2026년 2회 전산응용기계제도기능사 출제 유사 문제 ‘기어펌프(Gear Pump)’의 구조 분석

기어펌프(Gear Pump)는 회전하는 기어의 이빨 맞물림 작용을 이용하여 유체(주로 오일 및 윤활유, 드물게는 물)를 흡입측에서 토출측으로 강제 이송시키는 용적식 펌프(Positive Displacement Pump)의 일종입니다.

본 포스팅에서는 국가기술자격검정(전산응용기계제도기능사, 기계설계산업기사, 일반기계기사) 실기 시험에 자주 출제되는 기어펌프 과제 도면을 바탕으로, 각 부품의 기계적 기능, 재질 선정 기준, 그리고 감점 없는 정밀 도면 작성을 위한 끼워맞춤 공차 및 기하공차 설계 기준을 공학적으로 알기 쉽게 해독하고 정리해 드립니다.

1. 기어펌프의 작동 원리 및 유체학적 개념

기어펌프 내부에는 두 개의 스퍼 기어(구동 기어와 종동 기어)가 조립되어 서로 맞물려 회전합니다.

• 흡입 영역 (Suction Zone): 기어의 이빨이 서로 맞물림에서 벗어나며 이와 이 사이의 공간이 벌어질 때, 내부 부피가 일시적으로 늘어나면서 진공(저압 상태)이 형성됩니다. 이 압력 차이로 인해 유체가 외부 흡입구(Inlet)를 통해 ➔ 펌프 내부로 유입됩니다.
• 이송 영역 (Transfer Zone): 내부로 들어온 유체는 기어 이빨(Tooth)과 본체 내부 벽면(Casing Wall) 사이의 밀폐된 공간에 갇힌 채, 기어의 외경을 따라 바깥쪽 원주 방향으로 이동합니다.
• 토출 영역 (Discharge Zone): 반대편에서 기어의 이빨이 다시 맞물리기 시작하면서 내부 부피가 감소하게 되고, 이에 따라 이 사이에 갇혀 있던 유체가 고압으로 압축되어 토출구(Outlet)로 강제 배출됩니다.

2. 주요 부품별 명칭, 기능 및 재질 설계

기어펌프를 구성하는 각 핵심 부품의 명칭과 역학적 기능, 가공 방법 및 재질 선정 기준은 다음과 같습니다.

① 본체 (Body)

• 기능: 펌프의 전체 외각 프레임 역할을 합니다. 2개의 스퍼 기어가 돌아가는 기어 안착 홈과 미끄럼 베어링(부시)을 고정하는 구멍이 가공되어 있습니다. 흡입·토출 관로가 일체형 주조 구조로 성형되어 있어, 고압 유체를 내부 공간에 안정적으로 가두는 기밀성이 요구됩니다. 다른 구동 장치나 고정 베이스 프레임에 볼트로 장착되는 장착 가이드 역할도 겸합니다.
• 재질: GC200 (회주철품)
• 선정 사유: 쇳물이 잘 흘러들어가는 주조성이 우수해 복잡한 내부 유로 형성을 쉽게 만들어주며, 진동 흡수 능력(감쇠능)과 내마모성이 뛰어나 회전 운동하는 기어 부품의 진동을 억제하는 데 최적입니다.
• 가공 프로세스: 주조 ➔ 기준면 밀링 ➔ 선반 ➔ 보링(베어링/기어부 안지름 정밀 가공) ➔ 드릴링 및 태핑(커버 조립용 6-M6, 장착용 4-M4).

② 본체 커버 (Body Cover)

• 기능: 본체 내부의 개방된 공간을 덮어 밀폐시키는 부품입니다. 본체와 마찬가지로 미끄럼 베어링이 압입되는 하우징 구멍을 포함하고 있어, 축의 동축성(중심선 일치)을 보장해야 합니다.
• 재질: GC200 (회주철품)
• 선정 사유: 본체와 열팽창 계수를 일치시켜 온도 변화에 따른 미세 변형이나 기밀 누설을 방지하고, 구조적 안정성을 유지합니다.

③ 스퍼 기어 (Spur Gear)

• 기능: 구동축으로부터 입력받은 회전력을 바탕으로 유체를 직접 물리적으로 밀어내는 핵심 회전체입니다.
• 설계 제원 리포트: 모듈 M = 1.5, 잇수 Z = 24, 피치원지름 PCD = Ø36, 전체 이 높이 H = 3.375 mm.
• 재질: SCM440 (크롬 몰리브덴강)
• 선정 사유: 고하중 조건에서 기어 이빨 면의 접촉 피로와 마모를 견뎌야 하므로, 부러지지 않는 고인성 및 고강도를 지닌 합금강을 사용합니다. 기어 가공 후 고주파 열처리(HRC 55 수준) 및 이면 연삭(연마) 가공이 필수적입니다.

④ 구동축 (Driving Shaft) & ⑤ 종동축 (Driven Shaft)

• 기능: 구동축(④)은 외력(모터, V-벨트 풀리 등)을 전달받아 키(Key)를 통해 구동 기어를 회전시킵니다. 종동축(⑤)은 맞물려 도는 기어의 회전 중심을 지지하며 회전합니다. 양단은 미끄럼 베어링과 접촉하며, 구동축 외단은 오일실(Oil Seal)과 미끄럼 마찰 접촉을 유지합니다.
• 재질: SCM440 또는 SM45C (기계구조용 탄소강)
• 선정 사유: 축에 가해지는 비틀림 모멘트와 굽힘 하중을 견뎌야 하며, 회전 피로 성능이 뛰어난 인발재나 열처리강이 적합합니다.

⑥ 개스킷 (Gasket)

• 기능: 본체와 본체 커버가 조립되는 단면 사이의 미세한 간극을 완벽히 밀봉(Sealing)하여 내부 고압 오일의 외부 누출을 막아줍니다.
• 두께 사양: t = 1.0 mm (도면 설계 시 본체 기어 안착 깊이를 결정하는 핵심 변수).
• 재질: 고무재, 합성고무(NBR) 또는 시트 가스킷

⑦ 미끄럼 베어링 (Sliding Bearing / 부시)

• 기능: 본체와 커버에 강제로 끼워져(압입) 기어 축의 고속 회전을 안정적으로 지지합니다.
• 재질 선정 팁: 이송하는 유체의 성질에 따라 다르게 선정됩니다.
  • 오일 펌프용: SCM440 (철강재) 또는 합금강 계열 사용 가능 (윤활유 자체가 베어링 마찰을 지워주므로 마모 우려가 낮음).
  • 수용성 유체 / 물 펌프용: PBC2 (인청동 주물 / 동합금) 사용 필수. 만약 철강재를 사용하면 녹(부식) 발생으로 인해 베어링과 축이 고착(Seizure)되어 붙어버리는 치명적인 현상이 발생하므로, 반드시 동합금이나 오일레스 부시를 선정해야 점수가 깎이지 않습니다.

3. 도면 해독 및 역학적 설계 핵심 포인트

기어펌프 작동의 효율성을 극대화하고 자격증 실기 시험에서 감점을 완전히 방지하기 위한 치수 설계 요령입니다.

핵심 1: 개스킷 두께와 본체 하우징 깊이의 조절 치수

기어펌프의 부피 효율은 기어의 양 측면과 하우징 벽면 사이의 축 방향 간극(Lateral Clearance)에 결정적인 영향을 받습니다.

• 기어의 폭 치수 설정: 29g6 (헐거운 끼워맞춤 공차 적용)
• 본체의 기어 안착 깊이 치수 결정 메커니즘: 개스킷의 두께를 1.0 mm로 반영하여 설계할 경우, 본체의 기어 가공 깊이 치수는 기어의 폭(29 mm)에서 개스킷의 두께(1.0 mm)를 뺀 수치인 28 mm로 계산해서 설계해야 조립 후 틈새가 벌어지지 않습니다.

만약 이 결합부의 끼워맞춤 기호로 구멍기준식 28H7을 적용한다면, 상대 조립되는 기어의 폭 치수 공차는 반드시 29g6 또는 29f6와 같은 헐거운 끼워맞춤 공차를 적용하여 윤활 유막이 형성될 최소한의 축 방향 클리어런스를 주어야 합니다.

핵심 2: 스퍼 기어 측면 치형 모따기 금지 지시

일반적인 동력전달용 스퍼 기어는 물림을 원활하게 하고 이 끝 부분이 깨지는 현상을 막기 위해 측면 원주 방향으로 모따기(C1 내외)를 수행합니다. 그러나 기어펌프용 스퍼 기어의 측면 모따기는 절대로 기입하거나 가공해서는 안 됩니다.

➔ 이유: 기어 이빨 끝면의 단면적에 모따기가 들어가는 순간, 그 미세한 틈새 공간만큼 유체가 고압부에서 저압부로 역류하게 되는 통로(Leakage Path)가 형성됩니다. 이는 펌프의 압송 능력(토출 유량 및 압력)에 치명적인 부피 손실을 발생시킵니다. 따라서 도면에는 모따기 치수를 지시하지 않으며, 단지 조립 중 안전과 이물질 부착 방지를 위한 ‘버(Burr) 제거’ 수준으로 가공 가이드라인만 주서란에 기술합니다.

4. 규격품 적용 및 끼워맞춤 설계 기준 마스터 표

실기 시험에서 가장 감점이 잦은 조립부 결합 부위에 적용해야 하는 올바른 IT 공차 기호 선정 방식입니다.

5. 완벽한 도면을 위한 기하공차(Geometric Tolerance) 제안

회전체 부품 및 하우징의 흔들림 성능은 기어펌프 설계의 수명과 작동 소음을 좌우하는 핵심 척도입니다.

1) 축 (Shaft – Driving & Driven)

• 기준 데이텀(Datum): 양단 양쪽 끝에 가공된 센터 구멍(Center Hole)의 중심선을 기준 데이텀(예: E, H)으로 설정합니다.
• 원통도 공차(Cylindricity): 미끄럼 베어링 부시와 직접 닿아 미끄럼 마찰을 일으키는 외경 저널 부위에 적용합니다.
  ➔ 공차 기입 예시: Ø12g6 부위에 원통도 공차 0.005 부여
• 동축도 및 흔들림 공차: 동력 입력축 부위와 기어 장착 부위의 축 외경들이 축의 중심선(데이텀)을 기준으로 동심원을 그리며 바르게 회전하도록 규제합니다.
  ➔ 공차 기입 예시: 축 외경 부위에 흔들림 공차 0.008 E (또는 H) 지정

2) 본체 (Body) 및 커버 (Body Cover)

• 기준 데이텀(Datum): 개스킷과 견고히 밀착 조립되는 가공 평면(커버와 만나는 수직 장착면)을 1차 기준면 데이텀(예: A 혹은 F)으로 지정합니다.
• 직각도 공차(Perpendicularity): 본체 평면 데이텀(A)에 대하여, 기어가 안착되어 도는 깊이 하우징 벽면 및 베어링 안착 구멍의 축선이 완벽히 직각을 형성해야 조립 시 한쪽만 닳는 편마모가 발생하지 않습니다.
  ➔ 공차 기입 예시: 베어링 구멍 축선에 직각도 공차 0.008 A (또는 F) 적용
• 동축도 공차(Coaxiality): 본체에 가공된 위쪽 구멍과 아래쪽 구멍(2개의 기어 기하 중심축선)의 평행도 및 두 축의 중심 대칭도가 오일실 하우징 및 구동축 관통 구멍과 일치하도록 규제합니다.
  ➔ 공차 기입 예시: 하우징 구멍에 동축도 공차 0.011 B (또는 C) 지정

💡 최종 요약 및 설계 제언

기어펌프 과제는 단순한 정적 구조물이 아닌, 수많은 회전 요소와 오일 기밀 설계(Sealing System)가 집약된 동적 기계 장치입니다. 도면 작성을 마친 후 다음 세 가지 요소를 도면상에 유기적으로 연결하고 있는지 스스로 검수해 보아야 합니다.

1. 상대 운동에 맞는 최적의 재질이 선정되었는가? (주철 계열 GC200과 경화 처리된 합금강 SCM440의 올바른 매칭 확인)
2. 미끄럼 운동의 클리어런스가 이론과 부합하는가? (개스킷 두께와 본체 기어실 가공 깊이의 치수 연동 계산 상태 검증)
3. 규격품 결합부의 기하학적 중심이 수치적으로 유지되는가? (KS 규격의 올바른 해독 및 데이텀 중심의 흔들림 규제 선언 상태 검사)

이 세 가지만 정확하게 표현한다면 현업에서의 실무 기어 설계는 물론이고, 전산응용기계제도 자격증 실기 시험에서 실점 없이 감점 마진을 완벽히 확보하여 우수한 성적으로 합격할 수 있을 것입니다.