[스터디] 구름 베어링 (2)

✔️ 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

- 베어링 예압

 

 

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✅ 베어링 윤활

a. 윤활의 목적

구름베어링의 윤활의 목적은 베어링 내부의 마찰 및 마모를 줄이고 소착을 방지하는 것이다.

출처 NSK

 

 

 

b. 윤활 방식에 따른 베어링을 구분

• 오일 윤활 베어링 : 오일로 윤활하는 베어링으로 가장 일반적인 베어링
• 기체 윤활 베어링 : 기체로는 공기가 적용되며, 외부에서 가하는 압력을 이용한 정압 베어링과 축의 회전에 의해 발생한 압력을 이용한 동압 베어링으로 구분한다. 마찰 토크가 작고, 고온과 저온에서 적용이 가능하며 오일 사용에 따른 오염이 없는 것이 장점이지만 경계 윤활에서 마찰이 발생할 수 있고 하중지지 능력이 작다는 단점이 있다.
• 자기 윤활 베어링 : 하중을 자기(Magnetic)의 반발력을 이용하여 지탱하는 베어링으로 마찰이 적은 것이 특징
• 무급유 베어링 : 소결금속에 오일을 침투시켜 급유를 하지 않고 사용하는 베어링, 소결금속은 다공질로 베어링 재료 중에 오일이 함유되어 있어 가동 중 오일이 스며나와 윤활 작용을 한다. 베어링의 재료가 다공질이기 때문에 충격에 약해 속도가 느리고 하중이 적게 걸리는 개소에 적용된다.

* 소결금속 : 금속의 녹는점에 도달하지 않은 상태에서 열과 압력을 이용해 만든 금속 소재, 금속 분말을 압축하여 만든다.

 

 

 

c. 그리스 윤활 vs 오일 윤활

윤활만 고려하면 오일 윤활이 우수하다. 하지만 그리스 윤활은 베어링 주변의 구조를 단순화할 수 있으며 저렴하다.

항목	그리스 윤활	오일 윤활
하우징 구조 밀봉 장치	◯: 단순화 가능	✕: 약간 복잡하며, 보수에 주의가 필요
회전 속도	✕ : 허용회전수는 오일 윤활과 비교 시, 65～80%	◯: 그리스 윤활에 비해 높은 회전수에서도 사용 가능
냉각작용 냉각 효과	✕: 없음	◯: 열을 효과적으로 방출할 수 있습니다. (예: 순환 윤활 방법의 경우)
윤활제의 유동성	✕: 열위	◯: 매우 좋음
윤활제의 교체	✕: 다소 복잡함	◯: 비교적 쉬움
이물 여과	✕: 어려움	◯: 쉬움
윤활제 누유 오염	◯: 누유에 의한 오염이 적다	✕: 누유에 의한 오염이 허용되지 않는 설비에는 부적절

O : 우위, X : 열위

 

출처1 : https://www.nsk.com/kr-ko/tools-resources/abc-bearings/lubrication/

출처2 : https://blog.naver.com/lubenlove/221591109955

 

 

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✅ 베어링 끼워맞춤

끼워맞춤 선정이 부적절한 경우, 크립(Creep) 손상이, 클리어런스 선정이 부적절한 경우, 소착 손상이 발생할 수 있습니다.

 

a. 끼워맞춤

끼워맞춤이란, 베어링 내륜 내경과 축 외경의 관계 또는 베어링 외륜 외경과 하우징 내경과 같이 서로 맞닿는 축과 하우징의 치수나 공차를 설정하는 것입니다. 기계 가공 시의 편차를 공차라 하며, 끼워맞춤은 다음과 같이 구분됩니다.

 

 

 

b. 끼워맞춤의 중요성

산업용 모터와 같은 내륜 회전 하중 조건(내륜 : 억지끼워맞춤, 외륜 : 헐거운끼워맞춤)에서 부하 하중, 끼워맞춤면의 거칠기, 운전 중의 온도 등에 의해 끼워맞춤양이 감소하여 끼워맞춤면에 틈새가 생기면, 프레팅(※)이나 크립(다음 페이지 참조)이 발생하기 쉬워집니다. 그대로 계속 사용하면, 베어링 설치부에 마모, 진동, 또는 이상 발열이 발생합니다.

※ 프레팅 : 두 접촉면 사이의 상대적 반복 미소 미끄럼에 의한 마모

 

과대한 억지끼워맞춤(끼워맞춤양 大)으로 베어링을 축에 조립하면, 내륜 재료의 인장 강도를 초과한 응력 집중에 의해, 내륜의 균열이 발생할 수 있습니다. 내륜 균열이 발생하지 않더라도, 조립 시의 내륜 팽창으로 베어링 내부 클리어런스가 감소하여 이상 발열이 발생할 가능성이 있습니다. 사용 조건을 고려한 끼워맞춤양 설정이 중요합니다.

 

 

 

c. 크립(Creep)

구름베어링이 작은 끼워맞춤양으로 축에 설치되어, 내륜에 하중을 받아서 회전하면, 내륜과 축 사이에 원주 방향의 유해한 미끄러짐이 발생할 수 있습니다. 이러한 유해한 미끄러짐은 크립이라 하며, 다음의 이유에 의해 끼워맞춤양이 감소하면 발생하기 쉬워집니다.

 

내륜과 축의 끼워맞춤양이 감소하여, 내륜과 축 사이에 틈새(c)가 생기는 경우, 끼워맞춤 단면에 있어서, 내륜측(내륜 내경)의 원주 길이 : π(d + c)는 축측(축 외경)의 원주 길이 : πd 보다 길어집니다. 따라서, 축이 회전할 때, 내륜의 회전은 축의 회전 방향과 반대 방향으로 늦어지게 됩니다. (아 애니메이션 참조) 끼워맞춤면의 틈새 c라 하면, 1회전에 πc만큼 축의 회전 방향과 반대 방향으로 이동합니다.

 

 

 

d. 끼워맞춤 선정

- 내륜 회전 하중 : 하중은 내륜의 회전을 따라가지 않습니다. (내륜 부하권이 변화합니다.)
- 외륜 정지 하중 : 하중은 외륜의 회전을 따라갑니다. (외륜 부하권이 변화하지 않습니다.)
- 내륜 정지 하중 : 하중은 내륜의 회전을 따라갑니다. (외륜 부하권이 변화하지 않습니다.)
- 외륜 회전 하중 : 하중은 외륜 회전을 따라가지 않습니다. (외륜 부하권이 변화합니다.)

 

출처 : https://www.nsk.com/kr-ko/tools-resources/abc-bearings/fits-and-internal-clearance/

 

 

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✅ 베어링 클리어런스

내부 클리어런스("클리어런스"라고도 합니다)는, 베어링의 내륜 · 외륜과 전동체의 사이의 틈새의 양입니다. 즉 내륜 또는 외륜 중 하나를 고정하고, 나머지 궤도륜을 상하 또는 좌우로 움직일 때의 움직임양입니다.

 

내부 클리어런스의 크고 작음은 피로 수명, 진동, 소음, 발열 등, 베어링 성능에 크게 영향을 줍니다.

 

일반적으로 안정된 측정치를 얻기 위해, 베어링에 정해진 측정 하중을 부하하여, 내부 클리어런스를 측정합니다. 그러므로 측정된 클리어런스의 값은 측정 하중에 따라 탄성 변형량만큼, 이론 내부 클리어런스(레이디얼 베어링에서는 :기하 클리어런스:라고도 합니다)의 수치보다, 약간 크게 됩니다.("측정 클리어런스"로 구분하기도 합니다) 따라서 이론 내부 클리어런스는 그 탄성 변형에 따른 클리어런스의 증가량을 보정해서 구하게 됩니다. 롤러베어링은 그 탄성 변형량이 작으므로, 무시되는 경우도 있습니다.

 

a. 유효 클리어런스와 베어링 수명의 관계

 

이론적으로 베어링의 유효 클리어런스(Δ)가 약간 마이너스(-)일 때, 가장 장수명입니다. 그리고 더욱 클리어런스가 감소하면 왼쪽 그래프와 같이 수명은 급격히 감소합니다. 때문에 실기의 각종 오차를 고려하여, 유효 클리어런스는 "0"보다 약간 큰 클리어런스가 되도록 베어링 클리어런스를 선정합니다.

베어링 내부 클리어런스는 베어링 수명에 있어 아주 중요하므로 ISO / JIS에 세밀하게 분류되어 있습니다.

 

 

 

b. 내부 클리어런스의 선정

레이디얼 베어링의 내부 클리어런스는 C1, C2, 보통(CN), C3, C4, C5의 순서로 점점 커집니다.

 

① 보통 클리어런스(CN)보다 큰 클리어런스(C3, C4, C5)를 선정하는 경우

• 축의 휨이 과대한 등, 설치 오차를 허용해야 하는 경우
• 중공축에 증기가 통과하는 등, 내륜 온도가 높은 경우
• 큰 하중이나 충격 하중을 고려하여, 끼워맞춤양을 크게 하는 경우
• 고속 회전을 고려하여, 내륜 끼워맞춤양을 크게 하는 경우
• 내외륜 모두, 억지끼워맞춤인 경우

 

② 보통 클리어런스보다 작은 클리어런스(C2)을 선정하는 경우

• 회전 시의 음향이나 진동을 보다 억제해야 하는 경우
• 내외륜 모두, 헐거운끼워맞춤인 경우
• 축의 흔들림을 억제하는 등, 조립 후의 클리어런스 조정을 하는 경우

 

출처 :  https://www.nsk.com/kr-ko/tools-resources/abc-bearings/fits-and-internal-clearance/

 

 

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✅ 베어링 예압

예압이란 베어링의 내부 클리어런스가 마이너스(-) 상태임을 뜻하며, 미끄럼베어링에는 없는 구름베어링 고유의 특징입니다.

 

구름베어링은 주로 운전 시 플러스(+) 클리어런스 상태로 사용됩니다. 한편 축의 흔들림을 억제하기 위한 목적 등으로 설치 시 마이너스 클리어런스가 되도록 미리 내부 응력을 발생시킨 상태에서 사용하는 경우가 있다. (측정 클리어런스가 "0"이며, 전동체를 탄성변형시킨 상태) → 이러한 상태를 예압이리고 한다.

 

예압은 주로 앵귤러볼베어링이나 테이퍼롤러베어링과 같이 2개를 마주 보게 설치하여 클리어런스를 조정할 수 있는 형식의 베어링에 적용된다.

 

 

a. 베어링 예얍의 주 목적

① 축의 레이디얼 방향 및 액시얼 방향의 위치 결정 정확도를 높힘과 동시에 축의 흔들림을 억제한다.

② 베어링의 강성을 높인다.

③ 액시얼 방향의 진동 및 공진에 의한 소음을 방지한다.

④ 전동체의 선회 미끄럼, 공전 미끄럼 및 자전 미끄럼을 억제한다.

⑤ 궤도륜에 대해 전동체를 정위치에 유지시킨다.

 

 

b. 강성

강성이란 물체가 외력에 대해 원래 형태를 유지하려는 성질로써, 외부의 힘에 대한 변형 저항입니다.

베어링이 하중을 받으면 전동체와 궤도륜은 탄성 변형을 일으킵니다. 이 탄성변형량이 적으면 강성이 높다고 할 수 있습니다.

 

베어링의 강성이 높다 → 하중 부하 시, 회전축의 위치 이동이 작다.

일반적으로 롤러베어링은 볼베어링보다 강성이 높고, 예압이 부하된 베어링은 예압이 부하되지 않은 베어링보다 강성이 높다.

 

 

c. 예압 방법

 

예압 부하 시와 예압 미부하 시의 베어링을 비교하면, 동일한 액시얼 하중에 대해, 예압 부하 시의 액시얼 변위는 약 1/3 ~ 1/2, 즉 강성이 약 2～3배가 됩니다. 일반적으로 강성을 높이기 위한 목적으로는 정위치 예압이 적합합니다.

고속 회전인 경우, 액시얼 방향의 진동 방지가 필요한 경우, 또는횡축으로 스러스트 베어링을 사용하는 경우 등에는 정압 예압이 적합합니다.

 

 

 

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