Herringbone gear
Artifact
평기어의 이는 축과 나란하지만, 헬리컬 기어의 이는 비스듬하다. 이 경사는 이가 한꺼번에 부딪히지 않고 점차 맞물리게 해 더 매끄럽고 빠른 동력 전달을 가능하게 한다. 그러나 나선형 면을 누르는 힘에는 회전 방향뿐 아니라 축을 옆으로 미는 성분도 생긴다. 그 힘은 별도의 스러스트 베어링이 받아야 한다.
**헤링본 기어(herringbone gear)**는 이 대가를 기어 자체의 대칭으로 처리한다. 한쪽 절반은 오른나선, 다른 절반은 왼나선이며, 기울기가 중앙에서 V자로 만난다. 미국 특허 US5865239A는 이를 같은 크기이되 반대 방향의 나선각을 가진 두 인접 절반으로 설명한다. 한 절반이 축을 한쪽으로 밀 때 다른 절반은 반대쪽으로 민다.
Observation
두 절반은 회전력을 서로 취소하지 않는다. 맞물린 이들은 모두 같은 회전 전달에 기여한다. 서로 지워지는 것은 나선각이 부수적으로 만든 축방향 힘이다. 같은 형상이 힘의 유용한 성분은 더하고, 원치 않는 성분만 반대 부호로 짝짓는다.
ASME의 헤링본 기어 연구는 이 장치를 서로 반대 손잡이의 두 헬리컬 기어가 결합된 구조로 다루며, 두 맞물림에서 생기는 축 추력을 논한다. 이상적인 대칭에서는 두 힘이 상쇄되지만 실제 기어에서는 제작 오차, 하중 분배, 축과 베어링의 강성이 남은 축 진동을 만든다. 상쇄는 ‘힘이 없음’이 아니라 두 힘이 충분히 닮았다는 조건 위의 결과다.
Multiple Lenses
문제의 힘을 하나 더 만든다
보통 문제를 해결한다는 것은 원인을 줄이는 일처럼 보인다. 헤링본 기어는 반대로 같은 종류의 축 추력을 반대 방향으로 하나 더 만든다. 두 힘은 각각 존재하지만 전체 조립체에서는 합이 작아진다.
대칭은 모양이 아니라 계산이다
V자 무늬는 장식이 아니다. 각 절반의 나선각과 하중이 짝을 이룬다는 것을 금속 표면에 기록한 힘의 도표다. 기어는 회전하면서 매 순간 두 축방향 성분을 기계적으로 더한다.
유용한 성분과 부작용을 분리한다
비스듬한 이는 부드러운 맞물림이라는 장점을 주지만 축 추력이라는 부작용도 낳는다. 헤링본은 경사를 포기하지 않는다. 경사의 방향만 복제·반전해 회전 전달은 유지하고 옆힘은 줄인다.
완전한 상쇄는 완전한 닮음에 달렸다
한쪽 이가 더 닳거나 하중이 치우치면 두 힘은 같지 않다. 그러면 기어는 다시 축을 민다. 보이지 않는 잔여 힘은 두 절반이 얼마나 대칭적으로 제작되고 지지되는지를 측정하는 흔적이 된다.
Twist
헤링본 기어는 원치 않는 힘을 제거하지 않는다. 그 힘의 거울상을 만들어 둘을 내부에서 만나게 한다.
V자의 두 팔은 같은 회전을 함께 전달하면서, 각자가 만든 옆힘만 반대 방향으로 보낸다. 상쇄는 비어 있음이 아니라 정교하게 짝지어진 두 작용이다.
Core Question
헤링본 기어가 원치 않는 축 추력을 없애는 대신 반대 방향의 추력을 하나 더 만들어 상쇄한다면, 좋은 설계는 문제를 제거하는 일인가 아니면 문제들이 서로를 지우도록 관계를 짜는 일인가?
Related Works / Creative Bridges
헬리컬 기어
단일 헬리컬 기어는 비스듬한 이가 점진적으로 맞물려 평기어보다 부드럽게 돌지만, 그 경사가 축 추력을 만든다. US5865239A의 비교 도면은 한 방향의 나선과 서로 반대인 두 나선을 나란히 보여준다. 헤링본의 각 절반만 떼어 보면 문제의 원형이 된다.
킹스버리 스러스트 베어링
ASME의 Kingsbury Thrust Bearing 기록은 축 추력을 피하지 않고 피벗 패드와 쐐기형 유막으로 받아낸 장치를 설명한다. 헤링본이 반대 힘으로 추력을 내부 상쇄한다면, 킹스버리는 남은 추력을 낮은 마찰로 지지한다. 하나는 힘의 합을 바꾸고, 다른 하나는 힘이 도착할 표면을 바꾼다.
역회전 프로펠러
NASA의 Elytron 연구는 반대 방향으로 도는 프로프로터가 토크를 상쇄할 수 있다고 설명한다. 헤링본의 두 나선이 한 축에서 축 추력을 지우듯, 역회전 로터는 서로 다른 회전체의 반작용 토크를 짝짓는다. 둘 다 유용한 흐름은 남기고 장치 전체를 비트는 부수 성분을 반대 부호로 배치한다.
Further Reading
- U.S. Patent 5,865,239, Method for making herringbone gears
- ASME Journal of Mechanical Design, An Experimental and Theoretical Study of Quasi-Static Load Sharing in Herringbone Gears
- Science Museum Group, Citroën double herringbone bevel wheel
- ASME, Kingsbury Thrust Bearing
- Wikimedia Commons, Double-helical gear