스퍼 기어 종합 가이드:정의, 유형, 프로필, 계산 및 응용
평기어는 단순한 디자인을 지닌 가장 일반적인 유형의 기계 기어입니다. 평기어의 프로파일은 무엇이며 어떻게 작동합니까? 여기에서는 평기어 정의, 기능, 응용, 제조, 유형, 치형, 모듈, 용어, 계산식, 치수 차트 및 평기어 대 헬리컬 기어에 대해 알아 보겠습니다.
평기어란 무엇인가요?
스퍼 기어는 중심 회전축과 평행한 직선형 방사형 돌출 톱니가 있는 실린더 또는 디스크로 구성된 고전적인 기어 유형입니다. 스퍼 기어의 톱니는 실린더 외부 또는 내부에 위치할 수 있습니다. 외부 기어는 다른 외부 기어나 내부 기어와 맞물릴 수 있습니다. 내부 기어는 하나의 외부 기어와만 맞물릴 수 있습니다. 스퍼 기어는 복잡하지 않은 모양과 제조 용이성으로 널리 알려져 있습니다. 허브 모양이나 두께가 약간 다를 수 있지만 이러한 차이는 기어의 기본 면이나 톱니 디자인에 영향을 미치지 않습니다.
평기어의 가장 눈에 띄는 특징은 다른 평기어의 톱니와 원활하게 맞물리는 직선 톱니입니다. 이 설계는 평행 샤프트 사이의 효율적이고 안정적인 동력 전달을 보장합니다. 평기어는 평행축에서만 작동하기 때문에 작동 중에 축방향 추력이 발생하지 않습니다. 톱니 프로파일은 일반적으로 기어가 회전할 때 일정한 속도 비율을 유지하는 데 도움이 되는 나선형 곡선입니다. 스퍼 기어는 일반적으로 강철, 황동, 청동 또는 플라스틱과 같은 재료로 만들어지며 강화된 강도와 내구성을 위해 강화될 수 있습니다.
스퍼 기어의 역할은 무엇입니까?
기능적으로 스퍼 기어는 두 개의 평행 샤프트 사이에서 기계적 동작과 동력을 전달합니다. 스퍼 기어는 한 기어의 직선 톱니를 다른 기어(동일한 피치와 압력 각도로)에 맞물림으로써 회전 운동을 효율적으로 전달하고 시스템 내에서 속도, 토크 및 동력을 제어합니다. 스퍼 기어는 크기와 배열에 따라 회전 속도를 높이거나 낮추고 이에 따라 토크를 조정할 수 있습니다.
평기어의 응용 및 용도
평기어는 단순성, 경제성, 신뢰성으로 인해 자동차, 산업기계, 소비재 등 다양한 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 차량 변속기에서 스퍼 기어는 엔진에서 바퀴로 동력을 전달하여 움직임을 가능하게 합니다. 균일한 치하중 분포로 인해 작동이 원활하고 수명이 길어집니다. 또한 스퍼 기어는 특정 응용 분야 요구 사항에 맞게 다양한 톱니 프로필과 크기로 맞춤화할 수 있습니다.
평기어 제조 공정 및 재료
- 호빙:외부 평기어의 톱니를 절단하는 가장 일반적인 방법입니다. 호브라고 불리는 회전하는 원통형 커터는 기어 블랭크와 호브가 동시에 회전하면서 기어 톱니를 점차적으로 절단합니다. 호빙은 정확한 치형을 효율적으로 생성합니다.
- 쉐이핑:기어 쉐이핑은 기어 모양의 왕복 커터를 사용하여 톱니를 블랭크로 자릅니다. 특히 내부 기어나 특수 프로파일이 있는 기어에 유용합니다.
- 대패 작업:대패 작업에는 톱니를 자르기 위해 회전하는 기어 블랭크에 대해 선형으로 움직이는 랙 모양의 커터가 포함됩니다. 덜 일반적이지만 특정 기어 크기 및 모양에 사용됩니다.
- 브로칭:이 기술은 주로 내부 기어 톱니를 절단하는 데 사용됩니다. 점점 더 큰 톱니를 가진 브로치 도구를 기어 블랭크를 통해 당기거나 밀어서 매끄러운 마감으로 정확한 내부 프로파일을 생성합니다.
- 밀링:밀링은 기어 블랭크에서 여분의 재료를 제거하여 이를 준비하거나 소량 또는 맞춤형 생산에서 기어 톱니를 절단합니다. CNC 밀링 기계는 회전식 커터를 사용하여 기어를 형성합니다.
- 드릴링:드릴링은 기어 블랭크에 중앙 구멍이나 장착 구멍을 만드는 데 사용됩니다.
- 디버링:절단 후 기계적 또는 수동 디버링을 통해 기어 톱니의 버를 제거하여 원활한 작동을 보장하고 마모를 줄입니다.
재료의 경우 탄소강이 기어 제조에 가장 일반적으로 사용됩니다. 가공성, 내마모성, 강도 및 비용 효율성의 탁월한 균형을 제공하기 때문입니다. 탄소강은 연강, 중탄소강, 고탄소강 등의 등급으로 제공되며 각각 다른 강도 및 경도 요구 사항에 적합합니다. 응용 분야에 따라 합금강, 황동, 청동 또는 플라스틱과 같은 다른 재료를 사용하여 평 기어를 만들 수도 있습니다.
평기어의 다양한 유형
평기어의 주요 범주는 외부 및 내부입니다. 백래시 방지, 핀 허브, 랙 앤 피니언, 핀 허브, 스플릿 허브 등과 같은 특정 목적을 위한 다른 유형의 스퍼 기어도 있습니다.
1. 외부평기어
외부 평기어는 가장 일반적이고 간단한 유형으로 원통형 기어의 외부 표면에 직선 톱니가 절단되어 있습니다. 이 기어는 다른 외부 스퍼 기어와 맞물려 평행 샤프트 사이에서 회전 운동을 전달하며 기어는 반대 방향으로 회전합니다. 단순한 디자인 덕분에 효율성이 뛰어나고 제조가 용이하므로 다양한 산업 분야의 수많은 기어박스, 모터, 타이머 및 감속기에 사용됩니다.
2. 내부 평기어
내부 평기어는 원통형 링의 내부 표면에 톱니가 절단되어 있습니다. 이 기어는 더 작은 외부 기어와 맞물려 두 기어가 같은 방향으로 회전하게 합니다. 이 구성은 공간이 제한된 소형 유성 기어 시스템 및 특수 드라이브에 자주 사용됩니다. 내부 스퍼 기어는 부드러운 토크 전달을 제공하며 소형 기어 감속기 및 타이밍 장치에 일반적으로 사용됩니다.
3. 백래시 방지 평 기어
백래시 방지 스퍼 기어는 서로 맞물리는 기어 톱니 사이의 유격 또는 백래시를 최소화하도록 설계되었습니다. 백래시는 일반적으로 톱니 편향, 열팽창, 톱니 프로파일 오류에 대한 허용 오차 및 적절한 윤활을 허용하는 데 필요합니다. 그러나 높은 정밀도가 요구되는 응용 분야에서는 백래시를 최소화하는 것이 중요합니다. 기어 제조업체는 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 백래시 방지 기어를 개발하여 부하 요구 사항에 따라 백래시 양을 조정했습니다. 평기어의 경우, 조절 가능한 백래시는 톱니 두께를 제어하기 위해 두 개의 동일한 기어를 겹쳐서 약간 이동시킴으로써 달성됩니다. 이러한 기어는 일반적으로 사용되며 저토크 기어 트레인의 부정확성을 줄이는 비용 효율적인 방법입니다.
백래시 방지 스퍼 기어는 일반적으로 스프링으로 연결된 축에 나란히 장착된 두 개의 스퍼 기어로 구성됩니다. 스프링은 기어를 서로 잡아당겨 짝을 이루는 기어에 "핀칭" 효과를 만듭니다. 이 핀치 동작은 백래시를 보상하여 설치 시 백래시를 크게 줄입니다. 백래시 방지 기어 설계의 정확성으로 인해 항공우주, 로봇공학, 고정밀 기계와 같은 산업에 적합합니다. 예를 들어, 고정밀 망원경은 백래시 방지 기어를 활용하여 위치를 왜곡할 수 있는 기어 유격을 제거함으로써 정확도를 보장합니다.
4. 스퍼 기어 랙 및 피니언
랙 앤 피니언 시스템은 원통형 스퍼 기어(피니언)와 선형 톱니형 랙을 결합하여 회전 운동을 선형 운동으로 변환하거나 그 반대로 변환합니다. 이 설정은 조향 시스템, CNC 기계 및 기계식 액추에이터에 매우 유용하며 정밀한 선형 위치 지정과 향상된 동력 전달 효율성을 제공합니다. 랙 앤 피니언 드라이브는 자동차 조향, 로봇 공학, 엘리베이터 및 산업 자동화에 사용됩니다.
평기어 치형 및 용어 계산식
다양한 매개변수가 피치(모듈/직경 피치), 압력 각도, 톱니 수 등을 포함하여 스퍼 기어의 프로파일이나 모양을 결정합니다. 측면에서 볼 때 치아면은 직선이고 축과 평행하게 정렬되어 있습니다. 스퍼기어 톱니 프로파일의 유형은 인벌류트(involute)와 사이클로이드(cycloidal)로 나뉜다.
- 인벌류트 프로파일 스퍼 기어는 가장 일반적이며 현대 산업에서 널리 사용됩니다. 기어가 작동하는 동안 압력 각도는 동일하게 유지됩니다. 기어 사이의 중심 거리가 약간 변하더라도 부드럽고 일관된 운동 전달을 보장하는 형태이기 때문에 선호됩니다. 인벌류트 곡선은 팽팽한 줄을 원에서 풀어서 생성되며, 이 모양은 기어 회전 중에 일정한 압력 각도를 유지하는 데 도움이 됩니다. 인벌류트 기어는 사이클로이드 기어보다 제조하기도 더 쉽습니다.
- 사이클로이드 프로파일 스퍼 기어는 오래된 디자인으로, 구형 장비나 특수 장비에서 흔히 볼 수 있습니다. 작동 중에 압력 각도가 항상 변합니다. 사이클로이드 톱니 모양은 회전하는 원의 원주 위의 한 점이 추적하는 경로를 기반으로 하며 인벌류트 곡선과 다릅니다. 사이클로이드 기어는 효과적일 수 있지만 기어 간 중심 거리의 약간의 변화에 더 민감하며 일반적으로 제조가 더 복잡합니다.
스퍼 기어 치형 다이어그램
기어 용어 | 의미 | 계산식 | 설명 | 잇수(N)기어의 총 잇수N =P × DN:잇수
P:직경 피치
D:피치 직경피치 직경(D)치형이 맞물리는 피치원의 직경D =N / DPD:피치 직경
N:잇수
DP:직경 피치직경 피치(DP)단위 피치 직경당 잇수DP =N / DDP:직경 피치
N:잇수
D:피치 직경압력 각도(α)치형면과 피치 원에 대한 접선 사이의 각도일반적으로 20°(공통 값)α:압력각모듈(m)미터법 기어 크기 매개변수는 치형 크기를 정의합니다.m =D / Nm:모듈
D:피치 직경(mm)
N:잇수 기준 직경(d)기어 설계 계산에 사용되는 직경모듈 관련, 중심 거리, 압력 각도:기준 직경면 폭/치형 높이(h)회전축을 따른 기어 치형의 폭h =ha + hfh:페이스 폭/치형 높이
하:부록
hf:DedendumAddendum (ha)피치원 위의 톱니 높이ha =mha:Addendum
m:ModuleDedendum (hf)피치원 아래 톱니의 깊이hf =1.25 × mhf:Dedendum
m:모듈중심 거리(C)두 맞물림 기어 중심 사이의 거리C =(N₁ + N²) / (2 × DP)C:중심 거리
N₁:구동 기어의 톱니
N²:피동 기어의 톱니
DP:직경 피치 구동 기어의 톱니 수(N₁)구동 기어(입력 기어)의 톱니 수기어비 및 중심 거리 계산에 사용N₁:구동 기어의 톱니 수 상대 기어의 톱니 수(N²)결합(종동) 기어의 톱니 수N² =(N₁ × R) / S2N²:상대 기어의 톱니
N₁:구동 기어의 톱니
R:기어비
S₂:원하는 출력 속도Gear Ratio(mG)구동 기어 치에 대한 피동 기어 치의 비율mG =N₂ / N₁mG:기어비
N²:피동 기어의 톱니
N₁:구동기어의 톱니입력속도(S₁)구동기어의 회전속도(RPM)S₁ =(S2 / mG) × (N2 / N₁)S₁:입력속도
S₂:출력 속도
mg:기어비
N₁, N²:구동기어와 피동기어의 톱니 희망 출력속도(S²)피동기어에 필요한 회전속도(RPM)S² =(S₁ × mG) / 60S²:출력속도
S₁:입력 속도
mg:기어비
60:시간 변환 계수(초에서 분)외경(DO)전체 톱니 높이를 포함한 총 기어 직경DO =(N + 2) / DPDO:외부 직경
N:잇수
DP:직경 피치치아 강도(S)파손 없이 가해진 힘을 견딜 수 있는 치아의 능력S =(Y × K × Wt) / FOSS:치아 강도
Y:루이스 폼 팩터(치형 기반)
K:기하학 요소
Wt:톱니에 작용하는 접선력
FOS:안전계수
평기어 치수 및 모듈
모듈은 기본적으로 피치 직경을 기준으로 각 기어 톱니의 크기를 측정합니다. 모듈은 기어 톱니의 크기와 두께를 직접 나타냅니다. 모듈이 클수록 톱니가 커지고 전체 기어가 커집니다. 모듈이 작을수록 톱니가 작아지고 기어가 더 컴팩트해집니다. 올바르게 맞물리려면 두 개의 기어에 동일한 모듈이 있어야 합니다. 기어의 모듈이 다르면 톱니가 제대로 맞지 않아 기계적 고장이 발생합니다. 표준 모듈은 기어가 간섭 없이 적절하게 맞물리도록 보장하고 전 세계 제조업체가 호환되는 기어를 생산할 수 있도록 해줍니다.
평기어 모듈(m으로 표시)은 기어의 피치원 직경(d)을 잇수(z)로 나누어 계산됩니다. 피치원은 기어가 효과적으로 맞물리는 기어 톱니를 통과하는 가상의 원입니다. 예를 들어, 피치 직경이 100mm이고 톱니 수가 20개인 스퍼 기어의 모듈은 5개(100/20 =5mm)입니다. 이는 각 톱니가 피치 원 직경의 5mm 세그먼트에 해당함을 의미합니다.
평기어 사이즈 차트
실제 기어 치수는 표준 톱니 프로파일 매개변수, 선택한 모듈 및 톱니 수를 기반으로 설계자가 계산해야 합니다. 아래는 실제 생산에 참고할 수 있는 평기어 치수표 2개입니다.
1.0 모드 스퍼 기어 치수 차트
Cat.No.의 문자 "A"와 "B" 기어 유형을 나타내며, 모드 1개가 있는 A형 기어의 폭은 25mm이고, 모드가 1개인 B형 기어의 폭은 15mm입니다.
고양이. 아니요. | 아니요. 치아 | 피치 직경. DP | 최소 보어 d | 최대. 보어 | 허브 ⌀ C | 외경. ㄷ | 체중kg | S1012B1212669140.012S1013B13136710150.016S1014B14146711160.020S1015B15156812170.025S1016B16166813180 .030S1017B17177914190.033S1018B181881015200.038S1019B191981015210.045S1020B202081116220.055S1021B212 181116230.058S1022B222281218240.060S1023B232381218250.065S1024B242481320260.070S1025B252581320270.07 5S1026B262681320280.085S1027B272781320290.090S1028B282881320300.095S1029B292981320310.100S1030B303081 320320.105S1031B3131101625330.110S1032B3232101625340.120S1033B3333101625350.130S1034B3434101625360.1 35S1035B3535101625370.140S1036B3636101625380.150S1037B3737101625390.155S1038B3838101625400.160S1039B 3939101625410.170S1040B4040101625420.180S1041B4141102030430.190S1042B4242102030440.200S1043B43431020 30450.210S1044B4444102030460.220S1045B4545102030470.230S1046B4646102030480.240S1047B4747102030490.250
1.5 모드 스퍼 기어 치수 차트
1.5 모드가 있는 A형 기어의 폭은 30mm이고, 1.5 모드가 있는 B형 기어의 폭은 17mm입니다.
고양이. 아니요. | 아니요. 치아 | 피치 직경. DP | 최소 보어 d | 최대. 보어 | 허브 ⌀ C | 외경. ㄷ | 체중kg | S1512B1218.0891421.00.03S1513B1319.5891422.50.04S1514B1421.08121824.00.06S1515B1522.58121825.50.07S1516B1624.0813202 7.00.08S1517B1725.58132028.50.09S1518B1827.08132030.00.10S 1519B1928.58202531.50.11S1520B2030.08162533.00.13S1521B2131 .510162534.50.14S1522B2233.010162536.00.15S1523B2334.51016 2537.50.17S1524B2436.010162539.00.18S1525B2537.510162540.50 .19S1526B2639.012203042.00.20S1527B2740.512203043.50.21S15 28B2842.012203045.00.22S1529B2943.512203046.50.23S1530B3045 .012203048.00.25S1531B3146.512243549.50.27S1532B3248.01224 3551.00.28S1533B3349.512243552.50.30S1534B3451.012243554.00 .32S1535B3552.512243555.50.34S1536B3654.012243557.00.36S15 37B3755.512274058.50.38S1538B3857.012274060.00.40S1539B3958 .512274061.50.42S1540B4060.012274063.00.45S1541B4161.51434 5064.50.52S1542B4263.014345066.00.55S1543B4364.514345067.50 .57S1544B4466.014345069.00.60S1545B4567.514345070.50.62S15 46B4669.014345072.00.65S1547B4770.514345073.50.68S1548B4872 .014345075.00.70S1549B4973.514345076.50.72S1550B5075.01434 5078.00.75S1551B5176.515406079.50.86S1552B5278.015406081.00 .87S1553B5379.515406082.50.89S1554B5481.015406084.00.91S15 55B5582.515406085.50.93S1556B5684.015406087.00.95S1557B5785 .515406088.50.97S1558B5887.015406090.01.00S1559B5988.51540 6091.51.05S1560B6090.015406093.01.10S1561B6191.520467094.51 .20S1562B6293.020467096.01.23S1563B6394.520467097.51.25S15 64B6496.020467099.01.27S1565B6597.5204670100.51.30S1566B669 9.0204670102.01.35S1567B67100.5204670103.51.38S1568B68102. 0204670105.01.42S1569B69103.5204670106.51.45S1570B70105.020 4670108.01.48S1572A72108.02065–111.01.18S1575A75112.52068– 115.51.28S1576A76114.02068–117.01.32S1580A80120.02072–123.0 1.45S1585A85127.52080–130.51.60S1590A90135.02085–138.01.85 S1595A95142.52090–145.52.04S15100A100150.02095–153.02.30S15 110A110165.020105–168.02.81S15114A114171.020107–174.03.30S 15120A120180.020115–183.03.39S15127A127190.520120–193.53.78 스퍼 기어와 헬리컬 기어:차이점은 무엇인가요?
스퍼 기어와 헬리컬 기어는 모두 산업 응용 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 이들의 실제 차이점은 무엇인가요?
- 치아 디자인
스퍼 기어에는 회전축과 평행한 직선 톱니가 있으므로 두 기어가 맞물릴 때 톱니가 단일 선을 따라 동시에 맞물립니다. 이와 대조적으로 헬리컬 기어는 톱니가 비스듬히 절단되어 기어 주위에 나선 모양을 형성하는 특징이 있습니다. 이 각진 톱니 디자인을 통해 톱니가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 점진적으로 맞물릴 수 있습니다.
- 접촉 패턴
톱니가 접촉하는 방식은 두 기어 유형 간에 크게 다릅니다. 평기어는 한 번에 한 쌍의 톱니가 맞물리는 선 접촉을 갖고 있어 갑작스러운 충격력과 톱니에 더 높은 응력을 발생시킵니다. 그러나 헬리컬 기어는 각진 톱니로 인해 여러 개의 톱니가 동시에 접촉된 상태를 유지합니다.
- 축 추력
스퍼 기어 톱니는 직선형이고 단일 평면을 따라 맞물리기 때문에 축방향 추력(샤프트 축을 따르는 힘)을 생성하지 않습니다. 헬리컬 기어는 회전하는 동안 톱니가 서로 미끄러지면서 축 방향 힘을 생성합니다. 이러한 축 추력에는 원치 않는 샤프트 움직임을 방지하고 원활한 작동을 보장하기 위해 스러스트 베어링과 같은 샤프트에 대한 추가 지원이 필요합니다.
- 소음 및 진동
평기어는 더 많은 소음과 진동을 발생시키는 경향이 있습니다. 헬리컬 기어는 훨씬 더 조용하고 부드럽게 작동합니다. 이로 인해 자동차 변속기와 같이 소음 감소가 중요한 응용 분야에서 헬리컬 기어가 선호됩니다.
- 하중 베어링
헬리컬 기어는 일반적으로 스퍼 기어보다 내하중 용량이 더 높습니다. 헬리컬 기어의 각진 톱니는 짝을 이루는 기어 사이에 더 많은 표면 접촉 영역을 생성하여 여러 톱니에 하중을 분산시킵니다. 이로 인해 마모가 줄어들고 기어 수명이 길어집니다. 스퍼 기어는 더 적은 수의 톱니에 하중을 견디므로 무거운 하중에서 마모가 더 커질 수 있습니다.
- 속도 성능
헬리컬 기어는 더 높은 토크를 처리하고 더 빠른 회전 속도에서 더 조용한 작동을 유지할 수 있습니다. 평기어는 적당한 속도에서 높은 효율을 낼 수 있지만 고속에서 작동하면 소음, 진동, 마모가 증가합니다.
- 제조 복잡성 및 비용
스퍼 기어는 설계가 더 간단하고 제조가 더 쉽습니다. 이는 생산 비용이 낮아지고 유지 관리가 더 쉬워진다는 것을 의미합니다. 헬리컬 기어는 정확한 각도 절단 및 3차원 모션을 포함하는 보다 복잡한 제조 공정이 필요하므로 비용이 증가합니다.
- 응용 분야 및 샤프트 방향
스퍼 기어는 주로 시계, 세탁기, 컨베이어와 같은 단순하고 저속 응용 분야에서 평행 샤프트 사이의 동작을 전달하는 데 사용됩니다. 헬리컬 기어는 평행 샤프트에도 사용할 수 있지만 교차 또는 비평행 샤프트 간의 전달도 허용합니다. 이러한 다용성으로 인해 헬리컬 기어는 자동차 변속기, 항공우주, 발전소 및 해양 추진 시스템에 적합합니다.
- 접촉률
접촉비는 기어 맞물림 동안 접촉하는 톱니 수를 측정한 것입니다. 스퍼 기어의 접촉비는 일반적으로 1.2에서 1.6 사이입니다. 이는 일반적으로 한 번에 하나의 톱니만 완전히 맞물리는 것을 의미합니다. 헬리컬 기어는 접촉비가 2를 초과하는 경우가 많습니다. 이러한 높은 접촉비는 동력 전달을 원활하게 하고 진동을 줄이는 데 도움이 됩니다.
- 효율성
스퍼 기어는 매우 높은 효율성을 제공하며, 특히 마찰과 축력을 최소화하는 것이 핵심인 단순한 중간 속도 응용 분야에서 종종 98-99%의 효율성에 도달합니다. 헬리컬 기어는 일반적으로 95%~98% 범위의 슬라이딩 및 축 추력으로 인해 효율성이 약간 떨어지지만, 작은 효율성 저하를 정당화할 수 있는 다른 장점도 있습니다.
