웜기어의 셀프락킹에 관하여

 웜기어의 셀프락킹이란 웜드라이브(웜과 웜휠의 조합)에서 웜을 구동 시키면 웜휠이 회전하지만, 그 반대로 웜휠을 구동시키면 웜은 회전하지 않고 정지해 있게끔 락을 걸어주는 웜기어의 구조적 기능이다. 다른 말로는 웜드라이브 장치 (기어 박스등) 출력 기어에 동력을 주어 입력 기어를 회전시키는 백드라이브 (back-drive)를 방지하는 작용을 셀프락킹이라고 한다.

 

 셀프락킹의 작동 원리는 기본적으로 웜과 웜휠의 마찰력이다. 웜휠에 외력(회전하는 방향으로)이 가해져도 그 힘이 웜과 웜휠의 마찰력 보다 작다면 락이 걸린 것처럼 웜이 회전하지 않는다.

 

 마찰력은, 접촉하는 두 물체의 재질에 따라서도 달라지는데, 주철과 구리 조합을 1로 놓고 두 물체 사이의 마찰력을 비교해보면, 얼음과 얼음이 0.02로 가장 낮고 (당연하게), 유리와 유리가 1, 은과 은의 조합이 1.4로 높은 편이다. 기어이가 파손 되지 않는다고 가정 했을 때, 은으로 된 웜과 웜기어에 윤활유를 사용하지 않으면 가장 큰 셀프락킹 효과를 얻을 수 있다. (이론상 그렇다.) 소재에 따른 마찰력 비교는 아래 표 참조. en.wikipedia.org/wiki/Friction#Coefficient_of_friction

 

 물리학에서 마찰력을 구하는 식은 Fr=u*Fm 말로 풀어 보면 마찰력이란 마찰계수에 물체에 가해지는 힘을 곱한 값과 같다는 것이다. 웜기어도 마찬가지로 구조적인 셀프락킹을 구현하기 하기 위해 웜기어의 마찰각을 크게하고, 리드각을 줄이는 방향으로 디자인 하게 된다. 쉽게 이해 할 수 있게 2차원으로 예를 들자면, 경사 위에 높인 상자가 정지해 있는 상태라고 가정하고, 이때 상자를 정지한 상태로 만드는 요소들을 마찰 계수로 표현 할 수 있다. 상자가 경사 위를 잘 움직일 수 있게 하려면, 상자 또는 경사를 얼음과 같이 미끄럽게 만들거나 경사면에 윤활유를 바를 수 있겠고, 또는 상자를 움직이게 하려는 방향(힘의 방향)에 맞추어 경사면을 가파르게 하거나 완만 할 수도 있는데 이를 마찰계수를 낮춘다고 표현한다. 수식으로는 5kg의 상자를 경사면에서 움직이기 위해 1kgf의 힘이 들었다면, 마찰계수는 0.2µ이 된다.

 

웜을 2차원으로 전개하여 아래 그림과 같이 표현하면, 마찰각은 웜휠이 회전하는 힘의 방향과 웜의 헬릭스 나사산 사이의 각도이다. 리드각이란 웜휠의 회전축과 웜의 헬릭스선과의 각도이다.