[스터디] 구름 베어링 (1)

✔️ 구름 베어링 (1) 목차

- 베어링

- 베어링 호칭 번호의 구분

- 베어링의 구조

- 베어링의 분류

- 베어링 쉴드 · 씰의 역할

- 베어링 정격 하중과 수명

 

✔️ 구름 베어링 (2) 목차

- 베어링 윤활

- 베어링 끼워맞춤

- 베어링 클리어런스

- 베어링예얍

 

 

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✅ 베어링

하중을 받으면서 회전하는 축을 지지하는 기계 부품이다. 베어링은 회전 시 마찰을 되도록 작게 하기 위한 부품으로 회전 부분에는 없어서는 안 될 부품이다. 주요 특징으로 마찰을 감소시켜 기계가 작동하는 효율을 높이고, 기계 수명을 길게 하고, 열융착을 방지하여 기계의 고장을 없애는 것이다,

 

 

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✅ 베어링 호칭 번호의 구분

구름베어링의 호칭 번호는, 크게 기본 번호(ISO / JIS에 규정)와 보조 기호(각 베어링 제조사가 독자적으로 설정한 기호가 혼재)로 구성된다.

 

베어링 계열 기호는 베어링의 형식과 치수 계열로 구성된다. 베어링 계열 기호의 최초의 숫자 또는 기호는 베어링의 형식을 나타냅니다. 치수 계열 기호는 폭 계열 기호와 직경 계열 기호를 나타내는 2항의 숫자로 구성되나, 폭계열을 나타나는 수는 생략되는 경우가 있습니다

 

볼베어링 / 롤러베어링의 호칭 번호 내용 (출처 : NSK)

 

위 보조 기호의 경우 NSK의 사양이다

 

출처 : https://www.nsk.com/kr-ko/tools-resources/abc-bearings/bearing-designations/

 

 

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✅ 베어링의 구조

베어링은 내륜(Inner Ring), 외륜(Outer Ring), 전동체(Ball, Roller), 유지기(Retainer, Cage)로 구성되며, 전동체에는 '볼'과 '롤러'가 있다.

① 볼 - 점으로 힘을 받으므로 고속 회전에 적합하다

② 롤러 - 선으로 힘을 받으므로 주로 힘이 가해지는 곳에 적합하다.

→ 고속 회전과 하중을 고려

출처 : NTN코리아, 배어링 배워봅시다! (https://www.ntnkorea.co.kr/product/03_01/)

 

 

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✅ 베어링의 분류

베어링이 받는 힘에는 크게 2가지가 있는데, 축에 대해 직각 방향으로 받는 힘을 '레이디얼 하중'이라 하고, 이 힘을 받는 베어링을 레이디얼 베어링이라고 한다. 또한 축에 대해 같은 방향의 힘을 '엑시얼 하중'이라 하며, 이 힘을 받는 베어링을 스러스트 베어링이라고 한다.

→ 하중 방향을 고려

 

1) 볼 베어링

a. 레이디얼 볼 베어링

깊은 홈 볼 베어링 ( 6 006)	주로 래디얼 하중을 지지하는 범용 볼 베어링이며 그리스를 봉입하여 사용하기 편리한 종류도 있다
미니어처 볼 베어링 ( 6 75)	스러스트와 래디얼 하중을 동시에 지지하는 베어링이며 고속 회전 스핀들에 사용한다. 일반적으로 2개를 마주보게 배치하여 사용한다.
앵귤러 볼 베어링 ( 7 206)	스러스트와 래디얼 하중을 동시에 지지하는 베어링이며 고속 회전 스핀들에 사용한다.
조합 앵귤러 볼 베어링 앵귤러 볼 ( 7 206DB, DF)	축 방향 덜컹거림을 제거한 스러스트 방향의 하중을 지지하며 볼 나사의 회전 베어링에 사용한다.
자동 조심 볼 베어링 ( 22 206C)	축과 하우징 회전축의 불일치, 축의 벤딩 변형에 대응할 수 있는 베어링이며 저속에서 사용한다.

* 스핀들 : 공작기계에서 회전축을 뜻하며, 회전시키기 위한 장치

 

 

b. 스러스트 볼 베어링

스러스트 볼 베어링 ( 51 106)	스러스트 하중을 지지하는 베어링이며 래디얼 베어링과 조합하여 중량물 회전체를 지지한다.
피벗 볼 베어링 ( BCP 10)	요동축을 축단으로 지지하는 베어링이며 축 방향의 여압량을 자유롭게 조정하여 사용할 수 있다. 피벗 볼 베어링 회전축 선단은 원추 형상(정각은 일반적으로 60°)으로 가공되어 있으며 이것을 끼워 사용한다.

 

 

2) 롤러 베어링

a. 레이디얼 롤러 베어링

원통 롤러 베어링 ( NU 1006)	래디얼 하중을 지지하는 큰 동 정격 하중으로 저속 회전체를 지지하는데 사용한다.
침상 롤러 베어링 ( K 30x35x11S)	래디얼 하중을 지지한다. 큰 동 정격 하중으로 중속 회전체를 지지하는데 사용한다. 침상이란 직경이 6mm 이하이고 길이가 직경의 3~10배로 작은 롤러를 가리킨다.

 

 

b. 스러스트 롤러 베어링

스러스트 원통 롤러 베어링 ( 511 06)

스러스트 하중을 지지한다. 큰 동 정격 하중으로 저속 회전체를 지지하는데 사용한다.

 

출처 : https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/g0018.html

 

 

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✅ 베어링 쉴드 · 씰의 역할

베어링의 실드란 베어링 전동체를 윤활제와 함께 밀봉한 금속 플레이트를 말하며, 씰이란 마찬가지로 밀봉 고무를 말한다. 밀봉했을 때 다음과 같은 장점이 있다.

 

・방수, 방진, 방청되어 전동체의 내구성이 향상된다

・양 실드형 베어링은 거의 메인터넌스할 필요가 없다

・외부에서 윤활할 필요가 없다

 

실드는 외부에서 들어오는 이물질(먼지나 수분)의 침입을 막는다. 이물질 침입을 방지하여 베어링 내부가 방수, 방진, 방청되며 이물질이 끼거나 녹 발생으로 인한 회전 저해가 경감되고 내구성이 향상된다.
실드·씰을 사용한 베어링은 그리스를 봉입했다. 봉입한 그리스는 외부로 새지 않도록 되어 있다. 외부에서 윤활할 필요가 없고 메인터넌스할 필요도 없다. 또한 실드·씰을 사용한 베어링은 개방형보다 단가가 높은 상품이 있다.

 

a. 실드형 베어링 · 씰형 베어링의 종류 및 용도

			실드형	씰형
			비접촉식	비접촉식	접촉식	작은 토크형
종류	구조
	실드·씰의 재질과 형상		금속 씰판이며 내륜에 비접촉	고무 씰판이며 내륜에 비접촉	고무 씰판이며 내륜이 접촉	고무 씰판이며 내륜이 경접촉
성능	마찰 토크		소	소	대	중
	방진·방수성		부적합	부적합	양호	양호
	고속성		개방형과 동일	씰 내열에 따름	씰 내열에 따름	씰 내열에 따름
기호	NTN	한쪽 씰	Z	LB	LU	LH
		양쪽 씰	ZZ	LLB	LLU	LLH
	NSK (일본 정공)	한쪽 씰	Z	V	DU	DW
		양쪽 씰	ZZ	VV	DDU	DDW
	SKF	한쪽 씰	Z	RZ	RS	-
		양쪽 씰	ZZ	2RZ	2RS1	-
	NACHI (나치)	한쪽 씰	ZE	NKE	NSL,NSE	-
		양쪽 씰	ZZE	2NKE	2NSL,2NSE	-
	KOYO	한쪽 씰	Z	RU	RS,RK	RD
		양쪽 씰	ZZ	2RU	2RS,2RK	2RD
	미스미	한쪽 씰	Z	-	-	-
		양쪽 씰	ZZ	VV	DDU	-
씰 색				흑색	갈색	청색

 

실드형은 공작 기계나 정밀 기계 등에 사용할 때 최적이며, 다음과 같은 용도에 권장된다.

- 높은 회전 수라도 사용하고 싶다.

- 높은 방수성은 필요 없다.

- 먼지 침입이나 기름 누출을 방지하고 싶다.

- 메인터넌스 공정 수를 절감하고 싶다.

 

씰형은 물이나 분진이 많은 환경에서 사용에 적합하며 다음과 같은 용도에 권장된다.

- 먼지나 수분의 침입을 막고 싶다.

- 고속 회전에서 사용하지 않는다. (20,000rpm 이상의 고속 회전이나 부하 하중이 클 때)

- 메인터넌스 공정 수를 절감하고 싶다.

 

초고회전에서의 사용이나 부하 하중이 클 때 윤활도의 점도를 내리기 위해 기름 급유가 필요하며, 개방형 베어링을 사용하여 외부 급유구를 확보한다.

 

출처 : https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/g0025.html

 

 

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✅ 베어링 정격 하중과 수명

볼 베어링에 가해지는 외력은 '하중 방향이 변하는 타입'과 '하중 방향이 변하지 않는 타입'으로 분류할 수 있다.

두 경우 모두 내륜의 전동면과 전동체, 전동체와 외륜의 전동면 사이의 하중이 변하는 반복 하중이 가해지게 된다. 따라서 변하는 하중으로 인한 피로가 여기에서 발생한다. 따라서 볼 베어링의 부하 하중에 대해 다음 2가지를 생각해야한다.

• 정적 - 정지 또는 저속 회전에서의 부하 하중 → 기본 정 정격 하중으로 판정
• 동적 - 회전 수명을 결정하는 부하 하중 → 기본 동 정격 하중으로 판정

 

 

a. '기본 정 정격 하중'과 '기본 동 정격 하중'

볼 베어링의 '기본 정 정격 하중'과 '기본 동 정격 하중'에 대한 내용이다. 볼 베어링을 선정할 때, 부하 하중과 수명이 문제가 되는 경우 두 숫자를 바탕으로 값을 산출해야 한다. 여기에서 부하 하중은 기본 정 정격 하중에 의존하므로 해당 수치 이하로 사용해야 한다. 부하 하중은 가해지는 하중의 종류에 따라 평가 해야한다.

• 기본 정 정격 하중 : 정지 또는 극저속으로 회전 시 전동체와 외내륜 사이에 전동체 직경의 0.0001배의 영구 변형을 발생시키는 응력을 일으키는 하중이며, 롤러 베어링의 경우 4,200MPa(428kg/㎟), 롤러 베어링인 경우 4,000MPa(408kg/ ㎟)이다.
• 기본 동 정격 하중 : 내륜 회전, 외륜 정지 조건에서, 100만회(106) 회전했을 때, 정격피로수명(10%의 고장률 또는 90%의 신뢰도 계수)을 확보할 수 있는 방향과 크기가 일정한 하중

 

 

b. 베어링 정격 하중 예시 

베어링의 부하 하중, 수명을 늘리려면 두 숫자가 큰 볼 베어링을 사용하면 되며 설계 시에 다음과 같이 선정하면 된다.

• 베어링 전동체 사이즈의 대형화로 이와 같이 조작한 경우 베어링의 형상은 커진다.
• 전동체를 강구에서 롤러로 변경하여 깊은 홈 볼 베어링을 원통 롤러 베어링으로 변경하는 경우에 해당한다.

다음은 위 내용을 뒷받침하는 내경 ·Φ20짜리 볼 베어링 표이다.

종류	JIS호칭	내경x외형x폭	기본 동 정격 하중 (kN)	기본 정 정격 하중 (kN)
깊은 홈 볼 베어링	6004	φ20×φ42×12	9.85	5.05
	6204	φ20×φ47×14	12.79	6.66
	6304	φ20×φ52×15	15.9	7.89
원통 롤러 베어링	NU204ET	φ20×φ47×14	25.69	22.64
	NJ2204ET	φ20×φ52×15	29.52	27.48

 

 

 

c. 부하 하중(기본 정 등가 하중)

정적인 부하 하중을 '기본 정 등가 하중'으로 부르기로 한 경우, 사용 조건에 따라 경험적으로 정한 계수로 하중의 비율을 계산한다. 사용자가 관심 있는 회전체에 추가할 수 있는 하중인 기본 정 등가 하중은 다음과 같이 산출한다.

• 기본 정 등가 하중(정적인 부하 하중) = 기본 정 정격 하중/계수

위 계수를 S라고 한 경우, 볼 베어링, 롤러 베어링의 S는 다음과 같다. 사용자가 관심 있는 회전체에 추가할 수 있는 하중인 기본 정 등가 하중은 다음과 같이 산출한다.

S(최소값)		조건
롤러 볼 베어링	롤러 베어링
2	3	조용한 회전(매끄러운 회전)
1	1.5	보통의 회전(매끄러운 회전)
1.5	3	충격 하중

 

 

 

d. 부하 하중(기본 정 등가 레이디얼 하중)

베어링에 가해지는 하중을 산출하는 경우, 직각 좌표계의 기준인 반경 방향(래디얼, r방향)과 축 방향(액시얼, a방향)으로 분해하여 지지하는 하중을 생각해야 하는 경우가 있다. 이 개념을 구하는 수단이 「정 등가 래디얼 하중」이다.

정 등가 래디얼 하중은 다음과 같이 2가지 식이며 설계값으로는 둘 중 큰 숫자를 정 등가 래디얼 하중(Por)으로 사용한다.

• 정 등가 레이디얼 하중(Por) = 0.6 x 레이디얼 하중(Fr) + 0.5 x 축방향 하중(Fa)
• 정 등가 레이디얼 하중(Por) = 레이디얼 하중 (Fr) 

 

 

e. 볼 베어링에 가해지는 동적 하중

구름피로수명의 경우, 치수, 구조, 재료, 열처리, 가공 방법 등이 같은 수많은 베어링을 동일 조건에서 운전해도, 아래 그래프와 같이 상당히 큰 편차가 있습니다. 이는 재료의 피로 그 자체에 본질적인 편차가 있기 때문입니다.따라서 이 수명 편차를 통계적 현상으로 취급하여 다음과 같이 정의된 기본정격수명을 사용합니다..

기본정격수명(L10)

동일 형번의 베어링을 동일 조건에서 각각 회전시켰을 때, 그 중 90%의 베어링이 구름 피로에 의한 플레이킹(박리)을 일으키지 않고, 회전할 수 있는 총회전수를 기본정격수명(L10)이라 합니다.

볼 베어링 피로 수명 계산식

• 볼베어링:L=(𝐶/𝑃) 3 × 10 6  회전
• 롤러 베어링: L=(𝐶/𝑃) 3 × 10 10/3  회전

L : 정격 수명

C 기본 동적격 하중[kgf] (Cr : 레디얼 베어링, Ca : 스러스트 베어링)

P : 동 등가 하중 [N, kgf] (Pr : 레디얼 베어링, Pa : 스러스트 베어링)

 

위 식을 시간으로 나타내면 아래와 같다. 볼베어링의 경우 하중이 절반이 되면 수명이 8배 더 길어지며, 롤러베어링은 하중이 절반이 되면 수명이 10배 더 길어진다.

볼베어링

롤러베어링

 

 

 

f. 하중의 종류에 따른 보정

하중의 종류에 따라 계수를 곱하여 베어링에 가해지는 하중을 보정해야 한다.

베어링에 가해지는 하중 = (보정 계수) x (기하 계산, 운동 계산으로 산출되는 베어링에 가해지는 하중)

충격의 종류	보정 계수	기계 사례
거의 충격이 없는 경우	1.0~1.2	전기 기계, 공작 기계, 계기류
가벼운 충격이 있는 경우	1.2~1.5	철도 차량, 자동차, 압연기, 금속 기계, 제지 기계, 인쇄 기계, 항공기, 섬유 기계, 전장품, 사무 기계
강한 충격이 있는 경우	1.5~3.0	분쇄기, 산업 기계, 건설 기계, 하역 기계

* 결국엔 위 하중도 기본 정 등가 하중(부하 하중)보다 적어야 한다.

 

 

 

g. 앵귤러 볼 베어링의 하중 계산

베어링이 접촉각(α)을 가지는 앵귤러 볼 베어링 및 원추 롤러 베어링은 래디얼 하중이 작용한 경우, 기하 형상에서 액시얼 방향으로 분력이 발생하는 크기는 다음과 산출된다.

• 액시얼 방향의 분력(Fa)=0.5 × 래디얼 하중(Fr)/액시얼 하중 계수(Y)

출처1 : https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/g0010.html

출처2 : https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/g0011.html

출처3 : https://www.nsk.com/kr-ko/tools-resources/abc-bearings/dynamic-load-ratings-and-fatigue-life/