기어 종류

왜 배우는가: 기어는 건설기계 동력전달장치에서 감속과 회전 방향 변환을 맡는 가장 기본적인 기계요소이다. 두 축의 상대 위치와 필요한 속도비에 따라 기어의 종류가 달라지므로, 종류를 나누는 기준을 먼저 알아야 설계 선정과 답안 구성을 모두 바르게 할 수 있다. 평행축, 교차축, 엇갈림축의 분류는 기술사 시험의 기본 질문이므로 반복해서 익혀야 한다.

출제 이력: 제138회 3교시 3번, 제131회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기어는 맞물리는 이(치)를 이용해 두 축 사이에서 회전운동과 동력을 정확한 속도비로 전달하는 기계요소이다.

이 정의의 핵심은 두 가지이다. 첫째, 기어는 이가 직접 물려 힘을 주고받으므로 축 사이의 마찰에 의존하는 마찰차와 달리 미끄럼 없이 회전을 넘긴다. 둘째, 이의 수가 정해져 있어 두 축의 회전수 비가 일정하게 유지된다. 따라서 기어는 정확한 속도비가 필요한 감속기, 변속기, 동력전달장치의 기본 요소로 쓰인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 치형: 이의 단면 모양으로, 주로 인벌류트 치형이 쓰인다.
• 맞물림: 구동 기어의 이가 종동 기어의 이 사이에 들어가 힘을 주고받는 상태이다.
• 속도비: 구동축과 종동축의 회전수 비로, 두 기어의 잇수비로 정해진다.
• 평행축 기어: 두 축이 나란히 놓인 기어로, 스퍼기어와 헬리컬기어, 랙과 피니언이 속한다.
• 교차축 기어: 두 축이 한 점에서 만나는 기어로, 베벨기어가 대표적이다.
• 엇갈림축 기어: 두 축이 평행하지도 만나지도 않는 기어로, 웜기어와 하이포이드기어가 속한다.

기어를 나누는 기준은 두 축의 상대 위치이다. 두 축이 평행한지, 교차하는지, 엇갈리는지에 따라 쓸 수 있는 기어의 형식이 정해진다. 따라서 답안은 이 세 분류를 먼저 세우고 각 분류에 속한 기어를 붙여 쓰는 구성이 가장 명확하다.

2. 개념 풀이

기어는 원통이나 원뿔의 바깥 면에 이를 일정한 간격으로 배열한 회전체를 한 쌍 맞물려 두 축 사이에 회전과 토크를 전달하는 기계요소이다. 한 쌍에서 동력을 넣는 쪽을 구동 기어, 받는 쪽을 종동 기어라 하며, 이 방향에 따라 회전수와 토크가 감속 또는 증속되는 결과가 정해진다.

원리를 보면, 기어의 치형은 맞물리는 순간에도 두 기어의 피치원이 미끄럼 없이 굴러가는 것과 같은 운동을 하도록 설계된다. 이 조건이 맞물림의 법칙이며, 공통법선이 항상 두 기어 중심을 잇는 선 위의 한 점(피치점)을 지나야 속도비가 일정하다. 치형이 이 법칙을 만족하면 두 기어의 회전수는 잇수에 반비례하므로 속도비가 잇수비로 정해진다.

구동 기어의 잇수를 Z1, 종동 기어의 잇수를 Z2, 두 기어의 회전수를 N1, N2라 하면 속도비는 i = N_1 / N_2 = Z_2 / Z_1 로 쓴다. 이 식에서 구동 기어의 잇수가 종동 기어보다 작을수록 종동 기어가 감속된다. 속도비는 두 기어의 잇수비로 정해진다.

맞물림 작용선이 두 피치원의 공통접선과 이루는 각을 압력각이라 한다. 표준 기어에서는 압력각 20°가 가장 널리 쓰인다. 압력각을 키우면 이뿌리의 폭이 넓어져 강도와 하중 능력이 커지고, 줄이면 백래시가 작아져 운전이 부드러워진다. 따라서 압력각은 강도와 운전 특성 사이의 절충으로 선정한다.

외접기어와 내접기어는 맞물리는 방향이 다르다. 외접기어 한 쌍은 회전방향이 서로 반대이고, 내접기어 한 쌍은 같은 방향으로 회전한다. 한 쌍의 기어로 얻을 수 있는 감속비에는 한계가 있으므로, 여러 기어를 연결한 기어열을 쓴다. 기어열 전체의 속도비는 각 단 속도비의 곱으로 구한다. 유성기어열은 태양기어, 유성기어, 내접 링기어로 구성되어 작은 공간에서 큰 감속비를 얻는다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 인벌류트 곡선은 기초원에 감은 실의 끝이 그리는 곡선으로, 이 곡선을 치형으로 쓰면 중심거리가 변해도 속도비가 유지된다.
• 피치원은 두 기어가 미끄럼 없이 구른다고 가정할 때의 기준 원으로, 피치원 지름의 비가 잇수비와 같다.
• 백래시는 맞물린 이 사이의 틈새로, 윤활과 열팽창을 위해 두며 과도하면 충격과 소음의 원인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

두 축 사이에 회전을 전달하는 가장 단순한 방법은 두 원판을 맞대어 마찰로 돌리는 마찰차이다. 그러나 마찰차는 접촉 압력이 작거나 회전수가 커지면 미끄럼이 생겨 전달이 끊기고, 큰 힘을 확실히 전달하기 어렵다. 이 한계를 넘기 위해 원판 둘레에 같은 간격의 돌기를 만들어 서로 물리게 한 것이 기어이다.

기계의 출력과 회전수가 커지고 정밀도 요구가 높아지면서 미끄럼에 의한 전달 손실과 불안정은 허용되기 어려워졌다. 이 조건에서는 맞물림으로 확실하게 회전을 넘기는 기어가 필요하다.

기어가 널리 쓰이는 이유는 네 가지로 정리된다. 이가 직접 물리므로 미끄럼이 없어 동력과 회전이 확실하게 전달된다. 잇수비에 따라 정확한 속도비를 얻을 수 있다. 구조가 비교적 간단하고 동력 손실이 적으며 수명이 길다. 시계에 쓰이는 지름 1.5mm 정도의 작은 기어부터 선박용 감속장치의 수 m급 큰 기어까지 크기 범위가 넓어 거의 모든 기계에 이용된다.