기어의 영역에서 리드 각도는 기어의 성능, 효율성 및 응용 분야에 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다. 리드 각도를 이해하는 것은 간단한 스퍼 기어에서 더 복잡한 나선형 및 헤링본 설계에 이르기까지 다양한 유형의 기어를 사용하는 엔지니어와 기술자에게 필수적입니다.
이 글에서는 리드 각도의 개념을 탐구하고, 그 정의, 계산 공식, 나선 각도와의 관계를 살펴봅니다. 또한 리드 각도에 따라 다양한 기어 유형을 살펴보겠습니다. 여기에는 리드 각도가 0인 스퍼 기어, 리드 각도가 0이 아닌 나선형 기어, 오른쪽과 왼쪽 나선형 기어의 구분, 더블 나선형 또는 헤링본 기어가 포함됩니다.
리드 앵글이란 무엇인가
리드 각(구 교과서 표기법에서는 리드 각도라고도 함)은 Ψ(ψ)로 표시되며, 기어 톱니에 작용하는 힘의 선과 기어 축에 수직인 평면 사이의 각도입니다. 다시 말해, 리드 각은 헬리컬 기어의 톱니가 기어 축과 이루는 각도입니다. 리드 각은 기어 축과 피치 원 위의 한 점을 포함하는 평면에서 측정됩니다.
리드 각은 헬릭스 각, 즉 헬릭스(톱니)와 기어 축 사이의 각도에 의해 결정됩니다. 헬릭스 각은 β(베타)로 표시됩니다. 리드 각과 헬릭스 각은 서로 관련되어 있으며, 그 관계는 기어의 피치 직경에 따라 달라집니다.
리드 각도 계산 공식
리드 각도 공식은 리드 각도를 나선 각도 및 법선 압력 각도와 관련시킵니다.
tan(Ψ) = tan(β) × cos(α)
어디에:
- Ψ는 리드 각도입니다.
- β는 나선각입니다.
- α는 정상 압력각(일반적으로 20° 또는 25°)입니다.
리드 각도를 찾으려면 나선 각도와 정상 압력 각도를 알아야 합니다. 나선 각도는 기어 설계에 따라 결정되며 기어의 피치 직경과 리드(축 방향 피치)를 사용하여 계산할 수 있습니다.
리드 각도와 헬릭스 각도의 관계
리드 각도와 헬릭스 각도는 관련이 있지만 동일하지는 않습니다. 헬릭스 각도는 톱니 트레이스와 기어 축에 수직인 평면 사이의 각도이고, 리드 각도는 작용선과 기어 축에 수직인 평면 사이의 각도입니다.
리드 각도와 나선 각도 사이의 관계는 다음과 같습니다.
tan(Ψ) = tan(β) × cos(α)
이는 주어진 나선 각도에 대해 리드 각도가 나선 각도보다 작다는 것을 의미합니다. 두 각도의 차이는 정상 압력 각도에 따라 달라집니다.
리드 각도에 따른 기어 유형
스퍼 기어(제로 리드 각도)
스퍼 기어는 기어 축과 평행한 이빨을 가지고 있어 리드 각도가 0입니다. 가장 간단한 유형의 기어이며 평행한 샤프트 사이에서 동력을 전달하는 데 사용됩니다. 스퍼 기어는 축 하중 구성 요소가 없으므로 반경 방향 하중만 전달합니다.
나선형 기어(제로가 아닌 리드 각도)
나선형 기어는 기어 축에 기울어진 이빨을 가지고 있어 리드 각도가 0이 아닙니다. 이빨은 기어 원주 주위에 나선을 형성합니다.
오른쪽 및 왼쪽 나선형 기어
헬리컬 기어는 헬릭스의 방향에 따라 우핸드 또는 좌핸드로 분류할 수 있습니다. 우핸드 헬리컬 기어는 앞에서 볼 때 시계 방향으로 이빨이 꼬이는 반면, 좌핸드 헬리컬 기어는 반시계 방향으로 이빨이 꼬입니다.
기어의 손잡이는 축 하중의 방향을 결정합니다. 오른쪽 나선형 기어는 기어 축 방향으로 축 하중을 생성하는 반면, 왼쪽 나선형 기어는 기어 축 방향과 반대 방향으로 축 하중을 생성합니다.
더블 헬리컬 기어(헤링본 기어)
헤링본 기어라고도 알려진 더블 헬리컬 기어는 기어 미드플레인에 대해 미러링된 두 세트의 헬리컬 이빨을 가지고 있습니다. 한 세트의 이빨은 오른쪽이고 다른 세트는 왼쪽입니다. 반대 헬릭스 각도는 축 하중을 상쇄하여 추력 하중을 생성하지 않고 더 높은 토크를 전달할 수 있는 기어를 만들어냅니다.
웜 기어(리드 앵글 및 셀프록킹)
웜 기어는 본질적으로 나선 각도가 매우 커서 하나 이상의 톱니가 축을 나사처럼 연속적으로 감싸는 헬리컬 기어입니다. 한쪽 부재가 나사이기 때문에 리드 각도가 구동 장치의 역구동 가능 여부를 결정하는 중요한 요소입니다.
산업용 웜 기어는 일반적으로 제조상의 실용성을 고려하여 2°~25° 사이의 표준 리드 각도를 사용합니다. 자체 잠금은 리드 각도가 arctan(μ) 이하일 때 발생하며, 청동 휠에 장착된 강철 웜 기어(정적 μ ≈ 0.145)의 경우 이 임계값은 약 5°~6°입니다.
이 값보다 낮으면 출력이 입력을 구동할 수 없으므로, 브레이크 없이 하중을 유지해야 하는 호이스트, 스크류 잭 및 게이트 작동기에는 웜 감속기(NMRV 시리즈 웜 기어박스 포함)가 사용됩니다. 하지만 리드 각도가 낮으면 효율이 50% 미만으로 떨어질 수 있고, 10° 이상이면 효율이 90% 이상에 도달하지만 자체 잠금 기능이 상실되는 단점이 있습니다.
