기어는 다양한 모터 및 장비에서 중요한 역할을 한다. 기어는 감속(Reduction)을 통해 토크 출력을 높이며, 장치가 회전하는 방향을 조절한다. 가장 기초적인 기어의 종류와 각 기어의 차이점에 대해 이야기한다.
1. 평기어(스퍼 기어)
기어 하면 가장 일반적으로 떠올릴 수 있는 형태의 기어다. 그만큼 자주, 많이 사용되는 기어이기도 하다.
평기어는 큰 기어비 감속을 위해 사용한다. 평기어를 사용할 때는 여러 기어를 연속적으로 사용하는 것이 일반적이다.
평기어의 기어 이는 직선으로 뻗어 있으며, 다른 축에 평행하게 장착되어 있다.
평기어는 세탁기·스크루드라이버·태엽시계 등에 쓰인다. 이들 장비의 공통점은 유난히 시끄럽다는 점이다. 평기어의 기어 이는 서로 엮여 충돌하는 방식으로 작동하는데(Engaging and Colliding), 각각의 충돌이 커다란 소음 및 진동을 일으킨다. 평기어가 자동차 등의 기계류에 사용되지 않는 이유이다.
평기어의 일반적인 기어비 범위는 1:1부터 6:1 가량이다.
2. 나선형 기어(헬리컬 기어)
헬리컬 기어는 평기어에 비해 조용하고 부드럽게 작동한다. 기어 이가 상호작용하는 방식이 다른 덕이다.
헬리컬 기어의 기어 이는 기어 면과 살짝 비스듬하게 절단되어 있다. 기어 면과 사선을 그리고 있는 셈이다. 두 개의 기어 이가 서로 작동하면서 접촉이 단계적으로 일어난다. 기어 이의 한쪽 끝에서 접촉을 시작해 접촉을 그대로 유지하며, 기어가 회전함에 따라 접촉면이 점차 늘어난다. 일반적인 나사각(Helix Angle)은 약 15°에서 30°가량 된다. 스러스트 로드(추력 하중)는 나사각의 탄젠트 크기에 직접적인 영향을 받는다.
나선형(헬리컬) 구조는 트렌스미션에 쓰이는 기어에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 나선형 기어는 많은 양의 추력을 만들어 스러스트 하중을 지지하기 위해 베어링을 사용한다. 또한 나선형 기어를 수직축에 설치하면 회전각을 90° 각도로 조절할 수 있다.
나선형 기어의 일반적인 기어비 범위는 3:2부터 10:1 가량이다.
3. 베벨 기어
베벨 기어는 샤프트 회전 방향을 변경하기 위해 사용한다. 베벨 기어의 기어 이는 직선형(스트레이트)과 나선형(스파이럴) 그리고 하이포이드 형 등의 형태를 띤다.
직선형 베벨 기어의 기어 이는 평기어와 유사한 특성을 가지고 있으며, 커다란 결합할 때 큰 충격을 받는다. 평 베벨 기어의 기어비는 3:2에서 5:1가량이다.
나선형 베벨 기어의 기어 이는 헬리컬 기어와 유사한 작동원리를 가지고 있다. 나선형 기어 이는 직선형 기어 이보다 마찰시 진동과 소음이 적다. 나선형 베벨 기어의 오른쪽 기어는 축면에서 시계방향으로, 왼쪽에 있는 기어는 반시계방향으로 움직인다. 나선형 베벨 기어의 일반적인 기어비 범위는 3:2에서 4:1가량이다.
하이포이드 베벨 기어는 나선형 기어의 일종이다. 나선형 기어와 달리 원뿔형이 아닌, 쌍곡면(Hyperboloid)을 뒤집어놓은(Revolved) 형태를 띠고 있다. 하이포이드 기어 면은 링 기어 혹은 크라운 휠(피치 원주각이 90°이며 피치면이 평면인 베벨기어를 말한다. 자료 광물자원용어사전)의 축에서 벗어난(Off-Axis) 피니언에 위치한다. 이를 통해 피니언이 보다 큰 직경 및 보다 넓은 접촉면을 활용할 수 있음을 의미한다.
대부분의 경우 피니언과 기어는 반대 방향에 위치해 있으며, 피니언의 나사선 각(스파이럴 앵글)은 기어의 각도보다 크다.
하이포이드 기어의 응용사례 중 하나로 송전(送電)분야가 있다. 기어비가 크기 때문에 큰 움직임을 필요로 하는 대규모 응용사례에서 각광 받는 것. 이 기어의 일반적인 기어비는 약 10:1에서 200:1가량이다.
4. 웜 기어
웜 기어는 큰 비율의 기어 감속에 사용한다. 웜 기어의 일적인 기어비 범위는 5:1에서 300:1 가량이다. 여타 기어에 비해 기어비가 큰 것을 알 수 있다.
웜 기어의 설계는 독특하다. 웜은 기어를 회전시킬 수 있지만, 기어가 웜을 회전시킬 수는 없다. 또 웜의 각도가 깊지 않고 얕으므로 웜과 기어 사이의 마찰이 발생하고, 이로 인해 기어가 제 위치를 유지한다.
웜 기어는 브레이크 혹은 비상정지 기능을 필요로 하는 컨베이어 장치 등의 응용사례에서 사용된다.
