기어는 맞물리는 톱니를 통해 속도, 토크 또는 운동 방향을 변경하여 기계 부품 간에 동력을 전달합니다. 모든 기어 유형은 특정 기계적 과제에 대한 해결책을 제시합니다. 예를 들어, 급격한 속도 감소, 극한 하중 처리, 고속에서 조용하게 작동하는 것 등이 있습니다.
이 가이드는 자동차 변속기부터 산업용 기계에 이르기까지 모든 분야에서 접하게 되는 11가지 필수 기어 유형을 다룹니다. 각 유형의 특징, 사용 시기, 그리고 각 선택 시 고려해야 할 점들을 알아보세요.
평 기어
스퍼 기어는 가장 단순하고 일반적인 기어 유형으로, 축과 평행하게 곧은 톱니가 특징입니다. 스퍼 기어는 톱니 사이의 순수한 구름 접촉을 통해 98~99.5%의 효율을 달성하는 기계 시스템의 핵심 부품입니다.
이 기어는 평행한 축에서만 작동합니다. 두 개의 스퍼 기어가 맞물리면, 마치 두 개의 자가 서로 스쳐 지나가는 것처럼 톱니가 즉시 완전한 직선 접촉을 이룹니다.
단순성 덕분에 저렴하고 제작이 쉽습니다. 컨베이어부터 가전제품, 기본 자동차 변속기까지 모든 분야에서 찾아볼 수 있습니다.
가장 큰 단점은 고속 주행 시 소음이 꽤 크다는 것입니다. 갑작스러운 치아 접촉으로 인해 특유의 윙윙거리는 소리가 나며, 속도가 높아질수록 소리가 더 심해집니다.
헬리컬 기어
헬리컬 기어는 축에 대해 비스듬히 톱니가 가공되어 원통 주위에 나선 모양을 형성합니다. 이러한 비스듬한 설계는 톱니가 한 번에 모두 맞물리는 것이 아니라 한쪽 끝에서 시작하여 원통을 가로지르며 점진적으로 맞물리도록 합니다.
점진적인 맞물림은 고속에서도 부드럽고 조용한 작동을 보장합니다. 여러 개의 톱니가 항상 하중을 분담하기 때문에 헬리컬 기어는 같은 크기의 스퍼 기어보다 훨씬 더 많은 무게를 지탱할 수 있습니다.
단점은 이러한 나선형 톱니가 샤프트에 축방향 추력을 발생시킨다는 것입니다. 이러한 횡력을 감당하려면 추력 베어링이 필요하며, 이는 시스템의 복잡성과 비용을 증가시킵니다.
고속 산업용 기어 박스 자동차 변속기는 헬리컬 기어에 크게 의존합니다. 헬리컬 기어는 95~98%의 효율과 조용한 작동을 자랑하기 때문에 추가 베어링이 필요합니다.
더블 헬리컬/헤링본 기어
이중 나선형 기어는 서로 반대 각도를 가진 나선형 이빨 두 세트로 구성되어 V자 모양을 형성합니다. 헤링본 기어 두 개의 나선이 틈 없이 중앙에서 만나는 특정 유형입니다.
이 기발한 설계는 모든 축방향 추력을 상쇄합니다. 오른쪽 나선은 한 방향으로, 왼쪽 나선은 반대 방향으로 밀어내며, 두 힘은 서로를 완전히 상쇄합니다.
고가의 스러스트 베어링 없이도 헬리컬 기어의 모든 장점, 즉 부드러운 작동, 높은 하중 용량, 조용한 작동을 누릴 수 있습니다. 97~99%의 효율로 극한 하중을 견딜 수 있습니다.
하지만 제조 공정이 복잡하여 가격이 높습니다. 따라서 선박 추진 시스템, 발전 터빈, 중공업 제분소와 같이 까다로운 응용 분야에서만 사용됩니다.
랙 및 피니언
랙 앤 피니언 시스템은 회전 운동을 직선 운동으로 변환합니다. 피니언은 표준 원형 기어이고, 랙은 톱니가 있는 직선 막대로, 기본적으로 무한 반경을 가진 기어입니다.
피니언을 돌리면 랙이 직선으로 움직입니다. 반대로 돌리면 랙의 방향이 바뀝니다. 이렇게 간단하고 직관적이죠.
이 시스템은 높은 효율로 정밀한 위치 지정을 제공합니다. 랙 섹션을 서로 연결하여 이동 거리를 무한대로 연장할 수 있습니다.
자동차 조향 시스템은 즉각적이고 예측 가능한 반응을 제공하기 때문에 랙 앤 피니언을 사용합니다. CNC 기계는 정확한 선형 위치 조정을 위해 랙 앤 피니언을 사용합니다. 가장 큰 과제는 정밀도에 영향을 줄 수 있는 톱니 사이의 작은 틈새인 백래시를 관리하는 것입니다.
행성 기어(주전원 기어)
유성 기어는 작은 공간에 엄청난 힘을 담습니다. 이 시스템은 중앙의 태양 기어, 외부 링 기어, 그리고 캐리어 위에서 이들 사이를 공전하는 여러 개의 유성 기어를 사용합니다.
이 배열은 여러 접점에 부하를 동시에 분산합니다. 단일 유성 기어 스테이지는 94~97% 효율로 3:1에서 10:1까지의 감속비를 달성할 수 있습니다.
동축 입력 및 출력 샤프트는 공간을 절약합니다. 다양한 부품을 고정함으로써 하나의 메커니즘에서 다양한 기어비를 얻을 수 있습니다.
자동 변속기는 소형이면서도 높은 토크를 처리할 수 있기 때문에 유성 기어를 사용합니다. 로봇공학 및 항공우주용 액추에이터는 유성 기어의 뛰어난 출력 밀도에 의존합니다.
복잡성으로 인해 정밀한 제조와 조립이 필요하지만, 공간과 무게 절감이 비용을 정당화하는 경우가 많습니다.
스트레이트 베벨 기어
직선 베벨 기어는 직선 방사형 톱니를 가진 원뿔형 기어를 사용하여 모서리를 따라 동력을 전달합니다. 기어 축은 일반적으로 90도로 맞물리지만, 다른 각도도 가능합니다.
이 기어는 스퍼 기어처럼 구름 접촉을 통해 98~99%의 효율을 유지합니다. 축 방향을 변경하는 가장 간단하고 저렴한 방법입니다.
직선 톱니가 갑자기 완전히 맞물리면서 고속에서 소음이 발생합니다. 이는 스퍼 기어와 동일한 문제입니다. 따라서 스퍼 기어는 저속 용도로만 사용됩니다.
직선 베벨 기어는 조용한 작동보다 비용이 더 중요한 차동 장치, 수동 공구, 인쇄기에서 찾을 수 있습니다.
스파이럴 베벨 기어
스파이럴 베벨 기어는 원뿔 표면을 감싸는 곡선 모양의 톱니를 특징으로 합니다. 스퍼 기어에서 진화한 헬리컬 기어처럼, 스파이럴 베벨 기어는 톱니가 점진적으로 맞물리도록 설계되어 직선 베벨 기어보다 성능이 향상되었습니다.
곡선형 톱니는 고속에서도 부드럽고 조용하게 맞물립니다. 여러 개의 톱니가 동시에 하중을 분담하여 직선형 베벨보다 더 높은 강도를 제공합니다.
이러한 장점은 제조 복잡성과 관련이 있습니다. 나선형 베벨은 특수 다축 기계가 필요하며, 적절한 베어링 지지가 필요한 추력 하중을 발생시킵니다.
고성능 자동차 차동 장치와 중장비는 부드럽고 조용한 코너 변속이 필수적일 때 스파이럴 베벨을 사용합니다. 98~99%의 효율은 스트레이트 베벨과 동등하며, 탁월한 성능을 제공합니다.
웜 기어
웜기어 단일 컴팩트 스테이지에서 5:1에서 300:1 이상의 극한 감속비를 달성합니다. 웜은 나사산과 유사하고, 웜 휠은 웜을 감싸도록 설계된 헬리컬 기어처럼 보입니다.
이 제품의 독특한 특징은 자체 잠금 기능입니다. 웜은 바퀴를 쉽게 돌릴 수 있지만, 마찰로 인해 바퀴가 웜을 역구동하는 것을 방지합니다. 따라서 추가 부품 없이도 자체 제동 기능을 제공합니다.
이 설계는 구름 접촉 대신 미끄럼 접촉에 의존하여 30~90%의 효율을 달성하는데, 이는 모든 기어 유형 중 가장 낮은 수치입니다. 기어비가 높을수록 효율은 낮아지고 열 발생은 증가합니다.
엘리베이터와 호이스트는 웜기어를 사용하는데, 이는 자체 잠금 기능으로 하중이 떨어지는 것을 방지하기 때문입니다. 기타 조율 페그도 이와 같은 원리로 제자리에 고정됩니다. 안전성이나 지지력이 가장 중요할 때는 효율 손실이 용납될 수 있습니다.
하이포 이드 기어
하이포 이드 기어 나선형 베벨 기어와 유사하지만, 오프셋이 있고 서로 교차하지 않는 축을 가지고 있습니다. 이러한 오프셋 덕분에 더 크고 강한 피니언과 더 많은 이 접촉이 가능합니다.
이 설계는 부드럽고 조용한 작동과 함께 탁월한 토크 용량을 제공합니다. 오프셋은 패키징 측면에서도 이점을 제공합니다. 자동차 설계자는 구동축을 더 낮은 위치에 배치하여 차량 동역학을 향상시킬 수 있습니다.
톱니 사이의 미끄럼 접촉에는 특수 극압 윤활제가 필요합니다. 제조 복잡성은 나선형 베벨 기어에 필적하므로 하이포이드 기어는 가격이 비쌉니다.
거의 모든 후륜구동 차량은 차동 장치에 하이포이드 기어를 사용합니다. 높은 엔진 토크를 조용하고 부드럽게 처리할 수 있는 하이포이드 기어는 이처럼 까다로운 용도에 적합합니다.
마이 터 기어
마이 터 기어 동일한 잇수를 가진 베벨 기어로, 1:1 비율을 형성합니다. 속도나 토크는 변하지 않고 동력 방향을 정확히 90도만큼 변경합니다.
동력 전달 시스템의 핵심 부품이라고 생각하면 됩니다. 기계적 이점이 필요하지 않을 때 움직임을 다른 방향으로 전환합니다.
마이터 기어는 직선 기어와 나선형 기어 두 가지로 출시됩니다. 속도와 소음 요구 사항에 따라 선택하세요.
핸드 드릴, 인쇄기, 다양한 동력 분리 장치는 간단한 직각 구동을 위해 마이터 기어를 사용합니다.
내부 기어
내부 기어 링의 안쪽 표면에 안쪽을 향해 톱니가 새겨져 있습니다. 링 내부에 위치한 더 작은 외부 기어와 맞물립니다.
이러한 배열은 두 기어가 같은 방향으로 회전하도록 합니다. 반대로 회전하는 외부 기어와는 다릅니다. 이러한 설계는 매우 컴팩트한 기어 트레인을 가능하게 합니다.
내부 기어는 기초를 형성합니다. 유성 기어 시스템. 링 기어(내부)는 선 기어 및 유성 기어(외부)와 함께 작동하여 최소 공간에서 높은 감속비를 달성합니다.
동심원형 설계와 높은 하중 용량 덕분에 내부 기어는 자동 변속기, 소형 기어박스 및 공간이 부족한 모든 곳에 필수적입니다.
기어 유형 요약 표
| 기어 타입 | 샤프트 방향 | 효율성: | 일반적인 기어비 | 주요 장점 | 주요 단점 | 공통 응용 프로그램 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 박차 | 평행 | 98-99.5의 % | 1 : 1에 10 : 1 | • 간단하고 저렴함 • 고효율 • 축 추력 없음 | • 고속 주행 시 소음이 심함 • 갑작스러운 치아 충격 | 컨베이어, 가전제품, 기본 변속기 |
| 나선형의 | 평행 | 95-98의 % | 1 : 1에 10 : 1 | • 조용하고 부드럽습니다 • 높은 하중 용량 • 여러 개의 치아 접촉 | • 축방향 추력을 생성합니다 • 추력 베어링이 필요합니다 • 만들기가 더 복잡함 | 자동차 변속기, 산업용 기어박스 |
| 이중 나선형/헤링본 | 평행 | 97-99의 % | 1 : 1에 15 : 1 | • 축 추력 없음 • 매우 높은 하중 용량 • 매우 부드럽습니다 | • 매우 비싸다 • 복잡한 제조 | 선박 추진, 전력 터빈, 중공업 |
| 랙 및 피니언 | 평행(회전에서 선형으로) | 높음 | N/A | • 정밀한 선형 운동 • 간단하고 직접적 • 무제한 이동 길이 | • 반발 문제 • 직선운동에 한정됨 | 자동차 스티어링, CNC 기계, 선형 액추에이터 |
| 행성의 | 병렬(동축) | 94-97의 % | 단계당 3:1~10:1 | • 매우 컴팩트함 • 높은 전력 밀도 • 다양한 비율 가능 | • 복잡한 조립 • 정밀도가 필요합니다 • 더 높은 비용 | 자동 변속기, 로봇공학, 항공우주 |
| 직선 베벨 | 교차(90°) | 98-99의 % | 1 : 1에 6 : 1 | • 간단한 코너 드라이브 • 저렴한 비용 • 고효율 | • 고속 주행 시 소음이 심함 • 낮은 하중 용량 | 차동 장치, 수동 공구, 인쇄기 |
| 나선형 베벨 | 교차(90°) | 98-99의 % | 1 : 1에 10 : 1 | • 조용하고 부드럽습니다 • 높은 하중 용량 • 고속 가능 | • 값비싼 • 추력 하중을 생성합니다. • 제조가 복잡함 | 고성능 차동 장치, 중장비 |
| 벌레 | 평행하지 않고 교차하지 않음 | 30-90의 % | 5 : 1에 300 : 1 | • 극한의 감소율 • 자체 잠금 • 컴팩트 | • 매우 낮은 효율성 • 높은 발열 • 특수 소재가 필요합니다 | 엘리베이터, 호이스트, 기타 튜너, 컨베이어 |
| 하이포 이드 | 평행하지 않고 교차하지 않음 | 90-98의 % | 3 : 1에 10 : 1 | • 매우 높은 토크 용량 • 조용하고 부드럽습니다 • 오프셋 샤프트 장점 | • 복잡한 제조 • 특수 윤활제가 필요합니다 | 자동차 리어 액슬, 디퍼렌셜 |
| 연귀 | 교차(90°) | 98-99의 % | 1:1만 | • 간단한 방향 전환 • 속도 변경 없음 • 직선형/나선형으로 제공 | • 1:1 비율로 제한됨 • 각도는 90°만 가능 | 핸드 드릴, 인쇄기, 동력 인출 장치 |
| 내부의 | 평행(동심) | 높음 | 개인마다 다름 | • 컴팩트 한 디자인 • 동일한 회전 방향 • 높은 하중 용량 | • 복잡한 제조 • 접근성 제한 | 행성계, 자동 변속기 |
