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GEAR - 감속기 개요
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  01. 기어, 02. 감속기
01.  기어
 
 
기어는 연속적으로 맞물리는 다수의 이에 의해 토크를 전달하는 장치로, 이가 위치한 회전체를 기어라고 한다. 일반적으로 기어의 쌍 중에 동력을 받는 기어를 피니언(pinion) 이라고 하고 동력을 발생시키는 것을 기어(wheel)라 한다.
 
 
최초로 기어를 개발한 사람이 누군지는 알려져 있지 않다. 다만 인류가 약 4000년 전부터 사용하지 않았을까 추정하고 있다.
기원전의 인물들인 아르키메데스, 아리스토텔레스, 헤론 등도 기어를 사용하여 기계를 제작했다는 기록이 있고, 기원 이후에도 산업혁명 이전까지 간단한 형태의 기어를 지속적으로 사용해 왔다. 동서양을 막론하고 물시계를 제작하는데도 사용되어 왔으며 특히 레오나르도 다빈치는 자신이 설계한 헬리콥터에 기어를 사용하였다.
그러나 이 당시에 사용된 기어는 평평한 사각이빨을 적용된 조잡한 형태의 기어로서 소음이나 효율성을 전혀 고려하지 않은 형태의 기어였다.
그러나 1600년대에 이르러 초기산업혁명이 일어나면서 대용량의 동력을 정확하게 전달할 필요성이 증가함에 따라 인류는 기어를 과학적으로 연구하게 됩니다. 게다가 시계 등 정밀기계들이 발달함에 따라 새로운 치형과 기어의 다양한 종류를 개발하게 된다. 그 결과 기어의 치형(이빨의 형태)이 점차 정교해지고 이에 따라 사이클로이드(cycloid) 곡선을 이용한 사이클로이드 치형과 인벌류트(involute) 곡선을 이용한 인벌류트 치형이 개발되었으며 기어의 종류도 현재 사용되는 거의 모든 종류의 기어들이 개발되게 된다. 19세기 중엽에 이르러 창성(創成) 기어 절삭법이 실용화된 후부터 현재까지 거의 모든 기어의 제작이 창성기어 절삭법에 의해 제작되게 된다.
 
 
동력이 발생하는 축과 동력을 전달받는 축에 바퀴를 끼워, 양쪽 바퀴 주면에 같은 간격으로 돌기를 만들어 그 돌기들이 서로 물리도록 하면 회전수가 증가해도 미끄럼이 생기지 않고 정확하게 동력과 회전수를 전달해 줄수 있도록 하는 것이 가장 기본적인 기어의 원리이다.
 
 
 
GEARED MOTOR에 사용하는 GEAR는 각 MAKER에 따라 차이가 있지만 평치차(SPUR GEAR), 헬리컬치차(HELICAL GEAR), 워엄치차(WORM GEAR), HYPOID BEVEL GEAR등이 사용된다. 감속기에서 물림율 및 소음, 원가절감등의 이유로 헬리컬치차를 1단에 사용하고 그 외는 평치차를 사용하는 것이 현재 GEAR HEAD의 일반적인 구성이나 효율과 출력측의 방향 전환을 고려하여 워엄치차나 HYPOID치차를 사용하는 GEAR HEAD도 많이 사용하고 있으나 평치차나 헬리컬치차 보다는 가격이 높다는 것이 단점이다
02. 감속기
 
 
감속기는 감속 장치의 일종으로써, 일련의 기어 장치와 기계요소인 축, BEARING을 조합하여, CASING 내에 조립된 하나의 감속 장치의 기능을 가지고 있으며, 치차감속 장치의 감속기를 치차 감속기(GEAR REDUCER), 일반적으로 줄여서 감속기(REDUCER)라 부른다.
 
 
1) 구조가 간단하고 동력손실이 적다.
2) 내구성이 좋고 수명이 길다
3) 동력과 회전력을 정확하게 전달할 수 있다. (미끄럼이 전혀 없다.)
 
 
감속기는 원동기의 회전력을 정해진 감속비로 감속시켜 피동기에 전달하는 장치로써, 감속기능 외에 동력 전달 장치이면서 회전력(TORQUE)을 감속비 만큼 증폭 시킨다. 이러한 감속기의 종류와 명칭은 형태상, 축의 상대적인 방향성, 취부 방법, 기어의 종류 및 피동기계의 종류 등에 따라 다양한 명칭을 가지고 있다.

1) 평행축 감속기
- 일반적으로 가장 광범위하게 사용되는 감속기.
- 고효율, 고정도, 고부하용 감속기로 제작 가능.
- 고속, 정속 회전 가능
- BEVEL을 사용할 경우 직교축으로 됨.

2) WORM 감속기
- 구조가 간단하고 경제적이며, 운전시 소음, 진동이 적음
- 충격 하중에 강하고 직교축으로 입, 출력 양축이 가능.
- 1단 감속에서 폭넓은 감속비를 얻을 수 있음.
- 감속비가 큰 경우 SELF LOCKING이 가능하여 역전 방지에 이용.
- 감속비가 크며 효율이 나쁘고 발열이 많음
- 적당한 초기 운전 필요

3) 유성 감속기
- 소형, 경량이고 효율이 좋음.
- 발생 열량이 적어 오일 온도 상승이 낮음.
- 물림 속도가 적어 진동, 소음이 낮음
- 입, 출력이 동심
- 1단에서 1/12까지 감속비를 얻을 수 있고, 2단 이상으로 하면 폭 넓은 감속비를 얻을 수 있음.
- 부품수가 다소 많고, 높은 제작 정밀도가 요구됨
 
 
감속기가 모터의 회전속도를 감속하는 비율이다.
서로 맞물린 치차에서 피동치차의 잇수를 구동치차의 잇수로 나눈 값으로 일반적으로 감속비는 보통 1:3~ 1:250으로 구성되어 있다.
 
 
감속기를 조립한 경우 회전수는 다음식에 의하여 계산 된다.
 
 
감속기 출력축의 회전 방향은 감속비에 의해 MOTOR의 회전 방향과 동일한 것과 반대 방향인 것도 있다. (표1)
 
 
 
GEAR HEAD를 출력축에서 구동 가능한 부하 TORQUE의 크기를 나타낸다.
 
 
※전달 효율
 
MOTOR에 GEAR HEAD를 조합하여 TORQUE를 증폭 시킬 때의 효율로 단위는 %로 표시 한다.
GEAR HEAD에 사용되는 축수, 치차의 마찰 및 윤활유의 저항등 으로 결정되며 전달 효율은 GEAR HEAD의 감속 단수 당 90%를 고려하여 감속 단수가 적은 2단은 81% 정도이며, 감속비가 클수록 감속 단수가 증가하여 3단은 73%, 4단은 66%, 5단은 59%로 저하 된다. (표2)
 
 
 
출력 TORQUE는 감속비가 커지면 그에 비례해서 커지는데, 사용 되는 기어, 축수의 재질, 크기등의 조건에 따라 가해지는 부하 TORQUE의 크기가 어느 감속비 이상이 되면 한계에 도달하게 된다. 이 TORQUE를 최대허용 TORQUE라 한다. (그림2)
 
 
 
1) 정격수명

GEAR HEAD는 허용 TORQUE 이내에서 사용한다면 정격수명이 METAL TYPE은 2000Hr이고 BALL BEARING TYPE은 5000Hr까지 사용이 가능하다.
정격수명이라는 것은 다음과 같은 조건으로 운전하였을 경우 GEAR HEAD 출력축에 MOTOR TORQUE가 전달이 불가능하게 되어 GEAR HEAD가 정지하기 전까지의 시간을 말한다.
 
 
※ BALL BEARING TYPE의 GEAR HEAD를 하루에 24시간 운전한다면 SERVICE FACTOR를 고려하여 최대허용 TORQUE가 큰 MOTOR와 GEAR HEAD를 선정하여 사용한다.
 
 
2) SERVICE FACTOR

GEAR HEAD의 수명은 보통 축을 지지해주는 방법에 의해 결정되지만, 일반적으로는 부하가 변하는 경우가 많으므로 부하의 종류에 따라 SERVICE FACTOR의 계수를 사용한다.

안전계수 Sf는 일일가동시간, 기동 및 정지빈도수, 하중의 종류, 주위온도 및 기타의 사항등 모든 운전조건을 검토하여 결정되어야 한다.
인원에 대한 안전, 생산라인에서의 기어감속기의 역할, 유지보수의 조건들도 위에서 언급한 사항과 같이 중요하다. 강도계산(동력전달능력)은 균일하중상태로 1일 80시간을 연속 운전했을 때를 기준으로 가장 이상적인 데이터에 의해 설계한다. 작업자에 대한 안전 및 고장없는 지속적인 운전을 위하여 안전율을 조견표상에서 결정된 것보다 큰 것으로 결정하는 것이 좋다. (표3)참조
 
 
 
 
1) 축단 하중 (OVER HANG LOAD)

OVER HUNG LOAD는 감속기 연결시 직결방식이 아닌 스프라켓, 기어, 풀리 등으로 연결하여 사용할 때 한쪽으로 작용되는 무리한 힘이나 충격에 의한 하중치를 의미하며 이로 인한 충격이 감속기내부에 전달되어 기어 치면과 베어링에 손상과 더불어 축의 굽힘 현상을 발생 시킬 수 있다.
축단하중을 결정할 경우에는 반드시 출력축의 연결 기구에 대하여 검토하여 O.H.L. 연결계수 "K"의 값이 적용되어야 한다.
감속기의 수명에 커다란 영향을 주므로 ,감속기의 선정, 설치전에 충분히 검토하여야 한다.
입력 혹은 출력축 각각 전동기에 영향을 주는 축단하중은 다음과 같이 계산한다. (표4),
 
 
※ 산출한 OVER HANG 하중치가 허용치를 초과하면, 축수의 단기 파손, 출력축의 휨, 반복 하중에 의한 피로 파손을 가져오므로 주의하여야 하며 이와 같은 경우에는 OVER HANG 하중에 견딜 수 있는 구조로 설치해야 한다.
또한 출력축에 직접 부하를 취부하는 경우에는 편단 하중 때문에 GEAR HEAD에 가깝게 부하를 취부하는 것이 좋다. 전달 기구에 HELICAL GEAR, WORM GEAR 등을 사용하는 경우에는 OVER HANG 하중과 동시에 TRUST 하중이 작용하므로 TRUST 하중도의 허용치를 초과하지 않도록 사용하여야 한다.

2) THRUST 하중

GEAR HEAD 출력축에 축 방향으로 걸리는 하중으로 GEAR HEAD 출력축에 걸릴 수 있는 THRUST 하중의 최대치를 허용 THRUST 하중이라고 하고 GEAR HEAD의 종류에 따라 다르다. (표5)
 

 

  
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