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감속기
감속기(reducer)는 모터의 회전수를 줄여 속도를 줄이는 장치로써, 줄을 감거나 풀 때 모터의 속도를 제어하기 위해 개발되었다. 변속기의 일종이며, 사전적 의미로는 기어(gear)를 이용하여 속도를 변환시키는 기구이다.
개요
산업 및 공업 분야에서 생산성의 향상과 고품질 확보가 최대 관심사가 되면서 여러 자동화 장치의 수요가 증가하고 있다. 이 자동화 장치들의 운동을 담당하는 운동 기구 부는 모터와 모터의 출력을 필요한 감속비만큼 전달하기 위한 감속장치로 되어있다. 여기서 감속장치는 기구 부의 정도와 진동 소음 등의 특성에 영향을 미치는 부품으로, 중추적인 역할을 담당한다.[1] 또한, 현대의 산업기계에 요구되는 다양한 기능들을 수행하기 위해서는 동력원으로부터 동력을 전달받아 우리가 필요로 하는 일로 변환하는 것이 주된 목적이다. 여기에서 동력 전달부를 보면, 보통의 회전력을 이용하여 일을 한다. 그런데 만약, 동력원의 높은 회전력을 그대로 사용해서 기계에 연결하여 사용한다면 필요로 하는 토크(torque)를 얻을 수 없게 된다. 그래서 높은 회전력을 가진 동력원을 감속기에 연결하여 적당한 감속을 시킴으로써, 필요한 만큼의 토크를 얻을 뿐만 아니라 효율성도 챙길 수 있게 된다.[2]
원리
감속기는 구동축(Drive Shaft)과 피동축의 원주 속도가 항상 같다는 것을 이용한다. 구동축과 피동축은 일반적으로 기어와 벨트, 체인에 걸려 돌아가게 된다. 예를 들면, 구동축이 10을 돌 때, 피동축도 10을 돌아야 정상적이지만, 구동축보다 피동축의 직경이 더 크다면 피동축이 10보다 적게 돌아야 원주 속도가 같게 된다. 이런 역할을 하는 것이 감속기이다. 만약, 10만큼 계속 도는 모터가 있을 때, 5만큼 도는 대신 2배의 힘을 만들어 한다면, 감속 비율이 0.5배인 감속기를 선택해서 사용하면 된다.
종류
[3]감속기 기어 타입(type) 평행축 방식 헬리컬 기어 스퍼 기어 랙 기어 동심축 방식 유성 감속기 단순 유성 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
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. 스퍼 기어는 평 기어라고도 부르며, 이 끝이 직선이고 축과 평행한 원통 기어를 말한다. 구조가 간단하고 제작 및 조립이 편리하며 가격도 저렴하다. 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. 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. 랙 기어는 원통 기어의 이의 수가 무한히 많아져 원통의 직경이 거의 무한대가 되어 직선으로 기어가 늘어선 형태를 랙이라 한다.[3]
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.[4][5] 표에 나와 있는 유성 기어 방식의 감속기 중 몇 가지만 살펴보자면, 먼저 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 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.[6] 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
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.[2] 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.[7] 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.[2]
직행축 방식에는 위 표에서 볼 수 있듯이 베벨 기어, 크라운 기어가 있다. 베벨 기어는 4가지 종류가 있는데, 먼저 베벨기어란 2개의 축이 수직으로 만나는 기어를 말한다. 베벨 기어의 첫 번째 종류인 스트레이트 베벨 기어는 두 축이 서로 맞물릴 때, 이의 위쪽에서 시작하여 이 뿌리 방향으로 물림이 진행된다. 베벨 기어 중 가장 가공이 쉬우며 간단하고 제작비가 저렴하다. 두 번째는 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. 세 번째는 제롤 베벨기어로, 스파이럴 베벨기어의 가운데에 이 줄기의 비틀림 각도가 0인 기어를 말한다. 회전 방향이 변하더라도 추력의 방향이 바뀌지 않아 원활한 회전이 필요한 곳에 사용된다. 마지막으로 앵귤러 베벨기어는 2개의 축이 직각이 아닌 상태로 작동하는 기어를 말한다. 직행축 방식의 또 다른 기어인 크라운 기어는 기어의 피치면이 평면을 이루는 기어를 말한다.
불일치축 방식이란 기어의 맞물리는 중심축이 교차하지 않고 평행하지도 않은 채 작동하는 기어를 말한다. 불일치축 방식에 쓰이는 기어를 설명하자면, 먼저 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. 두 번째 기어인 하이포트 기어는 스파이럴 기어와 닮은 모양을 가지고 있으며, 축을 어긋나게 한 기어이다. 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 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.[3][6]
각주
- ↑ 김홍기, 〈[http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=90d6d1b17abb64acffe0bdc3ef48d419&outLink=K 다물체 모델링을 통한 사이클로이드 감속기의 설계 인자별 성능 및 동특성 분석 ]〉, 《한양대학교 대학원》, 2013-02
- ↑ 2.0 2.1 2.2 김도현, 〈사이클로이드 감속기용 사이클로이드 판기어의 작용력 해석에 관한 연구〉, 《창원대학교 대학원》, 2019-09-10
- ↑ 3.0 3.1 3.2 고컴고캣, 〈감속기란?/변속기의 원리 및 특징/감속기 사용목적 알아보기〉, 《티스토리》, 2020-03-18
- ↑ , 〈감속기란 무엇인가?〉, 《automation》
- ↑ 김주한,류세현,서정무,〈소형 로봇용 유성 감속기 개발에 관한 연구〉, 《전자부품연구원 지능메카트로닉스 연구센터》, 2008
- ↑ 6.0 6.1 취업한 취준생 취업한 취준생 , 〈[기계 감속기란? 감속기의 원리와 종류(Feat. 서보 모터)]〉, 《티스토리》, 2020-06-02
- ↑ 박진석 , 〈원격무장 고저 시스템용 사이클로이드 감속기 설계에 관한 연구〉, 《경상대학교 대학원》, 2017-02
