유성 감속기에서 헬리컬 기어와 스퍼 기어의 올바른 선택

Neugart

유성 감속기에서 헬리컬 기어와 스퍼 기어 사이의 선택은 간단해 보일 수 있다. 감속기를 가능한 한 매끄럽고 조용하게 작동 시키려면 헬리컬 기어를 사용하고 높은 하중에서 감속기의 토크 밀도 또는 작동 수명을 최대화해야 할 경우 스퍼 기어를 선택한다.

감속기의 크기를 적절하게 조정하면 주어진 적용 요구 사항에 대해 헬리컬 기어와 스퍼 기어 중 하나를 선택할 수 있다. 그러나 유성 감속기의 경우, 헬리컬 기어와 스퍼 기어 중 하나를 선택하려면 추가로 고려해야 할 사항이 있다.

헬리컬 기어는 축 힘을 생성한다

서로 다른 맞물림 지오메트리(mesh geometries)에서 기대할 수 있듯이 스퍼와 헬리컬에는 매우 다른 로딩 특성이 있다. 나선각이 0 인 스퍼 기어는 축 방향 하중 성분이 없다. 그리고 매우 작은 슬라이딩 접촉을 한다. 헬리컬 기어는 기어 맞물림에서 상당한 축 방향 힘을 생성한다. 또한 치아 접촉 지점에서 더 많은 슬라이딩을 보여 마찰력을 추가한다.

감속기의 나선 각도는 일반적으로 15도에서 30도 사이다. 그 각도가 증가함에 따라 축력과 슬라이딩 접촉이 모두 증가한다.

헬리컬 기어는 베어링 수요를 증가시킨다

축 방향 힘을 견딜 필요가 없기 때문에 스퍼 기어 베어링은 기어 박스의 기능에 있어서 중요한 역할을 한다. 베어링은 회전 기어 샤프트를 지지하기만하면 되지만 토크 전달에 있어서는 중요한 역할을 하지는 않는다.

축 방향 힘은 헬리컬 기어를 지지하는 베어링의 상황을 매우 다르게 만든다. 그러나 여기서는 고정 축과 유성 감속기를 구별하는 것이 중요하다. 고정 축 감속기에서, 추가적인 축 방향 힘은 크게 고려할 대상이 아니다. 감속기 설계자들은 종종 추가적인 힘을 수용하기 위해 베어링의 크기를 확대한다.

극단적인 경우에는 축 방향 하중을 견디도록 설계된 앵귤러 컨택 또는 테이퍼 롤러 베어링을 선택할 수 있다

그러나 유성 감속기에서는 두 가지 관련된 이유로 인해 이러한 축 방향 힘을 중심으로 설계하기가 훨씬 어렵다.

첫째, 유성 감속기에는 일반적으로 높은 축 방향 힘을 견딜 수 있는 대형 베어링을 통합할 공간이 거의 없다.

둘째, 유성 기어 베어링은 토크 전달에서 적극적인 역할을 수행해야 한다. 유성 시스템은 유성 기어들(planet gears) 사이에서 태양 기어(sun gear)로부터 입력된 토크를 분할하여 토크를 감속기 출력에 연결된 유성 캐리어로 전달한다. 캐리어의 행성을 지지하는 베어링은 그 토크 전달을 완전히 견뎌내야 한다.

여기에 어려움이 있다. 유성 감속기내 공간이 제한되어 있기 때문에 유성 기어에 사용되는 베어링은 높은 축 방향 하중에 대한 공차보다 크기를 더 많이 선택해야 한다. 일반적으로 소형 니들 롤러 베어링이 이러한 설정에서 가장 일반적으로 선택된다.

니들 롤러 베어링은 니들 길이를 따라 균등하게 분포된 레이디얼 하중에 잘 작동한다. 그러나 축 방향 하중은 그렇지 못하다. 유성 시스템에서, 태양과 유성 맞물림의 축 방향 힘은 유성 링기어 맞물림의 힘 방향과 반대이다. 따라서 유성은 축력에 기어 피치 직경을 곱한 틸팅 모멘트(tilting moment)로 볼 수 있다. 이 틸팅 모멘트는 니들 롤러를 따라 고르지 않은 하중 분포를 만들어 베어링의 하중 전달 능력과 수명을 대폭 줄인다.

감속기 선택

스퍼 및 헬리컬 기어를 기반으로 한 유성 감속기는 모두 공간을 차지하므로 두 종류를 모두 제공하는 제조업체는 소수이다. 헬리컬 유성 시스템의 부드럽고 조용한 특성은 부하 용량과 토크를 희생한다는 점에 유의해야 한다.

Neugart는 니들 베어링의 디자인은 어느 정도 최적화 할 수 있기에, 하중과 수명의 일부를 상쇄 할 수 있다. 의료 장비, 실험실 자동화 시스템 및 인쇄 기계와 같은 소음이 중요한 애플리케이션에는 헬리컬 유성 기어를 선택해야 한다. 저소음이 중요하다면 원하는 기어 토크 및 수명주기 요구 사항에 맞게 헬리컬 감속기를 크게 할 수 있다.

그러나 감속기를 크게 하면 추가 비용이 발생한다. 소음이 그다지 중요하지 않은 경우, 작은 패키지에서 더 높은 부하 용량과 더 긴 수명을 제공하는 스퍼 기어의 유성 시스템을 사용하는 것이 좋다.

자료제공: Neugart(www.neugart.com)