베벨 기어 기구를 활용한 L 모형: 직각으로 교차하는 2개의 축 사이에서 회전운동을 전달하는 메커니즘

베벨기어 (Bevel Gear)와 베벨기어 기구(Bevel Gear Mechanism)

베벨기어(Bevel Gear)는 원추형 바퀴 둘레에 톱니 모양의 이빨을 붙이거나 파내어 만든 원추형 기어입니다.

스트레이트 베벨기어의 각부 명칭

 

베벨기어 기구(Bevel Gear Mechanism)는 서로 교차하는 두 축 사이에서 회전운동을 전달하기 위해 사용되는 일종의 기어 전동 기구입니다. 이 기구는 베벨기어 2개 이상과 샤프트, 베어링, 하우징 등의 기계요소가 조립된 동력 전달 메커니즘으로 베벨기어를 포함한 구동계 전체를 의미합니다.

이 기구는 회전 방향을 전환하거나 회전 속도를 제어하는 기능을 하며, 핸드드릴, 조향장치, 차동기어 등에 활용됩니다. 일반적으로 두 축은 90도로 교차하지만, 반드시 직각일 필요는 없습니다. 모터의 회전력을 다른 방향으로 효율적으로 전달할 수 있도록 설계되어 있으며, 특히 수동드릴, 차동기어(differential), 산업용 기계 등 다양한 곳에서 활용됩니다.

 

베벨기어는 원추형 바퀴 둘레에 톱니 모양의 이빨을 붙이거나 파내어 만든 원추형 기어

 

베벨기어의 종류

베벨기어(Bevel Gear)는 축의 교차각, 이빨의 모양, 기어의 용도에 따라 여러 가지로 분류됩니다. 아래는 대표적인 베벨기어의 종류입니다.

1. 스트레이트 베벨기어(Straight Bevel Gear)

• 이빨이 직선형이며 피치 원추면에 직각으로 배치, 이빨의 나선각이 0도
• 단순 직선 칼날을 가지며, 거칠게 맞물림
• 가장 단순한 형태
• 저속·중하중 조건에서 사용
• 맞물림 시 충격과 소음이 크고, 고속에는 부적합

🔧 주로 사용되는 곳: 수동 핸드드릴, 기계식 커터, 간단한 감속장치

2. 스파이럴 베벨기어(Spiral Bevel Gear)

• 이빨이 곡선형(나선형)으로 되어 있고, 부드럽게 맞물림
• 스트레이트형보다 고속·고하중에 적합
• 맞물림 시 충격과 소음이 적고, 효율이 높음
• 제조는 복잡하고 비용이 높음

🔧 주로 사용되는 곳: 자동차 차동기어, 공작기계, 정밀기계

3. 제로 베벨기어(Zero Bevel Gear)

• 스파이럴 베벨기어처럼 생겼지만 이빨이 직선형이며 나선각이 0도임
• 직선형의 이빨이 피추원추면에 곡선으로 배치되어 좀 더 부드럽게 맞물림
• 스트레이트형과 스파이럴형의 중간 성격
• 부드러운 맞물림과 중간 정도의 제조 난이도

🔧 주로 사용되는 곳: 중간 속도와 중간 부하 환경

4. 하이포이드 기어(Hypoid Gear)

• 스파이럴 베벨기어와 유사하지만, 두 축이 동일 평면에서 교차하지 않고 평행하지도 않음
• 축 간 거리(offset)가 존재함
• 토크 전송력이 매우 크고, 소음이 적고 부드러운 작동
• 자동차의 후륜차 차동기어에 자주 사용

🔧 주로 사용되는 곳: 후륜 자동차 리어 액슬, 대형 산업기계

5. 마이터 기어(Miter Gear)

• 두 베벨기어의 이빨 수가 같고, 축의 교차각이 정확히 90도
• 일반적으로 1:1 전달비
• 속도 변화 없이 회전 방향만 전환

🔧 주로 사용되는 곳: 정밀 제어장치, 계측기, 동력전달 장치

 

베벨기어 비교표

종류	이빨 형상	특징	용도
스트레이트	직선형	간단, 소음 큼	수동기계, 저속
스파이럴	곡선형	부드럽고 정숙	자동차, 고속장비
제로	직선+곡선 중간	중간 특성	중간 속도
하이포이드	비교차형	강력한 토크 전달	자동차 리어 액슬
마이터	1:1 비율	회전 방향만 변경	계측기, 90도 전달장치

 

베벨기어 기구의 구조 및 작동원리

베벨기어는 원추 형상을 기본으로 합니다. 피치원추(Pitch Cone)는 베벨기어의 중심 각도와 이빨 배열을 정의하는 가상의 원추 표면입니다. 두 베벨기어가 맞물릴 때, 각각의 피치원추는 꼭짓점에서 만나며, 이 접점이 두 축의 교차점이 됩니다. 즉, 피치원추는 베벨기어 설계의 기준면 역할을 합니다.

두 원추의 꼭짓점이 서로 만나는 베벨기어

 

구조적으로는 다음과 같은 구성 요소를 갖습니다:

• 톱니 (Teeth): 원추 표면을 따라 일정한 각도로 절삭되어 있으며, 헬리컬 또는 스트레이트 타입 등이 있습니다.
• 피니언(Pinion): 잇수가 더 작은 쪽 베벨기어
• 기어(Gear): 잇수가 더 큰 베벨기어

작동원리는 간단합니다. 한 축이 회전하면 기어의 이빨이 맞물려 있는 상대 기어의 이빨을 밀면서, 교차하는 축 방향으로 회전력을 전달합니다. 이때 회전비와 전달 방향은 이빨의 수와 두 축의 위치에 따라 결정됩니다.

 

베벨기어 기구의 특징 및 장점

1) 직각 또는 다양한 각도로 회전 전달 가능
대부분의 스퍼기어가 평행축을 기준으로 작동하는 반면, 베벨기어는 교차축 간의 회전운동 전달이 가능해 공간 활용에 유리합니다.

2) 고효율 동력 전달
이빨 간 접촉면이 넓고 부드럽게 맞물려 효율적인 동력 전달이 가능합니다.

3) 토크 증폭 가능
피니언과 기어의 잇수비에 따라 전달 토크를 증가시키거나 전달 속도를 조절할 수 있습니다.

4) 정밀한 제어 가능
고속이나 고정밀이 요구되는 장비에서도 안정적으로 작동합니다.

 

베벨기어 기구의 한계점 및 고려사항

1) 제작 정밀도 필요
원추형 표면에 이빨을 절삭해야 하므로 일반 평기어보다 정밀한 가공이 필요하고 제작 비용이 높을 수 있습니다.

2) 부하에 민감한 구조
과도한 하중이나 충격에는 마모가 빨리 일어날 수 있습니다.

3) 윤활 관리 필수
고속 회전이나 장시간 사용 시 마찰과 발열이 크므로 윤활이 필수입니다.

4) 축 정렬 정확성 요구
두 축이 정확히 교차하지 않거나 중심이 틀어지면 마모와 소음이 심해질 수 있습니다.

 

베벨기어 기구의 응용 분야

서로 교차하는 2개의 축 사이에서, 기어비에 따라 다양한 속도와 회전력을 전달할 때 많이 사용되며 달걀을 저어서 거품을 내는 기구, 수동 드릴 등에 응용됩니다.

1. 수동드릴 및 기계식 공구

손으로 돌리는 핸드드릴 내부에는 베벨기어 2개가 장착되어 축 방향을 직각으로 바꿔 회전력을 전달합니다.

수동드릴

 

2. 차량용 차동기어(Differential)

자동차의 뒷바퀴에 회전력을 좌우로 분배할 때, 베벨기어 메커니즘이 필수적으로 활용됩니다.

3D 프린터로 만든 차동기어

 

3. 산업용 기계 및 감속기

공작기계, 자동화 로봇의 관절, 컨베이어 시스템 등에 회전운동의 방향을 일정한 각도로 전환할 때 적용됩니다.

4. 항공 및 선박 시스템

조향 장치, 제어 시스템 등에서 제한된 공간에서의 동력을 다른 방향으로 바꿀 때 적합합니다.

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L 모형 소개

기계공학 기구학 실습용, A부터 Z까지 26종 메커니즘 모형 중 12번째는 L 모형입니다.

베벨기어 기구를 활용한 L 모형의 3D 모델링

 

◎ 특성

구분	내용
이름 (별명)	L
No	M25-1b2
구조	기어 전동 기구 베벨기어 기구
기능	회전운동 <---> 회전운동 직각 방향
부품수	8개

 

◎ 특징

베벨기어 기구를 활용한 L 모형의 3D프린팅 #1

 
● 베벨기어 기구(Bevel Gear Mechanism)를 활용한 L 모형입니다.

● 두 축이 알파벳 L과 같이 동일한 평면 안에 있으며 직각으로 교차합니다.

● 입력축의 회전운동이 알파벳 L처럼 90도 방향에 있는 출력축으로 전달됩니다.

● 초록색 베벨기어(잇수 30개)와 빨간색 베벨기어(잇수 15개)가 서로 맞물려 있습니다.

● 두 기어의 잇수에 따라 전달되는 토오크(회전력)와 속도가 달라집니다.

● 잇수가 큰 기어가 잇수가 작은 기어를 회전시키므로, 전달되는 회전력은 1/2배로 작아지고, 전달되는 속도는 2배로 커집니다.

● 입력과 출력을 서로 바꾸면, 전달 회전력은 2배로 커지고 전달 속도는 1/2로 작아집니다.

 

◎ 작동 1

		입력	출력
1	부품	초록색 베벨기어	빨간색 베벨기어
	운동	시계방향 회전운동	반시계방향 회전운동
	잇수	30	15
	회전수	1	2
	속도	1	2
	회전력	1	1/2

 

베벨기어 기구를 활용한 L 모형의 3D프린팅 #2

 

① 초록색 베벨기어 가 시계방향으로 1회 회전운동을 합니다.

② 빨간색 베벨기어는 반시계 방향으로 2회 회전운동을 합니다.

 

◎ 작동 2

		입력	출력
2	부품	빨간색 베벨기어	초록색 베벨기어
	운동	시계방향 회전운동	반시계방향 회전운동
	잇수	15	30
	회전수	2	1
	속도	2	1
	회전력	1	2

 

베벨기어 기구를 활요한 L 모형의 3D프린팅 #3

 

① 빨간색 베벨기어가 시계방향으로 2회 회전운동을 합니다.

② 초록색 베벨기어는 반시계 방향으로 1회 회전운동을 합니다.

 

◎ 조립 및 작동영상

베벨기어 기구를 활용한 L 모형의 부품 리스트

기계공학 기구학 실습용 26종 메커니즘 모형 중 베벨기어 기구를 활용한 L 모형

◎ 관련모형

S 모형 : 스퍼기어 - 평행한 두 축 사이에서 회전운동 전달

L 모형 : 베벨기어 - 직각으로 교차하는 두 축 사이에서 회전운동 전달

 

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