KS규격 정리/기계제도

기어제도, 기어 규격, 기어 종류, 기어 개념, 기어 제작

로망사슴 2024. 11. 7. 07:48

 

기어란?

 

1. 개요

 

1) 기어의 정의

 기어는 원통 마찰차, 원추 마찰차 둘레에 이(teeth)를 같은 간격으로 만든 것. 
구동기어의 이가 회전함에 따라 종동기어의 이 홈에 들어가 치 면을 눌러 짧은 거리의 회전을 전달하는 기계요소  

 

2) 기어 개념 세부 명칭 정리 

기어 각부 명칭, HRD

  • 피치원 
    한 쌍의 스퍼 기어의 운동은 피치원 혹은 피치선(랙과 같은 직선일때 피치선이라고 함) 등이 서로 접하여 완전한 운동을 하는데, 이 접촉점을 피지점이라 하고, 피치점과 중심점을 반경으로 그린 원을 피치원이라고 함 
피치원은 한 쌍의 치차 혹은 치차쌍을 만들기 위해 다른 치차와 이 치차를 맞물려줄때만 나타남 
  • 피치점
    물림중 모든 접촉점에서 치형의 공통 법선은 항상 중심선 위에 있는 고정점을 지나야하는데, 이 고정점을 피치점이라 함 
    치차쌍의 속도비는 상수로, 각 치차의 피치점까지의 반지름의 비로 정의됨 
  • 이 끝 높이 (addendum)
    피치원에서 이끝원까지의 거리를 이끝 높이라 하며, 이끝원은 이끝을 연결한 원 
    표준 기어에서 피니언과 기어의 어덴덤은 서로 같음 
  • 이뿌리 높이 (dedendum)
    피치원에서 이뿌리원까지의 거리를 이뿌리높이라 하며, 이뿌리원은 이뿌리를 연결한 원
  • 총 이높이 
    이끝 높이 + 이뿌리 높이 
  • 이 끝 틈새 
    이끝원에서부터 이것과 맞물리고 있는 기어의 이뿌리원까지의 거리 
  • 작용선 (line of action) 
    접촉점에서 양쪽 인벌류트 이의 곡선에 대한 공통 접선에 수직인 공통 법선
    양쪽 인벌류트의 동일선상에 있으며, 두 이의 무림이 어디에서 접초하고 있던지 항상 피치점을 지남 
    물림이 이루어지고 있는 동안 두 점들 사이의 거리를 작용선에 따라 표현하는데, 이 길이를 작용선의 길이 (length of action)라 부름 
  • 피치선속도 (pitch line velocity)
    피치점에서는 피니언과 기어 모두 선속도가 같은데, 이를 피치선속도라 함 
  • 압력각 (pressure angle) 
    작용선과 속도벡터사이 각을 압력각이라 함 
    작용선이 피동치차의 회전방향으로 압력가만큼 회전한 것과 같음 
    압력각은 주로 표준값을 쓰며, 14.5도나 20도, 25도가 있는데 주로 20도가 많이 사용이 된다 
    표준값을 사용하지 않으면 특수커터가 필요할 수 있으며 이는 제작 비용의 증가를 의미한다 

 

3) 기어 치수 관련 개념 

기어 치수 관련 개념으로는 원주 피치, 모듈, 지름피치 등이 있음 
원주피치를 기준으로 
- 원주피치 = pi * D / Z 
- 모듈 = 원주피치 / pi 
- 지름피치 : 25.4 * pi / 원주피치 
  • 원주 피치 (circular pitch) 
    피치원의 둘레를 잇수로 나눈 값, 피치원 지름을 D, 잇수를 Z라 하면 원주피치 p는 

원주 피치

  • 모듈 (module) 
    모듈은 피치원의 지름을 잇수로 나눈 값
    모듈을 기준으로 이 끝 높이, 이뿌리 높이 등이 정해짐. (모듈이 클수록 잇수는 작고, 이는 커짐)

모듈

모듈은 표준값을 주로 사용하는데 (KS B 1404) 1계열을 우선적으로 사용하고, 필요하면 2계열을 사용함
1계열 : 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 
2계열 : 1.125 1.375 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5 6.5 7 9 11 141 18 22 28 36 45
  • 지름 피치 (diametral pitch) 
    지름 피치는 잇수를 피치원 지름으로 나눈 값, 모듈의 역수 
    값이 작을수록 잇수는 작고 이는 커진다 (모듈의 반대) 

지름 피치

 

 

2. 기어의 구분 

 

1) 평행축 기어 

  • 스퍼기어(spur gear) 
    직선치형, 잇줄이 축에 평향, 제작이 용이하여 가장 많이 사용됨 
  • 랙 (rack)
    피치원의 반지름이 무한대인 스퍼기어, 회전운동을 직선운동으로 바꾸는데 사용함
  • 내접기어 (internal gear)
    스퍼기어와 맞물리며 원통의 안쪽에 이가  형성되어 있음. 맞물린 기어와 회전방향이 같으며, 유성기어장치 혹은 기어 형 축이음에 사용함
  • 헬리컬기어 (helical gear) 
    잇줄이 축 방향과 일치하지 않는 기어, 이의 물림이 좋아져 소음 측면에서 유리하나 축 방향 하중이 발생하는 단점
  • 더블헬리컬기어 (Double helical gear) 
    비틀림 각 방향이 서로 반대인 한 쌍의 켈리퍼 기어 조합, 축방향 힘이 발생하지 않음 

평행축 기어 리스트

2) 교차축 기어

  • 직선 베벨 기어 (straight bavel gear)
    잇줄이 피치원뿔의 모직선과 일치하는 베벨기어. 베벨기어 중  제작이 가장 간단함
  • 스파이럴 베벨 기어 (spiral bevel gear) 
    잇줄이 곡선이고  모직선에 대하여 비틀려있음. 제작이 어려우나 이의 물림이 좋고 소음 유리 
  • 제롤 베벨 기어 (zerol bevel gear) 
    스파이럴 베벨 기어 중 이너비 중앙 비틀림각이 0인 베벨 기어
  • 크라운 기어 (crown gear) 
    피치면이 평면으로 된 베벨기어  

교차축 기어 리스트

 

3) 엇갈림축 기어

  • 원통 웜 기어 (cylindrical worm gear) 
    두 축이 직각을 이루는 경우. 원통형 웜과 이에 맞물리는 웜휠을 총칭
    큰 감속을 얻을 수 있으나 효율이 낮음 
  • 장고형 웜 기어 (hourglass worm gear) 
    웜을 장고형으로 만들어 웜 휠과의 접촉면적을 크게  한 것 
  • 나사 기어 (screw gear) 
    서로 교차하지도 않고 평행하지도 않은 두 축 사이의 운동을 전달하는 기어
    헬리컬 기어의 이 모양 
  • 하이포이드 기어 (hypoid gear) 
    서로 교차하지도 않고 평행하지도 않는 두 축 사이의 운동을 전달하는 스파이럴 베벨 기어. 일반 스파이럴 베벨기어에 비하여 피니언의 위치가 이동할 수 있음 

엇갈림 축 기어 리스트

 

 

3. 고찰

 

1) 기어 치형 원리

기어 치형은 크게 사이클로이드형 치형과 인벌류트형 치형이 있음
가공의 용이성 때문에, 주로 인벌류트 치형을 사용함  (대부분 인벌류트이라고 보면 됨)

(1) 사이클로이드 치형 

작은 구름원이 피치원의 바깥둘레를 미끄럼 없이 굴러갈때 구름 원주상 한 점이 그리는 궤적을 외전 사이클로이드 곡선이라 함. 그리고 피치원의 안쪾 둘레를 미끄럼 없이 반대방향으로 굴러갈때 구름 원주상 한 점이 그리는 궤적을 내전 사이클로이드 곡선이라 하는데 이 두 곡선이 합해진 것이 사이클로이드 치형이라 함 

  • 물림률이 큼
  • 미끄럼률이 이 끝면과 이뿌리 면에서 일정함 
  • 원주피치와 구름원의 크기가 같아야 호환성 
  • 치형 가공이 인벌류트 치형보다 까다로움 

(2) 인벌류트 치형 (주로 사용하는 치형, 우리가 아는건 거의 인벌류트라 보면 됨)

원통 면에 실을 감아서 팽팽하게 잡아당기면서 풀어나갈때 실의 한 점이 그리는 궤적을 인벌류트 곡선이라 함 
인별루트 치형을 갖는 기어는 압력각 및 이의 크기 (모듈)이 같아야 호환이 가능함 

종류 / 성질 인벌류트 치형 사이클로이드 치형
압력각 일정 변화
미끄럼률 / 마모 변화가 많다. 피지점에서 미끄럼률이 00, 마모가 불균일하고 치형이 변화함 일정, 마모 균일
절삭공구 직선 (사다리꼴)형태 공구라 제작이 쉽고 값이 저렴 사이클로이드 곡선형태 공구여야하고, 구름원에 따라 여러 커터가 필요
공작 방법 빈공간은 다소 치수 오차가 있어도 됨, 전위절삭이 가능하다 (전위기어) 빈 공간이라도 치수가 극히 정확해야하고 전위절삭이 불가능
중심거리 / 조립 약간 오차가 있어도 무방함(쉬움) 정확해야함 (어려움)
언더컷 발생 발생 X 
호환성 압력각과 모듈이 모두 같아야함  원주피치와 구름원이 모두 같아야함
용도 전동용, 일반적으로 사용함 정밀기계 (시계 등)

사이클로이드 치형과 인벌류트 치형의 비교, HRD

 

2) 전위 기어 

랙 공구의 기준 피치선이 기어의 기준 피치원에 접하지 않는 기어를 전위기어라 함 
 

전위기어, 전위기어의 목적, 전위기어 활용

14-1-5 전위기어의 정의와 사용목적에 대하여 설명하시오. 1. 개요1) 전위기어 (profile-shifted gear)의 정의 표준 보통 기어의 치형곡선을 벗어나서, 이끝원과 이뿌리원을 크거나 작게 만든 것 표준

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3) 중심거리의 변화

치차의 물림이 이루어지기 위한 중심과 중심간의 거리에는 어느정도 범위가 있음 
이상적인 피치원지름이 있을지라도, 제작 공정때문에 정확히 맞출수는 없음 
중심거리의 오차는, 인벌류트가 아니라면 출력속도의 변동 혹은 파동의 원인이 됨 
(반대로, 인벌류트치형은, 중심거리의 오차가 속도비에 영향을 주지 않음 ; 인벌류트 치형의 최대 장점, 보편적으로 사용되는 이유) 

 

4) 백래시 (Backlash)

피치원의 원주르 따라서 측정한, 서로 맞물리는 치차 사이의 틈새 
이론상으로, 이두께와 이 홈 사이에 틈새가 없이 접촉하여도 좋으나 윤활유의 유막 두께, 기어의 치수 오차, 중심거리의 변동, 열팽창, 부하에 의한 이의 변형, 축의 변형 등을 고려하면 적당한 틈새가 필요하고 백래시를 허용하지 않으면 원할한 전동이 불가능하다

하지만, 백래시가 커지면 소음과 진동이 생기므로 가능한 적게 해야한다
(한쪽 방향으로만 구동하면 문제가 되지 않지만, 토크 방향이 바뀌는 경우 이의 접촉이 반대쪽 치면으로 바뀌면서, 충격이 발생하게 되고 이는 소음과 진동을 유발하며 응력과 마모를 증대시키고 위치오차를 유발할 수 있음)

백래시는 잠재적으로 전달속도의 변화를 유발할 수 있고 위치 오차를 교정하지 못할 수 있기때문에, 정밀구동을 위해서는 안티백래시 치차 (anti-backlash)를 사용하는 것이 필요함  

(1) 백래시의 목적

  • 치형오차, 피치오차, 편심 가공 오차
  • 중하중, 고속회전시 발열되어 기어가 팽창
  • 윤활을 위한 잇면 사이의 유막 두께 

(2) 백래시 부여 방법

  • 중심거리를 반지름 방향의 길이만큼 크게 하는 방법
  • 기어의 이 두께를 작게 하는 방법 (음의 방향으로 전위) 

백래시 개념, HRD

5) 물림률 (contact ratio)

물림률 m은 어떤 순간에 접촉상태에 있는 평균 잇수를 의미. 
m = Z / p (물림률 = 작용선의 길이/ 법선피치 

물림률이 1 : 하나의 이가 접촉상태에서 떨어지는 순간 그다음이가 접촉을 시작 
물림률이 작으면, 작은 피치오차라도 속도, 진동, 소음에 변동을 발생시키기 때문에 좋지 않음 
또한,하중이 이 끝에 가해지기 때문에 큰 굽힘 모멘트가 발생하게 됨 

물림률을 1 ~ 2 사이에서 선정하는 경우가 대부분인데, 물림동안 한쌍의 이가 모든 하중을 받을때가 여전히 생기지만, 물림영역 중심부분에서 일어나 이끝보다는 보다 낮은 위치에 하중이 가해져 더 바람직하다 (이물림의 최고위치  - HPSTC; Highest Point of Single Tooth Contact) 
  • 부드러운 작동을 위한 최소 물림률은 1.2 
  • 최소 물림률을 1.4로 하는건 더 선호되고, 클수록 좋음 
  • 대부분 평치차는 1.4 ~ 2 사이의 물림률을 가지게 됨 

 

6) 평치차에 발생하는 응력,  기어의 파손

맞물리는 치차의 이는 접촉면에서 구름운동과 미끄럼운동이 함께 이루어지는데, 피치점에서 상대운동은 순수 구름운동임 
치차 이의 파손형태는 아래 두가지이다 

1) 이뿌리에서 발생하는 변동 굽힘응력으로 인한 피로파괴
2) 치면의 치면피로파손(pitting, 피팅) 

기어는 또한 스폴링(splalling)이 생길 수 있음 (고하중때문에 치면의 표면 하에 재료에 피로가 생겨 큰 금속조각이 치면에서 탈락하는 현상을 의미  
 

기어의 파손, 파손 원인, 고장 모드

1. 개요 1) 기어의 파손 개요 기어의 파손은 크게 미끄럼마모 (sliding wear), 부식,과열, 침식, 영구변형(압흔, 소성변형, 리플링, 릿징, 버), 손사, 치면 피로(피팅, 플레이크, 스폴링), 갈라짐, 균열,

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4. 치차의 제작 

 

기어 제작, 기어 연삭 방법 (gear grinding, gear cutting), 호빙, 셰이핑, 그라인딩, 창성법

16-4-4 기어 연삭방법 3가지를 설명하시오. 1. 개요 1) 기어 연삭 정의 일반적으로 절삭한 기어를 열처리 후 치형을 정밀연삭하여 최종 제품을 생산함 2) 목적 기어는 적절한 강도와 인성을 부여하

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1) 성형법 (Forming)

주조, 인베스트먼트주조, 소결, 사출성형, 압출가공, 냉간인발, 스탬핑 등이 있음 
  • 주조 : 정밀도가 낮아 지나친 백래시가 해가 되지 않는 분야에 사용 (중요하지 않은 분야) 
  • 인베스트먼트 주조 : 상당히 정밀한 치차 제작이 가능
  • 소결 : 일반적으로 작은 크기의 치차를 만드는데 사용됨 
  • 사출 : 플라스틱으로 비금속 치차 제작시 사용 
  • 압출가공 : 긴 봉에 이를 성형 후 알맞은 크기로 잘라 구멍과 키홈을 기계가공
  • 냉간인발 : 강봉을 다이로 끌어당겨 이를 성형, 이후 구멍과 키홈을 기계가공
  • 스탬핑 : 낮은 가격의 저정밀도 치차, 표면 거칠기와 정밀도가 나쁨
 

인베스트먼트 주조(Investment Casting), 정밀주조, 로스트왁스법, 마그네틱 주조법, 풀몰드 주조, 로

주조 소모성주형주조 사형주조 정밀주조 (인베스트먼트주조, 로스트왁스법) ★ 쉘몰드주조 풀몰드주조 (로스트폼 주조) 금형주조 고압주조 저압주조 중력주조 특수주조 진공주조 고압응고주조

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프레스가공 (전단, 압축, 굽힘, 드로잉, 파인블랭킹, 프레스 종류, 프레스 이론, 파단면 형상, 프

1. 개요 1) 정의 프레스 기계를 이용한 가공 2) 프레스 가공의 특징 복잡한 형상을 간단하게 가공 절삭에 비해 인성 및 강도가 우수 (변형 경화) 정밀도가 높고 대량 생산 가능 재료 이용률이 높다

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압출가공 (Extrusion), 압출설계, 압출 특징, 정수압압출, 충격압출, 연속압출(Continuous extrusion)

소성가공 단조가공 압연가공 압출가공 ★ 직접압출 역식압출 봉재, 관재압출 충격압출 정수압압출 연속압출 제관가공 인발가공 전조가공 프레스가공 22-3-4 압출가공(extrusion)의 설계 시 고려해

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2) 기계가공법 (Machining) - 거친 가공

성형 밀링 (form miilling), 랙 창성 (rack generation), 치차 셰이핑 (geear shaping), 호빙 (Hobbing)
  • 성형 밀링
    이 커터는 이의 형상과 각 치차의 잇수에 대해 치차의 이 홈 모양으로 만들어져야 함. 
    각 치차 크기에 따라 다른 형태가 필요하여 가격이 비싸짐 
    가격을 낮추기 위해서는 같은 커터가 여러 크기의 치차에 사용되야하는데, 이는 치형 오차의 원인이됨
    성형밀링은 가장 정밀도가 낮음 
  • 랙 창성
    랙의 치형은 사다리꼴이라 어떤 인벌류트 치차도 쉽게 랙커터를 만들 수 있음 
  • 치차 셰이핑
    치차형상의 공구를 사용, 치차 블랭크가 셰이퍼 커터 주의를 회전하는 동안 공구가 치차 블랭크의 축방향으로 가로질러 왕복운동하여 치차 이를 만듬 
    (정밀도는 좋지만 셰이퍼 커터 하나의 이에서라도 오차가 있으면 오차는 바로 절삭되는 치차로 전달됨)
  • 호빙
    나사탭과 유사하게 생김. 이홈과 맞도록 성형되어있고, 중간에 홈을 가짐. 회전하는 치차 블랭크 안으로 절삭해 들어가며 이를 창성함. 거친가공 중 가장 정밀하며, 어떤 공구오차도 상쇄함 (각각의 치차 이가 다수의 호브이로 구성되어있음) 
    아주 좋은 표면거칠기를 얻을 수 있고 많이 사용됨 

 

 

밀링, 밀링머신의 종류, 밀링 특징, 상향절삭, 하향절삭, 밀링 채터링, 밀링 분할법

17-2-1 밀링 고정구의 설계시 고려사항 7가지를 설명하시오16-3-5 밀링가공에서 엔드밀 선정시 비틀림각, 날수, 홈깊이에 따른 각각의 선정방법에 대해 설명하시오 13-2-1 밀링(milling)작업에서 상향

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3) 기계가공법 (Machining) - 다듬질 가공

셰이빙, 연삭, 버니싱, 래핑과 호닝이 있음 
  • 셰이빙 (shaving) 
    셰이핑과 비슷하지만, 거친가공 후 정밀한 셰이빙 커터로 소량의 치표면을 제거하여 치형오차를 수정, 표면거칠기 향상 
  • 연삭 (grinding) 
    표면거칠기 향상, 거친가공 후 경화 치차의 열처리 변형을 수정할때도 사용됨 
  • 버니싱 (burnishing) 
    경화치차에 대해 적용. 거칠기를 향상시키고 표면경화시켜 이로운 압축응력을 만들어내고, 피로강도를 증대함 
  • 래핑과 호닝 
    표면거칠기와 정밀도 향상 
 

래핑가공 (Lapping)

절삭공정 연삭가공 정밀입자가공 호닝(honing) 래핑(Lapping) ★ 슈퍼피니싱(super finishing) 액채 호닝 (Liquid honing) 브로칭 (broaching) 폴리싱 (polishing) 버핑 (buffing) 샌딩 (sanding) 18-1-5 미립자 가공법 중 래

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연삭가공 종류(평면, 원통, 내면, 공구, 기어, 나사), 센터리스 연삭 (Centerless Grinding)

드릴링가공 보링가공 리머가공 탭가공 평삭가공 셰이퍼가공 슬로터가공 플래너가공 밀링가공 기어절삭가공 호빙머신 이용 기어셰이퍼 이용 기어셰이빙 이용 기어밀링 이용 총형 커터 창성법

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호닝 공정 (honing), 액체 호닝 (Liquid honing), 정밀공작, 미립자가공, 특수가공

절삭공정 연삭가공정밀입자가공호닝(honing) ★  래핑(Lapping)슈퍼피니싱(super finishing) 액채 호닝 (Liquid honing) ★ 브로칭 (broaching) 폴리싱 (polishing)버핑 (buffing)샌딩 (sanding)20-4-1 호닝(honing)의 특징

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4) 치차의 소재 (Material)와 열처리(Heat Treatment) 

치차는 크게 강재, 주철재, 청동 및 비철금속으로 제작이 되며 
열처리는 전경화와 표면경화가 대부분이다 (표면경화 : 침탄, 질화 등) 
 

기어의 재료, 기어의 열처리

1. 개요 1) 기어의 재료 개요 치차는 기본적으로 큰 동력을 전달해야하기 때문에 제한된 수의 금속과 합금강만 적합함 충분한 강도와 마모 저항, 경도를 확보하기 위해서는 합금강에 표면경화

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5) 치차의 품질 등급 

AGMA 기준 3 ~ 16등급까지 구분되어있음 (16등급이 가장 정밀) 

성형치차는 3~4등급의 품질등급지수, 거친 가공은 5~7 품질등급지수, 셰이빙이나 연삭 다듬질 후 8~11등급, 래핑과 호닝시 더 높아짐 

피치오차 (이홈의 부정확도)는 치차 이 사이 충격의 원인이 되고 충격력은 회전소도가 커질수록 증가함 
 피치오차가 커지게 되거나, 부정확하고 일정하지 않으면 물림률 내의 치차는 동시 접촉이 불가능해지고, 이는 물림률을 크게 한 의미가 없어진다 (5의 물림률을 갖도록 설계하였으나 1의 실제물림률을 가짐)