유성 감속기는 가운데 선기어, 여러 유성기어, 바깥 링기어와 유성 캐리어로 토크를 나누는 동축 감속기입니다. 링기어를 고정하고 선기어를 입력, 캐리어를 출력으로 쓰면 여러 유성기어가 동시에 맞물려 작은 부피에서 비교적 높은 토크를 전달합니다. 로봇 관절에서는 낮은 감속비와 높은 효율, 역구동성이 필요한 QDD 구조에 잘 맞지만 치면 간극, 유성기어 사이 하중 분배와 다단 누적 오차를 관리해야 합니다.
네 요소의 상대 운동이 감속비를 만든다
선기어는 중심에서 유성기어를 돌리고, 유성기어는 링기어 안쪽 치면을 따라 공전합니다. 유성기어 축을 잡는 캐리어가 함께 천천히 돌아 출력이 됩니다.
MathWorks의 유성기어 모델 문서처럼 선·링·캐리어 세 축의 속도는 서로 묶여 있습니다. 어느 요소를 고정하고 입력과 출력으로 쓰는지 먼저 밝혀야 감속비가 의미를 가집니다.
링기어 고정형의 감속비는 치수에서 바로 나온다
링기어를 고정하고 선기어를 입력, 캐리어를 출력으로 쓰는 일반적인 구성에서 감속비는 1에 링기어 치 수를 선기어 치 수로 나눈 값을 더한 형태입니다. 같은 중심축에서 감속과 토크 증폭이 일어납니다.
KG Stock Gears의 공식 계산 자료는 고정 요소에 따른 planetary·solar·star형 속도비를 구분합니다.
여러 유성기어는 토크를 나눠 받는다
세 개 이상의 유성기어가 동시에 선기어와 링기어에 맞물리면 같은 외경에서 여러 경로로 힘을 전달할 수 있습니다. 이 병렬 하중 경로가 유성 감속기의 토크 밀도를 높입니다.
이론적으로 균등 분배돼도 캐리어 핀 위치, 치형, 베어링과 하우징 편심이 있으면 특정 유성기어에 하중이 몰립니다. 플로팅 선기어 또는 정밀 가공과 조립으로 하중 분배를 개선합니다.
단일 단계는 효율과 역구동성에 유리하다
감속 단수가 적고 감속비가 낮으면 접촉 손실과 반사 관성을 줄이기 쉽습니다. 외력을 관절이 감지하고 부드럽게 밀려나야 하는 다리와 협동 로봇에 유리한 조건입니다.
QDD 액추에이터는 큰 모터와 낮은 감속비를 결합해 토크 밀도와 역구동성 사이를 조정합니다. 유성기어라는 이름만으로 역구동성이 보장되지는 않습니다.
다단 감속은 비율을 늘리지만 오차와 관성도 쌓는다
두 단을 직렬로 연결하면 전체 감속비는 각 단계 비율의 곱이 됩니다. 작은 모터로 큰 토크를 만들 수 있지만 기어 수와 베어링, 캐리어가 늘어 무게와 길이, 마찰이 증가합니다.
각 단계의 백래시와 편심, 토크 리플이 출력에서 합쳐집니다. 필요한 감속비를 먼저 정한 뒤 단수와 모터 크기를 함께 최적화해야 합니다.
백래시는 치면 간극과 캐리어 오차에서 생긴다
기어가 열팽창과 가공 오차에도 걸리지 않으려면 치면 사이에 간극이 필요합니다. 방향을 바꿀 때 이 간극이 닫히기 전까지 출력이 따라오지 않는 구간이 생깁니다.
정밀 치형, 선택 조립, 스플릿 기어 예압과 출력 엔코더 보정으로 줄일 수 있지만 마찰·열·비용이 늘 수 있습니다. 출력축 엔코더는 각도 오차를 볼 뿐 기계 충격을 없애지는 못합니다.
| 설계 변수 | 좋아지는 항목 | 함께 커질 수 있는 것 | 검증 |
|---|---|---|---|
| 유성기어 수 증가 | 하중 분배·토크 | 조립 민감도 | 기어별 접촉 흔적 |
| 감속비 증가 | 출력 토크 | 반사 관성·마찰 | 역구동 토크 |
| 예압 증가 | 백래시·강성 | 열·마모 | 열간 회전 토크 |
| 다단화 | 큰 전체 감속비 | 길이·오차 누적 | 단별 효율·백래시 |
| 큰 모듈 | 치 강도 | 크기·리플 | 치근 응력·진동 |
유성기어 수는 위상과 조립 가능 조건을 만족해야 한다
원주에 유성기어를 균등 배치하려면 선기어와 링기어 치 수, 유성기어 수가 맞아야 합니다. 치 수만 보고 외형에 들어간다고 모든 배치가 조립되는 것은 아닙니다.
유성기어 사이 간섭, 핀과 베어링 공간, 윤활 유로까지 확인합니다. 치 수 선택은 감속비와 강도, 조립 위상을 동시에 묶습니다.
캐리어 강성이 하중 분배와 출력 오차를 좌우한다
캐리어가 휘면 유성기어 축이 기울어 치면 가장자리에 하중이 몰립니다. 얇은 경량 캐리어는 관성은 줄지만 정격 토크에서 변형과 피로를 검토해야 합니다.
출력 플랜지와 캐리어를 일체화할지, 베어링을 어디에 둘지도 하중 경로를 바꿉니다. 관절 모멘트가 기어 치면을 불필요하게 누르지 않도록 출력 베어링과 역할을 나눕니다.
윤활과 온도는 저속 마찰을 바꾼다
그리스 점도, 충전량과 씰 저항은 작은 토크에서 큰 비중을 차지합니다. 차가운 시작과 열평형 상태의 역구동 토크가 다를 수 있습니다.
로봇 관절 열관리에서처럼 모터 열과 기어 마찰열이 같은 하우징에 쌓입니다. 효율은 정격점 한 개보다 토크·속도·온도 맵으로 봅니다.
로봇 관절에서는 역구동 토크와 토크 리플을 시험한다
출력축을 천천히 밀어 모터를 역으로 돌리는 데 필요한 토크를 각도별로 측정합니다. 기어 맞물림 주기에 따른 주기적 변화는 힘 제어와 보행 접촉에 영향을 줍니다.
완성 관절 시험에서 정방향·역방향, 냉간·열간, 무부하·하중 상태를 나눠 백래시와 마찰을 기록합니다.
| 선정 조건 | 유성 감속기가 유리한 경우 | 주의할 경우 | 대안 검토 |
|---|---|---|---|
| 감속비 | 낮음·중간, 단일 단계 | 매우 큰 비율 | 하모닉·RV |
| 역구동 | 힘 제어·접촉·보행 | 고정 유지가 우선 | 브레이크 포함 |
| 속도 | 비교적 높은 입력 속도 | 윤활·베어링 한계 | 직결·벨트 |
| 정밀 | 보정 가능한 백래시 | 무반전 정밀이 핵심 | 예압형·하모닉 |
| 충격 | 치 강도와 분산 설계 | 캐리어·핀 편하중 | RV·강화 베어링 |
유성 감속기는 모터와 제어 목표까지 함께 고른다
낮은 감속비는 투명성과 속도를 얻지만 같은 출력 토크에 더 큰 모터 전류가 필요합니다. 높은 감속비는 모터를 작게 만들 수 있으나 반사 관성과 마찰을 키울 수 있습니다.
로봇 감속기 비교와 액추에이터 종류를 기준으로 관절의 힘 제어, 무게, 정밀과 유지보수 우선순위를 함께 정합니다.
유성 감속기에서 자주 묻는 질문
유성 감속기는 왜 토크 밀도가 높은가요?
여러 유성기어가 선기어와 링기어 사이에서 병렬로 하중을 나누기 때문입니다. 실제 분배는 가공과 조립 정밀도에 좌우됩니다.
유성기어가 많을수록 무조건 좋은가요?
하중 분배는 좋아질 수 있지만 공간·조립 위상·캐리어 강성과 편하중 관리가 어려워집니다.
단일 단계 유성 감속기는 백래시가 없나요?
아닙니다. 치면 간극과 캐리어·베어링 오차가 있으며 예압과 정밀 가공으로 줄일 수 있습니다.
QDD에는 왜 유성 감속기를 많이 쓰나요?
낮은 감속비, 동축 구조와 비교적 높은 효율로 역구동성과 토크 증폭을 함께 얻기 좋기 때문입니다.
감속비만 같으면 1단과 2단 성능도 같나요?
아닙니다. 단수에 따라 효율, 관성, 백래시, 길이와 열이 달라집니다.
마지막 확인: 2026년 7월 24일. 기어 치수·강도·수명 계산은 재질·열처리·치형·윤활·가공 등급과 실제 하중 이력이 필요합니다. 본문은 상세 기어 설계를 대신하지 않습니다.