기어

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

개요

기어란 두 축 사이에서 힘을 전달할 때 서로 미끄럼 없이 잘 돌아가도록 원통에 돌기를 붙인 장치이다. 자동차로 눈이 쌓인 오르막길을 지날 때 타이어만으로는 언덕을 오르지 못하고 미끄러지는 경우를 예로 들 수 있다. 타이어에 체인을 감고 운행하면 훨씬 쉽게 언덕을 오를 수 있는데 이것은 타이어에 감긴 체인이 눈길을 파고 들어가 마찰력을 증가시켜주기 때문이다. 즉, 체인의 튀어나온 부분과 체인에 눌린 눈이 서로 오목, 볼록 형상을 만들어 맞물려 돌아가는 기어와 같은 역할을 하는 것이다. 기계적으로 회전운동이나 동력을 전달하는 방법에는 기어와 체인, 벨트, 로프, 마찰자 등을 이용한 여러 가지가 있다. 그러나 확실하게 동력을 전달하는 방법으로는 기어가 가장 우수하다. 기어는 시계에 사용되는 것부터 큰 선박용 터어빈에 사용되는 것까지 그 사용 범위가 매우 넓지만 회전 비율을 마음대로 바꾸는 무단벼속에 사용할 수 없고 모터에 비해 소음과 진동이 심하다는 단점을 가지고 있다. 기어는 크게 평행축 기어와 교차축 기어, 엇갈림축 기어로 구분된다. 평행축 기어에는 평기어, 내기어, 헤리컬 기어, 더블 헬리컬 기어, 헤링본 기어, 랙기어 등이 있고, 교차축 기어에는 직선베벨 기어, 스파이럴 베벨 기어, 제롤 베벨 기어, 사교 베벨 기어, 페이스 기어, 베베로이드 기어가 있으며, 엇갈림축 기어에는 나사 기어, 원통웜 기어, 장구형 웜기어, 하이포이드 기어, 스파로이드 기어, 플라노이드 기어, 헬리콘 기어가 있다.

역사

기어는 언제, 어디에서 발명되었는지는 확실치 않으나, 기원전 약 2000년경부터 채색 및 무늬를 넣기 위해 만들기 시작했다고 되어있다. 그리스 철학자인 아리스토텔레스(Aristoteles)가 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. 이처럼 기어는 고대 시대부터 사용되었으며 그 역사가 매우 길다고 할 수 있다. 그리스의 유명한 학자인 아르키메데스(Archimedes)는 기어에 대한 상당한 지식을 가지고 있었으면서 웜 기어를 이용한 권상기를 만들었다. 중세시대에는 시계를 만들기 위해 기어가 발전하였고, 레오나르도 다빈치가 여러가지 기어를 개발하여 기어 역사에 큰 발자취를 남겼다. 그가 고안한 대표적인 기어로는 나사기어, 베벨기어, 웜기어 등 오늘날 사용되고 있는 여러 가지 형태이 기어가 포함되어 있다. 17세기 후반부터 기어의 이 모양에 대한 이론적인 연구가 시작되었고, 18세기 후반에는 내연기관이 발명됨에 따라 산업혁명이 시작되어 기어는 더욱 중요한 기계 요소가 되었다. 1900년에 허먼 파우터(Herman Pfauter)가 창성 방식을 기반으로 항여 기어 호브머신을 개발했으며, 이 호빙머신은 차동기어를 사용한 장치로 기어의 치절을 매우 쉽게 만들었다. 그 이후에 1,2차 세계대전을 지나며 발전을 거듭하였으며, 현재는 가공장비와 열처리 기술의 발전에 따라 매우 정밀한 기어의 생산이 시작되었다.

재질

주강

강(steel)으로 주조한 주물을 주강이라 하며, 주강은 모양과 크기가 복잡하여 단조 가공이 곤란한 경우와 대형 기어에 주로 사용된다. 주강은 주조한 상태로는 거칠고 재질이 균일하지 않음으로 주조 후 완전 풀림을 실시하여 조직을 미세화시키고 주조응력을 제거해야 한다. 이러한 단점이 있어, 요즘에는 특수한 경우를 제외하고는 거의 사용되지 않는다. 주강의 종류에는 탄소 주강, 합금 주강, 스테인리스 주강 등이 있다. 이 중에서, 기어에는 주로 탄소 주강이 사용된다.

기계구조용 탄소강

기계구조용 탄소강은 기계 부품용 재료로 가장 많이 사용된다. 하지만, 기계구조용 탄소강은 열처리 부분의 치수에 따라 그 기계적 성질이 크게 달라지는 것에 주의해야 한다. 기계구조용 탄소강은 볼트나 너트, 핀의 재료로 사용되며, 기어에는 고탄소강을 사용한다. 고탄소강은 열처리에 의해 기계적 성질을 개선할 수 있다는 특징 때문에 담금질과 뜨임 열처리를 사용하는 경우가 많다. 기계구조용 탄소강은 탄소의 함유량에 따라 극연강, 연강, 반연강, 반경강, 경강, 최경강, 탄소공구강, 표면 경화용강으로 나뉜다.

기계구조용 합금강

탄소강에 특정 원소를 1~2종 적당량 합금하면 본래의 성질이 뚜렷하게 향상 및 개선되는 이점을 얻을 수 있으며, 이외에도 여러 성능을 얻을 수 있다. 합금강은 탄소강에 비해 여러 장점을 갖는다. 기계적 성질, 내식 및 내마 열성의 증대, 고온에서의 기계적 성질 저하 방지, 담금질성의 향상, 단접과 용접성 향상 그리고 결정 입자 성장 방지 등의 장점을 갖는다. 합금강은 특성에 따라 기계구조용 합금강, 공구용 합금강, 내식, 내열용 합금강으로 분류한다. 그중에서 기어 재료로는 기계구조용 합금강이 사용된다. 기계구조용 합금강은 다시 강인강과 표면 경화용 강으로 분류할 수 있다. 강인강에는 재료에 따라 Cr강과 Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강, Cr-Mo강, Mn강, 보론강 등으로 구분된다. 표면 경화용 강은 침탄용 강, 질화용 강과 고주파 경화용 강으로 구분된다.

비철 금속

비철 금속의 재료는 주로 웜기어의 웜 휠에 사용된다. 대표적 종류로는 인청동, 알루미늄 청동, 황동, 고력 황동 등이 있다. 인청동은 청동을 용해하여 주조할 때, 탈산제로 사용하는 인의 첨가량을 많게 하여 합금 중에 소량의 인만 남게 하면, 합금의 경도와 강도가 증가하며 내마멸성과 탄성이 개선된다. 이러한 목적으로 청동에 1% 이하의 인을 첨가하여 만든 합금을 인청동이라 한다. 알루미늄 청동은 청동에 알루미늄을 첨가한 합금으로, 황동이나 청동에 비해 기계적 성질과 내식성 및 내열성, 내마멸 등이 우수하다. 보통 호학, 공업 기계나 선박 또는 항공기 등의 주요 부품으로 사용된다. 황동은 아연 함유량의 변화에 따라 인장 강도와 연신율과 경도와 같은 기계적 성질이 변화한다. 인장 강도는 아연 함유량이 증가할수록 증대된다. 고력 황동은 황동에 속하는 동합금으로, 일명 Mn 청동으로 불리기도 한다. 고력 황동은 Cu-Zn 계열 합금 중 강도가 가장 큰 황동에 1~3% Mn을 합금한 것이나, 현재는 그 외에도 다양한 원소를 첨가한다. 높은 강도와 내식성이 요구되는 부품에 사용된다.

제조 및 가공

제조

기어는 보통 다음과 같은 과정을 통해 제작된다.

1. 기어의 강도를 계산한 후에 기어 치수와 등급 및 재질과 열처리 방법을 결정한다.
2. 기어의 설계와 제작도면을 작도한다.
3. 기어 재료를 구매한다.
4. 절삭 공구를 선정한다.
5. 선삭(제작 도면에 기준으로 하여 기어의 이를 제외한 부분을 정밀 가공을 고려한 여유치를 남기고, 선반과 같은 기계로 1차 가공하는 것)을 한다.
6. 밀링이나 호빙 세이빙 기계로 기어의 이를 절삭한다.
7. 걸치기 두께를 재어 가공이 제대로 되었는지를 검사한다.
8. 구멍이나 나사를 가공하고 스플라인이 있는 경우에는 스플라인을 절삭한다. 날카로운 모서리를 제거한다.
9. 재료에 1차 열처리를 가한다.
10. 정밀 가공을 요하는 부분을 연마 가공한다.
11. 기어 이를 위한 열처리로 보통 고주파나 침탄을 이용하지만, 특수한 경우에는 질화 처리를 한다.
12. 래핑이나 호닝, 그라인딩 기계를 사용하여 기어의 이를 정밀하게 가공한다.
13. 기어 등급에 따라 요구되는 여러 가지 치수를 검사한다.

절삭 방법

기어를 절삭하는 방법에는 크게 3가지가 있다.

1. 제거 가공법 : 기어의 재료를 여러 가지 절삭 공구로 제거하여 기어의 이를 남기는 가공법이다. 제거 가공법에는 총 세 가지가 있다. 먼저, 절삭 가공법은 두 가지로 나누어진다. 첫 번째는 성형법으로, 성형 엔드밀법, 성형 프라이스법 등에서 바이트를 치형에 맞게 만들어 절삭 깊이를 조절하고 치형을 성형하는 방법이다. 밀링머신에서는 바이트 대신 기어 치형과 반대 형상을 가진 밀링 커터를 사용한다. 보통 대형기어 제작에 사용된다. 두 번째는 창성법으로, 호브절삭법, 피니온커터법, 랙커너법을 사용한다. 절삭공구와 가공물이 회전 운동할 때, 서로 접촉하여 가공물을 절삭하여 기어를 만드는 방법이다. 호빙 머신과 기어 세이퍼 등을 사용한다. 제거 가공법의 두 번째 방법인 방전 가공법은 공작물의 가공 모양에 따라 적당한 모양으로 만든 전극과 공작물 사이에 전기를 통해 불꽃 방전을 일으켜, 공작물을 아주 조금씩 용해하여 구멍을 내거나 절단하는 방법이다. 경도가 높은 재료를 쉽게 가공할 수 있으며, 가공 변질층이 얇아 내마멸성, 내부식성이 높은 표면을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 세 번째 방법인 형판법은 형판을 따라서 바이트를 움직여 기어를 절삭하는 방법이다. 이 방법은 이의 치면이 고르지 않기 때문에 대형 평기어나 베벨 기어 제작에 선별하여 사용되고 있다.
2. 주조법 : 주조법은 금속을 가열하여 일정한 틀에 부어 기어를 제작하는 방식이다. 총 세 가지 방식이 있다 첫 번째는 원심 주조법으로 원심력을 이용하여 쇳물을 주형에 주입하는 방법이다. 주형은 원심력에 견디어 내는 금형이나 금형에 모래를 얇게 입힌 것을 사용한다. 주로 웜기어 제작에 사용된다. 두 번째 방식은 다이캐스팅으로, 금형주물의 일종으로 쇳물에 압력을 가하여 금형 안으로 주입하는 방법이다. 이것은 치수 정밀도가 높고 기계 다듬질량이 적은 장점이 있다. 소량 다품종보다는 대량으로 생산되는 기어에 적합하며, 설비가 고가이며 사용되는 부품도 비싸다는 단점이 있다. 다이캐스트에 사용되는 합금은 주로 아연과 알루미늄 합금, 마그네슘 합금과 동합금을 사용하고 특수한 목적을 위해 주석이나 납 합금을 사용하기도 한다. 기어에 사용되는 다이캐스트는 내마모성이나 강도가 좋고 수명이 긴 아연합금이 가장 많이 사용되고 있다. 다이캐스팅은 스퍼 기어나 헬리컬 기어, 내기어, 베벨 기어 등 각종 기어 제작이 가능하며, 다이캐스팅을 이용하여 주조된 기어는 잔디깍기 기계나 자동판매기, 전기세탁기 등에 사용된다. 다이캐스팅 기어는 한 번에 대량으로 생산되는 것이 대부분을 이루고있기 때문에, 초기 설계 단계에서 제품의 정밀도와 금형 구조를 간단히 하도록 설계해야 한다. 마지막 방식인 사출 성형법은 주로 플라스틱 기어를 만드는 데 사용하는 방법이다. 사출 성형 플라스틱 기어는 OA 기기나 가정용 전기 제품 및 자동차 부품 등에 사용되고 있으며, 재료로는 폴리아세탈과 폴리아마이드가 가장 많이 사용된다. 금속 기어와 비교하여 매우 가볍고, 윤활유가 필요 없으며 대량 생산이 쉬워 가격이 저렴하다. 또한 기어 축과 일체로 제작하기 때문에 진동이 적고 내식성이나 내약품성이 매우 좋다. 하지만, 원래 재질이 엔지니어링 플라스틱이기 때문에 금속 재료를 사용하는 기어에 비해 인장 강도와 굽힘 강도가 매우 떨어진다. 또 금형 안에서 재질이 수축하기 때문에 정밀도 관리에 문제가 있으며, 성형 제품 자체의 결함이 있을 수도 있다.
3. 소성 가공법 : 재료에 외력을 가하면 내부 응력에 의해 변형이 생기는 데 그 외력을 제거해도 변형이 남아있는 성질을 소형변형이라 한다. 이를 이용하며 제품을 제조하는 방법을 소성 가공이라 부르며, 주조법에 비해 정확한 치수의 제품을 얻을 수 있다. 또한, 금속 조직이 치밀하게 되어 강도가 올라가는 장점이 있다. 소성 가공법에는 총 두 가지 방법이 있다. 먼저 단조법은 기어 재료를 기계로 가압하여 조직을 미세화시키고, 균일한 재질을 가진 기어로 성형하는 가공법이다. 재료에 열을 가한 후에 가압하는 열간단조와 상온에서 가압하는 냉간단조가 있다. 주로 스트레이트나 스파이럴 베벨 기어 제작에 사용되고 있다. 두 번째는 전조법으로, 2개의 롤러로 기어 재료를 압입하면서 고주파로 가열한 재료를 제3의 롤러를 사용하여 가공하는 방법이며, 사용 공구에 따라 래크형, 피니언형, 내치차형으로 구분한다. 전조 기어는 기어 절삭법에 비해 가공 시간이 짧아 대량 생산에 적합하며, 절삭법과 같이 칩이 발생하지 않기 때문에 재료 낭비가 없다. 전조 기어는 전조 후에 재료의 조직이 표면을 따라 흐르는 모양이므로 충격하중에 잘 견디며, 스퍼 기어보다는 헬리컬 기어와 같이 비틀림 각을 가진 형상의 기어가 전조하기 쉽다. 전조용 재료는 주로 알루미늄 합금이 사용되지만, 구리 합금도 사용된다.

절삭 공구

각종 기어 절삭에 사용되는 공구는 두께가 얇은 싱글 커터와 호브, 피니언 커터와 세이빙 커터 등이 있다.

• 절삭 공구의 종류

1. 싱글 커터 : 싱글 커터는 대량생산 분야에서 특수한 경우를 제외하고 사용하지 않는다. 싱글 커터는 주로 모듈 6.5 이상의 스퍼 기어, 대형 내기어, 랙, 웜, 스프로켓, 래칫, 스플라인 축 등과 같은 경우에 사용된다.
2. 엔드 밀 : 엔드 밀은 모둘이 아주 큰 대형기어 치절에 사용된다. 대형기어는 대량 생산이 아닌 경우가 많음므로, 호브 같은 비싼 공구를 사용하는 것이 비경제적일 수 있다. 그래서 엔드 밀을 사용하면 특수한 치형도 쉽게 가공할 수 있다.
3. 랙커터 : 랙커터는 선더랜드 랙커터, 마그 랙커터, 3형 랙커터로 구분된다. 선더랜드 랙커터는 선더랜드형 치절반에 사용되고, 마그 랙커터는 마그식 치절반에서 사용된다. 3형 랙커터는 더블 헬리컬 기어나 헤링보운 기어 중 선더랜드형 치절반에 사용된다.
4. 호브 : 호브는 호빙머신으로 기어를 치절할 때 사용한다. 소형 기어용 호브는 치수가 규격화되어있다. JIS 4355와 AGMA 122.01에 그 치수가 명시되어 있다. 일반적인 호빙머신에 사용하는 호브도 그 치수가 대부분 규격화 되어있다. 호브는 그 모양에 따라 내부에 구멍이 난 표준 호브와 축이 달린 호브, 조립식 호브로 구분할 수 있다. 일반적으로 스퍼나 헬리컬 기어의 가공에는 내경을 가진 호브를 호빙머신에 장착하여 사용하지만, 웜을 가공하는 호브는 축이 달린 경우가 많으며, 그 모양이 표준 호브와 다르다. 웜은 보통 4개의 치형으로 구분되는데, 웜치절용 호브는 ZN 치형을 사용하는 경우가 많다.
5. 피니언 커터 : 피니언 커터는 기어 치절용 공구로, 대개 모듈 0.5~10까지의 스퍼 기어를 가공하는 데 사용하며, JIS B 4356에 규정되어 있다. 피니언 커터는 내기어의 치절에도 사용된다. 피니언 커터는 그 모양에 따라 디스크형, 허브형, 샹크형으로 구분된다. 위에 언급한 세이빙 커터와 베벨기어를 치절하기 위한 커터 등이 있다.

종류

감속기의 종류는 기어의 타입에 따라 평행축 방식과 동심축 방식으로 나뉜다.

감속기	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

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 기어

스퍼 기어(spur gear)는 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

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

헬리컬 기어

헬리컬 기어(helical gear)는 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. 헬리컬 기어에서 더 발전된 방식이 더블 헬리컬 기어이다. 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

랙 기어(Rack gear)는 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.

동심축 방식

유성 기어 방식이라고도 불리는 동심축 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

하모닉 감속기(harmonic reducer)는 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.

• 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.
• 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.
• 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 다음과 같은 종류가 있다.

베벨기어

베벨기어란 2개의 축이 수직으로 만나는 기어를 말한다.

1. 직선 베벨 기어 : 베벨 기어 중 가장 간단한 형상을 가지며, 이 줄기가 피치의 원추면과 일치하고 기어의 테이퍼가 직선 형태를 띠고 있다. 직선 베벨 기어는 서로 맞물릴 때, 이의 위쪽에서 시작하여 이 뿌리 방향으로 물림이 진행되며 베벨 기어의 가운데 가장 가공이 쉽고 간단하며 제작비가 적게 든다. 특히 베벨 기어의 피니언과 기어의 이 수가 같은 기어를 마이터 기어(Miter gear)라고 한다. 직선 베벨 기어는 주로 창성방식의 기계로 가공되지만, 기어의 정밀도가 중요하지 않은 경우에는 밀링 머신으로 치절하기도 한다. 베벨 기어는 전동축이 서로 엇갈려 동력을 전달하고자 할 때 사용하며, 그 각이 90도인 경우가 많다. 직선 베벨 기어는 연마 시 래핑 방법을 많이 사용하며, 세이빙은 직선 베벨 기어 연마에는 적합하지 않다.
2. 스파이럴 베벨 기어 : 줄기가 나선 모양으로 된 베벨 기어로, 한 번에 접촉하는 물림 길이가 커 직선 베벨 기어에 비해 운동이 부드럽다. 특히나 고속에서 맞물릴 때 진동이나 소음을 줄일 수 있다. 스파이럴 베렐 기어의 비틀림 각은 보통 0~50도이며, 표준 비틀림 각은 35도, 자동차용은 35~40도를 사용한다. 압력 각은 16도, 17.5도, 20도, 22.5도로 가공할 수 있지만, 주로 20도를 사용한다.
3. 제롤 베벨기어 : 그리슨 회사에서 개발한 기어로 스파이럴 베벨 기어의 가운데에 이 줄기의 비틀림 각도가 0도인 것을 말한다. 치폭 방향으로 기어의 이 줄기가 약간 곡선 현상을 이룬다는 점이 직선 베벨 기어와의 차이점이다. 이것은 제롤 베벨 기어가 직선 베벨 기어와는 다른 기계로 가공되기 때문인데, 직선 베벨 기어의 절삭 공구는 직선상에서 앞뒤로 움직이지만, 제롤은 페이스 밀 처럼 회전 공구를 사용한다. 즉, 제롤의 곡선 형태는 이 공구의 곡률 반경에 의해 형성된다. 제롤 기어는 주로 속도가 높을 때, 직선 베벨 기어 대신 사용하면 약간의 중첩 효과를 얻을 수 있기 때문에 부드러운 물림을 얻게 된다. 회전 방향이 변해도 추력 방향이 변하지 않기 때문에 원활한 회전이 요구되는 장소에 직선 베벨 기어 대신에 사용할 수 있다.
4. 앵귤러 베벨기어 : 앵귤러 베벨기어는 2개의 축이 직각이 아닌 상태로 작동하는 기어를 말한다.
5. 하이포이드 기어 : 스파이럴 베벨 기어와 동일한 형상을 하고 있지만, 물림의 위치가 약간 다르다. 피니언과 기어의 중심축이 교차하지도 않으면서 엇갈려 있다. 피니언의 중심축이 기어의 중심축에서 벗어난 것을 오프셋이라 하며, 비틀림 방향에 따라 오프셋 방향이 정해진다. 하이포이드 기어는 일반 스파이럴 기어에 비해 큰 기어 비율을 얻을 수 있다. 또한 피니언과 기어의 피치원 직경이 이 수에 비례하지 않는 특징을 가지고 있다. 피니언의 잇수는 보통 10 이하를 사용한다. 하이포이드 기어 이의 양 측면은 서로 다른 압력 각과 프로파일 곡률 반경을 가지는데, 이것은 비대칭인 가공 공구를 사용해서라기보다는 하이포이드 기어의 특별한 기하학적 특성 때문이다.
6. 페이스 기어 : 페이스 기어의 피니언은 일반적인 인벌루트 치형을 갖는 스퍼 기어와 같다. 기어는 피니언과 같은 모양을 가진 절삭 공구로 가공한다. 페이스 기어의 피니언은 일반 스퍼 기어나 헬리컬 기어를 사용하고, 기어는 원반 모양이기 때문에 페이스 기어라고 부른다. 페이스 기어는 피니언의 중심축과 만나게 할 수도 있고, 서로 엇갈리게 하는 것도 가능하다. 피니언은 일반 스퍼기어의 호브로 가공이 가능하며, 피니언의 설계 위치가 중요한 문제가 되지 않기 때문에 설치가 용이하다.
7. 크라운기어 : 크라운 기어는 정확히 90도의 피치(pitch) 각도를 가진 베벨 기어는 축과 평행하게 바깥쪽을 가리키는 톱니를 가지고 있는 기어를 말한다.
8. 내부 베벨 기어 : 내부 베벨 기어는 피치 각도가 90도 이상으로, 안쪽을 가리키는 톱니가 있다.
9. 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

나사 기어(screw gear)는 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.

웜 기어

웜 기어(worm gear)는 베벨 기어처럼 구동 기어와 피동 기어의 중심축이 직각이며, 수직 방향으로 동력을 전달해야 하는 상황에서 사용한다. 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. 웜기어는 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 장치에 비해 그 크기를 약 1/2로 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 웜기어는 접촉에 의해서 동력을 전달하기 때문에 다른 기어에 비해 소음이나 진동이 훨씬 적은 편이다. 웜기어는 치면의 진행 각이 적을 경우, 웜휠로 웜을 회전할 수 없는 역전 방지가 가능하다. 이러한 점은 자동제어나 역회전이 불필요한 경우에 아주 유용하게 사용된다. 또한, 낮은 제작 단가와 큰 중공축을 가졌다는 것과 속도를 줄이고 토크를 높일 수 있다는 장점이 있지만, 웜기어는 접촉에 의해 동력을 전달하기 때문에 치면의 마찰 손실 동력이 커서 동력의 전달효율은 낮은 편이다. 제한된 서보 시스템을 가지고 있다는 단점이 있다. 또 다른 단점 하나가 더 있는데, 이는 바로 웜휠의 재질을 주로 동합금계열을 사용하기 때문에 일반 기어를 치절하는 전용기로 가공할 수 없다는 점이다. 따라서 한 조의 웜과 웜휠을 가공하여 사용한 경우에는 다른 웜기어와의 교환이 어렵다. 고 감속, 고 출력이 가능하여 연속적인 동력 전달에 주로 이용되며, 백래시가 크기 때문에 정밀 위치 제어용으로는 사용되지 않는다. 하지만, 최근에는 이러한 점을 고려하여 표준화된 제품을 생산하는 경우가 많으며, 최근에는 개량형으로 일정 수준의 위치를 결정하는 용도로 사용 가능한 제품도 공급되고 있다.

종류

웜기어에는 총 두 가지 종류가 있다

1. 원통형 웜기어 : 보통 많이 사용하는 웜기어로, 원통에 나사가 있는 모양이다. 가공 방법은 사용하는 공구에 따라 달라지며, 가공 방법에 따라 치형의 종류가 구분된다.
2. 장고형 웜기어 : 모양이 장고처럼 생겨 일명 장고형 웜이라 부른다. 장고형 웜기어는 웜이 축 방향을 따라 원형을 유지하고 있기 때문에 특수한 가공 방법이 필요하다. 장고형 웜기어는 동시에 맞물리는 잇수가 많아 부하용량이 커지지만, 치면에 열이 발생하기 쉽다는 단점이 있다. 이 때문에 고속 회전에는 부적합하다.

치형

웜기어의 치형은 각 나라마다 다르다.

• 일본

1. 1형 치형 : 웜을 축 방향의 단면으로 자를 때 치면이 직선인 형태의 치형이다. 이는 DIN(독일) 규격의 A형과 같다. 이 치형의 가공 방법은 바이트의 직선 면이 축 방향과 일치하도록 하여 치절한다. 그래서 축 방향의 압력 각은 경사각과 동일하고, 웜의 진행 각이 너무 크거나 작아도 가공 시에 문제가 발생하기 쉽다. 1형 치형은 치절 후에 연마 없이 사용하기 때문에 기어의 정밀도가 중요하지 않을 때에만 사용하는 것이 좋다. 이 치형의 축 직각 입력 각은 바이트의 압력 각과 같다. 바이트의 압력 각은 보통 20도를 사용하지만, 14.5도가 22.5도를 사용하기도 한다.
2. 2형 치형 : 웜의 치직각 단면에 수직으로 바이트를 세워서 치절한 치형으로 DIN의 N형과 같은 모습이다. 이 경우는 웜의 진행각이 작아도 가공하는데 큰 지장을 받지 않는다. 웜의 치직각 단면의 압력 각이 바이트의 압력각보다 약간 작으며, 진행 각이 커질수록 그 차이도 커진다.
3. 3형 치형 : 3형 치형은 압력 각 20도를 가진 프라이스 커터의 중심축을 웜의 중심축에서 진행각 만큼 회전 시켜 치절하여 생성되는 치형이다. 이 치형은 연마로 마무리하면 연마석의 직경은 웜의 피치원 직경에 비해 충분히 큰 것을 사용하도록 해야 한다.
4. 4형 치형 : 기초 원을 원통으로 한 인벌루트 곡선을 이용한 치형으로, DIN의 E와 같은 치형이다. BS(영국 규격)는 이 치형만은 규정하고 있다

• 독일

1. A형(Straight sided axial worm type) : ZA형으로 표시하며, 이 치형은 축 직각 단면으로 자를 때 치형이 직선인 형태로 로터리 커터나 밀링, 스카이빙으로 가공이 가능하다.
2. N형(Straight sided normal worm type) : ZN형으로 표시하고, 치직각 단면에서 볼 때 치면이 직선인 형태이다. 웜의 축 방향에서 진행 각 만큼 커터의 각을 경사지게 하여 가공함으로 얻어지는 치형이며, 커터의 치절면은 항상 직선이다. 이 치형은 로터리 커터나 적은 밀링 커터 등을 이용하여 가공할 수 있다.
3. I형 웜(Involute heilcoid worm) : ZI형으로 표시하며, 웜의 치형이 인벌루트 헬리코이드이다. 이 치형을 연마할 때, 연마석은 축 방향에서 진행 각만큼 경사지게 하고, 다시 축 방향과 나란한 방향에서 압력 각만큼 경사지도록 설치한다. 이 치형은 호빙을 이용하여 치면을 창성한 뒤, 연마로 마무리하여 더욱 정확한 치형을 얻거나 치형을 수정할 수 있다. 전용 웜 그라인딩 머신이 있는 경우는 이 치형을 사용하는 것이 적합하다.
4. K형 웜(Miled helicoid worm) : ZK형으로 표시하기도 하며, 이 치형은 웜을 진행 각만큼 경사지도록 하여 로터리 커터의 양쪽 치절면이 웜 치면과 만나게 하여 치절할 때 생성된다. 따라서 이 치형은 3차원의 커브를 그리며 커터의 직경이 커질수록 I형과 비슷한 모양이 된다.
5. H형 웜 : 일명 CAVEX 웜이라 부르기도 하며, 이 치형의 특징은 웜의 치면이 인벌루트 치형처럼 볼록 형태가 아니라 오목한 형태라는 것이다. 이 때문에 웜휠과 맞물릴 때, 많은 면적이 동시에 접촉하게 되어 큰 하중을 전달할 수 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.

등급

기어는 표준 등급을 정하여 이 기준에 따라 분류한다. 일반적으로 국내에서는 JIS를 기준으로 사용하며, 국내 규격인 KS는 JIS와 거의 동일하다. 이외에도 이국 기어협회인 AGMA 기준과 독일의 DIN 등이 있다. 이러한 기준을 서로 비교하는 것은 거의 불가능 하지만 보통 다음 표와 같이 비교 및 분석한다.

외경	25~50	50~100	100~200	200~400	400~800	800~1600	1600~3200
0급	5	5	6	6	7	9	10
1급	6	7	8	9	10	12	14
2급	9	10	11	13	15	17	20
3급	13	14	16	18	20	24	28
4급	18	20	22	25	29	34	40
5급	26	28	31	36	41	47	56
6급	36	40	45	51	58	60	80
7급	73	80	90	100	115	135	160
8급	145	160	180	200	230	270	320

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》
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• 취업한 취준생 취업한 취준생 , 〈[기계 감속기란? 감속기의 원리와 종류(Feat. 서보 모터)]〉, 《티스토리》, 2020-06-02

같이 보기

• 감속기
• 변속기

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