감속기

감속기(reducer)는 한 축에서 다른 축으로 동력을 전달할 때, 모터의 회전수를 줄여 속도를 줄이는 장치이다. 줄을 감거나 풀 때 모터의 속도를 제어하기 위해 개발되었다. 감속기는 변속기의 일종이며, 사전적 의미로는 기어(gear)를 이용하여 속도를 변환시키는 기구이다. 치차감속 장치의 감속기를 치차 감속기(gear reducer), 일반적으로 줄여서 감속기라고 부른다.

개요

기어를 적용한 감속기가 고안되어 장치 산업에 획기적인 발전을 이룰 수 있게 되었다. 감속기란 말 그대로 모터 등의 동력원이 가지고 있는 속도를 줄이기 위한 기기 또는 장치이다. 이때, 속도를 줄이는 이유는 더 큰 힘을 내기 위해서이다. 자동차의 저단 기어가 더 높은 힘을 발휘하듯, 모터의 속도가 줄어들면 더 큰 힘을 출력하게 된다. 구체적으로, 모터의 동력이 일정한 상태에서 모터의 회전수를 줄이면 회전력(torque)이 증가한다. 감속기의 주된 역할이 바로 모터 작동 속도를 줄임으로써 더 큰 힘을 전달하는 것이다. 사실 속도를 줄여 주는 것 뿐만 아니라 더 빠르게도 할 수 있는데, 대부분 속도를 줄이기 때문에 감속기라고 부른다. 감속기를 말하면 대부분 기어장치를 사용하는 감속기를 떠올리게 된다. 감속, 즉 속도를 줄이는 방법은 기어 장치를 포함하여 여러 가지 방식이 있다. 가장 고전적인 방법인 벨트 감속, 체인 감속, 로우프 감속, 드럼 감속, 지렛대 감속 등이 있으며, 차동장치나 유압실리너 등을 이용한 특이한 감속 장치도 있다. 감속기의 원리를 적용한 사례는 일상에서 쉽게 찾아볼 수 있는데, 주위에서 가장 흔하게 볼 수 있는 것은 자동차에 있는 변속기이다. 이 변속기의 아주 단순한 형태가 흔히 보는 전동기에 사용되는 감속기라고 생각하면 된다. 거중기나 지렛대 등도 감속기와 동일한 원리를 활용하고 있다.

특징

작용하는 위치에서 요구되는 힘의 크기 때문에 입력장치에서 들어오게 되는 힘을 증폭시키기 위하여 감속기를 사용한다. 하지만 속도는 줄어들게 되고, 큰 힘을 내면서 천천히 돌아가는 모터는 몸체를 키우며 관성, 극수를 증가시키게 된다. 이 경우 감속기의 크기가 커지고 무게가 높아지며 발열이 심하다는 것이 문제이다. 이뿐만 아니라 비용도 증가하게 된다. 하지만 작은 힘에 고속의 원동기를 사용해 적절한 크기의 감속기를 중간에 달아주게 되면 작용힘과 속도를 얻으면서도 최적의 구성으로 돌릴 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 감속기의 장점은 작은 모터로 큰 기계를 움직일 수 있고, 전기소모가 낮아 오랫동안 구동 가능하다는 것이며, 반대로 단점은 부가적인 기계장치의 추가가 필요하며, 추가적인 비용이 들어간다는 것이다.

감속 방법

에너지 보존의 법칙

동력 전달용 감속기에서 제1원칙은 에너지 보존의 법칙, 즉 동력 보존의 법칙이다. 단순히 속도만 변화하는 것이라면, 동력 전달 용으로 적합하지 않다. 예를 들어, 태양의 속도나 구름의 속도를 측정하기 위하여 막대기를 세우고, 막대기의 그림자가 변화하는 속도를 측정하여 거리 비례식으로 계산할 경우, 이때 사용된 막대기도 일종의 감속기로 구분할 수 있으나, 이것은 단지 속도의 감속만이 목적일 뿐, 동력을 목적으로 하지는 않는다. 따라서 이런 경우에는 동력 전달용 감속기로 볼 수 없다. 동력 보존의 법칙은 다음의 식으로 나타내며, 이 식이 기본 모태가 되는 식이다.

P∝F·V=F1·V1=F2·V2= Constant …………(1)
P∝T·N=T1·n1=T2·n2=Constant  …………(2)

이때 마찰 손실은 무시했으며, 기호는 다음과 같다.

• P : 동력 (마력[hp] 또는 킬로와트[KW])
• F : 힘 (kgf 또는 뉴톤[N])
• V : 속도 (m/sec)
• 1 : 입력 측2 : 출력 측
• T : 회전력 (kgf-m 또는 N-m)
• n : 회전각속도 (rpm 또는 rad/sec )

감속기의 경우에는 감속기 내부에서 마찰로 인한 동력 손실을 발생한다. 이것을 감안하여 감속기의 동력 전달 효율을 η로 표기하고, 마찰 손실을 Loss로 표기하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

P2=η·P1=P1-Loss               …………(3)
F2·V2=η·(F1·V1)             …………(4)
T2·n2=η·(T1·n1)             …………(5)

이 법칙은 아주 중요한 의미를 지니고 있다. 즉, 감속기의 입력측에서 들어가는 동력보다 출력측에서 나오는 동력이 더 증가할 수는 없다는 것이다. 반드시 입력 동력보다 출력 동력이 작게 된다는 것이다. 그러나, 힘이나 회전력은 입력측의 것보다 더 크게 증폭되 어질 수 있다. 즉, 감속기를 통과하면, 힘이나 회전력은 증가할 수 있어도, 마력수나 킬로와트수는 감소한다는 것이다. 그리고 역으로 가속기를 통하여도 마력수나 킬로와트 수는 감소하게 된다.

지렛대의 원리

지렛대는 가장 간단하고도 개념적인 동력전달용 감속기의 모델이다. 직선 운동 감속기라고도 하는데, 지렛대를 사용하는 사람이 잡고 있는 쪽의 길이가 물건을 들어올리는 쪽보다 통상 길다. 이 때의 사람의 일률이 동력이 되며 그 관계식은 다음과 같다.

F·V1=W·V2
F·L1=W·L2

감속기도 이와 마찬가지의 개념으로 힘과 속도의 관계식이 적용된다.

벨트 전동 감속기

벨트 전동은 회전 감속 장치의 기본이다. 아마도 벨트의 종류는 열거할 수도 없을 정도로 많을 것이다. 그러나 통상의 분류로 나누면 평벨트, 링벨트, 브이벨트, 타이밍벨트 등이 있으며, 넓은 의미로 확대하면 체인 전동도 벨트에 분류될 수 있다. 여기서 체인의 스프로켓을 기어라고 부르는 사람도 있기 때문에 이견이 있을 수도 있으나, 전동 기구학적으로 기어보다는 엄연히 벨트 전동에 더 가깝다고 할 수 있다. 기어의 발전과 더불어 벨트 전동에도 기어 개념을 적용하게 되었다. 즉, 치차형 벨트이다. 체인 전동, 타이밍 벨트 등이 있으며, 극단적으로 쇠사슬을 이용한 전동(호이스트 등)도 사용된다. 체인과 타이밍 벨트는 각각의 영역에서 다양하게 연구되어 각각의 분야에서만도 십수종의 치형이 개발 되었다.

드럼 감속기

드럼 감속기는 그냥 평이한 바퀴만으로서의 전동이다. 치차 대신에 작은 원통이 큰 원통과 접해서 구동 하는 것이다. 드럼 감속장치는 마찰차라고도 불린다. 드럼 감속기의 특징은 드럼간의 마찰로 구동하므로, 서로 접하고 있는 드럼끼리 밀고 있어야 한다는 것이다. 마찰차의 전동 회전력은 입력측의 회전력과 회전비및 마찰계수와 서로 밀고 있는 힘의 관계식으로 구해야 한다. 드럼 감속 장치는 트랙션 드라이브(Traction Drive)라고도 한다. 미끄럼이 쉽게 발생하므로, 큰 회전력을 필요로 하는 장치에는 적용이 곤란하지만, 복사기 또는 프린터 등과 같이 전 과정 동안 일정한 속도를 필요로 하는 곳과 위치 정밀도가 요구되는 곳에 사용된다.

기어 감속기

기어는 현재 가장 유력한 감속장치의 도구일 것이다. 기어는 톱니을 가지고 서로 맞물려 돌아가면서 회전 속도비율이 잇수비에 반비례하여 나오기 때문에 공학에서 가장 확실한 전동을 하는 것으로 채택되고 있다. 기어의 치형과 형상 및 배치에 따라 입력과 출력의 힘과 속도 뿐만 아니라, 방향까지도 원하는 모양으로 구성할 수 있다.

유공압 실린더

유공압 실린더를 감속기에 포함시키는 것에 대해 다양한 의견이 있지만 입력과 출력의 힘과 속도의 면에서 입각하여 보면, 엄연히 감속기의 원리가 적용된다. 펌프 측에서, 또는 수동 레버 측에서 인입되는 작동유의 속도와 힘이 출력 실린더의 추력과 힘으로 작동된다. 이역시 엄연히 감속기의 입력과 출력의 관계식과 같은 것이 된다.

변속기

변속기와 감속기의 용어의 차이는 엄밀히 따진다면 감속기도 변속기에 포함된고 보면 되고, 반대로 변속기도 감속기에 포함될 수 있다. 그런데 감속기를 변속기로 부르지 않고, 변속기와 차별을 두고 있다. 변속기는 단속적으로 속도비를 전환할 수 있는 다단 변속기와 연속적으로 속도비를 변환할 수 있는 무단 변속기로 나뉜다. 보통 자동차의 변속은 다단 변속기에 속한다. 내부에 슬리이브와 아이들 기어가 포함되어 있어 변속 선택을 한다. 무단 변속기는 기본적으로 쐐기형을 이루도록 한풀리 회전체에 전동체의 접촉이 반경으로 연속적으로 증가 또는 감소할 수 있게 하여 무단 변속을 구현한다. 통상 무단 변속의 변속 비율 가능 구간이 있으므로, 감속기 또는 다단 변속기와 혼합하여 사용하는 경우가 많다.

종류

감속기는 원동기의 회전력을 정해진 감속비로 감속시켜 피동기에 전달하는 장치로써, 감속기능 외에 동력 전달 장치이면서 회전력(TORQUE)을 감속비만큼 증폭 시킨다. 이러한 감속기의 종류와 명칭은 형태상, 축의 상대적인 방향성, 취부 방법, 기어의 종류 및 피동기계의 종류 등에 따라 다양한 명칭을 가지고 있다. 감속기에도 다양한 종류가 있다. 주로 감속기 내에 부착되는 기어의 종류에 따라 달라진다. 기어의 등장으로 동력 전달에서 획기적인 소득이 있었다. 첫 번재는 위치 정확도이다. 회전 또는 직선 운동에 있어서 기존의 조작 방식에서 기어를 적용하여 입력 목표 위치(각도 또는 선형 위치) 대비 출력 위치의 정밀도가 기어를 사용함에 따라 정확해지며 반복 정밀도도 높아졌다. 두 번째는 전동 손실 감소이다. 벨트, 드럼 등을 사용하던 기존의 방식에 비해 기어를 사용하면 미끄럼이 줄어들면서 동력의 손실이 줄어들게 되었다. 세 번째는 집적화이다. 기어의 개발과 설계 기술의 향상으로 큰 힘과 아주 높은 비율의 기어 비율도 소형의 기어박스 안에 배치할 수 있게 되면서 감속기의 집적화가 가능해졌다. 물론 장점만 있는 것이 아니라 단점도 있어 아직도 기어 이전의 방식인 벨트 등도 사용되고 있다. 기어 감속기를 선정할 때, 기어 쌍의 특징과 장단점을 잘 파악하여 설계 또는 선정하면 유효 적절한 감속기를 선정할 수 있다. 사실 기어장치를 이용한 감속 외에도 다양한 방법이 있다. 벨트·체인·로프·지렛대 등을 이용한 감속 방식이 있다. 또한 유압실린더 등을 활용한 장치도 있다. 하지만 오늘날 감속기에는 대부분 기어장치를 이용하고는 한다.

헬리컬 감속기

헬리컬 기어는 치형이 나선형으로 이루어져 있어 같은 면적에서 더 많은 접촉면을 갖게 되며, 따라서 보다 작은 크기로 더 많은 힘을 전달하고, 더 많은 작업을 구현할 수 있다. 감속기의 경우, 같은 면적으로도 더 큰 감속비를 가질 수 있게 되는 셈이다. 소음이 적은 것 역시 장점이다. 이러한 이점으로 인해 감속기 분야에서도 헬리컬 기어를 도입하고 있는 추세다. 하지만 헬리컬 기어를 도입하기는 쉬운 일이 아니다. 빗살무늬의 경사진 면을 가공할 수 있는 기술이 필요하기 때문이다. 특히 유성치차감속기의 링기어는 태양기어나 유성기어 등과 달리 접촉면이 내부에 있다. 장치 내부에 빗살 모양의 치열을 만들어야 하는 셈인데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다. 따라서 업계에서는 헬리컬 기어를 도입하기 위한 가공기술 및 절삭기술을 찾고 있는 추세다.

웜 감속기

웜 감속기는 웜 기어를 활용한 감속기로, 큰 감속 비의 회전을 전동하는 데 사용되는 기어 장치이면서 조용한 동작을 구현해야 하는 응용사례에 주로 쓰인다. 웜 기어 양쪽에 볼 베어링이 삽입되어있는 구조를 취하고 있다. 내부 재질은 동이나 철로 되어있는 것이 일반적이다. 나사형 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 이루어지고, 보통 나사형 웜에 동력을 입력하여 웜 휠로 회전 토크를 출력하는 방식으로 사용된다. 제한적인 회전력에서 오랜 수명을 보장할 수 있는 반영구적인 윤활제가 도포되어 있다. 웜 감속기는 축방향이 90°의 각도를 유지하는 것이 특징이다. 가격이 저렴하며 사용이 간편하다.

베벨 감속기

베벨 감속기는 베벨기어를 이용한 감속기를 말한다. 베벨기어만으로도 90°의 축방향 각도를 유지한다. 축방향이 90°로 꺾이는(즉, L자) 응용사례에 적합하다.

평기어 감속기

평(스퍼)기어는 감속기 구성에 있어 가장 일반적으로 사용되고 있는 방식이다. 평기어의 가장 큰 장점은 오랫동안 널리 사용되어온 방식이라는 점이다. 따라서 가격이 저렴하며, 장비를 구입하기가 쉽다. 또한 구조가 간단해 제작부터 정비 및 수리에 이르기까지 취급이 용이하다. 하지만 평기어 감속기는 평기어를 사용하기에 여타 감속기보다 효율이 낮고, 장치가 노출되어있는 경우 외부 이물질로 인해 기어가 손상되기 쉽다는 단점이 있다.

사이클로이드 감속기

사이클로이드 감속기는 그 치형에서 이름을 차명한 것이며, 상용되고 있는 감속기의 작동의 원리는 사이클로이드 치형에 핀과 로울러를 사용하여 편심판이 굴러가면서 원주 길이의 차이에 의한 운동량의 차이, 즉 차동으로 감속을 한다. 편심에 의한 차동은 유성기어에서도 이미 적용되어 왔다. 유성기어의 경우에는 사이클로이드 치형보다 잇수면에서 다양성이 많으므로 인볼류트 유성기어로 만든 편심차동감속기가 설계와 제조 비용면에서 사이클 로이드 편심차동 감속기보다 유리하지만, 실용화 면에서 핀과 로울러를 적용한 사이클로이드 치형이 실제로 많아졌다. 차동 감속기의 특징으로 위치 정밀도가 높아야 하므로, 사이클로이드 치형이든 인볼류트 치형이든 차동 방식의 감속기는 제조 공정 정밀도의 차이가 운전 성능의 차이와 직결된다. 따라서 사이클로이드 차동 감속기는 제조 비용이 올라가기 마련이다. 그러나 고비율의 감속기가 필요한 경우에는 차동 감속기를 사용할 경우 소형화 및 비용을 절감할 수 있다.

유성 차동 감속기

유성기어 차동 감속기는 두 가지 형식이 있다. 편심에 의한 차동 감속이 그 중의 하나이며, 유성 기어 잇수 차이를 이용한 차동 감속이 다른 방식의 하나이다. 유성기어 잇수 차이에 의한 차동 감속은 그 동안 크레인용 감속기 등에 적용되어 왔던 기술이다. 잇수 차이에 의한 차동 감속은 내부 부품이 모두 동심상에 정렬하므로 제작상의 비용도 비교적 적게 들어간다. 설계 기술이 중요하여 시장에 공개하지 않고 국내에서는 일부 감속기 업체에서 비공개로 설계하여 상품화하고 있다. 이 방식을 적용하면 2단 기어링으로도 고비율의 감속비를 얻을 수 있으므로 교반기나 침전조 등과 같이 작고 큰 비율을 요구하는 곳에 적합하다고 할 수 있다. 이 감속기의 특징은 적은 단수로 고비율을 얻을 수 있고, 낮은 감속기 보다는 높은 감속비율을 목적으로 할 때 콤팩트하며, 자립 체결이 가능하다는 것이다.

하이브리드 감속기

일반적으로 감속기에 사용되는 기어의 쌍에는 특정 기어를 사용하라는 구속 제한이 있을 수 없다. 그러나 현장의 실용상에는 조건이 따르게 마련이다. 예를 들면, 엘리베이터나 권상기와 같은 경우에는 모터의 브레이크가 작동이 되지 않더라도 감속기 자체가 역전되지 않도록 자립체결이 되어 이중 안전성을 확보해야 한다. 어떤 경우에는 입력과 출력축의 방향이 평행해야 하든가, 또는 직교할 것이 요구되는 경우도 있다. 경우에 따라서는 입력축과 출력축이 일직선이 되어야 하는 경우도 요구된다. 이러한 현장의 제한 요건을 충족하면서 동력의 손실을 최소화하고, 공간 활용도를 최대로 하면서 보수 및진단 등의 비용을 최소화할 수 있는 감속기를 경제적인 가격으로 구입할 수 있도록 선정하면, 최적의 현장 기술이라고 할 것이다. 이러한 최적의 감속기 선정을 위하여 감속기에 사용되는 기어의 특징을 이해하고, 또 그들간의 조합을 이해해야 한다. 일반적으로 감속기의 기어헤드, 즉 기어 박스 내에 사용되는 기어는 한 종류의 기어만을 사용할 수도 있지만, 현장의 요구 조건을 최적으로 맞추려면, 각종의 기어를 조합하여 사용해야 할 필요가 있다. 통상 기어 비율이 전항의 비율 이내에 들고, 입출력 축의 방향이 일치된다면, 한 쌍의 조로 조립된 기어 박스를 사용하는 것이 추천된다. 기계 장치라는 것은 내부에 들어 있는 부품이 많을수록 고장의 확률이 높아지게 마련이다. 그렇기 때문에 적정한 비율의 범위 내에서 사용되는 감속기라면, 기어 쌍을 한 개의 조만으로 사용하면 여러 면에서 유리하다.

그러나 실제 현장에서 적용하려면, 제약이 따르게 마련이고, 따라서 적정의 선정이 요구된다. 그 중에서 감속 비율, 출력축의 방향과 형상, 부하 조건 등이 아마도 가장 중요한 요구 사항일 것이다. 이러한 요구를 충족하기 위하여 2단 이상의 다단 기어링이 필요하게 되며 동종의 기어 다단 조합도 가능하지만, 이종의 다단 기어 조합인 하이브리드 감속기가 필요하게 된다. 일반적으로 동종의 기어링 조합으로 된 다단 감속기가 많이 사용되고 있는데 이는 생산성과 설계, 제작 비용의 경제성이 주요 원인이다. 만약 차동 감속을 사용할 경우에는 2단 기어링으로도 매우큰 비율을 얻을 수가 있다. 차동 기어링을 사용하는 감속기로는 주로 유성기어링과 사이클로이드 기어링에서 적용한다. 그러나 다른 종류의 기어를 조합 하여 다단 기어링 감속기를 제작하면 여러가지 면에서 유리한 점이 있다. 복합 2단 기어링 감속기로 많이 실용화되고 있는 감속기는 1) 헬리컬 웜 감속기 2) 베벨 헬리컬 감속기 3) 하이포이드 헬리컬 감속기 4) 웜과 유성감속기가 있다. 이들은 모두 고감속, 편의성을 목적으로 하여 기어의 종류를 이중으로 적용한 것이다. 이 외에도 산업마다 쓰임과 필요한 회전 토크의 사양이 달라지기 때문에 다양한 감속기들이 복합되어 사용된다.

헬리컬 웜 감속기

헬리컬 기어 한 단과 웜 기어 한 단을 조합하여 한몸체의 기어 박스 안에 조립한 것을 헬리컬 웜 감속기라고 보편상 부르고 있다. 국내에서 감속기 몸체인 기어박스를 일체형의 사각형 모양으로 설계하여 조합한 헬리컬 웜 감속기의 특징은 축 방향이 직교한다는 것이다. 또한 1:30 ~ 1:200 정도의 감속비에서 우수하다. 강성이 높으며, 자립 체결로 역전 방지 기능을 줄 수 있고, 설치 방향이 자유롭다. 출력축을 중실축과 중공축으로 선택하여, 장착용 플랜지 또는 회전력 암 등의 적용과 조합하여 다양하고도 효율적인 현장 설치가 가능하다. 마지막으로 기어드 모터로 제작할 경우 효과적이다.

베벨 헬리컬 감속기

입력 1단 기어를 베벨기어로 하고 이후 헬리컬 기어로 하는 감속기는 직교축 감속기의 대표적인 기어박스로 많이 사용된다. 교반기 등의 경우에는 특히 모터를 눕혀서 사용하고, 축을 바닥에 수직으로 설치하는 경우가 많기 때문에 직교축 감속기를 채택하는 경우가 많아 베벨 헬리컬 감속기가 효과적이다. 대체로 기어박스로 많이 채택하고 있다. 베벨 헬리컬 감속기의 특징은 축 방향이 직교한다는 것이다. 이는 기어박스 등에 많이 적용되는데, 헬리컬 기어 트레인(치차열)은 중·대형의 주문형 기어박스에 적용되는 대표적인 방식이다. 여기에 베벨기어를 적용하여 출력축의 방향이 직교하도록 구성하는 것이 보편적인 기어박스이다. 헬리컬 기어를 2단 이상 다단으로 할 경우에는 기어 감속비를 올릴 수 있다.

하이포이드 헬리컬 감속기

입력 1단 기어를 베벨 기어로 할 경우와 같은 개념이지만, 하이포이드 기어를 채택하고 있다는 점에 차이가 난다. 모터 축을 피니언으로 사용하고 기어드 모터 형태로 만들면, 기어 헤드의 크기를 줄이고, 중공축으 로도 제작할 수 있어 많이 사용된다. 독일과 일본의 업체가 이를 시리즈 제품으로 상품화 하여 판매하고 있으나, 하이포이드 기어 제조 원가가 높고, 맞춤 가공 공수 때문에 국내에서는 아직 상품화 되지 않고 있다. 하이포이드 헬리컬 감속기의 특성 축의 방향이 직각이지만 중심선이 교차하지 않고 편심지게 할 수 있다는 것이다. 1:3 ~ 1:40 정도의 감속비의 범위에서 효과적이며, 헬리컬 기어의 단수를 증가하면 1:100 이상의 기어링도 가능하다. 기어드 모터로 제작할 경우 동급의 동력에서 소형화가 용이하지만 제조 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

웜과 유성감속기

웜기어와 유성기어를 채택하는 경우에도 축이 직각으로 된다. 유성감속기는 차동방식으로 고비율을 낼수 있으며, 웜 기어도 1단으로 고비율을 낼 수있기 때문에 비율이 높을 경우 콤팩트화할 수 있고, 유성기 어링과 웜기어링 모두 자립체결기능을 갖출 수 있으므로 권상기 또는 빌딩 외부 견인대 등의 동력전달장치로 추천되는 감속기이다. 웜과 유성감속기의 특징은 축이 직교하며, 편심이 난다는 것이다. 또한 동급의 크기에서 비율을 크게 낼 수 있고, 자립 체결 조건을 주어 역전을 방지할 수 있다.

발전

유성치차감속기

유성치차감속기는 감속기의 일종이다. 유성기어를 탑재한 감속기를 유성치차감속기라고 칭한다. 유성치차감속기는 태양기어(선기어)와 링기어 그리고 유성기어라는 세 가지 요소로 구성되어있다. 고정 축 주위를 일정한 회전비로 회전하는 일반 기어와 달리, 태양기어 주위에 있는 유성기어를 암(캐리어)으로 지지해 회전하는 구조를 하고 있다. 유성기어가 태양기어 주위를 회전하고, 두 기어를 링 기어가 감싸는 구조다. 장치가 작동하면, 유성기어는 모터와 반대 방향으로 회전한다. 태양기어와 유성기어의 이가 서로 맞물려있기 때문이다. 이를 방지하기 위한 장치가 링기어다. 링기어는 유성기어가 움직이지 않도록 방향을 고정시켜주는 역할을 한다. 이로 인해 암(캐리어)이 태양기어와 같은 방향으로 회전하도록 만든다. 유성치차감속기 내의 태양기어는 자전운동을, 유성기어는 자전운동과 공전운동을 동시에 한다. 즉, 유성기어 자체가 회전하기도, 태양기어를 중심으로 일정 궤도를 따라 회전하기도 하는 것이다. 자전과 공전운동을 동시에 하는 유성기어의 모습은 태양계의 모습과 흡사하다. 태양(태양기어)을 중심으로 유성(유성기어)이 자전과 공전 운동을 하는 것과 비교하면 된다. 유성기어라는 이름이 붙은 이유다.

장단점

유성기어는 여타 기어를 활용한 감속기에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 우선 유성치차감속기는 크기가 작고 무게가 가볍다. 여타 감속기는 모터와 일차기어를 부착하고, 그 옆에 1:10이나 1:100 등 커다란 기어 비를 가진 기어를 부가적으로 탑재함으로써 가동하는 원리를 취한다. 덩치가 커질 수밖에 없는 이유다. 반면 유성기어는 부가적인 기어가 필요하지 않으며, 따라서 무게가 가볍고 장치 크기가 작아진다. 또한 태양기어와 유성기어 그리고 링기어가 맞물려있는 구조 특성으로 인해 단위체적당 높은 동력전달효율을 달성한다. 이를 쉽게 말하면 같은 크기의 장비를 사용해도 더 많은 동력을 전달할 수 있다는 이야기다. 같은 크기의 일반 감속기와 비교했을 때 몇 배나 되는 동력을 전달할 수 있다. 큰 동력을 전달할 수 있는 요인은 유성기어의 특성상 각 기어가 담당하는 전달하중과 속도가 줄어들어, 결과적으로 마찰손실을 줄인 덕이다. 마찰손실 감소는 효율 증가와 직접적으로 이어지는 특성이다. 유성치차감속기는 입력축과 출력축을 동심으로 구성할 수 있다. 축이 떨어져있어야 작동할 수 있는 일반적인 감속기와 달리, 유성치차감속기는 축이 동일해도 원활한 작동을 실현한다. 이는 장비 무게 절감 및 소형화와 직접적으로 이어지는 요인이다. 동축을 실현할 수 없으면 장치 크기가 커지고, 무게가 무거워진다. 축이 많아질수록 장착해야 하는 장비도 많아지는 셈이다. 하지만 유성치차감속기는 작은 크기로도 높은 감속을 실현할 수 있다. 하지만 유성치차감속기에도 단점은 있다. 우선 유성치차감속기는 유성기어가 공전운동을 하는 구조를 하고 있다. 때문에 원심력이 크다. 따라서 속도가 높아짐에 따라 소음이 발생할 수 있다. 유성기어는 일반 기어 및 감속기와 비교했을 때 구조가 복잡하다. 따라서 부품 수가 많아진다. 이는 비용 증가와 직접적으로 이어진다. 마지막으로, 유성치차감속기가 제 성능을 발휘하려면 뛰어난 기술력이 필요하다. 마찰 면적이 커지고, 장치가 많아지기 때문이다. 이러한 장치의 공차관리를 위해서는 설계와 제작 그리고 가공에 높은 수준의 기술이 필요하다.

활용

유성기어는 비교적 근래에 도입된 기술이다. 2000년대 초부터 사용량이 증가하였으며, 2007년경부터 7~8년에 걸쳐 시장이 확산되고 있다. 바야흐로 유성기어의 전성시대가 찾아오고 있는 셈이다. 유성기어는 본래 직교좌표로봇과 공작기계 등 공장자동화 및 관련 분야에 주로 쓰이던 기술이다. 하지만 유성기어가 가진 장점이 부각되면서 다양한 분야에서 유성기어를 도입하기 시작했다.

계산식

감속비

감속기가 모터의 회전속도를 감속하는 비율이다. 서로 맞물린 치차에서 피동치차의 잇수를 구동치차의 잇수로 나눈 값으로 일반적으로 감속비는 보통 1:3 ~ 1:250으로 구성되어 있다. 감속비를 구하는 식은 다음과 같다.

$i={\frac {N_{M}}{N_{C}}}$

회전수와 회전방향

감속기를 조립한 경우 회전수는 다음식에 의하여 계산된다. 감속기 출력축의 회전 방향은 감속비에 의해 모터의 회전 방향과 동일한 것과 반대 방향인 것도 있다.

$N_{C}={\frac {N_{M}}{i}}$

$N_{C}$  : 감속기의 회전수 (rpm)
$N_{M}$ : 모터의 회전수 (rpm)
$i$     : 감속비

허용 회전력

기어 헤드를 출력축에서 구동 가능한 부하 회전력의 크기를 나타낸다.

회전력 $T_{G}=T_{M}\times i\times \eta$

$T_{G}$  : 감속기 회전력 $(Kg-cm)$
$i$     : 기어 헤드의 감속비
$T_{M}$  : 모터의 회전력 $(Kg-cm)$
$\eta$    : 기어 헤드의 전달 효율

이때, 전달 효율이란 모터에 기어 헤드를 조합하여 회전력을 증폭시킬 때의 효율로, 단위는 %로 표시한다. 기어 헤드에 사용되는 축수, 치차의 마찰 및 윤활유의 저항 등으로 결정되며 전달 효율은 기어 헤드의 감속 단수 당 90%를 고려하여 감속 단수가 적은 2단은 81% 정도이며, 감속비가 클수록 감속 단수가 증가하여 3단은 73%, 4단은 66%, 5단은 59%로 저하된다.

감속기의 최대 허용 회전력

감속기의 최대 허용 회전력

출력 회전력은 감속비가 커지면 그에 비례해서 커지는데, 사용되는 기어, 축수의 재질, 크기 등의 조건에 따라 가해지는 부하 회전력의 크기가 어느 감속비 이상이 되면 한계에 도달하게 된다. 이 회전력을 최대 허용 회전력이라 한다.

감속기 수명과 서비스 팩터

• 정격수명 : 기어 헤드는 허용 회전력 이내에서 사용한다면 정격수명이 메탈 타입은 2000Hr이고, 볼베어링 타입은 5000Hr까지 사용이 가능하다. 정격수명이라는 것은 다음과 같은 조건으로 운전하였을 경우 기어 헤드 출력축에 모터 회전력이 전달이 불가능하게 되어 기어 헤드가 정지하기 전까지의 시간을 말한다.

EX)
1. 회전력 : 허용 회전력 이내
2. 부하 : 부하변동이 없이 일정한 방향으로 운전하는 부하
3. 운전시간 : 1일에 8Hr 운전
4. 베어링 온도 : 메탈 타입 (50℃) / 볼베어링 타입 (80℃)
이러한 경우의 서비스 팩터를 $sf=1$ 이라 한다.

이때, 볼베어링 타입의 기어 헤드를 하루에 24시간 운전한다면 서비스 팩터를 고려하여 최대허용 회전력이 큰 모터와 기어 헤드를 선정하여 사용한다.

• 서비스 팩터(service factor) : 기어 헤드의 수명은 보통 축을 지지해주는 방법에 의해 결정되지만, 일반적으로는 부하가 변하는 경우가 많으므로 부하의 종류에 따라 서비스 팩터의 계수를 사용한다. 안전계수(sf)는 일일가동시간, 가동 및 정지빈도수, 하중의 종류, 주위온도 및 기타의 사항 등 모든 운전조건을 검토하여 결정되어야 한다. 인원에 대한 안전, 생산라인에서의 기어감속기의 역할, 유지보수의 조건들도 중요하다. 강도계산(동력전달능력)은 균일하중 상태로 1일 80시간을 연속 운전했을 때를 기준으로 가장 이상적인 데이터에 의해 설계한다. 작업자에 대한 안전 및 고장없는 지속적인 운전을 위하여 안전율을 조건표상에서 결정된 것보다 큰 것으로 결정하는 것이 좋다.

서비스 팩터의 계수

부하의 종류	서비스 팩터
	3시간 이하/일	3~10시간/일	10시간 이상/일
일반 부하	0.8	1.0	1.5
가벼운 부하	1.2	1.5	2.0
중간 정도의 부하	1.5	2.0	2.5

축단 하중 및 쓰러스트

축단 하중 및 쓰러스트

• 축단 하중(over hang load) : 감속기 연결시 직결방식이 아닌 스프라켓, 기어, 폴리 등으로 연결하여 사용할 때 한쪽으로 작용되는 무리한 힘이나 충격에 의한 하중치를 의미하며 이로 인한 충격이 감속기내부에 전달되어 기어 치면과 베어링에 손상과 더불어 축의 굽힘 현상을 발생 시킬 수 있다. 축단하중을 결정할 경우에는 반드시 출력축의 연결 기구에 대하여 검토하여 O.H.L 연결계수 "K"의 갑싱 적용되어야 한다. 감속기의 수명에 커다란 영향을 주므로, 감속기의 선정, 설치전에 충분히 검토하여야 한다. 입력 혹은 출력축 각각 전동기에 영향을 주는 축단하중은 다음과 같이 계산한다.

축단 하중 $W={\frac {K\times T\times f}{r}}$
$W$ : 축단 하중  $(Kg)$
$K$ : 구동 방법에 의한 하중 계수
$T$ : 기어 헤드 출력축에 있어서 전달 동력 $(Kg-cm)$
$f$ : 서비스 팩터
$r$ : 치차, 도르래(pulley) 등의 유효 반경 $(cm)$

구동 방법에 의한 하중 계수

구동방법	단열체인	복열체인	기어	V벨트	평벨트
K	1	1.25	1.25	1.5	2.25

산출한 축단 하중치가 허용치를 초과하면, 축수의 단기 파손, 출력축의 휨, 반복 하중에 의한 피로 파손을 가져오므로 주의하여야 하며 이와 같은 경우에는 축단 하중에 견딜 수 있는 구조로 설치해야 한다. 또한 출력축에 직접 부하를 취부하는 경우에는 편단 하중 때문에 GEAR HEAD에 가깝게 부하를 취부하는 것이 좋다. 전달 기구에 헬리컬 기어, 웜 기어 등을 사용하는 경우에는 축단 하중과 동시에 쓰러스트 하중이 작용하므로 쓰러스트 하중도의 허용치를 초과하지 않도록 사용하여야 한다.

• 쓰러스트 하중(thrust load) : 기어 헤드 출력축에 축 방향으로 걸리는 하중으로 기어 헤드 출력축에 걸릴 수 있는 쓰러스트 하중의 최대치를 허용 쓰러스트 하중이라고 하고 기어 헤드의 종류에 따라 다르다.

축단 하중 및 쓰러스트 하중

크기	기어비 (gear ratio)	최대허용 회전력 (maximum permissible torque)	허용 축단 하중 (kg)	허용 쓰러스트 하중 (kg)
60mm	3 ~ 8	1 ~ 6	5	3
	25 ~ 180	9 ~ 30
80mm	3 ~ 18	20 ~ 180	20	5
	20 ~ 180	30 ~ 80
90mm	3 ~ 18	4 ~ 40	30	10
	20 ~ 180	40 ~ 100
강력형	3 ~ 10	8~40	60	15
	12.5 ~ 20	40 ~ 80
	25 ~ 60	50 ~ 200
	75 ~ 180
초강력형	3 ~ 200	18 ~ 300

동향

현재 감속기 업계에서의 뜨거운 감자는 ‘소음’과 ‘진동’이다. 시간이 지남에 따라 감속기를 탑재하고 있는 제품 및 시설이 점차 증가하고 있다. 작아지는 모터와 점차 커져가는 생산규모라는 추세가 감속기의 확산을 가속화하고 있다. 감속기를 필요로 하는 시장 역시 커지고 있어, 감속기 분야는 당분간 호황을 누릴 수 있을 것으로 전문가들은 예측하고 있다. 소음과 진동은 정밀도로 직접 이어지는 사항이다. 시장이 높은 정밀도를 요구하는 만큼, 소음과 진동을 잡아내는 것이 중요한 화두로 떠오르는 것은 당연한 일이다. 소음과 진동을 줄이는 것은 제조업체의 기술력이다. 가공오차를 줄이고 조립 정밀도를 높임으로써 이를 달성할 수 있는 것이기 때문이다. 따라서 설계와 실제 제조 사이의 오차를 얼마나 줄일 수 있는지의 여부가 관건이라고 할 수 있다. 설계와 제조 사이의 오차를 줄일 수 있는 열쇠는 좋은 장비와 좋은 기술, 즉 조립 노하우이다. 좋은 장비와 좋은 기술을 통해 좋은 제품을 생산할 수 있다. 최근 감속기 제조업체에서는 최신 CNC(컴퓨터 수치제어Computerized Numerical Control)장비를 도입하는 추세다. 따라서 CNC 장비의 성능이 감속기의 성능을 좌우한다고 보아도 크게 틀리지 않다.

참고자료

• 〈감속기란 무엇인가요〉, 《M&C》
• 〈02. 감속기〉, 《엑셈》
• 월간 기계기술기자, 〈현장설계자와 기술자를 위한 기어감속기의 이해와 적용(1)〉, 《MFG》, 2002-05-01
• 월간 기계기술기자, 〈현장설계자와 기술자를 위한 기어감속기의 이해와 적용(2)〉, 《MFG》, 2002-06-01
• 모터114, 〈(감속기)감속기의 기초와 종류〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-10
• 〈(감속기선정방법) 감속기 사이즈 선정방법〉, 《㈜영진웜》, 2016-02-11
• 윤진근 기자, 〈감속기 생태 보고서〉, 《MSD》, 2018-10-12
• Shinpan Gensokuki No Hon, 〈기어 감속기의 유형 및 메커니즘〉, 《JMA Consultants Inc》, 2008
• 고컴고캣, 〈감속기란?/변속기의 원리 및 특징/감속기 사용목적 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-03-18
• 취업한 취준생 취업한 취준생, 〈(기계) 감속기란? 감속기의 원리와 종류 (Feat. 서보 모터)〉, 《티스토리》, 2020-06-02

같이 보기

• 감속
• 기어
• 변속기

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