기어 백래시 측정 및 KS 등급 실무 (Gear Backlash Measurement and KS Grade Application)

“정밀 구동계에 기어를 쓰는데 백래시 공차를 ‘대충 0.1밀리미터’로 잡으신 적은 없으신가요?”

저도 신입 시절, 저속으로만 돌아가는 장치라며 백래시를 여유 있게 잡았다가 큰코다친 경험이 있습니다. 저속 회전 시에는 큰 문제가 없던 기어 시스템이 가속 구간에 진입하자마자 굉음과 함께 심각한 진동을 일으켰죠. 결국 최종 조립 단계에서 전량 해체 후 재조립하는 과정에서 팀장님께 뼈아픈 등짝 스매싱을 맞았습니다.

백래시는 단순히 치면 사이의 간격이 아닙니다. 이 간극은 고속 운전 시 소음, 충격 하중 증가, 그리고 결국 시스템의 피로 수명을 결정하는 핵심 요소입니다. 백래시 관리가 실패하면 정밀 제어가 불가능해지고, 값비싼 기계 전체가 고장 주기가 짧은 ‘돈 먹는 하마’로 변질됩니다. 결국 설계자는 줄타기를 하듯 정밀도와 비용 사이의 최적점을 찾아야 합니다.

1. 백래시의 정의와 실무적 중요성

기어 백래시는 한 쌍의 기어를 정상적으로 맞물렸을 때, 고정된 기어 잇면과 회전하는 기어 잇면 사이에 존재하는 원주 방향의 최소 간극을 의미합니다. 이 간극은 열팽창, 가공 오차, 조립 오차 등을 흡수하기 위해 필수적으로 존재해야 하지만, 너무 크면 위치 결정 오차가 발생하고 동적 하중 시 충격이 심해집니다.

정적 백래시: 기어가 정지된 상태에서 측정되는 간극입니다.
동적 백래시: 운전 중 발생하는 간극으로, 부품의 탄성 변형 및 유막 형성에 따라 변화합니다.

2. 기어 백래시 측정 방법 (다이얼 게이지 활용)

가장 일반적이고 실무에서 많이 사용되는 백래시 측정 방법은 다이얼 게이지를 이용한 측정입니다.

기준 기어 고정: 측정 대상 기어(종동 기어)와 맞물린 상대 기어(구동 기어)를 완전히 고정합니다. 샤프트의 회전은 물론 축 방향 이동까지 완벽히 제어해야 합니다.
게이지 설치: 다이얼 게이지의 측정자(접촉자)를 측정 대상 기어의 잇면에 수직이 되도록 접촉시킵니다. 일반적으로 기준 원주 상의 잇면 중앙 부근에 설치합니다.
측정 및 기록: 고정된 구동 기어에 힘을 가하지 않은 상태에서, 종동 기어를 한쪽 방향(예: 시계 방향)으로 밀착시킨 후 다이얼 게이지의 영점(0점)을 맞춥니다.
백래시 판독: 종동 기어를 반대 방향(예: 반시계 방향)으로 움직여 상대 기어의 다른 잇면에 접촉시킵니다. 이때 다이얼 게이지가 지시하는 값이 바로 백래시입니다.
다중 측정: 기어 가공 오차는 원주 방향으로 일정하지 않을 수 있으므로, 최소한 3~4개의 다른 잇면 위치에서 측정하여 평균값과 최대값을 기록해야 합니다.

3. KS 정밀도 등급과 백래시 관리 기준

기어의 정밀도 등급은 KS B 1405 (기어의 정도) 및 ISO 1328에 의거하여 정의되며, 등급이 낮을수록(숫자가 작을수록) 정밀도가 높음을 의미합니다 (예: 3등급 > 8등급). 백래시의 허용값은 기어의 모듈, 중심 거리, 그리고 이 정밀도 등급에 따라 결정됩니다.

3.1. 치합 오차와 백래시의 관계

기어의 정밀도 등급은 주로 피치 오차, 잇줄 방향 오차, 치형 오차 등 치합 오차를 규정합니다. 이러한 기하학적 오차가 곧 최종적으로 요구되는 백래시의 최소값 및 최대값에 영향을 미칩니다. 일반적으로 높은 정밀도(저 등급)가 요구되는 시스템일수록 백래시는 엄격하게 관리되어야 합니다.

“이러한 정밀도 관리는 결국 기하 공차 관리에서 시작됩니다. [기하 공차 설계 지침]을 꼭 확인하세요.”

3.2. 실무 적용을 위한 KS 백래시 기준 (KS B 1407 참조)

다음 표는 실무에서 가장 흔히 접하는 평 기어(스퍼 기어)의 모듈(m)에 따른 법선 최소 백래시(j_{n min})의 일반적인 권장 기준을 나타냅니다. 정밀도 등급이 올라갈수록(숫자가 작아질수록) 요구되는 최소 백래시는 줄어듭니다.

치수 정의

m: 모듈
j_{n min}: 법선 최소 백래시. 최소 백래시는 윤활유막을 형성하고 열팽창을 보상하기 위해 반드시 필요한 간극입니다.

모듈 (m)	6등급 (고정밀) (mm)	8등급 (표준) (mm)	10등급 (일반) (mm)
1.0	0.020	0.035	0.050
2.0	0.030	0.050	0.075
4.0	0.050	0.080	0.120
6.0	0.070	0.110	0.160
8.0	0.090	0.140	0.200

*참고: 이 값은 표준 중심 거리에서 측정했을 때의 권장 최소 백래시이며, 실제 적용 시 작동 온도, 윤활 방식, 축 간 거리 공차를 고려하여 추가 여유를 두어야 합니다.

4. 정밀도 등급 선정 실무 지침

어떤 정밀도 등급을 선택할 것인가는 결국 비용 문제와 직결됩니다. 6등급 기어는 10등급 기어보다 훨씬 비싸기 때문에 시스템 요구 사항에 맞춰 등급을 현명하게 선택해야 합니다.

4.1. 등급 선정 체크리스트

고속/고정밀 구동계 (6등급 이하): 로봇, 공작 기계(NC 테이블), 인덱싱 장치 등 위치 결정 정밀도가 중요하고 회전 속도가 높은 경우. 백래시 제로나 매우 작은 백래시가 요구됩니다.
표준 산업용 (7~9등급): 컨베이어 시스템, 일반 감속기, 중하중 전달 장치 등 소음과 진동에 비교적 덜 민감한 경우.
저속/저정밀 (10등급 이상): 수동 작동 장치, 개략적인 위치 제어만 필요한 경우. 제작 단가를 낮추는 데 중점을 둡니다.

4.2. 중심 거리 조정의 중요성

실제 구동계에서는 백래시를 조정하기 위해 기어 박스의 축 간 거리를 설계 공차(C_T) 내에서 조정하는 방법을 사용합니다.

백래시는 축 간 거리의 미세한 변화에 매우 민감합니다. 만약 가공된 축 간 거리가 설계값보다 약간 크다면 백래시는 증가하고, 작다면 백래시는 감소하거나 심지어 마이너스 백래시(무리 치합)가 발생할 수 있습니다. 설계 단계에서 축 간 거리의 허용 공차를 KS 정밀도 등급에 맞추어 엄격하게 관리하는 것이 중요합니다.

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