기어란?- 정의, 부품, 유형 및 이점

기어란?

기어는 톱니가 절단된 회전하는 원형 기계 부품이거나 톱니바퀴 또는 톱니바퀴의 경우 삽입된 톱니(톱니라고 함)가 있는 회전하는 원형 기계 부품으로, 이 톱니는 다른 톱니 부품과 맞물려 토크를 전달합니다. 기어는 비공식적으로 톱니바퀴라고도 합니다. 기어의 장점은 기어의 톱니가 미끄러짐을 방지한다는 것입니다.

기어는 균일한 간격의 톱니가 원통형 또는 원추형 표면 주위에 절단되는 일종의 기계 요소입니다. 이러한 요소 쌍을 연동하여 구동축에서 종동축으로 회전과 힘을 전달하는 데 사용됩니다.

기어는 모양에 따라 인벌류트, 사이클로이드 및 트로코이드 기어로 분류할 수 있습니다. 또한 축 위치에 따라 평행 축 기어, 교차 축 기어, 비평행 및 비교차 축 기어로 분류할 수 있습니다. 기어의 역사는 오래되었고 기어의 사용은 기원전 고대 그리스부터 나타납니다.

 

기어를 사용하는 이유

기어는 한 축에서 다른 축으로 회전을 전달하는 데 사용되는 매우 유용한 전달 메커니즘입니다. 앞서 언급했듯이 기어로 샤프트의 출력 속도를 변경할 수 있습니다. 분당 100회전으로 회전하는 모터가 있고 분당 50회전으로 회전하기를 원한다고 가정해 보겠습니다.

기어 시스템을 사용하여 속도를 낮추고(또한 토크를 높임) 출력 샤프트가 엔진 속도의 절반으로 회전하도록 할 수 있습니다. 기어의 톱니가 샤프트의 움직임을 더 미세하고 신중하게 제어할 수 있기 때문에 기어는 일반적으로 고부하 상황에서 사용됩니다. 이것은 기어가 대부분의 풀리 시스템에 비해 갖는 장점입니다.

 

 

기어 부품

아래에 나열된 것처럼 기어를 처음 사용할 때 알아야 할 몇 가지 다른 용어가 있습니다. 기어가 맞물리려면 직경 피치와 압력 각도가 같아야 합니다.

중심선
샤프트가 통과하는 기어의 회전축
톱니: 톱니바퀴의 둘레에서 바깥쪽으로 돌출된 톱니 모양의 면으로 다른 기어에 회전을 전달하는 데 사용됩니다. 기어의 톱니 수는 정수여야 합니다. 기어는 톱니가 맞물리고 동일한 프로파일을 가질 때만 회전을 전달합니다.

피치 서클
기어의 "크기"를 정의하는 원. 맞물리는 두 기어의 피치 원은 맞물릴 수 있도록 접선이어야 합니다. 두 개의 기어가 마찰에 의해 구동되는 두 개의 디스크인 경우 해당 디스크의 둘레는 피치 원이 됩니다.

피치 직경
피치 직경은 기어의 작동 직경, 일명 피치 원의 직경을 나타냅니다. 피치 지름을 사용하여 두 기어가 얼마나 떨어져 있어야 하는지 계산할 수 있습니다. 두 피치 지름의 합을 2로 나눈 값은 두 축 사이의 거리에 해당합니다.

직경 피치
피치 지름에 대한 톱니 수의 비율입니다. 두 기어가 맞물리려면 지름 피치가 같아야 합니다.

원형 피치
피치 원을 따라 측정한 한 톱니의 한 점에서 인접한 톱니의 같은 점까지의 거리입니다. (길이가 선이 아닌 호의 길이가 되도록).

기준 치수
기어 모듈은 단순히 원형 피치를 파이로 나눈 것입니다. 이 값은 유리수이기 때문에 원형 피치보다 훨씬 다루기 쉽습니다.

압력 각도
기어의 압력각은 피치원의 반지름을 정의하는 선과 피치원이 톱니와 교차하는 점과 그 점에서 톱니에 접하는 선 사이의 각도입니다.
표준 인쇄 각도는 14.5도, 20도 및 25도입니다. 압력 각도는 기어가 접촉하는 방식과 톱니와 함께 힘이 분산되는 방식에 영향을 줍니다. 맞물리려면 두 기어의 접촉각이 같아야 합니다.

 

다양한 유형의 기어

기계 설계에서 필요한 힘 전달을 달성하려면 기어 유형 간의 차이점을 정확하게 이해해야 합니다.
일반형을 선택하더라도 치수(모듈, 잇수, 나선각, 면폭 등), 정밀등급의 기준, 치아연삭의 필요성, 열처리 등의 요소를 고려하는 것이 중요합니다. 허용 토크, 효율 등

 

 

1. 스퍼 기어
평 기어는 정밀 원통형 기어의 가장 인기 있는 유형 중 하나입니다. 이 기어는 샤프트에 맞는 중앙 보어가 있는 실린더 본체의 둘레 주위에 위치한 직선형 평행 톱니의 단순한 디자인이 특징입니다.
많은 변형에서 기어는 기어 면을 변경하지 않고 보어 주위의 기어 본체를 두껍게 하는 허브와 함께 가공됩니다. 스플라인 또는 키 샤프트에 스퍼 기어를 맞출 수 있도록 중앙 보어를 브로치할 수도 있습니다.
평 기어는 기계 응용 분야에서 장치의 속도를 높이거나 낮추거나 일련의 결합된 기어를 통해 한 샤프트에서 다른 샤프트로 모션과 동력을 전달하여 토크를 배가하는 데 사용됩니다.
평 기어는 기계적 설정에서 한 축에서 다른 축으로 운동과 동력을 전달하는 데 사용됩니다. 이 전환은 기계의 작동 속도를 변경하고 토크를 배가하며 위치 지정 시스템의 미세 조정 제어를 허용할 수 있습니다. 설계 덕분에 저속 작업이나 노이즈 내성이 더 높은 작업 환경에 적합합니다.

2. 헬리컬 기어
헬리컬 기어는 경사 톱니가 있는 원통형 기어의 한 유형입니다. 평기어에 비해 접촉비가 크고 정숙성과 진동이 적으며 큰 힘을 전달할 수 있습니다. 한 쌍의 헬리컬 기어는 나선 각도가 같지만 나선 손이 반대입니다.
헬리컬 기어와 평 기어는 가장 일반적인 두 가지 기어 유형이며 많은 동일한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 평 기어는 간단하고 제조 비용이 저렴하지만 헬리컬 기어는 평 기어에 비해 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다.
헬리컬 기어의 톱니는 비스듬히(기어 축에 대해) 설정되고 나선 모양을 취합니다. 이를 통해 치아가 점차적으로 맞물리면서 점 접촉에서 시작하여 맞물림이 진행됨에 따라 선 접촉으로 발전합니다.
평기어에 비해 헬리컬 기어의 가장 눈에 띄는 이점 중 하나는 특히 중~고속에서 소음이 적다는 것입니다. 또한 헬리컬 기어를 사용하면 여러 톱니가 항상 맞물리므로 각 톱니에 가해지는 하중이 줄어듭니다. 그 결과 한 톱니에서 다른 톱니로 힘이 더 부드럽게 전환되어 진동, 충격 하중 및 마모가 감소합니다.

3. 기어 랙
평평한 표면이나 직선 막대를 따라 동일한 거리로 절단된 동일한 크기와 모양의 톱니를 기어 랙이라고 합니다. 기어 랙은 피치 실린더의 반경이 무한대인 원통형 기어입니다. 원통형 기어 피니언과 맞물림으로써 회전 운동을 직선 운동으로 변환합니다.
기어 랙은 직선 톱니 랙과 나선형 톱니 랙으로 크게 나눌 수 있지만 둘 다 직선 톱니 모양입니다. 기어 랙의 끝단을 가공하여 기어 랙을 끝에서 끝으로 연결할 수 있습니다.

4. 베벨 기어
베벨 기어는 수직 또는 비스듬히 교차하는 샤프트 사이에 기계적 에너지 또는 샤프트 동력을 전달하는 데 사용되는 톱니가 있는 회전 기계 요소입니다. 그 결과 샤프트 동력의 회전축이 변경됩니다. 이 기능 외에도 베벨 기어는 각속도에 반대 효과를 생성하면서 토크를 높이거나 낮출 수 있습니다.
베벨 기어는 잘린 원뿔로 상상할 수 있습니다. 측면에서 톱니가 밀링되어 자체 톱니 세트로 다른 기어와 연동됩니다. 축의 동력을 전달하는 기어를 구동기어라고 하고 동력이 전달되는 기어를 종동기어라고 합니다.
드라이버와 피동 기어의 톱니 수는 일반적으로 기계적 이점을 생성하기 위해 다릅니다. 구동 기어에 대한 구동 기어의 톱니 수 사이의 비율을 기어비라고 하는 반면 기계적 이점은 입력 토크에 대한 출력 토크의 비율입니다.

 

5. 스파이럴 베벨 기어
나선형 베벨 기어는 곡선 톱니가 있는 베벨 기어입니다. 톱니 접촉 비율이 높기 때문에 스트레이트 베벨 기어보다 효율성, 강도, 진동 및 소음이 우수합니다. 반면에 생산하기가 더 어렵습니다.
또한 톱니가 구부러져 있기 때문에 축 방향으로 추력이 발생합니다. 나선형 베벨 기어 내에서 비틀림 각도가 0인 것을 제로 베벨 기어라고 합니다.

6. 나사 기어
나사 기어는 평행하지 않고 교차하지 않는 샤프트에서 비틀림 각도가 45°인 동일한 핸드 헬리컬 기어 쌍입니다. 톱니 접촉이 포인트이기 때문에 하중 전달 능력이 낮고 큰 동력 전달에는 적합하지 않습니다.
톱니면의 미끄럼에 의해 동력이 전달되기 때문에 나사기어를 사용할 때는 윤활에 주의할 필요가 있습니다. 여러 개의 치아를 조합하는 것에는 제한이 없습니다.

7. 이중 헬리컬 기어
이중 헬리컬 기어는 두 개의 헬리컬 면이 간격을 두고 나란히 배치된 헬리컬 기어의 변형입니다. 각 면은 동일하지만 반대인 나선 각도를 가지고 있습니다.
이중 나선 기어 세트를 사용하면 추력 부하가 제거되고 톱니가 더 많이 겹치고 작동이 더 부드러워집니다. 헬리컬 기어로서 이중 헬리컬 기어는 일반적으로 밀폐형 기어 드라이브에 사용됩니다.

8. 헤링본 기어
헤링본 기어는 이중 나선 기어와 매우 유사하지만 두 나선면을 분리하는 간격이 없습니다. 헤링본 기어는 일반적으로 유사한 이중 나선보다 작으며 높은 충격 및 진동 응용 분야에 이상적으로 적합합니다. 헤링본 기어링은 제조상의 어려움과 높은 비용으로 인해 자주 사용되지 않습니다.

9. 하이포이드 기어
하이포이드 기어는 나선형 베벨 기어와 매우 유사하지만 나선형 베벨 기어와 달리 교차하지 않는 샤프트에서 작동합니다. 하이포이드 배열에서는 피니언이 기어와 다른 평면에 설정되기 때문에 샤프트가 샤프트의 양쪽 끝에 있는 베어링에 의해 지지됩니다.

10. 마이터 기어
마이터 기어는 속도비가 1인 베벨 기어입니다. 속도를 바꾸지 않고 동력 전달 방향을 바꾸는 데 사용합니다. 직선 마이터와 스파이럴 마이터 기어가 있습니다. 스파이럴 마이터 기어를 사용할 때 스러스트 베어링은 축 방향으로 스러스트력을 생성하기 때문에 사용을 고려해야 합니다.
샤프트 각도가 90°인 일반적인 마이터 기어 외에 다른 샤프트 각도를 가진 마이터 기어를 앵귤러 마이터 기어라고 합니다.

 

11. 웜기어
샤프트에 절단 된 나사 모양이 웜이고 짝을 이루는 기어가 웜 휠이며 교차하지 않는 샤프트에서 함께 웜 기어라고합니다. 웜 및 웜 휠은 원통형에 국한되지 않습니다. 접촉률을 높일 수 있는 모래시계형도 있지만 생산이 어려워진다.
기어 표면의 슬라이딩 접촉으로 인해 마찰을 줄여야 합니다. 이러한 이유로 일반적으로 웜에는 경질 재료를 사용하고 웜 휠에는 연질 재료를 사용합니다. 미끄럼 접촉으로 인해 효율은 낮지만 회전이 부드럽고 조용합니다. 웜의 리드각이 작으면 자동 잠금 기능이 생성됩니다.

12. 내부 기어
내부 기어는 실린더 또는 원뿔의 내부에 톱니가 있으며 외부 기어와 쌍을 이룹니다. 내부 기어의 주요 용도는 유성 기어 드라이브 및 기어형 샤프트 커플링입니다. 인벌류트 간섭, 트로코이드 간섭, 트리밍 문제로 인해 내·외기어의 잇수 차이에 한계가 있습니다.
메쉬에서 내부 및 외부 기어의 회전 방향은 동일하지만 두 개의 외부 기어가 메쉬에 있는 경우 반대입니다.

 

기어의 장점

▷ 기어 드라이브는 동일한 입력 전력에 대해 광범위한 속도와 토크를 제공하며 체인 시스템보다 타이밍이 정확하고 마찰 손실과 소음이 적습니다.
▷ 기어는 포지티브 드라이브입니다. 따라서 최소한의 공간으로 큰 속도 비율을 얻을 수 있습니다.
▷ 기어는 기계적으로 강하므로 더 높은 하중을 들어 올릴 수 있습니다.
▷ 기어는 큰 H.F.의 전송에 사용됩니다.
▷ 샤프트의 작은 중심 거리에 걸쳐 모션을 전달하는 데 사용됩니다.
▷ 속도의 큰 감소와 토크 전달에 사용됩니다.
▷ 기어는 윤활만 필요합니다. 따라서 유지 보수가 덜 필요합니다.
▷ 기어 시스템을 사용하여 평행하지 않은 교차 샤프트 사이에서 모션을 전달할 수 있습니다.
▷ 포지티브 드라이브에 사용되므로 속도 비율은 일정하게 유지됩니다.
▷ 수명이 길기 때문에 기어 시스템이 매우 컴팩트합니다.

 

기어의 단점

▷ 큰 속도에는 적합하지 않습니다.
▷ 먼 거리에서 움직임을 전송하는 데 적합하지 않습니다.
▷ 톱니바퀴의 맞물림으로 인해 과도한 하중이 가해지면 기계의 일부가 영구적으로 손상될 수 있습니다.
▷ 유연성이 없습니다.
▷ 기어 작동이 시끄럽습니다.