눕힐까? 세울까?
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  • 오현식 기자
  • 승인 2017.09.13 11:33
  • 댓글 1
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유성 기어박스의 기어 선택

 
유성기어 내부에 헬리컬 기어, 혹은 스퍼 기어 중에서 무엇을 할 것인가의 문제는 매우 간단해 보인다. 그렇지만 실제 선택에서는 몇 가지의 추가적인 사항을 고려해야 한다. 헬리컬 기어는 조용한 것이 강점이다. 하지만 더 높은 하중에서 기어 박스의 토크 밀도와 작업 수명을 최대화해야 한다면 스퍼 기어가 더 적절한 선택일 수 있다. 기어의 올바른 선택을 위한 사항을 알아보자.

서로 다른 메쉬 지오메트리에서 짐작할 수 있듯 톱니가 평행을 이루는 스퍼 기어와 나선형 톱니줄을 지닌 헬리컬 기어의 하중 특성은 매우 다르다. 직선으로 이뤄진 스퍼 기어는 축 방향에 가해질 부하가 거의 없으며, 미끄러짐도 거의 발생하지 않는다. 이와 달리 15~30도의 나선각을 갖는 헬리컬 기어는 나선의 각도 증가에 따라 미끄러짐이 커지고, 축 방향의 힘이 더 많이 발생된다.

이에 따라 베어링의 역할도 다르게 된다. 스퍼 기어의 베어링은 축 방향의 힘을 견딜 필요가 없으므로 기어 박스의 기능을 지원하는 역할만 수행하면 된다. 즉 베어링은 단순히 회전하는 기어 샤프트를 지지하기만 하면 되고, 토크 전달에서는 역할이 없다. 반면 헬리컬 기어는 축 방향으로 힘을 받기 때문에 베어링이 기어 샤프트의 지지 외에도 다른 역할을 수행해야 한다.

서로 다른 축 방향의 힘

▲ 유성기어 박스의 하중
서로 다른 축 방향의 힘에 대해 고정 축 기어 박스와 유성 기어 박스의 대처는 다를 수밖에 없다. 고정 축 기어 박스에서 추가적인 축력은 약간의 불편을 주는 정도이지만, 유성 기어 박스에서는 추가적인 축력에 대응하기 위해 베어링의 대형화가 요구된다. 극단적인 경우, 축 방향의 하중을 견딜 수 있도록 설계된 앵귤러 콘텍트 또는 테이퍼 롤러 베어링을 선택해야 할 수도 있다.

특히 유성 기어 박스를 설계할 때에는 축 방향으로 진행되는 힘의 처리가 매우 까다로운데, 그 이유는 두 가지다. 유성 기어 박스에서 높은 축 방향으로 전달되는 힘을 견딜 수 있는 큰 베어링을 통합할 여유 공간이 거의 없다는 점이 첫 번째이다. 여기에 이러한 제한적 공간에서 유성 기어 베어링이 토크 전달에 더 적극적인 역할까지 맡아야 한다는 점이 까다로움을 더한다.

유성 시스템에서는 기어간 토크 입력을 분리하여 기어 박스 출력부와 연결된 유성 캐리어로 토크가 전달되기 때문에 유성 기어 내 행성을 지지하는 베어링은 토크 전달의 충격까지 견뎌야 한다. 하지만 앞서 언급했듯 유성 기어 박스 내부 공간은 제한적이기에 공간에 맞는 선택이 강요된다.

공간을 고려한 일반적 선택은 소형 니들 롤러 베어링이다. 그런데 니들 롤러 베어링은 바늘의 길이를 따라 고르게 분포된 하중의 처리에는 장점을 지니지만, 축 방향 하중 처리에서는 그렇지 못하다.

예를 들어 유성 시스템에서 태양 기어 메쉬가 가지는 축 방향의 힘은 행성-링 기어 메쉬가 가지는 힘의 방향과 반대이므로, 이에 따라 축 방향 힘과 기어 피치 직경에 의해 정의되는 틸팅 모멘트가 발생하게 된다. 이 틸팅 모멘트가 니들 롤러를 따라 불균일한 하중 분포를 생성함으로써 베어링의 하중 전달 능력과 수명주기는 모두 감소하게 된다.

▲ 니들 롤러의 접촉면 스트레스

▲ 니들 롤러의 위치별 하중. 롤러의 부하는 샤프트 주변의 위치에 따라 달라진다. 여기서 순간 하중은 Z축에 대한 것이며, 단위는 인치와 파운드이다.
애플리케이션에 따른 선택 필요
스퍼 기어와 헬리컬 기어의 특성에는 분명한 차이가 있기 때문에 대부분의 유성 기어박스 제조사는 두 가지 방식을 모두 제공하고 있다. 헬리컬 기어는 매끄럽고 조용한 장점을 지니지만, 부하 용량과 토크를 희생시킨다. 니들 베어링의 디자인을 최적화시키면 이를 일부 보완할 수도 있지만, 하중과 토크의 손실을 모두 막을 수는 없다.

이에 가장 권장되는 선택은 소음이 중요한 응용 분야에서는 헬리컬 기어를 사용하는 것이다. 의료 장비와 같이 저소음이 필요한 곳에서는 헬리컬 유성 기어를 사용하되, 기어 박스를 업 사이징함으로써 원하는 토크와 수명에 도달할 수 있게 된다.

하지만 기어 박스를 대형화하면 비용이 상승한다. 따라서 소음이 그다지 중요하지 않다면, 소형 패키지에서 보다 높은 부하 용량과 긴 수명을 제공할 수 있는 스퍼 기어 유성 시스템이 비용효율적인 선택이 된다.


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