랙 앤드 피니언
랙 앤드 피니언(Rack and pinion)은 원형 톱니바퀴(피니언)가 선형 톱니바퀴(랙)와 맞물리는 리니어 액추에이터의 일종이다.[1] 이들은 회전 운동과 선형 운동을 상호 변환한다. 피니언을 회전시키면 랙이 선형으로 움직이게 된다. 반대로, 랙을 선형으로 움직이면 피니언이 회전한다.
랙 앤드 피니언 메커니즘은 랙식 철도에 사용된다. 이 철도에서는 기관차나 궤도차에 장착된 피니언이 일반적으로 레일 사이에 놓인 랙과 맞물려 열차가 가파른 경사를 오르는 것을 돕는다. 또한 아버 프레스와 드릴 프레스에도 사용되는데, 여기서는 피니언이 지레와 연결되어 수직 랙(램)을 움직인다. 파이프라인 및 기타 산업용 배관 시스템에서는 리니어 액추에이터에 의해 변위된 랙이 피니언을 회전시켜 밸브를 열거나 닫는다. 계단 리프트, 운하 문, 전동 게이트 및 자동차의 기계식 스티어링 메커니즘은 다른 주목할 만한 응용 분야이다.
"랙 앤드 피니언"이라는 용어는 랙이 직선이 아니라 호형(구부러진 형태), 즉 큰 톱니바퀴의 일부일 때도 사용될 수 있다.[2]
하나의 피니언이 평행하지만 반대 방향으로 두 개의 랙을 동시에 구동할 수 있다. 이 두 랙은 항상 동일한 거리만큼, 단지 반대 방향으로만 변위된다. 반대로, 두 랙에 반대 방향의 힘을 가함으로써 어떠한 힘 성분 없이 피니언에 순수한 토크를 얻을 수 있다. 이 이중 랙 앤드 피니언 메커니즘은 예를 들어 한 쌍의 공압 액추에이터와 함께 사용하여 최소한의 응력으로 밸브를 작동시킬 수 있다.[3]
응용 분야 갤러리
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전동 게이트 -
자동차 스티어링 메커니즘 -
랙식 철도 차륜 -
푸니쿨라 차륜 및 브레이크 -
이중 랙 공압 밸브 액추에이터
역사
[편집]랙 앤드 피니언 메커니즘의 발명 시기와 장소는 알려져 있지 않지만, 톱니바퀴의 발명 직후였을 것으로 추정된다. 중국의 지남차와 안티키티라 기계는 기원전 몇 세기 전부터 이러한 장치들이 잘 알려져 있었다는 증거이다.
1598년에 화기 설계자 자오시전(趙士禎)은 오스만 튀르크 화승총 디자인에서 파생된 랙 앤드 피니언 화승총 메커니즘을 특징으로 하는 현원총(軒轅銃)을 개발했다.[4] 『무비지』(1621)는 나중에 랙 앤드 피니언 메커니즘을 사용한 오스만 튀르크 머스켓을 묘사했다.[5][6]
가변 랙(여전히 일반 피니언 사용)의 사용은 아서 어니스트 비숍[7]이 1970년대에 발명하여 특히 고속에서 차량 반응과 스티어링 "감각"을 개선했다. 그는 또한 톱니바퀴를 가공할 필요가 없도록 저비용 프레스 단조 공정을 만들어 랙을 제조했다.
웜 기어와의 비교
[편집]랙 앤드 피니언은 랙이 기어를 대체한다는 점에서 웜 드라이브와 거의 동일한 목적을 가지며, 둘 다 토크를 선형 힘으로 변환한다. 그러나 랙 앤드 피니언은 일반적으로 더 높은 선형 속도를 제공한다. 피니언이 한 바퀴 완전히 돌면 랙이 피니언의 피치원 둘레만큼 변위되는 반면, 웜 스크류가 한 바퀴 완전히 회전하면 랙이 한 톱니 너비만큼만 변위되기 때문이다. 같은 이유로, 랙 앤드 피니언 메커니즘은 동일한 입력 토크에 대해 웜 기어보다 작은 선형 힘을 발생시킨다. 또한 랙 앤드 피니언 쌍은 선형 힘을 토크로 변환하는 반대 방식으로도 사용될 수 있지만, 웜 드라이브는 한 방향으로만 사용될 수 있다.[8]
기하학
[편집]랙 앤드 피니언 쌍의 톱니는 직선(회전축에 평행, 스퍼 기어와 같이)이거나 헬리컬일 수 있다. 피니언에서는 작동 톱니면의 프로파일이 대부분의 톱니바퀴와 마찬가지로 일반적으로 신개선의 호이다. 반면 랙에서는 일치하는 작동면이 평평하다. 이를 무한 반경의 톱니바퀴에 대한 신개선 톱니면으로 해석할 수 있다. 두 부분 모두에서 톱니는 일반적으로 톱니바퀴 절삭기(호브)로 형성된다.[1]
같이 보기
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각주
[편집]- ↑ 가 나 《Gear Nomenclature, Definition of Terms with Symbols》. American Gear Manufacturers Association. 2005. 72쪽. ISBN 1-55589-846-7. OCLC 65562739. ANSI/AGMA 1012-G05.
- ↑ Phillips, Jack (2003). 《General Spatial Involute Gearing》. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 3662053020.
- ↑ “Automax SuperNova Series Pneumatic Rack & Pinion Actuators” (PDF). Flowserve Corporation. 2016년 8월 31일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2014년 7월 7일에 확인함.
- ↑ Zhao Shizhen (1598): Shen Qi Pu (神器譜)
- ↑ Needham, Joseph (1986), 《Science & Civilisation in China》, V:7: The Gunpowder Epic, Cambridge University Press, 446쪽, ISBN 0-521-30358-3
- ↑ 和田, 博徳 (October 1958). 《明代の鐡砲傳來とオスマン帝國 : 神器譜と西域土地人物略」『史學』第31巻1-4》. Tokyo: 三田史学会、東京. 692–719쪽.
- ↑ “Rack and pinion variable ratio steering gear”. Google Patent Search. 2007년 3월 22일에 확인함.
- ↑ ZHY Gear(1023): "Worm Gears vs. Rack and pinion". Online article at the company's website. Archived on 2024-07-28.