하이포이드 기어는 보다 높은 감속비를 실현하며, 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 소비전력이 낮다. 많은 이들이 관심을 보일만한 장치인 이유이다. 하지만 사용에 앞서 여러 지식이 필요한 제품이기도 하다. 하이포이드 기어에 대한 이모저모를 살펴보자.

  Q. 하이포이드 기어에 대해 간단히 설명한다면?
A. 하이포이드 기어는 그 겉모습이 일반 나선형(스파이럴) 베벨 기어와 유사하다. 
하이포이드 기어는 곡선 형태의 기어 이를 가지고 있다. 따라서 한쪽 이에서 다른 이로 부드럽게, 점차적으로 접촉할 수 있다.
하이포이드 기어는 서로 교차하지 않는(Do not Intersect) 축을 가지고 있다. 나선형 베벨 기어와의 결정적인 차이점이다.

Q. 하이포이드 기어의 장점은?
A. ‘오프셋’이라고 하는, 축 사이의 거리를 통해 높은 감속비를 실현한다. 
오프셋 축은 장치에 그물망 상태(Mesh Condition)을 만드는데, 그물망 상태는 기어 이의 작동 특성 및 부하운반능력을 향상시킨다. 

소음 및 진동이 아주 적거나 아예 없는 것으로도 유명하다. 높은 작동 속도에서도 마찬가지다. 

하이포이드 기어는 축이 서로 교차하지 않아 설치공간을 줄이고 설계상 유연성을 높일 수 있다. 또 대부분의 각도 및 속도에서 샤프트와 샤프트 사이의 동력을 전달할 수 있다. 하이포이드 기어는 일반적으로 원통형(실린더) 기어 및 웜 기어보다 높은 효율성을 자랑한다.

하이포이드 기어는 매우 부드러운 움직임 및 저 전력소비를 필요로 하는 응용사례에서 주로 사용한다. 예를 들어 고성능 기어모터에서 하이포이드 기어를 사용한다. 고성능 기어모터는 크기 대비 높은 토크 능력과 낮은 백래시 그리고 조용한 작동 등이 필수적이므로 하이포이드 기어가 적절한 선택이다.

하이포이드 기어를 활용한 기어모터는 또한 기존의 직각(Right Angle) 기어모터에 비해 능률이 높다. 
하이포이드 기어는 웜 기어 드라이브와 비교했을 때 마찰로 인한 열이 적게 발생하고, 기어 이의 마모 역시 적다. 또한 작은 크기의 모터로도 웜 기어 드라이브의 그것과 같은 크기의 출력을 만들 수 있어 장치의 발열이 적다. 

따라서 하이포이드 기어를 활용하면 기어박스 전체의 온도가 낮아져 윤활유를 비롯한 구성요소의 수명을 늘이고, 냉각에 필요한 추가 비용을 낮춘다.

Q. 모든 하이포이드 기어가 같은가?
A. 그렇지 않다. 기어 제조용 공작기계 생산업체인 글리슨은 하이포이드 기어 분야에서 널리 쓰일 두 개의 단어를 만들어냈다. 고 감소 하이포이드(High Reduction Hypoid, HRH)와 초 감소 하이포이드(Super Reduction Hypoid, SRH)가 그것이다. 

이름에서 알 수 있듯 후자가 더 높은 성능을 가진 제품이며, 그 효율 또한 높다. 

SRH 설계에는 다양한 하이포이드 관련 기술 중에서도 최신의 기술이 집적되어있다. 기존의 HRH 설계보다 효율적인 기어 동작을 실현한다.

Q. 기어 제작에 여러 제조공정이 활용되나?
A. 그렇다. HRH와 SRH에 사용되는 일반적 제조기술은 여타 일반 기어의 제조기술과 유사하다. 하지만 뒤에 숨어있는 공식은 다르다. 패턴·기어의 구조·기어 이의 형상 등 많은 부분이 상이한 것. 

SRH 기어를 사용하면 기어 이의 압력각 및 나사선 각을 조절할 수 있다. 보다 나은 기어 이 맞물림을 위해서다. 또한 피니언과 기어 모두 연마 작업을 거쳐 미끄러지는 힘(Sliding Force)을 줄이고 마찰과 열을 낮추어 효율성을 높인다.

하이포이드 기어를 만드는 첫 단계는 원뿔 모양을 한 구조물을 만드는 것이다. 이후 기어와 모터 축 피니언을 잘라내어 기어 이를 형성한다. 구조물은 4140 철 등의 고 경화 재질로 만들어진다. 

이어 가공품에 열처리를 가해 경도를 높인다. 기어모터를 구성하기 위한 부품의 일반적인 경도는 작은 기어의 경우 51Rc, 큰 기어는 62Rc가량이다.

경화를 마치고 나면 원하는 크기만큼 가공(연마)하는 작업이 이어진다. 이때 SRH 기어는 허용오차, 즉 공차가 극히 작다. 예를 들어 기어의 바깥지름, 구멍(보어)의 안지름, 모터 축의 흔들림(런아웃) 등이 모두 0.0002in. 이하의 공차를 유지해야 한다. 

마지막으로 각각의 기어 이를 고 정밀도로 연마하여 이론상 완벽에 가까운 크기와 구름 패턴을 얻는다. 
이렇게 탄생한 기어는 항공우주 등급의 정밀도를 자랑하는, AGMA 등급을 획득하게 된다.

  Q. 특수한 윤활 요구사항이 있다던데?
A. 하이포이드 기어와 피니언은 미끄럼력(Sliding Force)이 일반 실린더 기어보다 약 5배가량 높다. 이런 상황에 범용 윤활제를 사용하는 것은 어려운 일이다. 

전문가들은 고압 첨가제가 함유된 합성 그리스의 사용을 추천한다. 합성물질을 활용함으로써 기어 이와 이 사이의 접점 압력을 조절하고, 기어를 적절히 윤활하며, 작업 시 만들어지는 열을 내보내고, 극단적인 압력에도 그리스가 액체화하지 않도록 유지한다.

Q. 하이포이드 기어의 수명은?
A. 적절한 윤활이 받쳐주고 업체가 권장하는 설계 지침을 따르기만 한다면 하이포이드 기어를 활용한 기어모터는 오랫동안 변함없이 작동할 수 있다. 

예를 들어보자. 기어모터는 간헐적으로 사용하지, 전부하 하에서 연속하여 사용하지는 않는다. 하지만 Biston은 SRH 제품을 전부하 조건에서 1만 시간 이상 연속해서 테스트한다. 경쟁업체 제품들의 수명은 대부분 전부하 조건에서 4천 내지 5천 시간 가량에 불과하다. SRH 제품이 수명 측면에서 이점을 가지고 있는 것.

Q. 가격이 비싼가? 
A. 하이포이드 기어를 탑재한 기어모터는 여타 기어모터에 비해 가격이 비싸다. 보다 정확하고 엄격한 제조공정을 요하기 때문이다. 

하지만 하이포이드 기어모터의 높은 가격은 그 값어치를 한다. 수명이 일반적인 경우 10%~20%가량, 극단적인 상황에서는 최대 2배까지 높기 때문이다. 높은 에너지 효율 또한 전체 비용의 감소에 한 몫을 한다.

Q. 하이포이드 기어가 꼭 필요한 분야는?
A. 송전(Power Transmission) 관련 응용사례에서는 하이포이드 기어가 필수적이다. 작은 크기·긴 수명·에너지 효율성이 중요한 요소로 작용하기 때문이다. 

포장기계 및 컨베이어 시스템 분야에서 역시 하이포이드 기어를 많이 사용한다. 무게가 가볍기 때문에 소비전력이 보다 낮기 때문이다. 칩 오거·필터·스키머 등을 사용하는 머시닝 센터 역시 하이포이드 기어의 활용이 용이하다.

하이포이드 기어를 활용하면 다양한 장비 및 응용사례에서 상당한 양의 전기 관련 비용을 절약할 수 있다.