스퍼 기어 종합 가이드: 정의, 유형, 치형, 계산식 & 적용

스퍼 기어는 가장 흔한 기계 기어 유형으로 구조가 단순합니다. 스퍼 기어 치형은 무엇이고 어떻게 작동할까요? 여기선 스퍼 기어 정의, 기능, 응용, 제조, 유형, 치형, 모듈, 용어, 계산 공식, 치수 차트, 스퍼 기어 vs 헬리컬 기어까지 다룹니다.

스퍼 기어란?

스퍼 기어는 직선형 이가 중심 회전축과 평행하게 돌출된 실린더 또는 디스크형 클래식 기어 타입입니다. 스퍼 기어 이는 실린더 바깥쪽 또는 안쪽에 위치할 수 있습니다. 외부 기어는 다른 외부 기어나 내부 기어와 맞물릴 수 있고, 내부 기어는 외부 기어 하나와만 맞물립니다. 스퍼 기어는 단순한 형상과 쉬운 제조로 널리 알려져 있습니다. 허브 형상이나 두께는 약간 다를 수 있지만 기어 기본 면이나 이 설계엔 영향 없습니다.

스퍼 기어 가장 두드러진 특징은 직선 이가 다른 스퍼 기어 이와 매끄럽게 맞물린다는 점. 이 설계로 평행 축 사이 효율적·신뢰적 동력 전달 보장. 스퍼 기어는 평행 축만 작동하므로 작동 중 축방향 추력(axial thrust) 발생하지 않습니다. 이 프로파일은 보통 인벌류트 곡선으로 일정한 속도비 유지하며 기어 회전. 스퍼 기어는 강철, 황동, 청동, 플라스틱 등 소재로 만들며 경화로 강도·내구성 강화 가능.

스퍼 기어 기능
기능적으로 스퍼 기어는 두 평행 축 사이 기계적 운동과 동력 전달. 같은 피치·압력각 가진 기어 직선 이 맞물림으로 회전 운동 효율적 전달, 시스템 내 속도·토크·동력 제어. 크기와 배열에 따라 회전 속도 증감 및 토크 조정 가능.

스퍼 기어 응용 및 용도
단순성, 비용 효율, 신뢰성으로 자동차, 산업 기계, 소비재 등 다양한 산업서 널리 사용. 예: 차량 트랜스미션서 엔진 동력 바퀴로 전달해 움직임 가능. 균일한 이 하중 분포로 부드러운 작동·긴 수명. 다양한 치형·크기로 맞춤 적용도 가능.

스퍼 기어 제조 공정 & 소재

• 호빙: 외부 스퍼 기어 이 절삭 가장 흔한 공법. 호브라 부르는 회전 원통 커터가 기어 블랭크와 동기 회전하며 이 점차 절삭. 호빙으로 정확한 치형 효율적 생성.
• 셰이핑: 기어 형상 왕복 커터로 블랭크에 이 절삭. 내부 기어나 특수 프로파일 기어에 특히 유용.
• 플래닝: 랙 형상 커터가 회전 기어 블랭크에 선형 이동하며 이 절삭. 덜 흔하지만 특정 기어 크기·형상에 사용.
• 브로칭: 주로 내부 기어 이 절삭용. 점진적으로 커지는 이 가진 브로치 툴이 기어 블랭크 관통하며 정밀 내부 프로파일·매끄러운 마감 생성.
• 밀링: 기어 블랭크서 과잉 소재 제거해 준비하거나 소량·맞춤 생산서 기어 이 절삭. CNC 밀링 머신 회전 커터로 기어 성형.
• 드릴링: 기어 블랭크 중심 홀·마운팅 홀 생성용.
• 디버링: 절삭 후 기어 이 버 기계·수동 제거로 부드러운 작동·마모 감소.

소재 측면에서 탄소강이 기어 제조 최다 사용. 가공성, 내마모성, 강도, 비용 효율 균형 우수. 마일드, 미디엄, 하이 카본강 등급으로 다양한 강도·경도 요건 충족. 용도에 따라 합금강, 황동, 청동, 플라스틱도 사용.

스퍼 기어 유형

주 카테고리는 외부·내부 기어. 그 외 안티백래시, 핀 허브, 랙 앤 피니언, 스플릿 허브 등 특수 목적 유형 존재.

1. 외부 스퍼 기어
가장 흔하고 단순한 타입으로 원통 기어 바깥면에 직선 이 절삭. 다른 외부 스퍼 기어와 맞물려 평행 축 사이 회전 운동 전달, 기어는 반대 방향 회전. 단순한 설계로 고효율·쉬운 제조, 수많은 기어박스, 모터, 타이머, 감속기 등 산업 전반서 사용.

2. 내부 스퍼 기어
원통 링 안쪽 면에 이 절삭. 더 작은 외부 기어와 맞물려 양 기어 같은 방향 회전. 공간 제한된 콤팩트 유성기어 시스템·특수 드라이브에 자주 사용. 내부 스퍼 기어는 부드러운 토크 전달로 콤팩트 감속기·타이밍 장치에 흔함.

3. 안티백래시 스퍼 기어
맞물리는 기어 이 사이 놀이(백래시) 최소화 설계. 백래시는 이 탄성변형, 열팽창, 치형 오차 공차, 윤활 위해 일반적으로 필요. 하지만 고정밀 응용엔 최소~제로 백래시 중요. 기어 제조사들이 이런 수요로 안티백래시 기어 개발, 하중 요건 따라 백래시량 조정. 스퍼 기어 경우 두 동일 기어 약간 겹쳐·이동시켜 이 두께 제어해 조정가능 백래시 구현. 저토크 기어열서 부정확성 줄이는 비용 효율적 방식.

안티백래시 스퍼 기어는 보통 두 스퍼 기어가 축 양옆 장착되고 스프링으로 연결. 스프링이 기어들 서로 당겨 맞물리는 기어 '핀칭' 효과 생성. 이 핀칭 동작으로 백래시 보상, 장착 시 대폭 감소. 안티백래시 기어 설계 정밀도로 항공우주, 로봇, 고정밀 기계 등 산업에 적합. 예: 고정밀 망원경이 기어 플레이로 위치 왜곡 방지 위해 안티백래시 기어 사용.

4. 스퍼 기어 랙 앤 피니언
원통 스퍼 기어(피니언)와 선형 톱니 랙 결합으로 회전↔직선 운동 변환. 스티어링 시스템, CNC 머신, 기계 액추에이터서 유용, 정밀 직선 위치결정·동력 전달 효율 향상. 랙 앤 피니언 드라이브는 자동차 스티어링, 로봇, 엘리베이터, 산업 자동화에 사용.

스퍼 기어 치형 & 용어 계산 공식

스퍼 기어 프로파일·형상 결정하는 다수 파라미터: 피치(모듈/디아메트럴 피치), 압력각, 이수 등. 측면에서 볼 때 이면은 직선으로 축과 평행 정렬. 스퍼 기어 이 프로파일 유형: 인벌류트·사이클로이달.

• 인벌류트 프로파일 스퍼 기어가 가장 흔하고 현대 산업 표준. 기어 작동 중 압력각 일정 유지. 중심거리 약간 변해도 기어 간 매끄럽고 일관된 운동 전달 보장해 선호. 인벌류트 곡선은 원에서 팽팽한 실 풀며 생성, 이 형상이 기어 회전 중 일정 압력각 유지 돕습니다. 인벌류트 기어는 사이클로이달 기어보다 제조도 쉬움.

• 사이클로이달 프로파일 스퍼 기어는 구형 설계, 주로 구형·특수 장비서 발견. 작동 중 압력각 계속 변함. 사이클로이달 이 형상은 구르는 원 원주상 점 궤적 기반으로 인벌류트 곡선과 다름. 사이클로이달 기어도 효과적이나 기어 간 중심거리 미세 변화에 더 민감, 제조 일반적으로 더 복잡.

스퍼 기어 치형 다이어그램

기어 용어	의미	계산 공식	설명
이수 (N)	기어 총 이 개수	N = P × D	N: 이수 P: 디아메트럴 피치 D: 피치 직경
피치 직경 (D)	이 맞물리는 피치 원 직경	D = N / DP	D: 피치 직경 N: 이수 DP: 디아메트럴 피치
디아메트럴 피치 (DP)	단위 피치 직경당 이수	DP = N / D	DP: 디아메트럴 피치 N: 이수 D: 피치 직경
압력각 (α)	이 면과 피치 원 접선 사이 각도	보통 20° (일반값)	α: 압력각
모듈 (m)	미터법 기어 크기 파라미터, 이 크기 정의	m = D / N	m: 모듈 D: 피치 직경(mm) N: 이수
기준 직경 (d)	기어 설계 계산용 직경	모듈, 중심거리, 압력각 관련	d: 기준 직경
면폭/이높이 (h)	축 방향 이 폭	h = ha + hf	h: 면폭/이높이 ha: 어덴덤 hf: 디덴덤
어덴덤 (ha)	피치 원 위 이 높이	ha = m	ha: 어덴덤 m: 모듈
디덴덤 (hf)	피치 원 아래 이 깊이	hf = 1.25 × m	hf: 디덴덤 m: 모듈
중심거리 (C)	맞물리는 두 기어 중심 사이 거리	C = (N₁ + N₂) / (2 × DP)	C: 중심거리 N₁: 구동기어 이수 N₂: 피동기어 이수 DP: 디아메트럴 피치
구동기어 이수 (N₁)	구동(입력) 기어 이 개수	기어비·중심거리 계산에 사용	N₁: 구동기어 이수
맞물림기어 이수 (N₂)	맞물림(피동) 기어 이수	N₂ = (N₁ × R) / S₂	N₂: 맞물림기어 이수 N₁: 구동기어 이수 R: 기어비 S₂: 원하는 출력 속도
기어비 (mG)	피동기어 이수/구동기어 이수 비율	mG = N₂ / N₁	mG: 기어비 N₂: 피동기어 이수 N₁: 구동기어 이수
입력 속도 (S₁)	구동기어 회전속도 (RPM)	S₁ = (S₂ / mG) × (N₂ / N₁)	S₁: 입력 속도 S₂: 출력 속도 mG: 기어비 N₁, N₂: 구동/피동기어 이수
희망 출력 속도 (S₂)	피동기어서 요구 회전속도 (RPM)	S₂ = (S₁ × mG) / 60	S₂: 출력 속도 S₁: 입력 속도 mG: 기어비 60: 시간 변환 인자(초→분)
외경 (DO)	전체 이 높이 포함한 총 기어 직경	DO = (N + 2) / DP	DO: 외경 N: 이수 DP: 디아메트럴 피치
이 강도 (S)	파손 없이 가해지는 힘 견디는 이 용량	S = (Y × K × Wt) / FOS	S: 이 강도 Y: 루이스 폼 팩터(치형 기반) K: 기하 팩터 Wt: 이에 가해지는 접선력 FOS: 안전계수

스퍼 기어 치수 & 모듈

모듈은 기어 이 크기를 피치 직경 대비 측정. 모듈이 기어 이 크기·두께 직접 지시. 모듈 크면 이 크고 전체 기어 큼, 작으면 이 작고 콤팩트. 두 기어 맞물리려면 모듈 동일해야 함. 모듈 다르면 이 안 맞아 기계적 고장 유발. 표준 모듈로 기어 간섭 없이 제대로 맞물리고 전세계 제조사 호환 기어 생산 가능.

스퍼 기어 모듈(m)은 기어 피치 원 직경(d)을 이수(z)로 나눠 계산. 피치 원은 기어 이를 지나며 기어 실질적 맞물림 발생하는 가상 원. 예: 피치 직경 100mm, 이수 20인 스퍼 기어 모듈은 5(100/20=5mm). 각 이가 피치 원 직경 5mm 구간에 대응 의미.

스퍼 기어 사이즈 차트

실제 기어 치수는 설계자가 표준 치형 파라미터, 선택 모듈, 이수 기반으로 계산 필요. 아래 실무 참고용 두 스퍼 기어 치수표.

1.0 모듈 스퍼 기어 치수 차트

Cat.No. 'A'·'B'는 기어 타입 표시, 1모드 타입A 폭 25mm, 타입B 폭 15mm.

Cat.No.	이수	피치직경 dp	최소보어 d	최대보어	허브 ⌀ C	외경 D	중량 kg
S1012B	12	12	6	6	9	14	0.012
S1013B	13	13	6	7	10	15	0.016
S1014B	14	14	6	7	11	16	0.020
S1015B	15	15	6	8	12	17	0.025
S1016B	16	16	6	8	13	18	0.030
S1017B	17	17	7	9	14	19	0.033
S1018B	18	18	8	10	15	20	0.038
S1019B	19	19	8	10	15	21	0.045
S1020B	20	20	8	11	16	22	0.055
S1021B	21	21	8	11	16	23	0.058
S1022B	22	22	8	12	18	24	0.060
S1023B	23	23	8	12	18	25	0.065
S1024B	24	24	8	13	20	26	0.070
S1025B	25	25	8	13	20	27	0.075
S1026B	26	26	8	13	20	28	0.085
S1027B	27	27	8	13	20	29	0.090
S1028B	28	28	8	13	20	30	0.095
S1029B	29	29	8	13	20	31	0.100
S1030B	30	30	8	13	20	32	0.105
S1031B	31	31	10	16	25	33	0.110
S1032B	32	32	10	16	25	34	0.120
S1033B	33	33	10	16	25	35	0.130
S1034B	34	34	10	16	25	36	0.135
S1035B	35	35	10	16	25	37	0.140
S1036B	36	36	10	16	25	38	0.150
S1037B	37	37	10	16	25	39	0.155
S1038B	38	38	10	16	25	40	0.160
S1039B	39	39	10	16	25	41	0.170
S1040B	40	40	10	16	25	42	0.180
S1041B	41	41	10	20	30	43	0.190
S1042B	42	42	10	20	30	44	0.200
S1043B	43	43	10	20	30	45	0.210
S1044B	44	44	10	20	30	46	0.220
S1045B	45	45	10	20	30	47	0.230
S1046B	46	46	10	20	30	48	0.240
S1047B	47	47	10	20	30	49	0.250

1.5 모듈 스퍼 기어 치수 차트

타입A 1.5모드 폭 30mm, 타입B 폭 17mm.

Cat.No.	이수	피치직경 dp	최소보어 d	최대보어	허브 ⌀ C	외경 D	중량 kg
S1512B	12	18.0	8	9	14	21.0	0.03
S1513B	13	19.5	8	9	14	22.5	0.04
S1514B	14	21.0	8	12	18	24.0	0.06
S1515B	15	22.5	8	12	18	25.5	0.07
S1516B	16	24.0	8	13	20	27.0	0.08
S1517B	17	25.5	8	13	20	28.5	0.09
S1518B	18	27.0	8	13	20	30.0	0.10
S1519B	19	28.5	8	20	25	31.5	0.11
S1520B	20	30.0	8	16	25	33.0	0.13
S1521B	21	31.5	10	16	25	34.5	0.14
S1522B	22	33.0	10	16	25	36.0	0.15
S1523B	23	34.5	10	16	25	37.5	0.17
S1524B	24	36.0	10	16	25	39.0	0.18
S1525B	25	37.5	10	16	25	40.5	0.19
S1526B	26	39.0	12	20	30	42.0	0.20
S1527B	27	40.5	12	20	30	43.5	0.21
S1528B	28	42.0	12	20	30	45.0	0.22
S1529B	29	43.5	12	20	30	46.5	0.23
S1530B	30	45.0	12	20	30	48.0	0.25
S1531B	31	46.5	12	24	35	49.5	0.27
S1532B	32	48.0	12	24	35	51.0	0.28
S1533B	33	49.5	12	24	35	52.5	0.30
S1534B	34	51.0	12	24	35	54.0	0.32
S1535B	35	52.5	12	24	35	55.5	0.34
S1536B	36	54.0	12	24	35	57.0	0.36
S1537B	37	55.5	12	27	40	58.5	0.38
S1538B	38	57.0	12	27	40	60.0	0.40
S1539B	39	58.5	12	27	40	61.5	0.42
S1540B	40	60.0	12	27	40	63.0	0.45
S1541B	41	61.5	14	34	50	64.5	0.52
S1542B	42	63.0	14	34	50	66.0	0.55
S1543B	43	64.5	14	34	50	67.5	0.57
S1544B	44	66.0	14	34	50	69.0	0.60
S1545B	45	67.5	14	34	50	70.5	0.62
S1546B	46	69.0	14	34	50	72.0	0.65
S1547B	47	70.5	14	34	50	73.5	0.68
S1548B	48	72.0	14	34	50	75.0	0.70
S1549B	49	73.5	14	34	50	76.5	0.72
S1550B	50	75.0	14	34	50	78.0	0.75
S1551B	51	76.5	15	40	60	79.5	0.86
S1552B	52	78.0	15	40	60	81.0	0.87
S1553B	53	79.5	15	40	60	82.5	0.89
S1554B	54	81.0	15	40	60	84.0	0.91
S1555B	55	82.5	15	40	60	85.5	0.93
S1556B	56	84.0	15	40	60	87.0	0.95
S1557B	57	85.5	15	40	60	88.5	0.97
S1558B	58	87.0	15	40	60	90.0	1.00
S1559B	59	88.5	15	40	60	91.5	1.05
S1560B	60	90.0	15	40	60	93.0	1.10
S1561B	61	91.5	20	46	70	94.5	1.20
S1562B	62	93.0	20	46	70	96.0	1.23
S1563B	63	94.5	20	46	70	97.5	1.25
S1564B	64	96.0	20	46	70	99.0	1.27
S1565B	65	97.5	20	46	70	100.5	1.30
S1566B	66	99.0	20	46	70	102.0	1.35
S1567B	67	100.5	20	46	70	103.5	1.38
S1568B	68	102.0	20	46	70	105.0	1.42
S1569B	69	103.5	20	46	70	106.5	1.45
S1570B	70	105.0	20	46	70	108.0	1.48
S1572A	72	108.0	20	65	–	111.0	1.18
S1575A	75	112.5	20	68	–	115.5	1.28
S1576A	76	114.0	20	68	–	117.0	1.32
S1580A	80	120.0	20	72	–	123.0	1.45
S1585A	85	127.5	20	80	–	130.5	1.60
S1590A	90	135.0	20	85	–	138.0	1.85
S1595A	95	142.5	20	90	–	145.5	2.04
S15100A	100	150.0	20	95	–	153.0	2.30
S15110A	110	165.0	20	105	–	168.0	2.81
S15114A	114	171.0	20	107	–	174.0	3.30
S15120A	120	180.0	20	115	–	183.0	3.39
S15127A	127	190.5	20	120	–	193.5	3.78

스퍼 기어 vs 헬리컬 기어: 차이점은?

스퍼 기어와 헬리컬 기어 모두 산업 현장 흔함. 실제 차이는?

1. 이 설계
   스퍼 기어 이는 회전축 평행한 직선, 두 기어 맞물릴 때 단일 라인 따라 한 번에 맞물림. 헬리컬 기어 이는 각도져 헬릭스 형상 형성. 이 앵글 설계로 이 맞물림이 한 끝에서 다른 끝으로 점진적.
2. 맞물림 패턴
   이 맞물림 방식 큰 차이. 스퍼 기어는 라인 컨택트서 한 쌍 이만 맞물려 돌발 충격력·이 응력 높음. 헬리컬 기어는 앵글 이로 다수 이 동시 맞물림.
3. 축방향 추력
   스퍼 기어 이는 직선·단일 평면 맞물림으로 축방향 추력(축 방향 힘) 발생 안 함. 헬리컬 기어는 이 회전 중 슬라이딩하며 축력 발생. 이 축추력엔 스러스트 베어링 등 추가 축 지지 필요해 원치않는 축 이동 방지·부드러운 작동 보장.
4. 소음·진동
   스퍼 기어 소음·진동 더 큼. 헬리컬 기어 훨씬 조용·부드러움. 소음 저감 중요한 자동차 트랜스미션 등서 헬리컬 기어 선호.
5. 하중 지지력
   헬리컬 기어 일반적으로 스퍼 기어보다 하중 지지력 높음. 앵글 이로 맞물리는 기어 간 접촉면적 넓어 하중 다수 이에 분산. 마모 적고 수명 김. 스퍼 기어는 적은 이가 하중 부담해 중하중서 마모 심함.
6. 속도 성능
   헬리컬 기어 고토크 처리하며 고속에서도 조용한 작동 유지. 스퍼 기어 중속까지 고효율이나 고속서 소음·진동·마모 증가.
7. 제조 복잡도·비용
   스퍼 기어 설계 단순·제조 쉬움. 생산비 낮고 유지보수 쉬움. 헬리컬 기어 정밀 앵글 컷·3D 운동 필요해 제조 공정 복잡, 비용 증가.
8. 응용·축 방향
   스퍼 기어 주로 평행 축 간 동작 전달, 시계·세탁기·컨베이어 등 단순·저속 응용. 헬리컬 기어 평행 축 외 교차·비평행 축 전달도 가능. 이 다용성으로 자동차 트랜스미션, 항공우주, 발전소, 해양 추진 시스템에 적합.
9. 접촉비
   접촉비는 기어 맞물림 중 맞물린 이수 척도. 스퍼 기어 보통 1.2~1.6로 보통 한 이만 완전 맞물림. 헬리컬 기어 접촉비 더 높음, 흔히 2 초과. 높은 접촉비로 부드러운 동력 전달·진동 감소 기여.
10. 효율
    스퍼 기어 마찰·축력 최소화 중요한 단순·중속 응용서 매우 높은 효율, 흔히 98~99% 달성. 헬리컬 기어 슬라이딩·축추력 탓 약간 낮음, 통상 95~98%, 하지만 다른 장점들로 소폭 효율 페널티 상쇄 가능.