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기어란
기어는 회전 운동을 전달하거나 변환하기 위해 톱니 모양의 구조물을 가진 기계 부품이다.
두 개 이상의 기어가 맞물려 회전력, 방향, 속도를 조절하는 역할을 수행한다.
기어의 종류
- 스퍼 기어: 톱니가 축과 평행하게 직선 형태로 배열된 기어
- 헬리컬 기어: 톱니가 나선형으로 배열되어 부드러운 접촉을 제공하는 기어
- 베벨 기어: 서로 다른 축 방향의 회전력을 전달하는 원뿔형 기어
- 웜 기어: 웜과 웜 휠의 조합으로 높은 감속비를 구현하는 기어
- 랙 앤 피니언: 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 기어 시스템
기어를 제작하는 계산식
- 모듈(m): ( m = \frac{D}{N} ) (피치 원 지름 ( D ), 톱니 수 ( N ))
- 원주피치(p): ( p = \pi \times m )
- 전위계수: 톱니 강도와 마모 방지를 위한 보정 계수
- 압력각: 일반적으로 20° 또는 14.5°로 표준화되어 있음
스퍼 기어란
스퍼 기어는 톱니가 직선 형태이며 축과 평행하게 배치된 가장 기본적인 기어 유형이다.
단순한 구조로 인해 제조 비용이 저렴하고 효율이 높아 널리 사용된다.
스퍼 기어의 재질
- 탄소강: 높은 강도와 내마모성 요구 시 사용
- 스테인리스강: 부식 방지가 필요한 환경에 적합
- 황동/청동: 소음 감소 및 경량화 목적
- 엔지니어링 플라스틱: 저부하 및 저소음 응용 분야 적용
스퍼 기어 가공방법
- 호빙: 호브 커터를 사용해 톱니를 절삭하는 방법
- 성형 밀링: 톱니 형상에 맞는 커터로 가공
- 브로칭: 한 번의 통과로 톱니 형상을 완성하는 고정밀 공정
- 소결: 금속 분말을 압축하고 소결하여 제조
스퍼 기어 수명을 계산하는 법
- 루이스 방정식: 톱니의 굽힘 응력을 계산하여 피로 수명 예측
- 헤르츠 접촉 응력: 접촉면의 응력 분석을 통한 마모 수명 평가
- 동적 하중 계수: 충격 하중과 진동을 고려한 수정 계수 적용
스퍼 기어 사용시 장점과 단점
장점
- 구조가 단순해 제조 및 유지보수가 용이
- 높은 전달 효율(98% 이상)
- 저비용으로 대량 생산 가능
단점
- 헬리컬 기어 대비 소음과 진동이 큼
- 축 방향 하중을 견디기 어려움
- 고속 회전 시 마모 가속화
스퍼 기어가 사용되는 사례
- 시계 및 소형 기계: 정밀한 각도 제어가 필요한 경우
- 컨베이어 시스템: 저속 고토크 전달 요구 시
- 자동차 변속기: 기어비 변경을 통한 동력 분배
- 프린터/복사기: 정확한 위치 제어가 필요한 구동부
