기어의 종류 및 기어 설계 시 고려해야 할 사항

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재료(Material)

기어의 강도, 내구성, 마모에 영향을 미칩니다. 일반적인 재료로는 강철, 황동, 청동, 플라스틱 등이 있습니다. 작동 환경(온도, 화학 물질 노출 등)도 재료 선택에 영향을 미칩니다.

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기어 종류 (Gear Type)

1️⃣ Spur Gear

가장 널리 사용하고 기어의 종류이다. 비교적 쉬운 생산 공정을 가지고 있으며, 작은 것을 Pinion gear라 한다. 기어 라인이 직선이고 평행하게 배치되어 축 방향으로 하중이 없는 특성을 가진다. 

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2️⃣ Helical Gear

Spur Gear에 비해 기어 맞물림이 좋아 더 높은 하중을 전달 할 수 있으며 소음이 적다. 때문에 고속 Application에 더 적합하다. 

Halical Gear 사용 시에는 축 방향으로 'Thrust Force'가 축방향으로 작용한다.

Spur Gear와 달리 Helical Gear는 측면의 Helical 형상으로 인해 'Thrust Force(추력)'가 축 방향으로 작용한다. 따라서 이 기어를 사용할 때에는 Thrust Force를 견딜 수 있는 구조 또는 Thrust Bearing을 고려해야 한다.

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3️⃣ Gear Rack

회전 운동을 선형 운동으로 전환

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4️⃣ Bevel Gear

동력 축 방향 전환

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5️⃣ Worm Gear

Screw Shape를 Worm이라 하고, 매칭되는 Gear를 Worm Wheel이라 한다. 두 개를 Worm Gear라 한다.

기어 표면에 높은 슬라이딩 접촉으로 마찰을 줄여야 하며, 이러한 이유로 일반적으로 Worm에는 Hard한 재료를 사용하고  Worm Wheel에는 보다 Soft한 재료를 사용한다. 슬라이딩 접촉으로 효율은 낮지만 회전이 부드럽고 소음 수준이 낮다. Worm의 Lead angle이 작으면 Self-locking 특성을 가진다.

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6️⃣ Internal Gear

주로 Planetary gear에 사용하며 축 위치 전환 용도로도 사용한다.

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출처 : 기어의 종류 | KHK 기어 제조업체 (khkgears.net)

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Size and Geometry

기어의 크기와 형태(Geometry of the teeth - such as pitch, profile, and helix angle)가 중요합니다. 이러한 요소들은 기어의 토크 용량, 속도 및 전달의 부드러움을 결정합니다.

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치형 설계

기어 치아의 형태는 기어가 어떻게 맞물리는지에 영향을 미칩니다. 적절한 치형 설계는 마모와 소음을 최소화하고 효율을 극대화합니다.

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하중 용량

기어는 예상되는 하중을 고려하여 설계되어야 합니다. 이를 위해 굽힘 강도와 표면 내구성에 대한 계산이 필요합니다.

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속도 및 기어비

기어비는 입력축과 출력축 사이의 토크와 속도를 결정합니다. 고속 기어는 더 정밀한 제조와 균형이 필요합니다.

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윤활 및 냉각

마찰과 마모를 줄이기 위해 적절한 윤활이 필요합니다. 고속 또는 고하중 애플리케이션에서는 냉각 시스템이 필요할 수도 있습니다.

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제조 방법

제조 방법(주조 Casting, 가공 Machininng, 단조 Forging 등)은 기어의 특성과 비용에 영향을 미칩니다. 기어에 요구되는 정밀도와 생산량을 고려하여 제조 방법을 선정합니다.

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백래시

맞물리는 기어 치아 사이의 여유 공간입니다. 윤활과 열팽창을 위해 일정량의 백래시가 필요하지만, 너무 많으면 정밀도에 영향을 미치고 소음을 유발할 수 있습니다.

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소음 및 진동

기어는 소음과 진동을 최소화하도록 설계되어야 합니다. 이는 정밀한 제조 및 정렬, 적절한 치형 설계를 통해 달성할 수 있습니다.

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조립 및 정렬

기어 조립에서 정확한 정렬은 효율적인 작동을 위해 중요하며, 조기 마모나 고장을 방지합니다.

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비용

성능 요구 사항과 비용 제약 사이의 균형을 맞추는 것은 기어 설계의 중요한 측면 중 하나입니다.

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