기술사 시험 공부 - 베어링 설계시 고려사항

 

문) 베어링 설계시 고려할 사항에 대해서 설명하시오.

 

1. 서론

 

구체적인 용도로 베어링을 사용하기 위해서는 베어링 종류, 정밀도 등급, 윤활제, 밀폐 그리고 기본부하용량(basic load capacity, 동적부하용량)을 선택한다. 베어링의 크기는 보통 필요한 축의 크기와 사용가능한 공간의 영향을 받는다. 또한 베어링은 적합한 수명과 신뢰도의 조합을 제공할 만큼 충분한 부하용량을 가져야 한다.

 

2. 본론

 

베어링을 선정할 때 고려해야 되는 사항들은 다음과 같다.

 

(1) 수명 요구조건

베어링을 사용할 때는 보통 카타로그 등급에 사용되는 수명과는 다른 수명이 요구된다. 볼베어링의 수명은 하중의 약 세제곱에 반비례한다. 많은 제조업자들은 볼베어링의 경우에 지수 3을 사용하고 있고 롤러 베어링의 경우에는 10/3을 쓴다. 그러므로 베어링의 하중을 두배로 증가시키면 수명은 약 10배 줄어든다. 

기술사 시험 공부 - 구름베어링의 계산수명

 

(2) 신뢰도 요구조건

볼베어링의 50% 수명이 표준 10% 피로파손 수명의 약 5배이다(주1 참조). 이 표준 수명은 전동체의 10%가 고장난 상태에 해당되기 때문에 90%가 고장나지 않는 수명을 의미하며 90%신뢰도에 상응한다. 그러므로 50%신뢰도를 위한 수명은 90%신뢰도를 위한 수명의 약 5배이다. 많은 설계들이 90%보다 더 큰 신뢰도를 요구한다.

 

(3) 축하중의 영향

원통 롤러 베어링은 축하중이 롤러의 끝 단에서 미끄럼 마찰을 일으키기 때문에 스러스트 용량이 매우 제한된다. 그럼에도 불구하고 이 베어링이 적절히 정렬되고 레이디얼 하중을 받으며 그리고 오일로 윤활된다면 레이디얼 하중용량의 20%정도 까지의 스러스트 하중을 지탱할 수 있다. 이는 한 쌍의 원통 롤러 베어링으로 하여금 스퍼 기어나 체인 스프로킷과 같이 가벼운 스러스트 하중을 받는 축을 지지할 수 있게 해준다. 물론 테이퍼 롤러 베어링은 레이디얼 하중뿐만 아니라 상당한 양의 스러스트 하중을 지탱할 수 있다.

 

(4) 쇼크 하중

표준 베어링의 기본부하용량 등급은 충격이 없는 균일한 하중조건에서의 값이다. 이러한 이상적인 조건은 몇몇 기계들(벨트로 구동되는 전기 송풍기의 모터와 회전축)에서는 적용가능하지만 다른 기계들은 여러 다른 정도의 쇼크하중을 가지고 있다.

 

(5) 회전하지 않는 베어링에 작용하는 하중

만약에 회전하지 않을 때 베어링에 큰 하중을 받고 있다면 베어링의 정적부하용량(베어링 제조업자의 카탈로그에 나와 있음)이 초과되지 않도록 해야 한다. 그렇지 않으면 볼과 롤러가 궤도륜을 약간 움푹들어가게 할 수 있기 때문이다. 이것을 브리넬링이라고 하는데 그 이유는 결과적으로 생긴 자국이 브리넬 경도 시험기에 의해 만들어진 자국과 유사하기 때문이다. 이 자국들은 베어링 회전시에 소음을 발생시킨다. 소음발생이 문제되지 않는다면 정적용량은 종종 3배까지 초과될 수도 있다.

 

(6) 최고속도

제약 조건은 회전속도보다는 선형 표면속도이다. 그러므로 작은 베어링은 큰 베어링보다 더 높은 회전수에서 작동이 가능하다. 고속베어링을 사용할 때 윤활은 특히 중요하며 윤활제는 고운 오일 연무(mist)나 스프레이가 좋다. 베어링을 선정할 때 위에서 언급한 사항들을 체계적으로 고려해야 한다. 최적의 베어링을 선정하는 과정은 설계자의 생각으로부터 창의적으로 결정된다.

 

상기 몇가지 항목외에도 외력의 선정, 윤활제와 윤활주기의 결정, 유지보수성과 끼워맞춤 등에 대한 고려가 필요하다. 

 

3. 결론

 

베어링을 선정할 때는 특히 다음의 2가지 조건은 반드시 만족시켜야 한다.

1) 기계의 사용조건, 베어링에 대한 요구조건이 완전히 만족될 것

2) 보수, 점검이 용이하고 베어링의 입수 및 교환이 용이하며 경제적으로 유리할 것

 

이것 외에도 베어링을 선택할 때는 오정렬의 가능성, 밀봉 및 윤활에도 주의를 기울여야 한다. 또한 온도가 지나치게 높은 경우, 제조업자와 상의하여야 한다. (주2 참조)

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주) 참고문헌: 0. donghoonc blog 등

 

주1) 표준 베어링 수명(L10 수명)은 전체 베어링중 10%가 피로파손되는 시점의 수명을 의미한다. 즉, 90%는 아직 멀쩡한 상태로 90%신뢰도 수명이라고 부른다. 통계적으로 보면 전체 베어링의 50%가 고장나는 시점(L50수명)은 L10수명의 약5배정도가 길다. 따라서 50% 신뢰도(=중앙값 수명)을 기준으로 설계하면 90% 신뢰도 기준보다 훨씬 더 긴 수명을 요구하게 된다.

 

주2) 베어링의 수명계산을 통해 적절한 베어링을 선정하였음에도 현장에서는 알 수 없는 소음에 시달리기도 한다.

 

 

 

2026.1.15.

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