기어

기어(gear)란 톱니의 맞물리는 힘을 이용하여 동력을 전달하는 장치로, 우리말로는 톱니바퀴라고 한다. 여러 기계의 부품 역할을 한다.

개요

기어는 간단한 단순 기계로서, 2축의 회전 방향이 서로 반대라면, 벨트전동에서는 십자걸기로 하면 좋지만, 벨트를 사용하지 않고 벨트와 동일한 원형바퀴를 직접 접촉시켜서 구름 마찰을 통해 동력을 전달할 수 있다. 하지만, 이러한 방법은 미끄럼이 자주 일어나 확실한 전동을 얻기 어려우며, 큰 동력을 전하는데에 미는 힘을 크게 줘야하기 때문에, 축받이에 무리가 간다. 이러한 문제를 피하기 위하여 원형바퀴의 둘레에 적당한 모양의 이를 만들어 두 톱니바퀴가 돌아갈 때, 서로 맞물리면서 동력이 전해지도록 하였다.

역사

기어는 언제, 어디에서 발명되었는지는 확실치 않다. 하지만 역사 기록에 따르면, 기원전 약 2000년경 부터 채색 및 무늬를 넣기 위해 만들기 시작했다고 되어있다. 그리스 철학자인 아리스토텔레스가 쓴 '기계 문제' 라는 책에 수레바퀴나 활차 등 회전운동을 전달하기 위해 기어를 사용했다는 기록이 있다. 그 시대에 기어가 이미 실용화 되어 있었기에 실제로 기어는 훨씬 이전에 발명되었을 것으로 추정된다. 중세시대에는 시계를 만들기 위해 기어가 발전하였고, 레오나르도 다빈치가 여러가지 기어를 개발하여 기어 역사에 큰 발자취를 남겼다. 그가 개발한 대표적인 기어로는 나사기어, 베벨기어, 웜기어 등이 있다. 17세기 후반부터 기어의 이 모양에 대한 이론적인 연구가 시작되었고, 18세기 후반에는 내연기관이 발명됨에 따라 산업혁명이 시작되었고, 이로인해 기어는 중요한 기계 요소가 되었다. 1900년에 허먼 파우터가 창성 방식에 의한 기어 호브머신이 개발되었고, 차동기어를 이용하여 기어의 치절을 매우 쉽게 만들었다. 그 이후에 1,2차 세계대전을 지나며 발전을 거듭하였으며, 현재는 기술의 발전에 따라 매우 정밀한 기어의 생산이 시작되었다.

종류

종류	평행축 방식	헬리컬 기어
		스퍼 기어
		랙 기어
	동심축 방식	유성 기어	단순 유성	$a$감속기
			차동 유성	GM 모터
			편심 유성	RV 감속기
			탄성 유성	하모닉 드라이브
	직행축 방식	베벨 기어
		크라운 기어
	불일치축 방식	웜 기어
		하이포트 기어
		나사 기어

평행축 방식

먼저, 평행축 방식이란, 서로 맞물리는 기어의 중심 축이 나란히 평행 하는 상태로 작동하는 방식을 뜻한다. 기어의 이가 원통 안쪽에 있다면 내기어라 부르고, 외부에 있으면 외기어라 부른다. 평행축 기어에는 스퍼 기어와 헬리컬 기어, 더블 헬리컬 기어와 랙이 해당한다.

• 스퍼기어(spur gear)

스퍼 기어는 평 기어라고도 부르며, 이 끝이 직선이고 축과 평행한 원통 기어를 말한다. 구조가 간단하고 제작 및 조립이 편리하며 가격도 저렴하다. 스퍼 기어는 평행 샤프트(shafts)에 장착될 때만 정확하게 맞물린다. 적당한 속도에서는 훌륭한 성능을 보이지만 고속에서는 시끄러운 경향이 있다.

스퍼 기어의 이는 인벌 류트 기어 프로파일(involute profile)이나 사이클로이드 프로파일(cycloidal profile)에 의해 만들어지는데, 대부분의 기어는 20°의 압력 각도를 가진 인벌 류트 프로파일로 제조된다. 한순간에 두 개의 기어가 맞물리면, 인벌 류트 프로파일 부분과 비 인벌 류트 프로파일 부분이 결합되는 순간이 생긴다. 이러한 현상을 "간섭(interference)"이라고 하는데, 두 개의 맞물리는 기어 중 작은 톱니 수가 필요 최소치보다 적을 때 발생한다. 이 현상을 피하기 위해 언더컷팅(undercutting)을 할 수 있지만, 언더컷팅은 이의 약화로 이어지기 때문에 좋은 해결책이라 보기 어렵다. 그래서 커렉티드 기어(Corrected gears)가 사용되는데, 커렉티드 기어에서 커터 랙(Cutter rack)은 위나 아래로 이동한다.

스퍼기어 명칭 및 계산 공식

P.C.D : 기어와 기어가 맞물릴 때, 가장 힘을 많이 받는 부분으로, 기어에서 가장 기준이 되는 직경 값이다.(M*Z)
M(모듈) : P.C.D에서 기어 잇수(Z)를 나눈 수치이다. 기어 치형의 크기를 정하는 수치이다.(P.C.D/Z)
Z(잇수) : 기어의 이 개수를 뜻하며, P.C.D를 M으로 나눈 개수이다.(P.C.D/M)
이끝 원지름 : P.C.D+(M*2)
이뿌리 원지름 : 이끝 원지름 - (전체 이 높이*2)
전체 이 높이 : M*2.25

• 헬리컬 기어(helical gear)

헬리컬 기어는 이 끝이 나선형으로 되어있는 원통 기어를 뜻한다. 톱니바퀴 자체가 두껍고 톱니가 나선으로 되어있어 순차적으로 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.

• 더블 헬리컬 기어

더블 헬리컬 기어는 이 끝이 양쪽으로 나선형 구조를 이루는 기어를 조립한 기어를 말한다. 일반 헬리컬 기어에서 발생하는 추력을 없애기 위해서 비틀림 방향이 다른 두 개의 헬리컬 기어를 합쳐서 만든 것이다. 이 덕분에 기어의 각 절반이 반대 방향으로 추력을 가하여 순 축추력(net axial thrust)을 상쇄한다.

• 랙 기어(Rack gear)

랙 기어는 선형 기어(랙)와 원형 기어(피니언, pinion)가 결합된 형태로, 회전 운동을 선형 운동으로 변환하기 위해서 작동한다. 피니언을 회전시키면 랙이 선형적으로 움직이고, 랙을 선형적으로 움직이면 피니언이 선형적으로 회전하게 된다. 랙 기어가 가진 장점으로는 가격이 저렴하고 크기가 작으며, 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 가장 쉬운 방법이라는 것과 차량을 보다 쉽고 간편하게 제어할 수 있다는 것이다. 이 기어가 가진 단점으로는 부품이 적게 사용되나, 이는 개별 부품에 더 큰 부담을 주어 마모가 더 잘 발생함으로 랙 어셈블리(assmbly)를 자주 교체해야 한다. 또한, 4륜 구동 차량에 장착할 경우에는 문제를 일으킬 수 있다. 그 이유는 포장도로가 아닌 곳에서는 회전에 필요한 힘이 크기 때문에 마모가 빨리 발생하기 때문이다.

유성 기어 방식

유성 기어 방식은 대형 브러시리스 모터에 많이 사용되는 방식으로, 보통 바깥쪽에 내접 기어인 링 기어가 있고, 내접 기어와 맞물리는 유성 기어들이 배치되며, 안쪽에 유성 기어와 맞물리는 선 기어로 구성된다. 유성 기어 방식이 가진 장점으로는, 효율이 높고 모터와 프로펠러의 회전 방향이 같으며 밀폐형이기에 외부의 이물질 오염으로부터 보호된다는 점이다. 하지만 비싸고, 수리가 어려우며, 구조적으로 복잡하다는 단점을 가지고 있다.

• RV 감속기

RV 감속기는 플랜오센트릭(Planocentric)방식의 감속 기구를 사용한 고 정밀 제어용 감속기이다. RV 감속기는 동시 맞물림 수가 많기 때문에, 소형 경량이면서 강성이 높다, 또한 과부하에도 강한 것이 장점이다. 가속 성능이 좋으며 부드러운 대형 로봇의 회전부에 많이 사용되고 있다.

• 하모닉 감속기(harmonic reducer)

하모닉 감속기는 강성체의 휨을 이용해서 유성치자 물림을 원리로 하는 감속기이다. 기본적인 감속비가 크며, 백래시(backlash)가 거의 없기 때문에 고 강성, 고 출력 등 기계장치의 소형화에 유리하게 사용되고 있다. 특히 초 정밀 기구, 다관절 로봇 등 구동부 등에 사용된다. 하모닉 드라이브는 1959년 미국의 발명가 Musser에 의해 발명되었다. 소형 경량화 및 초정밀 고 감속비를 실현할 수 있어 여러 분야에서 그 활용도가 빠른 속도로 퍼지고 있다. 하모닉 드라이브는 웨이브 제너레이터(Wave generator), 플렉스플라인(flexpline)과 서큘러 스플라인(Circular spline)으로 이루어져 있다. 이것들은 기존 감속기와 다르게 동일 축 선상에 조립되는 구조이며, 동력 전달 과정에서의 역할은 다음과 같다.

1. 웨이브 제너레이터 : 타원 형상의 캡 외주에 박육(薄肉)의 볼베어링이 조립된 전체가 타원 형상을 한 부품으로, 베어링의 내륜은 캠에 고정되고 외륜은 볼을 매개로써 탄성변형 운동하여 입력된 원형의 동력을 타원의 웨이브 형태의 동력으로 바꾸어주는 부분이다.
2. 플렉스플라인 : 기어의 감속비를 결정하면서 출력축에 동력을 전달하는 역할을 하는 핵심 부분이다. 플렉스플라인은 타원의 웨이브 제너레이터와 조립되어 타원 형태로 탄성 변형되고, 감속 동력을 전달하기 때문에 이 부품의 설계, 가공 및 열처리, 소재는 감속기의 성능과 신뢰도에 있어서 매우 중요하다.
3. 서큘러스플라인 : 강체의 링 형상을 한 부품으로, 내주(內周)에 플렉스플라인과 같은 모듈의 치가 플렉스플라인보다 2배 또는 4배 정도 많게 만들어진다. 플렉스플라인과의 상호접촉에 의해 감속비를 주게 되며, 이때 타원의 플렉스플라인이 가진 형상으로 인하여 일부분 치끼리의 상호접촉에 의해 적정한 감속비를 주게 된다.

위 표에는 나와있지 않지만, 내접유성식 감속기가 있다. 이 감속기는 비교적 구조가 간단하고, 고감속을 얻을 수 있으며, 백래시가 적다는 장점이 있다. 이중에서 내접유성식 감속기는 특별한 기구에 의하여 운동을 하게 되어 특수한 치형의 기어가 사용된다. 이 감속기의 대표적인 감속기로는 사이클로이드 감속기가 있다.

사이클로이드 감속기(cycloidal reducer)

사이클로이드 감속기의 기본적인 특성을 이해하기 위해서는 사이클로이드 곡선에 대해 알아야 한다. 사이클로이드한 원이 다른 원 위를 미끄럼 없이 구를 때 구르는 원 상의 내부와 외부 또는 원주상에 위치한 고정된 점의 이동 궤적이다. 고정 점의 위치에 따라서 곡선은 세 가지로 구분된다. 구름 원 위의 외부에 있을 경우와 내부에 있을 경우, 그리고 구름 점 위에 있을 경우이다. 또한, 원이 상대 원의 외부 원주 위를 구르는지에 따르는지에 따라서, 외부 원주 위를 구르는지에 따라서 다시 구분되는데, 외부 원주 위를 구르면서 생성되는 궤적을 에피사이클로이드(epicycloid) 곡선, 내부 원주 위를 구르며 생성되는 궤적을 하이포사이클로이드(hypocycloid) 곡선이라 부른다. 사이클로이드 감속기는 접촉기구 장치로, 접촉하고 있는 링크들이 사이클로이드 운동을 수행하는 조건을 만족하는 형상을 유지해야 한다. 그리고 감속 장치로서의 특징을 유지하기 위해 각각의 회전 링크가 기구학적인 조건을 만족해야 한다. 작은 공간에서 높은 감속비를 가지는 고효율의 동력 전달 장치이고, 사이크로이드 감속기 구성은 외륜 롤러기어(housing roller gear), 출력 핀 기어(out pin gear), 사이클로이드 판기어(cycloid plate gear), 편심 베어링(eccentric bearing) 등으로 구성된다. 그중에서 사이클로이드 곡선으로 형상이 결정된 사이클로이드 판기어는 사이클로이드 감속기의 핵심부품에 해당된다. 사이클로이드 판 기어와 접촉 운동을 하는 외륜 롤러 기어는 감속기 하우징에 고정되어있고, 출력 핀 기어는 출력축과 연결되어있다. 그리고 편심 베어링은 감속기 중심에서 편심량 만큼 사이클로이드 판 기어를 편심 시켜 회전운동을 하게 하고, 입력축과 연결되어 있다. 일반적인 사이클로이드 감속기의 작동원리는 두 개의 사이클로이드 판 기어, 9개의 롤러가 원주 방향으로 설치된 외륜 롤러 기어로 구성되어있고, 판 기어 내부에는 6개의 출력 홀과 출력축에 연결되는 6개의 출력 핀 기어로 구성된다.

직행축 방식

직행축 방식에는 위 표에서 볼 수 있듯이 베벨 기어, 크라운 기어가 있다. 베벨 기어는 4가지 종류가 있다.

• 베벨기어

베벨기어란 2개의 축이 수직으로 만나는 기어를 말한다.

1. 스트레이트 베벨 기어 : 스트레이트 베벨 기어는 두 축이 서로 맞물릴 때, 이의 위쪽에서 시작하여 이 뿌리 방향으로 물림이 진행된다.
2. 스파이럴 베벨 기어로 : 이 끝이 나선형으로 이루어진 원추 모양의 기어를 뜻한다. 한 번에 접촉하는 물림 길이가 큰 덕분에 스트레이트 베벨 기어보다 비교적 부드럽게 작동한다. 고속으로 작동할 때 소음이 적다는 장점이 있다.
3. 제롤 베벨기어로 : 스파이럴 베벨기어의 가운데에 이 줄기의 비틀림 각도가 0인 기어를 말한다. 회전 방향이 변하더라도 추력의 방향이 바뀌지 않아 원활한 회전이 필요한 곳에 사용된다.
4. 앵귤러 베벨기어 : 앵귤러 베벨기어는 2개의 축이 직각이 아닌 상태로 작동하는 기어를 말한다.
5. 크라운기어 : 크라운 기어는 정확히 90도의 피치(pitch) 각도를 가진 베벨 기어는 축과 평행하게 바깥쪽을 가리키는 톱니를 가지고 있는 기어를 말한다.
6. 내부 베벨 기어 : 내부 베벨 기어는 피치 각도가 90도 이상으로, 안쪽을 가리키는 톱니가 있다.
7. 미트레 기어(Mitre gears) : 이 기어는 동일한 수의 톱니를 가진 베벨 기어의 특수한 경우, 샤프트는 서로 직각으로 위치하며 기어는 원뿔형 피치 표면과 각도가 동일하다.

• 장단점 : 베벨 기어 중 가장 가공이 쉬우며 간단하고 제작비가 저렴하다. 그리고, 이 기어를 사용하면 작동 각도를 변경할 수 있다. 또한, 각 휠의 톱니 수가 다르면 기계적 이점이 변경될 수 있는데, 구동 휠과 구동 휠 사이의 톱니 비율을 늘리거나 줄임으로써 둘 사이의 회전 비율을 바꿀 수 있고, 이는 속도가 증가하고 토크가 감소하거나 토크가 증가하고 속도가 감소하면서 두 번째 휠의 회전 구동력과 토크가 첫 번째 휠과 비교하여 바뀔 수 있다는 것을 의미한다. 하지만, 고속에서는 소음을 발생시키며 각 샤프트와의 정밀한 조립을 요구한다.

불일치축 방식

불일치축 방식이란 기어의 맞물리는 중심축이 교차하지 않고 평행하지도 않은 채 작동하는 기어를 말한다

• 나사 기어(screw gear)

나사 기어는 헬리컬 기어의 두 중심축이 평행하지도 않고 교차하지도 않는 상태로 운동을 전달하는 기어를 말한다. 중심축이 각도나 거리에 민감하지 않기 때문에 설치가 쉬우며, 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 두 개의 기어가 허용치 이상의 하중을 받게 되면 쉽게 마모된다는 단점이 있다.

• 하이포트 기어

하이포트 기어는 스파이럴 기어와 닮은 모양을 가지고 있으며, 축을 어긋나게 한 기어이다.

• 웜 기어(worm gear)

웜 기어는 맞물리는 기어의 작은 쪽이 일반 나사 모양과 흡사하게 생겼으며, 웜휠이라 부르는 웜기어의 기어는 작은 쪽의 기어와 같은 모양을 가진 절삭 공구로 가공해야 하고, 웜휠의 이는 약간 구부러진 곡선 형태, 이 끝이 이의 중간보다 두꺼워야 한다. 큰 감속비를 얻을 수 있으며, 낮은 제작 단가와 큰 중공축을 가졌다는 것과 속도를 줄이고 토크를 높일 수 있다는 장점이 있지만, 기어의 효율이 낮으며, 제한된 서보 시스템을 가지고 있다는 단점이 있다. 고 감속, 고 출력이 가능하여 연속적인 동력 전달에 주로 이용되며, 백래시가 크기 때문에 정밀 위치 제어용으로는 사용되지 않는다. 하지만, 최근에는 개량형으로 일정 수준의 위치를 결정하는 용도로 사용 가능한 제품도 공급되고 있다.

활용

자동차

자동차의 변속기에는 보통 평행축 기어인 스퍼기어와 헬리컬 기어가 사용된다. 그리고 차동장치에는 베벨 기어를 사용한다. 최근에는 자동 변속 장치를 사용하기 때무에 사용되는 기어의 수가 많아지고 소형화되고 있다. 버스나 전차, 트랙터와 같은 중장비용 차량에는 큰 스퍼 기어와 헬리컬 기어가 사용된다. 이러한 중장비용 차량에 들어가는 기어는 큰 무게를 오랜시간 받기 때문에, 중탄소강을 사용한다. 기어 가공에는 주로 호빙 머신과 세이빙 머신이 사용된다.

선박용 및 산업용

선박에는 중하중을 견디고 고속회전을 내주어야 하기 때문에, 기어가 무겁고 크기가 크며 높은 정밀도를 유지하는 것이 필요하다. 또한 장시간에 걸쳐 사용되며, 원동력 발생장치에 사용되는 경우가 많다. 그렇기에 고도의 안전성을 필요로 한다. 그래서 더블 헬리컬 기어를 주로 사용하며, 기어가 고속으로 회전하기 때문에 발열과 윤활을 주의해야 한다. 산업용 기어는 주로 제철 사업과 같은 분야에 사용되기 때문에, 모듈이 큰 경우가 많으며, 하중이 크기에 강도에 주의해야 한다.

항공기

항공기에 쓰이는 기어는 주로 1단과 2단 감속장치에 많이 사용된다. 이에 쓰이는 기어로는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 베벨 기어와 유성기어가 주로 사용되며, 이 기어들은 소형화와 경량화를 필요로 한다. 또한, 고속회전을 견뎌야하기 때문에 내구성과 신뢰성도 필요한다. 이를 위해서는 기어 정밀도를 확보하고 고급 재료를 사용하며, 열처리도 충분히 고려해야한다.

가정용 기기

가정용 기기에는 크기가 작은 기어가 사용되고, 제작비와 보수문제를 생각하여 침탄강이나 소결합금강과 같은 페놀수지 합성재 및 알루미늄 기어를 사용한다. 저속에서 사용되며 정밀도를 필요로 하지 않는 구조일 때, 제작비를 절감하기 위하여 다이캐스팅이나 압축 가공한 기어를 사용하기도 한다.

참고자료

• 톱니바퀴 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%86%B1%EB%8B%88%EB%B0%94%ED%80%B4
• Spur gear, wikipedia - https://en.wikipedia.org/wiki/Spur_gear
• Bevel gear wikipedia - https://en.wikipedia.org/wiki/Bevel_gear
• 〈감속기란 무엇인가?〉, 《automation》
• 〈스퍼기어 기본 명칭 및 작성 공식〉, 《서관덕의 시간이 머문 작은 공간》
• 〈Advantages and Disadvantages of Different Types of Gears〉, 《green mechaic》
• MIKE SOUTHERN, 〈The Disadvantages of Rack & Pinion Steering〉, 《itstillruns》
• 김도현, 〈사이클로이드 감속기용 사이클로이드 판기어의 작용력 해석에 관한 연구〉, 《창원대학교 대학원》, 2003-12
• 김주한,류세현,서정무,〈소형 로봇용 유성 감속기 개발에 관한 연구〉, 《전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터》, 2008
• 와우테크 , 〈기어의 구조〉, 《네이버 블로그》, 2014-04-04
• 박진석 , 〈원격무장 고저 시스템용 사이클로이드 감속기 설계에 관한 연구〉, 《경상대학교 대학원》, 2017-02
• 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

감속기 변속기

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