SPUR-GEAR MODULAR ADDER · 검증된 기준 설계

기어 두 개를 돌려 (a + b) mod n계산하는 기계

두 입력의 회전각을 2배로 전달한 뒤 평기어 차동장치가 평균을 내므로, 출력 캐리어는 정확히 두 입력의 합만큼 회전합니다. 화면의 모든 중심거리와 피치원은 모듈 0.5 기준 실물 치수로 계산됩니다.

m 0.520° 표준 치형
70 mm입력축 간격
6.000 mm유성 핀 간격
1 : 1입력합 → 출력

00실물 치수 시뮬레이션

노브를 드래그하거나 ±1 버튼으로 돌리세요. 층 보기는 선택 부품을 마지막 패스로 다시 그려 정확히 분리합니다.

기하·속도비 검증 완료
Z_n 선택
전체 조립 상면도
mm 실척pitch geometry
노브를 드래그하거나 아래 ±1 버튼으로 회전층 보기 선택 시 나머지는 X-ray 처리
입력 A
0
누적 +0칸 (0.0바퀴)
0 + 0  ≡  0  (mod 6)
누적 0 + 0 = 0 → 캐리어 0바퀴 + 0칸
입력 B
0
누적 +0칸 (0.0바퀴)

A 0, B 0, 결과 0

01왜 캐리어가 정확히 a+b만큼 도는가

평기어 차동장치는 "평균"을 내는 기계입니다. 입력을 2배로 증속해 넣으면 평균이 곧 합이 됩니다.

① 구동열 — 2배 증속. 각 입력 노브(40T)는 아이들러(40T)를 거쳐 중심축의 20T를 돌립니다. 물림이 2번(짝수)이라 방향이 보존되고, 잇수비 40:20으로 태양기어는 노브의 정확히 2배 돕니다.

ω태양A = 2ωA,   ω태양B = 2ωB

② 차동장치 — 평균. 같은 잇수(20T)의 두 태양기어 사이에 유성기어 쌍(12T)을 물리면, 유성 핀을 쥔 캐리어는 두 태양의 평균 속도로 돕니다.

ω캐리어 = (ω태양A + ω태양B) / 2 = ωA + ωB

2배 증속과 ÷2가 상쇄되어 캐리어 회전각 = 노브A 회전각 + 노브B 회전각. 감속비 보정용 출력 기어가 아예 필요 없습니다.

③ mod는 공짜. 노브 1칸 = 1/n 바퀴 = Zn의 원소 1. 캐리어는 (a+b)칸 돌고, 한 바퀴를 넘으면 자동으로 처음으로 돌아오므로 눈금에는 언제나 (a+b) mod n이 나타납니다. 넘어간 바퀴 수가 곧 올림(캐리)입니다.

④ 군의 성질이 그대로 보입니다.

  • 항등원 — 0칸 돌리면 결과가 안 변함
  • 역원 — A를 a칸, B를 (n−a)칸 돌리면 캐리어가 제자리(= 0). 거꾸로 −a칸 돌려도 동일
  • 교환·결합법칙 — 어느 노브를 먼저·나눠 돌려도 최종 위치가 같음 (기계가 증명)
  • 순환성 — +1을 n번 반복하면 원위치
벨트·고무 풀리를 쓰지 않는 이유 — 고무 벨트는 반드시 미끄러지고, 미끄럼은 누적되어 Zn 영점이 틀어집니다. 기어 열은 정수비라 비율 오차가 누적되지 않습니다. 다만 실제 장치에는 백래시가 있으므로 항상 같은 방향에서 눈금에 접근해야 합니다. 7cm 간격은 벨트 대신 아이들러 기어 1개로 건넙니다.

02층 구조 — 축 5개가 한 줄에

모듈 0.5 기어의 중심거리는 (Z₁+Z₂)/4 mm입니다. 구동축은 5mm 격자에 놓이고, 차동부 핀은 r=8mm 원 위의 실측 좌표 (±3.000, 7.416)mm에 놓입니다.

부품별 결합 방식과 축방향 높이
#부품기어(코드)수량축 결합
입력 기어 A/B + 정n각형 노브40T 402A2입력축에 압입, 판에는 ID 2.05–2.10mm 부싱1층 / 4층
아이들러 A/B40T 402A2Ø2 고정핀 위 공회전 (보어 2.05–2.10mm)1층 / 4층
하부 구동기어 DA20T 202A1중심축 압입1층
솔리드 캐리어판 (+눈금 링, 유성핀 2개)Ø31 × 2–3mm 원판1중심 보어 2.05–2.10mm, 핀홀 1.95–2.00mm2층
태양기어 A20T 202A1중심축 압입 — DA와 함께 돎3층 아래
유성 P1 (2단 접착)12T 122A×21조Ø2 핀 위 공회전, 보어 2.05–2.10mm3층 아래+중간
유성 P2 (2단 접착)12T 122A×21조Ø2 핀 위 공회전, 보어 2.05–2.10mm3층 중간+위
태양기어 B20T 202A1⑨와 OD3 강성 슬리브로 결합, 축과 공회전3층 위
상부 구동기어 DB20T 202A1⑧과 한 몸, 슬리브 ID 2.05–2.10mm4층
태양B–DB 커플러OD3 × L5.5mm 슬리브1두 허브를 관통해 1.5mm 간격에서도 동축 유지3–4층 사이
1.95–2.00 mm압입 핀·고정 구멍
2.05–2.10 mmØ2 축 공회전 보어
0.15–0.30 mm자유 회전체 축방향 간극
유성을 왜 2단으로 쌓나? — 유성 P1이 위층까지 통짜로 올라가면 태양B와 (물림거리가 같아서) 충돌합니다. 그래서 P1은 아래+중간, P2는 중간+위 높이만 차지하게 12T 두 장씩 접착해, 두 태양 사이의 빈 중간면에서만 서로 맞물리게 합니다. 시뮬레이터의 3층 보기는 이 세 맞물림 면을 따로 펼쳐 보여 줍니다.

03조립 가이드

공구: 순간접착제, 핀바이스, 1.95–2.10mm 정밀 드릴/리머, 자. 아래 값은 기준 설계이며 실제 기어와 축을 3–5개 시험 가공해 회전 토크와 유격을 먼저 확인하세요.

  1. 템플릿 인쇄 — 아래 05 섹션에서 배율 100%로 인쇄, 룰러가 자로 100mm인지 확인.
  2. 판 타공 — 한 줄에 5구멍: 0 · 20 · 35 · 50 · 70mm (Ø2.0). 시판 5mm 격자 타공판이면 14칸 = 70mm에 맞춰 끼우면 됨.
  3. 캐리어 — Ø31 × 2–3mm 솔리드 원판을 자르고 중심 보어를 2.05–2.10mm로 마감합니다. 핀 중심은 (+3.000,+7.416), (−3.000,+7.416)mm이며 1.95–2.00mm 구멍에 Ø2×10mm 핀을 압입·접착합니다.
  4. 유성 — 12T 두 장을 포개 접착해 P1/P2 두 조를 만듭니다. 보어를 2.05–2.10mm로 마감해 핀에서 가볍게 돌고 흔들리지 않는지 확인합니다.
  5. 중심축(Ø2×50mm) — 아래부터 DA 압입 → ID 2.05–2.10 부싱을 거쳐 판 통과 → 스페이서 → 캐리어 공회전 → 태양A 압입 순서입니다. 자유 회전체마다 0.15–0.30mm 축방향 간극을 둡니다.
  6. 태양B 유닛 — 두 20T 허브가 충분히 두꺼울 때만 보어를 Ø3으로 가공하고 OD3 × L5.5mm 강성 슬리브에 접착합니다. 슬리브 ID는 2.05–2.10mm, 기어 사이 강성 스페이서는 1.5mm입니다.
  7. 아이들러 — 보어 2.05–2.10mm의 40T 두 개를 판에 고정된 Ø2 핀에 끼웁니다. A는 1층, B는 4층 높이이며 고정핀 구멍은 1.95–2.00mm입니다.
  8. 입력축 — 판에는 ID 2.05–2.10mm 부싱을 넣고, 40T와 정n각형 노브는 Ø2 축에 압입합니다. 판 구멍 자체를 베어링으로 쓰지 않습니다.
  9. 검산(캘리브레이션) — B를 잡고 A 노브만 정확히 한 바퀴 → 캐리어가 정확히 한 바퀴 돌아오면 성공. 이후 전 다이얼을 0에 맞춰 눈금 스티커 부착.
  10. 디텐트(선택) — 노브 옆에 PET병 조각(탄성편)을 세워 정n각형 면마다 딸깍 걸리게 하면 Zn 위치가 스스로 고정됩니다.
공차가 계산보다 중요합니다. Ø2 축을 Ø2.4 보어에서 직접 돌리면 직경 유격 0.4mm가 생겨 모듈 0.5 치형에는 지나치게 큽니다. 2.4mm 구멍을 이미 냈다면 OD2.4 / ID2.05–2.10 감속 부싱을 넣으세요.

04부품 목록 — 표준 기어 + 전용 캐리어

기어는 같은 공급 계열의 모듈 0.5 제품으로 맞추고, 핀을 받는 캐리어만 솔리드 원판으로 제작합니다. 가격보다 보어·두께·허브 치수의 실측 확인이 우선입니다.

한 세트 기준 부품 수량과 규격
부품규격수량역할입고 검수검색어 예시
평기어 40T402A, m0.5, Ø24입력 2 + 아이들러 2피치 Ø20, 같은 치폭plastic gear 402A m0.5
평기어 20T202A, m0.5, Ø24DA, 태양 A/B, DBØ3 가공 후 허브 벽 ≥0.8mmplastic gear 202A m0.5
평기어 12T122A, m0.5, Ø24P1/P2 2단 각 2장동일 치폭·허브 간섭 없음plastic gear 122A m0.5
솔리드 캐리어Ø31 × 2–3mm1유성핀·출력 눈금 지지r8 핀 주위 연속 재료 ≥1.5mm31mm acrylic disc 2mm
강철 샤프트Ø2 × 50mm5 + 핀 2입력/중심축·고정축·유성핀실측 Ø, 휨, 표면 거칠기2mm steel shaft axle
정밀 부싱ID 2.05–2.103+입력 A/B·중심 회전축 지지축 삽입 후 흔들림/토크2mm shaft low friction bushing
결합 슬리브OD3 × L5.5, ID 2.05–2.101태양B–DB 강성 결합두 허브와 동축, 접착 면적3mm brass tube precision
격자 타공판5mm 피치, 두께 ≥5mm 권장1축 기준면피치 누적오차·평면도5mm pitch perforated plate
노브·눈금 링아크릴/3D 프린트/인쇄물1식Zn 입력·출력 표시중심·0점 정렬아래 1:1 템플릿 사용
왜 60T 기어를 뺐나? — 캐리어는 다른 기어와 맞물리지 않아 톱니가 필요 없습니다. 제품마다 웹·스포크 형상이 달라 r=8mm 핀 구멍을 안전하게 받을 수 없으므로, 도면과 일치하는 솔리드 원판이 더 재현성 높습니다.

믹스팩보다 단일 잇수 벌크팩이 확실합니다. 같은 모듈 표기라도 압력각·치폭이 다를 수 있으므로 40T–20T 시험 맞물림을 먼저 확인하세요.