유성 기어박스에 헬리컬 기어를 사용할지, 평 기어를 사용할지 선택하는 것은 생각보다 어렵지 않다. 부드럽고 조용한 기어박스 활용을 원한다면 평 기어보다는 헬리컬 기어를 활용하는 것이 바람직하다. 반면 평 기어는 기어박스의 토크 밀도(Torque Density)를 최대화하거나 큰 부하 환경에서 보다 긴 수명을 활용하고자 할 때 적절한 선택이다.
자료 | Neugart USA(www.neugartusa.com)

전문가들의 경험에 의거한 방식은 지금까지 사용하던 고정 축(Fixed Axis) 기어박스에 대한 사양을 결정할 때 필요한 지식을 대부분 충족시킨다. 경험을 바탕으로 기어박스의 크기를 적절하게 선정하고, 헬리컬 기어와 평 기어 중 적합한 제품을 선택하는 것만으로도 많은 응용사례를 충족시킬 수 있다.

하지만 유성 기어박스를 사용할 경우 문제가 달라진다. 유성 기어박스에 헬리컬 기어와 평 기어 중 하나를 선택하는 것에는 몇 가지 고려사항을 더해야 한다.

1. 헬리컬 기어는 축방향력을 만든다
기어 맞물림 구조의 차이를 보면 알 수 있듯, 평 기어와 헬리컬 기어는 전혀 다른 부하 특성을 가지고 있다. 
평 기어는 나사각(Helix Angle)이 없어 축방향 하중이 부족하다. 또한 기어 이가 미끄러지면서 접촉하는 영역(Sliding Tooch Contact)이 매우 작다.

헬리컬 기어는 기어 맞물림 시 커다란 축방향력을 만든다. 또 기어 이의 접촉 영역에서 보다 많은 미끄러짐 현상이 일어나 장치에 마찰력이 더해진다.

기어박스의 나사각은 일반적으로 15°에서 30°가량이다. 나사각이 증가하면 축방향력이 증가하며, 동시에 미끄럼 접촉 영역 또한 증가한다.

2. 헬리컬 기어는 베어링 관련 요구사항이 보다 다양하다
평 기어는 축방향력을 감당할 필요가 없다. 따라서 평 기어의 베어링은 기어박스를 지원하는 역할만을 수행한다. 평 기어의 베어링은 기어 샤프트의 회전을 지지할 뿐이며, 토크 전달 과정에 있어 능동적인 역할을 하지는 않는다.

헬리컬 기어와 짝을 이루는 베어링에 게 축방향력은 커다란 변수다. 하지만 이 경우 고정 축 기어박스와 유성 기어박스를 구분하는 것이 중요하다. 고정 축 기어박스에 가해지는 축방향력은 조금 불편한 정도에 불과하다.

기어박스 설계자들은 베어링 크기를 키움으로써 기어박스의 베어링이 추가적인 힘을 적용할 수 있도록 설계한다.
극단적인 경우, 앵귤러 접촉 베어링 혹은 테이퍼 롤러 베어링을 선택한다. 둘 모두 축방향 하중에 강한 제품이다.

하지만 유성 기어박스의 경우 축방향 하중에 적합한 제품을 설계하는 것이 한층 어렵다. 그 이유는 두 가지가 있다.
첫째, 유성 기어박스는 크기가 작다. 따라서 높은 축방향력을 견딜 수 있을 덩치 큰 베어링을 집어넣기가 쉽지 않다.

둘째, 유성 기어에 사용되는 베어링은 토크를 전달하는 과정에서 능동적 역할을 수행해야 한다. 유성 시스템은 태양기어로부터 받은 토크 입력을 유성기어로 분배하며, 이 토크를 유성 캐리어로, 이어 기어박스 출력부로 연결한다. 이 과정에서 캐리어 내의 유성기어를 지지하는 베어링은 토크 전달 과정에서 일어나는 압력을 지지할 수 있어야 한다.

3. 물론 어려움도 있다
유성 기어박스는 사용할 수 있는 공간이 제한적이다. 이는 유성 기어에 사용하는 베어링은 축방향 하중보다 크기를 더 중요시해야 함을 의미한다.

유성 기어박스에는 주로 크기가 작은 니들 롤러 베어링을 활용한다. 니들 롤러 베어링은 레이디얼 하중이 가해지는 상황에서 탁월한 성능을 발휘한다. 바늘 모양의 길이만큼 부하를 균일하게 분배할 수 있기 때문이다. 하지만 축방향 하중을 잘 처리하지는 못한다.

유성 시스템에서 태양 기어와 유성 기어 사이의 맞물림은 유성 기어와 링 기어의 맞물림과 반대다. 따라서 유성 기어에는 전복 모멘트(Tilting Moment)가 발생한다. 전복 모멘트는 축방향력과 기어 피치 지름을 곱한 값으로 정의한다. 전복 모멘트는 니들 롤러에 불균등한 하중 분포를 야기하며, 불균등 하중 분포는 베어링의 부하 운반능력은 물론 수명 역시 급격히 줄인다.

4. 기어박스 선택에 대한 조언
유성 기어박스는 평 기어를 기반으로 하든, 헬리컬 기어를 기반으로 하든 저마다의 가치를 가지고 있다. 하지만 모든 장점을 한꺼번에 가지고 가는 것은 불가능하다. 조용하고 부드러운 성격을 가진 유성 기어박스를 원한다면 토크와 부하 용량의 희생을 감수하여야 한다.

Neugart는 자사 니들 롤러 베어링의 설계를 최적화함으로써 헬리컬 기어의 단점, 즉 부하와 수명 저하라는 문제를 어느 정도 해결했다.

의료장비·실험 자동화 장비·인쇄 기계 등 소음을 줄이는 것이 중요한 응용사례에서는 헬리컬 유성 기어를 사용한다. 소음을 최소화하고자 한다면 헬리컬 기어박스의 크기를 키워 토크와 수명 그리고 낮은 수명이라는 세 마리 토끼를 모두 잡을 수 있다.

하지만 기어박스의 크기를 키우는 것은 비용의 증가로 이어진다. 따라서 소음이 큰 문제가 되지 않는 응용사례라면 평 기어 유성 기어박스를 사용함으로써 작은 크기의 제품으로도 보다 큰 부하 용량과 긴 수명이라는 장점을 누릴 수 있다.