1. 베벨 기어란?
베벨 기어는 수직 또는 비스듬히 교차하는 샤프트 사이에 기계적 에너지 또는 샤프트 동력을 전달하는 데 사용되는 톱니 회전 기계 요소입니다. 이로 인해 샤프트 동력의 회전축이 변경됩니다. 이 기능 외에도 베벨 기어는 각속도에 반대 효과를 주면서 토크를 높이거나 낮출 수 있습니다.
베벨 기어는 측면에서는 밀링된 톱니가 자체 톱니 세트가 있는 다른 기어와 맞물리며 샤프트 동력을 전달하는 기어를 구동 기어라고 하고 동력이 전달되는 기어를 종동 기어라고 합니다. 구동 기어에 대한 구동 톱니 수 사이의 비율은 기어비로 알려져 있으며 기계적 효율은 입력 토크에 대한 출력 토크의 비율입니다.
이 관계는 다음 방정식으로 표시됩니다.
MA는 기계적 효율, Tb 및 Ta는 토크, rb 및 ra는 반경, Nb 및 Na는 각각 구동 및 구동 기어의 톱니 수입니다.
방정식에서 구동 기어의 톱니 수를 늘리면 출력 토크가 커진다는 것을 알 수 있으며 기계적 효율을 높이면 구동 기어의 출력 속도가 감소합니다.
ωa 및 ωb는 각각 구동 기어와 종동 기어의 각속도이며 일반적으로 베벨 기어 세트에는 10:1의 기어비가 권장됩니다. 구동 기어의 속도를 높이려면 1:5의 기어비가 권고됩니다.
베벨 기어는 일반적으로 한 쌍의 세트이며 서로 바꿔서 사용해서는 안 됩니다. 베벨 기어는 대부분 방사형 하중만 전달하는 평 기어와 달리 추력과 방사형 하중 모두의 고유한 전달로 인해 특정 방식으로 조립됩니다.
2. 베벨 기어의 효율
효율은 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율로 정의되며 베벨 기어의 경우 변속기 중 동력 손실은 톱니 표면 사이의 미끄러짐과 베어링 또는 하우징에 가해지는 하중으로 인한 마찰에 기인합니다.
다른 유형과 비교하여 다양한 유형의 베벨 기어의 효율성은 아래 표에 요약되어 있습니다.
| 기어의 종류 | 효율범위 | 베어링 하중 유형 |
| 스트레이트 베벨 기어 | 97 – 99.5% | 방사형 및 추력 |
| 스파이럴 베벨 기어 | 97 – 99.5% | 방사형 및 추력 |
| 제롤 베벨 기어 | 97 – 99.5% | 방사형 및 추력 |
| 하이포이드 베벨 기어 | 90 – 98% | 방사형 및 추력 |
| 외부 평 기어 | 97 – 99.5% | 방사형 |
| 내부 기어 | 97 – 99.5% | 방사형 |
| 웜 기어 | 50 – 90% | 방사형 및 추력 |
일반적인 기어 유형
3. 베벨 기어의 종류
톱니 프로파일과 방향에 따라 분류되는 다양한 유형의 베벨 기어가 있습니다. 나선형 및 하이포이드 베벨 기어와 같은 더 복잡한 유형은 CNC 가공과 같은 제조 공정의 추가 개발로 인해 발생했습니다.
1) 스트레이트 베벨 기어
직선 베벨 기어는 베벨 기어의 가장 간단한 형태입니다. 톱니는 연장될 때 기어의 축에서 교차하는 직선에 있고 톱니의 두께가 가늘어져 치아의 바깥쪽 또는 발 뒤꿈치 부분이 안쪽 부분 또는 발가락보다 큽니다.
직선 베벨 기어는 순간 접촉선이 있어 장착 시 더 많은 허용 오차를 허용하며 이 유형을 사용할 때의 단점은 진동과 소음이며 직선 베벨 기어를 저속 및 정적 하중 응용 분야로 제한합니다. 직선 베벨 기어의 CA 일반적인 응용 분야는 자동차의 차동 시스템입니다.
2) 스파이럴 베벨 기어
나선형 베벨 기어는 가장 복잡한 형태의 베벨 기어입니다. 나선형 기어의 톱니는 직선 베벨 기어의 톱니 방향과 달리 구부러지고 비스듬하여 톱니 사이에 더 많은 겹침이 발생하여 톱니 접촉 시 점진적인 결합과 분리가 촉진되며 작동 중에 발생하는 진동과 소음이 최소화됩니다.
또한 접촉하는 더 많은 톱니에서 더 높은 하중 공유로 인해 나선형 베벨 기어는 더 나은 하중 용량을 가지며 이를 통해 동일한 용량의 직선 베벨 기어에 비해 더 작을 수 있습니다.
나선형 베벨 기어의 단점은 더 큰 추력 하중이 가해져 더 비싼 베어링이 필요하다는 것입니다. 롤링 요소 스러스트 베어링은 일반적으로 나선형 베벨 기어 어셈블리에 필요하며 나선형 베벨 기어는 일치하는 세트로 만들어집니다. 동일한 디자인의 다른 기어 세트는 의도적으로 교체할 수 있도록 제작되지 않는 한 교체할 수 없습니다.
3) 제롤 베벨 기어
제롤 베벨 기어는 톱니가 세로 방향으로 구부러져 있으며 프로파일에서 나선형 베벨 기어와 다소 유사한데 차이점은 나선형 각도입니다. 제롤형은 나선각이 0°이고 나선형 형은 35°입니다.
직선 베벨 기어와 마찬가지로 Zerol 유형은 과도한 추력 하중을 생성하지 않기때문에 플레인 콘택트 베어링을 사용할 수 있습니다. 제로엘 타입은 하우징이나 베어링을 교체하지 않고 직선 베벨 기어로 대체할 수 있으며 곡률로 인해 Zerol 베벨 기어 톱니는 나선형 기어와 유사한 약간 겹치는 동작을 하게 되어 기어가 직선 베벨 기어보다 더 부드럽게 작동합니다.
제롤 베벨 기어 톱니는 로터리 밀 커터에 의해 생성되며 이 커터의 곡률은 톱니의 세로 방향 곡률을 만듭니다. Zerol 베벨 기어는 고정밀이며 종종 래핑 또는 연삭으로 마무리됩니다.
4) 하이포이드 베벨 기어
하이포 이드 베벨 기어는 샤프트의 축이 교차하거나 평행하지 않은 특별한 유형의 베벨 기어입니다. 두 기어 축 사이의 거리를 오프셋이라고 하며 하이포이드 베벨 기어의 톱니는 나선형 베벨 기어와 유사한 나선형입니다. 오프셋 없이 설계된 하이포이드 베벨 기어는 단순히 나선형 베벨 기어이며 하이포이드 유형의 제조 및 성형은 나선형 베벨 기어와 유사합니다.
오프셋으로 인해 하이포 이드 베벨 기어 세트의 작은 기어 (피니언)의 나선형 각도는 더 큰 기어의 나선형 직경보다 크게 만들 수 있습니다. 기어의 톱니 수의 비율은 피치 직경의 비율 또는 기어의 이론적 작동 직경에 정비례하지 않습니다. 이를 통해 더 큰 피니언을 특정 크기의 구동 기어에 일치시킬 수 있으므로 피니언을 더 강하게 만들고 더 큰 기어에 더 높은 접촉비를 얻을 수 있습니다.
하이포 이드 기어는 더 많은 토크를 전달하고 더 높은 기어비에서 작동 할 수 있으며 오프셋이 충분하면 샤프트가 교차하지 않기 때문에 기어의 양쪽에 베어링을 배치할 수 있습니다. 그러나 오프셋이 증가함에 따라 효율성이 감소한다는 단점이 있습니다.
하이포이드 기어는 나선형 기어에 비해 최소한의 진동으로 더 부드럽게 작동합니다. 그러나 하이포이드 기어 사용의 단점은 앞서 효율성 문제를 제외하고 치아 표면을 가로질러 발생하는 많은 양의 슬라이딩이기 때문에 특수 윤활유를 사용해야 합니다.
5) 마이터 베벨 기어
마이터 베벨기어는 기어비가 1:1인 베벨 기어의 일종으로, 구동 기어와 종동 기어의 톱니 수가 같습니다. 마이터 기어는 기계적 이점을 생성하지 않기 때문에 이 유형의 기능은 축 또는 회전 변경으로 제한됩니다.
일반적으로 마이터 기어에는 수직으로 교차하는 축이 있으며 일부 어셈블리에서는 샤프트가 모든 각도에서 교차하도록 정렬됩니다. 이를 앵귤러 마이터 베벨 기어라고 합니다. 앵귤러 마이터 베벨 기어의 샤프트 각도는 45°에서 120° 사이입니다. 마이터 베벨 기어 톱니 절단은 직선, 나선형 또는 Zerol 일 수 있습니다.
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