피셔테크닉(Fishertechnik)으로 배우는 단식 스퍼기어열(Simple Spur Gear Train)의 교육적 가치와 실습 사례

단식 스퍼기어열(Simple Spur Gear Train)의 기본 개념

단식 스퍼기어열은 기계공학 및 기구학에서 가장 기초적이면서도 널리 사용되는 기어 메커니즘의 한 형태로, 일반적으로 2개 이상의 스퍼기어(직선 톱니 기어)가 하나의 평면상에 위치하며 직접 맞물리는 방식으로 동력을 전달합니다. 이 구조는 매우 단순하고 직관적이기 때문에, 기어 메커니즘의 입문 단계에서 반드시 학습하게 되는 기본 모델이기도 합니다.

1) 구조 및 작동원리

● 각 기어의 중심축은 서로 평행하며, 동일 평면상에 배치됩니다.

● 스퍼기어 두 개가 직접 맞물리면, 한 기어의 회전 방향과 맞물린 기어의 회전 방향은 서로 반대입니다.

● 중간에 아이들러 기어(idler gear)를 삽입함으로써 회전 방향을 제어(전환, 반전)할 수 있습니다.

● 톱니 간의 정확한 치합(맞물림)을 통해 슬립 없는 동력 전달이 가능합니다.

2) 주요 기능

1. 기어비 조절 (Gear Ratio Control)

● 작은 기어에서 큰 기어로 전달할 경우 속도는 감소하고 토크(회전력)는 증가하며,

● 반대로 큰 기어에서 작은 기어로 전달하면 속도는 증가하고 토크는 감소합니다.

● 이는 기계적 에너지 전달의 효율성과 목적에 따라 설계될 수 있습니다.

 

2. 회전 방향 전환 (Direction Reversal)

● 기어가 2개만 있을 경우, 구동 기어와 종동 기어는 서로 반대 방향으로 회전합니다.

● 중간에 아이들러 기어 하나를 삽입하면 다시 같은 방향으로 회전하게 만들 수 있습니다.

● 이러한 방향 전환은 복잡한 장치 없이도 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

3. 토크 변화 (Torque Transmission)

● 기어비에 따라 회전력의 크기가 변하게 되며, 이는 부하가 걸리는 장비나 장치에 적절한 힘을 전달하는 데 매우 중요한 요소입니다.

---

 

단식 스퍼기어열의 교육적 가치

단식 스퍼기어열(Simple Spur Gear Train)은 기계공학 교육의 초입에서 반드시 다루어야 할 핵심 메커니즘 중 하나로, 학습자에게 기계적 동력 전달의 기본 원리를 명확하게 이해시키는 데 중요한 역할을 합니다. 복잡한 구조나 수식 없이도 작동방식이 직관적으로 이해되기 때문에, 기초 기계요소 설계 교육, STEAM 실습 교육, 메카트로닉스 입문 수업 등에서 널리 활용되고 있습니다.

 

다음은 단식 스퍼기어열을 통해 기대할 수 있는 주요 교육적 효과들입니다:

1. 기어비 계산 및 회전 방향 제어 실습

스퍼기어는 잇수에 따라 회전 속도가 달라지며, 이를 통해 학습자는 기어비(Gear Ratio)의 개념을 정확하게 이해할 수 있습니다.
기어 2개 구조부터 중간의 아이들러 기어(idler gear)를 포함한 기어 3개 구조까지 실습함으로써, 기어 간의 회전 방향이 어떻게 반전 또는 유지되는지를 직접 체험할 수 있습니다. 이러한 실습은 수학적 원리와 물리적인 작동을 연결 짓는 중요한 다리 역할을 합니다.

2. 입력-출력 간 동력 변환 메커니즘 이해

단식 스퍼기어열은 입력 회전운동이 스퍼기어를 통해 출력 측에 어떻게 전달되는지를 이해하는 데 매우 유용합니다. 회전운동의 전달 경로, 회전 방향, 토크 등을 시각적으로 관찰하고 직접 조작해 보면서, 학생들은 기계 시스템에서의 동력 흐름(Dynamic Power Flow) 개념을 쉽게 받아들일 수 있습니다.

3. 토크와 속도의 상관관계에 대한 직관적 체험

스퍼기어열은 감속 또는 가속을 자유롭게 구성할 수 있습니다. 기어비가 1보다 클 경우 토그는 증가하고 속도는 느려지며, 1보다 작을 경우 경우 토크는 느려지고 속도는 빨라지는 현상을, 실습을 통해 명확하게 체험할 수 있습니다.

속도와 토크는 서로 반비례 관계에 있습니다. 하나를 늘리면 다른 하나는 줄어드는 ‘트레이드오프’ 개념은 산업기계나 로봇의 구동 시스템을 설계할 때 꼭 이해하고 있어야 할 기초 지식입니다

4. 기어 간 마찰, 유격, 백래시(Backlash) 등의 기계적 요소 실습

단식 스퍼기어열을 실물 조립으로 실습하면, 기어 간의 이격 거리, 유격, 마찰력, 운동 손실 등 실제 기계 설계에서 고려해야 할 요소들을 몸으로 체험하면서 학습할 수 있습니다.
기어 간의 적정한 간격을 맞추지 않으면 톱니가 맞물리지 않거나, 백래시로 인해 부정확한 회전 전달이 발생할 수 있습니다. 이를 경험하면서 정밀 기계 설계의 중요성에 대한 인식이 자연스럽게 자리잡게 됩니다.

---

단식 스퍼기어열 실습 사례

1) 피셔테크닉(Fishertechnik) – 기어열 학습 모형

구현 예:
피셔테크닉의 Mechanics & Statics, STEM Gears 시리즈는 다양한 크기의 스퍼기어를 포함하고 있어 기어열의 기본 원리를 실험적으로 학습하는 데 최적화되어 있습니다. 주로 초등 고학년부터 고등학생까지, 기계의 운동 원리를 직관적으로 이해할 수 있도록 설계되어 있습니다.

 

사용 목적:
이 메커니즘의 주요 목적은 기어비(Gear Ratio)의 개념을 이해하고 계산하는 것입니다. 또한 중간에 아이들러 기어를 삽입하여 회전 방향이 반전되는 원리를 실습하고, 회전체의 속도 변화와 토크(힘)의 증감 관계를 직접 눈으로 확인할 수 있도록 도와줍니다.

 

구성 방식:

스퍼기어는 10T(잇수), 20T, 30T, 60T 등 다양한 크기로 제공되며, 서로 조합하여 실험을 구성할 수 있습니다.

기본 구조는 모터 → 작은 기어(구동기어) → 아이들러 기어 유 또는 무 → 큰 기어(종동기어)로 연결되어 감속이 일어납니다.

중간에 아이들러 기어를 하나 이상 삽입하면 회전 방향이 어떻게 전환되는지 원리를 체험할 수 있습니다.

 

특징 및 교육 포인트:

실제 공학에서 사용되는 감속 원리를 체험할 수 있습니다.

기어 간 마찰, 유격, 마모 등 기계적 손실 개념까지 확장해서 학습할 수 있습니다.

물리, 기술, 공학 교과에서 실습 교구로 적합하며, 기어비 계산과 속도 변환의 수학적 원리까지 통합적으로 접근할 수 있습니다.

2) 소형 모터 구동기 – DIY 전동 팬 메커니즘

구현 예:
피셔테크닉 또는 메이커 키트를 기반으로 하는 DIY 구동장치 제작에 자주 활용됩니다. 예를 들어 미니 송풍기, 간이 양수기, 회전식 구조물 등에 사용되며, 모터의 회전 운동을 간단한 스퍼기어열로 원하는 속도로 변환할 수 있습니다.

 

사용 목적:
소형 모터는 일반적으로 고속·저토크의 회전 특성을 가집니다. 이 모터를 감속시켜 반대로 저속·고토크의 회전 운동으로 전환하는 것이 주 목적입니다. 또한 직접 연결이 어려운 두 평행축 사이를 스퍼기어로 연결함으로써 설계 자유도를 높이고, 회전 전달 효율을 높일 수 있습니다.

 

구성 방식:

전동 모터 → 스퍼기어열(감속용) → 최종 회전축(프로펠러 등)

스퍼기어의 잇수나 개수를 조절하여 회전 속도나 방향을 변경하거나, 토크를 강화할 수 있습니다.

필요에 따라 4 개 이상의 기어를 직렬(계단식)로 배치하는 복식 스퍼기어열을 활용하여 다단 감속도 구현할 수 있습니다.

 

특징 및 교육 포인트:

가정용 또는 취미용 소형 구조물 설계 실습에 적합합니다.

실생활 속 회전기기(선풍기, 믹서기, 전동 펌프 등)의 원리를 체험적으로 학습할 수 있습니다.

기계설계 기초, 모터와 기어의 물리적 연결 원리, 속도 제어에 대한 직관적인 체험을 하는 데 효과적입니다.

3) 산업용 컨베이어 모형 – 피셔테크닉 Industry Simulation

구현 예:
피셔테크닉의 Industry Simulation 시리즈는 실제 산업 현장의 컨베이어 시스템, 자동화 라인, 분류기 구조를 축소 모형으로 구현할 수 있는 고급 키트입니다. 자동화 시스템의 핵심은 일정한 속도로 동력을 전달하는 기어열이며, 이를 2개 이상의 스퍼기어로 간단하게 구현할 수 있습니다.

 

사용 목적:
정확하고 반복 가능한 이송 시스템 구현이 핵심 목적입니다. 물체를 정해진 거리만큼 일정 속도로 이동시키기 위해 회전속도 제어가 필요하며, 스퍼기어의 감속 역할이 중요하게 작용합니다. 또한 이 구조는 실제 산업 자동화 시스템에서 모터 → 기어 → 풀리 → 벨트 → 컨베이어로 이어지는 동력 전달 체계를 그대로 따릅니다.

 

구성 방식:

전동 모터 → 소형 스퍼기어(구동기어) → 아이들러 기어 유 또는 무 → 대형 스퍼기어(종동기어)

이후 대형 스퍼기어와 연결된 풀리를 통해 벨트를 회전시키고, 이를 통해 이송대를 움직이게 합니다.

기어비에 따라 속도나 토크를 미세 조정할 수 있습니다.

 

특징 및 교육 포인트:

실질적인 생산 설비 구조를 이해하고 설계하는 기초 교육으로 적합

직선 운동으로의 전환 원리를 실습하고, 동기화 기술을 체험할 수 있음

센서와 연동하면 피더, 정지, 분류 등의 자동화 실습도 확장 가능

4) 기초형 시계 메커니즘 – Gear Clock Kit

구현 예:
기초형 시계 메커니즘은 단식 스퍼기어열을 활용하여 시계의 회전 속도를 제어하는 방식입니다. 복잡한 차동 기어나 헬리컬 기어 없이, 스퍼기어만으로 기본적인 시계 작동 원리를 구현할 수 있습니다.

 

사용 목적:
모터의 빠른 회전운동(예: 분당 60회)을 아주 느린 회전(예: 분당 1회 또는 시간당 1회)으로 감속하여 바늘의 정확한 움직임을 구현하는 것이 목적입니다. 시간의 흐름을 물리적으로 ‘눈에 보이게’ 만드는 구조로, 감속 기어를 사용하는 대표적인 사례입니다.

 

구성 방식:

구동축에서 발생하는 회전 운동 → 스퍼기어를 활용한 감속 → 시침/분침에 전달

일반적으로 12:1, 60:1과 같은 기어비를 사용하며, 필요한 감속 정도에 따라 여러 기어를 직렬로 배열합니다.

기어 잇수에 따라 회전비를 정밀하게 조정할 수 있습니다.

예를 들면, 
구동 모터 (60 rpm) --분당 60회전

↓ 1단 감속 (5:1 기어비 사용)

12 rpm--분당 12회전

↓ 2단 감속 (12:1 기어비 사용)

1 rpm --분당 1회전

↓ 3단 감속 (60:1 기어비 사용)

0.0167 rpm = 1분당 0.0167회전 = 1시간당 1회전

 

특징 및 교육 포인트:

시간 단위의 회전 감각을 수학적으로 연결하여 이해 가능

기어비가 어떻게 시간 단위 회전에 영향을 주는지를 시각적으로 학습

감속 설계, 정확도, 정밀 제어에 대한 기초 개념을 익히는 데 유용

5) STEAM 교육용 감속기 실험 – 과제 기반 설계

구현 예:
“1,000rpm을 100rpm으로 감속하라”는 식의 목표 과제를 주고, 학습자가 직접 기어비를 계산하고 단식 스퍼기어열을 설계하여 목표 속도를 구현하도록 유도하는 STEAM 교육용 실험입니다. 피셔테크닉의 STEM 교재에 자주 포함되어 있습니다.

 

사용 목적:
단순한 기어 이론 이해를 넘어, 실제 과제를 해결하기 위한 설계적 사고력과 문제 해결력을 기르는 것이 목적입니다. 수학과 공학의 융합 사고를 동시에 요구하는 프로젝트식 학습 모델입니다.

 

구성 방식:

다양한 스퍼기어 조합(10T, 20T, 40T, 80T 등)을 사용하여 단식 스퍼기어열을 구성

각 기어의 잇수를 계산하여 원하는 전체 기어비(또는 감속비)를 맞춤

중간에 아이들러 기어를 삽입하면 속도에는 영향을 주지 않지만 회전 방향 변화 실습 가능

 

특징 및 교육 포인트:

잇수와 기어비의 정량적 관계를 수학적으로 분석

동일한 감속비를 달성하기 위한 다양한 조합 방법 비교

창의적 설계, 반복 테스트, 최적화 사고 훈련 가능

팀 프로젝트, 발표, 평가형 수업에도 응용 가능

---

피셔테크닉으로 조립한 단식 스퍼기어열 모형

스퍼기어를 2개 이상 조합해서 단식 스퍼기어열 모형을 조립할 수 있습니다. 피셔테크닉 부품의 장점 중의 한 가지는직각빔, 직선빔, 앵글빔 등과 같은 ​원하는 빔의 종류와 길이를 기본 크기의 단위 블록을 조합해서 만들 수 있다는 것입니다. 레고 테크닉 빔의 경우 빔의 길이와 종류가 이미 일정한 규격으로 만들어져 있어서 필요한 부품을 가져다 사용하는 방식입니다.

 

​이번 단식 스퍼기어열 모형의 경우 사용하는 기어의 크기에 맞게 단위 블록을 조합해서 원하는 길이로 직선빔을 조립하였습니다​. 단식 스퍼기어열 모형에 사용된 스퍼기어의 개수는 총 6개이고 기어의 잇수는 좌측부터 순서대로 10, 20, 10, 30, 40, 10입니다.

스퍼기어 6개로 만든 단식 스퍼기어열

 

기어의 개수가 짝수이므로  1번째 기어(구동 기어)의 회전 방향과 6번째 기어(종동 기어)의 회전방향은 반대입니다. 기어의 개수가 홀수일 경우 구동기어와 종동기어는 같은 방향으로 회전합니다.

 

그러면 단식 스퍼기어열 모형의 전체 기어비는 어떻게 될까요?

입력 기어(1번째 기어)와 출력 기어(6번째 기어)를 제외한 중간에 사용한 4개의 아이들러 기어는 두 축(1번째 기어와 6번째 기어) 사이의 거리를 조정하는 데 사용하지만 전체 기어비에는 영향을 주지 않습니다. 따라서 전체 기어비는 입력 기어의 잇수 10과 출력 기어의 잇수 10만 고려하면 되므로 전체 기어비=10:10=1:1이 됩니다. 즉, 스퍼기어가 6개나 연결되어 있지만 입력 기어가 1 회전하면 출력 기어도 1 회전합니다.

 

 

---

단식 스퍼기어열(Simple Spur Gear Train)은 단순하지만 그 안에 담긴 기계공학적 원리는 매우 깊이 있고 실용적입니다.
같은 평면 위에서 회전 운동을 정확하게 전달하며, 속도와 토크를 조절하고, 회전 방향까지 제어할 수 있는 이 메커니즘은 기계요소 설계의 기본이자, 모든 동력 전달 시스템의 출발점이라 할 수 있습니다.

피셔테크닉과 같은 교육용 키트를 활용하면 단식 스퍼기어열의 구조적 특징과 작동 원리를 손으로 직접 체험하며 학습할 수 있습니다.
이는 단순한 조립 활동을 넘어, 기어비 계산, 회전 방향 제어, 마찰과 유격 문제 이해, 감속기 설계 사고력 등 실제 산업기술에 필요한 기초 역량을 자연스럽게 키워주는 훌륭한 교육 도구가 됩니다.

기계공학을 처음 접하는 학생부터 로봇 설계와 자동화를 공부하는 고등 학습자, 그리고 창의적 문제 해결 능력을 기르고자 하는 일반인에게까지, 단식 스퍼기어열은 가장 쉽고 확실한 기계 원리 학습의 출발점이 되어줍니다.
복잡한 기계도 결국은 단순한 기어에서 시작된다는 것을 기억한다면, 오늘 우리가 만지는 하나의 작은 기어가 미래의 기술을 움직이는 큰 톱니바퀴가 될 것입니다.