기계 설계: 평기어(2) 특수기어(1)

기어 각부의 명칭은 한 개의 이는 피치(pitch circle) 또는 피치 선의 바깥쪽 부분과 안쪽 부분으로 이루어져 있으며, 바깥쪽 치면 이끌면(tooth face), 안쪽 치면 이뿌리면(tooth flank) 이라 하고 피치원에서 이 끝까지의 반지름 방향의 높이를 이 끝 높이(addendum), 피치원에서 이뿌리까지의 높이를 이뿌리 높이(dedendum)라 한다. 이 끝을 연결하는 원을 이 끝 원(addendum circle), 이뿌리를 연결하는 원을 이뿌리 원(dedendum circle), 그 사인의 높이를 총이 높이(whole depth)라고 한다. 또한 이뿌리 높이는 오물, 제작 오차, 온도상승에 따른 열팽창 들을 고려하여 이 끝 높이보다 크게 하며 이뿌리 높이와 이 끝 높이의 차이를 이 끝 틈새(clearance)라 하고, 이 물림이 유효하게 이루어지는 높이를 유효높이(working depth)라 한다. 또한 한 쌍의 이가 물려서 회전할 때 물려 있는 이의 뒤에 생기는 틈을 뒤틂(backlash)이라 한다. 뒤쯤 혹은 백래시는 티형의 가공오차와 기어 조립에서 발생하는 편심 때문에 이의 물림 상태에 무리가 생기지 않게 하는 여유이다. 또한 윤활유가 이 사이에서 유막을 형성하는 틈새가 된다. 한 쌍의 기어가 맞물려 회전할 때 피치 원상에서는 구름 접촉하므로, 피치 원상의 한 점인 피치 점에서는 구름 접촉하지만, 피치 점이 아닌 다른 점에서는 미끄럼 접촉으로 이루어진다. 이에 따라 마찰의 발생과 동력손실이 생기므로 효율을 저하한다. 미끄럼이랑은 피치원의 지름, 이의 형상, 물림 압력 각 등의 크기에 따라서 다르다. 이렇게 다른 값의 미끄럼 값을 직접 비교하는 것은 합리적이지 못하다. 그래서 미끄럼의 정도를 나타내는 무차원 값인 미끄럼(specific sliding)으로 나타낸다. 두 기어가 서로 맞물려서 중단하지 않고 연속적으로 회전하려면 항상 한 쌍 이상의 이가 작용선 위에서 물려 있어야 한다. 이러한 조건이 만족하려면 작용선 위릐 물린 길이가 작용선(공통법선) 위에서 측정한 이와 이 사이의 거리인 법선 피치보다 커야 한다. 이의 간섭(interference)이란 이을 수의 차이가 크게 나는 한 쌍의 기어가 맞물려 회전할 때, 기어의 이 끝이 피니언의 이뿌리에 부딪혀서 회전할 수 없게 되는 현상을 말한다. 인 벌 류트 기어에서 기초원 안쪽에는 인 벌 류트 티형이 생성되지 않기 때문이다. 이의 간섭이 일어난 상태로 회전시키면, 기어의 이 끝이 피니언의 이뿌리 부위를 파먹게 된다. 이 현상을 언더컷(undercut)이라 한다. 언더컷이 생기면 피니언의 이뿌리가 가늘게 되어 이의 강도가 약해질 뿐만 아니라 물림 길이가 짧아진다. 이의 간섭을 방지하기 위한 방법은 다음과 같다.



피니언과 기어의 이을 수의 차이를 줄인다.

기어의 이 끝 높이를 줄인 낮은 이를 사용한다. 낮은 이는 언더컷은 방지되지만, 물림 길이가 짧아져서 하중 부담에 무리가 된다. 

전위기어를 사용한다. 전위기어는 티형을 수정하여 간섭을 방지하면서 물림 규칙을 그대로 유지할 수 있다. 

압력 각을 크게 한다. 압력 각을 크게 하면 물림 길이가 길어져서 간섭이 안 생긴다. 



기어에 발생하는 손상에는 세 가지가 있다. 첫째는 이에 작용하는 큰 회전력에 의한 이뿌리 부분의 굽힌 파손, 둘째는 반복적으로 작용하는 이의 접촉면 압력 때문에 이의 피치선 부근에서 미소 부분이 탈락하여 작은 홈들이 생기는 피팅(pitting) 현상, 셋째는 이가 반복적으로 큰 압력을 받으면서 미끄러지므로 이 표면이 융착과 분리되는 스콜이(scoring) 현상이 있다. 한 쌍의 기어에서 이가 맞물려 돌아갈 때 이의 접촉면에 작용하는 수직하중이 너무 크면, 이의 접촉면이 마모되는 동시에 반복응력에 의한 피로 파손으로 작은 구멍이 많이 생기는데 이런 형상을 피팅(pitting)이라 한다. 이처럼 피로에 의해 손상된 이의 표면은 동력을 전달하는 동안 진동과 소음을 일으키므로 이의 표면에 작용하는 접촉응력을 기어 재료의 피로한도보다 작게 해야 한다. 





평가되었기에서는 한 쌍의 이가 선 접촉을 하여 하중이 전체 폭에 걸쳐서 동시에 작용했다가 동시에 떨어지므로 회전속도가 증가함에 따라 충격력으로 변하여 진동과 소음이 발생한다. 그러므로 이의 물림을 원활하게 하기 위하여 이을 줄이 축선에 대해서 비틀리게 만든 기어를 헬리컬기어(helical gear)라 한다. 헬리컬기어에서 이의 접촉은 한쪽 끝에서 점 접촉으로 시작하여 점차 접촉 폭이 늘어나 선 접촉으로 되었다가 점차 다시 줄어 다른 쪽 끝에서 점점 축으로 끝난다. 따라서 헬리컬기어는 이의 물림 길이가 길어지므로 작용하중이 분산되어 진동과 소음이 줄어들고, 고속 회전에서도 정숙한 운전이 가능하여 큰 동력을 전달하는 데 적합하다. 그러나 이가 축선에 대해서 비틀려져 있기 때문에 가공이 어렵고, 회전 토크에 비례하는 스러스트 베어링이 요구된다. 이 스러스트킥을 없애기 위하여 비틀림 방향이 서로 반대인 헬리컬기어 두 개를 대칭되게 일체로 만든 더블 헬리컬기어(double helical gear)를 사용한다. 헬리컬기어는 이을 줄의 방향과 축선 방향이 일치하지 않고 경사져 있으므로 티형의 기준을 잡는 방식이 두 가지가 있다. 하나는 축에 직각인 단면의 티형을 핑 기어의 티형과 같게 만드는 축 직각 방식이고, 다른 하나는 이을 줄에 직각인 단면의 티형을 평 기어의 티형과 같게 만드는 취직 각 방식이다. 지형방식은 기어를 가공할 때, 공구의 모듈과 압력 각을 경정하는 기준이 되기도 한다. 헬리컬기어 가공에 평가되어는 가공하는 공구인 홉(hob)이나 랙 커터(rack cutter)를 사용하는데, 공구를 이을 줄 방향으로 이동하면서 절삭을 하기 때문에 공구의 모듈과 압력 각은 취직 각 방식의 값을 사용한다. 또한 헬리컬기어의 강도계산도 취직 각 단면에 대하여 행한다.