기어의 종류와 축 배치

핵심 정리

기어는 동력과 운동을 전달하는 전동용 기계요소이다. 기어는 맞물린 이를 통해 회전을 전달하므로 힘과 회전이 함께 바뀐다. 기어를 고를 때는 연결 자체보다 회전이 어떤 비율과 방향으로 전달되는지 먼저 확인해야 한다. 기어는 정확한 회전 비율을 얻을 수 있다. 이 성질 때문에 기어는 회전 속도를 일정한 비로 바꾸는 장치의 핵심 요소로 쓰인다. 기어 여러 개를 프레임에 장착해 만든 기어 트레인도 같은 원리로 회전을 전달하는 기계 시스템이다.

기어 종류를 나누는 첫 기준은 두 축의 배치 관계이다. 두 평행축을 연결하는 기어는 스퍼 기어(평기어)이며, 두 축이 평행하게 맞물리는 구조이다. 스퍼 기어의 이는 축과 나란하게 뻗어 있어 구조가 단순하므로 평행축 기어의 기본형으로 이해된다. 두 축이 평행하지 않은 경우에도 기어는 동력을 전달할 수 있다. 따라서 기어를 선택할 때는 평행 여부를 먼저 확인해야 하며, 축이 평행하지 않은 배치는 평행축 기어와 다른 기준으로 구분해야 한다.

두 축이 교차하는 경우에는 베벨 기어 계열을 쓴다. 마이터 기어와 크라운 기어는 두 축이 교차하는 베벨 기어 계열이다. 베벨 기어의 이는 원뿔형이며, 대부분 서로 90도 떨어진 축에 장착되지만 다른 각도에서도 작동하도록 설계할 수 있다. 베벨 기어는 회전축의 방향을 바꾸는 용도로 널리 쓰인다.

기어는 축 배치와 전달 목적을 함께 고려해 선택한다. 평행축이면 스퍼 계열, 교차축이면 베벨 계열, 엇갈림축이면 하이포이드 기어처럼 축 관계가 기어 이름을 나누는 기준이 된다. 같은 축 관계에서도 치선 형태는 달라지므로, 시험에서는 선지의 축 관계 용어를 먼저 확인한 뒤 기어 이름과 치수·회전 관계를 대조해야 한다.

기어 장치는 감속비가 큰 구성일수록 손실과 하중을 함께 고려해야 한다. 유성 기어열은 컴팩트한 패키지로 높은 기어 감속을 제공한다고 알려져 있으므로, 큰 감속이 필요한 곳에서는 장치 형식과 손실을 함께 따져야 한다.

자세히

교차축과 엇갈림축의 구분

평행하지 않은 축을 연결하는 기어를 외울 때 베벨 계열과 하이포이드 기어를 한데 묶어 생각하기 쉽다. 두 기어 모두 평행하지 않은 축을 연결하지만, 베벨 계열은 두 축이 만나는 교차 배치이고 하이포이드 기어는 두 축이 만나지 않는 엇갈림 배치이다. 그러므로 문제를 읽을 때는 기어 이름보다 두 축이 한 점에서 만나는지 먼저 확인하는 것이 축이 만나는지가 기준이다. 마이터 기어와 크라운 기어는 같은 베벨 계열로 묶여 나오므로, 두 이름을 따로 외우기보다 교차축 계열이라는 공통점으로 기억하는 편이 효율적이다.

선지를 읽을 때 교차가 나오면 베벨 계열, 엇갈림이 나오면 하이포이드, 평행이 나오면 스퍼와 헬리컬 계열을 먼저 떠올리면 빠르다. 같은 평행축 기어라도 이가 축과 나란한 스퍼 기어와 기울어진 헬리컬 기어는 구분해야 한다.

모듈과 피치원, 중심거리

모듈이 같은 기어끼리는 원주피치(πm)가 같다. 두 기어의 이가 같은 간격으로 맞물리려면 원주피치가 같아야 하므로, 모듈이 같은지 확인하는 것이 두 기어를 함께 쓸 수 있는지 판단하는 출발점이다. 피치원은 맞물린 두 기어가 미끄러짐 없이 서로 굴러가는 기준 원이며, 치수 문제는 이 피치원을 중심으로 푼다. 피치원 지름의 관계를 놓치면 중심거리와 회전수 문제까지 연이어 틀리기 쉽다.