헬리컬 기어의 구성 및 작동원리

1. 헬리컬 기어란?

헬리컬 기어는 대부분의 기계 제조, 가공 및 건설 기계에 존재하는 고급 산업용 기계 기어박스에 필요합니다.

동력 전달 장치로서의 헬리컬 기어의 주요 목적은 회전축 사이의 토크를 높이고 속도를 줄이는 것입니다. 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있는데 평행 부품 사이에 기계적 에너지를 전달하는 기어와 평행하지 않은 부품 사이에 에너지를 전달하는 교차 축 기어. 기능과 장점은 평 기어와 비슷하지만 더 높은 속도가 필요할 때 선호될 수 있습니다.

 

헬리컬 기어는 톱니가 나선 모양으로 구부러진 원통형 기어입이며 이 톱니는 나선 각도라고 하는 기어 축에 비스듬히 배치됩니다. 헬리컬 기어는 절단되었음에도 불구하고 단면도에서 평 기어와 동일한 나선형 톱니 형상을 갖습니다. 적절한 설계로 헬리컬 기어의 전체 접촉비가 커져 진동과 소음을 줄일 수 있습니다.

 

헬리컬 기어는 평 기어보다 더 강한 톱니와 더 높은 하중 전달 능력을 특징으로 하며 높은 수준의 구성 요소 및 하위 어셈블리 호환성을 통해 기어박스의 헬리컬 기어의 모듈식 설계 및 제작은 여러 엔지니어링 및 성능 이점을 제공합니다. 이를 통해 비용 효율적인 시공을 제공하는 동시에 최고 수준의 구성품 무결성을 유지할 수 있습니다.

 

 

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2. 헬리컬 기어의 작동 원리

시스템의 입력 토크에 대한 출력 토크의 비율이라고도 하는 기계적 이점은 헬리컬 기어의 기본 원리입니다. 기어비 또는 기어 트레인에서 초기 기어의 속도에 대한 마지막 기어의 속도의 비율은 기어의 기계적 이점을 결정합니다. 에너지 보존 법칙은 기어 트레인의 이러한 관계에서 중요한 역할을 합니다. 이 개념은 시스템의 절약된 전력을 검사하여 기어 트레인을 분석할 때 단순화할 수 있습니다. 또한 이 분석은 기어의 각속도를 토크와 관련시킵니다.

 

헬리컬 기어의 특수 톱니는 샤프트와 기어면에 대해 특정 각도로 배치됩니다. 헬리컬 기어 시스템에서 두 개의 톱니가 접촉할 때 초기 접촉점은 톱니의 한쪽 끝에 있으며 기어가 회전함에 따라 두 톱니가 완전히 맞물릴 때까지 접촉이 점차 확장됩니다. 작업 중에 두 개 이상의 톱니가 접촉하기 때문에 기어는 더 큰 하중을 견딜 수 있습니다.

 

톱니 사이의 하중 분담으로 인해 헬리컬 기어는 평 기어보다 더 조용하고 원활하게 작동할 수 있어 헬리컬 기어는 거의 모든 자동차 변속기에 사용됩니다. 또한 헬리컬 기어의 구부러진 톱니로 인해 비틀거리게 되므로 지그재그 패턴으로 쌓거나 정렬되지 않아야 합니다. 

 

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그러나 톱니의 경사각에 의해 발생하는 톱니 사이의 슬라이딩 접촉도 축 방향 힘과 열을 발생시켜 효율을 감소시킵니다. 헬리컬 기어의 각진 톱니는 기어가 맞물릴 때 기어에 추력 하중이 가해지도록 합니다. 헬리컬 기어 장치에는 이 추력을 견딜 수 있는 회전을 돕는 베어링이 있으며 장비 내부에서 베어링은 회전축을 지지합니다. 헬리컬 기어에는 추력 또는 롤러 베어링이 필요하며, 반경 방향 및 축방향 힘을 모두 견뎌야 하기 때문에 평 기어와 함께 사용되는 플레인 베어링보다 더 크고 비싼 경우가 많습니다.

 

나선 각도에 대한 탄젠트의 크기는 축력이 변하는 방식을 결정하며 나선 각도는 축 방향 힘의 생성으로 인해 일반적으로 45도로 제한되지만 나선 각도가 클수록 더 빠른 속도와 더 부드러운 동작을 제공합니다.

 

 

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3. 헬리컬 기어의 종류

1) 더블 헬리컬 기어

축 방향 추력을 극복하는 데 필요한 힘은 이중 헬리컬 기어에 의해 중화되거나 상쇄될 수 있습니다. 전체 면은 반대쪽 손과 동일한 나선 각도를 가진 두 개의 동일한 부분으로 나뉘며 힘은 기어에 포함되어 있으며 축 방향 추력이 서로 반대이기 때문에 베어링으로 전달되지 않습니다.

 

따라서 이러한 기어는 높은 적재 능력과 안정적인 변속기의 장점이 있습니다. 이중 헬리컬 기어는 이점으로 인해 해상 선박 및 건설 기계의 가스 터빈, 발전기, 원동기, 펌프, 팬 및 압축기의 동력 전달에 자주 사용됩니다.

 

 

 

일반적으로 특수 발전기는 거대한 이중 헬리컬 기어를 생산하는 데 사용됩니다. 그러나 톱니 배열은 기어 가공을 제한하며 엔지니어는 기어에 접근하는 위상차를 매우 정확하게 관리해야 합니다. 많은 제어 축과 여러 기능을 갖춘 공작 기계의 발명으로 기계의 복잡한 모양이 가능해졌습니다. 이 개발 공정은 베벨 기어 제조 공정으로 제안되었습니다.

 

나선 각도 조정은 작동 하중 하에서 톱니의 굽힘 및 비틀림을 보상하기 위해 넓은 면 너비를 가진 많은 단일 및 이중 헬리컬 기어에 적용됩니다. 이러한 조정 중에 설계 하중이 적용될 때 두 결합 기어의 나선 각도가 동일하도록 하려면 의도적으로 다르게 절단됩니다.

 

 

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2) 헤링본 기어

헤링본 기어는 특정 종류의 이중 헬리컬 기어이며  헤링본 기어에는 단일 기어에 오른손과 왼손에 각각 하나씩 두 세트의 기어 톱니가 있습니다. 두 세트의 기어 톱니가 있는 경우 한 세트의 추력이 다른 세트를 상쇄합니다. 상단에서 볼 때 이 기어의 각 나선형 홈은 문자 V와 유사하며 헤링본 패턴을 형성하며 이 패턴의 결과로 헤링본 기어는 더 이상 축 방향 하중을 생성하지 않습니다.

 

주어진 시간에 항상 두 개 이상의 톱니가 얽혀 있기 때문에 이 기어는 조용하고 매끄럽고 더 빠른 속도로 동력을 전달할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 각 절반의 측면 추력이 다른 절반과 균형을 이루기 때문에 헬리컬 기어에 비해 이점이 있습니다. 토크 기어 박스는 상당한 스러스트 베어링없이 헤링본 기어를 사용할 수 있습니다. 결과적으로 특히 선박 터빈 및 내연 기관에서 대형 고속 기계식 변속기의 이중 나선형 유성 기어 세트가 일반적입니다.

 

 

 

 

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3) 헬리컬 랙 앤 피니언

헬리컬 랙 앤 피니언으로 알려진 특정 종류의 선형 액추에이터는 원형 피니언의 회전 운동을 랙에서 선형 운동으로 변환합니다. 랙은 기어 톱니가 있는 직선 막대일 뿐이지만 무한 반경을 가진 기어의 일부로 개념화될 수도 있습니다. 헬리컬 랙과 피니언은 이동 길이가 2미터보다 큰 직선 운동에 적합하며 결합하면 회전 운동이 직선 운동으로 변환됩니다. 랙은 피니언이 회전할 때 일렬로 구동됩니다. 반면에 랙을 선형으로 움직이면 피니언이 회전합니다.

 

 

 

헬리컬 기어는 직선 톱니가 있는 기어보다 더 조용하고 효과적이며 톱니가 랙과 맞물리는 더 진보적인 방식 때문입니다. 헬리컬 기어는 접촉 길이가 더 길기 때문에 더 큰 하중을 지탱할 수도 있습니다. 또한 랙 기어와 피니언 기어는 평행축에서 헬리컬 기어의 반대쪽 손으로 인해 추력 구성 요소가 있습니다. 랙 및 피니언 기어는 자동차의 조향에 가장 자주 사용됩니다. 자동차에서 스티어링 휠의 회전 입력은 휠을 회전시키는 직선 운동으로 변환됩니다.

 

 

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4) 스크류 기어

맞물릴 때 스크류 기어는 단순한 롤링 운동이 아닌 스크류 동작 또는 측면의 영구적인 슬라이딩을 나타냅니다. 결과적으로, 교차 헬리컬 기어의 기준 물체에 있는 어떤 점도 순수한 압연 공정에 기인할 수 없으며 기어의 원주 속도는 어느 지점에서도 동일하지 않습니다. 스크류 기어 기준체는 회전 쌍곡선입니다.

 

기울기 직선은 회전축을 중심으로 회전하여 쌍곡선을 생성합니다. 스크류 기어는 공작 기계 드라이브에 사용되는 것과 같은 적당한 속도와 토크를 위해 만들어집니다.

중간 하중 및 속도 범위의 스크류 기어는 적은 양의 소음을 방출하며 플랭크의 빈번한 미끄러짐으로 인한 추가 마모를 방지하기 위해 하이포이드 기어 오일은 일반적으로 스크류 기어의 특정 윤활유로 사용됩니다. 그러나 스크류 톱니 경로에 의해서도 강한 횡력이 발생하며, 이는 올바른 베어링에 의해 구조적으로 흡수되어야 합니다.

 

 

 

기어 축의 비스듬한 방향과 저소음 작동 외에도 스크류 기어는 동력 전달을 크게 저하시키지 않고 다소 넓은 한계 내에서 축 방향으로 이동할 수 있으나 스크류 기어를 사용하면 측면 슬라이딩 동작으로 인해 변속기 효율이 저하됩니다. 웜 기어는 흔하지 않은 유형의 스크류 기어입니다. 웜 기어는 스크류 기어의 표준 케이스와 달리 측면의 선 모양 접촉을 제공하여 더 큰 토크를 전달할 수 있습니다.

 

 

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5) 헬리컬 웜 기어

헬리컬 웜 기어는 다른 기어와 맞물려 회전하는 외부 나선형 나사산이 있는 원통형 물체이며 웜 또는 나사는 이 특정 기어 시스템의 기어와 충돌합니다. 다양한 산업 분야에서 토크를 높이고 상당한 기어 감소가 필요한 경우 웜 기어를 사용합니다. 웜 기어는 종종 20:1, 때로는 300:1 이상의 감소를 갖습니다.

 

헬리컬 웜 기어는 종종 자동 잠금을 나타내는 높은 기어 감속을 가지고 있고 웜은 기어를 돌릴 수 있지만 기어는 웜을 돌릴 수 없습니다. 웜의 얕은 각도는 기어가 회전하려고 할 때 마찰로 인해 회전하는 것을 방지합니다. 

 

헬리컬 웜 기어는 고속 감속 기어링에 자주 사용됩니다. 컨베이어 시스템은 잠금 장치가 브레이크 역할도 하는 구현의 한 예입니다. 일부 고성능 자동차와 트럭의 토크를 높이는 Torsen 디퍼렌셜도 웜 기어를 사용합니다. Torsen® 디퍼렌셜은 토크 바이어스로, 타이어 전체에 토크를 분배하고 가장 유용한 방향으로 더 많은 토크를 바이어스하여 트랙션 손실 없이 작동하며 헬리컬 기어링에 토크를 가할 때 발생하는 마찰을 제어하여 작동합니다.

 

 

 

이 기어박스의 웜휠은 직경이 크고 웜축의 바깥쪽 톱니에 연결되며. 웜휠의 교차하지 않는 수직 축은 엔진이 회전 에너지를 생성하는 방식입니다. 맞물림 기어는 서로 통과하기 때문에 속도가 크게 감소할 수 있으며, 이는 광범위한 응용 분야에 유리합니다. 또한 도구, 엘리베이터 및 게이트를 교정하는 데 널리 사용됩니다. 헬리컬 웜 기어박스는 충격 하중과 관련된 상황에도 이상적이며 컨베이어 벨트, 포장 기계 및 분쇄 장비를 포함한 중장비 장치가 이 범주에 포함됩니다.

 

웜 기어 박스는 소음이 문제가되는 경우에도 사용할 수 있으며 웜 기어의 저전력, 저속 응용 분야는 잘 알려져 있지만 소량의 동력만 전달할 수 있습니다.

 

 

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6) 베벨 헬리컬 기어

헬리컬 베벨 기어 박스는 다른 각도에서도 작동하도록 만들 수 있지만 감속기의 출력축이 모터의 로터 샤프트를 기준으로 90도 회전하는 앵귤러 기어 박스입니다. 샤프트는 단단하거나 속이 비어 있을 수 있으며 샤프트를 다른 방향으로 회전해야 하는 경우 베벨 기어가 유용합니다.

 

높은 출력 밀도와 출력 토크가 필요한 앵귤러 기어드 모터와 관련된 응용 분야는 헬리컬 베벨 기어가 있는 기어박스를 사용해야 합니다. 베벨 헬리컬 기어 박스는 장치 가장자리의 원뿔 모양베이스 안에 둘러싸인 곡선 톱니가 특징입니다.

 

평행하지 않은 샤프트 사이에 회전 운동을 생성함으로써 이 디자인은 안정적이고 조용한 작동을 달성합니다. 관례에 따라 나선형 톱니는 다른 헬리컬 기어와 맞물리며 기어의 한쪽 끝에서 시작하여 접촉은 각 톱니의 길이에 걸쳐 점차적으로 증가합니다.

 

 

 

높은 토크 출력과 강력한 효율 비율이 필요한 응용 분야는 이러한 기어에 이상적으로 적합합니다. 베벨 헬리컬 기어 박스는 종종 산업용 믹서, 로프 리프터 및 수하물 컨베이어에 사용되며 톱니가 맞물리면 안정적인 동력과 에너지 전달이 가능합니다. 베벨 헬리컬 기어는 웜 기어박스에 비해 동력을 더 효과적으로 전달할 수 있고 높은 효율 비율을 제공합니다.