글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/기계-건설기술/기 계 기 술/운동전달기계의 원리

기계의 운동과 메커니즘

기계의 일과 동력

( 機械－動力)    기계를 사용하는 목적의 하나는, 일을 빨리하는 것, 즉 단위시간 내에 될수록 많은 일을 하는 것이다. 여기에 '일'을 물리적인 표현으로 나타낸다면, 변위(變位)와 변위방향의 분력(分力)과의 곱(積)(병진운동인 경우), 회전각(回轉角)과 토크(회전모멘트)와의 곱(회전운동인 경우)으로 나타내어진다. 따라서 단위시간당의 일은, 속도와 속도의 방향분력(方向分力)과의 곱(병진운동인 경우), 또는 각속도(角速度)와 토크와의 곱(회전운동인 경우)으로 나타내어진다.이것을 '동력(power)'이라 하며, 이것을 일람표로 나타내면 〔표〕－1과 같이 된다.힘이 작용하고 있어도 힘의 방향 변위가 전혀 일어나지 않는다면 일은 진행되지 않으며, 동력도 소비되지 않는다.

 

〔표〕-1  일과 동력
운동의 종류	일	동력=일 1시간
병 진 운 동	힘×변위	힘×변위 ――――― 시  간	=힘×속도
회 전 운 동	토크×회전각	토크×회전각 ――――――― 시    간	=토크×각속도

 

 

기계에 의한 에너지변환

機械－energy 變換

기계로 하여금 일을 하게 하기 위해서는 기계에다 에너지를 공급하지 않으면 안 된다. 기계에 공급된 에너지는, 그 일부가 마찰 등으로 보람없이 소비되지만, 나머지는 유효한 일을 한다. 따라서 일의 단위는 에너지의 단위와 본질적으로 동일하고 공학단위에서는 ㎏·m가 주로 쓰여지며, 동력의 단위로서는 킬로와트(㎾, 1㎾＝102㎏·㎧) 또는

마력(HP：horse power, 1HP·㎧)이 쓰인다.

공급되는 에너지는 회전동력과 같은 기계적 에너지 형태의 것 외에 화학적 에너지·전기적 에너지·위치적 에너지 등을 기계적 에너지로 바꾼 것 등이 있다.

가령 가솔린기관은 가솔린을 연소시켜서 얻어지는 고온·고압의 가스에 의해 피스톤에 왕복운동을 부여하고, 이로부터 피스톤－크랭크기구(機構)에 의해서 크랭크축의 회전동력을 인도(引導)한다. 이것은 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한 것이다.

전동기는 전기적 에너지를 회전자(回轉子)의 회전이라고 하는 기계적 에너지로 변환하는 것이며, 수차(水車)는 높은 곳에 있는 물이 갖는 위치에너지를 수차의 회전이라고 하는 기계적 에너지로 변환시키는 것이다. 또 전동기에 의해서 구동(驅動)되는 기계는, 전동기에 의해서 얻어진 기계적 에너지가 기계 속을 전달되어 가는 것이다.

기계에 공급되는 동력을 입력(入力), 기계에 의해서 밖으로 공급되는 동력을 출력이라 하며, 출력과 입력의 비(比)를 기계의 효율이라고 한다.

링크

( link)    기계 속에 도입되어진 동력은, 여러 모양의 얼개에 의해서 운동부분으로 전달되어서 필요한 일을 하는데, 그 동력을 운반하는 역할을 하는 것, 즉 동력의 담당자가 '링크'이다. 링크에는 〔표〕－2로 나타낸 것같이 각종 형태의 것이 있다. 축과 같은 강성고체링크(剛性固體 link)는 잡아당김·압축·굽힘·비틀림 등 모든 형태의 동력을 전할 수 있다. 이와는 달리 벨트나 로프와 같은 흔들림성이 있는 고체링크(固體 link)는 잡아당김에 의해 동력을 전한다. 또 기름이나 물·증기와 같은 유체에 의한 링크에서는, 미는 쪽으로밖에 동력을 전할 수가 없다. 체인은 강성인 고체링크를 여러 개 굴곡자재(屈曲自在)로 연결한 것으로서, 전체로서는 잡아당김에 의해서만 동력(動力)을 전한다. 또 전자기를 사용하면 눈에 보이는 물체에 의존치 않고서 동력을 전달할 수가 있지만, 이것은 좁은 뜻의 기계적 링크로서는 취급하지 않는다.
 

〔표〕-2  링크의 형태
링크의 종류		예(例)	작용하는 힘
고체	강성(剛性) 고체 굽힘성 고체	봉(俸)·들보 축 벨트·로프·체인	잡아당김·압축·구부림·비틀림·잡아당김
유체(流體)		물·기름·공기·증기·가스	압축
공간		전자기(電磁氣)	전자력(電磁力)

운동의 형태와 기구

運動－形態－機構

기구(機構)의 운동은 회전운동·직선운동 혹은 그들의 결합으로써 이뤄지며, 각점의 운동이 하나의 평면에 평행이 되는 평면 내에서 행해지는 평면운동이 많은데, 구면운동(球面動)·나사운동 따위와 같은 입체(立體)운동도 있으며, 그것들 사이에 운동의 형태를 변환하여야만 할 필요성이 있는 경우도 있는가 하면, 속도를 증감(增減)시킨다든지 등속운동·부등속운동·간헐운동(間歇運動)의 간격을 바꿀 필요도 생긴다. 그러기 위해서 각양각색의 얼개가 여러 가지의 경우에 알맞게 쓰여지고 있다.

피스톤－크랭크기구

piston－crank機構

회전운동

왕복직선운동의 변환기구로서 매우 많이 쓰여지고 있는 것에 피스톤－크랭크기구(機構)가 있으며, 작동기구(作動機構)는 〔그림〕－3(크랭크 γ은 점 O1 둘레를 회전하고 다른쪽 끝 O2 둘레로 회전할 수 있게끔 접합된 연결봉 ℓ의 다른끝 O3가 왕복직선운동하는 피스톤 P에 회전자재로 접합되어 있다)과 같다. 증기기관이라든가 가솔린기관에서는 피스톤에 왕복직선운동이 주어져서 크랭크에 회전운동이 전해지며, 이로부터 동력을 얻어낼 수가 있게 된다. 왕복펌프라든가 공기압축기에서는 크랭크를 전동기(電動機)로 회전시켜서 피스톤의 왕복직선운동을 하게 하고 여기에 펌프 작업을 하게 한다. 즉 주동링크(主動 link)와 종동링크(從動 link)가 역(逆)의 관계로 되어 있다.

피스톤－크랭크기구는 고정부(固定部)를 포함해서 4개의 강체링크(剛體 link)로써 되어 있다. 대체로 〔그림〕－1과 같이 4개의 강체링크로써 되는 기구(機構)를 4절링크기구라 한다. 이것은, 상대운동(相對運動)하는 링크의 수가 가장 적으며, 링크기구의 기본적인 것이다. 이로부터 링크수가 많은 것도 6, 8, …같은 식이 되게, 상대운동하는 링크의 수는 우수가 아니어서는 안되는 것이 증명되고 있다. 4절링크기구의 링크 중 길이가 가장 짧은 링크는 이것과 접합한 링크에 대해 그 접합점의 둘레로 360°회전시킬 수 있다. 이같은 링크를 크랭크라고 한다. 그 크랭크에 인접해 있지 않는 링크의 하나의 접합점이 무한원점(無限遠點)에 있을 경우에는, 그 링크는 직선운동을 하게 된다. 이것이 피스톤－크랭크기구이다.

크랭크와 피스톤을 연결하는 연결봉과 피스톤의 접합점은, 크랭크의 회전 중심을 지나는 직선상을 왕복하는 것이 보통이지만, 〔그림〕－4처럼 한쪽으로 치우쳐 있는 것과 돌아오는 것의 속도가 다르므로, 갈 때는 천천히 일을 하고 돌아올 때는 일을 하지 않고 빨리 돌아오는, 이른바 빨리 돌아오기를 하는 기구(機構)의 일종으로 쓰인다. 4절링크기구의 4개의 링크 길이는 비(比)를 바꿈으로써 운동 상태가 변환된다는 것은 말할 나위도 없지만, 또한 어느 링크를 고정시키느냐에 따라서, 그 얻어지는 운동의 성질도 자연히 달라지게 된다. 또 각 링크에 고정된 어느 점의 운동을 이용하느냐에 따라서 여러 종류의 운동을 얻게 된다.

가령 크랭크에 인접하는 링크를 고정한 지렛대－크랭크기구를 보자. 발 재봉틀은 이 기구를 응용하여 지렛대(레버)를 바로 밟아서 크랭크를 회전하게 해서 이용하고 있다. 그 밖에 크랭크를 회전시킴으로써 지렛대의 요동운동(搖動運動)을 이용하는 경우라든가, 연결봉에 고정된 점이 그리는 복잡한 운동을 이용하는 경우도 있다.

또 〔그림〕－2와 같이, 크랭크에 대향(對向)하는 링크를 고정시켜서 크랭크를 회전시키면, 크랭크에 인접하는 2개의 지렛대는 왕복각(角)운동을 한다. 이 기구(機構)는 선풍기의 목돌림에 이용되고 있으며, 크랭크의 반경을 바꾸면 목돌림의 각도가 바뀌어진다. 〔그림〕－5처럼(크랭크 ①의 회전에 의해 링크 ④에 왕복각운동을 주는 형식) 크랭크에 슬라이더를 접합시킨 기구는 형삭반(形削盤)이라고 하는 공작 기계의 빨리 돌아오기 기구에 이용되고 있다.

4절링크기구의 서로 마주 대하고 있는 2링크의 길이가 각각 대응한 경우는 4링크는 항상 평행사변형으로 되고, 양(兩)크랭크는 서로 동등한 각도로 회전하면서, 또 고정변(固定邊)의 대변(對邊)은 항상 고정변에 대하여 평행이다. 앞의 성질은 기관차의 동륜(動輪)의 구동에 이용되며, 뒤의 성질은 제도기(製圖機)에 이용되고 있다. 또 도형의 확대라든가 축소에 쓰이는 팬터그래프도 링크장치의 일종이다.

나사

螺絲    나선 계단을 올라갈 때처럼 축(軸)의 둘레를 돌면서 축방향으로 전진해 가는 운동을 나사운동이라 한다. 이것은 회전운동과 직선운동이 일정한 비율로 짜맞춰진 운동이라고 할 수 있다. 나선계단을 한정없이 작게 하면, 매끈하게 비틀어진 언덕길처럼 된다. 이것이 나사면이며, 축을 한바퀴 도는 동안에 축방향으로 전진하는 거리를 나사의 전진(리드)이라 한다(〔그림〕－6). 나사면의 형상은 축을 포함하는 평면에서 나사면을 자른 절단면으로 나타내는 수가 많고, 이것을 나사의 산형(山形)이라 한다. 기계에 쓰여지는 나사면에는 〔그림〕－9로 표시하는 것 같은 각종 산형(山形)이 있다. 하나의 나사산과 다음의 나사산이 대응하는 위치적 거리를 나사의 피치라 하고, 리드가 피치와 동등한 것을 1줄나사, 피치의 n배에 해당하는 것을 n줄나사라 한다. 둥근막대의 바깥쪽에 나사면을 새겨 넣은 것을 수나사라 하고, 수나사에 끼여들어가게끔 둥근 구멍의 안쪽에 나사면을 새겨 넣은 것을 암나사라 한다. 일정한 위치에서 수나사를 돌리되 암나사를 회전하지 않게끔 구속하면 암나사는 축방향으로 움직인다. 이 기구(機構)는 공작기계의 보내는 기구(機構) 등에 많이 쓰인다. 〔그림〕－7과 같이 바이스도 이 기구의 응용이며, 수나사를 돌리는 핸들의 움직임과 비교해서 암나사가 붙은 슬라이더의 움직임이 작으므로, 인력(人力)에 의한 핸들의 조작으로 커다란 죔힘이 얻어진다.

  기계부품을 꽉 죌 때에는 볼트와 너트(nut)가 사용된다. 볼트에는 수나사, 너트에는 암나사가 만들어져 있다. 볼트를 고정하고 너트를 돌리면, 너트는 축방향으로 움직여서, 갖다 죄는 것에 가 닿는다. 더욱더 너트를 돌리면, 수나사와 암나사와의 사이 및 너트와 부딪친 면과의 사이에 마찰력이 강하게 작용해서 헐거워지지 않게 된다.

  나사에서의 힘의 작용은 다음과 같이 생각할 수가 있다.

  간단히 설명하기 위해, 단면이 4각인 나사(각나사)에 대해서 생각하고, 나사면에 작용하는 힘은 유효경(산과 골짜기의 직경의 평균)에 모여 있는 것으로 간주한다. 나사면을 전개하여, 유효경에서의 리드각 β와 동일한 기울기를 갖는 사면(斜面)을 생각한다(〔그림〕－8).

  축방향으로 외력(外力) 가 작용하고 있을 때, 이에 거슬려서 나사를 돌리는 힘을 라 하면, 사면으로 말한다면 수직방향의 힘 에 겨뤄서 수평적 힘 로 이것을 밀어 올리는 것과 맞먹는다. 에 의해서 사면(斜面)에 평행으로 위로 향해서 작용하는 힘은 로 나타내어지며, 이것은 사면에 작용하는 마찰력과 걸맞는다.

  마찰력은  에  의한  사면에  수직한  힘, 에 마찰계수 μ를 곱한 것이다. 즉

  

지금 (φ는 마찰각)로 놓으면 위의 식은

     

로 된다. 보통 ≒0.2 정도이니까

 로 된다. 따라서 작은 힘 로 큰 힘 를 낳을 수 있다. 이것이 바이스나 재키에 나사가 쓰이는 원리이다.

  재키를 느슨하게 할 경우처럼 축방향의 힘 에 좇아서 돌리는 경우는 P의 방향이 역이 되고,

  

로 된다. 나사가 저절로 느슨해지지 않기(이를 자동죔이라 한다) 위해서는 >0, 따라서 β<φ이어야 한다. 이것은 사면에서 물체가 자연히 미끄러져 떨어지지 않기 위해서는 사면의 기울기각이 마찰각보다 작아야 하는 것과 동일하다. 3각나사나 사다리형나사에서는, 나사산의 각도를 α로 하면 마찰각 φ 대신에 다음 식으로 나타내어지는 φ를 사용한다.

  

   운동용 나사에서 특히 가볍게 움직일 것이 요구되는 경우에는, 미끄럼접촉이 아니라 구름접촉을 사용한 볼나사가 쓰인다(〔그림〕－10). 이것은 수치제어공작기계(數値制御工作機械)의 테이블구동용(驅動用)에 있어야 되며, 또 자동차의 방향잡기장치 등에도 응용되고 있다.

벨트와 체인

belt－chain

비교적 서로 떨어진 2축 사이에서 회전동력(回轉動力)을 전하기 위해서는 벨트라든가 체인과 같은 요성(撓性)이 있는 매체(媒體)를 각축(各軸)에 장치한 바퀴에 감음으로써 동력을 전달하는 감아걸기전동(傳動)이 쓰인다. 그 중에서도 가장 많이 쓰이는 것이 벨트전동이다.

벨트

belt    벨트는 쇠가죽으로 만든 평평한 평벨트라든가 고무 가운데에 섬유를 넣어서 만든 V형 단면의 V벨트를 사용하는 것이 보통이다.

  여기서는 평벨트의 경우에 대해서 말한다. 벨트를 거는 방식은 〔그림〕－11로 표시하듯 오픈벨트(평행걸기)와 크로스벨트(십자걸기)의 2종류가 있으며, 벨트의 길이는 벨트의 흔들림이나 두께를 무시한다면, 벨트바퀴에 감겨 있는 원호부분(圓弧部分)과 벨트바퀴로부터 떨어져 있는 직선부분과의 합으로서 구해진다. 벨트에 의해서 동력이 전해지는 것은 벨트와 벨트바퀴와의 사이에 작용하는 마찰력에 의한 것으로서 벨트의 팽팽한 쪽의 장력 과 이완(弛緩) 쪽의 장력 의 차는, 벨트와 벨트바퀴와의 사이에 작용하는 마찰력에 의해서 생기며, 직경 인 벨트바퀴 A 및 직경 인 벨트바퀴 B에 작용하는 회전력은 각각,

     

  및

로 나타내게 된다. 미끄럼이 없다고 하면, 벨트바퀴의 회전속도의 비는 벨트바퀴의 직경의 역비(逆比)와 동등하지만 실제로는 미끄럼이라든가 벨트의 신축(伸縮), 벨트의 두께 등의 영향으로 이것과 서로 다른 값이 되고, 회전속도의 비는 다소 변동한다.

  회전속도의 비를 일정하게 하기 위해 〔그림〕－17로 보여 주듯이 벨트의 뒤쪽(裏側)에 달린 이(齒)와 벨트바퀴의 이가 서로 맞물도록 한 타이밍벨트를 사용하는 수가 있다.

  벨트의 단면을 V자형으로 하고(〔그림〕－19), 동일한 형태의 홈을 가진 벨트바퀴를 사용하는 V벨트전동(傳動)은, 벨트와 벨트바퀴의 홈면과의 사이에 작용하는 마찰력이 커지므로, 비교적 작은 장력으로 커다란 회전력을 전할 수가 있다(〔그림〕－12).

체인

chain

자전거의 크랭크와 뒤차바퀴처럼 축간(軸間)거리가 비교적 큰 경우에 회전동력을 확실히 전하기 위해서는 벨트와 톱니바퀴의 혼혈아와 같은 체인구동(chain 驅動)이 쓰인다.

체인 중에서 가장 보편적으로 쓰이고 있는 것은 자전거와 오토바이에 쓰이는 롤러체인이다(〔그림〕－13). 이가 달린 사슬바퀴(sprocket wheel)에 의해서 체인을 1개씩 보내게 되며, 체인을 연결하는 핀과 사슬바퀴치면(齒面)의 마찰마모(磨耗)를 적게 하기 위하여 핀에는 회전자재(自在)의 롤러가 끼워져 있다. 저속도인 경우에는 롤러가 끼여 있지 않은 링크체인을 사용하는 수도 있다. 체인이 사슬바퀴에 감겼을 때, 체인의 핀의 중심을 지나가는 원을 피치원이라 한다(〔그림〕－15). 체인은 사용하고 있는 동안에 마모나 재료의 신장(伸長) 때문에 길이가 조금 늘어나게 되면 롤러(링크체인에서는 핀)가 사슬바퀴의 치면(齒面) 위로 올라타는 형태로 됨으로써 전동이 행해지므로 피치원이 조금 커진다.

사슬바퀴의 치형은 〔그림〕－16과 같은 것이 쓰인다. 롤러체인의 속도로는 최대 7㎧, 보통 5㎧ 이하로 한다.

고속에서는 롤러체인은 상당한 소음을 내지만, 체인과 이가 평면에서 접촉하는 것을 사용하면 전동(傳動)이 되게 된다. 이를 사일런트체인이라고 부른다. 체인은 철판을 쳐서 끊은 것을 끝손질하여 몇 장씩 겹쳐 맞춰서 만드는데, 롤러체인보다도 정도(精度)가 높아야 하며, 가격도 비싸다. 체인은 축의 조인트로도 쓰인다.

그리고 체인은 컨베이어로서 물자의 운방용으로 쓰인다. 이것을 체인컨베이어라 한다.

톱니바퀴

齒車 톱니바퀴의 기하학

齒車－幾何學

2축의 회전 방향이 서로 반대인 경우에 대해서 말하면, 벨트전동에서는 십자걸기(十字掛)로 하면 좋으나 벨트를 사용치 않고, 벨트바퀴와 동일한 원형바퀴(圓形車)를 직접 접촉시켜서 굴림마찰에 의해서 동력을 전달할 수도 있다. 이것이 굴림마찰이다.

굴림마차바퀴의 구조는 간단하지만, 다음과 같은 결점이 있다. ① 미끄럼이 일어나기 일쑤이며 확실한 전동을 얻기 어려운 것, ② 큰 동력을 전하는 데는 미는 힘을 크게 해야 하므로 축받이(軸受)에 무리가 가해진다. 그래서 큰 동력을 전하는 데는 부적당하다.

이런 결점을 피하기 위해 원형바퀴의 둘레에 적당한 형상의 철기(凸起) (이빨)를 동일 간격으로 마련하고, 한쪽 바퀴의 톱니가 상대 바퀴의 이빨 사이의 홈에 순차적으로 들어감으로써, 원동바퀴(原動車)의 치면(齒面)이 종동바퀴(從動車)의 치면을 밀게 되어서 동력이 전해지도록 한 톱니바퀴가 쓰인다.

회전비(比)가 일정한 전동(傳動)을 정확하게 행하게 할 수 있는 이의 형태는 여러 가지가 있지만, 현재 쓰이고 있는 것은 거의 모두 인벌류트곡선이라 불리는 것이다(〔그림〕-20). 이것은 원(圓)에 실을 감았다가 풀어 갈 때, 실 끝에 단 펜이 그리는 곡선이다. 어찌하여 이 곡선이 치형으로 사용될 수 있는지 알아보자.

〔그림〕－21처럼 십자걸기벨트바퀴를 생각해 보자. 벨트 위의 한점 C에 장치한 펜이, 각 벨트바퀴에 고정해서 함께 회전하는 지면(紙面) 위에 그리는 곡선을 생각하면, 벨트바퀴는 원, 벨트는 실에 상당하므로 이 곡선은 인벌류트곡선인 것이며, 실은 곡선의 법선(法線)이다.

따라서 이 곡선을 각 바퀴의 치형으로 하면 벨트에 상당하는 직선 위에서의 맞물림이 행해지며, 벨트에 의한 회전운동과 동일한 운동을 얻게 된다.

반대방향의 회전도 전해지도록, 대칭인 인벌류트곡선으로 톱니의 양면을 형성하고, 이것을 벨트바퀴 둘레 위에 동일 간격으로 배치함으로써 서로 맞무는 한쌍의 톱니의 맞물림이 끝나기 전에 다음의 한쌍의 톱니가 맞무는 것을 시작하도록 하면 연속적으로 회전을 전할 수가 있다.

벨트가 양톱니바퀴의 중심을 맺는 직선(중심선)과 교차되는 점은 톱니바퀴 중심 사이를 회전비(回轉比)의 역비(逆比)로 내분(內分)하는 점이며, 이 톱니바퀴와 동일한 운동을 전하는 굴림마찰바퀴의 접촉점으로 된다. 이 점을 피치점이라 한다. 이 굴림마찰바퀴의 윤곽원(輪廓圓)을 피치원, 벨트바퀴의 원을 기초원(基礎圓)이라 한다. 피치원에 좇아서 측정한 것의 간격을 원피치라 한다. 원피치(단위는 ㎜)를 원주율 π로 나눈 값(値)을

모듈이라 하고, 이의 크기를 나타내는 기준량으로서 사용한다. 모듈에 이빨의 수를 곱한 것이 피치원의 직경에 맞먹는다. 또 피치원에서 톱니 끝에 걸쳐서의 높이는 보통 모듈과 동등하게 한다.

인벌류트톱니바퀴에서는 벨트전동과 동일하게 중심 사이의 거리리가 변할지라도 회전비에 변화가 없다는 이익점(利益點)이 있다.

톱니바퀴의 역학

齒車－力學    맞무는 점에서 톱니면의 법선 방향으로 작용하는 힘(法線荷重)은, 항상 피치점으로 향하는 방향으로 일하고, 그 작용선은 인벌류트톱니바퀴에서는 기초원의 공통접선(가상벨트)과 일치한다(〔그림〕－23).

  피치점 이외의 맞물림점에서는 치면이 상대적으로 미끄러지면 접촉하므로 치면의 공통 접선 방향으로 마찰력이 작용하지만, 그 크기는 대략 법선 하중의 1/10 정도이다. 이 마찰력의 방향은 치면의 서로 마찰되는 방향에 따라서 정해지며, 맞물림의 시점(始點)으로부터 피치점에 접근하는 동안 종동바퀴(從動車)의 회전을 방해하고, 피치점에서부터 멀어지는 동안은 회전을 돕도록 작용한다. 따라서 맞물림점의 이동에 따라서 힘의 크기가 다소 변화하고, 또 맞물림의 쌍수가 2쌍 이상이 되면 각 맞물림점에 하중(荷重)이 배분(配分)된다.

  톱니는 하중에 의해서 부러지지 않도록 십분 튼튼하게 만듦과 동시에 치면이 빨리 닳아지지 않도록, 맞물림점에 생기는 응력(접촉응력)이 너무 커지지 않도록 설계(設計)하여야 한다.

  마찰력을 생략하고 생각하면, 법선하중과 같은 크기의 하중이 축받이에 작용한다. 법선하중의 작용선이 중심선과 이루는 각의

여각(餘角) α를 압력각이라 한다. 그것은 전달토크 T_i(i=1,2)를 일정하다고 하고, 피치원 반경을 R_i로 하면, 법선하중 F_N은,

  F_N = T_i / R_iCosα (R_iCosα = 기초원 반경)

로 나타내지며, 압력각 α가 클수록 축받이 압력이 커지기 때문이다. 압력각의 크기는 대략 14.5°∼30°의 범위를 취한다.

 

이끊기법과 전위치차

齒切法－轉位齒車 톱니바퀴의 톱니는 주조(鑄造)로 만드는 수도 있지만, 흔히는 인물(刃物)로 톱니홈(齒溝) 부분을 깎아서 만든다.

톱니수의 많고 적음에 관계없이, 피치원 위의 톱니의 두께가 피치의 절반이며 톱니의 높이가 양바퀴에 있어 서로 동등한 표준 톱니바퀴에서는, 톱니수가 적을 때는 톱니의 뿌리 밑에 가까운 곳이 날끝으로 패어 나가 톱니가 약해지고, 맞물림성도 좋지 않으므로, 절하(切下)라고 해서 날도구를 알맞게 후퇴시켜서(이것을 정의 전위라 한다) 톱니를 깎아 내는 수가 많다. 이렇게 하면 톱니는 밑뿌리가 굵어지고, 인벌류트의 기초원으로부터 떨어진 부분을 이용하므로, 강도(强度)라든가 맞물림성능이 좋아진다. 톱니수가 많은 톱니바퀴는 날을 전진시켜서(이것을 부의 전위라 한다) 톱니를 자르는 수도 있다. 이리하여 톱니를 깎은 것은 올바르게 맞물지만, 중심거리나 맞물림 압력각은 표준적인 것과는 달라진다. 이를 전위톱니바퀴라고 한다. 단 작은 톱니바퀴를 정전위(正轉位)하고 큰 톱니바퀴를 같은 양만 부(負)전위하면, 중심거리도 맞물림 압력각도 표준 톱니바퀴와 동일하게 되지만, 치말(齒末)의 높이는 양바퀴가 서로 동등하지 않다.

전위량을 적정(適正)하게 선택하면, 톱니의 세기나 성능을 현저히 개선시킬 수 있으므로, 현재의 톱니바퀴는 대부분 전위톱니바퀴로 되어 있다.

여러 가지 톱니바퀴

－齒車 톱니바퀴는, 회전을 전하는 2축의 상대적 위치에 따라서 평행축톱니바퀴·교차축톱니바퀴·엇물림축톱니바퀴의 3종으로 크게 나눠지며, 다시금 치형(齒形)의 구성 방식에 따라서 여러 종류가 있는데, 그 중의 주요한 것을 〔그림〕－25로 표시한다.

평행축톱니바퀴는 굴림접촉원통면(圓筒面)을 톱니를 마련하는 기준면(피치면)으로 한다. 평(平)톱니바퀴(a)는 가장 보편적으로 쓰이는 기본적인 톱니바퀴이며, 앞에서 말한 치형(齒形)의 설명은 이 평톱니바퀴의 축직각단면(軸直角斷面)에 대해서 말한 것이다.

경삿니톱니바퀴(b)는 피치원통 위의 덩굴 감기선에 따른 비틀어진 톱니를 갖는 것으로 맞물림이 원활하게 행해지며 고속도로 큰 동력을 전할 수가 있지만 축방향으로 서로 미는 힘(스러스트)이 생기므로, 이것을 받는 스러스트축받이가 필요하게 된다. 산형(山形)톱니바퀴(c)는, 비틀림이 반대인 경삿니톱니바퀴를 짜맞추어서 스러스트가 서로 지워지도록 한 것이다. 안톱니바퀴(內齒車) (d)는 회전방향이 동일하며, 안쪽에 작은 톱니바퀴가 있다.

작은 톱니바퀴와 래크(e)는 직선운동과 회전운동의 변환에 쓰이는데, 인벌류트톱니바퀴의 래크의 치형은 간단한 직선으로 되므로, 톱니를 공작하는 데 편리하다.

교차축(交叉軸)톱니바퀴 중 우산톱니바퀴는, 2축의 교차점을 정점(頂點)으로 하는 굴림접촉원추면을 피치면으로 한 톱니바퀴로서, 곧은니톱니바퀴(f)가 가장 많이 쓰인다.

고속고마력(高速高馬力)인 경우는, 굽은니양산톱니바퀴(g)가 쓰인다.

빗물기축톱니바퀴는 여러 종류가 있는데 나사톱니바퀴(i)는 경삿니톱니바퀴를 축을 빗물게 해서 맞물린 것으로, 맞물림이 톱니면 위의 한 점에서 행해지므로 큰 동력의 전달에는 알맞지 않다. 직각 또는 직각에 가까운 2축 사이에 고감속비(高減速比)로 회전을 전하는 데는 웜기어가 쓰인다. 원통 모양의 나사를 작은 톱니바퀴(웜)로 하는 원통 웜기엄(j)가 보통이다. 강(强)부하인 경우는, 고형(鼓形) 웜기어(k)가 쓰인다. 굽은니우산톱니바퀴를 닮은 하이포이드기어(l)는 자동차의 후차축의 구동(驅動)에 많이 쓰인다.

축이 직각 또는 이에 가까운 각을 이루고 교차되거나 엇갈려 있는 경우에, 작은 톱니바퀴로서 평톱니바퀴 또는 경삿니톱니바퀴를 사용한 페이스이거(h)를 사용하는 수도 있다.

각속비(角速比)가 변동하는 톱니바퀴에는 비(非)원통톱니바퀴(m)라든가 편심(偏心)톱니바퀴(n) 등이 있다.

톱니바퀴의 조합

齒車－組合    원동축(原動軸)과 종동축(從動軸) 사이의 톱니바퀴를 여러 모양으로 짜맞춤으로써 필요로 하는 운동을 전달할 수가 있다. 이것을 톱니바퀴열(列)이라 한다.

  〔그림〕－26과 같이 톱니바퀴축을 고정지지(固定支持)틀로 지탱하며 몇 개의 톱니바퀴(이 그림에서는 6개)를 계속해서 맞물게 했을 경우, 톱니바퀴의 톱니수를 , 그 회전속도를 로 나타내면,

톱니바퀴비      로 나타내게 된다. 〔그림〕－27과 같이 중간톱니바퀴(2, 3바퀴)를 사용한 경우는 위 식에서 으로 놓은 경우에 상당하며, 로 되고 중간톱니바퀴의 톱니수는 톱니바퀴비(比)와는 무관하게 되지만, 톱니바퀴의 개수가 기수냐 우수냐에 따라서 종동축(從動軸)의 회전방향이 원동축과 동일하거나 반대가 된다.

톱니바퀴변속장치

齒車變速裝置

톱니바퀴의 짜맞춤의 변화에 따라서, 원동축의 일정한 회전속도에 대하여 종동축의 회전속도를 몇 가지 범위로 변환하는 장치를 톱니바퀴변속장치라고 말하고, 종동축의 회전속도가 만드는 수열(數列)을 속도 열이라 한다.

공작기계나 자동차 등에는 등비수열(等比數列)이 쓰이는 수가 많은데, 계산기(計算機) 등에는 등차수열(等差數列)도 사용된다.

속도변환의 방법에는 여러 가지가 있는데, 여기에 그 주요한 것을 들겠다.

바꿈톱니바퀴

－齒車

톱니바퀴를 떼내고 딴 것으로 바꿔 끼우는 방식으로, 번번히 딴 것과 바꿀 필요가 없는 자동기(自動機) 등에 사용된다.

클러치에 의한 변속

clutch－依－變速

각(各) 톱니바퀴 쌍(雙)을 항상 맞물려 한쪽의 축 위에서 헛돌게 해 놓고, 그 축과 함께 회전하는 클러치를 다른 어떤 톱니바퀴와 결합시켜서 전동(傳動)을 행하게 하는 방식이다. 회전중에 속도를 바꿀 경우, 부드럽게 절환이 행해지게끔 하기 위하여 원추(圓錐)마찰클러치를 작동시킴으로써, 이로부터 결합시키려고 하는 톱니바퀴를 동기속도(同期速度)로 한 후, 톱니바퀴형 클러치를 맞물림으로써 조용하고도 확실하게 전동하도록 한 싱크로메시(동기맞물림)방식이 자동차라든지 공작기계에 쓰이고 있다.

미끄럼톱니바퀴에 의한 변속

－依－變速

한 축(軸) 위의 몇개의 톱니바퀴를 1개씩 혹은 2∼3개씩 짜맞춘 것을, 스플라인 또는 미끄럼키로 축에 갖다 달므로써 회전을 전하도록 하고, 이것을 축방향으로 미끄러뜨림으로써 상대톱니바퀴와 선택적으로 서로 맞물게 하는 방법이다.

텀블러기어(노르톤기어)

tumbler gear(norton gear)

몇 개의 톱니바퀴를 한 축 위에 톱니바퀴수의 순서로 늘어놓아 축에 고정시키고, 다른 축 위에 1개의 미끄럼톱니바퀴와 중간톱니바퀴를 갖다 단 링크를 미끄러뜨림으로써, 선택적으로 맞물게 하는 방법이다.

각종 짜맞추기

各種－

여러 종류의 속도(速度)를 얻고 싶을 때에, 위에 말한 여러 방법을 적절히 짜맞추어서 사용하는 수가 있다.〔그림〕－24는 미끄럼톱니바퀴와 클러치를 짜맞추어서, 3쌍의 톱니바퀴로 4종류의 속도를 얻는 방법을 보였다.

맞물림은 a→a′, b→b′, c－c′ 및 a→a′＝b→b′＝c→c′의 4종으로 I축에서부터 IV축에 회전을 전하는데, 앞의 3개의 치수비(齒數比)를 a／a′＝Aφ, b／b′＝A, c／c′＝Aφ2로 하면, 최후의 맞물림톱니바퀴수는 Aφ×(1／A)×Aφ2＝Aφ3로 되어서, 4종류의 속도가 등비급수를 이루므로 형편이 좋다.

유성톱니바퀴

游星齒車    톱니바퀴 장치 중의 변종(變種)은 유성톱니바퀴 장치일 것이다. 이것은 고정된 톱니바퀴 또는 고정중심(固定中心) 둘레를 회전하는 톱니바퀴(이것들을 태양톱니바퀴라 한다)와, 그것과 맞물고 그 둘레에서 공전(公轉)하는 중심상(中心上)에서 회전하는 톱니바퀴(이것을 유성톱니바퀴라 함)로써 이뤄지는 톱니바퀴 장치로서, 여러 가지 형태의 것이 있다.

  〔그림〕－28은 그 일례로 팔E가 회전하여, 고정태양톱니바퀴 A로부터 유성톱니바퀴 B 및 C(C는 B와 함께 돈다)를 거쳐, 고정태양톱니바퀴 A와 동심(同心)인 회전태양톱니바퀴 D로 되돌려서 회전을 전한다.

  각속도(角速度)의 관계를 구하기 위해서는 우선 팔 E를 고정했다고 가정하고서 톱니바퀴 A의 회전에 대한 각 톱니바퀴의 회전을 생각하고, 다음에 톱니바퀴 A와 함께 전체에 회전을 부여하는 것으로 하고 각 톱니바퀴의 회전을 생각하면〔표〕－3과 같이 된다.

  따라서 태양톱니바퀴 D의 회전속도 는

  

로 된다. 이 관계에서 라면 D와 E는 동방향(同方向) 회전, 라면 역방향회전, 라면 D는 회전하지 않고, ac≒bd일 때는 로 되어서 현저한 감속(減速)을 얻게 된다.

  행성톱니바퀴 장치에는 태양톱니바퀴로서 안톱니바퀴(內齒車)를 사용한 것이라든지, 톱니바퀴기구(機構) 전체를 우산톱니바퀴로 구성한 것 등도 있다.

  행성톱니바퀴 장치에서 어느 톱니바퀴도 고정하지 않고 2개의 톱니바퀴에 원운동(原運動)을 부여하면, 나머지 톱니바퀴의 운동은 전부 결정되며, 이 같은 운동은 1차식 형태로 결부시킨 것 같은 것이 된다. 이 같은 톱니바퀴 장치를 차동(差動)톱니바퀴 장치라고  한다. 

 〔그림〕－28의 기구에서 톱니바퀴 A에는   회전을 부여했다고 하면, 우선 E를 고정시킨 것으로 가정하고서 각 톱니바퀴의 회전속도를 구하고, E에 회전 를 부여하는 것으로 하고서 각 톱니바퀴의 속도를 구하면 〔표〕－5와 같이 된다. 따라서 다음 식이 얻어진다.

  

   로 된다.

  태양톱니바퀴로서 안톱니바퀴를 이용한 것도 있으며 장치가 작아진다는 이익점이 있다.

  우산톱니바퀴를 이용한 차동톱니바퀴기구는 자동차나 공작기계 등에 쓰이고 있다. 가장 널리 이용되고 있는 것은 〔그림〕－31과 같은 것이다.

  A와 D는 같은 톱니수의 우산톱니바퀴로서 이들에게 공통으로 맞물고 있는 우산톱니바퀴 B와, B를 보지(保持)하고 있는 축 C가 회전속도  로 회전하고 있을 때, A 및 D의 회전속도  와의 사이의 관계는 〔표〕－4와 같이 되며,

   

로 된다. 〔그림〕－29는 이 기구를 자동차의 후차축의 구동에 응용한 경우를 표시하며, 커브를 삥 돌아갈 때 위에 기록한 관계에서 안쪽 차축의 회전이 준 분만큼 바깥쪽 차축의 회전이 늘며, 슬립을 일으키지 않고 매끈하게 커브를 돌 수가 있게 된다.

 

캠

cam

원동축의 정속회전(定速回轉)에 대응하여 종동링크(從動 link)에게 복잡한 경과를 더듬게 왕복직선 운동과 왕복각운동을 부여하는 데는, 운동의 성질에 응해서 각종 기구(機構)가 쓰인다. 그 중에서도 임의(任意)의 경과를 더듬는 운동을 가장 재빠르게 행하게 하는 데에는 캠장치를 능가하는 것은 없다.

캠장치

cam

裝置

캠장치는 인도(引導)하여야 할 운동에 상응한 윤곽을 지닌 회전체(캠)을 일정한 속도로 돌리고, 둥글거나 또는 평면의 단면(端面)을 가진 종동절(從動節)을 그것에 대해 밀어붙임으로써, 필요로 하는 운동을 하게끔 한 것이다. 〔그림〕－32는 기본적인 캠장치로서, 그 밖에도 여러 종류의 변종이 있다.

〔그림〕－32의 a의 하트캠은 판(板)캠의 일종으로, 종동절의 끄트머리가 나이프에지로 되어 있으며, 그것이 캠의 회전중심을 통과하는 직선상으로 왕복운동하도록 되어 있다. 이것은 가장 기초적인 캠장치이다.

캠은 각종 자동 기계류에 많이 쓰이고 있는데, 엔진 등의 연료판(瓣)이라든가 흡배기(吸排氣)의 밸브의 작동(作動)을 제어하는 데에도 쓰이고 있다.

배력장치

倍力裝置

원동절(原動節)의 변위(變位)에 비교해서, 어떤 종동절(從動節)의 변위가 매우 작을 경우는, 그 종동절에 현저하게 큰 힘을 내게 할 수 있다. 〔그림〕－37은 그 일례로서, 절링크장치에 속하고, 크랭크A의 회전에 대하여 슬라이더의 변위가 작으므로, 여기서 발생하는 큰 힘을 구멍내기 등의 작업에 이용하고 있다.

직선운동기구

直線運動機構

엄밀히 직선을 그리는 링크장치는, 〔그림〕－38에서 보여주는 포슬리에 기구(機構) 외에 여러 종류가 있지만, 미끄럼기구를 갖고 있지 않는 한 기구가 복잡하게 되므로, 기구를 간단하게 해서 근사적(近似的)인 직선운동으로 만족하는 경우가 적지 않다. 여기에도 여러 종류의 기구가 있는 데 〔그림〕－39는 그 일종으로서, 점 P가 그리는 렘니스케이트곡선(雙葉曲線)의 일부가 직선을 거의 닮고 있다는 것을 이용하여, 선박용 하역크레인(荷役 crane)으로 짐을 거의 수평으로 이동하도록 한 기구이다.

구면링크장치의 응용

球面 link 裝置－應用

구면링크장치에서는, 축선(軸線)이 이루는 중심각이 평면링크장치의 링크의 길이에 상당하며, 중심각이 90°인 것은 평면링크장치의 슬라이더 즉 미끄럼자(子)에 상당한다.

구면링크장치에서도 4절(節)의 것이 기초적인 것이다. 그 가운데서도 실제로 쓰이고 있는 것은 중심각이 90°인 링크 3개를 지니는 구면양(兩)미끄럼자 크랭크 연쇄로부터 고정링크의 교체로서 얻어지는 회전미끄럼자 기구와 요동(搖動)미끄럼자(子)기구 등이 주이다(〔그림〕－40, 41).

예전에 기차의 천장에 설치된 천장선풍기의 목흔들기 기구(機構)도 이 기구의 응용이다(〔그림〕－42).

간헐전동기구

間歇傳動機構    정속회전운동(定速回轉運動)으로부터 일정한 정지기간(靜止期間)을 갖는 주기운동 즉 간헐운동을 하게 하는 기구는 각종 자동기계류에 쓰이고 있다.

  이 기구에는 캠·특수톱니바퀴·손톱바퀴·링크장치 등 여러 모양의 기계적 방법 이외에도 유압(油壓)이라든가 전기의 이용도 하고 있지만, 여기서는 대표적인 방법 2∼3가지만 들기로 한다.

  링크장치의 연결절(節)에 고정된 점(P)이 크랭크의 회전이 있는 구간(區間)만 근사적(近似的)으로 원호(圓弧)를 그릴 때, 그 원호의 곡률반경(π)과 동등한 길이의 링크(D)를 곡률중심(O)에 있어서 다른 지렛대(E)와 핀으로 접합(接合)시켜 두면, 어떤 구간에 있어서 그 지렛대는 거의 정지한다. 

 〔그림〕－43은 이러한 이치를 이용한 간헐운동 링크장치의 일례이다.

  점 P가 근사적(近似的)으로 직선을 그릴 때는, 그 직선로(直線路)에 따른 슬라이더를 지니는 지렛대를 이용하면 된다.

  영화필름의 간헐송치기구(間歇送致機構)에 쓰이고 있는 제네바톱니바퀴는 〔그림〕－44에 표시한 것같이 원동바퀴(原動車)의 핀과 종동바퀴(從動車)의 몇 개의 방사상(放射狀) 홈과의 맞물림을 이용한 것이다.

  홈의 수 은 3 이상, 특히 4의 것이 많고, 이것을 말타크로스라고 부른다. 이것은 말타섬 사람들이 갖고 있는 십자가와 그 형태가 닮아 있기 때문이다.

  원동바퀴 1회전에 대하여 종동바퀴는 회전씩 간헐적으로 도는데, 정지기간은 원동바퀴의 로크원판(圓板)이 종동바퀴의 홈과 홈 중간의 요원호면(凹圓弧面) (A)에 끼여들어 정지를 확실하게 한다.

  핀과 홈 대신에 보통의 톱니바퀴를 그 부분에 사용한 저속용 간헐톱니바퀴도 있다.

 

회전축의 결합

回轉軸－結合    2개의 축을 결합하되, 한쪽 축에서부터 다른쪽의 축으로 회전이 전해지게 하는 부분을 축조인트라고 한다.

  항상 결합한 채로 사용하는 형식의 것을 영구축(永久軸)조인트, 혹은 단순히 축조인트, 또 잠시 동안 결합하기도 하고 떼어놓기도 하는 형식의 것을 착탈축(著脫軸)조인트 또는 클러치라고 한다. 비교적 저속회전인 경우에는 양축을 완전히 결합시킴으로써, 양 축심이 부정확해지는 것을 막는 고정축조인트가 쓰인다. 구조는 간단하며, 통형(筒形), 플랜지형, 단조플랜지형 등의 종류가 있다.

  실제적인 기계에서는 양축의 축심을 완전히 일치시키기란 매우 어렵다. 특히 고속 회전으로 고정축 조인트를 사용하면 근소한 축심의 빗나감이 있어도 축이나 축받이에 무리가 가기도 하고, 또 진동의 원인이 되기도 한다.

  그래서 결합부(結合部)에 고무나 가죽 등의 탄성체(彈性體), 혹은 동축심(同軸心)인 톱니바퀴나 체인 등을 사이에 끼우고 근소한 축심의 부정확성을 허용할 수 있는 구조인 굽힘축조인트를 사용하는 것이 안전하다. 굽힘축조인트에는 다음과 같이 것이 있다.

  플랜지형 굽힘축조인트에서는, 조인트 볼트에 고무, 또는 가죽인 부쉬를 쓰며, 그 변형에 의하여 사소한 축심의 부정확성도 피하고 있다. 접속(接續)부분에 고무를 다량 사용한 것은 고무축조인트라 한다. 〔그림〕－35는 그 하나인 타이어형이다. 이것은 같은 크기에서는 플랜지형의 것보다 허용전달동력(許容傳達動力)은 작으나 굽힘성이 크므로 축심의 부정확성이 비교적 큰 경우라든가 진동 흡수를 주안(主眼)으로 하는 경우에도 쓰인다.

  톱니바퀴형축조인트(기어카플링)는 〔그림〕－36으로 보여 주는 것처럼, 각축(軸)에 끼운 내통(內筒)에 있는 바깥톱니바퀴와 외통에 있는 안톱니바퀴를 맞물려서 회전력을 전달하는데, 바깥톱니의 톱니 끝과 치면에 부풀림(이것을 크라우닝이라 한다)을 줌으로써 축심이 어긋나는 것을 허용하도록 하고 있다. 체인축조인트도 각 부(各部)의 틈사이라든가 체인의 늘어남 또는 굽힘에 의해서 축심의 어긋남을 허용할 수가 있으며, 또 장치하거나 떼어내기가 수월하다(〔그림〕－50).

  2축이 한쪽으로 치우쳐진 상태에 있을 경우, 등각속도(等角速度)로 회전을 전하는 축조인트로서 올댐조인트가 있다. 이것은 〔그림〕－51처럼 원판 B의 양쪽 표면에, 각 축의 홈 A 및 C와 대우(對偶)하는 서로 직각을 이루는 돌기(突起)를 갖추고 있으며, 축 사이의 거리가 변동할지라도 정확한 전동을 할 수가 있다. 이것은 4절링크장치의 2개의 링크가 슬라이더화(化)한 특별한 경우라고 생각된다.

  서로 교차하는 2축 사이에서 회전을 전하는 촉조인트는 자재축(自在軸)조인트라고 하며, 각도가 변화해도 차질이 없다. 후크의 자채축조인트는 구면(球面)링크장치의 일종이며, 〔그림〕－46에 보여 주듯이 십자조각(十字片) C를 각축단(各軸端)의 요크로 껴안는 형태로 되어 있다. 축이 이루는 각을 α라고 하면,  그 축이 회전하는 동안에 각속비(角速比)가 cosα로부터사이에 변동하므로, 등속(等速) 회전을 얻고자 할 때에는 2개의 조인트를 사용한다. 1개의 자재축조인트로 등속회전을 전하고자 할 때 〔그림〕－47처럼 좌우의 요크로 4개의 볼을 품으며, 항상 2축 교각(交角)의 2등분선 위에 볼이 있도록 한 벤딕스형 자재축조인트라든가, 한편의 축끝 바깥홈과 다른쪽 축끝의 안홈의 사이에 볼을 몇 개 품은 형식인 배필드형 축조인트 등이 있다. 이것들은 자동차의 후차축 구동축(後車軸驅動軸)의 조인트 등에 많이 쓰인다.

 클러치에는 전동이 확실하게 행해지도록 한 맞물림클러치(갈고랑이클러치)와 마찰력을 이용하여 전동을 행함으로써 과부하(過負荷)가 되면 미끄러지도록 한 마찰클러치가 있다. 〔그림〕－48은 맞물림클러치의 예이며, 갈고랑이 사이의 덜걱거림으로 축심(軸心)의 어긋남을 피할 수가 있으나, 회전중의 착탈(著脫)은 충격이 크다. 마찰클러치는 회전중인 착탈이라도 충격이 작다.

  마찰면의 형상에 따라 원추클러치·다판(多板)클러치·원주(圓周)클러치 등이 있다. 또 밀어붙이는 힘을 무엇으로 내느냐 하는 점으로 보면, 기계식·유압식(油壓式)·전자식(電磁式) 등이 있다.

  또 원동축의 회전속도가 어떤 값(値) 이상이 되면 작동(作動)하도록 한 원심클러치도 마찰클러치의 일례이다.

무단변속기

無段變速機    보통의 벨트전동(傳動)이나 톱니바퀴전동에서는 속도의 변환은 단계적으로밖에 할 수 없으나, 기계에 의해서는 회전속도를 손쉽게 무단계(無段階)로 변환시킬 것을 바라게 된다. 즉 어떤 범위 내의 임의의 회전속도를 연속적으로 얻고자 할 때가 있다.

  동력을 기계에 공급하는 데는 전동기(電動機)에 의존하는 것이 보통이다.

  교류정류자전동기(交流整流子電動機)나 직류전동기를 사용하면, 전동기 자체에 변속(變速) 성능은 갖고 있지만 너무 값이 비싸며, 특성상(特性上) 사용목적에 맞지 않는 경우도 있으므로, 보통은 대략 정속(定速)이며 값이 싼 유도전동기에 무단변속기(無段變速機)를 접속시켜서 사용하는 수가 많다.

  무단변속기를 이용하는 이유로서는, ① 단계변속에서는 최적회전 속도를 얻기 어려울 때가 많으나 무단변속에서는 어떤 범위 내에선 임의의 속도를 수월하게 얻을 수 있다. ② 단계변속에서는 속도를 바꿀 때, 기계를 멈추거나 또는 회전 중에 변환시킬 때는 쇼크가 생기는 등의 결점이 있으나, 무단변속에서는 회전 중에도 거의 쇼크 없이 속도 바꾸기를 할 수 있다. ③ 기계적 아날로그계산기(機械的 analogue 計算機)처럼 무단변속이 필요한 경우에 유용하다.

  예컨대 선반(旋盤)으로 기계부품을 깎을 때, 깎이는 물건의 재질이라든가 바이트의 재질, 공작물 1회전마다에 바이트를 이동하는 양(量) 등에 따라서 가장 알맞는 절삭(切削) 속도가 있으며, 이것을 조금 벗어나면 공구의 수명이 몹시 변화하므로, 일정한 절삭속도를 얻기 위해선 물건의 직경에 역비례해서 물건의 회전속도를 변화시키지 않으면 안 되지만, 톱니바퀴 변속과 같은 유단변속(有段變速)에서는 꼭 알맞는 회전속도를 얻을 수 없는 경우가 많으며, 특히 테이퍼부처럼 직경이 차차 변해 가는 것에서는 무단변속에 의존치 않는 한 일정한 절삭속도를 얻는다는 것은 불가능하다.

  무단변속기에는 여러 가지 방식이 쓰이고 있는데, 크게 나누면 기계적·유체적(流體的) 및 전기적인 3종이며, 〔표〕－6과 같은 종류가 있다. 그리고 여기에서는 기계적 무단변속기에 대해서 설명하게 된다.

  기계식인 것은 전동에 마찰력을 이용하고 있는 것이 특징이며, 다소의 미끄럼은 회피할 수가 없으니까, 회전비(同轉比)는 불확실하지만, 지나치게 큰 부하(負荷)가 걸리면 슬립함으로써 다른 기계부분이 파괴되는 것을 막는 안전장치의 역할도 한다.

  마찰바퀴식(직접접촉)이라고 하는 것은 거의 강체(剛體)로 볼 수 있는 회전체(圓筒·圓板·圓錐·球 등)를 직접 접촉시켜, 접촉부분에 생기는 마찰력에 의해서 회전동력을 전달하고, 접촉점에서의 각 회전체의 반경의 비를 변화시킴으로써 회전속도비를 변화시키도록 한 것이다.

  이 장치에 의하면, 비교적 조용히 전동이 행해지며, 또 토크가 주기적으로 변동하는 경우에 일어나는 축의 비틀림 진동을 감쇠시키는 효과가 있다. 그러나 커다란 동력의 전달은 무리이며, 또 접촉부의 마모(磨耗)가 일기 쉽다.

  이 형식에는 옛날부터 많은 기구(機構)가 고안되어 있으며, 그 몇 개의 예를 〔그림〕－53으로 표시한다.

  〔그림〕－53의 a로 나타낸 것은 마찰프레스 등에 사용되고 있는 기구이며, 축 Ⅱ를 원동축(회전속도 , 일정)으로 한다면 축 Ⅰ의 회전속도 은 미끄럼이 없다고 할 때

  로 되고, 이 되면 의 회전방향이 역(逆)이 된다.

 〔그림〕－53의 b는 앞의 것을 2개 짜맞추어서 평행 2축 사이에 무단변속(無段變速)을 주는 것으로서,

  

로 되고 중간바퀴의 반경에는 관계가 없어진다.

  〔그림〕－53의 c는 방향이 반대인 원추바퀴 2개의 공통으로 외접하는 링(ring)을 횡으로 이동시켜 변속을 얻는 것으로서,    링콘변속기라고 불린다.

  〔그림〕－53의 d는 양축 끝에 장치한 우산형 바퀴에 공통으로 접촉하는 구상바퀴(球狀車)를 중간바퀴로 하고, 그 축의 기울기를 바꾸어서 변속을 행하는 것으로서, 코프의 변속기라고 불린다. 각 축은 회전에 따라서 축방향으로 미는 힘을 얻도록 하고 있다.

  우산형 바퀴의 짜맞춤에 의한 것도 여러 종류가 있는데, 〔그림〕－53의 e같이 몇 장의 폭넓은 우산형 바퀴 A를 우산형 바퀴 B 사이로 밀어넣음으로써 폭넓은 우산형 바퀴의 유효반경을 변화시키는 것으로서, 바이엘변속기라고 불린다. 여기에, 유성톱니바퀴장치를 병용(竝用)한 초저속감속기(超低速減速機)도 개발되어 있다.

  〔그림〕－53의 f로 보인 것은 하이나우식변속기라 불리며, 2쌍의 마주 대한 우산톱니바퀴를 사용, 강제링(鋼製 ring)을 매개(媒介)로 하여 작동한다. 변속에는 비스듬히 마주보는 2개의 우산톱니바퀴를 좌우로 이동시키면, 상하의 우산톱니바퀴쌍(雙)이 서로 거꾸로 열리고 닫힘으로써, 링은 우산톱니바퀴에 밀착하면서 유효반경비(比)가 변화하고, 변속이 행하여진다. 행성운동을 하는 마찰바퀴를 사용해서 초저속(超低速)변속을 하는 기구(機構)도 있으며, 피대걸기전동식(傳動式)인 것에는 넓은 폭벨트를 사용하는 것, V벨트를 사용하는 것, 그리고 특수한 체인과 홈이 있는 우산형 바퀴를 사용하는 것 등이 있다.

 

유체에 의한 동력의 전달

流體－動力－傳達

유체를 매개(媒介)로 하여 동력을 전달하기 위해서는 원동축(原動軸)에 펌프를 장치하고, 그 곳에서부터 내보낸 유체를 종동축(從動軸)에 장치한 수차(水車) 혹은 유압원동기(油壓原動機：직선운동인 경우는 실린더, 이하 동일)로 보내어 이를 구동(驅動)하여야 한다. 그 경우, 유체의 작용이 소용돌이펌프와 수차 사이에서 동수력학적(動水力學的)으로 행해지는 것과 용적형(容積型) 펌프와 유압원동기와의 사이에서 정수역학적(靜水力學的)으로 행해지는 것 등이 있다.

동수역학적 유체전동장치

動水力學的流體傳動裝置

이것에는 유체조인트와 액체토크컨버터가 있다.

유체조인트는 〔그림〕－54처럼 원동력 끝에 장치한 소용돌이펌프와 종동축 끝에 장치한 수차를 마주 대하게 함으로써 짜맞추고, 양자 사이를 유체가 환류(環流)함으로써 전동이 행해진다. 작용·반작용(反作用)의 법칙에 따라서 원동바퀴가 주는 토크는 종동바퀴가 받는 토크와 동등하다. 따라서 동력 전달의 손실은 종동바퀴의 회전속도의 감소로 되어서 나타난다. 회로 내의 유량(流量)을 가감하여 종동축의 회전속도를 변화시키도록 한 변속 유체조인트도 있다. 액체토크컨버터는 흔히 토콘이라고 불리며, 〔그림〕－55로 보여준 것같이 유체조인트와 흡사하지만, 소용돌이펌프와 수차(터빈)와의 사이에 고정안내날개(스테이터)가 있는 점이 색다른 점이다. 3자의 짜맞춤 방식은 여러 가지가 있지만 그림으로 나타내는 것은 펌프→수차→스테이터→펌프→…로 회류(回流)하는 기본적인 형식이다. 고정안내 날개가 있기 때문에 이것이 토크의 일부를 받게 되고, 그 반력분(反力分)만큼 종동축(수차쪽)이 원동축(펌프쪽)보다 토크가 커진다. 출력축(出力軸)의 회전이 늘면, 원심력에 의한 흐름의 저지력(沮止力)이 커지고, 유체의 유입각(流入角)도 감소됨으로써 스테이터토크가 작아지고 출력축의 토크도 작아진다.

〔그림〕－56은 이러한 관계를 보여 준 것으로, 부하가 커지면 출력축의 회전이 내려서 큰 토크를 발생시키고, 부하가 작아지면 출력축의 회전이 늘고 토크도 작아진다. 즉 부하에 따른 무단변속(無段變速)이 자동적으로 편리하게 행해진다. 거기에서, 자동차라든가 각종 차량 등에 사용되고 있으며, 비틀림진동이라든가 충격의 완화에도 효과적으로 쓰인다.

최고속으로 스테이터를 프리로 하여 유체조인트로서 효율적으로 작용케 하는 형(型)이라든가, 고정날개 각도를 가변(可變)으로 하여 성능을 개선한 것도 있다.

정수역학적 유체전동장치

靜水力學的流體傳動裝置

용적식 유압(油壓)펌프와 유압모터를 짜맞추어, 펌프와 모터의 한편 또는 양편의 매회 전당 기름의 토출량(吐出量)을 변화시킴으로써 속도변환을 할 수 있다.

용적식 유압펌프란, 유체를 포용(包容)하고 있는 부분의 용적의 변화와 그 이동에 의해서 펌프 작용을 행하는 것이다.

이 장치에 의한 변속기구(機構)는 사용하는 펌프와 모터의 형식에 따라 여러 모양의 형(型)이 있다. 〔그림〕－57은 가변날개펌프와 유압날개모터를 짜맞춘 변속장치의 예이다. 이 밖에 토출량 가변측에는 다수의 피스톤을 방사상으로 배열한 것 등이 채용되고 있다. 토출량 불변측에는 톱니바퀴형 유압펌프·톱니바퀴형 유압모터 등도 쓰인다.

이런 형식의 것은 소형으로 대용량의 것을 얻을 수 있으며, 변속조작(變速操作)도 용이하지만 제작이 어렵고 값이 비싸며, 또 일반적으로 저속성능(低速性能)에 어려움이 있으므로, 저속용에 톱니바퀴감속기를 병용한 것도 있다.

왕복직선운동을 하는 유압모터는 유압실린더와 피스톤의 조합체로서, 동력의 제어는 토출량 가변 펌프로 행하는 경우와, 토출량 일정(一定) 펌프에 유량제어판(流量制御瓣)을 병용하여 행하는 경우 등이 있다.

효율은 전자쪽이 좋으나, 대체로 값이 비싸므로 후자를 사용하는 수가 많은데, 낭비된 동력이 열로 변해서 유온(油溫)의 상승을 조장(助長)하고, 작동상 여러 가지 장해의 원인이 된다.

공작기계의 테이블구동(驅動)에 쓰이는 유압구동기구(機構)에는, 압력·유량·방향 등의 제어판(制御瓣)을 회로 가운데에 적당히 사용함으로써 속도변환을 주고 있다.

마찰과 윤활

일의 손실과 마찰

－損失－摩擦    기계에 에너지(입력)를 주어서 일을 시키면 유효한 일(출력)은 공급된 에너지보다 반드시 적다. 또한 토크 각속도  인 회전동력을 감속기에 주어, 토크 각속도  로 했을 경우에, 만일 동력의 손실이 없다고 하면  여야 한다.

  그러나 실제로는  으로 된다. 속도를 10분의 1로 했을 경우에 토크는 10배가 되지 않고, 8배라든가 9배로 된다. 이것은 마찰에 의해서 동력의 일부가 소비되었기 때문이다. 이와 같이 동력의 일부가 일 이외로 소비되는 것을 동력손실이라 한다.

 기계에는 힘이나 운동을 전달하기 위해 상대운동을 행하는 부분이 많이 있으며, 거기에서 마찰이 발생하여 동력의 손실이 생기는 것이다. 

미끄럼마찰과 굴림마찰

－摩擦－摩擦    마찰은 접촉의 상태에 따라서 미끄럼마찰과 굴림마찰이 있다.

  우선, 미끄럼마찰에 대해서 알아보자.

  지금 어떤 고체 수평면 위에 하나의 고체를 놓고 그 고체에 수평력(水平力)을 가하면, 그 힘과 반대되는 방향에 저항이 생긴다. 이를 마찰저항이라 한다. 그 힘을 점점 크게 하면 고체는 드디어 미끄러지기 시작한다. 그 때의 힘이 마찰저항력이며, 이처럼 고체가 움직이기 시작할 때까지의 마찰을 정마찰(靜摩  擦), 움직이기 시작한 뒤의 마찰을 동(動)마찰이라 한다.

  고체의 마찰은 재질(材質)·평면의 상태·하중(荷重) 등 각종 조건에 좌우되어서 변하는데, 기본적으로는 다음과 같은 것을 말할 수 있다.

  마찰력은 겉보기의 접촉면적과는 관계없으며(제1법칙), 더욱이 하중(荷重)에 비례한다(제2법칙). 또 동마찰(動摩擦)은 미끄럼속도에 관계없이 거의 일정하다(제3법칙).

  또한 제2법칙으로부터 마찰력 는 하중 에 비례하니까  로 나타낼 수 있으며, 비례정수(比例定數) μ가 마찰계수이다. 이 관계는 정마찰 및 동마찰 양쪽에 적용된다.

  다음에 굴림마찰에 대해서 알아보자.

  굴림마찰은 굴림마찰력 가 반경 의 회전체에 작용해서 그 크기가 정해진다. 그리고 이 굴림마찰의 크기는 모멘트 M으로 나타내어지며  에 의해서 결정(決定)된다. 이를 '굴림마찰 모멘트'라 한다.

  구름마찰에 대해서는 그 내용이 복잡하기 때문에 미끄럼 마찰과 같은 법칙은 없으며, 여러 가지의 설이 있다. 가령 일본의 히사다(久田)의 이론에 따르면, 굴림마찰모멘트는 하중 및 구슬의 반경 의 승에 비례하고, 탄성계수(彈性係數) 의 승에 반비례한다고 한다.

  여기서  이다.

 

마찰을 작게 하는 방법

摩擦－方法    미끄럼마찰을 작게 하기 위해서는 적당한 윤활유 혹은 그리스를 미끄럼면에 바를 필요가 있다.

  이러한 유지를 사용할 수가 없을 경우는 카본·그라파이트·플라스틱·이황화몰리브덴 등 고체 윤활제를 사용한다. 굴림마찰

                 〔표〕-6  미끄럼베어링과 굴림베어링의 특징

	미끄럼베어링	굴림베어링
정  도 (精度)	낮은 것에서부터 매우 높은 것, 또는 초(超)정밀용에 알맞음.	매우 좋음, 호환성(互換性)이 뛰어남.
양산성 (量産性)	낮음.	높음.
마  찰	조건에 따라 큰 것에서부터 매우 작은 것이 있다.	대체로 작다.
메어링의 점유 면적	작음.	큼.

에 관해서는 및 을 작게, 또한 재료의 탄성계수 E를 크게 함으로써 기본적으로 마찰을 낮출 수가 있다.

마모

磨耗    2개의 고체가 서로 접촉하면서 이동하고 있을 때, 그들 미끄럼 면에서부터 마찰에 의해서 물질이 이탈하고, 대체로 표면에 대하여 바람직하지 못한 영향을 준다. 이와 같은 현상을 마모(磨耗)라고 부른다. 따라서 그 다뤄지는 범위는 매우 넓어지고, 다음과 같은 것이 있다.

  재봉틀기름 등을 사용하며, 보통으로 생기는 정상마모(正常磨耗), 샌드페이퍼·모래 등에 의한 거칫거림마모, 고속(高速)·고하중하(高荷重下)에서 생기는 융착마모(融著磨耗), 장시간의 이용에 의해서 표면이 피로하여 생기는 얼룩마모, 물 등의 부식작용(腐蝕作用)에 의한 부식마모, 이동거리가 0.5㎜ 정도인 미소이동(微小移動) 때 생기는 미동마모(微動磨耗), 미끄럼면이 산화되어 있는 상태인 산화마모 등이 있다.

  마모의 진행 과정에 대하여 가장 단순한 고체간 미끄럼인 경우에 마모량는 하중 및 거리에 각각 비례하고 굳기 에 반비례한다고 하며, 다음과 같은 관계식으로 된다.

  

  는 비례정수이다. 는 미끄럼조건에 따라서 정해지는 것이며, 동일한 마모기구(磨耗機構)가 성립하는 범위 내에서 유효하다. 가령 하중을 바꿈으로써, 정상마모로부터 산화마모로 바뀌면, 그에 상응하는 가 정해진다.

  기름이나 그리스를 써서 마모를 적게 한다는 것의 의미는, 고체끼리의 접촉면적 A를 기름이나 그리스로써 바꿔 놓아 될수록 적게 하고, 가능하면 영으로 하는 일이다. 그러나 티탄과 같이 재료에 따라서는 보통의 윤활제로는 효과가 나타나지 않는 경우도 있고, 또 속도가 매우 느린 미끄럼조건에서는 일반적으로 마찰계수가 매우 커지므로 윤활제 및 미끄럼재료의 선택이 중요하다.

 

미끄럼베어링과 굴림베어링

(bearing－bearing)    축에 대해서 가장 필요한 조건은 재료역학적 강도(强度)를 고려하는 것이며, 제2로는 내마모성(耐磨耗性)을 크게 하고 수명을 길게 하기 위한 재료선택 및 표면처리이다. 베어링은 미끄럼베어링과 굴림베어링의 2개 사이에서는 여러 가지 특징이 있지만, 크게 나누면 〔표〕－6과 같이 된다. 굴림베어링은 미끄럼베어링에 대하여 마찰계수는 속도에 그리 관계없이 작으므로, 자동차·자전거 등 각종 부품에 쓰인다. 그러나, 물 또는 부식성(腐蝕性) 환경에서는 녹이 발생하여 사용할 수 없게 되는 수가 많다. 미끄럼베어링은 윤활제의 종류 및 기능상 다음과 같은 분류법이 있다.

  ⑴ 유막(油膜)베어링 ― 보통의 윤활유를 사용하고, 생성된 기름의 막에 축을 뜨게 하여 밑받치는 것으로서, 그 일례를 〔그림〕－58로 표시한다.

  ⑵ 공기베어링 ― 윤활유 대신에 공기를 사용하는 것이다. 공기의 점도(粘度)는 윤활유의 1000분의 1이나 되게 매우 낮으므로 베어링 마찰이 매우 작아진다. 단 공기는 압축성이 크므로 부하능력(負荷能力)이 작은 결점이 있다.

  ⑶ 정압(靜壓)베어링 ― 유막베어링이나 공기베어링은 베어링미끄럼면에 자연히 발생한 압력으로 하중(荷重)을 지탱하지만, 정압베어링에서는 베어링미끄럼면에 외부로부터 기름이나 공기의 압력을 인위적으로 가해서 하중을 지탱하도록 되어 있다.공기를 사용할 때의 정압베어링에는 여러 종류의 형식이 있다(〔그림〕－59). 정압베어링의 마찰계수는 미끄럼베어링의 가장 좋은 조건일 때의 1000분의 1로도 될 수가 있다.

  ⑷ 함유(含油)베어링 ― 베어링 재료의 내부를 각종 재료와 방법에 의하여 다공질(多孔質)로 하고, 그 부분에 기름을 스며들게 한 것이다. 이들 베어링은 일부는 기름에 의한 유체(流體)마찰과 일부는 고체마찰이 혼재(混在)하는 이른바 경계마찰(境界摩擦) 조건에서 특히 유효하다. 그 밖에 물윤활베어링이라든가 무윤활(無潤滑)베어링이 있다.

  굴림베어링은 원칙적으로 〔그림〕－60에서 보여 주듯 궤도륜(軌道輪：內輪·外輪), 전동체(轉動體：굴림대) 및 보지기(保持器)로 되어 있다.  베어링 형식(型式)에 의한 분류는, 전동체(轉動體)에 의한 것과 하중(荷重)방향에 의한 것이 있다. 전자에는 공베어링(球軸受：〔그림〕－60) 및 굴림대(롤러)베어링(〔그림〕－61), 후자에는 래디얼베어링(〔그림〕－60·61) 및 스러스트베어링(〔그림〕－63)이 있다.
 

〔표〕-6  미끄럼베어링과 굴림베어링의 특징
	미끄럼베어링	굴림베어링
정  도 (精度)	낮은 것에서부터 매우 높은 것, 또는 초(超)정밀용에 알맞음.	매우 좋음, 호환성(互換性)이 뛰어남.
양산성 (量産性)	낮음.	높음.
마  찰	조건에 따라 큰 것에서부터 매우 작은 것이 있다.	대체로 작다.
메어링의 점유 면적	작음.	큼.

 

윤활

潤滑    윤활의 목적은 마찰이나 마모의 감쇄, 베어링의 냉각의 촉진, 이물(異物)의 배제 및 녹의 발생을 방지함 등이다. 미끄럼베어링의 경우에, 마찰계수 μ는 다음과 같이 주어진다.

  

  여기서  ＝사용온도에서의  기름의  점도(粘度),   ＝축(軸) 회전수  rpm, ＝축경(徑)㎝, ＝베어링길이  ㎝, ＝틈 ㎝ .  에 의한 수정치(修正値), 에 대해서 거의    이다.

   굴림베어링은 굴림마찰이 기본이며, 그것만의 이유에서는 윤활의 필요가 없을 뿐만 아니라, 그것을 사용함으로써, 거꾸로 점성저항(粘性抵抗)에 의한 굴림마찰을 크게 하는 결과가 된다. 그러나 실제의 궤도면에서는 차동(差動)미끄럼이 개재하고, 다시금 보지기와 전동체(轉動體)와의 사이에서는 미끄럼마찰이 생긴다. 그러므로 윤활은 굴림베어링으로서도 성능 향상을 위해서는 중요한 일이다.

  윤활유는 광유계(鑛油系)·동식물유계·합성유계 등 다수 있는데, 주체는 광유계 윤활유이다.

  그리스는 반고체(半固體) 또는 고체상(狀)의 윤활제이며, 윤활유에 비하여 점도가 높다. 따라서 밀봉성(密封性)이 좋고, 자주 기름을 칠 필요가 없다.

  그리스는 증창제(增脹劑)적 종류로부터 들면 칼슘(캅프그리스)·나트륨(파이버그리스) 등, 또 특성으로부터는 내수성(耐水性, 캅프그리스) 및 내열성(파이버그리스) 등으로 분류된다.

마찰의 이용

摩擦－利用    〔그림〕－64에 있는 것처럼 어떤 고체를 수평면에 놓고 그 평면을 차차 기울어 가면 고체가 미끄러지기 시작하는데, 그 때의 각도를 마찰각(α)이라 한다. 그리하여 마찰계수 μ와 α의 관계는 μ=tanα로 된다. 이 마찰각은 쐐기 혹은 나사가 헐거워지지 않기 위한 기준이 되는 것이다.

  다음에 마찰을 이용한 기계 요소(要素)의 예를 2, 3개 제시한다.

 〔그림〕－65는 벨트구동의 풀리(pulley)이며, 벨트의 잡아당기는 쪽과 작용하는 힘의 차, 즉  는 벨트와 풀리와의 사이에 작용하는 마찰력에 상당하며,

  

로 표시된다.

  클러치의 예에서는 〔그림〕－66과 같은 기구(機構)의 경우 에는 평균반경을 , 하중을 P라고 하면 전도(傳導) 토크 는

  

으로 된다.

  각종 브레이크에도 마찰이 이용되는데, 밴드브레이크의 힘의 균형은 〔그림〕－63처럼

  

로 된다. 진동(振動)의 감쇠(減衰)에 쓰이는 고체마찰식 댐퍼, 이른바 랑케스터댐퍼에도 클러치와 동일한 기구(機構)로 고체마찰이 이용된다.

기계와 진동

기계의 진동

機械－振動

대지가 흔들리는 것을 지진이라고 하며, 소리는 공기의 진동이라고 한다.

그러나 좁은 의미로서는 지진이라고는 말하지 않더라도, 기계가 진동하면 그것이 대지(大地)에 전해져서 땅이 흔들리고 집이 흔들리는 수도 있다.

또 기계가 진동하면 당연히 그 둘레의 공기도 그에 따라서 진동케 되고 더욱이 그 진동수가 사람의 귀에 느끼는 이른바 가청(可聽) 주파수 범위에 있기 때문에 음을 발한다.

이 기계의 진동은, 기계 자체에서 진동의 근원이 있어서 진동하고 있는 경우와, 그 기계에는 진동의 근원이 없으되 외부로부터의 자극으로 기계나 그 일부가 진동할 경우, 즉 진동원(源)이 내부에 있을 경우와 외부에 있는 경우 등으로 나눠진다.

진동원이 내부에 있을 경우

振動源－內部－境遇    진동원에는 자동차의 엔진의 피스톤처럼 정해진 실린더 방향으로 왕복동(往復動)하기 때문에 생기는 것이 있다. 〔그림〕－67을 참조로 역학적인 설명을 하면 다음과 같다.

  엔진이 일정한 회전속도로 회전하고 있는 것이라 할 때, 피스톤의 움직이는 방식은 근사적(近似的)으로 다음과 같은 식으로 나타내어진다.

  

  크랭크의 각속도(角速度) ω는 dθ／dt 로 구해지며, 이것은 일정하다고 간주하면 피스톤의 속도 및 가속도 α는 위 식에서부터

  




    

    

 로 나타내어진다.

  뉴턴의 법칙에 따르자면 질량과 가속도의 곱(積)의 부호를 바꾼 것이 관성력(慣性力)으로서 작용한다.

  따라서 피스톤의 중량을 ㎏으로 하고, 중력의 가속도를 ㎝/초²로 하면 피스톤이 상하하기 때문에 생기는 관성력 는 다음과 같다.

  

  이 식을 도시한 것이 〔그림〕－70이다. 이 그림으로 확실한 것처럼, 피스톤이 상하하기 위하여 그 관성력의 작용방향은 피스톤의 상하방향과 동일하지만, 그 크기는 끊임없이 변화를 하며, 더욱이 그 방향은 스트로크의 전반(前半)과 후반에서 반대로 되므로, 엔진의 1회전마다에 1회전씩 상하방향으로 엔진에 충격을 준다.

  더욱이 이 충격력 즉 관성력은 즉 엔진의 회전수의 제곱에 비례하므로 고속도적인 것일수록 격심하게 진동하는 결과가 된다.

  진동원(振動源)의 또 하나의 예는, 전동기(電動機) 등의 회전자(回轉子)의 불균형에 기인한다(〔그림〕－68). 이들 회전자는 그 중심축에 대하여 어느 방향으로부터 볼지라도 대칭(對稱)이 되게끔, 될수록 둥글게 제작되지만, 사용하는 재료의 불균일성이라든가 제작 오차(誤差) 등이 있기 때문에 아무래도 중량적으로 비대칭(非對稱)적인 부분이 생긴다. 이 비대칭 부분이 회전 중심에서 인 거리에 ㎎이 있다고 하고, 회전자가 매분 회전의 비율로 회전하면 이 불균형에 원인하는 원심력은 다음 식으로 나타나게 된다. 

  

   이 원심력은, 작용방향이 글자 그대로 회전축과 동일 중심축으로부터 바깥쪽으로 향하고 있으며, 더욱이 회전축과 동일 속도로 회전하므로 원심력의 크기는 변하지 않더라도 역시 전동기를 진동시킨다. 그리고 이 경우도 진동수는 회전속도의 제곱에 비례하여 커진다.

  이처럼 기계의 진동의 원인에는 직선운동에 의거하는 것과 회전운동에 의거하는 것이 있다.

진동원이 외부에 있는 경우

振動源－外部－境遇

기계에 힘이 걸리면 변위하기도 하고 변형하기도 한다. 그리고 위에서 말한 것 같은 진동적(振動的)인 힘이 작용하면 그 진동력의 방향이나 크기의 변화에 대응해서 변형이라든가 변위도 진동적인 것이 되는데, 이 진동력을 받아들이는 방식에는 재미있는 성질이 있다. 즉 진동력의 진동수(＝단위시간당의 되풀이수) f` 가 낮을 경우에는 그 진동력에 응해서 진동하지만, 진동수를 점차로 높여 가면 어떤 진동수에서 급격히 진동의 진폭이 커진다. 그리고 그 진동수를 넘으면, 다시금 진폭은 줄어들고 만다. 이처럼 진폭이 갑자기 커지는 것은, 외력(外力)의 진동수가 그 물체 고유의 자연진동수와 일치되었을 때에 생기며, 이 현상을 공진(共振)이라고 한다.

이 공진상태인 때에는 공진하고 있지 않는 상태인 때에 비해서 진폭이 수배로부터 수십배나 올라가므로 기계의 진폭은 매우 커진다. 그리고 이상소음(異常騷音)의 원인이 되기도 하고, 심할 경우에는 기계를 고장시키기도 하고, 파괴시키는 원인이 되는 때도 있다.

진동의 방지법

振動－防止法

진동의 원인에는 왕복 운동하는 부분이 있기 때문에 생기는 것, 회전부분의 잔류 불균형(殘留不均衡)에 기인하는 것, 기계의 공진(共振)에 기인하는 것이 있다. 따라서 방지법은 그들 원인을 제거하도록, 또는 될수록 작게 하도록 하면 좋을 것이다.

엔진 등의 경우에는 엔진의 실린더의 수를 많게 하고, 다시 또 그 피스톤의 작동 방향을 알맞게 짜맞춘 위에, 적당한 밸런스용 중량을 여분(餘分)으로 달아서 진동의 원인을 극히 작게 한다.

또 회전기계인 경우에는 균형시험기(均衡試驗機)로 불균형량을 측정함으로써 그 불균형량만을 깎아내기도 하고 그 중량만큼 반대쪽에 여분추(餘分錘)를 달아서 될수록 불균형을 작게 하여 진동력을 작게 하도록 한다(〔그림〕－69). 공진을 시키는 2가지 방법 중 그 하나는 기계의 작동 범위에 이 공진주파수 즉 고유진동수가 존재하지 않도록 설계하는 방법이다. 또 하나는 공진 할지라도 그 진폭이 그다지 커지지 않도록 진동감쇠(減衰)를 적극적으로 행하는 방법이다.

고유진동수를 기계의 작동범위 밖으로 쫓아내는 방법은 가장 효과적인 방법이지만, 가령 자동차 등과 같이 속도가 0으로부터 100㎞／시(時)를 넘을 만큼 작동범위가 넓은 경우에는 실제적으로 불가능하므로, 마찰을 이용하여 진동을 감쇠시키기도 하고 다른 물체에다 진동을 대신 짊어지게 한다든지 한다. 가령 오일댐퍼(oil damper)와 같은 진동감쇠기를 장치하면, 공진은 할지라도 거의 진폭을 증대시키지 않게끔 할 수가 있다.