기계 설계: 마찰차(1) 평기어(1)

두 축 사이에 동력을 전달하는 장치는 두 축 사이의 거리에 따라 회전체가 직접 접촉하는 직접 전동과 직접 접촉하지 않는 간접 전동이 있다. 그중에서 마찰차의 전동은 직접 회전체가 접촉하는 전동방식이다. 마찰차는 두 축 사이의 거리가 가까울 때 두 축에 알맞은 모양의 바퀴를 설치하고 서로 접촉하게 하여 원동축의 회전을 마찰에 의해 종동축에 전달하는 기계요소이다. 이처럼 마찰에 의해 전동 되는 마찰차는 종동축에 과부하가 생기면 미끄럼이 발생하기 때문에 정확한 속도비와 큰 동력을 전달할 수 없지만, 조용하게 운전하면서 무리 없이 마찰 차를 붙이거나 뗄 수 있고, 연속적으로 속도를 변화시키고자 하는 경우에 유리하다. 현재 마찰차는 무단변속장치에 많이 사용된다. 마찰 차를 반지름 방향으로 누르는 힘으로 마찰력이 생겨 원동 타에서 종동차로 회전이 전달된다. 마찰차의 접촉점에서 구름 접촉한다면, 원동 차나 종동차의 원주속도는 같아야 한다. 마찰차의 폭은 접촉면에서 단위 길이당 허용하는 힘으로 다음과 같이 구할 수 있다. 폭을 크게 하면, 접촉면에서 접촉이 균일하게 이뤄지기 어려우므로 마찰차의 지름과 폭은 대략 같게 잡아야 한다. 베어링의 하중을 가능한 한 줄이고 회전력을 크게 하기 위해서는 되도록 마찰계수가 큰 재질의 마찰 차를 사용해야 한다. 일반적으로 마찰계수를 크게 하기 위하여 원동 차를 종동차보다 연질의 재료를 사용한다. 보통 원동 차 표면에 목재, 고무, 가죽, 특수 섬유질 들을 라이닝 하여 사용하고, 종동차는 주장, 주철 등의 금속재료를 사용한다. 원동 차의 표면에 연질 재료를 라이닝 하는 이유는 원동 차가 고르게 마모되는 장점이 있기 때문이다. 원통 마 창 차에서 큰 동력을 전달하려면서, 두 마찰 차를 반지름 방향으로 미는 힘을 더 크게 해야 한다. 그런데 힘이 너무 커지면, 베어링 하중이 커지므로 베어링에서 마찰손실이 많이 생긴다. 따라서 미는 힘과 마찰차의 크기는 그대로 둔 상태에서 마찰차의 표면에 홈을 만들어서 쐐기 효과를 이용하여 더 큰 동력을 전달하게 한 것이 홈 마찰차이다. 홈 마찰차서 반지름 방향으로 미는 힘으로 접촉하는 홈의 측면에 수직반력이 생기고, 접촉면에는 마찰력이 생긴다. 원주 마찰차는 두 축이 어느 각도로 교차할 때 사용되는 마찰 차로서 베젤 마찰차하고도 부른다. 원동축과 종동축에 축 방향으로 미는 힘을 작용시키면 원추 마찰차의 모선에서 마찰차가 접촉하게 된다. 마찰차는 속도비를 어느 범위 내에서 자유로이 연속적으로 변속할 수 있기 때문에 원동축의 회전속도를 일정하게 유지하면서 종동축에 임의의 희던 속도를 주고자 하는 경우에 자주 사용된다. 이와 같은 것을 무단 변속장치라 한다. 



기어는 마찰차의 원둘레에 일정한 모양을 가진 이를 만들어 이의 물림에 의해 두 축 사이에서 정확한 속도비로 큰 동력을 전달하는 기계요소이다. 두 축 사이에 동력이 전달될 때, 동력을 전달하는 축을 원동축 또는 구동축이라 하고, 동력을 전달받는 축을 종동축 또는 파동축이라 한다. 맞물리는 두 기어에서 원동축에 설치된 기어를 원동기에, 종동축에 설치된 기어를 중동이어라 한다. 서로 맞물리는 한 쌍의 시어에서 큰 쪽을 기어, 작은 쪽을 피니언이라 부른다. 기어의 전동효율은 기어의 종류에 따라 다르지만 보통 90% 이상이다. 기어를 분류하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 두축의 상대적 위치에 따라 분류한다. 



편기에(spur gear) : 직선 티형을 가지며 이을 줄이 축선에 평행하다. 제작이 용이하며 가장 많이 쓰인다.

헬리컬기어(helical gear) : 이을 줄이 축선과 평행하지 않고 비틀려 있는 기어이다. 이의 물림이 좋아 조용한 운전을 하나 축 방향 하중이 발생하는 단점이 있다.

더블 헬리컬 기어(double helical gear) : 비틀림각 방향이 서로 반대인 한 쌍의 헬리컬기어를 조합한 것이다. 축 방향 힘이 발생하지 않는다. 

랙(rack) : 작은 평 기어와 맞물리고 이을 줄이 축선에 평생 하다. 평판이나 곧은 막대에 같은 간격으로 동일한 형태의 이를 만든 것으로 피치원의 반지름이 무한대인 평가되었고 생각할 수 있다. 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸는 데 사용된다.
내접기어(internal gear) : 평 기어와 맞물리며 원통의 안쪽에 이가 만들어져 있다. 이을 줄이 축선에 평행하고, 맞물린 기어와 회전 방향이 같다. 유성기어 감속장치 또는 기어형 축이음에 사용된다.



두 축이 교차하는 경우에 사용되는 기어든 다음과 같다.



직선 베벨기어(straight bevel gear) : 이을 줄이 피치원 추의 모선과 평생 한 베벨기어이다. 베벨기어 중 제작이 가장 간단하여 많이 쓰인다. 직선 베벨기어 중에서 두 축이 직각으로 만나며 물리는 두 기어의 이을 수가 같은 베벨기어를 마실 터 기어(miter gear)라고 한다.

앵 귤로 베벨기어(angular bevel gear) : 두 축의 만나는 각도가 직각이 아닌 경우에 운동을 전달하는 베벨기어이다. 

크라운기어(crown gear) : 피친 면이 평면으로 된 베벨기어로써 평가되었기에서 핵에 해당한다.

스파이럴 베벨기어(spiral bevel gear) : 이을 줄이 곡선이고 피치원 추의 모선에 대하여 비틀려 있는 기어이다. 제작이 어려우나 이의 물림이 좋고 조용하게 회전한다.

제를 베벨기어(zero bevel gear) : 스파이럴 베벨기어 중에서 이 폭의 중앙에서 비틀림각이 영인 베벨기어이다. 



두 축이 평행하지도 않고, 만나지도 않을 때, 두 축 사이에서 동력을 전달하는 기어들이다. 



원통 웜기어(worm gear) : 두 축이 직각을 이루는 경우에 사용되며, 원통형 웜과 이에 맞물리는 웜휠을 총칭하는 말이다. 큰 감속을 얻을 수 있으나 효율이 낮은 단점이 있다. 

창고형 웜기어(hourglass worm gear) : 원통 웜기어를 개선한 것으로서 웜을 장도형으로 만들어 웜휠과의 접촉 면적을 크게 한 것이다.

나사기어(screw gear) : 서로 교차하지도 않고 평행하지도 않은 두 축 사이의 운동을 전달하는 기어로서 헬리컬기어의 이 모양을 갖는다.

하이포이다. 기어(hyoid gear) : 서로 교차하지도 않고 평행하지도 않은 두 축 사이의 운동을 전달하는 스파이럴 베벨기어로서 일반 스파이럴 베벨기어에 비하여 피니언의 위치가 이동된 것이다.