최근 수정 시각 : 2024-02-13 18:57:55

톱니바퀴

기계공학
Mechanical Engineering
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파일:gear-pixabay.jpg
언어별 명칭
한국어 기어[1], 치차[2], 톱니바퀴[3]
영어 Gear, Cogwheel[4]
일본어 [ruby(歯車, ruby=はぐるま)][5], ギヤ, ギア[6]
중국어 齿轮 (chǐlún)

1. 개요2. 상세3. 종류4. 톱니바퀴를 중심 소재로 사용하는 캐릭터

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1. 개요

직접동력전달용 기계 부품의 한 종류.

2. 상세

도르래와 지레 다음으로 오래된 기계로,[7] 바퀴에 톱니가 달린 것이 맞물려 돌아가며 회전력을 전달하는 기능을 한다. 처음에는 단순히 나무 바퀴에 작은 나무를 둥글게 둘러 박은 것에 불과했지만 가공기술이 발전하면서 바퀴 자체를 톱니 모양으로 가공하게 되었고 금속 가공기술이 발전하여 황동으로 만들게 되었고 이윽고 강철로, 이어 플라스틱으로 만드는 데까지 이르게 되었다.


( 한국어 자막 영상 참조.)

상기 영상에서 알 수 있듯이 톱니바퀴에는 근본적으로 지레의 원리가 포함되어 있다. 인류가 만든 기계 부품 중 가장 정밀하고 효과적으로 힘을 전달할 수 있는 부품이므로[8] 시계와 같은 정밀 기계에 대량으로 사용되었고 맞물리는 두 톱니의 반지름 크기 차에 따라 그 힘의 크기를 바꾸는 성질 또한 있어 변속 기관이라는 것이 만들어질 수 있게 했다. 기어를 수직으로 배치하는 베벨 기어등의 방식으로 배치하여 전달되는 힘의 방향을 바꾸는 것도 가능하다. 현대에 와서도 전자장치의 발달로 그 위상이 살짝 떨어졌다 뿐이지 계속 사랑받는 기계요소.

지그재그 선만 원에 맞춰 그리면 장땡이라 생각하기 쉽겠지만, 두 기어가 맞물리는 형태를 아무렇게나 할 경우 회전할 때마다 힘의 작용 방향이 바뀌거나 제대로 맞물리지 않아 안정적인 에너지 전달이 불가능해지거나 마모가 심해질 수 있다. 따라서 적절한 기어 모양, 치형이 중요하다.

두 원형 기어의 경우, 일반적인 치형은 인벌류트(involute, 신개선) 곡선을 띠고 있다. 이렇게 인벌류트 곡선으로 적절히 기어가 만들어졌다면 두 기어가 맞물릴 때 정확히 직선 방향으로 끊김 없이 에너지가 전달된다. 예시 물론 아무 인벌류트 곡선을 쓴다고 이런 결과가 나오는 것은 아니고 모듈(module)[9], 압력각, 잇수 등에 의해서 정확하게 정의하여 곡선을 만들어야 한다. 인벌류트 곡선이 끝나는 기초원 이하의 곡선은 토로코이드로 정의된다. 이것이 과해지면 언더컷이 발생하여 동력전달이 불량하고 치의 강도가 낮아지는 단점이 생긴다. 이런 곡선은 단순히 원형이 아니라서, 수학적 정의 곡선 기능을 제공하지 않는 AutoCAD로는 그리기가 매우 난해해 별도로 프로그램을 작성해, 유사 스플라인을 그리는 수 밖에 없다.

물론 CATIA, SolidWorks, CREO, NX, Inventor등의 수학적 곡선을 정의하여 사용 가능한 프로그램에서는 그나마 쉽게 그릴 수는 있으나[10] 사실 그릴 필요가 없다. 기어는 요목표에 모듈, 압력각, 잇수 등만 있다면 이에 맞는 호브를 골라 깎으면 되기 때문에 그리는 것보다 만드는 게 더 쉽다. 그리고 NX같은 경우에는 GC Tool을 활용하면 컴퓨터가 알아서 만들어 준다.

인벌류트 치형 외 다른 대표적인 치형으로는 사이클로이드가 있다. 사이클로이드 치형은 기어가 에너지를 전달할 때 압력각이 시시각각 바뀐다는 점과, 곡선 형태가 가공으로 만들기 힘들고 공차도 매우 작아야 한다는 단점이 있다. 그러나 언더컷이 발생하지 않고, 미끄럼률이 일정하여(접촉면이 그 위치와 무관하게 균일하게 쓸려) 인벌류트보다 마모가 균일하고 적은 등의 장점이 있어서 시계와 같은 정밀 기계에 주로 사용한다.

랙 앤 피니언(rack and pinion) 구조의 경우, rack 치형은 사다리꼴이다. 잇수가 무한대인 경우로 보면 된다.

3D 프린터로 기어를 만들 경우, 위 인벤터 등에서 간단히 인벌류트 곡선을 만들 수 있다.[11] 또한 제작의 어려움은 3D 프린터가 해결해주고 컴퓨터로 그리기에는 더 쉬운 사이클로이드 치형도 좋은 선택이다.

여러 국가나 기업(특히 제조업), 단체의 깃발이나 기장 등에서 '공업' 또는 '노동자'를 상징하는 의장으로 톱니바퀴가 쓰이기도 한다. 앙골라의 국기라든가...

또한 록맨 시리즈의 아이콘이자 록맨과 발푸르기스의 밤을 상징하는 앰블럼이라 볼 수 있다. 단 록맨 에그제 시리즈에서는 메탈맨.EXE만을 상징하는 아이콘이다.

공공기관이나 기업 등지에서 제작하는 도안에서는 3개 혹은 홀수 개의 톱니바퀴가 루프를 이루며 접촉하는 디자인이 쓰일 때가 있다. 영국의 2파운드 동전이 대표적인 예인데 이렇게 2차원 평면에서 홀수개의 톱니바퀴가 접촉해서 루프를 이루면 이들 톱니바퀴는 회전 방향이 양쪽으로 동시에 걸려서 움직일 수가 없다. 홀수개의 톱니바퀴가 접촉해서 움직이게 하려면 3차원인 웜 기어 등을 사용해야 한다.

여러 창작물들에서는 복잡하고 정밀한 기계를 상징하는 요소로써 이것이 덕지덕지 끼워져 튀어나와 돌아가는 것을 자주 볼 수 있다. 특히 스팀펑크물에서는 빼놓을 수 없는 요소. 시계탑의 대결투 같은 연출에서도 주된 오브제 역할을 한다. 주로 자동으로 움직이는 발판으로서 난이도와 플레이어의 혈압 상승에 일조하는 장치. 그 정밀성때문인지 기어사이에 뭔가 끼어들어가면 망가지거나 하는 클리셰가 잦다. 물론 거대한 기계장치인만큼 동력도 거대하기 때문에 사망 트랩으로도 단골 손님. 하지만 실제로는 손상되지 않도록 노출시키지 않는 게 기본이다. 내부를 볼 수 있게 유리로 해놓는 건 꽤 있다.

그 외에 창작물 속에서 시간을 상징하는 존재로 묘사되기도 한다. 아무래도 시계의 부품으로서 사용된다는 점이 반영되어 생긴 듯. 이를테면 어떤 중요한 물건에서 톱니바퀴 하나가 빠져서 시간이 흐르지 않게 되었다던지, 그 중요한 물건에서 톱니바퀴의 회전 방향이 바뀌자 시간이 흐르는 방향이 바뀌어버렸다던지 등등.

예를 들자면 국산 MMORPG 게임 메이플스토리에서 갈 수 있는 루디브리엄이라는 마을은 장난감들의 마을인데 설정상 이 마을은 시간이 영원히 흐르지 않는(정지된 것이 아니라 그냥 흐르지만 않는) 장소라고 한다. 그래서 도시 지하에 가보면 여기저기 시계 내부와도 같이 톱니바퀴가 돌아가는 배경을 볼 수 있고, 여기서 나오는 몬스터들은 아예 사망 시 톱니바퀴를 떨구기도 한다.

그 외에도 캡콤의 대전액션게임 죠죠의 기묘한 모험 - 미래를 위한 유산-의 DIO의 승리 포즈 중에서 더 월드의 손목 주변에 거대한 톱니바퀴가 생성되는 승리 포즈가 있다. 또 이벤트 성으로 더 월드가 시간을 멈출 때 더 월드의 신체 곳곳에 톱니바퀴가 나타나서 정지해버리는 연출도 있다.

또한 환경 설정하면 떠오르는 대표적인 아이콘. 실제로 많은 게임이나 휴대전화 등에서 환경설정 메뉴의 아이콘으로 톱니바퀴를 채용하고 있다. 톱니바퀴 하면 정교한 기계적 구동의 핵심이 떠올라 그런 듯.

톱니바퀴를 잘 활용하면 컴퓨터까지 만들 수 있으며 자세한 건 해석기관과 차분기관 문서 참조.

3. 종류

  • 스퍼 기어
    흔히 톱니바퀴하면 생각나는 일반 평기어를 지칭한다. 만들기도 쉽고 단순히 기어비만 변경하면 될 경우 쓰이지만 자동차 등에서는 소음 문제로 잘 사용하지 않는다. 이륜차용 변속기에서는 스퍼 기어를 사용한다. 탑승자가 노출된 특성상 소음따윈 상관없기 때문. 그래서 배기음이 작은 기종의 경우 모터소리같은 기계음이 크게 들리기도 한다. 평평하고 얇게 만들수 있기 때문에 시계를 뜯으면 볼 수 있다.
  • 헬리컬 기어
    톱니바퀴 자체가 두껍고 톱니가 사선으로 나있다. 자동차 수동변속기[12]를 뜯으면 죄다 이 기어로 되어있는데 소음이 매우 적기 때문. 일반적인 평기어는 톱니가 동력을 전달하고 다음 톱니가 동력을 전달하기까지 많은 회전량이 필요하지만 헬리컬 기어의 경우 톱니가 사선으로 되어 있기 때문에 순차적으로 기어가 맞물리고 톱니 하나당 하중을 받는 량이 적게 접촉하기 때문에 충격이 적어 소음도 적다. 이런 개념 하, 평균적으로 접촉하고 있는 이의 개수를 물림률이라고 하는데, 헬리컬기어는 물림률이 높기에 힘 전달 및 소음 진동 감소에 유리하다. 다만 축방향으로 스러스트 하중을 발생시키기 때문에 이에 대한 대책을 세워야 하고 비교적 제조가 까다로워 단가가 스퍼기어보다는 비싸다.
  • 베벨 기어
    이쪽은 톱니가 기어의 옆면이 아니라 대각선으로 감싸고 있어 서로 수직으로 맞물린다. 샤프트의 회전 방향을 돌릴 때 사용한다. 복수를 사용하여 차동 기어를 구현한다. 톱니 모양에 따라 직선인 것을 스트레이트 베벨기어, 헬리컬 기어처럼 치형이 나선으로 진행하는 것을 스파이럴 베벨기어라고 한다. 방향 전환도 하지만 기어비 조정도 같이 할 수 있다. 스파이럴 베벨기어이면서 축의 단차까지 있는 기어는 하이포이드 기어라고 한다. 베벨기어 절삭은 스퍼기어와는 달리 절삭을 하는 전용기가 또 달라서 단가가 비싼 편이다. 그래서 자동차처럼 대량으로 사용 하는 경우 최근에는 금속몰드로 뽑아서 사용한다. 어느정도 처짐 및 처짐각이 허용되는 스퍼기어나 헬리컬기어와 달리 베벨기어는 처짐각 1/1000 [rad]급의 매우 정밀한 설치가 요구된다.
  • 제네바 기어
    다른 기어들은 연속적인 회전을 연속적으로 넘기는 게 주된 역할이지만 제네바 기어는 간헐적인 회전을 주기 위해 만들어진 녀석이라 일정 주기마다 조금씩 회전할 수 있게 해준다. 제네바 기어는 흔히 생각하는 톱니바퀴 모양이 아니라 이것도 톱니바퀴로 치는 건가 싶은 사람도 있지만 엄연히 톱니바퀴이다. 참고 해당 사이트에 들어가서 원리와 모양을 구경해보자. 제네바라는 이름에서 알 수 있다시피 시계에서 많이 쓰인다.
  • 웜 기어
    한 쪽은 톱니바퀴, 다른 한쪽은 볼트처럼 나선이 나 있는 웜으로 구성된 기어. 다른 기어들과 달리 웜 → 기어 쪽으로만 힘 전달이 가능하다. 반대 방향으로는 구조상 거의 불가능하다.[13] 장점이자 단점으로 높은 기어비가 있다. 기본이 5:1~수백:1까지 기어를 줄 수 있는 데, 힘 전달이 한쪽으로만 가능해서 기어 감속만(고속 → 저속) 가능하다. 다른 기어 대비 안정성이 매우 높다. 웜의 면이 장구형태로 되어 있는 것과 기어쪽이 안쪽으로 홈이 파여있는 파워형등의 개선제품들이 나오고 있다.
  • 랙 기어 (랙 앤 피니언)
    직선 치형의 랙과 상대 부품인 피니언으로 구성된 한 쌍의 기어. 피니언에 연결된 구동력을 랙의 직선 운동으로 바꾸거나,반대로 랙의 직선 운동을 피니언의 회전력으로 바꾸는 용도로 사용된다. 주로 후륜구동자동차의 조향장치 쪽에서 많이 사용한다.
  • 유성(遊星) 기어(플래니터리 기어)
    선기어, 플래닛 기어, 피니언, 링 기어로 구성된 톱니바퀴 시스템. 중심의 선기어(Sun gear)를 중심으로 플래닛 기어(Planet gear)들이 회전하며 자전과 공전하는 구조의 톱니바퀴 시스템. 영어로는 Epicyclic gearing이라고도 한다. 토크 컨버터식 자동변속기에 대표적으로 사용된다.

4. 톱니바퀴를 중심 소재로 사용하는 캐릭터


[1] 영어를 그대로 음차한 표현으로, 공학에서 가장 보편적으로 쓰이는 표현. [2] 일본에서 쓰던 표현인 하구루마를 한국식 한자로 번역한 과거에 사용하던 표현으로, 기어가 거의 대체했지만 공학에서는 여전히 쓰이는 표현이다. 치차라는 표현으로 쓰일 때는 대체로 영어없이 한자어로 사용된다. 예를 들어 스퍼 기어는 평치차. [3] 관련 분야에선 기어에 밀려 사용되진 않지만, 그 외엔 가장 보편적으로 쓰인다. 의미적으로도 기어나 치차와는 달리 톱니가 달린 바퀴라는 의미가 명확하게 다가오며. 국어사전에 실려있다. [4] Cog는 톱니바퀴의 톱니를 가리킨다. 즉 한국어의 톱니바퀴와 같은 구성의 조어인 셈. [5] 하구루마로 읽는다. '하'는 '이빨 치' 자를 써서 톱니를 의미하고, '구루마'는 '수레 차' 자를 써서 '바퀴'를 의미한다. 즉 톱니바퀴라는 뜻. [6] 기어의 카타카나 표기. [7] 어느 정도냐면 고대 그리스에도 존재할 정도다. 자세한 건 안티키테라 기계 문서 참조. [8] 14,000RPM이상으로 회전하는 고회전형 오토바이 엔진에서 타이밍을 맞추기 위해선 체인으로는 무리가 많아 톱니바퀴를 사용할 정도이다. [9] 기어에서 맞물리는 지점의 반지름과 기어 이(teeth) 개수의 비율이다. 원주피치를 파이(원주율)로 나눈 값이다. [10] 기어 제작 마법사가 있어서 값만 입력하면 냅다 그려져서 나온다. [11] 레크 끝단 R은 어디까지나 호빙 머신의 호브 형상에 의한 것일 뿐 기어의 원래 목적을 위한 것이 아니므로 애초에 3D 프린팅을 한다면 구현할 필요가 없음. [12] 자동변속기는 유성기어를 쓴다. 문서 참조. 오토바이 수동변속기는 스퍼 기어. [13] 기어비를 낮추고 마찰을 최대한 줄인다면 어찌어찌 가능하게 만들수는 있지만 현실적으로 거의 불가능하다. 다만 감아진 나선 수가 적고, 경사가 널널하며, 얼핏 보면 철사에 가까울 정도의 저질량 소규모의 웜이라면 기어의 힘을 전달받아 감속 작용을 일으킬 수 있다. 몇몇 오르골 같은 데에 들어있다. 정확히는 리드각 감마가 유효마찰각 로프라임보다 작으면 역전방지된다. [14] 정확히는 시계를 모티브한 침묵의 대가를 세피라화한것이며 들고 있는 시계나 코어 폭주시 나오는 시계와 톱니 부속품들을 보면 알 수 있다. [15] 젠카이저 5인은 전대 기어를, 토지텐드 왕조는 토지루 기어를 사용한다. [16] "병기는 시대를 움직이는 톱니바퀴다."라는 메탈기어의 제작자인 그라닌의 지론과, 그 말을 듣고 내뱉은 "메탈기어...!"라는 네이키드 스네이크의 말이 그 이름을 결정짓게 하였다. [17] 떠돌이는 곧 톱니바퀴다. 모던 타임즈는 떠돌이가 톱니바퀴를 벗어나는 영화다. [18] 아버지 후도 박사가 유성 기어(와 작중에 등장하는 가상의 물질 '유성 입자')에서 따 온 이름이다. [19] 앞서 말했듯이 모든 기계들이 톱니바퀴로 이루어져있다. 그냥 평소 쓰는 헤드폰 같은 것도 실은 전부 톱니바퀴. 즉, 까딱하다가는 문명은 물론이고 행성이 통째로 멸망한다.

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