기계 요소의 기본! 기어, 체인, 벨트의 기능을 해설

기계는 다양한 기능을 가진 부품을 조합해 만듭니다. 기계를 구성하는 부품을 총칭해 「기계 요소」라 합니다. 기계 설계에서는 각각의 기계 요소에 대한 지식을 빼놓을 수 없습니다. 이번에는 기계 요소 중에서도 특히 힘 전달에 사용되는「기어, 체인, 벨트」에 대하여 기능이나 종류 등에 대해 해설하겠습니다.

동력 전달의 기본, 기어

기어는 주로 원반 바깥 둘레에 톱니가 달린 형상으로 되어 있어, 톱니를 맞물려 동력을 전달하는 기능을 가진 기계 요소입니다. 기어는 시계와 같은 정밀 기계부터 자동차, 산업 기계까지 매우 많은 기계에 사용됩니다. 기어의 특징은 맞물리는 기어의 크기를 바꾸면, 구동하는 쪽과 피동하는 쪽의 회전 속도를 바꿀 수 있다는 점입니다. 이를「감속」이라 합니다. 자동차의 변속기나 미션의 기어 박스 등은 여러 개의 기어를 조합해 엔진이나 모터에서 출력되는 회전수를 목적에 맞는 회전수로 변환하기 위해 사용됩니다. 또한, 기어에는 힘의 방향을 바꾸는 역할도 있습니다. 베벨 기어나 웜 기어를 사용하면 회전 축의 방향을 바꿀 수 있습니다. 이러한 기구는 자동차나 타이어에 동력을 전달하는 부분 등에 사용됩니다. 기어에는 다양한 종류가 있습니다. 대표적인 것을 소개하도록 하겠습니다.

• 평기어 원반(원통) 바깥 둘레에 축과 평행한 톱니가 잘린 가장 일반적인 기어입니다. 구동측과 피동측의 회전 속도를 바꾸거나 회전 방향을 바꿀 때 사용합니다.
• 헬리컬 기어 톱니가 축과 평행하지 않으며 나선을 그리는 기어입니다. 평기어와 마찬가지로 사용할 수 있으며 평기어보다 강한 힘 전달에 적합하지만, 기어를 축 방향으로 이동시키는 스러스트력이 발생하기 때문에 주의가 필요합니다.
• 내접 기어(링 기어) 원통 안쪽에 톱니가 달려 있는 기어입니다. 자동차 등에 사용되며, 작은 공간에서 커다란 감속을 얻을 수 있는 것이 특징입니다.
• 베벨 기어 원뿔대의 측면에 톱니가 잘려 있는 기어입니다. 베벨 기어를 맞물리면 회전 축을 90° 굽힐 수 있습니다. 힘 전달 방향을 바꾸거나 베벨 기어를 조합해 회전 방향을 바꿀 수 있습니다.

커다란 힘 전달에 적합한 체인과 스프로킷

체인과 스프로킷 조합도 동력 전달에는 빼놓을 수 없는 기계 요소입니다. 가장 쉽게 떠올릴 수 있는 것은 자동차 페달과 뒷바퀴를 연결하는 체인입니다. 스프로킷이라 불리는 원반 바깥 둘레의 돌기와 체인의 홀을 맞물려 동력을 전달합니다. 미끄러짐 등의 손실 없이 확실하게 동력을 전달하기 때문에 커다란 힘 전달에 적합합니다. 또한, 체인은 기본적으로 강철 재료를 사용하기 때문에 내구성이 뛰어난 것도 특징입니다. 동력측과 종동절측의 스프로킷의 직경을 바꾸고 톱니 수를 바꾸면, 기어와 마찬가지로 감속도 가능합니다.

매끄럽게 힘을 전달하는 벨트와 풀리

동력을 전달하는 기계 요소에서는 벨트와 풀리의 조합도 많이 이용됩니다. 고무나 금속 벨트를 풀리(회전차)에 통과시켜 사용합니다. 기어나 체인과 스프로킷과 달리, 기계적 맞물림이 아닌 마찰력을 이용해 동력을 전달합니다. 벨트에 톱니가 달려 있고 풀리의 톱니와 맞물리는 타입도 있지만, 체인과 스프로킷만한 강도는 없습니다. 미끄러짐이 발생하기 때문에 동력 전달 손실이 있는 반면, 동력측과 종동절측이 문제가 발생해 정지해도 매끄럽게 이를 흡수할 수 있습니다. 최근에는 CVT로 자동차의 변속기 등에도 사용되고 있습니다. 또한, 벨트 컨베어처럼 벨트 그 자체에 다른 부품을 반송시키는 역할을 갖추게 할 수도 있습니다.

정리

이번에 소개한 기어와 체인과 벨트는 모두 동력을 전달하는 기능을 가진 기계 요소입니다. 기계 설계 시에는 회전수나 강도 등, 수많은 계산이 필요해지는 기계 요소이기도 합니다. 각각의 기능과 구조를 잘 이해하는 것이 좋은 설계를 위한 지름길이 됩니다.