기어의 작동 원리와 종류

이번에는 기계가 동작하는데에 매우 중요한 요소인 기어의 작동원리와 종류에 대해 알아보겠습니다.기계 구성 요소간에 동작과 동력을 전달하는 데 사용되는 톱니 모양의 기계식 전달 요소이며이 기사에서는 사용 가능한 다양한 유형의 기어와 기어가 작동하는 방식에 대해 설명합니다. 짝을 이루는 쌍으로 작동하는 기어는 다른 해당 기어의 톱니 또는 톱니가있는 구성 요소의 톱니와 맞물려 변속 과정 중에 미끄러짐을 방지합니다. 각 기어 또는 톱니 구성 요소는 기계 축 또는 기본 구성 요소에 부착되므로 구동 기어 (즉, 초기 회전 입력을 제공하는 기어)가 축 구성 요소 인 피동 기어 와 함께 회전 할 때(즉, 구동 기어의 영향을 받아 최종 출력을 나타내는 기어 또는 톱니 형 구성 요소) 샤프트 구성 요소를 회전하거나 변환합니다. 기어 쌍의 설계 및 구성에 따라 구동축과 피 동축 사이의 운동 전달로 인해 회전 또는 이동 방향이 변경 될 수 있습니다. 또한 기어의 크기가 같지 않은 경우 기계 또는 시스템은 출력 속도 및 토크 (즉, 물체를 회전시키는 힘) 의 변화를 허용하는 기계적 이점을 경험합니다 .기어와 그 기계적 특성은 시계, 계장 및 장비와 같은 다양한 기계 장치에서 동작과 동력을 전달하고 자동차, 오토바이를 비롯한 다양한 전동 장치에서 속도와 토크를 줄이거 나 높이기 위해 산업 전반에 널리 사용됩니다. 및 기계. 구성 재료, 기어 모양, 톱니 구조 및 디자인, 기어 쌍 구성을 포함한 기타 설계 특성은 사용 가능한 다양한 유형의 기어를 분류하고 분류하는 데 도움이됩니다. 이러한 각 기어는 서로 다른 동작과 장점을 제공하지만 특정 동작 또는 동력 전달 응용 프로그램에서 요구하는 요구 사항과 사양에 따라 사용하기에 가장 적합한 기어 유형이 결정됩니다.이 기사는 기어에 초점을 맞추고 사용 가능한 다양한 유형을 탐색하고 각각의 기능과 메커니즘을 설명합니다. 또한이 기사에서는 각 유형의 기어에 대한 선택 고려 사항과 일반적인 응용 프로그램에 대해 설명합니다.기어 설계 특성기어는 다양한 산업 및 응용 분야에 적합한 다양한 설계, 구조 및 구성으로 제공됩니다. 이러한 다양한 특성을 통해 기어를 다음과 같은 여러 가지 방법으로 분류하고 분류 할 수 있습니다.기어 모양기어 톱니 설계 및 구성기어 축 구성기어 모양대부분의 기어 유형은 원형입니다. 즉, 기어 톱니가 원형면을 가진 원통형 기어 본체 주위에 배열되지만 일부 비 원형 기어 도 사용할 수 있습니다. 이러한 기어는 타원형 , 삼각형 및 정사각형면을 특징으로 할 수 있습니다 .원형 기어를 사용하는 장치와 시스템 은 회전 속도와 토크 모두에 대해 표현 된 기어비 (즉, 입력 대 출력의 비율) 에서 일관성을 경험 합니다. 기어비의 불변성은 동일한 입력 (속도 또는 토크)이 주어지면 장치 또는 시스템이 동일한 출력 속도 및 토크를 지속적으로 제공함을 의미합니다.반면에 비 원형 기어를 사용하는 장치 및 시스템은 가변 속도 및 토크 비율을 경험합니다. 가변 속도 및 토크를 사용하면 비 원형 기어가 출력 속도를 교대로 증가 및 감소, 다중 속도 및 반전 동작과 같은 특수하거나 불규칙한 동작 요구 사항을 충족 할 수 있습니다. 추가적으로, 기어 랙과 같은 선형 기어는 구동 기어의 회전 운동을 피동 기어의 병진 운동 (또는 병진 운동과 회전 운동의 조합)으로 변환 할 수 있습니다.기어 치아 디자인기어 톱니는 톱니라고도하므로 톱니 바퀴라는 다소 구식 용어로 기어를 부르기도합니다. 이전 섹션에서는 기어 바디의 전체 모양을 기준으로 기어를 분류했지만이 섹션에서는 톱니 (예 : 톱니) 설계 및 구성과 관련된 특성을 설명합니다. 다음을 포함하여 기어 톱니에 사용할 수있는 몇 가지 일반적인 설계 및 구성 옵션이 있습니다.치아 구조 치아 배치 치아 프로필 기어 톱니 구조 기어 구조에 따라 기어 톱니는 기어 블랭크에 직접 절단되거나 별도의 형상 구성 요소로 기어 블랭크에 삽입됩니다. 대부분의 응용 분야에서 기어가 피로 해지면 전체를 교체 할 수 있습니다. 그러나 별도의 톱니 구성 요소가있는 기어를 사용하는 이점은 전체 기어 구성 요소를 교체하는 대신 각각이 피로 해지면 톱니를 개별적으로 교체 할 수 있다는 것입니다. 이 기능은 전체 기어에 비해 개별 톱니 바퀴를 더 낮은 비용으로 사용할 수 있으므로 시간이 지남에 따라 전체 기어 교체 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 전문화, 맞춤형 또는 기타 어려운 기어 바디를 유지 및 보존 할 수 있습니다.기어 치아 배치기어 이빨은 기어 몸체의 외부 또는 내부 표면에 절단되거나 삽입됩니다. 에서는 외부 기어 의 톱니는 기어의 중심에서 외측으로 가리키는 기어 본체의 외 표면에 배치된다. 반면, 내부 기어 에서는 톱니가 기어 본체의 내부 표면에 배치되어 기어 중심을 향해 안쪽을 향합니다. 짝을 이룬 쌍에서 각 기어 바디의 기어 톱니 배치는 피동 기어의 움직임을 크게 결정합니다.짝을 이룬 쌍의 두 기어가 모두 외부 유형이면 구동 기어와 피동 기어 (및 해당 샤프트 또는 기본 구성 요소)가 반대 방향으로 회전하거나 이동합니다. 응용 프로그램에서 입력 및 출력이 동일한 방향으로 회전하거나 이동해야하는 경우, 일반적으로 아이들러 기어 (즉, 구동 기어와 피동 기어 사이에 배치 된 기어)를 사용하여 피동 기어의 회전 방향을 변경합니다.결합 된 기어 쌍 중 하나가 내부 기어이고 다른 하나가 외부 기어 인 경우 구동 기어와 종동 기어가 모두 같은 방향으로 회전합니다. 이러한 유형의 기어 쌍 구성은 구동 및 피동 기어에서 동일한 회전 방향이 필요한 응용 분야에서 아이들러 기어가 필요하지 않습니다. 또한 내부-외부 기어 쌍을 사용하는 구성은 기어와 해당 샤프트 또는 기본 구성 요소가 유사한 외부 전용 기어 쌍으로 가능한 것보다 더 가깝게 배치 될 수 있으므로 제한된 공간 또는 제한된 공간 응용 분야에 적합합니다.내부 기어 톱니 설계, 기어의 예, 내부 톱니가있는 큰 기어 내부에 외부 톱니가있는 피니언 기어.내부-외부 기어 쌍의 예.기어 톱니 프로필기어의 톱니 모양은 기어 톱니의 단면 모양을 나타내며 속도 비율 및 경험 된 마찰을 포함하여 다양한 기어 성능 특성에 영향을줍니다. 기어의 설계 및 구성에 사용할 수있는 많은 수의 톱니 프로필이 있지만 사용되는 톱니 프로필에는 인벌 류트, 트로코이드 및 사이클로이드의 세 가지 주요 유형이 있습니다.인벌 류트 기어 톱니는 원의 원주를 따라 굴러 갈 때 기준 원에 접하는 가상 선의 끝점에 의해 형성된 궤적 인 원의 인벌 류트 곡선으로 지정된 모양을 따릅니다. 산업 전반에 걸쳐 생산되는 대부분의 기어는 제조의 용이성과 작동의 부드러움으로 인해 인벌 류트 톱니 모양을 사용합니다. 다른 프로파일 중 일부와 비교할 때, 인벌 류트 프로파일은 더 적은 곡선으로 구성되어 인벌 류트 기어 톱니의 제조가 더 간단 해지고 결과적으로 필요한 제조 장비가 저렴 해져 전체 생산 비용이 절감됩니다. 인벌 류트 기어 톱니의 장점은 기어 결합 전체에 걸쳐 압력 각의 일관성과 토크 및 속도에 대한 기어비의 불변성에 영향을주지 않고 기어 중심 간격의 변동을 견딜 수 있다는 점입니다. 압력 각의 불변성은 인벌 류트 기어가 다른 톱니 프로파일을 가진 기어보다 더 부드럽게 작동 할 수 있도록하고 변동 허용 오차는 기어의 설계 사양 내에서 더 큰 유연성을 허용합니다.선이 원의 원주를 따라 구르는 인벌 류트 곡선과 달리 트로코이드 곡선은 원이 구르 면서 주어진 반지름을 가진 원의 중심에서 고정 된 거리에있는 점에 의해 형성된 궤적 입니다. 직선. 트로코이드는 사이클로이드를 포함하는 일반적인 곡선 범주입니다.기어 축 구성 기어의 축 구성은 기어 축이 배치되고 기어가 회전하는 축의 방향을 서로 관련하여 나타냅니다. 기어에 사용되는 세 가지 기본 축 구성이 있습니다.평행 교차 비평 행, 비교 차 평행 기어 구성이름에서 알 수 있듯이 병렬 구성은 동일한 평면 내의 평행 축에서 회전하는 샤프트에 연결된 기어를 포함합니다. 구동축 (및 구동 기어)의 회전은 피 동축 (및 구동 기어)의 회전과 반대 방향이며, 일반적으로 동력 및 모션 전달 의 효율 이 높습니다. 병렬 구성을 사용하는 일부 유형의 기어에는 평 기어 , 헬리컬 기어, 내부 기어 및 랙 및 피니언 기어의 일부 변형이 포함됩니다.교차 기어 구성교차 구성에서 기어 샤프트는 동일한 평면 내의 교차 축에 있습니다. 병렬 구성과 마찬가지로이 구성은 일반적으로 전송 효율이 높습니다. 마이 터, 직선 베벨 및 스파이럴 베벨 기어를 포함한 베벨 기어는 교차 구성을 사용하는 기어 그룹 중 하나입니다. 교차 기어 쌍에 대한 일반적인 응용 분야에는 동력 전달 시스템 내에서 동작 방향 변경이 포함됩니다.비평 행, 비교 차 기어 구성평행하지 않고 교차하지 않는 구성을 가진 기어 쌍은 교차하는 (즉, 평행하지 않은) 축에 존재하지만 동일한 평면에 있지 않은 (즉, 교차하지 않는) 샤프트를 갖습니다. 병렬 및 교차 구성과 달리이 구성은 일반적으로 모션 및 전력 전송 효율성이 낮습니다. 평행하지 않고 교차하지 않는 기어의 예로는 나사 기어, 웜 기어 및 하이포 이드 기어가 있습니다.추가 기어 설계 특성위에서 언급 한 설계 특성 외에도 업계 전문가 또는 조달 담당자가 특정 응용 분야에 맞는 기어를 설계하고 선택할 때 고려할 수있는 몇 가지 다른 옵션이 있습니다. 고려할 수있는 다른 특성으로는 건축 자재, 표면 처리, 톱니 수, 톱니 각도, 윤활제 유형 및 윤활 방법이 있습니다.다양한 유형의 기어 및 용도위에 표시된 설계 특성에 따라 몇 가지 다른 유형의 기어를 사용할 수 있습니다. 산업 전반에 걸쳐 사용되는 일반적인 기어 유형은 다음과 같습니다.평 기어 헬리컬 기어 베벨 기어 웜기어 랙 및 피니언 평 기어 사용되는 가장 일반적인 유형의 기어 인 평 기어 는 직선 톱니가 절단되거나 원형 (즉, 원통형) 기어 본체의 기어 축과 평행하게 삽입 된 상태로 구성됩니다. 결합 된 쌍에서 이러한 기어는 평행 축 구성을 사용하여 동작과 동력을 전달합니다. 응용 분야에 따라 다른 스퍼 기어, 내부 기어 (예 : 유성 기어 시스템) 또는 기어 랙 (예 : 랙 및 피니언 기어 쌍)과 결합 할 수 있습니다.평 기어 톱니 디자인의 단순성으로 인해 높은 정밀도와보다 쉬운 제조가 모두 가능합니다. 평 기어의 다른 특징으로는 축 방향 부하 부족 (즉, 기어 샤프트에 평행 한 추력), 고속 및 고부하 핸들링, 고효율 비율이 있습니다. 평 기어의 단점 중 일부는 기어 톱니가 겪는 응력의 양과 고속 적용시 발생하는 소음입니다. 이 유형의 기어는 시계, 펌프, 급수 시스템, 발전소 기계, 자재 취급 장비, 의류 세탁 및 건조기와 같은 다양한 기계 응용 분야에서 광범위한 속도 비율에 사용됩니다. 응용 분야에 필요한 경우 기어 트레인에서 여러 (즉, 2 개 이상) 평 기어를 사용하여 더 높은 기어 감속을 제공 할 수 있습니다.헬리컬 기어 평 기어와 유사하게 헬리컬 기어는 일반적으로 결합 된 기어 쌍이있는 평행 축 구성을 사용하지만 제대로 정렬되면 비평 행, 비교 차 샤프트를 구동하는 데 사용할 수도 있습니다. 그러나 평 기어와 달리이 기어는 원통형 기어 몸체 주위에서 기어면에 대해 비스듬히 비틀리는 톱니로 구성됩니다. 헬리컬 기어는 오른쪽 및 왼쪽 각이있는 톱니로 생산되며 각 기어 쌍은 동일한 헬릭스 각도의 오른쪽 및 왼쪽 기어로 구성됩니다. 나선형 톱니의 각진 디자인은 평 기어의 직선 톱니와는 다르게 다른 기어와 맞물리게합니다. 적절하게 일치하는 헬리컬 기어가 서로 접촉하면 해당 치아 사이의 접촉 수준이 전체 치아를 한 번에 맞물리지 않고 점차적으로 증가합니다. 이 점진적인 결합은 기어 톱니에 미치는 충격 부하를 줄이고 더 부드럽고 조용한 작동을 가능하게합니다. 헬리컬 기어는 또한 더 큰 부하 능력을 가질 수 있지만 평 기어보다 덜 효율적으로 작동합니다. 또 다른 단점으로는 헬리컬 톱니 설계의 복잡성으로 인해 제조의 어려움 (결과적으로 비용)이 증가하고 단일 헬리컬 기어 톱니 설계가 축 추력을 생성한다는 사실이 있습니다. 단일 헬리컬 기어를 사용하는 모든 응용 분야에서 스러스트 베어링을 사용해야합니다. 후자의 필요성은 헬리컬 기어를 사용하는 총 비용을 더욱 증가시킵니다. 헬리컬 기어는 고속 및 고부하도 처리 할 수 있기 때문에 펌프 및 발전기와 같은 평 기어와 동일한 유형의 응용 분야에 적합합니다. 보다 부드럽고 조용한 작동은 평 기어가 일반적으로 사용되지 않는 자동차 변속기에 적합합니다. 단일 또는 이중 헬리컬 기어 설계 헬리컬 기어는 단일 헬리컬 및 이중 헬리컬 디자인으로 제공됩니다. 단일 헬리컬 기어는 기어 본체 주변에 절단되거나 삽입 된 단일 열의 각진 톱니 로 구성 되는 반면, 이중 헬리컬 기어 는 각진 톱니의 미러 열 2 개로 구성됩니다. 후자의 디자인의 장점은 단일 헬리컬 디자인보다 더 큰 강도와 내구성, 그리고 축 방향 하중 생성 이 제거된다는 것입니다 .추가 헬리컬 기어 설계 다른 유형의 헬리컬 기어에는 헤링본 기어와 나사 기어가 있습니다. 헤링본 : 헤링본 기어 는 헤링본 패턴과 유사한 "V"모양을 형성하는 홈으로 분리되지 않고 두 개의 톱니 트랙이 접촉하는 이중 나선 톱니 유형입니다. 나사 : 교차 헬리컬 기어라고도 불리는 나사 기어는 평행하지 않고 교차하지 않는 구성에 사용되는 헬리컬 기어입니다. 병렬 구성에 사용되는 헬리컬 기어와 달리 스크류 기어는 쌍당 오른손 및 왼손 기어가 아닌 동일 쌍을 사용합니다. 이 기어는 부하 용량과 효율이 상대적으로 낮으며 고전력 전송 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.베벨 기어 베벨 기어 는 원추형 표면을 따라 배치 된 톱니가있는 원추형 기어입니다. 이 기어는 회전축을 변경해야하는 응용 분야에서 교차하는 샤프트 사이에서 운동과 동력을 전달하는 데 사용됩니다. 일반적으로 베벨 기어는 90도 각도로 배치 된 샤프트 구성에 사용되지만 각도가 작거나 큰 구성도 관리 할 수 있습니다.주로 톱니 디자인으로 구분되는 여러 유형의 베벨 기어가 있습니다. 보다 일반적인 유형의 베벨 기어에는 직선, 나선형 및 베벨 기어가 있습니다.스트레이트 베벨 기어 단순성과 그에 따른 제조 용이성으로 인해 가장 일반적으로 사용되는 베벨 기어 톱니 디자인은 직선 베벨 톱니가 올바르게 일치하는 직선 베벨 기어 가 서로 접촉 할 때 톱니가 모두 한꺼번에 맞물 리도록 설계되었습니다. 점진적으로보다는 오히려. 평 기어의 문제와 마찬가지로, 직선형 베벨 기어 톱니가 맞물리면 높은 충격이 발생하여 발생하는 소음 수준과 기어 톱니가 겪는 응력이 증가하고 내구성과 수명이 단축됩니다.스파이럴 베벨 기어 에서는 스파이럴 베벨 기어 , 톱니가 각도보다 점진적인 맞물림 톱니 스트레이트 베벨 기어보다 치아에 치아 접촉을 제공하도록 만곡된다. 이 디자인은 특히 높은 각속도에서 발생하는 진동과 소음을 크게 줄입니다. 헬리컬 기어와 마찬가지로 나선형 베벨 기어는 오른쪽 또는 왼쪽 각진 톱니와 함께 사용할 수 있습니다. 헬리컬 기어의 경우와 마찬가지로 이러한 기어는 더 복잡하고 제조하기 어렵고 결과적으로 더 비싸지 만 직선 베벨 기어보다 더 큰 톱니 강도, 더 부드러운 작동 및 작동 중 소음 수준이 낮습니다.베벨 기어 베벨 기어는 원추형 표면에 똑바로 배치 된 곡선 톱니가있는 직선 및 나선형 베벨 기어의 디자인 특성을 통합합니다. Zerol® 베벨 기어의 톱니가 직선 베벨 기어의 톱니처럼 배치되기 때문에 베벨 기어는 직선 베벨 기어의 톱니와 동일한 용도로 사용할 수 있습니다. 그러나 직선 베벨 기어에 비해 베벨 기어는 더 조용하고 마찰이 적습니다. 스파이럴 베벨 기어와 마찬가지로 베벨 기어는 오른쪽 및 왼쪽 디자인에서도 사용할 수 있지만 스파이럴 베벨 기어와 달리 베벨 기어는 톱니가 비스듬히 배치되지 않기 때문에 양방향으로 회전 할 수 있습니다.추가 베벨 기어 설계위에서 언급 한 유형 외에도 마이 터, 크라운 및 하이포 이드 기어를 포함하여 여러 가지 다른 베벨 기어 디자인을 사용할 수 있습니다.마이 터 : 마이 터 기어 는 베벨 기어로서 쌍을 이루어 기어비가 1 : 1입니다. 이 기어비는 동일한 잇수를 가진 두 마이 터 기어를 페어링 한 결과입니다. 이 유형의 베벨 기어는 속도를 일정하게 유지하면서 회전축 만 변경해야하는 응용 분야에 사용됩니다.크라운 : 페이스 기어 라고도하는 크라운 기어 는 톱니가 절단되거나 기어면에 수직으로 삽입 된 원통형 (원뿔형이 아닌) 베벨 기어입니다. 크라운 기어는 다른 베벨 기어와 쌍을 이루거나 톱니 디자인에 따라 평 기어와 쌍을 이룰 수 있습니다.하이포 이드가 : 원래 자동차 산업을 위해 개발, 하이포 이드 기어는 , 앞서 언급 한 유형과는 달리, 비 병렬, 교차하지 않는 구성에 사용되는 나선형 베벨 기어의 유형입니다. 이 디자인은 구성 요소를 더 낮게 배치하여 위 섹션에 더 많은 공간을 허용합니다. 나선형 베벨 기어에 사용되는 것과 유사한 곡선 및 각진 톱니를 사용하는 하이포 이드 기어는 훨씬 더 복잡하고 결과적으로 제조가 더 어렵고 비용이 많이 듭니다.웜기어 기어 쌍 휠 통상 벌레로 구성되는 원통형과 기어 쌍의 웜 - 즉, 스크류 형상 기어. 이 기어는 평행하지 않고 교차하지 않는 샤프트 사이에서 운동과 동력을 전달하는 데 사용됩니다. 그들은 조용하고 부드러운 작동을 유지하면서 상당한 속도 감소를위한 큰 기어비와 기능을 제공합니다.웜 기어 쌍의 한 가지 차이점은 웜이 웜 휠을 돌릴 수 있지만 웜의 각도에 따라 웜 휠이 웜을 돌릴 수 없다는 것입니다. 이 특성은 자동 잠금 메커니즘이 필요한 장비에 사용됩니다. 웜기어의 단점 중 일부는 낮은 전송 효율과 지속적인 윤활이 필요한 웜휠과 웜기어 사이에 발생하는 마찰 량입니다.랙과 피니언 기어로 구성은 한 쌍의 기어이다 기어 래크 와 피니언이라 원통형 기어. 기어 랙은 무한 반경의 기어 (즉, 평평한 바)로 간주 할 수 있으며 바 표면에 직선 이빨을 자르거나 삽입하여 구성됩니다. 결합되는 피니언 기어 유형에 따라 기어 랙의 톱니는 평행 (평 기어와 결합 된 경우) 또는 각진 (헬리컬 기어와 결합 된 경우)입니다. 이러한 랙 설계의 경우 회전 운동을 선형 운동으로 변환하거나 직선 운동을 회전 운동으로 변환 할 수 있습니다.랙 및 피니언 기어 쌍의 장점 중 일부는 설계의 단순성과 낮은 제조 비용과 높은 하중 전달 능력입니다. 이 디자인의 장점에도 불구하고 이러한 접근 방식을 사용하는 기어도 이에 의해 제한됩니다. 예를 들어, 기어 랙의 지정된 길이에 따라 동작이 제한되므로 변속기가 한 방향으로 무한히 계속 될 수 없습니다. 또한, 랙 및 피니언 기어는 더 많은 양의 백래시 (즉, 결합 된 기어 톱니 사이의 추가 공간)를 갖는 경향이 있으며 결과적으로 톱니에 상당한 양의 마찰과 응력이 발생합니다.랙 및 피니언 기어 쌍의 일반적인 응용 분야에는 자동차의 조향 시스템, 이송 시스템 및 계량 저울이 포함됩니다.