기어의 종류와 매커니즘

1. 기어란?

구조에 톱니가 있고 한 샤프트에서 다른 샤프트로 토크와 속도를 전달하는 데 사용되는 회전식 원형 기계를 기어라고 합니다.

기어는 톱니바퀴라고도 하며 톱니바퀴 또는 기어 휠에 톱니가 잘려 있고 이 톱니는 서로 맞물려 토크와 속도를 전달하는 데 사용됩니다. 기어는 수평 원리에 따라 작동하는 기계 장치이며 동력 장치의 방향, 속도 및 토크는 기어의 존재에 따라 변경될 수 있습니다.

 

기어는 크기가 다르고 토크의 양이 다를 수 있는 간단한 기계로, 기계적 이점을 제공합니다. 속도는 부착된 두 개의 메쉬 구조물의 회전 속도와 직경에 따라 다르며 모든 기어의 톱니 모양은 동일하고 균일한 간격입니다.

 

톱니는 토크를 제공하고 기어가 미끄러지는 것을 방지합니다. 두 개 이상의 맞물림 기어가 순차적으로 작동하는 경우 이를 변속기 또는 기어 트레인이라고 합니다. 선형 톱니 팩을 랙이라고 하며 메쉬가 선형 방향으로 작동하면 변환이 생성됩니다.

 

 

 

기어는 모양과 샤프트 위치에 따라 분류할 수 있으며 기어의 모양은 인벌류트, 사이클로이드 및 삼중 모양이 될 수 있습니다. 샤프트 위치가 평행 샤프트 기어 또는 교차 기어 일 수 있는지 여부와 평행하지 않은 샤프트 기어 또는 교차하지 않는 샤프트 기어. 기어는 일반적으로 물체에 장착되거나 샤프트 또는베이스를 사용하여 부착됩니다. 일반적으로 톱니가 있는 부품은 물체의 샤프트에 부착되며 구동력이 가해지면 샤프트가 회전합니다. 구동 기어도 변환되고 회전 운동이 있습니다. 기어는 반경과 그 안에 있는 톱니의 수로 정의됩니다.

 

 

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기어의 반경

기어 반경은 검사 중인 기어의 일부에 따라 다르며 루트 반경과 어덴덤 반경은 가장 관련성이 높은 기어 측정이며 이 측정값의 차이점은 측정되는 항목입니다. 루트 반지름을 결정하기 위해 기어는 기어의 중심에서 톱니 밑면까지 측정되고 커터 톱니 끝 옆의 기어 톱니 기준에 있는 모깎기 곡선인 커터 모깎기 반지름을 정의합니다. 기어 톱니 필렛은 최대 굽힘 응력 집중을 견뎌야 하고 항상 정확하게 측정할 수 없는 기어의 중요한 부분입니다.

 

어덴덤  반경은 톱니가 피치 원 또는 피치 선을 넘어 확장되는 높이이며 기어 중심에서 톱니 상단까지의 거리입니다. 어덴덤  반경이 일부인 어덴덤  원은 외부 기어의 외부 실린더와 내부 기어의 내부 원입니다. 어덴덤  반경은 기어 중심에서 피치 점까지의 거리이기 때문에 피치 반경이라고도 합니다.

 

반경의 치수는 기어 유형에 따라 다르며 피치 반지름과 부록 반지름은 피치 원 지름의 일부입니다.

 

 

 

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기어 이

기어의 톱니는 다른 기어와 접촉할 수 있도록 하고 피치가 인접한 기어 톱니의 동일한 지점 사이의 거리인 동작 또는 움직임의 변화를 제공하는 기어의 일부입니다. 기어의 정의는 동력 전달 중 미끄러짐을 방지하는 기어의 필수 부분인 톱니에 대한 설명으로 시작됩니다. 

 

기어 톱니는 일반적으로 블랭크로 절단되지만 개별적으로 삽입할 수도 있으며 블랭크로 만든 기어는 톱니가 약해지고 고장날 때 전체 기어를 교체해야 합니다. 기어 유형에 따라 톱니의 위치와 톱니의 각도가 결정되며 직선 또는 나선형일 수 있습니다. 톱니는 기어의 바깥쪽 둘레, 안쪽 부분의 안쪽 주위에 배치하거나 둘레 주위를 평평하게 할 수 있습니다.

 

기어 톱니의 기본 구조는 다소 단순하고 복잡하지 않은 것처럼 보일 수 있으며 실제로 기어 톱니의 구조를 정밀하게 계산하기 위해 많은 생각과 수학적 공식이 사용됩니다.

 

나선형 기어 톱니는 구동 및 종동 기어에 가장 일반적으로 사용되는 기어 톱니이며 모양은 기본 원의 직경에 따라 다릅니다. 표준 나선형 톱니는 동일한 피치, 압력 각도 및 나선 각도를 갖는 모든 기어와 맞물릴 수 있고 접촉은 동일한 나선의 두 나선형 형이 만나는 단일 지점에서 발생합니다.

 

기어 톱니 설계에 사용되는 몇 가지 요소는 다음과 같습니다.

• 톱니표면 : 피치 표면 외부의 톱니 표면
• 톱니측면 : 피치 표면 내부의 톱니 표면
• 톱니 두께 또는 원형 두께: 피치 원에서 측정된 톱니 두께(호의 길이)
• 루트 서클: 톱니 사이의 공간을 경계로 하는 원
• 톱니 공간: 톱니 사이의 거리
• 원형 피치: 톱니의 폭과 공백
• 지름 피치: 피치 직경의 인치당 톱니 수

 

 

 

 

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기어의 각 부분

기어는 한 축에서 다른 축으로 회전을 전달하고 샤프트의 출력 속도를 변경하는 데 사용되며 톱니가 샤프트의 움직임을 미세하게 제어할 수 있기 때문에 일반적으로 높은 하중에 사용됩니다.

 

- 어덴덤 - 기어의 톱니는 피치 서클에서 외부 기어의 경우 바깥쪽으로, 내부 기어의 경우 안쪽으로 확장됩니다. 이 기어 투영은 피치 직경과 기어 직경 사이의 반경 방향 거리이며, 이를 기어 톱니의 상단이 부록 원을 형성하는 부록이라고 합니다.

 

- 축- 축은 기어 이동의 방향과 해당 동작이 변환되는 방식을 제어합니다. 평행 축은 두 축이 평행한 가장 일반적인 형태의 축입니다. 교차하는 축을 사용하면 축이 서로 수직이며 동작 방향을 변경하는 데 사용됩니다. 평행과 교차가 가장 일반적인 형태의 축이지만 평행하지 않고 교차하지 않는 기어가 있습니다.

 

- 베이스 서클 - 베이스 서클은 톱니 프로파일을 생성하기 위한 나선형 곡선을 생성하는 데 사용되는 이론적 구조입니다.

 

- 원형 피치 - 원형 피치는 한 톱니의 고정점에서 인접한 톱니의 동일한 고정점까지의 거리로, 피치 원을 따라 측정됩니다. 측정은 기어의 곡선으로 인해 선이 아닌 호 형태이며 기어가 제대로 맞물리려면 두 기어의 톱니 사이의 공간이라고도 하는 원형 피치가 같아야 합니다.

원형 피치를 계산하는 공식에는 파이(π)가 포함되어 있기 때문에 번거로운 계산을 피하기 위해 기어 톱니 크기의 단위인 모듈을 사용합니다. 기어 모듈은 유리수이기 때문에 원형 피치보다 다루기 쉽습니다.

 

- 데덴덤 - 이단은 피치 원과 소지름 또는 내경 사이의 기어 톱니 깊이입니다.

 

- 직경 피치 (DP) - 직경 피치는 피치 직경에 대한 톱니 수의 비율이며 기어가 제대로 맞물리려면 직경 피치가 같아야 합니다. 미국과 영국에서는 인치당 톱니 수로 표현되며 인치당 톱니 수가 증가함에 따라 톱니의 프로파일이 작아지며 DP 값이 클수록 기어의 톱니 크기가 작아집니다.

 

- 필렛- 트로코이드라고도 하는 기어 톱니 필렛은 기어 절삭 동작의 부산물이며 기어 톱니의 커터 팁 인상 직전에 위치합니다.

 

- 형태 지름 - 형태 직경은 기어 톱니의 트로코이드 또는 필렛 곡선을 연결하여 생성되는 가상의 원으로, 나선형 형태 직경(TIF)으로 알려져 있으며 기본 원 직경보다 작습니다.

 

- 기어비 - 기어비는 다른 기어가 한 번 회전하기 위해 기어가 몇 번 회전해야 하는지를 나타냅니다. 두 개 이상의 연동 기어의 회전 속도 비율을 직접 측정한 것입니다. 동력을 받는 구동 기어가 구동 기어보다 크면 후자가 더 빨리 회전합니다. 반대로 취하고 동력 기어가 구동 기어보다 작으면 전자가 더 빨리 회전합니다.

 

 

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- 피치 서클 - 피치 원은 기어의 크기를 정의하며 맞물리려면 다른 기어에 접해야 합니다. 유사한 원과 접촉할 수 있는 반경을 가진 기어의 각 톱니를 통과하는 가상의 원입니다.

 

- 피치 지름 - dm 또는 d2로 식별되는 피치 지름은 피치 원의 지름이며 두 기어가 서로 얼마나 떨어져 있어야 하는지 계산하는 데 사용됩니다. 나사산과 홈의 너비와 같습니다. 피치 지름은 원통이 장지름과 단지름 또는 피치 선과 교차할 때의 원통의 너비입니다. 기어의 호환성을 결정하는 중요한 부분이며 나사 측정을 위한 기준 프레임으로 사용됩니다.

 

- 압력 각도 - 압력각은 피치 원에 접하는 선과 피치 원에서 톱니 프로파일에 대한 법선으로 형성된 각도입니다. 기어 톱니의 나선형 곡선을 형성하는 데 사용되는 도구에 의해 결정됩니다. 표준 압력 각도는 14.5도, 20도 및 25도입니다. 압력 각도는 기어가 접촉하는 방식과 톱니를 따라 분산되는 힘의 양을 결정하며 두 기어가 맞물리려면 압력각이 같아야 합니다.

 

- 톱니- 기어의 톱니는 기어의 설계에 따라 바깥쪽 또는 안쪽으로 돌출되며 바깥쪽으로 돌출할 때 기어 둘레의 톱니가 회전을 전달하는 데 사용됩니다. 기어 내부에 있을 때 내부 기어라고 하며 외부 기어와 일치하고 일반적으로 유성 기어 드라이브에 사용됩니다.

 

 

 

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기어 톱니의 부분

모든 기어의 정의 중 일부는 일반적으로 나선형 곡선 프로파일을 갖는 기어 톱니의 프로파일을 기반으로 합니다. 다른 유형의 프로파일은 사이클로이드 톱니 모양과 트로코이드 톱니 모양으로 특정 용도에 사용되는 특수 유형의 톱니입니다. 나선형 모양은 두려움이 힘을 원활하게 전달할 수 있도록 도와줍니다.

 

기어 톱니의 프로파일은 외부 원과 루트 원 사이의 톱니 단면의 한 면입니다.

 

- 탑 랜드 - 기어 톱니의 상단 랜드는 톱니 상단의 평평한 표면이며, 그 너비를 면 너비라고 하며 두께는 두 톱니 사이의 간격과 같습니다.

 

- 톱니 두께 - 톱니 두께(ts)는 피치 원을 따라 측정된 톱니의 반대쪽 면 사이의 호 길이입니다. 직접 측정되지 않고 기어 톱니의 다른 치수에서 계산됩니다.

 

- 톱니 페이스 - 톱니 면은 부록 원과 피치 원 사이의 결합면입니다. 피치 표면 외부에 있는 톱니의 일부입니다

 

- 톱니 측면 - 톱니 측면은 선단 표면과 치근 표면 사이의 표면이며 부피 측면, 이단 측면 및 혼합면으로 구성됩니다.

 

- 필렛 반지름 - 기어 톱니의 필렛 반지름은 베이스에 있으며 최대 굽힘 응력 집중 영역입니다. 한계 프로파일이 있으며 정의하고 검사하기가 어렵습니다.

 

- 톱니 간격 - 톱니 피치는 인접한 톱니의 두 점 사이의 거리이며 피치 라인에서 측정됩니다. 피치에 대한 설명은 지름 피치, 원형 피치 및 모듈로 지정됩니다 .

 

- 피치 포인트 - 기어 톱니의 피치점은 두 기어가 맞물리고 중심선에 있을 때 두 기어의 피치 원 사이의 접선입니다. 피치점의 위치에 따라 두 톱니의 속도 비율이 결정됩니다.

 

- 페이스 너비 - 면 너비는 축 평면을 따라 톱니의 길이입니다. 면폭을 늘리면 톱니의 굽힘 강도와 톱니 표면 강도가 증가합니다. 면폭이 결합부보다 작은 경우, 결합부를 유효면폭이라고 한다.

 

기어 작동 방식

기어는 일반적으로 모양이 원형이고 가장자리나 상단에 톱니와 같은 구조가 있는 기계 장치이며 기어는 작동을 위한 회전력과 토크를 제공하기 위해 많은 기계에서 사용됩니다. 기어는 쌍으로 작동하여 미끄러짐을 방지하는 데 도움이 되며 한 기어의 톱니가 다른 기어에 맞물립니다.

 

기어는 톱니가 있고 회전축에 배치되는 기계이며 기어 쌍이 원형이면 회전 속도와 생성된 토크가 일정하지만 원형이 아닌 경우 속도와 토크 비율이 다를 수 있습니다.

 

일정한 속도와 변하지 않는 토크를 위해서는 기어의 프로파일을 조심스럽게 형성하는 것이 중요합니다. 피니언이라고도 하는 더 작은 기어 쌍은 구동 기어에 있으며 쌍이 움직이고 속도를 줄이고 기어의 토크를 증가시킵니다. 그러나 피니언이 종동축에 있으면 속도가 증가하고 토크가 감소합니다.

 

기어 쌍이 있는 샤프트는 가까이 배치해야 하지만 그 사이에 공간이 있어야 하며 회전축은 평행, 비평행, 교차 또는 교차하지 않을 수 있습니다. 기어는 회전축으로 서로 연결되며 이 샤프트는 레버 역할을 합니다.

기어의 주요 기능은 한 부품에서 다른 부품으로 에너지 또는 회전을 전달하는 것이며 한 번에 많은 기어를 연결할 수 있습니다.

 

 

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2. 기어 형상

산업 응용 분야에는 다양한 유형의 기어가 있으며 각각은 용도에 따라 서로 다르게 설계되었습니다.

 

기어 형상

대부분의 경우 기어는 원형 모양이지만 타원형, 삼각형 또는 정사각형 모양으로도 볼 수 있습니다. 원형 기어는 더 나은 기어비를 제공하는데 이것은 주어진 입력의 비율이 동일한 출력 비율을 제공한다는 것을 의미하며 회전 속도와 토크에 적용됩니다. 그러나 기어가 원형이 아닌 경우 가변 기어비를 제공하는데 속도와 토크가 계속 증가하거나 감소합니다.

 

 

 

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톱니 설계 및 구성

톱니 설계 및 구성은 기어의 중요한 특성이며 유형의 기어는 톱니 디자인이 다릅니다.

 

기어 톱니 설계는 다음과 같은 요인에 의해 결정됩니다.

• 톱니 구조
• 톱니 배치
• 톱니 프로파일

 

기어 톱니 구조는 기어의 유형과 용도에 따라 다르며 톱니는 절단부에 직접 삽입되거나 절단부에 별도로 배치될 수 있습니다. 때때로 기어 사용 중에 톱니가 마모되며 톱니가 절단부에 박혀 있으면 전체 기어를 제거해야 합니다.

 

그러나 톱니를 따로 배치하여 매립시키면 제거하기가 더 쉬우며 이를 통해 기어 교체 비용을 최소화하고 용도에 따라 맞춤화할 수 있습니다. 기어 톱니는 외부 또는 내부에 배치된 절단부에 삽입할 수 있습니다.

 

외부 톱니는 기어 중심의 바깥쪽을 향하는 것을 의미하고, 내부 기어 톱니 배치는 기어 중심을 향한다는 것을 의미합니다. 짝을 이루는 쌍에서 톱니 배치는 기어의 회전을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 짝을 이룬 쌍의 톱니 위치가 바깥쪽에 있으면 회전 운동은 반대 방향이 됩니다.

 

동일한 동작 방향이 필요한 응용 분야가 있는 경우 이 두 쌍 사이에 아이들러 기어가 배치되어 회전 방향이 변경됩니다. 짝을 이룬 쌍에 두 배치(외부 및 내부)가 모두 있는 경우 회전은 같은 방향이 됩니다. 이렇게 하면 아이들러 기어가 필요하지 않으며 많은 응용 분야에 적합합니다.

 

 

 

기어 톱니의 또 다른 특징은 톱니 프로파일입니다. 톱니 프로파일은 기어의 속도와 마찰 생성에 중요한 톱니의 단면적입니다. 톱니 프로파일에는 여러 유형이 있지만 가장 일반적인 것은 인벌류트, 트로코이드 및 사이클로이드입니다. 나선형 톱니 기어는 궤적 모양을 형성하는 곡선을 가지고 있습니다.

 

이 곡선은 기어 성능에 일정한 압력을 생성하기 때문에 중요합니다. 가장 일반적으로 사용되는 프로파일은 많은 응용 분야에서 사용할 수 있으므로 나선형 형입니다. 트로코이드 기어는 펌프에 사용되며 사이클로이드 기어는 압력 송풍기 및 시계에 사용됩니다.

 

 

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기어 축 구성

기어는 축과 기어 쌍의 위치 관계에 따라 분류됩니다. 세 가지 분류는 평행 축, 교차 축, 비평행 및 교차하지 않는 축입니다. 세 가지 구성의 차이점은 교차하는 기어 샤프트가 서로 비스듬하거나 수직인 반면 기어를 고정하는 샤프트가 서로 평행한 기어 샤프트와 상호 작용하는 방식입니다. 평행하지 않고 교차하지 않는 기어는 기어 톱니 표면 사이의 미끄러짐에 의해 회전력을 전달합니다.

 

평행 축 구성

평행 축 기어 구성이라는 용어의 사용은 기어의 맞물림이 98 %에서 최대 99.5 %의 효율을 전달하는 롤링 접촉을 생성하는 평행 축 사이의 동력 전달을 나타냅니다. 이 구성에서 기어는 평행 축에서 동일한 평면의 회전축에 연결됩니다. 종동 기어는 구동 기어와 반대 방향으로 움직여 효율을 향상시킵니다. 결합된 기어의 움직임과 회전의 전달이 매우 높습니다.

 

평행 기어 구성에 사용되는 기어 유형은 이중 나선형, 나선형, 헤링본 요소 및 평 기어이며 평 및 헬리컬이 가장 일반적으로 사용됩니다. 평 기어는 비용이 저렴하고 디자인이 단순하지만 많은 소음을 발생시키며 일대일 톱니 접촉으로 인해 많은 양의 토크에 적합하지 않을 수 있습니다.

 

높은 토크 응용 분야의 경우 헬리컬 기어가 더 나은 선택이며 접촉 비율을 증가시키고 더 조용하게 달리는 각진 톱니를 가지고 있습니다. 평행축 구성을 위한 헬리컬 기어의 단점은 나선 형태에 의해 생성되는 축 방향 추력입니다.

 

평행 축 구성 기어는 최적의 신뢰성을 제공하고 유지 보수가 쉬우며 최소한의 구성 요소를 가지며 이 구성은 가장 일반적인 유형의 기어 배열이며 피니언과 기어로 구성됩니다. 평행 기어가 설명되는 다양한 방법은 이중 증가기, 감속기, 삼중 증가기 또는 감속 기어입니다.

 

 

 

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교차 기어 구성

교차 기어 구성에는 동일한 평면 내의 단일 지점에서 교차하는 두 개의 축이 포함됩니다. 교차하는 축 기어와 관련된 중요한 요소는 장착 거리가 핵심 설계 매개변수인 서로에 대해 적절하게 구성되는 것입니다. 장착 거리에는 한 기어 뒷면의 위치 결정 표면을 액션 정점의 평면에 맞추는 것이 포함됩니다. 기어 베이스 원뿔 정점, 짝을 이루는 피니언 베이스 원뿔 정점 및 정점 평면은 이상적인 접촉을 위해 함께 스냅되어야 합니다.

 

교차 기어는 기어 샤프트를 지지하고 샤프트를 지지하기 위한 보어가 있는 기어 하우징에 배치됩니다. 하우징의 중요한 측면은 축과 정렬된 기어 축 회전을 유지하는 능력입니다. 

 

교차하는 기어의 샤프트는 설계에 따라 토크와 속도를 변경할 수 있도록 기울어져 있어공간을 절약하고 윤활을 개선하며 기어 톱니에 가해지는 스트레스를 줄입니다.

 

베벨 기어는 직각으로 교차하는 기어에 가장 일반적으로 사용되며 더 비싸고 평행 샤프트 기어 배열만큼 많은 토크를 전달할 수 없습니다. 교차하는 기어의 고유한 구성은 기어가 원뿔의 측면을 따라 비스듬히 톱니가 있는 원뿔 모양을 가져야 합니다. 동력 기어가 회전하면 동력 전달의 힘과 각도가 변경되는 또 다른 원뿔 모양의 기어가 구동됩니다.

 

 

 

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Non-Parallel 및 Non-Intersecting 구성

교차하는 기어와 마찬가지로 평행하지 않은 기어와 교차하지 않는 기어는 서로 직각입니다. 스큐 베벨 기어링 또는 스파이럴 기어링으로 알려져 있으며 서로 직각 또는 수직이지만 교차하지는 않습니다. 평행하지 않고 교차하지 않는 기어의 구성에는 비스듬히 유사한 톱니가 있고 서로 수직으로 배치된 헬리컬 기어가 포함됩니다.

 

비평행 및 교차하지 않는 기어의 또 다른 형태는 웜 기어 또는 나사산 샤프트와 평 기어를 포함하는 웜 기어 배열입니다. 나사산 샤프트가 단일 회전으로 회전하면 톱니가 나사산의 피치와 동일한 거리로 변위되며 웜 기어의 회전은 평 기어를 구동합니다.

 

평행하지 않고 교차하지 않는 기어 구성의 하이포이드 기어 구성은 교차 기어와 매우 유사하며 기어와 맞물리는 피니언을 포함합니다. 피니언이 고속으로 회전함에 따라 더 큰 기어가 천천히 회전합니다. 두 기어에는 오프셋 축이 있기 때문에 평행하지 않고 교차하지 않는 기어 범주에 속합니다.

 

 

 

이러한 모든 특성은 특정 용도에 맞는 기어 유형을 선택할 때 고려해야 할 중요한 사항입니다. 기어를 구입할 때 고려해야 할 사항에는 기어 구성에 사용되는 재료 유형, 표면 처리, 톱니 수, 각도 및 윤활유 유형이 포함됩니다.