기어란?
이의 연속적인 물림에 의해 동력을 전달하는 직접전달장치.
- 축간거리가 짧고 큰 감속을 얻는다.
- 미끄럼이 생기지 않아 정확한 속도비로 큰 동력 전달
- 전동효율이 높다.
- 소음과 진동이 발생하며 정밀도 요구
- 좁은 장소에서도 설치 가능
잇수가 많은 쪽을 큰 기어 또는 기어, 잇수가 적은 쪽을 피니언이라 한다.
축의 상대위치에 따른 기어의 분류
| 평행축 기어 | 평기어, 헬리컬기어, 더블헬리컬기어, 랙과 피니언, 내접기어 |
| 교차축 기어 | 베벨기어 종류, 크라운기어 |
| 어긋난 축기어 | 나사기어, 웜기어 종류, 하이포이드기어, 헬리컬크라운 기어 |
기어관련 용어 정리
1) 카뮤의 정리
2개의 기어가 일정한 속도비로 회전하려면 접촉점의 공통법선은 항상 피치점을 통과해야 한다. 접촉점의 공통법선이 피치점을 통과하는 곡선은 치형곡선으로 된다.
2) 사이클로이드 곡선
원둘레의 외측 또는 내측에 구름원을 놓고 굴렀을 때 구름원의 한점이 그리는 궤적. 구름원이 구르고 있는 원을 피치원이라고 한다.
- 접촉면에 미끄럼이 적어 마멸과 소음이 적다.
- 잇면의 마멸이 균일하다.
- 효율이 높다.
- 치형의 가공이 어렵고 호환성이 적다.
3) 인벌류트 곡선
기초원에 실을 감아 실의 한끝을 잡아당기면서 풀어나갈 때 실의 한 점이 그리는 궤적
- 치형의 제작가공이 용이하다.
- 정밀도가 크고 호환성이 우수하다.
- 축간거리가 다소 변하여도 속도비에 영향이 없다.
- 이뿌리부분이 튼튼하다.
- 미끄럼이 많아 마멸과 소음이 크다.
4) 압력각
피치원상에서 치형의 접선과 기어의 반경이 이루는 각. 현재는 14.5, 20도가 가장 많이 사용된다.
압력각이 클수록
- 이뿌리의 살이 많아진다.
- 고속회전을 하는 잇수가 작은 기어에 사용한다.
- 이의 강도가 커진다.
인벌류트 치형을 사용한 기어쌍의 압력각은 일정하지만 사이클로이드 치형을 사용한 기어쌍의 압력각은 일정하지 않다.
기어의 각부 명칭
피치원: 기어를 동등의 움직임으로 하는 마찰차에 치환하였을 경우의 원. 양기어의 피치원은 접촉하고 그 접점이 피치점.
이끝원(addendum circle): 이끝을 연결시킨 원
이뿌리원(dedendum circle): 이뿌리를 연결시킨 원
이끝높이(addendum): 피치원에서 이끝원까지의 거리. 보통이의 경우 a=m
이뿌리높이(dedendum): 피치원에서 이뿌리원까지의 거리. d=a+c
총이높이: 어덴덤과 디덴덤의 합
유효이높이: 한 쌍의 기어의 이끝높이의 합
이끝틈새(clearance): 한편의 기어의 이끝원에서 맞물리는 기어의 이뿌리원까지의 거리. 절삭이의 경우 C=0.25m
이두께: 원주피치상에서 측정한 이의 살두께
백래시: 한쌍의 기어를 물게 하였을 때 이의 뒷면에 생기는 간격
이나비(잇폭): 축방향 이의 두께
원주피치
: 피치원의 둘레(pi*D)를 잇수(Z)로 나눈 값. 이 값이 커질수록 잇수는 작아지고 이의 크기는 커진다.
모듈
: 피치원의 지름을 잇수로 나눈 값. 이 값이 커질수록 잇수는 작아지고 이는 커진다.
직경피치
: 모듈의 역수, 단위는 inch. 이 값이 작을수록 잇수는 작아지고 이는 커진다.
p(d)=1/m [inch]=25.4/m [mm]
표준기어에서 이끝높이(어덴덤)은 직경피치의 역수(모듈)이다.
기초원피치(법선피치)
: 기초원 지름= 피치원지름 * cos(a)
기초원 피치= 원주피치*cos(a)
이의 간섭(interference)
: 큰 기어의 이끝이 피니언의 이뿌리에 부딪쳐서 회전할 수 없는 현상
원인
- 피니언의 잇수가 극히 적을 때
- 잇수비가 매우 클 때
- 압려각이 작을 때
- 유효이높이가 높을 때
방지
- 피니언의 이뿌리면을 깎아낸다.
- 치형의 이끝면을 깎아낸다.
- 압력각을 증가시킨다.
- 이의 높이를 줄인다.
언더컷(undercut, 절하)
: 이의 간섭이 심할 경우 피니언의 이뿌리를 깎아내어 이뿌리가 가늘게 되어 강도가 약해지고 물림길이가 짧아진다.
방지
- 이의 높이를 낮춘다.
- 한계잇수 이상으로 한다.
- 전위기어를 만든다.
- 압력각을 크게한다.
물림률(접촉률)
: 한 쌍의 기어가 미끄럼없이 회전하기 위해서는 한쌍의 이물림이 끝나기 전에 다음 한쌍의 이물림이 시작해야 한다.
물림률 e = 접촉호의 길이/원주피치= 물림길이/법선피치
기어가 연속적으로 회전하기 위해서는 물림률이 1보다 커야한다. 물림률이 클수록 1개의 이에 걸리는 부담이 적게 되므로 진동과 소음이 적고 기어의 수명이 길게된다.
미끄럼률
: 잇면 위의 다른 점에서 구름접촉과 동시에 미끄럼 접촉이 생긴다. 잇면에 마찰이 생기고 효율을 떨어뜨린다. 이처럼 미끄러지는 비율을 미끄럼률이라고 한다.
사이클로이치형: 피치점의 앞, 뒤에서 일정
인벌류트치형: 피치점에서는 0이고 양끝으로 갈수록 커진다.
압력각을 크게하면
- 언더컷을 방지한다.
- 미끄럼률이 감소된다.
- 물림률이 감소된다.
- 접촉압력이 커진다.
- 치의 강도가 증대된다.
표준기어
: 랙 공구의 기준피치선과 기어의 기준피치원선이 피치점에서 구름운동을 하도록 하면 이두께가 원주피치의 1/2인 기어가 만들어지는데 이를 표준기어라 한다. KS에서 기준압력각은 20도.
전위기어
: 압력각 20도일 때 14개, 14.5도일 때 25개 이하로 하면 언더컷이 생겨 물림길이가 감소되고 강도가 약하게 된다. 이를 방지하기 위해 랙 공구의 기준피치선이 기어의 피치원선에 접하지 않고 어긋나게 하는 기어를 전위기어라고 한다.
사용목적
- 중심거리를 자유로이 조절
- 이의 강도 개선
- 언더컷 방지
- 물림률 증가
헬리컬 기어
고속운전시에 생기는 소음과 진동을 없애기 위해 만들어졌다.
특징
- 탄성변형이 적어 진동과 소음이 적고 고속운전에 적합하다.
- 평기어보다 물림률이 커서 큰 동력을 전달한다.
- 전동효율이 좋고 축 중심거리의 조정이 가능하다.
- 이가 비틀어져 있어 추력이 생기므로 스러스트베어링이 필요하다.
- 최소잇수가 평기어보다 적으므로 큰 회전비를 얻을 수 있다.
헬리컬기어에서 스러스트를 없애기 위해 만든 기어를 더블헬리컬기어 또는 헬링본기어라고 한다.
헬리컬기어의 피치원 지름 Ds= D/cos(b)
cos(b)=p/p(s)
웜기어
나사기어의 일종으로 두 축이 서로 평행하지도 않고 교차하지도 않는다.
특징
- 작은 용량으로 큰 감속비
- 부하용량이 크다.
- 역전을 방지할 수 있다.
- 소음이 없고 진동이 적다.
- 미끄럼이 크다.
- 웜휠을 연삭할수 없다.
- 특수공구가 필요하다.
- 가격이 비싸다.
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