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3. 동력 전달기기의 종류 : 기어박스

동력 전달장치

동력 전달 장치란?

기계가 동작할 수 있도록 에너지를 작업부로 전달하는데 쓰이는 장치

그림1. 자전거(출처: freepik)

우리 주위에서 가장 흔하게 볼 수 있는 동력 전달 장치는 자전거입니다.

자전거에 힘(에너지)을 가해서 페달을 움직이면, 그 동력이 바퀴로 전달되어 움직이게 만드는 방법입니다.

동력 전달장치는 크게

기어 전동장치

마찰 전동장치

벨트 전동장치(체인 전동장치)

위의 세가지로 구분되는데요, 오늘은 기어 전동장치에 대해서만 다뤄보겠습니다.

기어 전동장치( = Gearbox, 변속기)

Gearbox란?

Gearbox는 축을 회전시키기 위해 필요한 동력을 전달하는 기계장치로, 다양한 기어로 구성됩니다.

1. 사용 목적

Gearbox의 주된 목적은 모터와 같은 구동 장치와 부하 사이에서 회전력(토크)과 속도를 변경하는 것입니다. Gear를 사용하여 작은 회전력을 큰 회전력으로 증폭시키거나 그 반대로 바꿀 수 있습니다. 예를 들면, 공작 기계, 산업 장비, 컨베이어 벨트 등 회전력 및 속도에 변화가 필요한 대부분의 기기에 들어갑니다.

그림2. gear (출처: freepik)

기어는 한 축에서 다른 축으로 회전을 전달하는 데 사용되는 중요한 동력 전달 메커니즘입니다.

기어 시스템은 샤프트 속도를 변화시키는데 사용합니다. 크고 작은 기어의 톱니가 맞물리면서 샤프트의 움직임을 조절하는 방식으로 속도를 제어합니다.

장점

•

톱니의 이가 한쌍씩 서로 맞물려 미끄러지지 않고 확실하고 정확한 동력을 전달합니다.

•

회전 속도를 자유롭게 증감할 수 있습니다.

•

내구성이 뛰어나며 큰 마력을 전달할 수 있어 고부하/고회전에 사용됩니다.

•

온도, 습도, 기름 환경의 영향이 적습니다.

단점

•

소음이 발생하기 쉽습니다.

•

유지 보수, 윤활이 필요합니다.

2. 다양한 기어 종류

기어박스에 사용되는 기어에는 다양한 종류가 있습니다.

그림3. 기어 종류 (출처: 해시넷)

기어 종류	전달 유형	특징
평 기어	평행 전달	잇줄이 축에 평행한 기어로 시계, 내연 기관 등에 쓰입니다.
헬리컬 기어	평행 전달	잇줄이 축에 경사진 기어로, 한쪽으로 미는 힘이 작용합니다. 소음이 적은 것이 특징입니다.
렉 기어	평행 전달	회전 운동을 직선 왕복 운동으로 바꾸거나 그 반대일 때 사용합니다. ex. 선반, 사진기 삼각대 등
베벨 기어	교차 전달	원뿔면에 이를 만든 것입니다. ex. 핸드드릴, 자동차의 차동 장치 등
웜기어	평행하지도, 교차하지도 않는 기어	속도비가 큰 경우에 사용되는 기어입니다.
스크류 기어	평행하지도, 교차하지도 않는 기어	헬리컬 기어의 축을 엇갈리게 만든 기어로 큰 감속비를 얻을 수 있습니다.

속도의 변화 유형에 따라 감속 기어박스와 증속 기어박스로 나뉩니다.

•

감속 기어박스는 주로 구동원(모터)의 회전수를 필요한 회전수로 감속시켜 높은 회전력(토크,Torque)를 얻는 목적으로 사용됩니다. 

•

증속 기어박스는 구동원(모터)의 제한된 회전수를 증가시켜서 고속 회전을 얻는 목적으로 사용됩니다.

기어박스 중에서 많이 사용되는 감속 기어박스(이하 감속기)에 대해 좀 더 알아보고자 합니다.

감속기

그림4. 감속기 (출처: 모션컨트롤)

감속기란?

Gearbox의 일종으로, 회전 운동하는 모터에 기어를 연결하여 모터의 속도를 감소시켜 회전력(토크,Torque)을 증대시키는 역할을 하는 모터의 부속품입니다. 주로 엘리베이터, 컨베이어 벨트 등에 사용됩니다. * Torque: 모터를 회전시키는 물리적인 힘

1. 사용 목적

감속기의 주된 목표는 모터의 속도를 줄여 회전력(토크,Torque)을 증가시키는 것입니다.

최근 산업 현장에선 산업용 로봇이 생산 인력의 대체재로 떠올라 수요가 크게 증가했는데요. 이런 추세에 따라 생산 로봇의 관절로 쓰이는 감속기의 사용량도 증가했습니다.

하지만 감속기는 생산량을 빠르게 늘릴 수 없는 설비 중 하나입니다. 모터에서 나오는 높은 에너지를 변형과 파손 없이 빠르게 처리할 수 있도록 설계해야 하므로 모터보다도 만들기 어려운 부품이기 때문입니다.

이런 어려움에도 불구하고 감속기의 수요는 계속 늘어나고 있는데, 최근 감속기가 소형화, 정밀화되면서 다양한 산업 분야의 설비에 광범위하게 쓰일 수 있게 되었기 때문이죠!

장점

•

작은 모터로 큰 기계를 가동할 수 있습니다.

•

구성을 적절하게 할 경우 최적의 효율로 가동할 수 있습니다.

•

전기 소모가 적어 오랫동안 구동이 가능합니다.

단점

•

부가적인 기계장치가 필요하여 추가 비용이 듭니다.

•

무게가 커지며 발열이 심해질 수 있습니다.

2. 다양한 감속기의 종류

사용하는 기어에 따라 감속기의 종류가 달라집니다.

그림5. 감속기 종류 (출처: 미스미, JWRHH, 영진WORM)

감속기 종류	설명
평기어 감속기	감속기 구성에 있어 가장 일반적으로 사용되는 방식이며, 가격이 저렴하며, 구조가 간단해 정비/수리에 용이합니다.
헬리컬 기어 감속기	헬리컬 기어를 사용해, 같은 면적으로 더 큰 감속비를 가질 수 있습니다. 소음이 매우 적어 도입 선호도가 높은 감속기입니다.
베벨 기어 감속기	베벨 기어의 두 축이 교차하는 특징 때문에, 축 방향이 90°로 꺾인 기기에 사용됩니다.
웜 기어 감속기	웜 기어를 사용한 감속기로, 큰 감속비의 회전을 할 때 사용되는 기어 장치입니다. 보통 소리를 줄이는 동작을 구현해야 할 때 사용됩니다.
하이브리드 감속기	기어의 종류를 이중으로 적용하는 방식 ex. 헬리컬+웜, 헬리컬+베벨 등

3. 주요 고장 원인

출처: 현대 모터 산업

주요 고장 종류	주요 고장 원인
발열	과부하 운전, 부품 마찰, 베어링 불량, 윤활유 불량, 모터의 통풍 불량 등
심한 소음 및 이음	베어링 손상, 이물질, 회전자와 고정자의 접촉, 고정 부위 헐거움 등
심한 진동	이의 마모, 조립 부위(축, 기어) 이완, 취부/고정볼트 이완, 케이스/연결부위 파손 등
오일의 누유	오일 시일 손상, 접합부 패킹 불량, 유면계 파손 및 이완, 씰링부위 출력축 마모 등
기동 불능 또는 기동 곤란	퓨즈 끊어짐, 기동 회전력(토크,torque) 부족, 코일 단선, 정전/전원 이상, 과부하 등

위의 자료에서 볼 수 있듯, 감속기의 고장은 단순히 감속기 혼자만의 문제로 발생하는 것이 아닌, 주변 기기들의 복합적인 영향으로 나타나는 경우가 많습니다.

그래서 감속기의 예지보전을 위해서는 감속기만 점검하거나, 하나의 요인에만 집중하기보다는 현장의 환경을 종합적으로 고려하면서 모니터링하는 것이 것이 중요합니다.

일례로, 베어링 손상 등 주변 기기가 유발한 고장인 경우 감속기 자체에서만 문제를 찾으려고 하면 오히려 원인을 파악하기 더 어려워지기도 합니다.

하지만 현실적으로, 언제 어디서 발생할지 모르는 고장 유발 요소들을 모두 통제하기란 불가능하죠

이것이 바로 감속기같이 복합적인 관리 감독이 필요한 특수장비들에 ‘모터센스’ 처럼 특별한 예지보전 솔루션이 필요한 이유입니다

지금까지 동력 전달 기기의 종류 : 기어박스에 대해 알아봤습니다.

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