구름 베어링

기계공학에서 구름 베어링(rolling-element bearing)은 롤링 베어링[^1]이라고도 하며, 레이스라 불리는 두 개의 동심원 홈이 파인 링 사이에 구름 요소(볼, 원통, 원뿔 등)를 배치하여 하중을 지지하는 베어링이다. 레이스의 상대적 운동은 구름 요소가 매우 적은 구름 저항과 미끄러짐으로 회전하도록 한다.

가장 초기의 그리고 가장 잘 알려진 구름 베어링 중 하나는 땅 위에 놓인 통나무 위에 큰 돌덩이를 올려놓은 것이다. 돌을 끌면 통나무가 거의 미끄럼 마찰 없이 땅 위를 굴러간다. 각 통나무가 뒤쪽으로 빠져나오면 앞쪽으로 옮겨져 돌덩이가 그 위로 굴러가게 된다. 탁자 위에 펜이나 연필 여러 개를 놓고 그 위에 물건을 올려놓으면 이러한 베어링을 재현해 볼 수 있다. 베어링의 역사적 발전에 대한 자세한 내용은 "베어링" 항목을 참조하라.

구름 요소 회전 베어링은 훨씬 큰 구멍 안에 축을 사용하며, "롤러"라 불리는 구 또는 원통이 축과 구멍 사이의 공간을 빈틈없이 채운다. 축이 회전하면 각 롤러는 위의 예시에서 통나무와 같은 역할을 한다. 그러나 베어링이 원형이기 때문에 롤러가 하중 아래에서 빠져나가는 일은 없다.

구름 베어링은 비용, 크기, 무게, 하중 용량, 내구성, 정밀도, 마찰 등의 측면에서 우수한 균형을 갖는 장점이 있다. 다른 베어링 설계는 종종 특정 한 가지 속성에서는 더 우수하지만 대부분의 다른 속성에서는 열등하다. 다만 유체 베어링은 때때로 하중 용량, 내구성, 정밀도, 마찰, 회전 속도, 그리고 때로는 비용 면에서 동시에 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다. 구름 베어링만큼 널리 사용되는 것은 미끄럼 베어링뿐이다. 구름 베어링은 자동차, 산업, 해양 및 항공우주 분야에서 일반적으로 사용된다. 이들은 현대 기술에 반드시 필요한 제품이다. 구름 베어링은 수천 년에 걸쳐 쌓인 견고한 토대 위에서 발전하였다. 이 개념은 로마 시대에 원시적인 형태로 등장하였다.[^2] 중세 시대의 긴 공백기를 거친 후, 르네상스 시기에 레오나르도 다 빈치에 의해 부활하였으며, 17세기와 18세기에 걸쳐 꾸준히 발전하였다.

베어링의 역사 연표

![Study of ball bearing by [Leonardo da Vinci (1452–1519)|142x142px]]

• 기원전 2600년경 - 고대 이집트인들은 구름 베어링의 원리를 최초로 눈에 띄게 사용한 사람들이다. 그들은 양쪽에서 건설자들이 돌의 무게를 밀고 당기는 방식으로 돌 아래에 통나무를 놓아 이를 처음 실현하였다.[^8]
• 기원전 40년 - 네미 호수에 침몰한 로마 선박의 잔해에서 발견되었다. 이 발견은 이 원리의 지속적인 발전을 보여준다. 선박의 잔해에서는 이 베어링이 무엇에 사용되었는지에 대한 명확한 흔적은 발견되지 않았다.
• 17세기 - 갈릴레오가 케이지 베어링의 기능을 설명하였다.[^9]
• 1740년 - John Harrison이 H3 해양 시계 제작을 위해 최초의 케이지 롤러 베어링을 발명하였다.[^10]
• 1794년 - 볼 레이스에 대한 최초의 특허가 웨일스 카마던의 Philip Vaughan에게 부여되었다. 이것은 홈을 따라 구형 물체가 이동하는 최초의 설계이다.
• 1869년 - Jules Suriray가 레이디얼 볼 베어링에 대한 최초의 특허를 취득하였으며, 그의 설계는 James Moore가 파리에서 루앙까지의 최초의 자전거 경주에서 우승하는 데 사용되었다.[^11]

전체 설계

설계 설명

베어링, 특히 구름 베어링은 전반적으로 유사한 방식으로 설계되며, 외륜과 내륜, 중심 보어, 구름 요소들이 서로 충돌하거나 베어링 움직임을 고착시키는 것을 방지하는 리테이너, 그리고 구름 요소 자체로 구성된다.[^1]

내부 구름 요소는 베어링의 의도된 용도에 따라 설계가 다를 수 있다. 베어링의 주요 다섯 가지 유형은 볼, 원통형, 테이퍼, 배럴, 니들이다.[^2]

볼 - 최소한의 설계 의도로 기본 원리를 따르는 가장 단순한 형태이다. 궤도 설계의 자유도로 인해 고착이 발생할 가능성이 더 높다는 점에 유의해야 한다.

원통형 - 직선 방향 이동을 위한 단일 축 운동에 사용된다. 그 형상으로 인해 더 넓은 접촉 면적을 확보할 수 있어 더 적은 힘으로 더 무거운 하중을 더 먼 거리까지 이동시키는 데 도움이 된다.

테이퍼 - 주로 축 방향 하중[^12]과 반경 방향 하중[^13]을 감당하는 능력에 초점을 맞춘다. 원추형 구조를 사용하여 구름 요소가 대각선 방향으로 구를 수 있도록 한다.

배럴 - 정렬 불량을 유발하는 높은 반경 방향 충격 하중에 대한 보조 역할을 하며, 그 형상과 크기를 이용하여 이를 보상한다.[^14]

니들 - 크기, 직경, 재료가 다양한 이 유형의 베어링은 중량 감소와 소형 단면 적용에 가장 적합하며, 일반적으로 볼 베어링보다 높은 하중 용량을 가지고 강성 축 적용에 사용된다.[^3]

특정 설계 유형

볼 베어링

특히 일반적인 구름 베어링의 종류로 볼 베어링이 있다. 이 베어링은 볼이 구르는 내륜과 외륜의 레이스를 갖추고 있다. 각 레이스에는 볼이 약간 느슨하게 맞도록 형성된 홈이 있다. 따라서 원칙적으로 볼은 각 레이스와 매우 좁은 면적에서 접촉한다. 그러나 무한히 작은 점에 하중이 가해지면 무한히 높은 접촉 압력이 발생하게 된다. 실제로 볼은 타이어가 도로와 접촉하는 부분에서 납작해지는 것과 마찬가지로, 각 레이스와 접촉하는 부분에서 약간 변형(편평화)된다. 레이스 역시 각 볼이 누르는 부분에서 약간 항복한다. 따라서 볼과 레이스 사이의 접촉은 유한한 크기를 가지며 유한한 압력이 작용한다. 변형된 볼과 레이스는 완전히 매끄럽게 구르지 않는데, 이는 볼이 구를 때 볼의 각 부분이 서로 다른 속도로 움직이기 때문이다. 따라서 각 볼/레이스 접촉부에서 반대 방향의 힘과 미끄럼 운동이 발생한다. 전체적으로 이러한 현상이 베어링 항력을 유발한다.

롤러 베어링

원통 롤러

롤러 베어링은 최소 기원전 40년까지 거슬러 올라가는 가장 오래된 구름 베어링 유형이다. 일반적인 롤러 베어링은 지름보다 약간 긴 길이의 원통을 사용한다. 롤러 베어링은 일반적으로 볼 베어링보다 높은 반경 방향 하중 용량을 가지지만, 축 방향 하중에서는 더 낮은 용량과 더 높은 마찰을 보인다. 내륜과 외륜이 정렬되지 않으면, 볼 베어링이나 자동 조심 롤러 베어링에 비해 베어링 용량이 급격히 감소하는 경우가 많다.

모든 레이디얼 베어링과 마찬가지로, 외부 하중은 롤러들 사이에 지속적으로 재분배된다. 전체 롤러 수의 절반 미만이 하중의 상당 부분을 담당하는 경우가 많다. 오른쪽의 애니메이션은 내륜이 회전할 때 정적 반경 방향 하중이 베어링 롤러에 의해 어떻게 지지되는지를 보여준다.

자동 조심 롤러

자동 조심 롤러 베어링은 내부가 구면 형상인 외륜을 갖추고 있다. 롤러는 중앙부가 두껍고 양 끝이 얇다. 따라서 자동 조심 롤러 베어링은 정적 및 동적 정렬 불량을 모두 수용할 수 있다. 그러나 구면 롤러는 제조가 어렵고 따라서 비용이 높으며, 구름 요소와 레이스 사이에 일정량의 미끄러짐이 발생하기 때문에 이상적인 원통 롤러 베어링이나 테이퍼 롤러 베어링보다 마찰이 더 크다.

기어 베어링

기어 베어링은 유성 기어 장치와 유사하다. 내부 기어와 위성 기어의 외측, 그리고 외부 기어의 내측에 있는 트랙을 따라 베어링 중심 주위를 공전하는 여러 개의 작은 '위성' 기어로 구성된다. 이 베어링의 단점은 제조의 복잡성이다.

테이퍼 롤러

테이퍼 롤러 베어링은 원추형 레이스 위에서 구르는 원추형 롤러를 사용한다. 대부분의 롤러 베어링은 반경 방향 또는 축 방향 하중만 받을 수 있지만, 테이퍼 롤러 베어링은 반경 방향 및 축 방향 하중을 모두 지지하며, 접촉 면적이 더 넓기 때문에 일반적으로 볼 베어링보다 더 큰 하중을 견딜 수 있다. 테이퍼 롤러 베어링은 예를 들어 대부분의 차륜 육상 차량의 휠 베어링으로 사용된다. 이 베어링의 단점은 제조의 복잡성으로 인해 테이퍼 롤러 베어링이 일반적으로 볼 베어링보다 비싸다는 것이다. 또한 중하중 하에서 테이퍼 롤러는 쐐기와 같아서 베어링 하중이 롤러를 밀어내려는 경향이 있으며, 롤러를 베어링 내에 유지하는 칼라의 힘이 볼 베어링에 비해 베어링 마찰을 증가시킨다.

니들 롤러

니들 롤러 베어링은 바늘을 닮은 길고 가느다란 원통형 롤러를 사용하는 특수한 유형의 롤러 베어링이다. 롤러의 양 끝이 뾰족하게 테이퍼 처리되어 롤러를 고정하는 데 사용되기도 하고, 반구형으로 되어 있어 고정되지 않고 축 자체나 유사한 구조에 의해 유지되기도 한다. 롤러가 가늘기 때문에 베어링의 외경은 중앙 구멍보다 약간만 크다. 그러나 소구경 롤러는 레이스와 접촉하는 부분에서 급격하게 휘어져야 하므로, 베어링이 비교적 빨리 피로 파괴된다.

CARB 토로이달 롤러 베어링

CARB 베어링은 토로이달 롤러 베어링으로, 자동 조심 롤러 베어링과 유사하지만 각도 정렬 불량뿐만 아니라 축 방향 변위도 수용할 수 있다. 자동 조심 롤러 베어링에 비해 곡률 반경이 구면 반경보다 길어, 구면 롤러와 원통 롤러의 중간 형태이다. 한계점은 원통 롤러와 마찬가지로 축 방향 위치 고정이 되지 않는다는 것이다. CARB 베어링은 일반적으로 자동 조심 롤러 베어링과 같은 위치 고정 베어링과 쌍으로 사용된다. 이 비고정 베어링은 축과 하우징이 독립적으로 열팽창할 수 있도록 하는 데 사용될 수 있다는 장점이 있다.

토로이달 롤러 베어링은 1995년에 SKF에 의해 "CARB 베어링"이라는 이름으로 도입되었다.[^3] 이 베어링의 발명자는 엔지니어 Magnus Kellström이었다.[^15]

구성

레이스의 구성은 베어링이 가장 잘 지지할 수 있는 운동 및 하중의 유형을 결정한다. 주어진 구성은 다음 하중 유형 중 여러 가지를 지지할 수 있다.

스러스트 하중

스러스트 베어링은 수직 축과 같은 축 방향 하중을 지지하는 데 사용된다. 일반적인 설계로는 스러스트 볼 베어링, 자동 조심 스러스트 롤러 베어링, 테이퍼 스러스트 롤러 베어링 또는 원통 스러스트 롤러 베어링이 있다. 또한 특히 무거운 하중이나 낮은 마찰이 필요한 경우에는 유정압 베어링이나 자기 베어링과 같은 비구름요소 베어링도 사용된다.

래디얼 하중

구름요소 베어링은 낮은 구름 마찰로 인해 차축에 자주 사용된다. 자전거와 같은 가벼운 하중에는 볼 베어링이 주로 사용된다. 자동차와 트럭처럼 무거운 하중이 걸리고 코너링 시 하중이 크게 변할 수 있는 경우에는 테이퍼 롤러 베어링이 사용된다.

직선 운동

직선 운동 구름요소 베어링은 일반적으로 축 또는 평면용으로 설계된다. 평면 베어링은 흔히 롤러로 구성되어 케이지에 장착된 후 두 평면 사이에 배치된다; 일반적인 예로는 서랍 지지 하드웨어가 있다. 축용 구름요소 베어링은 베어링이 이동할 때 베어링 볼을 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 재순환시키도록 설계된 홈 안의 베어링 볼을 사용한다; 따라서 이를 리니어 볼 베어링^16 또는 순환식 베어링이라고 한다.

베어링 고장

![A prematurely failed rear bearing cone from a [mountain bicycle , caused by a combination of pitting due to wet conditions, improper lubrication, improper pre-load adjustment, and fatigue from frequent shock loading.]]

구름 베어링은 이상적이지 않은 조건에서도 잘 작동하는 경우가 많지만, 때로는 사소한 문제로 인해 베어링이 빠르고 원인 불명으로 고장 나기도 한다. 예를 들어, 정지 상태(비회전)의 하중이 가해질 때, 작은 진동이 레이스와 롤러 또는 볼 사이의 윤활제를 점차 밀어낼 수 있다(거짓 브리넬링). 윤활제가 없으면 베어링은 회전하지 않아 겉보기에는 사용되지 않는 것처럼 보임에도 불구하고 고장이 발생한다. 이러한 이유로 베어링 설계의 상당 부분은 고장 분석에 관한 것이다. 진동 기반 분석을 통해 베어링의 결함을 식별할 수 있다.[^17]

베어링의 수명 또는 하중 용량에는 일반적으로 세 가지 한계가 있다: 마모, 피로, 그리고 압력 유도 용접이다. *마모는 단단한 오염 물질이 베어링 재료를 긁어 표면이 침식될 때 발생한다. *피로는 재료가 반복적으로 하중을 받고 해제되면서 취성화될 때 발생한다. 볼이나 롤러가 레이스에 접촉하는 부분에는 항상 약간의 변형이 있으며, 따라서 피로의 위험이 존재한다. 더 작은 볼이나 롤러는 더 급격하게 변형되므로 피로가 더 빨리 발생하는 경향이 있다. *압력 유도 용접은 두 금속 조각이 매우 높은 압력으로 눌려 하나가 될 때 발생할 수 있다. 볼, 롤러, 레이스는 매끄러워 보일 수 있지만, 미시적으로는 거칠다. 따라서 베어링 윤활제를 밀어내는 고압 지점이 존재한다. 때때로 이렇게 발생하는 금속 대 금속 접촉이 볼이나 롤러의 미세한 부분을 레이스에 용접시킨다. 베어링이 계속 회전하면 용접 부분이 떨어져 나가지만, 레이스에 베어링이 용접되거나 베어링에 레이스가 용접된 흔적이 남을 수 있다.

베어링 고장의 다른 명백한 원인이 많이 있지만, 대부분은 이 세 가지로 귀결될 수 있다. 예를 들어, 윤활제 없이 작동하는 베어링은 "윤활제가 없어서" 고장 나는 것이 아니라, 윤활 부족이 피로와 용접으로 이어지고, 그로 인한 마모 잔해가 마모를 유발하기 때문에 고장 난다. 거짓 브리넬링 손상에서도 유사한 현상이 발생한다. 고속 응용 분야에서 오일 흐름은 대류를 통해 베어링 금속 온도를 낮추기도 한다. 오일은 베어링에서 발생하는 마찰 손실의 방열원 역할을 한다.

ISO는 베어링 고장을 ISO 15243이라는 번호의 문서로 분류하였다.

수명 계산 모델

구름 베어링의 수명은 내륜 또는 외륜의 레이스, 혹은 전동체에서 금속 피로(스폴링이라고도 함)의 첫 징후가 나타나기 전까지 베어링이 견딜 수 있는 회전 수 또는 주어진 속도에서의 운전 시간으로 표현된다. 소위 수명 모델의 도움을 통해 베어링의 내구 수명을 계산하는 것이 가능하다. 보다 구체적으로, 수명 모델은 베어링 크기를 결정하는 데 사용되는데, 이는 베어링이 특정 정의된 운전 조건에서 요구되는 수명을 보장할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하기 때문이다.

그러나 통제된 실험실 조건에서도 동일한 조건으로 작동하는 외관상 동일한 베어링이 서로 다른 개별 내구 수명을 가질 수 있다. 따라서 베어링 수명은 특정 베어링을 기준으로 계산할 수 없으며, 대신 베어링 집단을 참조하여 통계적 용어로 표현된다. 하중 정격에 관한 모든 정보는 충분히 큰 규모의 외관상 동일한 베어링 그룹 중 90%가 도달하거나 초과할 것으로 기대되는 수명을 기반으로 한다. 이를 통해 올바른 베어링 크기를 계산하는 데 필수적인 베어링 수명 개념의 보다 명확한 정의가 가능해진다. 따라서 수명 모델은 베어링의 성능을 보다 현실적으로 예측하는 데 도움이 될 수 있다.

베어링 수명 예측은 ISO 281[^4] 및 ANSI/미국 베어링 제조업체 협회 표준 9와 11에 기술되어 있다.

구름 베어링의 전통적인 수명 예측 모델은 기본 수명 방정식을 사용한다:

여기서:

• L_{10}은 신뢰도 90%에 대한 '기본 수명'(보통 백만 회전 단위로 표시)으로, 즉 베어링의 10% 이하만이 고장 났을 것으로 예상됨
• C는 제조업체가 제시하는 베어링의 동적 하중 정격
• P는 베어링에 가해지는 등가 동적 하중
• p는 상수: 볼 베어링의 경우 3, 순수 선 접촉의 경우 4, 롤러 베어링의 경우 3.33

기본 수명 또는 L_{10}은 베어링의 90%가 도달하거나 초과할 것으로 기대되는 수명이다.[^4] 중앙값 또는 평균 수명은 때때로 평균 고장 간격(MTBF)이라고도 하며, 계산된 기본 정격 수명의 약 5배이다. 'ASME 5인자 모델'이라는 여러 인자를 사용하여 원하는 신뢰도, 윤활, 오염 등에 따라 L_{10} 수명을 추가로 조정할 수 있다.

이 모델의 주요 함의는 베어링 수명이 유한하며, 설계 하중과 적용 하중 비율의 세제곱에 따라 감소한다는 것이다. 이 모델은 아르비드 팔름그렌과 구스타프 룬드베리가 그들의 논문 구름 베어링의 동적 용량에서 1924년, 1947년, 1952년에 수행한 연구를 통해 개발되었다. 모델은 1924년에, 상수 p의 값은 전후 연구에서 비롯되었다. 더 높은 p 값은 설계 하중 이하에서 올바르게 사용되는 베어링의 더 긴 수명으로 볼 수도 있고, 과부하 시 수명이 단축되는 증가된 비율로도 볼 수 있다.

이 모델은 현대 베어링에 대해 부정확해졌다는 것이 인식되었다. 특히 베어링강 품질의 향상으로 인해, 1924년 모델에서의 고장 발생 메커니즘이 더 이상 그만큼 중요하지 않게 되었다. 1990년대까지 실제 베어링은 예측된 것보다 최대 14배 긴 서비스 수명을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 피로 수명에 기반한 설명이 제시되었는데, 베어링에 피로 강도를 초과하지 않는 하중이 가해진다면 피로에 의한 룬드베리-팔름그렌 고장 메커니즘은 단순히 발생하지 않을 것이라는 것이었다. 이는 전동체 내부에서 이전에 응력 집중원으로 작용했던 내부 개재물을 방지하는 AISI 52100과 같은 균질한 진공 용해강과, 충격 하중을 피하는 더 매끄러운 베어링 트랙 표면에 의존하였다. p 상수는 이제 볼 베어링의 경우 4, 롤러 베어링의 경우 5의 값을 가지게 되었다. 하중 한계가 준수되는 한, '피로 한도'의 개념이 베어링 수명 계산에 도입되었다. 베어링에 이 한도를 넘는 하중이 가해지지 않으면, 이론적 수명은 오염이나 윤활 실패와 같은 외부 요인에 의해서만 제한될 것이다.

FAG에 의해 새로운 베어링 수명 모델이 제시되었으며, SKF에 의해 이오아니데스-해리스 모델로 발전되었다.[^5] ISO 281:2000은 이 모델을 처음 통합하였으며, ISO 281:2007은 이를 기반으로 한다.

피로 한도의 개념, 그리고 이에 따른 ISO 281:2007은 적어도 미국에서는 여전히 논쟁의 대상이다.

일반화 베어링 수명 모델 (GBLM)

2015년에 SKF 일반화 베어링 수명 모델(GBLM)이 도입되었다.[^18] 이전의 수명 모델과 달리, GBLM은 표면 및 표면하 고장 모드를 명시적으로 분리하여 여러 다른 고장 모드를 수용할 수 있는 유연한 모델이다. 현대 베어링과 응용 분야에서는 고장이 적게 발생하지만, 발생하는 고장은 표면 응력과 더 밀접하게 관련되어 있다. 표면을 표면하로부터 분리함으로써 완화 메커니즘을 더 쉽게 식별할 수 있다. GBLM은 고급 트라이볼로지 모델[^19]을 활용하여 표면 피로 평가로부터 얻어지는 표면 손상 고장 모드 함수를 도입한다. 표면하 피로에 대해서는 GBLM이 고전적인 헤르츠 구름 접촉 모델을 사용한다. 이 모든 것을 통해 GBLM은 구름 접촉에서의 응력 분포에 함께 영향을 미치는 윤활, 오염, 레이스 표면 특성의 효과를 포함한다.

2019년에 일반화 베어링 수명 모델이 재출시되었다. 업데이트된 모델은 하이브리드 베어링, 즉 강철 링과 세라믹(질화규소) 전동체를 가진 베어링에 대한 수명 계산도 제공한다.[^20][^21] 2019년 GBLM 출시가 주로 하이브리드 베어링의 작동 수명을 현실적으로 결정하기 위해 개발되었지만, 이 개념은 다른 제품과 고장 모드에도 사용될 수 있다.

설계 제약과 절충

베어링의 모든 부품은 수많은 설계 제약을 받는다. 예를 들어, 내륜과 외륜은 복잡한 형상인 경우가 많아 제조가 어렵다. 볼과 롤러는 형상이 비교적 단순하지만 크기가 작으며, 궤도면 위를 구르는 접촉부에서 급격한 굽힘이 발생하므로 피로 파손이 일어나기 쉽다. 베어링 조립체 내부의 하중은 작동 속도에 의해서도 영향을 받는다. 구름 요소 베어링은 100,000 rpm 이상으로 회전할 수 있으며, 이러한 베어링에서 주된 하중은 외부에서 가해지는 하중이 아니라 운동량일 수 있다. 구름 요소가 작을수록 가벼워 운동량이 줄어들지만, 동시에 궤도면과의 접촉부에서 굽힘이 더 급격해져 피로에 의한 파손이 더 빨리 발생한다. 구름 요소 베어링의 최대 속도는 흔히 'nDm'으로 표시되는데, 이는 평균 직경(mm 단위)과 최대 RPM의 곱이다. 앵귤러 콘택트 베어링의 경우 nDm 값이 210만 이상이어도 고성능 로켓 응용 분야에서 신뢰성이 확인된 바 있다.[^22]

재료와 관련된 문제도 많다. 더 단단한 재료는 마모에 대한 내구성이 높을 수 있지만 피로 파괴가 발생할 가능성도 높으므로, 재료는 용도에 따라 달라진다. 강철이 구름 요소 베어링에 가장 흔히 사용되지만, 플라스틱, 유리, 세라믹도 널리 사용된다. 재료 내의 작은 결함(불균일)이 베어링 고장의 원인이 되는 경우가 많다. 20세기 후반에 일반 베어링의 수명이 크게 향상된 가장 큰 요인 중 하나는 더 우수한 재료나 윤활제의 사용(물론 이 두 가지도 중요했지만)이 아니라 더 균질한 재료의 사용이었다. 윤활제의 특성은 온도와 하중에 따라 변하므로, 최적의 윤활제 역시 용도에 따라 달라진다.

베어링은 사용에 따라 마모되는 경향이 있지만, 설계자는 베어링의 크기 및 비용과 수명 사이에서 절충안을 마련할 수 있다. 베어링을 저온으로 유지하고, 청결하게 관리하며, 윤활 상태를 유지하고, 정격 하중 범위 내에서 사용하며, 베어링 재료에 미세한 결함이 충분히 적다면 베어링은 기계의 나머지 부품보다 오래—사실상 무기한으로—지속될 수 있다. 따라서 냉각, 윤활, 밀봉은 베어링 설계의 중요한 부분이다.

필요한 베어링 수명은 용도에 따라서도 달라진다. 예를 들어, 테드릭 A. 해리스는 자신의 저서 구름 베어링 해석^23에서 미국 우주왕복선의 산소 펌프 베어링에 대해 보고하고 있는데, 이 베어링은 펌프가 이송하는 액체 산소로부터 적절히 격리될 수 없었다. 모든 윤활제가 산소와 반응하여 화재 및 기타 고장을 유발했다. 해결책은 산소 자체로 베어링을 윤활하는 것이었다. 액체 산소는 윤활제로서의 성능이 좋지 않지만, 펌프의 사용 수명이 불과 몇 시간에 불과했기 때문에 충분했다.

운용 환경과 정비 요구 사항 역시 중요한 설계 고려 사항이다. 일부 베어링 조립체는 정기적인 윤활제 보충이 필요한 반면, 다른 것들은 공장에서 밀봉되어 기계 조립체의 수명이 다할 때까지 추가 정비가 필요하지 않다. 밀봉은 매력적인 방법이지만 마찰을 증가시키며, 영구 밀봉된 베어링에서는 윤활제가 궤도면이나 베어링에서 나온 강철 칩, 모래, 미세 먼지 등 경질 입자에 의해 오염될 수 있다. 윤활제 내의 오염물은 연마 작용을 하여 베어링 조립체의 작동 수명을 크게 단축시킨다. 베어링 고장의 또 다른 주요 원인은 윤활유 내 수분의 존재이다. 최근 몇 년간 온라인 유중 수분 모니터가 도입되어 입자와 유중 수분의 영향 및 이들의 복합적 효과를 감시하고 있다.

명칭

미터법 구름 베어링은 ISO 15에 의해 정의된 영숫자 명칭을 사용하여 모든 물리적 매개변수를 정의한다. 주요 명칭은 7자리 숫자이며, 추가 매개변수를 정의하기 위해 앞이나 뒤에 선택적 영숫자가 붙을 수 있다. 여기서 각 자릿수는 7654321로 정의된다. 마지막으로 정의된 자릿수 왼쪽의 0은 인쇄되지 않는다. 예를 들어 0007208이라는 명칭은 7208로 표기된다.[^6]

첫째 자리와 둘째 자리는 함께 베어링의 내경(ID), 즉 보어 직경을 정의하는 데 사용된다. 20~495 mm(포함) 사이의 직경에 대해서는 명칭에 5를 곱하면 내경이 된다. 예를 들어 명칭 08은 40 mm 내경을 의미한다. 내경이 20 미만인 경우에는 다음과 같은 명칭이 사용된다: 00 = 10 mm 내경, 01 = 12 mm 내경, 02 = 15 mm 내경, 03 = 17 mm 내경. 셋째 자리는 외경(OD)을 정의하는 "직경 계열"을 나타낸다. 직경 계열은 오름차순으로 다음과 같이 정의된다: 0, 8, 9, 1, 7, 2, 3, 4, 5, 6. 넷째 자리는 베어링의 유형을 정의한다:[^6]

다섯째 자리와 여섯째 자리는 베어링의 구조적 변형을 정의한다. 예를 들어 레이디얼 스러스트 베어링에서는 이 자릿수가 접촉각을 정의하거나, 모든 베어링 유형에서 실(seal)의 유무를 나타낸다. 일곱째 자리는 베어링의 "폭 계열", 즉 두께를 정의한다. 폭 계열은 가장 가벼운 것부터 가장 무거운 것 순으로 다음과 같이 정의된다: 7, 8, 9, 0, 1(초경량 계열), 2(경량 계열), 3(중량 계열), 4(중량 계열). 셋째 자리와 일곱째 자리가 베어링의 "치수 계열"을 정의한다.[^6][^7]

선택적 접두 문자는 네 개가 있으며, 여기서는 A321-XXXXXXX(X는 주요 명칭)로 정의되고, 주요 명칭과 대시(-)로 구분된다. 첫 번째 문자 A는 베어링 등급으로, 오름차순으로 C, B, A로 정의된다. 등급은 진동, 형상 편차, 구름면 공차 및 명칭 문자로 정의되지 않는 기타 매개변수에 대한 추가 요구사항을 정의한다. 두 번째 문자는 마찰 모멘트(마찰)로, 오름차순으로 1~9의 숫자로 정의된다. 세 번째 문자는 레이디얼 틈새로, 일반적으로 0에서 9(포함) 사이의 숫자로 오름차순으로 정의되지만, 레이디얼-스러스트 베어링의 경우 1에서 3(포함) 사이의 숫자로 정의된다. 네 번째 문자는 정밀도 등급으로, 일반적으로 오름차순으로 다음과 같다: 0(보통), 6X, 6, 5, 4, T, 2. 등급 0과 6이 가장 일반적이며, 등급 5와 4는 고속 응용 분야에서 사용되고, 등급 2는 자이로스코프에서 사용된다. 테이퍼 베어링의 경우 값은 오름차순으로 0, N, X이며, 여기서 0은 0, N은 "보통", X는 6X를 의미한다.[^6]

주요 명칭 뒤에 정의할 수 있는 선택적 문자는 다섯 개가 있다: A, E, P, C, T이며, 이들은 주요 명칭의 끝에 직접 붙여진다. 접두사와 달리 모든 명칭을 반드시 정의할 필요는 없다. "A"는 증가된 동적 부하 정격을 나타낸다. "E"는 플라스틱 케이지의 사용을 나타낸다. "P"는 내열강이 사용되었음을 나타낸다. "C"는 사용된 윤활제의 유형을 나타낸다(C1~C28). "T"는 베어링 부품이 템퍼링된 정도를 나타낸다(T1~T5).[^6]

제조업체들은 일부 제품에서 ISO 15에 따른 부품 번호 명칭을 사용하지만, ISO 15와 상관없는 독자적인 부품 번호 체계를 도입하는 것이 일반적이다.[^24]

같이 보기

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• 외부 링크

*베어링 윤활에 관한 기술 간행물 *NASA 기술 핸드북 구름 베어링 (NASA-RP-1105) *NASA 기술 핸드북 기계 요소의 윤활 (NASA-RP-1126) *구름 베어링의 작동 원리 *설계를 위한 기구학 모델 디지털 라이브러리 (KMODDL) - 코넬 대학교의 수백 가지 작동하는 기계 시스템 모델의 동영상과 사진. 기계 설계 및 공학에 관한 고전 문헌의 전자책 라이브러리도 포함되어 있다. *구름 베어링의 감쇠 및 강성 특성 - 이론과 실험 (박사 학위 논문, Paul Dietl, 빈 공과대학교, 1997)

ru:Подшипник#Подшипники качения

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참고 문헌

[^1]: ISO 15

[^2]: Hamrock, B. J.; Anderson, W. J.. 구름 요소 베어링. (1983년 6월 1일)

[^3]: CARB 베어링 – 건조 실린더 전면부를 위한 더 나은 솔루션. SKF

[^4]: 구름 베어링 -- 동적 부하 정격 및 정격 수명. ISO

[^5]: Ioannides, Stathis. 구름 베어링을 위한 새로운 피로 수명 모델. SKF

[^6]: 도서 인용 last1 = Grote first1 = Karl-Heinrich first2 = Erik K. last2 = Antonsson 제목 = 스프링거 기계공학 핸드북 출판사 = Springer 위치 = New York 권 = 1

[^7]: 인용 last1 = Brumbach first1 = Michael E. last2 = Clade first2 = Jeffrey A. 제목 = 산업 유지보수 페이지 = 112–113 출판사 = Cengage Learning 연도 = 2003 url = https://

[^8]: 베어링의 역사. (2022년 3월 28일)

[^9]: 갈릴레오와 베어링의 역사

[^10]: Wiseman, Mike. 베어링의 간략한 역사. (2022년 3월 4일)

[^11]: 오늘의 교통 역사 – 1869년: 자전거를 위한 작지만 위대한 발명. (2017년 8월 3일)

[^12]: [https://www.ferrovial.com/en/stem/axial-load/#:~:text=Axial%20load%20is%20defined%20as,structure%2C%20producing%20a%20uniform%20effort. 축방향 하중]

[^13]: [https://blog.orientalmotor.com/motor-sizing-basics-part-4-radial-load-and-axial-load#:~:text=Radial%20Load%20is%20defined%20as,to%20the%20motor%20shaft%20axis). 반경방향 하중]

[^14]: 배럴 롤러 베어링

[^15]: CARB - 혁신적인 개념. SKF

[^17]: Slavic, J. 힘 측정을 이용한 대표적 베어링 결함 등급 평가: 실제 데이터에의 적용.. (2011년 12월)

[^18]: Morales-Espejel, Guillermo E.. 표면 및 표면하 생존을 고려한 구름 베어링 수명 모델—트라이볼로지 효과

[^19]: Morales-Espejel, Guillermo E.. 구름-미끄럼 접촉에서의 마이크로피팅 모델링: 구름 베어링에의 적용

[^20]: Morales-Espejel, Guillermo E.. 표면 및 표면하 생존을 고려한 구름 베어링 수명 모델: 결정론적 압입에 의한 산발적 표면 손상. (2016년 4월)

[^21]: Morales-Espejel, Guillermo E. 표면 및 표면하 생존을 고려한 구름 베어링 수명 모델의 하이브리드 베어링 사례에의 적용

[^22]: 액체 추진제 로켓 엔진 설계 - Dieter K. Huzel 및 David H. Huang 209페이지

[^24]: 도서 인용 last1 = Renner first1 = Don last2 = Renner first2 = Barbara 제목 = 수도 및 폐수 장비 유지보수 실무 출판사 = CRC Press 연도 = 1998 페이지 = 28 url = ht