축이나 구멍에 균일한 단면의 홈을 나선형으로 새긴 것을 나사(screw)라 한다. 수나사(external screw)는 축에 균일한 단면의 홈을 나선형으로 새긴 것이고, 암나사(internal screw)는 구멍에 균일한 단면의 홈을 나선형으로 새긴 것이다. 나사는 두 개 이상의 부품을 결합하거나 힘을 전달하는 데 사용되는 대표적인 결합용 기계요소이다. 1. 나사 각 부분의 명칭 그림 O1-1은 수나사와 암나사의 각 부분의 명칭을 나타낸 것이다. 나사산(screw thread): 수나사 또는 암나사의 표면에 돌출된 균일한 단면의 나선형 산등성이. 산봉우리(crest): 나사산의 가장 높은 부분. 골밑(root): 나사산과 나사산 사이, 즉 골짜기의 가장 깊은 부분. 플랭크(flank): 나사산의 빗면. 나사산 각(thread angle): 나사의 축선(axis)을 포함하는 축 방향 단면에서 서로 이웃하는 플랭크가 이루는 각. 나사산 높이(thread height): 나사의 축선을 포함하는 축 방향 단면에서 산봉우리와 골밑 사이의 수직 거리. 피치(pitch): 나사산의 한 점에서 이웃하는 나사산의 대응점까지의 축 방향 거리. 접촉 높이(thread overlap): 수나사와 암나사가 결합된 상태에서 축선을 포함하는 축 방향으로 절단하였을 때, 수나사의 산봉우리와 암나사의 산봉우리 사이의 수직 거리. 즉 수나사의 플랭크와 암나사의 플랭크가 접촉하는 부분의 수직 거리. 유효지름(pitch diameter): 산등성이의 폭과 골짜기의 폭이 같게 되도록 나사산을 통과하는 가상 원통의 지름. 바깥지름(major diameter): 수나사의 산봉우리 또는 암나사의 골밑에 접하는 가상 원통의 지름. 골지름(minor diameter): 수나사의 골밑 또는 암나사의 산봉우리에 접하는 가상 원통의 지름. 2000년 12월에 개정된 KS B 0101(나사 용어)은 암나사의 골밑에 접하는 가상 원통의 지름을 골지름에서 바깥지름으로, 암나사의 산봉우리에 접하는 가상 원통의 지름을 안지름에서 골지름으로 변경하였다. 그러나 KS B0003-1(제도-나사 및 나사 부품-제1부: 통칙), KS B 0201(미터 보통 나사) 등, 2000년 이전에 개정된 다른 규격에는 개정하기 전의 용어(안지름, 골지름)가 그대로 사용되고 있어서 혼란스럽다. |
<그림 O1-1> |
2. 나사의 종류 나사산의 감김 방향에 따른 분류 오른 나사(right-hand thread): 오른쪽(시계 방향)으로 돌렸을 때 축 방향으로 전진하는 나사. 왼 나사(left-hand thread): 왼쪽(반시계 방향)으로 돌렸을 때 축 방향으로 전진하는 나사. 나사산 줄 수에 따른 분류 한 줄 나사(single thread): 1 피치마다 나사산이 1개인 나사. 한 줄 나사는 리드(lead)와 피치가 같다. 리드는 나사를 1 회전시켰을 때 축 방향으로 전진하는 거리이다. 여러 줄 나사(multi thread): 1 피치마다 나사산이 2개 이상인 나사. 여러 줄 나사의 리드를 l, 나사산 수(줄 수)를 n, 피치를 p라고 하면, 이다. 사용하는 단위에 따른 분류 미터나사(metric screw thread): 나사의 바깥지름과 피치를 mm로 표시하는 나사. ISO는 미터나사를 국제표준규격으로 정하고 있다. 인치나사(inch screw thread): 나사의 피치를 1인치(25.4mm)마다의 나사산 수로 표시하는 나사. 유니파이나사(unified screw thread), 29° 사다리꼴나사(acme thread), 관용나사(pipe thread) 등이 인치나사이다. 나사산의 모양에 따른 분류 삼각나사(triangular thread): 나사산의 모양이 삼각형이며 미터나사, 유니파이나사, 관용나사 등이 있다. 미터나사와 유니파이나사는 나사산의 각도가 60°, 관용나사는 55°이다. 미터나사와 유니파이나사는 보통나사(coarse thread)와 가는나사(fine thread)로 나누는데, 가는나사는 보통나사에 비하여 바깥지름에 대한 피치의 비율이 작은 나사이며, 주로 항공기, 자동차, 정밀 기계, 공작기계 등에 사용된다. 가스관, 수도관 등의 이음 부분에 사용되는 관용나사는 관용 테이퍼나사(taper pipe thread)와 관용 평행나사(parallel pipe thread)가 있다. 관용 테이퍼나사는 주로 유체의 누설 방지가 필요한 곳에 사용되며 관용 평행나사는 관의 기계적 결합용으로 사용된다. 사다리꼴나사(trapezoidal thread): 나사산의 모양이 사다리꼴이며 나사산의 각도가 29°인 29° 사다리꼴나사(애크미나사; acme thread), 30°인 30° 사다리꼴나사(미터 사다리꼴나사)가 있다. 사다리꼴나사는 사각나사에 비하여 가공이 쉽고 맞물림 상태가 좋으며, 선반의 리드 스크루(lead screw)와 같이 추력(thrust)이 작용하는 곳에 사용된다. 사각나사(square thread): 나사산의 모양이 사각형이며 큰 추력을 받는 곳이나 교번 하중(alternate load)이 작용하는 곳에 적합하다. 주로 바이스(vice), 잭(jack), 프레스(press) 등에 사용된다. 힘을 전달하는 데 이상적인 나사이지만 가공하기 어려운 단점이 있다. 톱니나사(buttress thread): 나사산의 기본 형태가 톱니 모양이며 나사산의 각도는 30°와 45° 두 가지가 있다. 한쪽 방향으로만 추력이 작용하는 곳에 적합하도록 설계되었으며, 큰 힘을 전달할 수 있다. 둥근나사(round thread, knuckle thread): 산등성이와 골짜기가 모두 둥글고 나사산의 각도는 29°, 30° 두 가지가 있다. 먼지, 모래 등이 들어가는 것을 방지할 필요가 있는 곳이나 전구 소켓(socket) 및 전구의 베이스(base)에 사용된다. 그림 O1-2는 나사의 종류를 나열한 것이고, 그림 O1-3은 여러 가지 나사산의 기본 형태를 나타낸 것이다. |
<그림 O1-2> |
<그림 O1-3> |
3. 나사의 표시 방법 나사의 표시 방법은 KS B 0200(나사의 표시 방법)에 따라 그림 O1-4와 같이 한다. 일반적으로 한줄, 오른 나사를 많이 사용하기 때문에 나사산의 감김 방향과 나사산 줄 수는 표시하지 않는다. 또, 나사의 등급도 생략하고 나사의 호칭만으로 표시하는 경우가 많다. 미터 보통나사는 바깥지름에 따라 피치가 정해져 있고, 관용나사는 바깥지름에 따라 나사산의 수가 정해져 있기 때문에 원칙적으로 피치와 나사산의 수를 표시하지 않는다. |
<그림 O1-4> |
미터 사다리꼴나사의 표시 방법은 다음과 같이 한다. 바깥지름 40mm, 피치 7mm인 1줄 오른 나사: Tr40×7 바깥지름 40mm, 피치 7mm인 1줄 오른 나사, 나사 등급 7H인 암나사: Tr40×7-7H 바깥지름 40mm, 리드 14mm, 피치 7mm인 여러 줄 오른 나사: Tr40×14(P7) 바깥지름 40mm, 피치 7mm인 1줄 왼 나사: Tr40×7LH 바깥지름 40mm, 피치 7mm인 1줄 왼 나사, 나사 등급 7e인 수나사: Tr40×7LH-7e 바깥지름 40mm, 리드 14mm, 피치 7mm인 여러 줄 왼 나사: Tr40×14(P7)LH 표 O1-1은 나사 종류별 표시 기호, 표시 예, 관련 표준규격 등을 정리한 것이다. 미니어처나사(miniature thread)는 나사산의 각도 60°, 바깥지름 0.3~1.4mm의 아주 작은 나사이며 시계, 광학 기기, 전기 기기, 계측기 등에 사용된다. |
구분 | 나사의 종류 | 표시 기호 | 표시 예 | 관련 규격 | ||
일반용 | ISO 규격에 있음 |
미터 보통나사 | M | M8 | KS B 0201 | |
미터 가는나사 | M8×1 | KS B 0204 | ||||
미니어처나사 | S | S0.5 | KS B 0228 | |||
유니파이 보통나사 | UNC | 3/8-16UNC | KS B 0203 | |||
유니파이 가는나사 | UNF | No.8-36UNF | KS B 0206 | |||
미터 사다리꼴나사 | Tr | Tr10×2 | KS B 0229 | |||
관용 테이퍼나사 | 테이퍼 수나사 | R | R3/4 | KS B 0222 | ||
테이퍼 암나사 | Rc | Rc3/4 | ||||
평행 암나사 | Rp | Rp3/4 | ||||
ISO 규격에 없음 |
관용 평행나사 | G | G1/2 | KS B 0221 | ||
30˚ 사다리꼴나사 | TM | TM18 | KS B 0227 | |||
29˚ 사다리꼴나사 | TW | TW20 | KS B 0226 | |||
관용 테이퍼나사 | 테이퍼나사 | PT | PT7 | KS B 0222 | ||
평행 암나사 | PS | PS7 | ||||
관용 평행나사 | PF | PF7 | KS B 0221 | |||
특수용 | 후강전선관나사 | CTG | CTG16 | KS B 0223 | ||
박강전선관나사 | CTC | CTC19 | ||||
자전거나사 | 일반용 | BC | BC3/4 | KS B 0224 | ||
스포크용 | BC2.6 | |||||
미싱나사 | SM | SM1/4 산40 | KS B 0225 | |||
전구나사 | E | E10 | KS C 7702 | |||
자동차용 타이어 밸브나사 | TV | TV8 | KS R 4006 | |||
자전거용 타이어 밸브나사 | CTV | CTV8 산30 | KS R 8044 |
<표 O1-1> |
4. 나사의 투상도 KS B 0003-1(제도-나사 및 나사 부품-제1부: 통칙)에 따르면, 나사의 투상도는 꼭 필요한 경우에만 실제 모양대로 그리고 그 외에는 간단하게 그리도록 되어 있다. 그림 O1-5 (가)는 동력전달장치의 본체(body)와 커버(cover)를 결합할 때 사용하는 육각구멍붙이 캡 스크루(hex socket head cap screw)이다. (나)는 이 스크루의 수나사를 실제 모양대로 그린 것이고 (다)는 표준규격에 따라 간단하게 그린 것이다. 나사에서 나사산의 형태가 완전하지 못한 부분을 불완전나사부(incomplete thread)라 하는데 나사의 시작 부분과 끝 부분에 생긴다. |
<그림 O1-5> |
그림 O1-6 (가)는 동력전달장치 본체의 암나사를 나타낸 것이다. 암나사를 만들 때에는 (나)처럼 먼저 드릴(drill)로 구멍을 뚫은 다음, 탭(tap)이라는 공구를 사용하여 (다)와 같이 나사를 만든다. 드릴로 구멍을 뚫는 과정을 드릴링(drilling), 나사를 만드는 과정을 태핑(tapping)이라 한다. (다)는 암나사를 실제 모양대로 그린 것이고 (라)는 간단하게 그린 투상도이다. |
<그림 O1-6> |
나사의 투상도를 간단하게 그릴 때에는 다음과 같이 한다. 정면도에서 수나사의 바깥지름과 암나사의 골지름은 굵은 실선으로 그린다. 정면도에서 수나사의 골지름과 암나사의 바깥지름은 가는 실선으로 그린다. 측면도에서 수나사의 바깥지름과 암나사의 골지름은 굵은 실선의 원으로 그린다. 측면도에서 수나사의 골지름과 암나사의 바깥지름은 가는 실선을 사용하여 3/4원으로 그린다. 정면도에서 완전나사부(complete thread)와 불완전나사부의 경계선은 굵은 실선으로 그린다. 정면도에서 나사가 끝나는 부분의 불완전나사부는 가는 실선을 사용하여 축선(axis)에 대하여 30°로 그린다. 바깥지름이 6mm 이하인 나사에서는 불완전나사부를 그리지 않아도 된다. 측면도에서 모떼기부를 나타내는 원은 그리지 않는다. 바깥지름이 6mm 이하인 나사는 정면도에서 모떼기부를 생략해도 된다. 바깥지름과 골지름 사이의 간격, 즉 나사산 높이는 나사의 접촉 높이, 굵은 선 굵기의 2배, 0.7mm 중 가장 큰 값으로 한다. 예를 들어, 나사의 접촉 높이가 0.812mm이고 도면에서 굵은 선의 굵기를 0.5mm로 하였다면, 나사산의 높이는 0.7mm, 0.812mm, 1mm 중 가장 큰 값인 1mm로 그린다. 그러나 바깥지름이 6mm 이하인 나사에서는 이 규정에 구애됨이 없이 적당하게 그리는 것이 좋다. 암나사의 멈춤 구멍 깊이(drill depth)는 특별히 지정하지 않을 때에는 나사 길이(thread depth)의 1.25배 정도로 그린다. 수나사와 암나사가 결합된 상태에서는 수나사를 우선으로 그린다. 5. 나사의 치수 기입 나사의 치수 기입도 KS B 0003-1(제도-나사 및 나사 부품-제1부: 통칙)에 따른다. 그림 O1-7은 동력전달장치의 축 끝에 만들어진 수나사(미터 보통나사 M10)에 치수를 기입한 것이다. 가장 일반적인 치수 기입 방법은 (가)와 같이 하는 것이다. (나)는 나사의 피치를 명시한 경우 (다)는 나사의 등급을 표시한 경우, (라)는 표면거칠기를 기입한 경우이다. |
<그림 O1-7> |
그림 O1-8은 동력전달장치의 본체에 만들어진 암나사(미터 보통나사 M3)에 치수를 기입한 것이다. (가)는 가장 일반적인 방법이며 ‘8-M3’의 8은 암나사의 개수를 의미한다. (나)는 멈춤 구멍 깊이(6.25)와 암나사용 구멍의 지름(Ø2.5)을 명시한 경우, (다)와 (라)는 지시선을 사용하여 치수를 기입한 경우이다. (마)는 개정하기 전(1999년 이전)의 표준규격에 따라 치수를 기입한 것이다. |
<그림 O1-8> |
표 O1-2는 KS B 0201(미터 보통나사), KS B 1006(암나사용 구멍 지름), KS B 1007(볼트 구멍 지름 및 카운터 보어 지름)에서 필요한 것만 발췌하여 하나의 표로 만든 것이다. 단위는 mm이다. 볼트(bolt) 구멍의 지름은 나사의 호칭지름(바깥지름) 별로 4개 등급이 있는데 주로 2급이 많이 사용된다. 볼트 구멍의 모떼기는 필요한 경우에만 적용하며 모떼기 각도는 90°를 원칙으로 한다. C' Dia는 카운터 보어(counter bore; 깊은 자리 파기) 지름인데, 여기에서는 깊이 2mm 정도로 부품의 표면을 살짝 깎아내는, 자리 파기(spot facing)의 지름을 의미한다. 암나사를 만들기 위하여 드릴로 구멍을 뚫을 때, 구멍을 너무 작게 뚫으면 절삭저항이 커져서 가공 면이 거칠게 되고 탭이 파손될 수도 있다. 반대로 구멍이 너무 크면 나사산이 제대로 만들어지지 않는다. 표준규격에서 제시하는 암나사용 구멍의 지름은 나사의 접촉율에 따라 9개 계열이 있는데, 표 O1-2에서는 접촉율 90%의 암나사를 만들 때 적절한 구멍의 지름을 나타낸 것이다. 미터 보통나사에서 암나사용 구멍의 지름을 구하는 식은 다음과 같다. 암나사용 구멍을 뚫을 때 사용하는 드릴을 특히 탭 드릴(tap drill)이라 하는데 표에서 보는 것처럼 계산으로 구한 구멍의 지름과 약간 차이가 있음을 알 수 있다. 그러므로 그림 O1-8의 (나)와 같이 도면에 암나사용 구멍의 지름을 명시하려면 실제로 사용되는 탭 드릴의 지름을 참조할 필요가 있다. |
호칭 | 피치 | 바깥지름 | 골지름 | 접촉 높이 | 볼트용 구멍 지름 | 암나사용 구멍 지름 | |||
2급 | 모떼기 | C' Dia | 90% | 탭 드릴 | |||||
M1 | 0.25 | 1.0 | 0.729 | 0.135 | 1.2 | 0.2 | 3 | 0.76 | 0.75 |
M1.1 | 0.25 | 1.1 | 0.829 | 0.135 | - | - | - | 0.86 | 0.85 |
M1.2 | 0.25 | 1.2 | 0.929 | 0.135 | 1.4 | 0.2 | 4 | 0.96 | 0.95 |
M1.4 | 0.30 | 1.4 | 1.075 | 0.162 | 1.6 | 0.2 | 4 | 1.11 | 1.10 |
M1.6 | 0.35 | 1.6 | 1.221 | 0.189 | 1.8 | 0.2 | 5 | 1.26 | 1.25 |
M1.8 | 0.35 | 1.8 | 1.421 | 0.189 | 2.1 | 0.2 | 5 | 1.46 | 1.45 |
M2 | 0.40 | 2.0 | 1.567 | 0.217 | 2.4 | 0.3 | 7 | 1.61 | 1.60 |
M2.2 | 0.45 | 2.2 | 1.713 | 0.244 | 2.6 | 0.3 | 8 | 1.76 | 1.75 |
M2.5 | 0.45 | 2.5 | 2.013 | 0.244 | 2.9 | 0.3 | 8 | 2.06 | 2.05 |
M3 | 0.50 | 3.0 | 2.459 | 0.271 | 3.4 | 0.3 | 9 | 2.51 | 2.50 |
M3.5 | 0.60 | 3.5 | 2.850 | 0.325 | 3.9 | 0.3 | 10 | 2.92 | 2.90 |
M4 | 0.70 | 4.0 | 3.242 | 0.379 | 4.5 | 0.4 | 11 | 3.32 | 3.30 |
M4.5 | 0.75 | 4.5 | 3.688 | 0.406 | 5.0 | 0.4 | 13 | 3.77 | 3.80 |
M5 | 0.80 | 5.0 | 4.134 | 0.433 | 5.5 | 0.4 | 13 | 4.22 | 4.20 |
M6 | 1.00 | 6.0 | 4.917 | 0.541 | 6.6 | 0.4 | 15 | 5.03 | 5.00 |
M7 | 1.00 | 7.0 | 5.917 | 0.541 | 7.6 | 0.4 | 18 | 6.03 | 6.00 |
M8 | 1.25 | 8.0 | 6.647 | 0.677 | 9.0 | 0.6 | 20 | 6.78 | 6.80 |
M9 | 1.25 | 9.0 | 7.647 | 0.677 | - | - | - | 7.78 | 7.80 |
M10 | 1.50 | 10.0 | 8.376 | 0.812 | 11.0 | 0.6 | 24 | 8.54 | 8.50 |
M11 | 1.50 | 11.0 | 9.376 | 0.812 | - | - | - | 9.54 | 9.50 |
M12 | 1.75 | 12.0 | 10.106 | 0.947 | 13.5 | 1.1 | 28 | 10.3 | 10.20 |
M14 | 2.00 | 14.0 | 11.835 | 1.083 | 15.5 | 1.1 | 32 | 12.1 | 12.00 |
M16 | 2.00 | 16.0 | 13.835 | 1.083 | 17.5 | 1.1 | 35 | 14.1 | 14.00 |
M18 | 2.50 | 18.0 | 15.294 | 1.353 | 20.0 | 1.1 | 39 | 15.6 | 15.50 |
M20 | 2.50 | 20.0 | 17.294 | 1.353 | 22.0 | 1.2 | 43 | 17.6 | 17.50 |
M22 | 2.50 | 22.0 | 19.294 | 1.353 | 24.0 | 1.2 | 46 | 19.6 | 19.50 |
M24 | 3.00 | 24.0 | 20.752 | 1.624 | 26.0 | 1.2 | 50 | 21.1 | 21.00 |
M27 | 3.00 | 27.0 | 23.752 | 1.624 | 30.0 | 1.7 | 55 | 24.1 | 24.00 |
M30 | 3.50 | 30.0 | 26.211 | 1.894 | 33.0 | 1.7 | 62 | 26.6 | 26.50 |
M33 | 3.50 | 33.0 | 29.211 | 1.894 | 36.0 | 1.7 | 66 | 29.6 | 29.50 |
M36 | 4.00 | 36.0 | 31.670 | 2.165 | 39.0 | 1.7 | 72 | 32.1 | 32.00 |
M39 | 4.00 | 39.0 | 34.670 | 2.165 | 42.0 | 1.7 | 76 | 35.1 | 35.00 |
M42 | 4.50 | 42.0 | 37.129 | 2.436 | 45.0 | 1.8 | 82 | 37.6 | 37.50 |
M45 | 4.50 | 45.0 | 40.129 | 2.436 | 48.0 | 1.8 | 87 | 40.6 | 40.50 |
M48 | 5.00 | 48.0 | 42.587 | 2.706 | 52.0 | 2.3 | 93 | 43.1 | 43.00 |
M52 | 5.00 | 52.0 | 46.587 | 2.706 | 56.0 | 2.3 | 100 | 47.1 | 47.00 |
M56 | 5.50 | 56.0 | 50.046 | 2.977 | 62.0 | 3.5 | 110 | 50.6 | 50.50 |
M60 | 5.50 | 60.0 | 54.046 | 2.977 | 66.0 | 3.5 | 115 | 54.6 | 54.50 |
M64 | 6.00 | 64.0 | 57.505 | 3.248 | 70.0 | 3.5 | 122 | 58.2 | 58.00 |
M68 | 6.00 | 68.0 | 61.505 | 3.248 | 74.0 | 3.5 | 127 | 62.2 | 62.00 |
<표 O1-2> |
볼트, 너트, 스크루, 와셔 일반적으로 너트(nut)와 결합시켜 사용하는 수나사를 볼트(bolt)라 하고, 너트 없이 부품 자체의 암나사와 결합시켜 사용하는 수나사를 스크루(screw)라 부른다. 볼트 그림 O1-1-1은 결합 방식에 따른 볼트의 종류를 나타낸 것이다. 관통 볼트(through bolt): 조립되는 두 부품을 완전히 관통시켜 너트와 결합시키는 방식. 탭 볼트(tap bolt): 너트를 사용하지 않고 (나)와 같이 부품 자체의 암나사와 결합시키는 방식. 스터드 볼트(stud bolt): 머리 부분이 없고 축의 양쪽에 수나사를 만든 볼트로, 한쪽은 부품 자체의 암나사와 결합시키고 나머지 한쪽은 너트와 결합시키는 방식. 양쪽 모두 너트와 결합시키는 경우도 있다. |
<그림 O1-1-1> |
그림 O1-1-2는 여러 가지 모양의 볼트를 나열한 것이다. 육각 볼트(hexagon bolt): 육각형의 머리를 가지고 있으며 스패너(spanner wrench)로 돌려서 조이거나 푼다. 가장 많이 사용된다. 나비 볼트(wing bolt): 스패너 없이 손으로 돌려서 조이거나 풀 수 있도록 머리 부분을 나비 모양으로 만든 것이다. 조립 및 분해가 빈번한 곳에 사용된다. 아이 볼트(eye bolt): 무거운 물건을 들어 올리거나 이동하기 위하여 고리가 필요한 곳에 사용된다. 기초 볼트(foundation bolt): 기계나 구조물 등을 설치할 때 볼트의 한쪽 끝을 콘크리트 기초 속에 튼튼하게 고정시켜 사용한다. 앵커 볼트(anchor bolt)라고도 한다. 훅 볼트(hook bolt): 바리케이드(barricade), 울타리 등을 설치할 때 사용된다. U 볼트: 체인(chain)이나 밧줄 등을 걸 수 있는 고리가 필요한 곳, 겹판 스프링(laminated spring)을 만들 때, TV 안테나(antenna) 등에 사용된다. 경첩 볼트(hinge bolt): 경첩(hinge)처럼 동작하는 부품에 사용된다. |
<그림 O1-1-2> |
너트 그림 O1-1-3은 여러 가지 모양의 너트를 나열한 것이다. 육각 너트(hexagon bolt): 가장 대표적인 너트로 볼트와 한 쌍이 되어 기계, 자동차, 건축물 등에 널리 사용된다. 사각 너트(square nut): 주로 목재에 사용된다. 아이 너트(eye nut): 무거운 물체를 들어 올리거나 운반하기 위하여 고리가 필요한 곳에 사용된다. 나비 너트(wing nut): 조립 및 분해가 빈번한 곳에 사용되며 손으로 조이거나 풀 수 있다. 캡 너트(cap nut): 볼트나 너트의 틈새로 유체가 새는 것을 방지할 필요가 있는 곳에 사용된다. 플랜지 너트(flange nut): 볼트 구멍이 클 때, 접촉면이 거칠 때, 큰 압력을 피하려 할 때 사용된다. 홈붙이 육각 너트(castle nut, slotted nut): 분할 핀(split pin)과 함께 사용하면 기계의 진동에 의해 너트가 풀리는 것을 방지할 수 있다. 나일론 너트(nylon nut): 너트에 삽입된 나일론 섬유와 볼트와의 마찰력을 이용하여 너트의 풀림을 방지한다. U 너트: 나일론 대신에 얇고 탄성 있는 금속 마찰 링(friction ring)을 삽입하여 고온에서도 사용할 수 있는 풀림 방지 너트. 나사 인서트(screw thread insert): 다이아몬드(diamond) 모양의 단면을 가진 스테인리스 선재(stainless steel wire)로 정밀하게 만들어진 나사 코일(coil)이다. 나사산 각이 60°인 암나사와 같은 기능을 제공하며, 가벼우면서도 내구성이 커서 항공우주산업을 비롯하여 여러 분야에 널리 사용된다. |
<그림 O1-1-3> |
스크루 그림 O1-1-4는 여러 가지 형태의 스크루를 나열한 것이다. 스크루는 너트 없이 사용하는 수나사이며 일반적으로 바깥지름 8mm 이하가 많다. 힘을 많이 받지 않는 작은 부품이나 얇은 판 등을 조립하는 데 사용된다. 머리 부분의 모양에 따라 냄비머리 스크루(pan head screw), 둥근머리 스크루(round screw), 둥근접시머리 스크루(oval head screw), 바인드머리 스크루(bind head screw), 접시머리 스크루(flat head screw), 트러스머리 스크루(truss head screw) 등이 있다. 멈춤 스크루(socket set screw)는 스크루 끝 부분의 마찰 저항을 이용하여 두 부품이 서로 헛돌거나 미끄러지는 것을 방지하는 데 사용된다. 강철로 만들며 스크루 끝은 담금질 되어 있다. 머리의 모양에 따라 홈붙이 멈춤 스크루, 4각 멈춤 스크루, 육각 구멍붙이 멈춤 스크루 등이 있다. 육각구멍붙이 캡 스크루(hex socket head cap screw)는 머리 부분에 육각형의 구멍이 있어서 L형 육각 렌치(hexagon wrench)로 돌리도록 되어 있다. 와셔붙이 스크루(sem's screw)는 스크루와 와셔가 일체로 되어 있어 전기, 전자 제품 등을 조립할 때 작업 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다. 태핑 스크루(tapping screw)는 스크루의 끝이 드릴과 탭의 역할을 하기 때문에 드릴로 구멍을 뚫을 필요가 없다. 나무나 알루미늄 등과 같은 무른 재료에 사용된다. |
<그림 O1-1-4> |
와셔 그림 O1-1-5는 여러 가지 형태의 와셔를 나열한 것이다. 와셔(washer)는 볼트 머리나 너트에 의해 파손되기 쉬운 무른 재료의 부품을 결합할 때, 볼트 구멍이 너무 크거나 볼트와 너트가 닿는 부분이 고르지 못할 때, 기계의 진동에 의해 너트가 풀릴 염려가 있는 곳에 사용된다. 평 와셔(plain washer), 사각 와셔(square washer), 테이퍼 와셔(tapper washer) 등은 일반적인 용도로 사용되고, 로크 와셔(lock washer), 스프링 와셔(spring washer), 접시 스프링 와셔(disc spring washer), 파형 스프링 와셔(wave spring washer), 이붙이 와셔(tooth washer) 등은 너트의 풀림 방지용으로 사용된다. 컵 와셔(cup washer)는 부품과 너트 사이의 빈 공간을 채울 필요가 있는 곳, 세면기나 수도꼭지 등을 설치할 때 벽의 구멍과 수도관 사이의 틈새를 막아 보기 좋게 할 때 사용된다. 접시머리 와셔(flat head washer, finish washer)는 접시머리 볼트나 접시머리 스크루의 머리 부분에 맞도록 만들어져 있다. |
<그림 O1-1-5> |
기어(gear)는 한 축으로부터 다른 축으로 동력을 전달하는 데 사용되는 대표적인 전동용 기계요소이다. 기어는 동력을 주고받는 두 축사이의 거리가 가까운 경우에 사용되며, 동력전달이 확실하고 속도비를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있어 전동 장치, 변속 장치 등에 널리 이용된다. 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어에서 이 수가 많은 쪽을 기어, 이 수가 적은 쪽을 피니언(pinion)이라 한다. 1. 기어 각 부분의 명칭 그림 O2-1은 스퍼 기어(spur gear) 각 부분의 명칭을 나타낸 것이다. 기초원(base circle): 인벌루트 곡선(involute curve)의 기초가 되는 원. 피치원(pitch circle): 스퍼 기어의 원형인 마찰 기어의 원주에 해당되는 가상의 원. 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어에서 두 피치원은 구름 접촉을 하며, 그 접촉점을 피치점(pitch point)이라 한다. 이끝원(addendum circle): 기어의 모든 이끝을 지나는 가상의 원. 이끝원의 지름은 피치원 지름에 (이끝 높이×2)를 더한 값과 같다. 이뿌리원(dedendum circle): 기어의 모든 이뿌리를 지나는 가상의 원. 이뿌리원의 지름은 피치원 지름에서 (이뿌리 높이×2)를 뺀 값과 같다. 이끝 높이(addendum): 피치원에서 이끝원까지 반지름 방향으로 측정한 거리. 이뿌리 높이(dedendum): 피치원에서 이뿌리원까지 반지름 방향으로 측정한 거리. 이끝 높이와 이뿌리 높이의 합을 전체 이높이(whole depth)라 한다. 원주피치(circular pitch): 피치원을 따라 이의 한 점에서 인접한 이의 대응점까지 측정한 거리. 피치원 둘레를 이 수로 나눈 값과 같으며 기어의 크기를 나타내는 기준으로 사용된다. 이두께(tooth thickness): 피치원을 따라 측정한 이의 두께를 원주 이두께(circular thickness), 피치원의 현을 따라 측정한 이 두께를 활줄(현) 이두께(chordal thickness)라 한다. 표준 스퍼 기어의 원주 이두께는 원주피치의 1/2과 같다. 치형(tooth profile): 기어 이의 윤곽. 인벌루트 곡선을 이용하여 만든 치형을 인벌루트 치형, 사이클로이드 곡선(cycloid curve)을 이용하여 만든 치형을 사이클로이드 치형이라 한다. 대부분의 기어는 인벌루트 치형이다. 작용선(line of action): 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어에서 두 기초원의 공통 접선. 압력각(pressure angle): 피치원에 대한 접선과 작용선이 이루는 각. 표준 스퍼 기어의 압력각은 20°이며 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어는 압력각이 같아야 한다. |
<그림 O2-1> |
2. 기어의 크기와 종류 기어의 크기를 나타내는 방법에는 다음과 같이 세 가지가 있다. 원주피치(circular pitch): 피치원 둘레(mm)를 이 수로 나눈 값. 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어는 원주피치가 같아야 한다. 지름피치(diametral pitch): 이 수를 피치원 지름(inch)으로 나눈 값. 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어는 지름피치가 같아야 한다. 모듈(module): 피치원 지름(mm)을 이 수로 나눈 값. 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어는 모듈이 같아야 한다. 일반적으로 모듈이 가장 많이 사용된다. 표 O2-1은 2002년에 개정된 KS B 1404(인벌루트 기어 치형 및 치수)에 규정된 표준 모듈을 옮긴 것이다. KS는 계열 1의 모듈을 우선 사용하도록 권장하고 있다. |
계열 | 표준 모듈(mm) |
1 | 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8 1, 1.25, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50 |
2 | 0.35, 0.45, 0.55, 0.7, 0.75, 0.9 1.125, 1.375, 1.75, 2.25, 2.75, 3.5, 4.5, 5.5, (6.5) 7, 9, 11, 14, 18, 22, 28, 36, 45 |
<표 O2-1> |
기어는 두 축의 방위에 따라 크게 세 가지로 분류된다. 두 축이 평행한 기어 스퍼 기어(spur gear): 이가 축에 평행한 원통형 기어. 제조하기 쉽고 가장 많이 사용된다. 헬리컬 기어(helical gear): 축에 대하여 비틀린 이를 가진 원통형 기어. 스퍼 기어에 비하여 더 큰 하중에 견딜 수 있고 소음도 적어서 널리 사용된다. 다만, 이의 비틀림 때문에 축방향의 추력(thrust)이 발생하는 것이 단점이다. 그러나 이중 헬리컬 기어(double helical gear)나 헤링본 기어(herringbone gear)는 왼쪽 비틀림 이와 오른쪽 비틀림 이를 둘 다 가지고 있어서 추력을 방지할 수 있다. 내접 기어(internal gear): 원형의 링(ring) 안쪽에 이가 있는 원통형 기어. 공간을 적게 차지하고 원활하게 작동하며 높은 속도비를 얻을 수 있다. 대개 유성 기어 장치(planetary gear system)에 이용된다. 랙과 피니언(rack & pinion): 랙(rack)은 직선 형태의 기어로 반지름이 무한대인 스퍼 기어나 헬리컬 기어의 일부분이다. 랙과 맞물리는 기어 짝을 피니언(pinion)이라 한다. 랙은 직선 왕복 운동을 하고 피니언은 회전 운동을 한다. 두 축이 교차하는 기어 직선 베벨 기어(straight bevel gear): 피치 원뿔(pitch cone)의 모선과 같은 방향으로 경사진 원뿔형 이를 가진 기어. 주로 두 축이 90°로 교차하는 곳에 사용된다. 스파이럴 베벨 기어(spiral bevel gear): 나선형의 이를 비틀리게 배열한 베벨 기어. 직선 베벨 기어에 비하여 제작하기 어렵지만 강도가 높고 소음이 적다. 두 축이 평행하지도, 교차하지도 않는 기어 웜과 웜휠(worm & worm wheel): 웜은 수나사와 비슷하다. 웜과 짝을 이루는 웜휠은 헬리컬 기어와 비슷하지만 웜의 축 방향에서 보면 웜을 감싸듯이 맞물린다는 점이 다르다. 웜과 웜휠의 두드러진 특징은 매우 큰 속도비를 얻을 수 있다는 것이다. 그러나 미끄럼 때문에 전동 효율은 매우 낮다. 나사 기어(screw gear, crossed helical gear): 비틀림 각이 반대인 두 개의 헬리컬 기어를 두 축이 엇갈리게 맞물린 기어. 나사 기어를 분리하면 평범한 두 개의 헬리컬 기어에 지나지 않는다. 점접촉을 하기 때문에 하중 전달 능력이 매우 제한적이다. 하이포이드 기어(hypoid gear): 자동차의 차동장치(differential gear) 같은 곳에 사용하기 위하여 특별히 개발된 베벨 기어의 변형이다. 두 축이 교차하지 않도록 피니언의 축을 중심에서 비켜 배치한 것이다. 스파이럴 베벨 기어와 비슷해 보이지만 설계가 복잡하고 절삭이 어렵다. 그림 O2-2는 여러 가지 기어를 나열한 것이다. |
<그림 O2-2> |
3. 표준 치형과 전위 치형 랙 커터(rack type cutter)나 호브(hob) 등의 기어 절삭 공구로 기어를 절삭할 때, 기어의 이 수가 너무 적으면 그림 O2-3 (다)와 같이 절삭 공구에 의해 이뿌리 부분이 오목하게 파이는 현상이 발생하는데, 이 현상을 언더컷(undercut)이라 한다. 언더컷은 굽힘 강도(bending strength)를 약하게 하고 물림률(contact ratio)을 감소시키며, 원활한 작용을 방해 하는 등 여러 가지 손실을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다. 스퍼 기어에서 언더컷을 피하기 위한 최소 이 수는 압력각이 14.5°일 때 32개, 20°일 때에는 18개이다.(그림 O2-3-나) 그러므로 기어의 이 수를 많게 하거나 압력각을 크게 하면 언더컷을 피할 수 있다. 그러나 이 수를 많게 하면 기어가 불필요하게 커지고, 압력각을 크게 하면 물림률이 감소한다. |
<그림 O2-3> |
일반적으로 피니언은 이 수가 적어서 그림 O2-4 (가)와 같이 표준 방식으로 절삭하면 언더컷이 발생한다. 주어진 조건(압력각, 이 수, 모듈)을 변경하지 않고 언더컷을 방지하는 방법은 (나)와 같이 절삭 공구(랙 커터)의 위치를 조금 옮겨서, 즉 전위(profile shift)시켜서 절삭하는 것이다. 전위에 의한 방법으로 절삭된 치형을 전위 치형(shifted tooth profile)이라 하고, 전위 치형을 가진 기어를 전위 기어(profile shifted gear)라 한다. 절삭 공구를 기어의 중심 쪽으로 이동시키는 것을 - 전위(negative profile shift), 반대쪽으로 이동시키는 것을 + 전위(positive profile shift)라 한다. 전위는 언더컷을 방지하고 굽힘 강도를 높이는데 이용될 뿐만 아니라 두 기어의 중심 거리를 조정할 때에도 이용된다. |
<그림 O2-4> |
4. 표준 기준 랙 그림 O2-5는 KS B 1404(인벌루트 기어 치형 및 치수)에 규정되어 있는 표준 기준 랙(standard basic rack)을 나타낸 것이다. 표준 기준 랙은 인벌루트 기어의 치형이나 절삭 공구의 치형을 설계할 때 기하학적 기준이 된다. 기준 랙의 이는 이끝 높이(Hap)와 모듈(m)의 상관관계에 따라 낮은 이, 보통 이, 높은 이로 분류된다. 낮은 이(stub tooth): 이끝 높이가 모듈보다 작은 이(Hap < m) 보통 이(ordinary tooth): 이끝 높이가 모듈과 같은 이(Hap = m) 높은 이(full depth tooth): 이끝 높이가 모듈보다 큰 이(Hap > m) 표준 기준 랙은 그림 O2-5에서 보는 것처럼 보통 이를 가지고 있으며, 이끝 높이와 모듈이 같다. |
<그림 O2-5> |
5. 기어 절삭 및 다듬질 방법 기어를 만드는 방법은 제거가공법, 주조법, 소성가공법 등 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 제거가공법은 다시 절삭가공법, 방전가공법, 형판법 등으로 분류할 수 있으며, 절삭가공법에는 성형법(formed tool system)과 창성법(generating system)이 있다. 성형법은 밀링머신(milling machine), 플레이너(planer), 세이퍼(shaper) 등의 공작기계를 이용하여 기어를 절삭하는 방법이고, 창성법은 기어 세이퍼(gear shaper), 호빙머신(hobbing machine) 기어 플레이너(gear planer) 등 기어 전용 절삭 기계를 이용하여 기어를 절삭하는 방법이다. 호빙머신은 호브라고 하는 절삭공구를 사용하여 기어를 절삭하는데, 생산성과 정밀도가 높아 가장 많이 이용된다. 그림 O2-6은 기어의 절삭가공법 중 창성법에 관한 사진을 나열한 것이다. |
<그림 O2-6> |
그림 O2-7은 대표적인 기어 다듬질 방법 세 가지를 보여주고 있다. 기어 세이빙(gear shaving)은 세이빙 커터(shaving cutter)를 사용하여 치형을 수정하고 다듬질하는 방법이다. 짧은 시간에 비교적 높은 정밀도를 얻을 수 있으며 가공에 의한 응력 변형이 없다. 기어 호닝(gear honing)은 혼(hone)이라 불리는 공구를 사용하여 치면(tooth flank)을 매끈하게 다듬질하는 방법으로, 절삭 과정에서 생긴 흠집이나 버(burr)를 짧은 시간에 효과적으로 제거할 수 있다. 기어 연삭(gear grinding)은 연삭숫돌(grinding wheel)을 사용하여 치형을 수정하고 다듬질하는 방법인데, 높은 정밀도를 필요로 하는 기어의 다듬질에 이용된다. |
<그림 O2-7> |
6. 기어 이두께 측정 방법 기어가 얼마나 정확하게 가공되었는지 알아보는 일반적인 방법은 설계 단계에서 계산으로 구한 이두께와 가공이 끝난 후 측정한 이두께를 비교해 보는 것이다. 기어의 이 두께를 측정하는 방법에는 활줄 이두께 측정법, 오버 볼(핀) 이두께 측정법, 걸치기 이두께 측정법 등이 있다. 활줄 이두께 측정법(chordal thickness measurement)은 활줄 이두께 측정용 버니어 캘리퍼스(gear tooth vernier calipers)를 사용하여 그림 O2-8과 같이 측정한다. 캘리퍼스의 텅(tongue)을 이끝에 대고 피치원과 치형의 교차점에 조(jaw)가 접촉되도록 하여야 한다. |
<그림 O2-8> |
오버 볼(핀) 이두께 측정법(over ball or pin measurement)은 그림 O2-9에서 보는 것처럼 기어의 이홈(tooth space)에 2개의 볼 또는 핀을 끼우고 볼(핀)과 볼(핀) 사이의 거리를 측정한다. 기어의 이 수가 짝수일 때에는 서로 마주보는 이홈에 볼(핀)을 끼우고, 홀수일 때에는 가능한 서로 마주보도록 끼운다. 오버 볼(핀) 이두께 측정법은 기어와 스플라인(spline)의 측정에 널리 이용되며 볼 앤빌 마이크로미터(ball anvil micrometer)를 사용하면 좀 더 간편하고 정확하게 측정할 수 있다. |
<그림 O2-9> |
걸치기 이두께 측정법(span measurement)은 그림 O2-10과 같이 2개 이상의 이에 걸쳐 기초원에 접하는 접선의 길이(base tangent length)를 측정한다. 디스크 마이크로미터(disc micrometer)나 캘리퍼스(calipers)로 간단하게 측정할 수 있어서 폭넓게 이용된다. 특히 오버 볼(핀) 이두께 측정법으로 측정하기 곤란한 큰 기어를 측정할 때, 기어를 기계에 고정시킨 채로 측정할 때 유용하다. 표 O2-2는 모듈 1, 압력각 20°, 전위 계수 0인 표준 스퍼 기어의 걸치기 이 수와 이두께를 계산한 것이다. 기호 z는 이 수, zm은 걸치기 이 수, sm은 걸치기 이두께를 나타내고, 단위는 mm이다. 모듈이 1보다 클 때에는 표의 값에 모듈을 곱하면 된다. 예를 들어, 이 수가 36이고 모듈이 2라면 걸치기 이수는 5이고, 걸치기 이두께는 13.7888×2=27.5778이 된다. |
<그림 O2-10> |
z | zm | sm | z | zm | sm | z | zm | sm | z | zm | sm |
6 | 2 | 4.5122 | 43 | 5 | 13.8868 | 80 | 9 | 26.2136 | 117 | 14 | 41.4924 |
7 | 2 | 4.5262 | 44 | 5 | 13.9008 | 81 | 10 | 29.1797 | 118 | 14 | 41.5061 |
8 | 2 | 4.5402 | 45 | 6 | 16.8670 | 82 | 10 | 29.1937 | 119 | 14 | 41.5204 |
9 | 2 | 4.5542 | 46 | 6 | 16.8810 | 83 | 10 | 29.2077 | 120 | 14 | 41.5344 |
10 | 2 | 4.5683 | 47 | 6 | 16.8950 | 84 | 10 | 29.2217 | 121 | 14 | 41.5484 |
11 | 2 | 4.5823 | 48 | 6 | 16.9090 | 85 | 10 | 29.2357 | 122 | 14 | 41.5624 |
12 | 2 | 4.5963 | 49 | 6 | 16.9230 | 86 | 10 | 29.2497 | 123 | 14 | 41.5765 |
13 | 2 | 4.6103 | 50 | 6 | 16.9370 | 87 | 10 | 29.2637 | 124 | 14 | 41.5905 |
14 | 2 | 4.6243 | 51 | 6 | 16.9510 | 88 | 10 | 29.2777 | 125 | 14 | 41.6045 |
15 | 2 | 4.6383 | 52 | 6 | 16.9650 | 89 | 10 | 29.2917 | 126 | 15 | 44.5706 |
16 | 2 | 4.6523 | 53 | 6 | 16.9790 | 90 | 11 | 32.2579 | 127 | 15 | 44.5816 |
17 | 2 | 4.6663 | 54 | 7 | 19.9452 | 91 | 11 | 32.2719 | 128 | 15 | 44.5986 |
18 | 3 | 7.6324 | 55 | 7 | 19.9592 | 92 | 11 | 32.2859 | 129 | 15 | 44.6126 |
19 | 3 | 7.6464 | 56 | 7 | 19.9732 | 93 | 11 | 32.2999 | 130 | 15 | 44.6266 |
20 | 3 | 7.6604 | 57 | 7 | 19.9872 | 94 | 11 | 32.3139 | 131 | 15 | 44.6406 |
21 | 3 | 7.6744 | 58 | 7 | 20.0012 | 95 | 11 | 32.3279 | 132 | 15 | 44.6546 |
22 | 3 | 7.6884 | 59 | 7 | 20.0152 | 96 | 11 | 32.3419 | 133 | 15 | 44.6686 |
23 | 3 | 7.7025 | 60 | 7 | 20.0292 | 97 | 11 | 32.3559 | 134 | 15 | 44.6826 |
24 | 3 | 7.7165 | 61 | 7 | 20.0432 | 98 | 11 | 32.3699 | 135 | 16 | 47.6488 |
25 | 3 | 7.7305 | 62 | 7 | 20.0572 | 99 | 12 | 35.3361 | 136 | 16 | 47.6628 |
26 | 3 | 7.7445 | 63 | 8 | 23.0233 | 100 | 12 | 35.3501 | 137 | 16 | 47.6768 |
27 | 4 | 10.7106 | 64 | 8 | 23.0373 | 101 | 12 | 35.3641 | 138 | 16 | 47.6908 |
28 | 4 | 10.7246 | 65 | 8 | 23.0513 | 102 | 12 | 35.3781 | 139 | 16 | 47.7048 |
29 | 4 | 10.7386 | 66 | 8 | 23.0653 | 103 | 12 | 35.3921 | 140 | 16 | 47.7188 |
30 | 4 | 10.7526 | 67 | 8 | 23.0794 | 104 | 12 | 35.4061 | 141 | 16 | 47.7328 |
31 | 4 | 10.7666 | 68 | 8 | 23.0934 | 105 | 12 | 35.4201 | 142 | 16 | 47.7468 |
32 | 4 | 10.7806 | 69 | 8 | 23.1074 | 106 | 12 | 35.4341 | 143 | 16 | 47.7608 |
33 | 4 | 10.7946 | 70 | 8 | 23.1214 | 107 | 12 | 35.4481 | 144 | 17 | 50.7270 |
34 | 4 | 10.8086 | 71 | 8 | 23.1354 | 108 | 13 | 38.4142 | 145 | 17 | 50.7410 |
35 | 4 | 10.8227 | 72 | 9 | 26.1015 | 109 | 13 | 38.4282 | 146 | 17 | 50.7550 |
36 | 5 | 13.7888 | 73 | 9 | 26.1155 | 110 | 13 | 38.4422 | 147 | 17 | 50.7690 |
37 | 5 | 13.8028 | 74 | 9 | 26.1295 | 111 | 13 | 38.4563 | 148 | 17 | 50.7830 |
38 | 5 | 13.8168 | 75 | 9 | 26.1435 | 112 | 13 | 38.4703 | 149 | 17 | 50.7970 |
39 | 5 | 13.8308 | 76 | 9 | 26.1575 | 113 | 13 | 38.4843 | 150 | 17 | 50.8110 |
40 | 5 | 13.8448 | 77 | 9 | 26.1715 | 114 | 13 | 38.4983 | 151 | 17 | 50.8250 |
41 | 5 | 13.8588 | 78 | 9 | 26.1855 | 115 | 13 | 38.5123 | 152 | 17 | 50.8390 |
42 | 5 | 13.8728 | 79 | 9 | 26.1996 | 116 | 13 | 38.5263 | 153 | 18 | 53.8051 |
<표 O2-2> |
7. 기어의 정밀도 KS B ISO 1328-1(원통 기어-정밀도 등급 제1부: 기어의 이면에 관한 오차의 정의 및 허용차)은 단일 피치 오차(single pitch deviation), 누적 피치 오차(cumulative pitch deviation), 전체 누적 피치 오차(total cumulative pitch deviation), 전체 치형 오차(total profile deviation), 전체 잇줄 오차(total helix deviation) 등 5가지 검사 항목에 대한 허용차에 따라 기어의 정밀도 등급을 0급에서 12급까지 13개 등급으로 규정하고 있다. 0급이 가장 정밀도가 높은 기어이고 12급이 가장 정밀도가 낮은 기어이다. KS B ISO 1328-2(원통 기어-정밀도 등급 제2부: 양쪽 이면 상호 물림 오차 및 이홈 흔들림의 정의와 정밀도 허용차)는 양쪽 이면 전체 상호 물림 오차(total radial composite deviation)와 양쪽 이면 1피치 상호 물림 오차(tooth-to-tooth radial composite deviation)에 대한 허용차에 따라 기어의 정밀도 등급을 4급에서 12급까지 9개 등급으로 규정하고 있다. 4급이 가장 정밀도가 높은 기어이고 12급이 가장 정밀도가 낮은 기어이다. 참고로 KS B 1405(스퍼 기어 및 헬리컬 기어의 정밀도)는 2005년 6월에 폐지되었다. 표 O2-3은 등급별 정밀도 수준과 적용 범위를 정리한 것이다. |
등급 | 정밀도 수준과 적용 범위 |
1~2 | 특수 가공으로 얻을 수 있는 정밀도. 마스터 기어(master gear), 초고속 기어, 극한 하중과 최고의 신뢰도가 요구되는 기어 등에 적용. |
3~4 | 숙련된 기술자가 최고급 공구를 사용하여 연삭이나 세이빙으로 얻을 수 있는 높은 정밀도. 터빈(turbine) 및 항공기용 기어, 산업용 정밀 기어 등에 적용. |
5~6 | 품질보다는 생산성에 중점을 둔 연삭 또는 세이빙으로 얻을 수 있는 약간 높은 정밀도. 최고의 장비와 작업 조건이 주어진다면 호빙이나 세이핑으로도 가능하다. 산업용 중속 기어, 차량의 주요 기어 등에 적용. |
7~8 | 높은 생산성을 목표로 하는 연삭이나 세이빙 또는 숙련된 기술자가 최고급 공구를 사용하여 호빙, 세이핑으로 얻을 수 있는 중간 정도의 정밀도. 전형적인 차량용 기어, 전기 모터(motor)로 구동되는 산업용 저속 기어 등에 적용. |
9~10 | 일반적인 호빙이나 세이핑 또는 오래된 기계나 비숙련공에 의한 가공으로 얻을 수 있는 낮은 정밀도. 경도가 낮은 저속 기어 등에 적용. |
11~12 | 일반적으로 주조에 의해 얻을 수 있는 매우 낮은 정밀도. 신뢰도와 경도가 낮은 제한된 수명의 기어, 저속 및 경하중용 기어 등에 적용. |
<표 O2-3> |
8. 기어의 제도 기어를 제도할 때에는 KS B 0002(기어 제도)에 따라 다음과 같이 한다. 투상도에는 주로 기어 소재(gear blank)를 제작하는데 필요한 치수를 기입하고, 요목표(table)에는 이의 절삭, 조립, 검사 등에 필요한 사항을 기입한다. 재료, 열처리, 경도 등에 관한 사항은 요목표의 비고란 또는 도면에 적절히 기입한다. 이끝원(이끝선)은 굵은 실선으로 그린다. 피치원(피치선)은 가는 1점 쇄선으로 그린다. 이뿌리원(이뿌리선)은 가는 실선으로 그린다. 단, 정면도를 단면도로 도시할 때에는 이뿌리선을 굵은 실선으로 그린다. 베벨 기어 및 웜 휠의 측면도에서는 이뿌리원을 그리지 않는다. 헬리컬 기어, 나사 기어, 웜 등에서 잇줄 방향은 3개의 가는 실선으로 그린다. 단, 헬리컬 기어의 정면도를 단면도로 도시할 때에는 잇줄 방향을 3개의 가는 2점 쇄선으로 그린다. 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어에서 정면도를 단면도로 도시할 때에는 한 쪽 기어의 이끝원은 파선으로 그린다. 그림 O2-11은 스퍼 기어의 투상도를 그리는 방법을 나타낸 것이고, 그림 O2-12는 스퍼 기어의 요목표 작성 방법을 나타낸 것이다. |
<그림 O2-11> |
<그림 O2-12> |
그림 O2-13은 동력전달장치의 스퍼 기어를 제도한 것이다. |
<그림 O2-13> |
인벌루트 곡선과 사이클로이드 곡선 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어에서 일정한 속도, 즉 일정한 비율로 운동을 전달하는 것을 기어 치형의 공액 작용(conjugate action)이라 한다. 공액 작용을 하는 두 치형 사이에는 맞물림 법칙(the low of gearing)으로 요약되는 기하학적 관계가 성립한다. 맞물림 법칙: 두 치형의 접촉점에서 그은 치형에 대한 공통 법선은, 접촉되는 이의 모든 위치에서, 피치점이라 불리는 중심선 위의 고정된 한 점을 반드시 통과한다. 맞물림 법칙을 완전히 만족시키는 기어의 운동은 부드럽고 조용하며 진동이 없다. 그러나 맞물림 법칙을 만족시키지 못하는 기어는 회전할 때 진동과 소음이 심하고 동력전달이 원활하지 못하다. 인벌루트 곡선과 사이클로이드 곡선은 맞물림 법칙을 만족시키는 대표적인 곡선이다. 인벌루트 곡선 인벌루트 곡선(involute curve)은 원통(기초원)에 감겨진 실을 팽팽히 잡아당기면서 풀 때, 실의 끝 점이 그리는 자취이다. 그림 O2-1-1은 인벌루트 곡선이 그려지는 과정을 보여준다. |
<그림 O2-1-1> |
그림 O2-1-2는 인벌루트 곡선을 따라 만들어진 인벌루트 치형을 나타낸 것이다. 다음과 같은 인벌루트 곡선의 세 가지 주요한 장점 때문에, 오늘날에는 대부분 인벌루트 치형을 가진 인벌루트 기어가 사용된다. 공액 작용이 중심 거리의 변화와 무관하다. 즉, 중심 거리가 조금씩 변해도 속도비(speed ratio)는 일정하다. 기준 랙 치형의 치면(tooth flank)이 직선이다. 따라서 절삭 공구를 비교적 쉽고 정확하게 만들 수 있으며, 더 나아가 기어를 절삭할 때 정확도를 높일 수 있다. 피치(모듈)가 같으면 기어의 이 수에 관계없이 하나의 절삭 공구로 절삭할 수 있다. |
<그림 O2-1-2> |
사이클로이드 곡선 사이클로이드 곡선(cycloid curve)은 원통(피치원)의 바깥쪽 또는 안쪽에서 구름원이 미끄럼 없이 구를 때, 구름원 위의 한 점이 그리는 자취이다. 원통의 바깥쪽에 그려진 곡선을 에피사이클로이드 곡선(epicycloid curve), 안쪽에 그려진 곡선을 하이포사이클로이드 곡선 (hypocycloid curve)이라 한다. 그림 O2-1-3은 에피사이클로이드 곡선이 그려지는 과정을 보여준다. 사이클로이드 곡선을 이용해서 만든 치형을 사이클로이드 치형이라 하며, 사이클로이드 치형을 가진 사이클로이드 기어는 주로 시계, 계측기 등에 사용된다. |
<그림 O2-1-3> |
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