볼 스크류
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1. 개요
볼 스크류는 웜과 웜 휠을 사용하여 설계된 기어 시스템으로, 웜의 회전을 통해 웜 휠을 회전시키는 원리로 작동한다. 1900년대까지 웜 드라이브는 큰 기어비를 구현하는 데 사용되었으며, 현대에는 밀폐된 기어 하우징을 통한 윤활 방법이 도입되면서 다양한 분야에 응용되고 있다. 웜 기어는 원통 웜과 사잇니 기어, 원통 웜과 웜 휠, 고형 웜과 웜 휠의 세 가지 종류로 나뉘며, 웜의 종류에 따라 비-스로트, 싱글-스로트, 더블-스로트 웜 드라이브로 분류된다. 웜 드라이브는 속도를 크게 줄이고 토크를 증가시키는 데 효과적이며, 프레스, 압연기, 컨베이어 시스템, 러더, 원형 톱 등 산업 분야와 현악기의 조율 메커니즘, 자동차의 파워 스티어링, 망원경 및 현미경의 미동 장치 등 다양한 분야에 활용된다.
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| 볼 스크류 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 기어 |
| 작동 방식 | 나사형 |
| 동력 전달 | 회전 운동 방향을 90도 변경, 회전 속도 감소, 토크 증가 |
| 주요 용도 | 자동차 조향 장치 컨베이어 벨트 엘리베이터 문 개폐 장치 |
| 구조 및 작동 원리 | |
| 구성 요소 | 웜 (worm, 나사형 기어) 및 웜 휠 (worm wheel, 헬리컬 기어) |
| 작동 원리 | 웜의 나사산이 웜 휠의 톱니를 밀어 회전 운동을 전달 |
| 특징 | |
| 장점 | 높은 기어비 (단일 단계에서 큰 감속비 가능) 소음이 적음 자체 잠금 기능 (특정 조건 하에서) |
| 단점 | 효율이 낮음 (마찰 손실이 큼) 발열 문제 웜과 웜 휠 간의 미끄럼 마찰 |
| 웜 기어의 종류 | |
| 원통 웜 기어 | 가장 일반적인 형태, 원통형 웜과 웜 휠 사용 |
| 글로보이드 웜 기어 | 웜의 모양이 오목하게 들어가 웜 휠과의 접촉 면적 증가, 높은 하중 전달 능력 |
| 더블 인벌류트 웜 기어 | 웜 휠의 잇수가 많은 경우 사용, 백래시 감소 |
| 재료 | |
| 웜 | 일반적으로 강철 (열처리하여 표면 경도 증가) |
| 웜 휠 | 일반적으로 청동 (마찰 계수가 낮고 내마모성이 우수) |
| 윤활 | |
| 윤활 방식 | 오일 배스 윤활 또는 그리스 윤활 |
| 윤활 목적 | 마찰 감소, 마모 방지, 냉각 |
| 관련 용어 | |
| 백래시 (backlash) | 기어 간의 유격, 운동 방향 전환 시 발생하는 지연 현상 |
| 자가 제동 (self-locking) | 웜 휠에서 웜으로의 동력 전달이 불가능한 현상 |
| 기어비 (gear ratio) | 웜 휠의 잇수 / 웜의 나사산 수 |
2. 역사
어떤 이들은 제1차 포에니 전쟁 중 아르키메데스가 웜 드라이브를 발명했다고 말한다.[1] 당시 건조 중이던 선박의 크기가 커서, 기존보다 훨씬 더 큰 크레인이 필요했기 때문이다.[5] 이 목적으로 개발된 크레인은 웜 드라이브와 여러 개의 증폭 기어를 사용했으며, '바룰콘'이라고 불렸다. 알렉산드리아 도서관에 이 크레인에 대한 설명이 기록되었으며, 이후 엔지니어들은 레오나르도 다 빈치가 웜 드라이브의 첫 번째 기술 도면을 개발할 때까지 아르키메데스의 아이디어를 활용했다.[6] 15세기 초에는 금속 기어가 발명되지 않아 이 디자인은 제한적이었으며, 레오나르도 다 빈치의 생전에는 이 드라이브가 제작되지 않았다.[7]
웜 기어는 웜과 웜 휠의 형상에 따라 세 가지 종류로 나뉜다.
웜 드라이브는 큰 기어비를 사용할 때 가장 효과적이라는 점이 인식되어 1900년대까지 이러한 목적으로 계속 사용되었다. 그러나 고속 회전 시 드라이브가 과열되어 전기 모터의 초기 개발에서는 제한적으로 사용되었다.[5] 웜 드라이브의 현대적인 응용은 밀폐된 기어 하우징을 통한 더 효과적인 윤활 방법이 도입된 직후 시작되었다.[5]
3. 종류
종류 접촉 형태 특징 원통 웜과 사잇니 기어 점 접촉 부하 능력이 작지만 제작이 용이하다. 원통 웜과 웜 휠 선 접촉 가장 많이 사용된다. 고형 웜과 웜 휠 면 접촉 부하 능력은 높지만, 제작에 높은 정밀도가 필요하다.
3. 1. 웜 드라이브의 종류
전체 드라이브(웜과 휠 모두)는 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
: 웜이나 웜 휠의 원주를 따라 가공된 ''스로트'' 또는 홈이 없습니다.
: 웜 휠이 스로트 처리되어 있습니다.
: 두 기어 모두 스로트 처리되어 있습니다. 이 유형의 기어링은 가장 높은 부하를 지원할 수 있습니다.[3]
웜 기어는 웜과 웜 휠의 형상에 따라 세 가지 종류로 나뉩니다.3. 2. 웜의 종류
'''포용 웜'''(아워글래스 웜)
: 웜은 하나 이상의 톱니를 가지며, 중간 부분에서 양쪽 끝으로 갈수록 직경이 커진다.[4]
'''이중 포용 웜'''
: 웜의 기어링은 완전히 포용하는 웜 휠과 결합된 포용 웜으로 구성된다. 이는 글로보이드 웜 기어링으로도 알려져 있다.[4]
웜 기어는 웜과 웜 휠의 형상에 따라 세 가지 종류로 나뉜다.
4. 작동 원리 및 특징
기어의 일종인 웜 기어는 웜과 웜 휠의 조합으로 구성된다. 웜은 나사 모양의 톱니바퀴이며, 웜 휠은 웜과 맞물리는 톱니바퀴이다. 웜 기어는 웜의 회전을 통해 웜 휠의 톱니를 움직여 회전시키는 방식으로 작동한다.
웜 기어는 일반적으로 1/10에서 1/100 정도의 큰 감속비를 얻을 수 있다.[10] 다른 기어 장치에 비해 백래시를 작게 할 수 있다는 특징도 있다.
웜은 웜 휠에 비해 지름이 작고 톱니의 접촉 면적이 좁아 큰 동력 전달에는 적합하지 않다. 하지만 웜의 홈 진행각을 작게 하거나, 웜을 원통형이 아닌 고랑형으로 만들어 웜 휠과의 접촉 거리를 늘리는 방법으로 개선할 수 있다.
웜 기어는 톱니 면의 미끄럼이 커 발열이 많고, 웜의 회전 속도가 빠르면 소착이 발생하기 쉽다. 이를 방지하기 위해 웜은 강철과 같이 단단한 재질로, 웜 휠은 포금, 청동과 같이 부드러운 재질로 만들어 마찰 계수를 낮춘다.[11]
웜 기어에 극압성이 높은 기어유를 사용하면 부식 문제가 발생할 수 있다. 따라서 일반적인 기어 오일과는 다른 웜 기어 전용 오일을 사용해야 한다.
폴리아세탈 (POM, 쥬라콘, 델린)과 같은 엔지니어링 플라스틱은 극소형 웜 기어나 허용 토크가 작은 웜 기어에 사용된다.
웜의 홈 진행각을 작게 하면 웜 휠에서 웜으로 회전을 전달하기 어려워지는 셀프록(자동 조임) 현상이 발생한다.[12] 이는 엘리베이터 권상 장치와 같이 카고 정지 시 카고가 내려가지 않도록 하는 안전 장치로 활용된다. 반대로 셀프록이 걸리지 않도록 하면 웜 휠에서 웜으로 회전 전달이 가능해진다. 오르골의 회전수 조절 장치는 웜 기어를 이용한 증속의 예시이다.[11]
5. 응용 분야
볼 스크류는 다양한 분야에 활용된다. 20세기 초반 자동차에 파워 스티어링이 도입되기 전에는 웜 드라이브를 사용하여 앞바퀴 펑크 시 스티어링 쏠림 현상을 줄였다. 이후 웜 드라이브는 재순환 볼 베어링으로 발전하여 마찰력을 감소시켜 차량 제어를 돕고 마모를 줄였다.
웜 드라이브는 속도를 줄이고 토크를 증가시키는 콤팩트한 수단으로, 프레스, 압연기, 컨베이어 시스템, 광산 기계, 러더, 원형 톱 등에 사용된다. 또한 밀링 헤드와 로터리 테이블의 위치 조정, 리프트/엘리베이터 및 에스컬레이터 구동 장치에도 사용된다. 항해 시대에는 러더 제어를 위해 웜 드라이브가 도입되어 거친 파도에서도 여러 사람이 배를 조종할 수 있게 되었다.
일부 자동차 후방 차축 최종 드라이브(차동 장치 자체는 아님)에도 웜 드라이브가 사용되었다. 1910년대 트럭에는 웜을 위에 배치하여 진흙길에서 공간을 확보했고, 1920년대 Stutz는 웜을 하단에 배치하여 낮은 플로어를 구현했다. 1960년대 푸조 404도 웜 드라이브를 사용했다. 웜 드라이브는 차량을 후진으로부터 보호하지만, 높은 감속비로 인해 점차 사용되지 않게 되었다.[8]
최근에는 토르센 차동 장치에 웜 드라이브가 사용되는데, 이는 험비, 일부 상용 험머 차량, 아우디 콰트로와 같은 사륜 구동 시스템의 센터 차동 장치에 적용된다. 매우 무거운 트럭은 강도를 위해 웜 드라이브 차동 장치를 사용하며, 큰 차동 장치 하우징과 많은 양의 기어 오일을 사용하여 열을 흡수 및 분산시킨다.
웜 드라이브는 기타, 더블 베이스, 만돌린, 부주키, 밴조 등 악기의 조율 메커니즘(머신 헤드)으로 사용된다.
플라스틱 웜 드라이브는 소형 배터리 작동 전동기에 사용되어 낮은 각속도를 제공하고, 금속 기어보다 조용하다.[8] 이 시스템은 장난감 및 기타 소형 전기 장치에 사용된다. 웜 드라이브는 주빌리형 호스 클램프(주빌리 클립)에도 사용되며, 조임 나사의 웜 나사가 클램프 밴드의 슬롯과 맞물린다.
때로는 웜 드라이브가 역방향으로 작동하도록 설계되어 웜 샤프트가 입력보다 빠르게 회전하게 된다. 이는 수동 크랭크 원심 분리기, 대장간 풀무 원심 송풍기, 오르골의 바람 조절기 등에서 볼 수 있다.
그 외에도 다음과 같은 여러가지 장치들에 사용된다.
- 오르골의 거버너
- 자동차의 파워 스티어링 - 모터 축에 연결된 웜을 돌려 스티어링 칼럼 샤프트에 부착된 웜 휠을 구동한다.
- 망원경이나 현미경의 미동 장치
- 현악기의 현 감개
- 전동식 철도 모형의 구동 - 모터 축이 수직[13] 또는 선로 방향으로 배치되는 것으로, 모터 축 또는 그 연장 축에 웜 기어를 사용하고, 직교하는 차축 측의 웜 휠을 통해 주행한다. 일부 제품에서는 웜을 코일 스프링으로 대체한 스프링 웜이 채용되고 있다.
- FR 자동차의 구동축 - FR 자동차에서 프로펠러 샤프트에서 차축으로 구동 방향을 바꿀 때 하이포이드 기어가 이용되는 것이 일반적이지만, 1950년대 이전 일부 FR 자동차에 이용된 예가 있다. 최종 감속비를 크게 할 수 있다는 점에서 트럭 등에 이용되었으며, 베벨 기어 구동에 비해 프로펠러 샤프트의 위치를 낮게 할 수 있다는 점에서 푸조의 1950년대 말까지의 모델 등에서 저상화를 쉽게 하는 구조로 채용되었다.
6. 제조
웜 휠은 먼저 치형을 대략적으로 형성하기 위해 개싱되며, 이후 기어의 최종 형상에 가깝게 0.5mm 이내로 정밀하게 가공된다. 개싱이 충분히 정확하게 수행되면 호빙 공정에 특수 공구가 필요하지 않을 것이다. 몇 번의 개싱 과정을 거친 후, 최종 형상으로 호빙된다.[9]
참조
[1]
서적
One good turn : a natural history of the screwdriver and the screw
London
2000
[2]
서적
Economic History of Medieval India, 1200–1500
https://books.google[...]
Pearson Education
[3]
서적
Textile Mechanics and Calculations
https://books.google[...]
Woodhead Publishing India PVT. Limited
2019-03-07
[4]
서적
Gear Nomenclature, Definition of Terms with Symbols
American Gear Manufacturers Association
[5]
서적
The Theory and Practice of Worm Gear Drives
Butterworth-Heinemann
2005-11-04
[6]
간행물
Numerical and experimental study of the dynamic behaviour of a polymer-metal worm drive
2023-06-15
[7]
논문
ENVIRONMENTALLY FRIENDLY DESIGN OF GEAR DRIVES
http://phd.lib.uni-m[...]
University of Miskolc
2014
[8]
간행물
The Development of Worm Drives
https://www.powertra[...]
2018-02
[9]
웹사이트
Spiral and worm gearing
https://archive.org/[...]
The Industrial Press
[10]
서적
改定新版 機械設計法
朝倉書店
1983
[11]
웹사이트
機械の基礎知識 歯車（ギヤ）の話（２）歯車の種類
http://homepage3.nif[...]
[12]
웹사이트
島根大学 総合理工学部 機械・電気電子工学科 機械設計研究室
http://www.ecs.shima[...]
[13]
문서
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