장치 다이어트는 선회베어링으로
장치 다이어트는 선회베어링으로
  • 윤진근 기자
  • 승인 2018.03.24 11:58
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복잡한 장비의 설계를 간소화하자
선회베어링을 사용하면 기존에 베어링 두 개가 하던 작업을 한 장치만으로 수행할 수 있다. 장치 간소화를 고려하는 이들에게는 효자가 따로 없다. 하지만 장치에 대해 제대로 알지 못하면 아무리 좋은 장치라도 활용하기 어려운 법. 선회베어링 전문업체인 케이던 베어링이 특징과 설치방법을 상세히 설명한다.

 
선회베어링은 베어링 내부에서 반응적 모멘트(Reactive Moment)를 만들도록 설계된 롤링 구성요소를 포함하고 있다. 반응적 모멘트란 가해지는(전도되는) 모멘트 하중에 반(反)하는 모멘트를 말한다. 반응적인 모멘트를 가지고 있는 선회베어링은 실질적으로 두 개의 베어링이 하던 역할을 한 개의 베어링만으로 수행할 수 있게 만든다. 응용사례에서 필요로 하는 장치의 무게를 줄임은 물론, 전체 장비의 성능을 높일 수도 있다.

공간을 절약하는 것 외에도 선회베어링의 장점은 많다. 대표적으로 선회베어링을 통해 구동장치를 간소화할 수 있다. 베어링의 내륜(Inner Race) 혹은 외륜(Outer Race) 상에서 기어의 톱니를 결합함으로써 장치 부피를 줄이는 것.

선회베어링은 다양한 기능을 수행하며, 여러 가지 형태로 만들 수 있다. 스터브와 함께 사용하거나, 인벌류트 기어를 구현하는 것은 물론, 직선형 혹은 나선형으로 구성할 수도 있으며, 경화 여부 및 연삭 여부를 선택할 수 있다. 

그 종류가 무엇이든, 선회베어링을 원활하게 사용하는 것은 네 가지 요소가 좌우한다. ▲기어의 정적 강도 ▲점식에 대한 저항력 ▲기어 피로 ▲기어와 피니언의 상호작용(혹은 그물망 시스템)이 그것이다.

선회베어링의 압력각은 20。정도인 것이 대부분이다. 선회베어링을 절단하는 장치인 절단기가 20。를 표준으로 삼고 있기 때문. 하지만 14.5°나 25° 등의 특별한 압력각 역시 쓰이고 있다. 

 

장비 설계자들은 일반적으로 부하 능력을 기반으로 선회베어링을 선택하고는 한다(그림 2 참조). 부하 능력을 정한 뒤 기어 톱니의 크기 및 형태를 루이스 방정식을 활용해 선택한다.

저치 형태는 큰 기어에 사용하는 것이 대부분이며, 주로 경제적인 기어 활용을 목적으로 한다. 저치 형태는 링 형태의 구축에 재료가 적게 들며, 장치 절삭 시간 역시 짧다. 

보통 이 형태는 보다 큰 물림률(Contact Ratio)을 통해 부드러운 작동을 보장하지만, 휨강도가 낮은 것이 단점이다.

중심부의 경도가 23Rc 내지 30Rc 가량이라면 허용 휨응력은 34,000psi정도다. 만약 262BHN 내지 302BHN(27Rc 내지 32Rc)이라면 37,000psi의 허용 휨응력을, 29Rc 내지 34Rc는 40,000psi의 허용 휨응력을 달성한다. 하지만 이 응력은 최대 회전력 혹은 스톨 토크 조건에 대한 근사치일 뿐이다. 하중에 충격을 더하면 응력은 보다 커진다.

 

고치(High Tooth)의 표면 압력이 일정할 경우 표면 경도가 최소 55Rc 가량 되는 표면경화(Induction Hardened)된 톱니를 고려해봄직하다. 표면경화 톱니의 예는 굴착기 혹은 통나무 적재기 등에서 찾아볼 수 있다. 빠른 가속 및 감속이 가해지는 장비들이다. 톱니의 패턴 및 경도된 정도가 중요한 역할을 하는 응용사례에서는 뿌리 부분이 경화된 루트 반지름(Root Radius, 표 2 참조) 톱니를 권한다.

백래시
기어에는 백래시를 처리하기 위한 공간(Backlash Room)이 필요하다. 이는 베어링 기어에 있어서도 만고불변의 진리로 통한다. 직경이 크고 중심거리 역시 큰, 따라서 큰 제조공차를 필요로 하는 베어링일수록 백래시 처리가 중요한 역할을 한다. 백래시 공간을 확보할 수 있는 방법 중 하나로는 베어링 기어와 피니언 사이의 중심거리를 조절하는 것이 있다. 이를 통해 보다 큰 기어 크기공차를 얻고, 장치의 수명을 늘리며, 마모에 유연하게 대응할 수 있다. 장기적으로 금전적인 이득을 얻음은 당연한 일이다.

 
설치
베어링 및 기어 장치를 조립 및 설치하는 작업은 깨끗하고 건조하며 조명이 원활한 장소에서 수행되어야 한다. 
베어링 하우징과 접촉하는 표면 및 안내(Pilot) 장치는 도색이 되지 않아야 하고, 이가 빠진 부분·조각·먼지·보풀 등이 없는 깨끗한 상태여야 한다. 아무리 부드러운 재질이라 하더라도 접합할 때 매끈하지 않은, 도드라지는 부분(High Spot)은 생기기 마련이기 때문이다. 용접이 튄 흔적·칼로 베인 자국·표면의 꺼끌꺼끌한 부분 등을 제거해야 하는 이유이기도 하다. 

베어링은 유사시 베어링 표면과 톱니의 마모를 방지하기 위해 아이볼트를 사용해 접점에 파인 홈 혹은 비금속성 고리로부터 들어 올리거나 접합을 풀 수 있어야 한다.

대다수 턴테이블 베어링만이 가지고 있는 경화공정이 있다. 베어링의 바퀴 부분(Raceway)의 특정 지점에 작은 간격(Small Gap)을 두는 것이 그것이다. 이후 간격에 로딩 홀(Loading Hole)을 뚫는다. 

간격(및 베어링 바퀴 부분과 홀에 있는 로드 홀 플러그)은 가능하다면 부하가 최소한으로 가해지는 지점에 위치하는 것이 바람직하다. 

또한 베어링의 바퀴 부분에는 구멍을 뚫거나, 구멍 모양으로 용접해 붙인 로드 홀 플러그를 마련해야 한다.

바퀴가 회전하는(Rotating) 지점에서는 로딩 홀이 모멘트 하중으로 인해 발생하는 최대부하지역과 90° 각도로 홀 및 플러그를 배치한다. 반대로 바퀴가 고정되어있는(즉, 회전하지 않는) 부분에서는 장비 하부 구조와 관련해 가장 가벼운(낮은) 부하가 일어나는 위치에 따라 홀의 위치를 달리 한다.

원활한 내부 하중 분포 및 부드럽고 토크가 낮은 동작을 위해서는 볼트를 조였을 경우에도 베어링이 최대한 둥근 모양을 유지해야 한다. 또한 베어링의 한쪽 바퀴가 다월(Dowel) 접합을 하거나 안내(Pilot)를 수행하는 경우에는 가능한 한 우선적으로 설치한다.

안내를 마친(Unpiloted) 기어 베어링은 기어 백래시 및 피니언 백래시를 확인 및 조절해야 한다. 노란 페인트가 톱니 공간에 칠해졌는지를 살펴보면 기어의 최소 백래시 지점을 확인할 수 있다.

 
베어링 및 기어 장치를 조립 및 설치하는 데에는 몇 가지 주의사항이 필요하다.

1. 결합하는 부품을 전부 베어링에 부착하기 전까지 모든 볼트를 느슨하게 분리해놓는다.

2. 베어링에 적당한 추력 하중(Thrust Load)을 인가하면서 베어링을 회전시키기 위해 필요한 토크를 측정한다. 측정을 마치면 모든 볼트를 볼트 제조업체가 규정한 만큼 조인다. 
이 작업은 여러 과정 중에서도 특히 중요하다. 부적절하게 조여진 볼트에 피로가 가해지면 장치의 고장을 일으킬 수 있으며, 작업자와 장비 모두를 위험에 빠뜨리는 결과를 초래한다.

3. 베어링을 회전시키기 위해 필요한 토크를 다시 한 번 측정한다. 처음 측정한 값보다 더 큰 값이 측정된 경우 베어링이 뒤틀리고(Distorted) 있는 것이다. 원인을 파악하고 문제를 해결해야 한다.

4. 상기 과정을 거친 뒤에는 기어를 장치의 중심에 고정한 채 백래시를 확인하고, 적절한 백래시를 조절하기 위해 피니언을 배치할 차례다. 피니언을 배치함으로써 장치의 중심 부분을 조정하게 된다.

5. 모든 백래시를 확인했다면 작업 조건에 맞추어 그리스로 기어를 코팅한다. 기어가 회전하면서 장치 내의 모든 접촉면에 그리스를 도포할 수 있게 된다.

6. 모든 회전 장치 및 구성요소(무게가 상당한)를 설치한다. 이후 베어링이 자유로이 회전하는지 확인한다. 설치가 부적절한 경우 토크가 과도하게 높거나, 설치 전후에 측정한 결과가 차이를 보일 수 있다.

갈무리
선회베어링은 구동장치를 단순화하기 위한 좋은 해결책이다. 특히 공간의 제약을 받고 있을 때 빛을 발한다. 

설계자들이 응용사례에 적합한 베어링을 선택하고자 할 때에는 기어의 정적 강도·점식에 대한 저항력·기어 피로·기어와 피니언의 상호작용 등을 신중하게 고려해야 한다. 설계에 백래시 공간을 고려해야 함은 두 말할 것도 없다.

선회베어링을 설치하는데 문제가 있다면 베어링 전문 업체, 특히 선회베어링에 특화되어있는 업체에 연락하여 문제를 해결하는 것이 바람직하다.

 


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