면이 페어링 기어와 만나는 각도에 위치하도록 설계되었기 때문에 소스로부터 각도로 동력을 구동한다. 이 각도가 90° 미만이면 톱니가 바깥을 향하기 때문에 이 원뿔 모양의 베벨 기어 또는 급성 설계를 외부라고 한다. 둔각(90° 이상)이 있는 것은 내부 베벨 기어로 알려져 있다.

유성 기어박스

유성 기어박스(planetary gearbox)

유성 기어박스는 로봇 공학이나 3D 프린팅과 같은 첨단 기술에서 사용된다. 유성 기어 4개 중 3개가 중앙 태양 기어로 유성 기어박스를 둘러싸고 있다. 두 가지 모두 내부 톱니 외부 링 장비를 통해 함께 고정된다. 이와 유사하게, 이 설계는 기어를 통해 동력을 분산시키고 한정된 영역에서 유성 기어 시스템이 높은 토크를 달성할 수 있도록 한다. 유성 기어박스의 특징은 높은 내구성과 정밀도이다. 유성 기어박스는 서로 다른 기어가 함께 움직이는 방식 때문에 붙여진 이름이다. 유성 기어박스에서 태양 기어, 위성(링) 기어 및 두 개 이상의 유성 기어를 볼 수 있다. 일반적으로 태양 기어는 구동되므로 유성 캐리어에 잠긴 유성 기어를 이동하여 출력축을 형성한다. 이것은 우리의 행성 태양계와 비슷하게 생겼고 그것이 그 이름이 유래된 곳이다. 도움이 된 것은 고대의 장비 구성들이 점성술에서 우리의 천체를 지도화하고 따르는데 광범위하게 사용되었다는 것이다. 실제로 우리는 산업 자동화를 위한 행성 기어박스 사용의 관점에서 종종 말한다. 그래서 태양 기어를 입력축, 유성 기어와 캐리어를 출력축, 위성 기어(또는 링 기어)를 하우징이라고 부른다.

참고자료

• 〈기어박스〉, 《NSK》
• 임홍혁, 〈기어 트레인 시스템의 통합해석 기술〉, 《코리아사이언스》
• 〈Industrial Gearbox A Comprehensive Review on Features, Types and its Usability〉, 《linquip technews》
• 〈Types of Gears: Advantages, Disadvantages, and Applications〉, 《green mechanic》
• 월간 기계기술기자, 〈4. 웜기어의 설계와 제작 기어강좌 (연재/6회)〉, 《MFG》, 2000-11-01
• Myway, 〈웜기어〉, 《다음 블로그》, 2014-01-23
• Elizabeth, 〈What is a bevel gearbox?〉, 《DriveLines》, 2019-11-20
• Helmond, 〈WHAT IS A PLANETARY GEARBOX?〉, 《APEX DYNAMICS》, 2017-11-14

같이 보기

• 기어
• 구동축
• 감속기
• 변속기

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