메커니즘: 기어

산업 혁명 이전에도 이런저런 종류의 기어는 우리에게 유리하기도 하고 불리하기도 했습니다. 곡물을 갈아서 아마를 으깨는 고대의 물레방아와 풍차부터 공성 기관에서 주요 전투 탱크에 이르기까지 전쟁 기계에 동력을 공급하는 구동렬에 이르기까지 기어는 이제까지 만들어진 거의 모든 기계 장치의 필수적인 부분이었습니다. 메커니즘에 관한 시리즈의 다음 편에서는 기어와 그 응용에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.

종종 그렇듯이, 진화는 최고의 발명가이며, 어린 멸구벌레의 뒷다리를 연결하는 기어 메커니즘은 인간의 기어 발명보다 수십억 년 앞선 것입니다. 인간이 기어를 사용하기 시작한 것은 적어도 기원전 3세기 중국으로 거슬러 올라가며, 이 기술은 빠르고 광범위하게 퍼졌습니다. 몇 백 년 안에 정밀하게 가공된 금속 기어를 통해 그리스에서 안티키테라 메커니즘과 같은 복잡한 기어 장치를 제작할 수 있었습니다.

가장 단순하게 말하면 기어는 원주에 일종의 톱니가 잘린 바퀴에 지나지 않습니다. 톱니는 토크를 전달하기 위해 다른 기계 요소의 톱니와 맞물리도록 크기와 모양이 지정됩니다. 직렬로 연결된 여러 개의 기어를 기어열이라고 하며, 기어열의 기어 직경이 다른 경우 전달되는 토크는 그 차이에 비례합니다. 따라서 구동 기어의 직경이 1cm이고 피동 기어의 직경이 10cm인 경우 기어열은 회전 속도를 10배로 줄이는 동시에 토크를 10배 증가시킵니다.

이에 대응하기 위해 치아를 회전축에 대해 비스듬히 절단할 수 있습니다. 기어 원주 주위에서 이와 같이 톱니를 비틀면 나선형 패턴이 나타나므로 나선형 기어라는 이름이 붙습니다. 헬리컬 기어는 더 조용할 뿐만 아니라 교차하여 직각으로 동력을 전달할 수도 있습니다. 단점은 기울어진 톱니로 인해 헬리컬 기어가 축을 따라 추력을 전달한다는 것입니다. 추력은 테이퍼 롤러 베어링과 같은 추력 베어링을 사용하거나 축 추력을 상쇄하기 위해 동일한 샤프트에서 톱니 방향이 반대인 두 개의 헬리컬 기어를 사용하여 처리할 수 있습니다. 그 결과 풍력 터빈과 같은 많은 고출력 응용 분야에서 볼 수 있는 아름다운 헤링본 기어가 탄생했습니다.

오랫동안 금속 기어를 생산하는 것은 원하는 형상을 가진 톱니를 생산하기 위한 여러 가공 단계를 포함하는 복잡한 공정이었습니다. 치아는 브로칭, 밀링, 성형 또는 연삭과 같은 다양한 가공 작업을 통해 절단될 수 있습니다.

그러나 기어 절삭에는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들기 때문에 요즘 대부분의 기어는 일종의 성형 작업을 통해 생산됩니다. 가격대에 맞게 제작된 전동 공구 내부를 볼 때 보기 싫은 종류의 플라스틱 기어는 사출 성형으로 쉽게 생산되며, 나쁜 평판에도 불구하고 특히 수명이 긴 기어 트레인은 아니더라도 완벽하게 서비스할 수 있습니다. 그러나 금속 기어도 성형할 수 있으며 현재 분말 금속 기어가 시장에서 큰 점유율을 차지하고 있습니다.

금속분말기어는 바인더와 윤활제를 혼합한 아주 미세한 금속합금 분말을 금형에 채워서 생산됩니다. 금형 안의 분말은 금형 모양에 맞는 도구를 사용하여 유압 램으로 압축되며, 엄청난 압력으로 인해 금속 입자가 융합되어 취급할 수 있을 만큼 강한 고체가 됩니다. 그런 다음 녹색 부품을 가열하여 입자를 최종 금속 부품에 영구적으로 융합시킵니다. 대부분의 경우 추가 가공 없이 사용할 수 있습니다.

분말 야금은 대부분의 가정 상점에서 손이 닿지 않는 반면, DIY 기어는 일부 기본 공작 기계에 접근할 수 있는 사람이라면 누구나 할 수 있습니다. 우리는 [Chris]가 Clickspring 시계의 기어와 피니언을 가공하는 것을 충분히 볼 수 없을 것입니다. 이러한 기어는 계측 분야에 고도로 특화되어 있지만 동일한 원리 중 상당수가 다른 응용 분야의 기어에도 적용됩니다. 3D 프린팅을 통해 맞춤형 기어트레인도 가능해졌으며, 올바른 조건에서 결과는 놀랍도록 견고할 수 있습니다. 그리고 모든 종류의 재료로 크고 작은 기어를 생산하는 CNC 라우터를 잊지 마십시오.