기어 설계 기초, 모듈 계산부터 제작까지

기어(Gear)는 기계 장치에서 동력 전달과 속도 조절을 위한 핵심 부품입니다. 특히 감속기, 로봇, 자동차 등 다양한 분야에서 사용되며, 정밀한 동작을 위해서는 기초부터 설계가 잘 되어야 합니다. 하지만 처음 기어 설계를 접하는 분들은 모듈이니 이수, 피치원이니 하는 용어부터 어려움을 느끼기 쉽습니다. 이번 글에서는 기어 설계의 기본 개념부터 모듈 계산, 주요 용어 설명, 종류별 특징, 그리고 실제 제작 흐름까지 기초 입문자 눈높이에 맞춰 설명드리겠습니다.

1. 기어 설계에 앞서 알아야 할 용어

모듈(Module, m)

기어의 크기를 결정짓는 가장 기본적인 수치입니다. 공식: m = PCD(피치원 직경) / Z(이수)

이수(Number of Teeth, Z)

기어의 톱니 개수입니다. 이수가 많을수록 회전이 부드러워지지만 크기가 커집니다.

피치원(Pitch Circle)

기어가 서로 맞물릴 때 기준이 되는 가상의 원입니다. 톱니 간 거리 계산도 이 피치원을 기준으로 이뤄집니다.

압력각(Pressure Angle, α)

기어 톱니의 경사각이며, 일반적으로 20°가 가장 많이 사용됩니다. 접촉 각도에 따라 하중 전달 방식이 달라집니다.

2. 기어 모듈 계산 방법

1) 모듈 공식 정리

- **m = D / Z** - 예: 이수 20개, 피치원 직경 100mm → m = 100 / 20 = 5mm

2) 모듈 단위

- mm 단위로 표기 (m=1, m=2.5, m=5 등) - 국제 규격에 따라 표준 모듈 값만 사용 가능 (비표준 모듈은 가공 어려움)

3) 주의 사항

- 서로 맞물리는 기어는 모듈이 반드시 같아야 함 - 이수가 적을 경우 언더컷 발생 가능성 고려

3. 기어 종류와 특징

1) 스퍼기어(Spur Gear)

- 평행축 간 동력 전달 - 제작이 가장 간단하고 효율이 높음 - 소음이 비교적 크고 고속에 부적합

2) 헬리컬기어(Helical Gear)

- 기어가 비스듬히 절삭되어 접촉 면이 넓음 - 고속, 고하중에 적합하며 소음이 적음 - 추력 발생 → 베어링 설계 필요

3) 베벨기어(Bevel Gear)

- 축이 90도로 만나는 경우 사용 - 콘 형상으로 절삭되며, 정밀도가 중요

4) 웜기어(Worm Gear)

- 나사처럼 생긴 웜과 기어가 맞물림 - 큰 감속비 구현 가능, 자기 잠금 기능 있음 - 효율은 낮고 발열이 많음

4. 기어 제작 과정 요약

1) 스케치 및 설계

- CAD로 피치원, 톱니 형상 스케치 - 모듈, 이수, 압력각 기준으로 파라메트릭 모델링

2) CAM 가공 또는 CNC 절삭

- 호빙(Hobbing), 셰이핑(Shaping), 밀링 등 기어 절삭 방법 사용 - 정밀도가 중요한 부품은 열처리 및 연삭 후 마무리

3) 조립 전 검사

- 치형 측정기 또는 마스터 기어를 통해 맞물림 점검 - 백래시(Backlash) 확인하여 조정 가능성 검토

5. 실무 설계 시 고려사항

하중과 수명 계산

- AGMA(미국기어제조협회) 또는 ISO 기준으로 기어 강도 계산 - 피로수명, 마모, 응력 집중 등을 함께 고려

윤활 방식

- 오일, 그리스 윤활 여부에 따라 기어박스 구조 달라짐 - 고속 회전 시 오일 배스 또는 오일 순환 방식 사용

조립 허용 공차

- 기어축과 샤프트의 공차 조합(h6, g6 등) - 베어링과의 정렬도 중요

마무리하며

기어 설계는 단순히 톱니만 맞추는 일이 아닙니다. 모듈 계산부터 형상 설계, 하중 분석, 가공 방법까지 종합적인 판단이 필요한 설계 분야입니다. 처음에는 스퍼기어부터 시작해, 헬리컬이나 웜기어 등 다양한 구조를 실습하면서 점차 설계 감각을 키워보세요. CAD 설계뿐 아니라 실제 제작과 조립을 염두에 두고 기초부터 확실히 익혀두는 것이 좋습니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

1. 모듈이 다른 기어끼리 맞물릴 수 있나요?

아니요. 반드시 동일한 모듈 값을 가져야 맞물릴 수 있으며, 그렇지 않으면 회전이 불가능하거나 마모가 급격히 증가합니다.

2. 언더컷은 어떤 경우에 발생하나요?

이수가 너무 작을 때 기어 가공 중 톱니 밑부분이 깎여 나가는 현상입니다. 이를 피하기 위해 최소 이수를 고려하거나 수정 기어 설계를 적용합니다.

3. 기어는 직접 설계하는 게 일반적인가요?

특수 기능이나 구조를 요구하지 않는다면 표준 기어를 구매하는 것이 일반적입니다. 하지만 감속비나 기어비가 중요한 경우 직접 설계가 필요합니다.