기어(Gear) 1 - 기어의 종류 와 역할

기어(Gear, 톱니바퀴)란 가장자리에 톱니가 파여 있어, 다른 기어와 맞물려 돌아가면서 동력을 전달하는 기계 부품입니다. 

쉽게 말해, 한쪽 바퀴의 힘과 움직임을 다른 쪽 바퀴로 옮겨주는 역할을 합니다. 이때 단순히 힘만 전달하는 것이 아니라, 여러 가지 중요한 역할을 수행합니다.

 

기어의 핵심 역할 3가지

1. 속도 변경 (감속 & 증속)
   • 작은 기어가 큰 기어를 돌리면? 회전 속도는 느려지지만, 힘(토크)은 더 강해집니다. 자전거가 언덕을 올라갈 때 페달 쪽의 큰 기어와 뒷바퀴의 작은 기어를 사용하는 원리와 같습니다.
   • 큰 기어가 작은 기어를 돌리면? 회전 속도는 빨라지지만, 힘은 약해집니다. 평지에서 자전거 속도를 낼 때를 생각하면 쉽습니다.
2. 힘(토크) 변경
   • 속도를 줄이는 대신 더 강력한 힘을 얻을 수 있습니다. 자동차의 변속기나 무거운 물건을 들어 올리는 기계는 이 원리를 이용해 작은 엔진의 힘을 극대화합니다.
3. 방향 전환
   • 기어의 종류와 조합에 따라 힘이 전달되는 방향을 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, 수평으로 회전하는 힘을 수직으로 바꾸거나, 회전 방향을 반대로 바꿀 수 있습니다. 자동차의 핸들을 돌릴 때 회전 운동이 바퀴의 직선 방향 운동으로 바뀌는 것이 대표적인 예입니다.

 

기어의 전달 유형

기어는 이빨의 형상과 맞물리는 기어 축의 관계에 따라 크게 다음의 종류로 나타낼 수 있습니다.

전달 유형	설명	전달 그림	맞물림 패턴	기어 구성
평행 전달	맞물리는 기어의 두 축에 평행한 회전/동력을 전달합니다.			평기어 ＋ 평기어
	회전 위치/동력을 직선 방향으로 전달합니다. 또는 반대로도 사용합니다.			평기어 ＋ 랙기어
각도 전달	교차하는 두 축에 각도를 변경하여, 회전/동력을 전달합니다.			베벨기어 ＋ 베벨기어 (스트레이트/스파이럴)
엇갈림 전	교차하지도 않고, 평행하지도 않은 두 축을 엇갈리게 하여 회전/동력을 전달합니다.			나사 기어 ＋ 나사 기어

 

기어의 종류 

 

 

1.  평기어 (Spur Gear) 

평기어는 가장 기본적이고 널리 사용되는 기어입니다.

• 특징:
  • 곧은 톱니: 기어의 이(齒, tooth)가 회전축과 평행하게 직선으로 뻗어 있습니다.
  • 간단한 구조: 설계와 제작이 비교적 쉬워 가격이 저렴하고 높은 정밀도를 얻기 쉽습니다.
  • 추력 없음: 축 방향으로 밀어내는 힘(추력, Thrust)이 발생하지 않습니다.
• 장단점:
  • 장점: 효율이 높고 구조가 간단하며 유지보수가 쉽습니다.
  • 단점: 톱니가 한 번에 맞물리고 떨어지기 때문에 고속 회전 시 소음과 진동이 발생하기 쉽습니다.
• 주요 용도: 정밀한 동력 전달이 필요하거나 저속으로 움직이는 곳에 주로 쓰입니다. 시계, 장난감, 세탁기, 공작기계 등 다양한 기기에서 찾아볼 수 있습니다.

  

2.  헬리컬 기어 (Helical Gear) 

헬리컬 기어는 평기어의 소음과 진동 문제를 개선한 기어입니다.

• 특징:
  • 비스듬한 톱니: 톱니가 축에 대해 일정한 각도로 비스듬하게 나 있습니다.
  • 부드러운 맞물림: 톱니가 점진적으로 접촉하고 떨어지기 때문에 작동이 부드럽고 조용합니다.
• 장단점:
  • 장점: 평기어보다 소음과 진동이 적고, 더 큰 힘을 전달할 수 있습니다.
  • 단점: 비스듬한 톱니 때문에 축 방향으로 밀어내는 힘(추력)이 발생합니다. 이 힘을 견디기 위한 스러스트 베어링이 추가로 필요할 수 있습니다.
• 주요 용도: 고속 및 고하중 환경에 적합하여 자동차 변속기, 펌프, 컨베이어 시스템 등 소음이 적고 부드러운 동력 전달이 중요한 곳에 널리 사용됩니다.

3. 헤링본 기어 (Herringbone Gear) 

헤링본 기어는 헬리컬 기어의 단점을 보완한 고급 기어입니다. '더블 헬리컬 기어'라고도 불립니다.

• 특징:
  • V자형 톱니: 서로 반대 방향의 헬리컬 기어 두 개를 합쳐놓은 듯한 V자 모양(생선 뼈 모양)의 톱니를 가집니다.
  • 추력 상쇄: 양쪽의 비스듬한 톱니에서 발생하는 추력이 서로를 상쇄시켜 축 방향 힘이 발생하지 않습니다.
• 장단점:
  • 장점: 헬리컬 기어의 장점(저소음, 고하중 전달)은 그대로 유지하면서 추력이 발생하지 않는다는 큰 이점이 있습니다.
  • 단점: 구조가 복잡하여 제작이 매우 어렵고 가격이 비쌉니다.
• 주요 용도: 매우 큰 힘을 안정적으로 전달해야 하는 대형 산업 설비에 주로 사용됩니다. 선박 엔진의 감속기, 발전소의 터빈, 압연기 등에 활용됩니다.

4.  나사 기어 (Screw Gear) 

나사 기어는 축이 서로 엇갈려 있을 때 사용하는 특수한 기어입니다. '엇갈림 축 헬리컬 기어'라고도 합니다.

• 특징:
  • 엇갈린 축: 두 축이 평행하지도, 만나지도 않는 엇갈린 위치' 에서 동력을 전달합니다.
  • 점 접촉: 톱니가 선이 아닌 점(Point)으로 접촉하며 미끄러지듯 힘을 전달합니다.
• 장단점:
  • 장점: 복잡한 기구 없이 엇갈린 축에 간단히 동력을 전달할 수 있습니다.
  • 단점: 점으로 접촉하기 때문에 큰 힘을 전달하기 어렵고 마모가 쉽게 일어납니다. 효율 또한 낮은 편입니다.

주요 용도: 큰 힘이 필요 없는 계측기, 자동차 오일펌프 구동 등 가볍고 보조적인 동력 전달에 사용됩니다.

 

 

 

5. 베벨 기어 (Bevel Gear)

원뿔 형태의 기어로, 주로 서로 만나는 두 축 사이에서 동력을 전달할 때 사용됩니다. ⚙️

• 원리와 특징: 두 축이 한 점에서 교차할 때 (주로 90도) 동력의 방향을 바꾸는 데 사용됩니다. 톱니 모양에 따라 이빨이 직선인 스트레이트 베벨 기어와 나선형인 스파이럴 베벨 기어로 나뉩니다. 스파이럴 베벨 기어는 접촉이 더 부드러워 소음이 적고 더 큰 힘을 전달할 수 있습니다.
• 주요 용도:
  • 자동차 차동기어장치: 코너를 돌 때 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴의 회전 속도를 다르게 조절합니다.
  • 핸드 드릴: 모터의 회전을 90도 꺾어 드릴 비트를 회전시킵니다.
  • 산업용 기계: 동력 전달 방향을 변경해야 하는 다양한 기계에 사용됩니다.

스트레이트 베벨 기어	스파이럴 베벨 기어

 

6. 내부 기어 (Internal Gear)

기어의 이빨이 원통의 안쪽에 나 있는 기어입니다.

• 원리와 특징: 바깥쪽의 작은 기어(피니언)가 내부 기어의 안쪽에서 맞물려 회전합니다. 일반적인 외접 기어와 달리, 두 기어가 같은 방향으로 회전하는 것이 가장 큰 특징입니다. 이 덕분에 전체적인 장치를 매우 콤팩트하게 설계할 수 있습니다.
• 주요 용도:
  • 유성 기어 장치: 작은 공간에서 높은 기어비를 얻을 수 있어 자동차의 자동 변속기나 로봇 팔 관절에 핵심 부품으로 사용됩니다.
  • 기어 펌프: 점성이 높은 액체를 이송하는 펌프에 활용됩니다.
  • 자전거 허브 기어: 자전거 뒷바퀴 축에 내장된 변속 장치에 사용됩니다.

7. 랙과 피니언 (Rack and Pinion)

회전 운동을 직선 운동으로, 또는 직선 운동을 회전 운동으로 바꾸는 장치입니다.

• 원리와 특징: 평평한 막대 모양의 기어인 랙(Rack)과 원형 기어인 피니언(Pinion)이 한 쌍으로 이루어져 있습니다. 피니언이 회전하면 랙이 좌우로 직선 운동을 합니다. 구조가 간단하고 직관적이며, 동력 전달의 응답성이 빠릅니다.
• 주요 용도:
  • 자동차 조향 장치: 운전자가 핸들(피니언에 연결)을 돌리면 랙이 움직여 바퀴의 방향을 바꿉니다.
  • CNC 공작 기계: 정밀한 위치 제어가 필요한 절삭 공구의 이송 장치에 사용됩니다.
  • 자동문, 엘리베이터: 모터의 회전력을 직선 운동으로 바꿔 문을 열고 닫거나 엘리베이터를 움직입니다.

8. 웜과 웜기어 (Worm and Worm Gear)

나사 모양의 '웜'과 톱니바퀴 모양의 '웜휠(웜기어)'로 구성되며, 큰 감속이 필요할 때 사용됩니다. 🔩

• 원리와 특징: 서로 평행하지도, 만나지도 않는 엇갈린 축(주로 90도) 사이에서 동력을 전달합니다. 웜이 한 바퀴 회전할 때 웜휠은 겨우 이빨 하나만큼만 움직이므로, 단 한 번에 매우 큰 감속비(예: 100:1)를 얻을 수 있습니다. 또한, 구조적으로 역구동이 거의 불가능(Self-locking)하다는 중요한 특징이 있습니다. 즉, 웜휠 쪽에서는 웜을 돌릴 수 없어 하중을 안전하게 유지할 수 있습니다. 다만, 미끄럼 접촉 방식이라 효율이 다소 낮습니다.

주요 용도:

• 엘리베이터, 에스컬레이터: 모터가 멈췄을 때 현재 위치를 안전하게 유지해야 하므로 역구동 방지 특성이 매우 중요합니다.
• 기타(Guitar)의 튜닝 페그: 줄을 감은 후 장력이 풀리지 않도록 고정하는 데 사용됩니다.
• 컨베이어 벨트: 무거운 물건을 옮길 때 큰 힘과 정밀한 속도 제어가 필요할 때 사용됩니다.