베어링은 마찰을 줄이기 위해 쓰이는 장치다. 금속 간의 접촉은 많은 양의 마찰을 만들어낸다. 마찰은 금속의 마모 및 파괴를 늘리며, 금속 장치의 성능을 서서히 저하시킨다. 베어링은 두 개의 표면을 활용하여 구름으로써(Roll Over) 장치의 마찰을 줄인다. 베어링은 부드러운 금속 볼 혹은 롤러를 포함하고 있는데, 이들 요소는 매끄러운 내부 및 외부의 금속 표면과 인접해 구른다(Roll). 베어링의 롤러 혹은 볼은 장치를 회전하도록 만든다.
베어링에 작용하는 부하는 반경 방향 부하(Radial Load) 혹은 추력 부하(Thrust Load) 중 하나의 형태를 띤다. 장치에 장착된 베어링의 위치에 따라 반경 방향 부하나 추력 부하 혹은 둘 모두를 볼 수 있다. 예를 들어 자동차 바퀴에 쓰이는 베어링은 반경 방향 부하 및 추력 부하를 모두 지지한다. 차체의 무게가 베어링에 가해짐으로써 반경 방향 부하가, 자동차가 코너를 돌 때마다 추력 부하가 만들어진다.
이 글을 통해 일반적인 베어링 유형과, 각 제품별 부하 특성을 살펴본다.
볼 베어링
볼 베어링은 가장 일반적인 형태의 베어링이다. 반경 방향 부하 및 추력 부하를 모두 처리할 수 있는 베어링이다. 볼 베어링은 깊은 홈 단열(Deep Groove Singlr Row) 베어링 혹은 콘래드 베어링이라고도 알려져 있다.
볼 베어링의 내측 링(Inner Ring)은 회전축에 고정되는 것이 일반적이다. 또 베어링 바깥지름의 홈은 볼의 순환을 보장한다. 외측 링(Outer Ring)은 베어링 하우징 쪽에 장착된다.
볼 베어링은 레이스 내부에 탑재되어있으며, 부하가 가해지면 외륜(Outer Race)에서 볼로, 볼에서 내륜(Inner Race)으로 전해진다.
궤도 홈은 일반적으로 볼 지름의 51.5%에서 53%가량의 곡률 반경을 가지고 있다. 이 중 곡률이 작은 레이스웨이는 높은 구름마찰을 일으킨다. 볼과 레이스웨이가 대부분 일치하기 때문이다(High Conformity). 또 곡률이 높은 레이스웨이는 볼과 레이스의 접촉영역이 작아 장치가 작동하면서 받는 스트레스로 인한 피로수명이라는 문제점이 줄어든다.
볼 베어링의 볼과 외륜 사이의 접점은 굉장히 작다. 베어링이 구 형태를 띠고 있기 때문이다. 접점이 작다는 것은 볼이 부드럽게 회전함을 의미한다.
볼 베어링은 접점이 작기 때문에 베어링의 특정한 지점에서 과도한 부하를 받는다. 이는 변형을 일으키는 원인이 되며, 변형은 베어링을 파괴하고 만다. 볼 베어링이 부하가 작은 응용사례에서 주로 사용되는 이유이다.
스트레이트 롤러 베어링
스트레이트 롤러 베어링(실린더 베어링이라고도 한다)은 원통형 레이스웨이를 통해 작동하며, 저 마찰·높은 반경 방향 부하·빠른 속도 등이 특징이다.
롤러 베어링은 원통 모양을 한 베어링이다. 이 베어링과 레이스 사이의 접촉 지점은 ‘점’이라기보단 ‘선’의 형태를 띤다. 스트레이트 롤러 베어링은 부하가 더 넓은 영역으로 분산되고, 따라서 보다 큰 부하를 처리할 수 있다.
스트레이트 롤러 베어링은 롤러의 지름보다 롤러 길이가 길지 않도록 설계된다. 비뚤어짐(Skew) 현상을 최소화하기 위해서다.
스트레이트 롤러 베어링은 여타 장치보다 축 방향 뜸(Float Axially) 측면에서 자유롭다. 또한 한쪽 링의 양 측면에 롤러 가이드 플랜지를 가지고 있으며, 다른 쪽 링에는 없다. 이로 인해 고온에서 작업을 수행할 때 베어링이 늘어날 수 있다. 고정되어있는 볼 베어링과 함께 사용할 때 중요한 특징이다.
이 베어링에 가이드 플랜지를 장착하면, 가이드 플랜지의 반대쪽 방향에서 오는 추력 부하를 지지할 수 있다. 또한 플랜지를 두 개 탑재하면 두 방향에서의 추력 부하를 감당할 수 있다.
테이퍼 롤러 베어링
테이퍼 롤러 베어링의 링과 롤러는 원뿔 형태를 띤다. 축방향 부하 및 반경 방향 부하를 동시에 지지하기 위해서다. 부하의 비율은 롤러와 베어링 사이의 축의 각도에 따라 달라진다. 축 각도가 커질수록 보다 큰 축방향 부하를 지지할 수 있다.
대부분의 테이퍼 롤러 베어링의 접촉각 범위는 10°에서 16°가량 이다. 보다 높은 추력 부하를 지지하기 위해서는 접촉각이 30° 가량인 제품을 사용한다.
구면 롤러 베어링
구면 롤러 베어링(스페리컬 롤러 베어링)은 2개의 레이스웨이에서 작동하는 2열의 원통(배럴)형 롤러로 구성되어있다. 하나는 내측 링에, 하나는 외측 링 안쪽에 장착되어있다. 이러한 구성을 바탕으로 정렬이 약간 어긋난 상태에서도 베어링을 사용할 수 있다.
구면 롤러는 원통 모양을 하고 있다. 이로 인해 롤러가 레이스웨이와 매우 유사한 형태를 띠게 되며, 따라서 보다 튼튼하고, 높은 부하를 견딜 수 있다.
구면 롤러는 베어링 하우징에 한 쌍이 설치되어있으며, 서로 반대 방향을 보고 있다. 다양한 방향에서 오는 부하를 원활하게 지지하기 위함이다.
니들 롤러 베어링
니들 롤러 베어링은 작은 지름의, 가늘고 긴 원통형 구름 요소를 사용한다.
니들 롤러 베어링은 방사상 공간에 제약이 있는 경우 주로 사용한다. 니들의 지름과 길이 비율은 1대 2.5에서 1대 10정도까지 다양하다.
니들 롤러 베어링은 크기가 작아 정확한 안내가 불가능하며, 큰 마찰 또한 만들기 어렵다. 이러한 특성 탓에 낮은 속도에서 사용하는 경우가 많으며, 진동 운동(Oscillating Motion)등의 응용사례에서 주로 사용한다.
니들 롤러 베어링과 케이지를 함께 사용하면 니들을 원활하게 안내하며, 부하 유지 능력을 높일 수 있다.
추력 베어링
롤러 추력 베어링은 높은 추력 부하를 처리하기 위해 만들어졌다.
추력 베어링은 자동차 트랜스미션에 사용되는 기어에서 찾아볼 수 있다. 기어와 기어 사이, 혹은 하우징과 회전축 사이에서 작용한다. 자동차 트랜스미션의 헬리컬 기어에서 볼 수 있는 각진 기어 이(Angled Teeth)는 높은 추력 부하를 만든다. 이때 롤러 추력 베어링이 롤러 레이스 내에서 미끄러지듯 움직여 접촉하며, 이를 통해 표면 속도 변동(Surface Speed Variation)을 처리한다. 따라서 접촉 영역에 따라 직경이 변화한다.
볼 추력 베어링은 두 개의 홈이 난 판이 있고, 두 판 사이에 볼들이 들어있는 형태를 띠고 있다. 볼과 레이스의 접촉은 미끄러지는 움직임(Sliding Action)을 만들고, 이 움직임은 볼의 원심력에 의해 빠른 속도로 증가한다.
실린더 롤러 추력 베어링의 속도는 반경 방향 베어링 대비 20% 가량밖에 되지 않는다. 볼 추력 베어링의 속도 역시 반경 방향 베어링의 30%에 불과하다.
