베어링 설계 기초 편

오늘은 베어링 설계 기초 편에 대해서 알아보겠습니다.

베어링을 전문적으로 생각하시는 분들에게  좋은 내용이 되기를 기대하는 마음입니다.

 

1. 베어링 치수 선정의 핵심

  1) 베어링 치수 선정의 개요 

     베에링 치수 선정 개요 중 기계에 필요한 피로수명 L을 결정하면, 수명 게산식을 사용하여 L과 등가하중 P에서 베어링에 필요한 기본동정격하 중 C를 구하여 C값을 갖는 베어링 치수를 베어링 메이커의 카탈로그에서 선정하고 베어링의 외경, 내경, 폭이 기계의 허용 공간 범위 내에 있으면 됩니다. 만일, 선정된 베어일이 커서 기계에 설치할 수가 없으면 베어링 형식의 변경, 조합 베어링의 사용, 베어링의 교환주기 단축 등을 고려해야 합니다. 

 

    *베어링의 주요 치수 규격은 (JIS B1512)

       . 베어링의 내경 (Bearing Bore Diameter)

       . 베어링의 외경 (Bearing Outside Diameter)

       . 폭 또는 높이 (Bearing Width or Bearing - Height)

       . 모 떼기 치수 (Chamfer Dimension) 

등과 같이 베어링의 윤곽을 나타내는 치수로서 메이커의 카탈로그에 자세히 기술되어 있습니다.

 

이 주요 치수는 국제적 호환성과 경제적 생산을 위하여 국제표준화기구 (ISO)에 표준화되어 있습니다. ISO에 준하여 JIS, KS에서 주요 치수를 규격화하고 있습니다. 이 규격에 의한 베어링을 기준 베어링이라고 부릅니다. 기본베어링 이외에 제각기 특유한 주요치수 계열이 JIS에 규정되어 있는 특수 베어링도 있습니다. 한편, 주요 치수표에서 베어링 내경 10 ~110mm의 치수 계열 02, 03, 04는 경하중형 (輕荷重形 : Light Series), 중하중형 (重 荷重形 : Medium Series), 중하중형( 重 荷重形 : Heavy Series)라고 부르며 장기간 사용되어 온 국제적 표준화에 성공한 것으로 되어 있습니다.

 

   2) 베어링 선정의 6대 요소

     베어링의 선정에는 6대요소는  기계제작업체의 설계에 좌우되지만, 선정 시 참고사항은 다음과 같습니다.

       ① 설치 시 허용가능 공간

       ② 필요정밀도, 강성, 속도, 정숙성

       ③ 운전하중의 크기와 방향

       ④ 윤활 및 설치 및 해체

       ⑤ 비조심의 허용여부

       ⑥ 축간 변위, 온도

  

    또한 베어링 수명 중에서 구름피로수명, 정격피로수명, 기본동정격하중과 피로 수명을 생각하여야 합니다. 베어링 하중의 선정에서도 하중계수, 벨트 또는 체인전동일 때의 하중, 치차 전동시의 하중, 베일에의하중배분, 변동하는 하중의 평균하중등을 고려해야 됩니다. 

 

2. 최적설계를 통한 정격 수명 및 하중 계산

  1) 베어링의 정격 수명

    베어링의 수명계산 (구름 베어링의 부하용량)

     - 정부하 용량 (정정 격 하중) : 베어링이 정지하고 있는 상태에서 정하중이 작용할 때 견딜 수 있는 하중의 크기를 말합니다. 최대하중을 받고 있는 전동체와 궤도륜의 접촉부에 생기는 전동체의 영구 변형량과 궤도륜의 영구 변형량의 합이 전동체 지름의 0.0001배가 되는 정적 하중입니다. 

     - 동부하 용량 (동정 격 하중) : 베어링이 회전 중에 견딜 수 있는 하중으로 반복 응력에 의한 피로 현상을 대상으로 결정하며 내륜은 회전, 외륜은 정지시킨 조건에서 정격 수명이 100만 회전이 되는 방향과 크기가 변동하지 않는 하중을 기본 동부하 용량이라 하며 일반적인 베어링의 정격 하중은 이를 뜻합니다.

 

   2) 베어링의 수명 계산식 (Herts 이론식)

     - 내, 외륜 및 전동체가 반복 응력에 의해 접촉면이 벗겨지는 박리현상 (플레이킹  : Flaking) 이 생길 때까지의 회전 수를 수명으로 합니다. 

     - 동일 조건에서 사용되는 동일 베어링 그룹의 90% 가 피로에 의하여 플레이킹을 일으키지 않고 회전한 총회전수를 계산 수명으로 하며, 이를 정격수명이라 합니다.

     - 이 회전수가 꼭 100만 회전으로써 정격 수명이 되는 하중을 베어링의 기본 동정 격 하중입니다.

     - 시간으로 수명을 나타낼 때는 500시간을 기준으로 하고 총회전수는 100만 회전으로 합니다. 

 

3. 공차와 틈새 (Clearance) 결정

  1) 끼워 맞춤의 중요성

      구름베어링이 적은 간섭양으로 축에 설치되어, 내륜에 하중을 받아 회전하면, 내측과 축과의 사이에서 원주방향으로 유해한 미끄럼을 일으키는 경우가 있습니다. 크리이프(Creep)라고 불리는 궤도륜의 이러한 미끄럼 현상은 끼워 맞추면에 간섭량이 부족한 경우, 하중점이 원주방향으로 이동함으로써 궤도륜 이 축 또는 하우징에 대해서 원주방향으로 위치가 벗어나는 현상입니다. 

 

  크리이프가 한번 발행하면, 끼워 맞추면은 현저하게 마모되어, 축 또는 하우징을 손상시키는 경우가 많습니다. 또 베어링 내부에, 마모분이 침입하기도 해서 이상발열 진동 등의 원인이 되는 경우도 있습니다. 

 

  따라서, 보통 베어링의 끼워 맞춤에 있어서는, 하중을 받아 하우징에 고정시키고 운전 중의 크리이프를 방지하는 것이 중요합니다. 이 크리이프는 베어링을 축방향으로 체결한 것만으로는 방지할 수 없는 경우도 많습니다. 단, 정지하중을 받는 궤도륜 에는 일반적으로 간섭량을 주지 않아도 좋습니다. 또 사용조건 또는 설치, 해체의 난이도에 따라서는 내륜, 외륜에 간섭량을 주지 않고 하는 경우도 있습니다. 

 

   2) 끼워 맞춤의 선정

      (1) 하중의 성질과 끼워맞춤

         끼워맞춤의 선정은, 베어리에 걸리는 하중방향과 내륜 외륜의 회전상태에 따라 결정됩니다.

 

    3) 공차 등급

        구름 베어링은 전문공장에서 양산되고 있지만 종류, 치수 이외에 품질도 동일하여 국제적인 호환성을 갖기 위해서 각종 베어링이 주요 치수, 치수정밀도, 회전정밀도, 클리어런스 등에 대한 심의가 ISO의 TC4에서 행해져서 많은 추천 규격이 나와 있습니다. 

 베어링의 정밀도는 치수정밀도와 회전 정밀도가 있습니다. 

 회전축의 흔들림을 적게 하고 싶을 때, 기계의 진동가 음향을 적게 하고 싶을 때, 고속회전을 하는 축에는 정밀도가 높은 베어링을 사용하여야 합니다. 이 때문에 치수정밀도와 회전 정밀도는 등급별로 규정되어 있어 목적에 맞는 등급을 선택하여 사용하면 됩니다. 

 

  4) 베어링의 틈새 (Clearance)

    베어링의 내부 틈새는 내륜 또는 외륜의 어는 한쪽을 고정시키고, 다른 쪽의 궤도륜을 상하 또는 좌우 방향으로 움직였을 때의 움직임량을 말하여 KS B 2102에 규정되어 있습니다. 내부 틈새는 외력을 가하지 않은 상태에서의 내륜 및 외륜의 상대적인 변위량으로 변위량의 방향에 따라 경방향 틈새와 축방향 틈새로 구분됩니다. 

 

    베어링의 운전 시 내부 틈새가 적정하지 않을 경우에는 피로 수명 및 진동, 발열 등에 영향을 미치므로 내부 틈새의 올바른 선정이 매우 중요합니다. 

  

   이론적으로 운정 상태에서 베어링의 틈새는 약간의 마이너스 틈새를 갖는 것이 피로 수명이 가장 길게 되나, 이러한 상태에 이르게 하는 것은 현실적으로 매우 힘듭니다. 즉 베어링의 내부 틈새는 끼워 맞춤, 온도차에 의한 열 팽창량의 차이, 하중에 의한 변형 등에 의해 변화하기 때문에 운전 조건의 적절한 평가 및 해석이 내부 틈새의 선정에 반영되어야 합니다.

에 대해서 알아보겠습니다.

베어링을 전문적으로 생각하시는 분들에게  좋은 내용이 되기를 기대하는 마음입니다.

 

 

4. 마무리

오늘은  베어링 취급과 보전 중에서 베어링 설계 기초 편을 살펴보았습니다. 전문적인 내용이 다소 포함되어 있지만 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다.