November 24, 2025
기어는 움직임 전달과 관련된 거의 모든 기계에 필수적인 기본 기계 부품입니다. 지렛대와 도르래가 간단한 기계에 해당되는 것처럼, 동력을 전달하고, 회전 속도(RPM)를 변경하며, 구동력의 방향을 바꾸는 강력하고 정밀한 수단을 제공합니다. 다양한 유용성은 특정 성능 특성 및 환경적 과제에 맞게 설계된 다양한 디자인에 반영됩니다. 다양한 유형의 기어, 고유한 디자인 특징, 일반적인 적용 분야 및 현대 로봇 공학에서 중요한 역할을 이해하는 것은 기계 공학 및 산업 디자인의 핵심입니다.
기어 디자인의 광대한 영역은 샤프트의 방향(평행, 교차 또는 비교차 및 비평행)과 톱니 모양에 따라 여러 주요 유형으로 광범위하게 분류할 수 있습니다.
스퍼 기어: 산업의 일꾼
스퍼 기어는 가장 간단하고 일반적인 유형으로, 평행 샤프트에 장착된 직선 톱니가 특징입니다. 단순성으로 인해 제조 및 유지 관리가 가장 경제적입니다. 일정한 속도비를 제공하며 매우 신뢰할 수 있습니다.
디자인: 회전축에 평행한 직선 톱니.
적용 분야: 소음이 크게 중요하지 않은 저속에서 중간 속도 응용 분야에 사용됩니다. 간단한 기어 트레인, 세탁기, 시계 및 구형 기계에 일반적입니다.
헬리컬 기어: 더 조용하고 강력한 대안
헬리컬 기어는 스퍼 기어의 진화입니다. 톱니는 기어 축에 대해 각도 또는 나선형으로 절단됩니다. 두 개의 헬리컬 기어가 맞물릴 때 맞물림은 톱니의 한쪽 끝에서 시작하여 다른 쪽 끝으로 점차적으로 진행되어 스퍼 기어에 비해 더 부드럽고 조용한 작동을 제공합니다.
디자인: 톱니는 회전축에 대해 각을 이루어 점진적인 맞물림을 허용합니다.
적용 분야: 소음 감소 및 진동 감쇠가 중요한 자동차 변속기와 같은 고속 및 고토크 응용 분야에 사용됩니다. 주요 단점은 축 방향 추력을 생성한다는 점이며, 이를 관리하기 위해 특수 베어링이 필요합니다. 이중 헬리컬 기어(또는 헤링본 기어)는 동일한 샤프트에 두 세트의 반대 헬리컬 톱니를 결합하여 이 추력에 대응합니다.
베벨 기어: 동력 전달에서 코너 돌기
베벨 기어는 일반적으로 90도 각도로 두 개의 교차하는 샤프트 사이에서 동력을 전달하도록 설계되었습니다. 톱니는 원추형 표면에 형성됩니다.
디자인: 톱니는 원뿔 모양입니다.
적용 분야: 차량의 차동 구동 장치에 가장 널리 사용되지만, 수동 드릴 및 인쇄기와 같이 직각 구동 장치가 필요한 응용 분야에도 필수적입니다. 다음과 같은 여러 하위 유형이 있습니다.
스트레이트 베벨 기어: 연장하면 원뿔의 꼭짓점에서 교차하는 직선 톱니가 있습니다.
스파이럴 베벨 기어: 헬리컬 기어와 유사한 개념으로 곡선형 경사 톱니가 있어 스트레이트 베벨 기어보다 부드러운 작동과 더 높은 부하 용량을 제공합니다.
웜 기어: 고감속의 마스터
웜 기어는 웜(나사 모양 샤프트)이 웜 휠(스퍼 기어와 유사)과 맞물린다는 점에서 독특합니다. 축은 비교차 및 비평행이며 일반적으로 90도 각도입니다.
디자인: 나사 모양 샤프트(웜)가 기어 휠을 구동합니다.
적용 분야: 매우 좁은 공간에서 극도로 높은 기어비를 달성하는 데 사용됩니다. 중요한 특징은 자체 잠금 기능입니다. 웜은 휠을 쉽게 돌릴 수 있지만, 휠은 얕은 나선 각도로 인해 웜을 돌릴 수 없으므로 위치 유지가 중요한 리프팅 장비, 호이스트 및 컨베이어 시스템에 이상적입니다.
랙 앤 피니언 기어: 움직임 변환
랙 앤 피니언 세트는 스퍼 기어의 특수 응용 분야입니다. 피니언은 랙이라고 하는 선형 기어와 맞물리는 작은 스퍼 기어입니다.
디자인: 직선 막대(랙)와 맞물리는 원형 기어(피니언).
적용 분야: 주로 회전 운동을 선형 운동으로, 그 반대로 변환하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 거의 모든 현대 자동차의 조향 메커니즘과 다양한 공작 기계 테이블에 필수적입니다.
내부 기어: 컴팩트하고 효율적
위에 나열된 외부 기어와 달리 내부 기어는 링 또는 중공 실린더 내부에 톱니가 절단되어 있습니다. 외부 피니언과 맞물립니다.
디자인: 링의 내부 원주에 있는 톱니.
적용 분야: 외부 기어 세트보다 더 컴팩트한 디자인과 더 높은 효율성을 제공합니다. 자동 변속기 및 대형 산업 기계에 자주 사용되는 유성 기어 시스템(유성 기어 트레인)에서 일반적으로 발견되며, 여기서 중앙 태양 기어가 여러 개의 주변 행성 기어를 구동합니다.
이러한 다양한 기어 유형의 통합은 로봇 공학 분야에서 가장 정교하고 중요하다고 할 수 있습니다. 산업용 매니퓰레이터에서 수술용 마이크로봇에 이르기까지 로봇은 전기 모터의 비교적 빠르고 낮은 토크의 움직임을 정밀한 움직임과 무거운 하중을 들어 올리는 데 필요한 느리고 높은 토크의 움직임으로 변환하기 위해 기어 시스템에 의존합니다.
하모닉 드라이브 기어(스트레인 웨이브 기어링): 스퍼 또는 헬리컬 기어의 의미에서 전통적인 기어는 아니지만, 하모닉 드라이브는 고정밀 로봇 응용 분야의 표준입니다. 유연한 스플라인 컵(플렉스플라인)과 타원형 베어링을 사용하여 매우 작고 가벼운 패키지에서 매우 높은 감속비(최대 300:1)를 달성합니다.
로봇 공학 역할: 우주 로봇 공학 및 정밀 제조와 같이 제로 백래시(톱니 사이의 최소 간극) 및 높은 토크 대 중량비가 필수적인 로봇 관절 및 엔드 이펙터에 필수적입니다.
유성 기어박스(유성): 이것은 모터와 함께 사용되는 가장 일반적인 형태의 인라인 기어박스입니다. 일련의 행성 기어가 중앙 태양 기어 주위를 회전하며, 모두 내부 링 기어 내에 포함되어 있습니다.
로봇 공학 역할: DC 및 서보 모터의 토크 출력을 높이는 데 사용됩니다. 인라인 디자인으로 인해 효율적이고 컴팩트하며, 바퀴 달린 로봇, 컨베이어 드라이브 및 소형 산업 자동화에 널리 사용됩니다.
웜 및 베벨 기어: 이것들은 더 크고 다축 산업용 로봇의 베이스 및 숄더 조인트에서 자주 발견됩니다. 웜 기어의 자체 잠금 기능은 지속적인 모터 동력 없이 무거운 팔을 제자리에 고정하는 데 사용할 수 있어 안전성과 에너지 효율성을 제공합니다. 베벨 기어는 관절 자체를 통해 동력을 전달하여 다양한 축에서 움직임을 가능하게 합니다.
요약하면, 기어는 기계 설계의 영원한 요소입니다. 태엽 장난감의 단순한 스퍼 기어에서 수술용 로봇의 복잡하고 제로 백래시 하모닉 드라이브에 이르기까지, 속도와 토크를 관리하기 위해 맞물린 톱니의 기본 원리는 변함없이 유지됩니다. 재료 과학 및 제조 기술, 특히 CNC 가공의 지속적인 발전은 점점 더 복잡하고 정밀한 기어 형상을 생성하여 모션 제어의 경계를 넓히고, 더 나아가 로봇 공학 및 첨단 제조 분야 전체의 경계를 넓힙니다. 다양한 '기어 유형'은 단순한 구성 요소가 아니라, 원시 동력을 제어되고 유용한 움직임으로 변환하는 데 필요한 기술입니다.
