톱니바퀴
다른 톱니 부품과 맞물리는 톱니가 있는 회전하는 원형 기계 부품 / From Wikipedia, the free encyclopedia
톱니바퀴 또는 기어(gear, 문화어: 기야)는 톱니의 맞물리는 힘으로 동력을 전달하는 장치이다. 간단한 단순 기계다.
2축의 회전 방향이 서로 반대이면, 벨트전동에서는 십자걸기(十字掛)로 하면 좋으나 벨트를 사용치 않고, 벨트바퀴와 동일한 원형바퀴(圓形車)를 직접 접촉시켜서 구름 마찰에 의해서 동력을 전달할 수도 있다. 구조는 간단하지만, 다음과 같은 결점이 있다.
- 미끄럼이 일어나기 일쑤이며 확실한 전동을 얻기 어려운 것,
- 큰 동력을 전하는 데는 미는 힘을 크게 해야 하므로 축받이(軸受)에 무리가 가해진다. 그래서 큰 동력을 전하는 데는 부적당하다.
이런 결점을 피하기 위해 원형바퀴의 둘레에 적당한 형상의 철기(凸起) (이빨)를 동일 간격으로 마련하고, 한쪽 바퀴의 톱니가 상대 바퀴의 이빨 사이의 홈에 순차적으로 들어감으로써, 원동바퀴(原動車)의 치면(齒面)이 종동바퀴(從動車)의 치면을 밀게 되어서 동력이 전해지도록 한 톱니바퀴가 쓰인다. 회전비가 일정한 전동을 정확하게 행하게 할 수 있는 이의 형태는 여러 가지가 있지만, 현재 쓰이고 있는 것은 거의 모두 인벌류트 곡선이라 불리는 것이다.
이것은 원(圓)에 실을 감았다가 풀어 갈 때, 실 끝에 단 펜이 그리는 곡선이다. 이 곡선이 치형으로 사용될 수 있는지 알아보자. 십자걸기벨트바퀴를 생각해 보자. 벨트 위의 한점 C에 장치한 펜이, 각 벨트바퀴에 고정해서 함께 회전하는 지면 위에 그리는 곡선을 생각하면, 벨트바퀴는 원, 벨트는 실에 상당하므로 이 곡선은 인벌류트곡선인 것이며, 실은 곡선의 법선이다. 따라서 이 곡선을 각 바퀴의 치형으로 하면 벨트에 상당하는 직선 위에서의 맞물림이 행해지며, 벨트에 의한 회전운동과 동일한 운동을 얻게 된다. 반대방향의 회전도 전해지도록, 대칭인 인벌류트곡선으로 톱니의 양면을 형성하고, 이것을 벨트바퀴 둘레 위에 동일 간격으로 배치함으로써 서로 맞무는 한쌍의 톱니의 맞물림이 끝나기 전에 다음의 한쌍의 톱니가 맞무는 것을 시작하도록 하면 연속적으로 회전을 전할 수가 있다. 벨트가 양톱니바퀴의 중심을 맺는 직선(중심선)과 교차되는 점은 톱니바퀴 중심 사이를 회전비의 역비로 내분하는 점이며, 이 톱니바퀴와 동일한 운동을 전하는 굴림마찰바퀴의 접촉점으로 된다. 이 점을 피치점이라 한다. 이 굴림마찰바퀴의 윤곽원(輪廓圓)을 피치원, 벨트바퀴의 원을 기초원(基礎圓)이라 한다. 피치원에 좇아서 측정한 것의 간격을 원피치라 한다.
원피치(단위는 mm)를 원주율 π로 나눈 값(値)을 모듈이라 하고, 이의 크기를 나타내는 기준량으로서 사용한다. 모듈에 이빨의 수를 곱한 것이 피치원의 직경에 맞먹는다. 또 피치원에서 톱니 끝에 걸쳐서의 높이는 보통 모듈과 동등하게 한다. 인벌류트 톱니바퀴에서는 벨트전동과 동일하게 중심 사이의 거리리가 변할지라도 회전비에 변화가 없다는 이익점(利益點)이 있다.