베어링

베어링(Bearing)은 회전축을 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 기계요소이다. 베어링과 접촉하고 있는 축 부분을 저널이라고 하며 그 접촉 상태에 따라 미끄럼베어링과 구름베이링의 두 종류로 분류한다.

개요

베어링은 소원하는 운동 방향에 대한 상대 운동을 제한하고 움직이는 부분 사이의 마찰을 줄여주는 기계 부품이다.

베어링은 매끈한 롤러 또는 금속 볼, 롤러 또는 볼이 굴러가는 레이스로 알려진 매끈한 표면의 내륜과 외륜으로 구성된다. 롤러와 볼은 장치의 하중을 감당하면서 장치가 자유롭게 회전할 수 있게 한다.

베어링과 접촉하고 있는 축 부분을 저널이라고 하며 그 접촉상태에 따라 미끄럼 베어링(Sliding bearing)과 구름 베어링(Rolling bearing)으로 분류한다.

베어링은 통상적으로 레이디얼 하중과 액슬 하중을 받으며 레이디얼 하중은 축에 수직으로 작용하고 액슬 하중은 축에 병행으로 작용한다. 베어링의 적용분야에 따라 일부 베어링이 두 가지 하중을 동시에 받는 경우도 있다. 하중이 걸리는 방향에 따라 레이디얼 베어링(Radial bearings), 스러스트 베이링(Thrust bearings)으로 분류한다.

베어링은 용도에 따라 다양한 유형이 있다.

베어링의 종류

미끄럼 베어링

미끄럼 베어링은 베어링이 저널부의 표면을 둘러싸고 있으며 베어링과 저널 사이에는 윤활유가 들어 있다. 미끄럼 베어링은 베어링 메탈(bearing metal), 윤활부, 베이링 하우징(bearing housing)으로 구성되며 베어링 메탈은 접촉면의 마찰을 감소시키고 저널의 마멸을 방지하며 윤활부는 윤활제를 베어링의 접촉면에 공급하여 마멸을 감소시키고 마찰열을 흡수하여 방산하는 역할을 한다. 베어링 하우징은 베어링 메탈을 지지하면서 작용하는 힘을 프레임에 전달한다.

미끄럼 베어링은 레이디얼과 스러스트로 구분하며 레이디얼은 단일체 베어링과 분할 베어링으로 나눈다.

단일체 베어링

분할 베어링 구조

□ 레이디얼 미끄럼 베어링

• 단일체 베어링(Solid bearing) - 간단한 구조로 경하중의 저속용에 적용되며 주로 베어링 하우징에 끼워 고정된 축을 지지하는데 사용된다. 베어링 하우징 상부에는 급유구가 설치되어 있다.
• 분할 베어링(Split bearing) - 본체(body)와 캡(cap)으로 분할 된 구조로 중하중의 고속용에 적용된다. 베어링의 유격조정은 분할 면에 심(shim)을 넣어 적절히 유지하며 내면에는 원활한 윤할을 위해 오일 홈(groove)를 설치하였다.

□ 스러스트 미끄럼 베어링

• 피벗 베어링(pivot bearing) - 피벗 베어링은 절구 베어링이라고도 하며 세워져 있는 축에 의하여 스러스트 하중을 받을 때 사용된다.
• 칼라 베어링(collar bearing) - 칼라 베어링은 수평으로 된 축이 스러스트 하중을 받을 때 사용되는 베어링으로 여러 단의 칼라가 배열되어 있어 베어링의 길이가 길어진다.

미끄럼 베어링은 축 하중을 받고 있으므로 회전 중 유막이 불량한 상태에 처하게 되면 베어링 메탈과 축이 직접 접촉하게 되어 마멸과 소손이 발생한다. 이에 비추어 베어링 재료는 마멸에 적고 면압 강도와 내식성이 커야 하며 녹아 붙음이 어려운 성질을 요구한다. 단, 이와 같은 조건들을 모두 만족하는 재료는 없으므로 가장 가까운 성질을 갖고 있는 금속재료 또는 비금속 재료를 선택 사용한다. 적용가능한 금속재료에는 주철/황동/청동, 화이트 메탈(White metal), 켈밋(Kelmet), 카드뮴 합금, 알루미늄 합금, 오일리스 베어링(oilless bearing)이 있으며 이 중에서 오일리스 베어링은 금속 분말을 가압/소결하여 성형한 뒤 윤활유를 입자사이의 공간에 스며들게 한 베어링이다. 비금속재료에는 흑연, 플라스틱, 고무 등이 있다.

구름 베어링

구름 베어링은 외륜과 내륜 사이에 볼 또는 롤러를 넣어 회전 접촉을 시켜서 마찰을 경감한 베어링을 가리킨다. 외륜, 내륜, 볼 또는 롤러, 케이지(혹은 리테이너)로 구성된다. 여기서 케이지(혹은 리테이너)는 롤러나 볼을 고정시켜주는 역할을 한다.

구름 베어링은 전동체의 형태, 궤도륜, 하중의 방향 등에 따라 많은 종류로 나뉘며 전동체에 따라 볼 베어링과 롤로 베어링으로 나뉜다. 볼 베어링은 주로 트랜스 미션, 종감속 기어, 액슬(차축) 등에, 롤러 베어링은 스티어링, 종감속 기어 등에 이용되고 있다.

• 슬리브 베어링(sleeve bearing) - 회전축을 지지하는 슬리부(부싱)형의 베어링을 가리키며 베어링 주변에 볼이 없이 구리스 같은 윤활유로 마찰을 줄이는 방식이다. 신 제품일 때는 볼 베어링보다 정숙하지만 수명이 짧아 시간이 지날수록 소음이 커진다. 주로 저가제품에 많이 쓰인다.

• 볼 베어링(Ball bearing) - 볼 베어링은 전동체가 볼 형상을 가진 베어링을 가리킨다. 케이지는 주로 스틸 케이지와 나일론 케이지를 사용하며 중저가형에 나일론 케이지를 사용하고 고가형에 스틸 케이지를 사용한다. 볼 베어링은 점접촉을 하기에 하중이 큰 경우에 적용이 어려우며 볼과 링이 완벽한 구체가 아니기에 고속에서 진동과 소음이 크다. 하중이 크다는 의미는 톤 단위의 하중을 의미하며 볼 베어링이라 하더라도 몇 톤 정도의 하중은 충분히 버텨내기에 일상 생활에서 흔히 접할 수 있다.

• 롤러 베어링(Roller bearing) - 롤러 베어링은 전동체가 롤러 형상을 가진 베어링을 가리킨다. 구조는 볼 베어링과 유사하다. 선접촉 방식으로 고하중에 적합하다.

• 니들 롤러 베어링(Needle roller bearing) - 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 크며 롤러의 두께가 얇아져서 베어링 자체의 두께도 엷어진다. 차량용 변속기에 사용되는 것도 이러한 이유이다. 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) - 미끄럼 베어링, 플레인 베어링(Plain bearing, 평면 베어링)이나 솔리드 베어링(Solid bearing)으로도 불리운다. 전동체가 없이 면 접촉을 하며 고하중에 특화되어 있다. 면 접촉으로 마찰력을 줄인다는 것 때문에 저속에서 사용되는 것이라 예상하기 쉬운데 의외로 고속회전에 쓰이는 베어링이며 충분한 점도의 윤활유를 필요로 한다. 대표적으로 자동차 엔진 크랭크 샤프트와 커넥팅로드 사이의 회전 운동을 할 때 쓰인다.

면 접촉은 마찰면에서 빠른 상대 운동이 일어날 때 윤활유의 유막이 형성되어 축과 베어링 사이에 직접적인 접촉은 하지 않으며 윤활유의 점도에 따라 성능이 달라진다. 윤활유 대신 아예 흑연 또는 구리와 흑연의 합금을 사용한 슬라이드 베어링도 있으며 윤활유를 사용할 수 없을 정도의 고온환경에서 사용한다.

기타 베어링

□ 유체 베어링(Fluid bearings) - 볼베어링과 슬리브 베어링의 장점을 조합한 방식의 베어링으로서 축과 베어링 사이에 엷은 유체막으로 하중을 지지한다. 축과 베어링 사이에 직접적인 접촉이 없으며 이에 따라 미끄럼 마찰이 없고 수명이 길다. 단점은 저온에서 정상작동이 어렵다는 점과 기름이 유출되면 더 이상 회전이 불가능하다는 점, 중력현상에 따른 금속 마찰이 있을 수 있다는 점들이다.

회전체의 한 점이 회전중심을 둘러 싸고 안정적으로 돌아갈 수 있다는 특징으로 정밀도와 장수명을 요구하는 하드디스크 모터나 저소음을 요구하는 쿨링팬 등에 쓰인다.

유체 베어링에는 포일 베어링(Foil bearings), Water-lubricated rubber bearings(물 윤활제 고무 베어링), 에어 베어링(Air bearings) 등이 들어 있다.

□ 자기 베어링(Magnetic bearing) - 자기력을 이용하여 자기부상 방식으로 회전축을 지지하는 베어링 종류이다. 마찰이 극히 작고 소음이 적으며 진동이 적다. 윤활이 필요 없으며 진공에서 작동한다. 적산 전력계(watt-hour meters), 플라이 휠 에너지 저장장치(flywheel energy storage), 원심 압축기( centrifugal compressors) 등에 사용된다.

□ 자동조심 베어링(self-aligning bearing) - 자동조심이라는 말은 자동으로 중심을 조정한다는 말이다. 자동조심 베어링은 축이 흔들리거나 축 중심이 많지 않을 때 중심을 자동으로 조정해준다. 축이 하우징에 대하여 경사진 경우와 축의 휨으로 베어링 내륜이 외륜축에 대하여 경사진 경우에 사용된다.

자동조심 베어링에는 2열로 된 볼이 설치되며 외륜에 일반 구체형 궤도가 있고 내륜에 중단이 없는 궤도 홈이 있다.

참고자료

• "Bearing (mechanical)", Wikipedia
• 판금기계설계/베어링,오링, 〈구름베어링과 미끄럼베어링 차이점과 특징(베어링 총정리)〉, 《티스토리》, 2020-02-19
• 한국직업능력교육원, 〈베어링의 모든 것! - 베어링의 원리, 구조, 특징 베어링의 모든 것〉, 《네이버블로그》
• "What are Bearings? Technical Summary for Motion Engineers", Motion Control tips, 2011-10-04

같이 보기

• 회전축

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