베어링
1. 개요
회전축과 축의 지지대 사이의 마찰을 줄여주는 기계요소이다.
기본적으로 마찰에 지속적으로 노출되는 요소인지라 철제 제품의 경우 경도가 매우 뛰어난 베어링강이라는 특수한 전용 강재가 재료로 사용된다. 철이 아닌 재료로 가면 베릴륨이나 사파이어[1] 같은 재료도 사용되며, 의외로 흑연이나 나무같이 마찰에 약할 것 같은 재료도[2] 사용된다. 그리스는 보통 베어링의 필수요소로 취급되는데, 그리스 없이 돌아가는 베어링도 있으므로 불가결하지는 않지만 일상생활에서 볼 수 있는 대부분의 베어링은 그리스가 없이는 제대로 된 역할을 할 수 없다. 윤활유 없이 사용되는 베어링의 경우 마모에 강하고 마찰계수가 낮은 합성 루비나 세라믹 계열의 재료가 많이 사용된다. 세라믹 베어링은 지르코니아나 실리콘 니트라이드 (Si3N4) 재질이 많이 사용되는 편이다.
2. 원리
상대운동하는 물체간 마찰력을 줄여 운동을 원활하게 한다. 공이나 원통 형태의 요소가 내부 마찰면에서 직접 움직이는 경우는 구름베어링, 내마모성이 우수하고 비교적 마찰계수가 적은 재질로 축과 직접적으로 운동을 원활하게 해주는 미끄럼 베어링이 있다.
3. 종류
3.1. 전동체에 따른 분류
- 슬리브 베어링 (Sleeve bearing)
[image]
가장 일반적이며 흔히 볼 수 있는 형태의 베어링이다. 대부분의 DC 모터에서 흔히 볼 수 있는 베어링이다. 믹서기, 선풍기 모터 등에도 대부분 이 베어링이 들어간다. 다른 베어링들과의 차이점은 축과 직접적인 마찰을 한다는 점인데, 이때문에 사용할수록 마모되면서 베어링과 축 사이의 유격이 점점 커지고, 유격이 클수록 소음과 진동이 심해지고 벌어지는 속도는 기하급수적으로 빨라지게 된다. 이 때문에 수명도 짧은 편이다. DC 모터를 오랫동안 돌리다 보면 삐이이이이익 하는 굉음이 발생하는 경우가 있는데, 베어링이 벌어져서 진동이 발생하면서 나는 소리이다. 이 상태가 되면 베어링을 교체해야 한다. 이 때문에 고속회전을 하는 기기에는 적합하지 않다.
가장 일반적이며 흔히 볼 수 있는 형태의 베어링이다. 대부분의 DC 모터에서 흔히 볼 수 있는 베어링이다. 믹서기, 선풍기 모터 등에도 대부분 이 베어링이 들어간다. 다른 베어링들과의 차이점은 축과 직접적인 마찰을 한다는 점인데, 이때문에 사용할수록 마모되면서 베어링과 축 사이의 유격이 점점 커지고, 유격이 클수록 소음과 진동이 심해지고 벌어지는 속도는 기하급수적으로 빨라지게 된다. 이 때문에 수명도 짧은 편이다. DC 모터를 오랫동안 돌리다 보면 삐이이이이익 하는 굉음이 발생하는 경우가 있는데, 베어링이 벌어져서 진동이 발생하면서 나는 소리이다. 이 상태가 되면 베어링을 교체해야 한다. 이 때문에 고속회전을 하는 기기에는 적합하지 않다.
- 볼 베어링 (Ball bearing)
[image]
전동체로 구체 모양의 볼을 사용하는 구름 베어링(Rolling bearing)의 일종. 슬리브베어링다음으로 흔히 볼 수 있는 베어링으로, 기본적인 구성요소는 외륜, 내륜, 볼, 케이지(혹은 리테이너)로 이루어져 있다. 케이지의 재질은 스틸 케이지와 나일론 케이지가 있다. 주로 중저가형 베어링에는 나일론 케이지가 사용되고, 고가형에는 스틸 케이지가 사용된다. 나일론 케이지는 고속 환경에서는 케이지가 원심력을 받아 조금씩 벌어지다가 결국 외륜에 닿아 갈려 나가면서 수명을 다하게 되는데, 온도가 높을수록 벌어지는 속도도 빨라진다. 스틸 케이지는 분해하면 재조립이 어렵지만, 나일론은 재조립이 쉽다. 두개의 링 사이에 볼이 들어가 있어서 링과 볼은 주로 선 접촉을 한다. 베어링을 분해 해보면 외륜과 내륜 안쪽이 곡면으로 파여있다. 따라서 정확히는 점 접촉보단 선 접촉에 가깝다. 볼이 윤활유를 대체하여 윤활유가 필요 없는 것으로 착각할 수 있는데, 볼과 케이지 사이에 면 접촉을 하기 때문에 윤활유가 필요 없는 것은 아니다. 실제로 베어링을 구매하여 뚜따를 해보면, 안에 끈적끈적한 구리스가 떡칠되어 있는 것을 볼 수 있다. 물론, 회전운동을 하기 시작하면 윤활유가 케이지와 볼 사이에 유막을 형성하여 물리적으로 심하게 마찰을 일으키진 않는다. 점 접촉을 하는 만큼 구름 저항이 적다. 다만 접촉점이 작아 하중에 영향을 크게 받으므로 고하중에는 어울리지 않으며, 볼과 링이 완벽한 구체가 아니기 때문에 고속에서 진동과 소음이 발생한다. 또한 접점이 점이라는 말은 하중이 그 '점'에 집중적으로 실린다는 뜻이다. 따라서 오래 사용하면 할수록 볼이 링 내부를 점점 갉아먹어서 축이 틀어진다. 특히 링이 일단 긁히고 나면 갈려나가는 속도가 시간이 지날수록 점점 더 가속되므로 분해정비가 어려운 곳에 사용하기는 곤란하다.
그 대신 대량생산하기에 상당히 용이하며 가격도 꽤 싸다. 심지어 슬리브 베어링보다도 싼것도 있다. 그리고 일반적으로 고하중이라고 하는 건 톤단위의 하중을 의미하며, 볼 베어링이라 하더라도 몇 톤 정도의 하중은 충분히 버텨낸다. 공장이나 건설현장이 아니고서야 이런 고하중, 고정밀도를 요구하는 곳도 별로 없으므로 결국 일상생활에서 슬리브 베어링 못지 않게 흔히 접할 수 있는 게 이 볼 베어링이다.[3]
전동체로 구체 모양의 볼을 사용하는 구름 베어링(Rolling bearing)의 일종. 슬리브베어링다음으로 흔히 볼 수 있는 베어링으로, 기본적인 구성요소는 외륜, 내륜, 볼, 케이지(혹은 리테이너)로 이루어져 있다. 케이지의 재질은 스틸 케이지와 나일론 케이지가 있다. 주로 중저가형 베어링에는 나일론 케이지가 사용되고, 고가형에는 스틸 케이지가 사용된다. 나일론 케이지는 고속 환경에서는 케이지가 원심력을 받아 조금씩 벌어지다가 결국 외륜에 닿아 갈려 나가면서 수명을 다하게 되는데, 온도가 높을수록 벌어지는 속도도 빨라진다. 스틸 케이지는 분해하면 재조립이 어렵지만, 나일론은 재조립이 쉽다. 두개의 링 사이에 볼이 들어가 있어서 링과 볼은 주로 선 접촉을 한다. 베어링을 분해 해보면 외륜과 내륜 안쪽이 곡면으로 파여있다. 따라서 정확히는 점 접촉보단 선 접촉에 가깝다. 볼이 윤활유를 대체하여 윤활유가 필요 없는 것으로 착각할 수 있는데, 볼과 케이지 사이에 면 접촉을 하기 때문에 윤활유가 필요 없는 것은 아니다. 실제로 베어링을 구매하여 뚜따를 해보면, 안에 끈적끈적한 구리스가 떡칠되어 있는 것을 볼 수 있다. 물론, 회전운동을 하기 시작하면 윤활유가 케이지와 볼 사이에 유막을 형성하여 물리적으로 심하게 마찰을 일으키진 않는다. 점 접촉을 하는 만큼 구름 저항이 적다. 다만 접촉점이 작아 하중에 영향을 크게 받으므로 고하중에는 어울리지 않으며, 볼과 링이 완벽한 구체가 아니기 때문에 고속에서 진동과 소음이 발생한다. 또한 접점이 점이라는 말은 하중이 그 '점'에 집중적으로 실린다는 뜻이다. 따라서 오래 사용하면 할수록 볼이 링 내부를 점점 갉아먹어서 축이 틀어진다. 특히 링이 일단 긁히고 나면 갈려나가는 속도가 시간이 지날수록 점점 더 가속되므로 분해정비가 어려운 곳에 사용하기는 곤란하다.
그 대신 대량생산하기에 상당히 용이하며 가격도 꽤 싸다. 심지어 슬리브 베어링보다도 싼것도 있다. 그리고 일반적으로 고하중이라고 하는 건 톤단위의 하중을 의미하며, 볼 베어링이라 하더라도 몇 톤 정도의 하중은 충분히 버텨낸다. 공장이나 건설현장이 아니고서야 이런 고하중, 고정밀도를 요구하는 곳도 별로 없으므로 결국 일상생활에서 슬리브 베어링 못지 않게 흔히 접할 수 있는 게 이 볼 베어링이다.[3]
- 롤러 베어링 (Roller bearing)
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전동체로 원통형의 롤러를 사용한다. 구조 자체는 볼 베어링과 큰 차이가 없다. 전동체가 원통형이다보니 선 접촉을 하게 되므로 볼 베어링보다 고하중에 더욱 적합하다. 테이퍼 형상의 롤러가 들어 있는 베어링(아래쪽 사진)도 있는데, 이 베어링은 축에 대해 수직 방향과 수평 방향의 하중을 모두 받아 낼 수 있는 장점이 있다. 발명자는 영국의 시계공 존 해리슨. 경도 측정을 위해 바다 위의 격한 움직임을 이기고 작동하는 시계를 만들기 위해 만들어진 것이 최초. 테이퍼롤러베어링은 1898년 미국의 헨리 팀켄이 발명.
전동체로 원통형의 롤러를 사용한다. 구조 자체는 볼 베어링과 큰 차이가 없다. 전동체가 원통형이다보니 선 접촉을 하게 되므로 볼 베어링보다 고하중에 더욱 적합하다. 테이퍼 형상의 롤러가 들어 있는 베어링(아래쪽 사진)도 있는데, 이 베어링은 축에 대해 수직 방향과 수평 방향의 하중을 모두 받아 낼 수 있는 장점이 있다. 발명자는 영국의 시계공 존 해리슨. 경도 측정을 위해 바다 위의 격한 움직임을 이기고 작동하는 시계를 만들기 위해 만들어진 것이 최초. 테이퍼롤러베어링은 1898년 미국의 헨리 팀켄이 발명.
- 니들 롤러 베어링 (Needle roller bearing)
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롤러 베어링의 일종으로, 비교적 가는 롤러를 사용하여 니들 베어링이란 명칭이 붙었다. 주로 변속기나 자재 이음에 쓰이고 있다. 가는 롤러가 많이 들어가서 접촉면이 넓어지므로 베어링의 크기에 비해 견뎌낼수 있는 하중이 크다. 또한 롤러의 두께가 얇아져서 베어링 자체의 두께도 줄어드는 일석이조의 효과를 누릴 수 있다. 차량용 변속기에 사용되는 것도 이러한 이유 때문. 단, 니들의 구조상 점도가 높은 윤활유나 그리스는 고속에선 사용할 수 없다. 유막간극이 좁아 점도가 높은 윤활유를 사용할 시 프래팅이 생겨 베어링이 급속도로 소손된다.
롤러 베어링의 일종으로, 비교적 가는 롤러를 사용하여 니들 베어링이란 명칭이 붙었다. 주로 변속기나 자재 이음에 쓰이고 있다. 가는 롤러가 많이 들어가서 접촉면이 넓어지므로 베어링의 크기에 비해 견뎌낼수 있는 하중이 크다. 또한 롤러의 두께가 얇아져서 베어링 자체의 두께도 줄어드는 일석이조의 효과를 누릴 수 있다. 차량용 변속기에 사용되는 것도 이러한 이유 때문. 단, 니들의 구조상 점도가 높은 윤활유나 그리스는 고속에선 사용할 수 없다. 유막간극이 좁아 점도가 높은 윤활유를 사용할 시 프래팅이 생겨 베어링이 급속도로 소손된다.
- 슬라이드 베어링 (Sliding bearing)
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미끄럼 베어링, 플레인 베어링(Plain bearing, 평면 베어링)이나 솔리드 베어링(Solid bearing)으로도 불리운다. 생김새를 보면 알겠지만 전동체가 없이 면 접촉을 하게 되어 고하중에 특화되어 있는 베어링이다. 면 접촉으로 마찰력을 줄인다는 것 때문에 저속에서 사용되는 것이라 예상하기 쉬운데 의외로 고속회전에 쓰이는 베어링이다. 다만 충분한 점도의 윤활유가 필요하다는 것이 단점이다. 대표적으로 자동차 엔진 크랭크 샤프트와 커넥팅로드 사이의 회전 운동을 할 때 쓰인다.
면 접촉으로 마찰력을 줄인다고 했지만 정확하게는 다른 베어링들처럼 직접적으로 접촉하지는 않는다. 마찰면에서 빠른 상대 운동이 일어나면 그 사이에 윤활유의 유막이 형성되어 물체간의 직접적인 접촉을 하지 않게 되기 때문이다.[4] 윤활유의 점도에 따라 성능이 달라지는데, 아예 윤활유 대신 접촉면이 흑연 또는 구리와 흑연의 합금으로 된 슬라이드 베어링도 있다. 윤활유를 사용할 수 없을 정도로 고온이 발생하는 장소에 사용한다. 고온에 강하고 고속회전을 잘 버티며 화학약품에 강하다.
미끄럼 베어링, 플레인 베어링(Plain bearing, 평면 베어링)이나 솔리드 베어링(Solid bearing)으로도 불리운다. 생김새를 보면 알겠지만 전동체가 없이 면 접촉을 하게 되어 고하중에 특화되어 있는 베어링이다. 면 접촉으로 마찰력을 줄인다는 것 때문에 저속에서 사용되는 것이라 예상하기 쉬운데 의외로 고속회전에 쓰이는 베어링이다. 다만 충분한 점도의 윤활유가 필요하다는 것이 단점이다. 대표적으로 자동차 엔진 크랭크 샤프트와 커넥팅로드 사이의 회전 운동을 할 때 쓰인다.
면 접촉으로 마찰력을 줄인다고 했지만 정확하게는 다른 베어링들처럼 직접적으로 접촉하지는 않는다. 마찰면에서 빠른 상대 운동이 일어나면 그 사이에 윤활유의 유막이 형성되어 물체간의 직접적인 접촉을 하지 않게 되기 때문이다.[4] 윤활유의 점도에 따라 성능이 달라지는데, 아예 윤활유 대신 접촉면이 흑연 또는 구리와 흑연의 합금으로 된 슬라이드 베어링도 있다. 윤활유를 사용할 수 없을 정도로 고온이 발생하는 장소에 사용한다. 고온에 강하고 고속회전을 잘 버티며 화학약품에 강하다.
3.2. 받는 하중에 따른 분류
- 스러스트 베어링 (Thrust bearing)
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하중이 축의 회전벡터 방향으로 작용할 때 사용하는 베어링이다. 공원에서 손잡이 잡고 둥근 발판에 올라가서 허리를 돌려주는 운동기구를 생각하면될듯. 이 베어링도 볼 타입과 롤러 타입이 있다. 축방향 하중만 지지하며, 고속회전에 부적합하다.
하중이 축의 회전벡터 방향으로 작용할 때 사용하는 베어링이다. 공원에서 손잡이 잡고 둥근 발판에 올라가서 허리를 돌려주는 운동기구를 생각하면될듯. 이 베어링도 볼 타입과 롤러 타입이 있다. 축방향 하중만 지지하며, 고속회전에 부적합하다.
3.3. 기타
- 유체 베어링
말그대로 유체(윤활유)를 이용한 베어링. 유체베어링은 위의 슬라이드 베어링 방식에 축과 슬라이드 베어링 간의 공간을 늘리고 그 공간에 윤활유를 집어넣어 회전운동을 하는 방식이다. 정숙성과 수명이 중시되면서 가격이 비싸 주로 저소음 컴퓨터 쿨링팬 및 하드디스크 스핀들 모터에 쓰인다. 유막 현상 덕에 구성요소 간의 물리적인 접촉이 거의 없기 때문에 수명 내내 축의 틀어짐이 거의 발생하지 않는다.
- 자동 조심 베어링
쉽게 말해서, 자기가 알아서 조심하는 베어링이라 보면 된다. 축 받침과 축이 동심을 이루지 않고 약간 각을 가지게 되어도 축의 운동이 가능한 베어링.
- 기체 베어링
공기베어링, 에어베어링이라고도 불린다. 슬라이드 베어링과 비슷한 구조를 가진다. 다만 윤활유가 아닌 기체가 사용된다는 점이 다르다. 기체의 점도는 윤활유에 비해 엄청나게 작기 때문에 고회전을 가능하게 한다. 게다가 진동도 없고 소음도 매우 작다. 마찰계수가 매우 낮아 에너지 손실이 거의 없다는 것도 장점. 하지만 결국 기체인지라 고하중은 못 버틴다. 또 하나의 단점으로 공기 베어링은 공기압축기로 계속 공기를 불어넣어줘야만 한다. 만약 공기 라인이 끊어지거나 정전이라도 발생하면 고속회전중인 축이 그대로 하우징에 내려앉아버려 강한 마찰력이 작용해 축이 즉시 정지한다. 상황에 따라서는 안전장치가 될 수도 있는 특성.
- 마그네틱 베어링
자기장으로 축을 띄워서 물체간의 마찰을 거의 없다시피하게 만든 베어링이다. 윤활유 같은것도 필요없고 공기의 점성 외에는 어떠한 마찰도 작용하지 않는다. 즉 진공 환경만 조성해주면 이론상으론 한계 없는 초고속회전을 가능하게 한다. 대신 자기장을 사용하기 때문에 축에 수직방향으로 작용하는 외력을 잘 못버틴다는 치명적인 단점이 있다. 이 녀석을 어디에 쓰냐 하면, 플라이휠 에너지 저장소에 사용한다.# Beacon Power사의 플라이휠 저장소는 무려 1.3톤짜리 플라이휠을 5만 rpm에 달하는 속도로 회전시켜 5MWh 에 달하는(20MW 출력으로 15분 백업 가능) 에너지를 저장 가능하다.
4. 제작사
[5]
이 4개의 제작사를 국내에서는 일반적으로 "베어링 4대 메이커"라 부르며 중요한 부분에 들어가는 베어링은 대부분 이 4대 메이커의 제품을 사용한다.[6] 이들 메이커가 널리 선호되는 이유는 품질이 준수하고, 넓은 규격과 정밀도를 커버하며, 국내 유통망 재고도 잘 유지하고 있기 때문이다. 이 4대 메이커 안에서도 SKF는 절대적인 1인자이며, 가격도 제일 비싸다. 가격과 성능 모두 SKF>>>FAG>=NTN=NSK 순으로 평가된다. FAG는 이런 면에서 조금 애매한 위치에 있었으나 중국에 공장이 들어서면서 가격경쟁력이 그나마 생긴 편이다.
그냥 일반적으로 사용되는 보편적인 규격의 제품은 안정적인 품질의 국산 (KBC, GMB 등)을 주로 사용하는데 KBC는 과거 FAG와 기술제휴로 품질이 일제보다 좋고 가격도 일제보다 비싸다.[7] 참고로 베어링 제조사 이름들은 알파벳 3글자의 향연이라 일반인들 보기에는 거의 그놈이 그놈이다. 그러다보니 메이커가 아닌 제조국가를 지정해서 구입하는 경우도 있는데, 베어링은 선진국에서 제조된 저가형 제품도 있기때문에 중요한 부품에는 메이커를 지정하는 게 정신건강에 좋다.
일반적인 4대 메이커는 아니지만 TIMKEN(미국) 제품도 테이퍼롤러베어링의 개발사 답게 테이퍼베어링 쪽으로는 알아준다.
롤러베어링의 일종인 크로스롤러베어링은 위에서 언급된 회사가 아닌 THK(일본), IKO(일본)쪽이 알아준다.
5. 보수 점검
직류기에 사용되는 베어링 종류로는 평베어링, 볼베어링, 롤러베어링 등이 있다. 베어링의 사고의 태반은 베어링 소손이고 베어링 온도, 진동 이상음 등에 대하여 주의 깊게 보수 점검을 해야 사고를 미연에 방지할 수 있다.
5.1. 평베어링의 보수 점검
평베어링은 윤활유를 사이에 두고 회전자를 지지하고 있으며 베어링 사고의 태반은 윤활 불량에 의한 베어링 소손이며, 더욱 기계적 사고중에서 베어링 소손은 큰 비율을 차지한다. 베어링의 윤활은 회전자의 회전에 의해 저널과 베어링 메탈 사이에 생기는 유막으로 지탱하며 유막의 두께는 기름점도, 베어링 하중, 회전속도 이하로 장시간 사용할 때 베어링 메탈의 마모를 일으켜 베어링 소손과 연관되는 일이있으니 주의할 필요가 있다. 원인은 급유가 부족하다거나 윤활유 불량이거나 축전류가 부족할 때이다.
6. 여담
다이아몬드는 부서지지 않는다의 주인공 히가시카타 죠스케가 볼베어링의 볼을 투척무기로 사용한 적이 있다.
메트로 2033(게임)에서는 가내수공업 무기4호 티할 탄환이 볼베어링이다.
[1] 물론 이 경우 합성 사파이어가 쓰인다.[2] 이 경우 흑연은 고체 윤활유로써 기능한다. 샤프심 갈다가 손에 묻으면 미끌거리는 것과 같은 원리이다. 나무 베어링의 경우 리그넘 바이트라는 특수 나무가 사용되며, 선박의 프로펠러축 지지에 쓰인다![3] 일반적으로 바이크의 휠 베어링 정도의 하중은 견뎌내지만, 차량용의 휠 베어링 정도의 하중엔 사용할 수 없다. 차량의 바퀴라는게 평평한 면을 굴러가는것이 아닌, 도로의 요철이나 과속방지턱을 넘는 충격도 견뎌내야 하는데 저런 턱을 넘을 때엔 관성 때문에 설계 하중을 훨씬 뛰어넘는 하중이 순간적으로 걸리기 때문이다.[4] 비 올 때 급제동을 하면 안 되는 것도 같은 원리에서 기인한다. 수막현상 참조.[5] 볼보는 스웨덴 SKF의 지원을 받아 설립한 회사이다. 거기다 그 베어링을 납품받아 자동차를 만드는 게 주 업종이다.[6] 다만 4대 메이커는 주관적인 경우가 있어 사람에 따라 가끔 NSK나 NTN 대신 KOYO 니들베어링에서는 JNS 등이 들어가는 경우도 있다. 보통은 NSK와 NTN으로 정립된다.[7] 다만 잘 나가지 않는 형번의 베어링은 재고관리와 가격경쟁력 문제로 현재 제작 자체를 하지 않고 있다.