기어 작동 방식

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사진 제공 Emerson Power Transmission Corp. 기어는 자동차에서 시계에 이르기까지 모든 곳에 있습니다.

기어는 수많은 기계 장치에 사용됩니다. 그들은 몇 가지 중요한 작업을 수행하지만 가장 중요한 것은 전동 장비에서 기어 감속 을 제공한다는 것 입니다. 이것은 종종 매우 빠르게 회전하는 작은 모터 가 장치에 충분한 전력 을 제공할 수 있지만 토크가 충분하지 않기 때문에 이것이 중요 합니다. 예를 들어 전동 드라이버는 나사를 돌리는 데 많은 토크가 필요하기 때문에 기어 감속이 매우 크지만 모터는 고속에서 적은 양의 토크만 발생합니다. 기어 감속을 사용하면 토크를 증가시키면서 출력 속도를 감소시킬 수 있습니다.

다음으로 포럼: 기계에 기어가 필요하지 않게 될까요? 기어 퀴즈 진자 시계의 작동 원리 자전거 작동 방식

기어가 하는 또 다른 일은 회전 방향을 조정하는 것입니다. 예를 들어, 자동차 뒷바퀴 사이의 디퍼렌셜에서 동력은 자동차의 중심을 따라 내려가는 샤프트에 의해 전달되고, 디퍼렌셜은 그 동력을 90도 회전시켜 바퀴에 적용해야 합니다.

다양한 유형의 기어에는 많은 복잡성이 있습니다. 이 기사에서는 기어의 톱니가 어떻게 작동하는지 정확히 배우고 모든 종류의 기계 장치에서 찾을 수 있는 다양한 유형의 기어에 대해 이야기할 것입니다.

내용물

1. 기초
2. 평기어
3. 헬리컬 기어
4. 베벨 기어
5. 웜기어
6. 랙 및 피니언 기어
7. 유성 기어 세트 및 기어비
8. 인벌류트 기어 프로파일에 대한 세부 정보

모든 기어에서 비율 은 기어 중심에서 접점까지의 거리에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 두 개의 기어가 있는 장치에서 한 기어가 다른 기어의 지름의 두 배이면 비율은 2:1이 됩니다.

우리가 볼 수 있는 가장 원시적인 유형의 기어 중 하나는 나무못이 튀어나와 있는 바퀴입니다.

이러한 유형의 기어의 문제는 기어가 회전함에 따라 각 기어의 중심에서 접점까지의 거리가 변경된다는 것입니다. 이는 기어가 회전함에 따라 기어비가 변경됨을 의미하며, 이는 출력 속도도 변경됨을 의미합니다. 자동차에서 이와 같은 기어를 사용한다면 일정한 속도를 유지하는 것이 불가능할 것입니다. 계속해서 가속과 감속을 하게 될 것입니다.

많은 현대식 기어는 인벌류트(involute) 라고 하는 특별한 톱니 모양을 사용합니다 . 이 프로파일은 두 기어 사이의 일정한 속도비를 유지하는 매우 중요한 속성을 가지고 있습니다. 위의 페그 휠과 마찬가지로 접점이 이동합니다. 그러나 인벌류트 기어 톱니의 모양이 이러한 움직임을 보상합니다. 자세한 내용은 이 섹션 을 참조하십시오.

이제 다양한 유형의 기어를 살펴보겠습니다.

평 기어 는 가장 일반적인 유형의 기어입니다. 그들은 곧은 톱니를 가지고 있으며 평행 샤프트에 장착됩니다. 때로는 많은 평 기어가 한 번에 사용되어 매우 큰 기어 감속을 생성합니다.

평기어는 전동드라이버 , 춤추는 괴물 , 진동 스프링클러 , 와인드업 알람시계 , 세탁기 , 의류건조기 등 어디서나 볼 수 있는 많은 장치에 사용됩니다 . 그러나 당신은 당신의 차에서 많은 것을 찾지 못할 것입니다.

평기어가 정말 클 수 있기 때문입니다. 기어 톱니가 다른 기어의 톱니와 맞물릴 때마다 톱니가 충돌하고 이 충격으로 소음이 발생합니다. 또한 기어 톱니에 가해지는 응력도 증가합니다.

기어의 소음과 응력을 줄이기 위해 자동차의 대부분의 기어는 나선형 입니다.

헬리컬 기어 의 톱니는 기어 면에 대해 비스듬히 절단됩니다. 헬리컬 기어 시스템의 두 톱니가 맞물리면 접촉이 톱니의 한쪽 끝에서 시작하여 두 톱니가 완전히 맞물릴 때까지 기어가 회전하면서 점차 퍼집니다.

이러한 점진적인 맞물림은 헬리컬 기어가 평 기어보다 훨씬 부드럽고 조용하게 작동하도록 합니다. 이러한 이유로 헬리컬 기어는 거의 모든 자동차 변속기에 사용 됩니다.

헬리컬 기어의 톱니 각도로 인해 맞물릴 때 기어에 스러스트 하중이 생성됩니다. 헬리컬 기어를 사용하는 장치에는 이 스러스트 하중을 지원할 수 있는 베어링 이 있습니다.

헬리컬 기어에 대한 흥미로운 점 중 하나는 기어 톱니의 각도가 정확하면 수직 샤프트에 장착하여 회전 각도를 90도 조정할 수 있다는 것입니다.

사진 제공 Emerson Power Transmission Corp. 그림 4. 교차 헬리컬 기어

베벨 기어 는 샤프트의 회전 방향을 변경해야 할 때 유용합니다. 일반적으로 90도 떨어진 샤프트에 장착되지만 다른 각도에서도 작동하도록 설계할 수 있습니다.

베벨 기어의 톱니는 직선 , 나선형 또는 하이포이드 일 수 있습니다 . 직선 베벨 기어 톱니는 실제로 직선 평 기어 톱니와 동일한 문제가 있습니다. 각 톱니가 맞물리면 해당 톱니에 한 번에 모두 영향을 미칩니다.

사진 제공 Emerson Power Transmission Corp. 그림 5. 베벨 기어

평 기어와 마찬가지로 이 문제에 대한 해결책은 기어 톱니를 휘게 하는 것입니다. 이 나선형 톱니는 나선형 톱니처럼 맞물립니다. 접촉은 기어의 한쪽 끝에서 시작하여 전체 톱니에 걸쳐 점진적으로 퍼집니다.

사진 제공 Emerson Power Transmission Corp. 그림 6. 나선형 베벨 기어

직선 및 나선형 베벨 기어에서 샤프트는 서로 수직이어야 하지만 동일한 평면에 있어야 합니다. 기어를 지나 두 샤프트를 확장하면 교차합니다. 반면에 하이포이드 기어 는 다른 평면에서 축과 맞물릴 수 있습니다.

그림 7. 자동차 차동장치의 하이포이드 베벨 기어

이 기능은 많은 자동차 차동장치에 사용됩니다 . 디퍼렌셜의 링 기어와 입력 피니언 기어는 모두 하이포이드입니다. 이를 통해 입력 피니언을 링 기어의 축보다 낮게 장착할 수 있습니다. 그림 7 은 차동장치의 링 기어와 맞물리는 입력 피니언을 보여줍니다. 자동차의 구동축이 입력 피니언에 연결되어 있기 때문에 구동축도 낮아집니다. 즉, 구동축이 차량의 승객실에 많이 들어가지 않아 사람과 화물을 위한 더 많은 공간을 확보할 수 있습니다.

웜 기어 는 큰 기어 감속이 필요할 때 사용됩니다. 웜 기어의 감속은 20:1, 최대 300:1 이상인 것이 일반적입니다.

많은 웜 기어에는 다른 기어 세트에는 없는 흥미로운 특성이 있습니다. 웜은 기어를 쉽게 돌릴 수 있지만 기어는 웜을 돌릴 수 없습니다. 이는 웜의 각도가 너무 얕아서 기어가 회전하려고 할 때 기어와 웜 사이의 마찰로 인해 웜이 제자리에 고정되기 때문입니다.

이 기능은 모터가 회전하지 않을 때 잠금 기능이 컨베이어의 브레이크 역할을 할 수 있는 컨베이어 시스템과 같은 기계에 유용합니다. 웜 기어의 또 다른 매우 흥미로운 사용은 일부 고성능 자동차 및 트럭에 사용되는 Torsen 차동 장치 에 있습니다.

랙 및 피니언 기어 는 회전을 직선 운동으로 변환하는 데 사용됩니다. 이에 대한 완벽한 예는 많은 자동차의 조향 시스템입니다. 스티어링 휠은 랙과 맞물리는 기어를 회전시킵니다. 기어가 회전하면 바퀴를 돌리는 방향에 따라 랙이 오른쪽이나 왼쪽으로 미끄러집니다.

랙 및 피니언 기어는 체중을 표시하는 다이얼을 돌리기 위해 일부 저울 에서도 사용 됩니다.

모든 유성 기어 세트에는 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다.

• 태양 기어
• 유성 기어 와 유성 기어 ' 캐리어
• 링 기어

이 세 가지 구성 요소 각각은 입력, 출력 또는 고정되어 있을 수 있습니다. 어떤 부품이 어떤 역할을 하는지 선택하면 기어 세트의 기어비가 결정됩니다. 단일 유성 기어 세트를 살펴보겠습니다.

변속기의 유성 기어 세트 중 하나에는 72개의 톱니가 있는 링 기어와 30개의 톱니가 있는 태양 기어가 있습니다. 이 기어 세트에서 다양한 기어비를 얻을 수 있습니다.

	입력	산출	변화 없는	계산	기어비
NS	태양 ( S )	플래닛 캐리어 ( C )	링( R )	1 + R/S	3.4:1
NS	플래닛 캐리어 ( C )	링( R )	태양 ( S )	1 / (1 + S/R)	0.71:1
씨	태양 ( S )	링( R )	플래닛 캐리어 ( C )	-R/S	-2.4:1

또한 세 가지 구성 요소 중 두 개를 함께 잠그면 전체 장치가 1:1 기어 감속으로 잠깁니다. 위에 나열된 첫 번째 기어비는 감속입니다 . 출력 속도는 입력 속도보다 느립니다. 두 번째는 오버드라이브입니다 . 출력 속도가 입력 속도보다 빠릅니다. 마지막은 다시 축소이지만 출력 방향이 반대입니다. 이 유성 기어 세트에서 얻을 수 있는 몇 가지 다른 비율이 있지만 이들은 자동 변속기와 관련된 비율입니다. 아래 애니메이션에서 시도해 볼 수 있습니다.

자동 변속기와 관련된 다양한 기어비 애니메이션. 위의 표에서 왼쪽에 있는 버튼을 클릭합니다.

따라서 이 한 세트의 기어는 다른 기어를 결합하거나 분리하지 않고도 이러한 다양한 기어비를 모두 생성할 수 있습니다. 이 기어 세트 중 2개를 연속으로 사용하면 변속기에 필요한 4개의 전진 기어와 1개의 후진 기어를 얻을 수 있습니다. 다음 섹션에서 두 세트의 기어를 함께 배치할 것입니다.

온 나선 프로필 기어 톱니 접촉 지점 가까이 한 기어에 시작하고,이 회전 기어로 떨어져 그 기어에서 다른쪽으로 접점 이동한다. 접점을 따라가면 한 기어 근처에서 시작하여 다른 기어 근처에서 끝나는 직선을 나타냅니다. 이것은 톱니가 맞물리면서 접촉점의 반경이 커짐을 의미합니다.

피치 직경유효 접촉 직경입니다. 접촉 직경이 일정하지 않기 때문에 피치 직경은 실제로 평균 접촉 거리입니다. 톱니가 처음 맞물리기 시작하면 상단 기어 톱니가 피치 직경 내에서 하단 기어 톱니와 접촉합니다. 그러나 이 지점에서 하단 기어 톱니와 접촉하는 상단 기어 톱니 부분이 매우 가늘다는 점에 유의하십시오. 기어가 회전함에 따라 접점은 상단 기어 톱니의 두꺼운 부분 위로 미끄러집니다. 이것은 상단 기어를 앞으로 밀어서 약간 더 작은 접촉 직경을 보상합니다. 톱니가 계속 회전함에 따라 접점은 피치 직경을 벗어나 훨씬 더 멀리 이동하지만 하단 톱니의 프로파일이 이러한 이동을 보상합니다. 접촉점이 아래 치아의 가느다란 부분으로 미끄러지기 시작하고,증가된 접촉 직경을 보상하기 위해 상단 기어에서 약간의 속도를 뺍니다. 최종 결과는 접점 직경이 계속 변경되더라도 속도는 동일하게 유지된다는 것입니다. 따라서 인벌류트 프로파일 기어 톱니는회전 속도의 일정한 비율 .

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