웜 드라이브
웜 드라이브(worm drive), 웜 구동은 웜(스크루 스레드 형태의 기어)이 웜 휠(스퍼 기어와 유사한 형태)과 맞물리는 기어 배열이다. 주된 목적은 두 수직 축의 운동을 전달하거나 회전 운동을 선형 운동으로 전달하는 것이다(예: 밴드형 호스 클램프). 두 기계요소는 웜 스크루와 웜 기어라고도 불린다. 웜 기어라는 용어가 웜, 웜 휠, 또는 웜 드라이브 전체를 지칭하는 데 부정확하게 사용되어 용어 혼동이 잦다.
웜 드라이브 또는 "무한 스크루"는 타렌툼의 아르키타스, 페르게의 아폴로니오스, 또는 아르키메데스 중 한 명이 발명했는데, 마지막 인물이 가장 유력한 저자이다.[1] 웜 드라이브는 나중에 인도 아대륙에서 13세기 또는 14세기 델리 술탄국 시대에 롤러 조면기에 사용되었다.[2]
설명
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웜과 웜 휠을 사용하여 설계된 기어박스는 일반 스퍼 기어로 만든 것보다 상당히 작으며, 구동축이 서로 90°를 이룬다. 단일 시작 웜의 경우 웜이 360° 회전할 때마다 웜 휠은 한 개의 톱니만큼만 전진한다. 따라서 웜의 크기와 관계없이(합리적인 공학적 한계를 고려하더라도) 기어비는 "웜 휠의 크기 - 1"이 된다. 단일 시작 웜을 가정하면 20개의 톱니가 있는 웜 휠은 속도를 20:1의 비율로 줄인다. 스퍼 기어의 경우 동일한 20:1 비율을 달성하려면 12개의 톱니가 있는 기어가 240개의 톱니가 있는 기어와 맞물려야 한다. 따라서 각 기어의 직경 피치(DP)가 동일하다면, 240개의 톱니 기어의 물리적 크기에 비해 20개의 톱니 기어의 웜 배열은 부피가 상당히 작다.
종류
[편집]웜 드라이브의 종류
[편집]전체 드라이브(웜과 휠 모두)는 다음과 같이 분류될 수 있다.
- 목이 파이지 않은 웜 드라이브
- 웜이나 웜 휠의 원주를 따라 가공된 목이나 홈이 없다.
- 단일 목 웜 드라이브
- 웜 휠만 목이 파여 있다.
- 이중 목 웜 드라이브
- 두 기어 모두 목이 파여 있다. 이 유형의 기어링은 가장 높은 하중을 지지할 수 있다.[3]
웜의 종류
[편집]이러한 분류는 웜 자체를 나타낸다.
- 엔벨로핑 웜 (모래시계 웜)
- 웜은 하나 이상의 톱니를 가지며, 중앙 부분에서 양쪽 끝으로 갈수록 지름이 증가한다.[4]:3
- 이중 엔벨로핑 웜
- 웜의 기어링은 완전히 엔벨로핑된 웜 휠과 맞물린 엔벨로핑 웜으로 구성된다. 이는 글로보이드 웜 기어링이라고도 알려져 있다.[4]:4
전달 방향
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일반 기어 트레인과 달리, 큰 감속비를 사용할 때 전달 방향(입력축 대 출력축)은 가역적이지 않다. 이는 웜과 웜 휠 사이의 마찰이 더 크기 때문이며, 특히 단일 시작(한 줄 나선) 웜이 사용될 때 두드러진다. 이는 출력이 입력을 구동할 가능성을 제거하고자 할 때 장점이 될 수 있다. 다중 시작 웜(여러 줄 나선)을 사용하면 비율이 그에 따라 줄어들고, 웜 휠이 웜을 구동할 수 있으므로 웜과 웜 휠의 제동 효과를 무시해야 할 수도 있다.
휠이 웜을 구동할 수 없는 웜 드라이브 구성은 자가 잠금이라고 불린다. 웜 드라이브가 자가 잠금인지 여부는 리드 각도, 압력 각도 및 마찰 계수에 따라 달라진다.
역사
[편집]웜 드라이브의 발명은 제1차 포에니 전쟁 중 아르키메데스에게 귀속된다고 일부는 주장한다.[1] 당시 건조되는 선박의 크기가 훨씬 더 큰 크레인을 필요로 했기 때문이다.[5]:7 이 목적으로 개발된 크레인은 웜 드라이브와 여러 확대 기어를 사용했으며 바룰콘(barulkon)이라고 명명되었다. 이 크레인에 대한 설명은 알렉산드리아 도서관에 기록되었으며, 이후의 엔지니어들은 레오나르도 다 빈치가 웜 드라이브의 첫 번째 기술 도면을 개발할 때까지 아르키메데스의 아이디어를 활용했다.[6] 이 디자인은 15세기경 금속 기어가 발명되지 않았기 때문에 한계가 있었고, 그의 생애 동안 제작되지 않았다.[7]
웜 드라이브가 발명된 이래로 큰 기어비를 사용할 때 가장 효과적이라는 사실이 인지되었다. 1900년대까지 이러한 목적으로 계속 사용되었지만, 전기 모터 초기 개발에서는 드라이브가 고속에서 과열되어 응용 분야가 제한적이었다.[5]:10 웜 드라이브의 현대적 응용은 밀폐형 기어 하우징을 통한 보다 효과적인 윤활 방법이 도입된 직후에 시작되었다.[5]:11
응용
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파워 스티어링이 도입되기 전인 20세기 초 자동차에서는 앞바퀴 중 하나가 펑크 나거나 터지면 스티어링 메커니즘이 펑크 난 타이어 쪽으로 당겨지는 경향이 있었다. 웜 드라이브를 사용하면 이러한 효과가 줄어들었다. 추가적인 웜 드라이브 개발은 마찰력을 줄이기 위한 볼 베어링으로 이어졌는데, 이는 스티어링 힘의 일부를 휠에 전달했다. 이는 차량 제어에 도움이 되고, 정밀한 스티어링에 어려움을 줄 수 있는 마모를 줄인다.
웜 드라이브는 속도를 크게 줄이고 토크를 증가시키는 데 있어 소형의 수단이다. 소형 전동기는 일반적으로 고속 저토크이므로, 웜 드라이브를 추가하면 웜 드라이브의 소형화를 고려할 때 적합한 응용 분야의 범위가 늘어난다.
웜 드라이브는 프레스기, 압연, 컨베이어 공학, 광업 기계, 방향키, 원형 톱에 사용된다. 또한, 밀링 헤드와 로터리 테이블은 조절 가능한 백래시가 있는 고정밀 이중 웜 드라이브를 사용하여 위치가 지정된다. 웜 드라이브는 소형 크기와 비가역성 때문에 많은 리프트/엘리베이터 및 에스컬레이터 구동 응용 분야에 사용된다.
돛단배 시대에는 방향키를 제어하기 위한 웜 드라이브의 도입이 중요한 진보였다. 도입 전에는 로프 드럼 드라이브가 방향키를 제어했다. 거친 바다는 방향키에 상당한 힘을 가할 수 있었고, 종종 선박을 조종하기 위해 여러 명의 선원이 필요했다. 일부 드라이브는 최대 4명의 선원이 방향키를 조작할 수 있도록 두 개의 큰 지름 바퀴를 가지고 있었다.
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웜 드라이브는 몇몇 자동차 후방 차축 최종 구동 장치(차동 기어 자체는 아님)에 사용되었다. 이는 웜이 차동 크라운 휠의 맨 위나 맨 아래에 위치한다는 장점을 활용했다. 1910년대에는 트럭에서 흔했으며, 진흙탕 길에서 최대한의 간극을 확보하기 위해 웜이 위쪽에 배치되었다. 1920년대에는 스터츠 자동차 회사가 자사 자동차에 이를 사용했으며, 경쟁사보다 낮은 바닥을 위해 웜이 아래쪽에 위치했다. 1960년경의 예로는 푸조 404가 있었다. 웜 드라이브는 차량을 후진으로부터 보호한다. 이러한 능력은 필요한 것보다 높은 감속비로 인해 대개 인기를 잃었다.[8]
이에 대한 최근의 예외는 토르센 차동 기어인데, 이는 기존 오픈 디퍼렌셜의 베벨 기어 대신 웜 휠과 유성 웜을 사용한다. 토르센 디퍼렌셜은 험비와 일부 상업용 허머 차량에 가장 두드러지게 사용되며, 아우디의 콰트로 (4륜구동)와 같은 일부 4륜구동 시스템의 중앙 디퍼렌셜로 사용된다. 골재를 운반하는 데 사용되는 것과 같은 매우 무거운 트럭은 강도를 위해 종종 웜 드라이브 디퍼렌셜을 사용한다. 웜 드라이브는 하이포이드 기어만큼 효율적이지 않으며, 이러한 트럭은 생성된 열을 흡수하고 방출하기 위해 항상 매우 큰 디퍼렌셜 하우징과 그에 상응하는 많은 양의 기어오일을 가지고 있다.
웜 드라이브는 기타, 콘트라베이스, 만돌린, 부주키, 그리고 많은 밴조(대부분의 고급 밴조는 유성 기어 또는 마찰 페그를 사용하지만)를 포함한 많은 악기의 튜닝 메커니즘으로 사용된다. 웜 드라이브 튜닝 장치를 머신 헤드라고 부른다.
플라스틱 웜 드라이브는 종종 작은 배터리 구동식 전동기에 사용되어 모터의 각속도(분당 회전수)보다 낮은 출력을 제공한다. 모터는 비교적 빠른 속도에서 가장 잘 작동하며, 금속 기어 드라이브보다 조용하다.[8] 이 모터-웜 드라이브 시스템은 장난감 및 기타 소형 전기 장치에 자주 사용된다.
웜 드라이브는 줄리(Jubilee)형 호스 클램프 또는 줄리 클립에 사용된다. 조임 나사의 웜 나사산이 클램프 밴드의 슬롯과 맞물린다.
때때로 웜 드라이브는 역방향으로 작동하도록 설계되어 웜 샤프트가 입력보다 훨씬 빠르게 회전한다. 이러한 예는 일부 수동 원심분리기, 대장장이 용광로 송풍기, 또는 음악상자의 바람 조속기에서 볼 수 있다.
왼손 및 오른손 웜
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오른손 헬리컬 기어 또는 오른손 웜은 축을 따라 바라보는 관찰자로부터 멀어질수록 톱니가 시계 방향으로 꼬이는 것이다. 오른손 및 왼손 명칭은 나사산(외부 및 내부 모두)에 대한 오래된 관행과 동일하다. 평행 축에서 작동하는 두 개의 외부 헬리컬 기어는 반대 방향이어야 한다. 내부 헬리컬 기어와 피니언은 같은 방향이어야 한다.
왼손 헬리컬 기어 또는 왼손 웜은 축을 따라 바라보는 관찰자로부터 멀어질수록 톱니가 반시계 방향으로 꼬이는 것이다.[4]:72
제조
[편집]웜 휠은 먼저 톱니를 대략적으로 가공하기 위해 개싱한 다음, 종종 .5 밀리미터 (0.020 in) 이내로 기어의 최종 형상에 가깝게 정밀 가공한다. 개싱이 충분히 정확하게 이루어지면 호브 절삭 공정을 위한 특수 도구가 필요하지 않다. 몇 번의 개싱 작업을 거친 후 최종 형상으로 호브 절삭된다.[9]
같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ 가 나 Witold Rybczynski, One good turn : a natural history of the screwdriver and the screw. London, 2000. Page 139.
- ↑ Irfan Habib, Economic History of Medieval India, 1200–1500, page 53, Pearson Education
- ↑ J. Hayavadana (2019년 3월 7일). 《Textile Mechanics and Calculations》. Woodhead Publishing India PVT. Limited. 80–쪽. ISBN 978-93-85059-86-5.
- ↑ 가 나 다 《Gear Nomenclature, Definition of Terms with Symbols》. American Gear Manufacturers Association. 2005. ISBN 978-1-55589-846-5. OCLC 65562739. ANSI/AGMA 1012-G05.
- ↑ 가 나 다 Dudás, Ilés (2005년 11월 4일). 《The Theory and Practice of Worm Gear Drives》 (영어). Butterworth-Heinemann. 7–12쪽. ISBN 978-0-08-054274-4.
- ↑ Chakroun, Ala Eddin; Hammami, Ahmed; Hammami, Chaima; de-Juan, Ana; Chaari, Fakher; Fernandez, Alfonso; Viadero, Fernando; Haddar, Mohamed (2023년 6월 15일). 《Numerical and experimental study of the dynamic behaviour of a polymer-metal worm drive》 (영어). 《Mechanical Systems and Signal Processing》 193. Bibcode:2023MSSP..19310263C. doi:10.1016/j.ymssp.2023.110263. hdl:10902/28323.
- ↑ Sarka, Ferenc (2014). 《ENVIRONMENTALLY FRIENDLY DESIGN OF GEAR DRIVES》 (PDF) (학위논문). University of Miskolc. 2023년 12월 28일에 확인함.
- ↑ 가 나 Liou, Joe J.; Rakuff, Stefan (February 2018). “The Development of Worm Drives” (PDF). 《Power Transmission Engineering》. 38–43쪽. 2023년 12월 28일에 확인함.
- ↑ Oberg, Erik (1920). “Spiral and worm gearing”. The Industrial Press. 213–214쪽.
외부 링크
[편집]
- Kinematic Models for Design Digital Library (KMODDL)
코넬 대학교의 수백 개의 작동하는 기계 시스템 모델의 동영상 및 사진. 또한 기계 설계 및 공학에 대한 고전 텍스트의 전자책 도서관도 포함한다. - 웜 드라이브 공식 및 계산
- 다양한 미터법 기어 다운로드 가능한 설계 사양, 2D-3D 모델 및 카탈로그
- 다양한 웜 기어박스, 3D 모델
- 웜 샤프트 및 웜 기어 가공
