베어링 종류 (볼 베어링, 롤러 베어링, 니들 롤러 베어링)

목차

1. 개요

2. 원리

3. 종류

 

1. 개요

회전축과 축의 지지대 사이의 마찰을 줄여주는 기계요소이다.

기본적으로 마찰에 지속적으로 노출되는 부품인지라 철제 제품의 경우 경도, 정확히는 내마모성이 매우 뛰어난 베어링강이라는 특수한 전용 강재가 재료로 사용된다. 베어링강도 목적에 따라 수많은 종류가 있으며, 52100(SUJ2) 등 주변에서 흔히 볼 수 있는 베어링에 쓰이는 평범한 저크롬 고탄소강부터 미국 Crucible社의 154CM이나 Carpenter社의 BG42처럼 제트 엔진과 같은 고온의 환경에서도 부식되지 않고 성능도 유지되어야 하는 특수한 베어링에 쓰이는 고가의 스테인리스 베어링강도 있다.

철이 아닌 재료로 가면 베릴륨이나 사파이어 같은 재료도 사용되며, 의외로 흑연이나 나무같이 마찰에 약할 것 같은 재료도 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 질화 규소(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

  1) 슬리브 베어링 (Sleeve bearing)

가장 일반적이며 흔히 볼 수 있는 형태의 베어링이다. 대부분의 DC 모터에서 흔히 볼 수 있는 베어링이다. 믹서기, 선풍기 모터 등에도 대부분 이 베어링이 들어간다. 단순히 축을 잡아주는 원통에 윤활유가 칠해진 형태로, 다른 베어링들과의 차이점은 축과 직접적인 마찰을 한다는 점이다. 이 때문에 사용할수록 마모되면서 베어링과 축이 마모되어 유격이 생기고, 유격이 커질수록 회전 저항도 심해지고 소음과 진동이 생기며 유격이 벌어지는 속도는 기하급수적으로 빨라지게 된다. 이 때문에 수명도 짧은 편이다. 오랫동안 사용한 DC 모터에서 진동이나 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)

전동체로 구체 모양의 볼을 사용하는 구름 베어링(Rolling bearing)의 일종. 슬리브 베어링다음으로 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 탄성이 좋기에 재조립이 쉽다. 두 개의 링 사이에 볼이 들어가 있어서 링과 볼은 주로 점 접촉을 한다. 베어링을 분해 해보면 외륜과 내륜 안쪽이 곡면으로 파여있다. 따라서 정확히는 선 접촉보단 점 접촉에 가깝다. 볼이 윤활유를 대체하여 윤활유가 필요 없는 것으로 착각할 수 있는데, 윤활유가 없으면 볼이 케이싱을 긁어서 급속도로 마모되므로 윤활유가 사용된다. 때문에 자전거 등의 베어링을 따서 보면 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 슬리브 베어링에 비해 구름 저항이 적지만, 접촉점이 작아 하중에 영향을 크게 받으므로 고하중을 받는 축에 사용하기에는 적합하지 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 싼 것도 있다. 그리고 일반적으로 이런 산업기기에서 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] 그러다 보니 보통 다른 베어링은 자체제작하는 경우가 많지만, 볼베어링은 표준형 양산품을 구매하게 된다.
워낙 흔한 장치라서 볼베어링용 쇠구슬은 인터넷 오픈마켓은 물론이고 아무 철물점에서나 대량으로 구할 수 있는데, 크기도 적당하고 내구성도 좋기 때문에 사제 총기용 탄환으로 악용되는 경우가 많다. 사실 특이하다고 할 수도 없는 것이, 강선이 없는 전장식 총이 일반적일 때의 탄환은 볼 베어링과 비슷한 납구슬 형태였고, 산탄총은 지금도 탄환이 구슬 형태다.

 

·        롤러 베어링 (Roller bearing)
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 18세기 영국의 시계공 존 해리슨. 경도 측정을 위해 바다 위의 격한 움직임을 이기고 작동하는 시계인 크로노미터를 만들기 위해 만들어진 것이 최초. 테이퍼 롤러 베어링은 1898년 미국의 헨리 팀켄이 발명.

 

·        니들 롤러 베어링 (Needle roller bearing)
롤러 베어링의 일종으로, 바늘처럼 가는 롤러를 사용하여 니들 베어링이란 명칭이 붙었다. 주로 변속기나 자재 이음에 쓰이고 있다. 가는 롤러가 많이 들어가서 접촉면이 넓어지므로 베어링의 크기에 비해 견뎌낼 수 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 구조 상 고속회전을 하는 베어링에는 점도가 높은 윤활유나 그리스를 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. 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. 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.

 

·        스러스트 베어링 (Thrust bearing)
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.