기어와 벨트에 관한 짧고, 빠른 지식

기어와 벨트

 

기어와 벨트

기어의 종류

기어는 여러 가지 크기인데 그중 톱니 모양도 반듯한 것부터 굽은 것, 여러 각도록 기울어진 것 등으로 아주 다양하다. 기어는 기계 안에서 서로 맞물려 돌아가면서 힘을 전달하는데 여기서 맞물리는 방법 또한 여러 가지다. 하지만 기어를 기본적인 형태로만 분류해본다면 네 가지로 분류할 수 있다. 기본적으로 한 기어가 다른 기어보다 빨리 돌거나, 천천히 돌거나 다른 방향으로 도는 원리이다. 두 개의 기어의 속도가 다르면 전달되는 힘 역시 달라진다. 레크와피니언 기어를 살펴보면 스퍼 기어의 지름을 무한대로 한 것을 래크, 이 래크와 물리는 기어는 피니언 ㄱ이라고 한다. 래크와 피니언은 회전운동을 왕복운동으로 바꾸어 주거나 반대로 황복 운동을 회전운동으로 바꿀 수 있다. 스퍼기어를 알아보면 평기어라고 이해하면 된다. 두 개의 기어가 같은 평면 위에 맞물린 형태인데 운동 속도나 힘을 조절하고 회전 방향은 반대로도 가능하다. 베벨기어는 기어가 직각의 형태로 물려있는 형태인데 회전 방향을 바꾸거나 속도와 힘을 바꾸는 역할을 한다. 피니언과 크라운 기어, 혹은 피니언과 링 기어라고도 한다. 웜기어는 나선 축과 기어와 맞물려서 운동 방향을 바꾸고 속도와 힘도 변화시킬 수 있다. 

 

기어와 벨트의 작용

기어는 큰 기어의 둘레, 톱니 수가 작은 기어의 두배이다. 큰 기어는 작은 기어의 두배의 힘을 들여 회전하는데 속도는 반이고, 회전 방향은 반대이다. 벨트는 큰 바퀴 둘레의 길이가 작은 바퀴의 두배이다. 큰 바퀴는 기어처럼 작은 바퀴보다 두배의 힘으로 회전하고 속도 역시 반이지만 회전하는 방향은 두 개가 같다. 기어와 벨트로 운동을 전달 할 때는 연결되어있는 두 개 바퀴의 크기에 따라 결정이 된다 두 바퀴중 큰 바퀴는 작은 바퀴보다 느리게 돌지만 도는 힘의 크기는 크다. 두 바퀴 크기의 차이가 크면 클수록 회전 속도와 힘의 차이가 벌어진다. 벨트나 체인에 연결되어 있는 바퀴는 기어와 똑같이 운동을 전달하고 있지만 그 회전 방향이 같다. 기어처럼 서로 다르지 않고 체인이 도는 방향으로 두 바퀴가 같은 방향으로 돈다. 

 

스퍼기어(평 기어 )

자전거의 다단변속기어를 살펴보자. 자전거의 페달과 뒷바퀴를 연결하는 체인은 바로 벨트의 역할로 패달이 구른 것보다 바퀴를 더 빠르게 회전시킨다. 자전거가 평지나 내리막길에선 뒷바퀴 스프로킷이 작아야 하고 오르막길에서는 속도가 느려도 힘이 센  스프로킷을 사용해야 하는데 자전거의 다단변속 기어가 여러 가지 크기의 스프로킷을 뒷바퀴 축에 달아서 바꿀 수 있게 해준다. 이때 기어 변속 장치가 체인을 이용해 스프로킷을 바꾸어 준다. 자전거의 거리계를 살펴보자. 거리계는 앞쪽 바퀴 축에 장착되어 있는데 이 감속기어는 숫자가 쓰여 있는 오른쪽 끝 드럼을 1킬로 미터 마다 한 번씩 회전해 숫자를 바꿔준다. 0~9까지 한 바퀴를 회전하고 나면 왼쪽의 드럼을 1/10만큼 회전시키는데 이런 식으로 왼쪽에 옆 드럼이 추가된다. 첫 번째 드럼을 제외한 나머지 드럼에 기어 휠이 맞물려 있어 각각 왼쪽 드럼의 1/10만큼 회전해서 숫자를 바꿔준다. 1/10만큼 돌아갈 수 있는 건 각 드럼의 9라는 숫자마다 돌기가 있어 기어 휠의 폭이 좁은 톱니를 회전시키기 때문이다. 그래서 9에서 0으로 돌아가는 순간에만 기어 휠이 한번 회전해서 옆 드럼의 숫자를 바꿀 수 있다. 채소 탈수기를 살펴보자. 원심력을 이용해 채소의 물기를 날려 버리는 원리이다. 바깥쪽 손잡이인 기어 링을 돌리면 안족 유성기어에 힘이 전달되고 그 유성기어는 태양기어를 돌려서 빠른 회전이 가능하다. 자동차의 창문이 열리고 닫히는 원리를 알아보자. 버튼 하나로 오르내리는 자동차의 창문은 전기모터를 돌려 큰 스퍼기어의 한부분인 사분 기어와 맞물려서 작은 톱니를 돌린다. 이 작은 톱니가 돌면서 창 유리를 받치고 있는 지레를 올리고 내리면서 창문이 열리고 닫히는 것이다. 전기의 힘 없이 손으로 미는 잔디 깎는 기계를 살펴보자. 손으로 미는 잔디 깎는 기계는 바퀴 안쪽의 기어 링이 피니언 기어와 맞물려 돌아가게 한다. 그래서 바퀴가 구르면 피니언 기어가 칼날이 달린 실린더를 돌게 만들고 이때 잔디가 회전 칼날과 고정 칼날 사이에 물리게 되는데, 실린더는 바퀴보다 훨씬 빠르게 돌아가서 칼날이 풀을 조금씩 물어서 잘라낸다. 이런 원리로 지나간 자리의 잔디가 고르게 다듬어지는 것이다.