오늘날 고객이 선택할 수 있는 기어박스의 폭은 매우 넓다. 선택하는 기어박스의 종류에 따라 다양한 요구사항을 충족시킬 수 있다. 하지만 이 점은 기어박스의 단점이기도 하다. 기어박스를 잘못 선택하면 더 비싼 기어박스를 구입해야 하는 사태를 초래할 수도 있기 때문이다. 현재 다양한 산업 수만큼이나 기어박스에 대한 요구사항 역시 각양각색이다. 송전 산업에서는 오버행 하중을 감당할 수 있는 기어박스가 필요하며, 모션컨트롤 혹은 서보 산업은 동적인 움직임을 처리할 수 있는 기어박스를 필요로 한다.  

 
기어박스를 선택할 때 발생하는 문제 중 하나가 크기에 관한 문제다. 모터에 크기를 맞출 것인지, 부하에 크기를 맞출 것인지 결정해야 하는 것. 이 중 모터에 크기를 맞추면 기어박스 구입이 더 쉬워지고, 작동시키기도 더 편리하다. 하지만 결과적으로는 원래 필요했던 것보다 더 큰 기어박스를 구입하는 꼴이 되며, 따라서 사용자는 분에 넘치는 장비를 갖게 되는 셈이다.

반대로 부하에 크기를 맞춘다면 응용프로그램에 가장 적합한 기어박스를 손에 넣게 된다. 부하에 크기를 맞춘 기어박스는 비용효율적이며 더 적은 공간을 차지한다.

일반적인 크기 조절
최근에는 응용사례에 맞추어 기어박스의 크기를 조절하는 양상을 띠고 있다. 기어박스 크기를 조절하고자 할 때 모든 상황에 공통적으로 적용되는 요소들이 있다. 이 문서를 통해 기어박스 크기를 조절하는 기준을 설명하고 구매자로 하여금 더 통찰력 있는 선택을 돕는다.

1. 서비스 팩터

응용사례에 필요한 기어박스 크기를 선택하기 전에 해야 할 일이 있다. 서비스 팩터(일반용 교류 전동기의 계수로, 지정된 사용 조건에서 허용되는 부하 용량은 이 계수를 전동기의 정격 전력과 곱함으로써 구할 수 있다. 출처 전기용어사전)를 결정하는 것이다. 서비스 팩터는 일반적으로 장치의 정격 값에 대해 응용사례가 필요로 하는 값으로 정의한다. 서비스 팩터는 편재하중·작동시간·주변 온도 변화량 등의 요인을 통해 결정할 수 있다.
 

서비스 팩터는 어떻게 구할 수 있을까? 서비스 팩터가 1.0이라는 말은 장치가 응용사례를 처리할 수 있을 만큼의 충분한 능력이 있음을 뜻한다. 하지만 1.0이라는 수치는 추가적인 내성이 없음을 의미하기도 한다. 따라서 기어박스가 과열되거나 장애를 일으킬 수 있다.
 

대부분의 산업용 응용사례에서는 1.4 정도의 서비스 팩터면 충분히 제 역할을 수행할 수 있다. 이는 응용사례가 요구하는 사항보다 1.4배가량 높은 성능으로 기어박스를 운용할 수 있음을 의미한다. 응용사례가 1000인치파운드 처리량을 필요로 하는 경우 기어박스가 1400인치파운드만큼 처리할 수 있도록 크기를 조절하는 것이 바람직하다.
 

기어박스 결정에 영향을 미치는 다른 요소는 응용사례에서 얼마나 많은 서비스 팩터를 사용할 수 있는지의 여부다. 서비스 팩터는 제품 제조업체들 및 상품에 따라 상이하다. 따라서 제조업체를 통해 제품 사양을 확인하는 것이 정확하다.

 
2. 주변 온도 및 주변 환경

주변 온도가 높으면 내부 압력 증가라는 결과로 이어진다. 이는 서비스 팩터를 증가시키는 원인이다. 너무 높거나 낮은 압력은 기존과 다른 씰 재질이나 윤활유 점도를 필요로 할 수도 있다.
 

작동환경 또한 기어박스 크기 조절에 중요한 고려사항이다. 열악하고 혹독한 환경에서는 장치 마모도가 더 높다. 또한 먼지가 많거나 지저분한 환경에서 기어박스를 사용한다면 부식 혹은 박테리아 번식을 막기 위해 특수한 소재가 필요하다. 예를 들어 식품 및 음료 제조 공장에서는 미국 식품의약국의 표준을 준수하는 특수 칠과 기름이 필요하다. 
 

진공 환경에서는 특수한 윤활제 및 열 분산장치를 고려해야 한다. 열기를 냉각시킬 만한 공기가 부족하기 때문이다. 환경적 기능을 고려하지 않고 기어박스를 도입하거나 주변 환경에 맞지 않는 크기의 기어박스를 설치한다면 적재적소에서 활용하기 어렵게 된다. 

 
3. 충격 하중 및 하중의 종류

높은 충격 혹은 충격 하중은 기어나 축 베어링에 마모를 증가하는 원인이다. 기어박스 크기를 조절하지 않을 경우 충격으로 인한 기어와 축 베어링 마모가 심해지고, 이는 곧 조기 고장으로 이어진다. 하중 및 부하가 증가하면 서비스 팩터 역시 증가한다. 
 

하중에는 등가분포 하중과 비 등가분포 하중이 있다. 

등가분포 하중(Uniform Load)은 응용사례에 걸쳐 일정하게 유지되는 하중을 말하며, 반대로 비 등가분포 하중(Non-Uniform Load)은 응용사례가 이어지는 동안 계속 변화하는 하중을 말한다. 

비 등가분포 하중은 그 크기가 아무리 작은 경우라도 등가분포 하중보다 높은 서비스 팩터가 필요하다. 

등가분포 하중의 예는 말 그대로 하중의 크기가 변하지 않는 컨베이어에서 찾아볼 수 있다. 비 등가분포 하중은 단속절상 응용프로그램에서 그 사례를 발견할 수 있다. 단속절상 과정에서 일어나는 물리력이 기어박스 토크의 비 등가분포 하중을 주기적으로 높인다.

4. 출력 종류 혹은 장치

출력 장치에는 스프로킷·풀리·톱니 피니언 등이 있다. 이중 아웃풋 샤프트나 샤프트 탑재형 부싱 등 다른 출력 구성을 가지고 있는 장치는 장치에 가해지는 오버행 하중치가 감소한다. 서로 다른 출력장치들은 곧 기존과 다른 축 하중을 야기한다. 

대부분 장치들은 레이디얼 하중을 일으키는 원인이다. 여기에 헬리컬 기어 등이 축 하중을 추가로 일으킨다. 이런 상황에서는 레이디얼 하중 혹은 축 하중을 고려한 다른 베어링이 필요하다.

5. 출력축 혹은 할로 보어(Hollow Bore) 크기

응용사례에 필요한 기어박스 크기를 조절할 때, 출력축 크기와 보어 크기 면에서도 고객 요구를 충족해야 한다. 장치에 샤프트의 키 유무 할로 보어의 키 여부, 이전 플랜지 아웃과의 결합 여부와 상관없이 깨끗한 출력을 보장할 수 있어야 한다. 

장치의 정확한 보어 크기를 구하면 필요보다 큰 기어박스 혹은 전혀 다른 종류의 기어박스를 다시 구입할 필요가 없다. 

극단적으로는 비용효율적임과 동시에 뛰어난 솔루션을 제공받기 위해 축 전체를 바꾸어야 하는 경우도 있다. 보어 크기가 중요한 이유다.

6. 하우징 스타일

기어박스를 선택할 때 중요한 사항이 또 있다. 장착 방법에 대한 것이다. 유닛에 마운팅 장치가 설치되어있는 경우에는 출력부에 플랜지가 붙어있거나 하나 이상의 구멍이 있다. 
 

하우징 스타일은 유닛의 장착 방식을 결정하며, 따라서 사용자가 프레임 혹은 브래킷 형식을 지정해주어야 한다. 예를 들어 장치 아랫면에 탭 구멍이 나 있는 경우 출력부 근처에 L-브래킷을 장착해 마운트해야 한다.

전력 전송

산업에 따라 크기 조절 과정에 영향을 미치는 요소가 조금씩 다르다. 송전 분야에서는 출력 RPM·모터의 마력·프레임 크기 등이 이에 해당한다. 이러한 영향을 주는 요소들을 모두 산출한 것이 오버행 하중이다.

1. 출력 RPM

사용자는 기어박스가 정상적으로 작동하는 데에 필요한 비율을 결정하거나, 적어도 계산에 필요한 입·출력 속도 및 작동 헤르츠를 산출해야 한다. 보통 60Hz에서 1750 입력 RPM이 일어난다. 이 비율 계산을 변경하고자 하는 경우 계산에 앞서 모든 변경사항을 명확히 해야 한다. 계산이 정확하지 않으면 기어박스는 사용자가 원하는 요구사항에 적합하지 않게 된다.

2. 모터 HP와 프레임 크기

서비스 팩터를 계산하기 전에 기어박스 크기와 인풋 옵션을 정해야 한다. 기어박스 크기를 정하고 나면, 실제 서비스 팩터를 계산하기 위해 HP를 사용하게 된다. 
큰 HP를 가진 모터는 감속기의 기계적 정격에 악영향을 줄 수 있는 열을 발산한다. 이때 열이 증가하면서 일어나는 효율 저하를 감속기의 열용량이라고 한다. 열용량은 대형 모터를 사용할 때에 고려해야 하는 사항이기도 하다.

3. 축 부하

기어박스의 크기를 조절할 때에는 장치에 가해지는 부하가 기어박스를 손상시킬 위험이 있는지 확인해야 한다. 출력축을 지탱하는 힘은 파운드 단위로 측정할 수 있다. 이를 오버행 하중 정격이라 한다. 정격이 응용사례에 필요한 양보다 낮은 경우 감속기에 손상을 입히므로 주의해야 한다.

모션 제어
서보 산업에서는 입력속도·관성·동적토크 모션·특정 축 하중·모터축의 축경 등이 크기 조절 과정에 영향을 미친다.

1. 입력속도

입력속도가 기어박스 비율을 초과하면 안 된다. 압력이 늘어나 씰 마모를 가속화하기 때문이다. 크기를 조절할 때 출력 장치 및 구조의 비중을 고려하지 않으면 입력속도가 증가할 우려가 있다. 따라서 출력 장치를 선정하는 과정 역시 중요하다.

2. 관성

출력을 미세하게 조절하기 위해서는 관성 부조화(Inertia Mismatch)를 10:1 이하로 달성해야 한다. 높은 정확도가 필요한 일부 응용사례에서 중요한 요소다. 감속기의 크기와 비율은 기어박스에 주된 영향을 미친다. 

제어관리 기술자는 더 작은 불일치나 정확한 수치를 요구하는 고객과 맞닥뜨리게 된다. 또 토크가 아닌 동적 능력만을 위해 모터를 선택하는 경우도 있다. 모터를 사용할 때에는 로터의 토크 관성이 증가하기 때문에 응용사례에 필요한 것보다 더 많은 토크를 사용하는 것이 일반적이다. 

몇몇 모터 제조업체는 관성 등급이 높거나 낮은 특수 모터를 만들기도 한다. 하지만 낮은 관성은 응용사례와 부조화를 일으키는 원인이 된다. 

특수 모터는 응용사례에 특화한 세부조정을 실현한다. 특수 모터의 경우 기어박스 손상 및 파괴를 막기 위해 출력 토크를 제한한다.

3. 동적 모션

일반적으로 순환운동에 반복운동보다 더 높은 서비스 팩터가 필요하다. 끊임없는 시작과 정지 동작이 톱니와 씰에 추가적인 마모를 일으키기 때문이다. 역순환(Cyclic Reversing)은 두 지점 사이에서 앞뒤로 일정하게 움직이는 것을 의미한다. 역순환을 위해서는 반복 혹은 순환운동보다 더 높은 서비스 팩터가 필요하다.

4. 특정 축 하중

레이디얼 하중·축 하중·순간 축 하중을 장치 등급과 대조해 확인해야 한다. 이를 소홀히 하면 축이 망가지거나 베어링 혹은 톱니에 손상을 입힐 수 있다. 요소를 측정할 때에는 일반적으로 동일한 서비스 팩터를 적용하며, 내구력이 강한 기어박스를 사용한다. 추가적인 베어링을 원할 경우 장치 등급이 올라간다.

5. 모터 축경 혹은 길이

모터 축은 항상 장치에 꼭 맞는 크기여야 하며, 커플링과 완전히 결합할 수 있을 만큼 충분히 길어야 한다. 완전히 결합하지 못하는 경우 입력 불이행 혹은 미끄러짐(Slippage) 현상이 발생할 수 있다. 이 현상은 서비스 팩터에 직접적으로 영향을 미치지는 않는다. 하지만 모터를 장착할 때 발생하는 문제들을 피하고 싶다면 축경에 대해 고려하는 것이 좋다. 일부 제조업체는 장치 전체 크기를 늘리지 않고도 감속기가 큰 모터를 수용할 수 있을 만큼 큰 입력 설계를 제공한다.

결론

최적의 기어박스 솔루션을 위해서는  부하를 바탕으로 크기를 결정하는 것이 좋다. 응용사례에 적합하면서도 비용효율적인 솔루션을 달성할 수 있기 때문이다. 서비스 팩터·주변 온도·주변 환경·충격 부하·부하의 종류·작동시간 등이 모두 크기를 조절하기 위해 중요한 측면이다. 

사용자가 요구사항을 자세히 규정할 수록 더 정확한 크기 조절을 실현할 수 있으며, 궁극적으로 고객의 요구사항과 완전히 일치하는 솔루션을 얻을 수 있다. 

현재 시중에 출시된 다양한 크기 조절 프로그램을 사용하는 것도 좋은 방법이다. 크기 조절 프로그램은 응용사례에 가장 적합한 기어박스를 선택할 수 있도록 돕는다.