베어링의기초이론

[조흥베어링]

흔히 말하는 구름베어링(rolling bearing)이 오늘날의 구조와 같은 형식을 갖추게 되기까지 그 기원을 따져보면 기원전으로 거슬러 올라갑니다. 마찰과 구름을 연결하여 인류가 발명한 걸작품인 구름베어링은 BC400년부터 AD1800년에 이르는 기나긴 요람시대에서 1800~1900년의 유·소년기를 지나서 현재의 청·장년기를 맞이하고 있습니다. 오늘날까지 수많은 종류의 베어링이 발명되어 사용하고 있지만, 지금부터 소개하는 베어링에 대해서는 현재 인라인 스케이트에 적용되고있는 '레이디얼 볼베어링(radial ball bearing)' 을 중심으로 설명하도록 하겠습니다.
최초의 레이디얼 볼베어링은 1794년 영국의 P.Vaughan에 의해 발명되었으며 Filling Slot Type입니다. Filling Slot Type은 내·외륜을 편심 시켜 초승달형의 공간에 볼을 삽입한 후 동심 위치로 복귀시키고 볼을 일정한 간격으로 배열하여 유지기(retainer, cage)로 지지하는 형식입니다. 이 편심 조립방법은 1903년 독일의 Robert Conrad에 의해 발명되었기에 이 형식을 Conrad type 이라 부릅니다.

1) 부속품 명칭 - 외륜(Outer Race) : 베어링 내부를 감싸는 바깥쪽 링입니다. ...휠의 허브(Hub)에 장착되는 곳이기도 합니다. - 내륜(Inner Race) : 베어링 내부를 지지하는 안쪽 링입니다. ...액슬(Axle)로 프레임(Frame)과 연결되는 부분입니다. - 유지기(Retainer, Cage) : ...볼을 일정한 간격으로 유지시킵니다. - 볼(Balls) : 하중을 견디면서 내륜과 외륜의 마찰을 ...작게 하여 회전시킵니다. - 덮개(Shield) : 외부 이물질로부터 내부를 보호합니다. - C링(C-ring) : 덮개를 고정시키는 역할을 합니다.

2) 구조
내륜과 외륜 사이에 볼이 있고 볼을 유지기가 일정한 간격으로 유지시켜 줍니다. 볼은 보통7∼8개이며 유지기는 금속 또는 합성수지로 되어있습니다. 덮개는 개폐형, 밀폐형으로 나뉘며, 개폐형으로는 C링형, 고무덮개형 그리고 합성수지형이 있습니다.

- 기동마찰이 작고, 동마찰과의 차이도 더욱 작습니다.
- 국제적으로 표준화, 규격화가 이루어져 있으므로 호환성이 있고 교환사용이 가능합니다.
- 베어링의 주변 구조를 간략하게 할 수 있고 보수·점검이 용이합니다.
- 일반적으로 경방향 하중과 축방향 하중을 동시에 받을 수 있습니다.
- 고온도·저온도에서의 사용이 비교적 용이합니다.
- 고속회전에 용이합니다.
- 소음이 낮습니다.

베어링의 윤활유에는 내하중성능이 높고 산화안정성이 좋고, 방청성능이 좋은 고도정제광유 또는 합성유가 사용됩니다.
윤활유의 선정에 있어서는 운전온도에 있어 적정한 점도가되는 오일의 선정이 우선 중요합니다. 점도가 너무 낮으면 유막형성이 불충분해지고, 이상마모, 타붙음의 원인이 됩니다. 반대로 점도가 너무 높으면, 점성저항에 의해 발열하거나 동력손실을 크게 합니다. 유막의 형성에는, 베어링의 회전속도가 빠를수록 저점도유를 사용하고, 하중이 커질수록, 또는 베어링이 대형화 될 수록, 고점도의 윤활유를 사용합니다.
일반적으로 인라인 스케이트에 사용되는 베어링은 하중이 작고 회전속도가 빠르기 때문에 저점도의 윤활유가 적당합니다. 최근 인라인 스케이트 베어링 제조회사에서 시판하는 전용오일은 공업용도의 오일보다 점도가 낮은 저점도의 윤활유입니다.

1) 재료의 특성
베어링의 내륜과 외륜에는 높은 접촉압력을 반복하여 받으면서, 미끄럼을 수반하는 구름접촉을 하고 있습니다. 유지기(retainer, cage)는 궤도륜 및 전동체 모두 또는 그 어느쪽인가의 한쪽과 미끄럼 접촉을 하면서 인장력, 압축력을 받게됩니다. 따라서 베어링의 내륜, 외륜 및 유지기의 재료에는 주로 다음에 표시하는 특성이 요구됩니다.

그 외 가공의 용이성도 필요하며, 용도에 따라서는 내충격성, 내열성, 내식성등도 요구됩니다.

2) 화학성분
[내, 외륜 및 볼의 성분]
일반적으로 고탄소크롬베어링강이 사용됩니다. 내충격성을 더욱더 필요로 하는 경우에는 베어링재료로서 크롬강, 크롬몰리브덴강, 니켈크롬몰리브덴강등을 사용하여 침탄열처리에 의해 표면에서 적당한 깊이 까지 경화시킵니다. 적절한 경화깊이와 치밀한 조직, 적정한 표면경도 및 심부경도를 가진 침탄베어링은 베어링강을 이용한 베어링보다 뛰어난 내충격성을 가지고 있습니다.
NSK(http://www.nsk.co.kr/)에서는 진공탈가스체리를 실시한 것으로 청정도가 높고, 함유산소량이 적은 양질의 재료를 사용하고 더욱이 적절한 열처리를 실시하고 있기 때문에 베어링의 구름 피로수명은 현저하게 향상되고 있습니다.
이밖에 특수용도에는 내열성이 뛰어난 고속도강, 내식성이 좋은 스텐레스강등을 사용하는 경우도 있습니다.

[유지기 재료]
유지기의 재료에는 주로 저탄소강이 사용되며, 용도에 따라 황동판, 스테인레스강판, 高力황동, 탄소강, 합성수지 등이 사용됩니다.

운전상태		추정원인	대 책
소음	높은금속음(1)	이상하중	끼워맞춤의 수정, 베어링 클리어런스의 검토, 예압의 조정, 하우징 어깨위치 수정등
		설치불량	축·하우징의 가공정도, 설치정도의 개선, 설치방법의 개선
		윤활제의 부족, 부적합	윤활제의 공급, 적정한 윤활제의 선택
		회전부품의 접촉	라비린스등 접촉부분의 수정
	규칙음	이물에 의한 궤도륜에 생긴 압흔, 녹, 기스	베어링교환, 관계부품의 세정, 밀봉장치의 개선, 깨끗한 윤활제의 사용
		브리넬링	베어링교환, 취급주의
		궤도륜의 플레이킹	베어링교환
	불규칙음	클리어런스 과대	끼워맞춤 및 베어링 클리어린스의 검토, 예압량의 수정
		이물의 침입	베어링교환거토, 관계부품의 세정, 밀봉장치의 개선, 깨끗한 윤활제의 사용
		볼의 기스, 플레이킹	베어링 교환
이상온도상승		윤활제의 과다	윤활제를 줄여 적량화, 고체그리스의 선택
		윤활제의 부족, 부적합	윤활제의 보급, 적정한 윤활제의 선택
		이상하중	끼워맞춤의 수정, 베어링클리어런스 검토, 예압조정 하우징 어깨위치의 수정 등
		설치불량	축·하우징의 가공정도, 설치정도의 개선, 설치방법의 개선
		끼워맞춤면의 크리프 밀봉장치의 마찰과대	깨워맞춤의 검토, 베어링 교환 축, 하우징의 수정, 밀봉 형식의 수정
진동대 (축의 요동)		브리넬킹	베어링 교환, 취급주의
		플레이킹	베어링교환
		설치불량	축·하우징의 어깨의 직각도, 스페이서측면 직가도의 수정
		이물의 침입	베어링 교환, 각 부품세정, 밀봉장치의 개선등
윤활제·누유대 변색대		윤활제의 과다, 이물침입, 마모분의 발생·침입 등	윤활제 양의 적정화, 베어링교환의 검토, 윤활제의 교환과 선정의 검토, 하우징등의 세정

일반적으로 구름베어링은 바르게 취급하면 피로수명에 이르기까지 오래 사용할 수 있지만 의외로 빨리 손상되어 사용에 견딜 수 없게 되는 경우가 있습니다. 이러한 조기 손상은 설치, 취급, 윤활유 불충분, 외부로부터 이물질침입, 등이 원인이 되는 수가 많습니다.
그러나 베어링의 사용 기계, 사용조건, 베어링 주변의 구조를 알고 나서 사고 발생전의 상황을 이해한다면 베어링의 손상상태와 그 원인을 파악하고 똑같은 사고발생을 방지하는 것은 가능합니다.
인라인 스케이트의 경우 외부로부터 이물질침입에 의한 손상이 가장 많으며, 이는 정기적으로 정비해줌으로써 베어링의 수명을 연장시킬 수 있습니다.