레이디얼 베어링 해설: 유형, 적용, 성능

레이디얼 베어링이란?

레이디얼 베어링(radial bearing)은 주로 레이디얼 하중(radial loads)을 지지하는 데 사용되는 롤링 엘리먼트 베어링(rolling-element bearing) 유형입니다. 대표적인 레이디얼 베어링 유형으로는 딥 그루브 볼 베어링(deep groove ball bearings), 니들 베어링(needle bearings), 원통형 롤러 베어링(cylindrical roller bearings)이 있습니다. 롤링 엘리먼트 베어링이란 무엇일까요? 롤링 엘리먼트 베어링은 베어링이 지지할 하중 유형에 따라 레이디얼 베어링, 앵귤러 컨택트 베어링(angular contact bearings), 스러스트 베어링(thrust bearings)으로 세분됩니다.

롤링 엘리먼트 베어링은 낮은 회전 마찰로 작동하여 액슬(axles)에 적합합니다. 자전거처럼 비교적 가벼운 하중을 지지할 때는 볼 베어링이 널리 사용됩니다. 반면 더 무거운 하중을 지지하거나 코너링 시 하중이 크게 영향을 받을 때는 테이퍼 롤러 베어링(tapered roller bearing)이 선호되며, 예를 들어 트럭에 사용됩니다. 수직 샤프트 응용 같은 축방향 하중(axial loads)을 지지할 때는 스러스트 베어링이 선호됩니다. 대표적인 스러스트 베어링 스타일로는 스러스트 볼 베어링, 원통형 롤러 스러스트 베어링, 구면 롤러 스러스트 베어링, 테이퍼 롤러 스러스트 베어링이 있습니다.

저마찰이 요구되는 일부 중장비 용도에서는 롤링 엘리먼트가 없는 구조인 정압 베어링(hydrostatic bearings)과 자기 베어링(magnetic bearings)도 인기 있게 사용됩니다. 일부 조건에서 레이디얼 베어링이 제한적인 스러스트 하중을 지지할 수 있지만, 이름에서 알 수 있듯 레이디얼 베어링의 주된 용도는 레이디얼 응용입니다.

레이디얼 베어링 사용 시 고려사항

언급했듯 레이디얼 베어링은 작동 중 낮은 마찰을 생성합니다. 이러한 레이디얼 베어링은 공칭 최대 하중과 고성능으로 임무를 완수합니다. 가능한 한 긴 수명을 위해 베어링은 오일과 그리스 같은 윤활제로 적절히 윤활되어야 합니다.

적절한 윤활제는 특정 레이디얼 베어링에 적합한 최소 동점도(minimum dynamic viscosity) 이상이어야 합니다. 윤활은 오일을 포함할 수 있으며, 오일은 공칭 최대 하중 이상의 하중을 허용하는 이점이 있습니다. 그러나 오일은 베어링 내에서 다른 방법으로 유지되어야 하며, 그렇지 않으면 레이디얼 베어링 작동이 일반적으로 이 유형의 윤활제를 소진하는 경향이 있습니다.

오일을 윤활 요소로 사용하는 것은 기계적 작동을 상대적으로 낮은 온도(오일이 50°C를 넘지 않는)에서 수행하는 용도에 적합합니다. 이러한 조건에서 오일은 1년에 한 번 정기 교체해야 합니다. 오일이 50°C 이상 100°C 미만으로 뜨거워지는 용도에서는 오일을 1년에 4회 교체해야 합니다. 또한 차량 엔진에서는 윤활유가 100°C가 되므로 엔진은 오일 필터를 장착하여 액세서리 도움으로 오일 품질을 유지하며, 오일을 레이디얼 베어링보다 덜 자주 교체할 수 있습니다.

레이디얼 베어링이 진동 하에서 사용되는 경우 오일이 윤활제로 이상적입니다. 그리스가 윤활제로 필요할 때는 더 높은 블리딩 속도(bleeding speed)와 더 낮은 베이스 오일 점도를 가진 그리스를 사용하는 것이 권장됩니다. 또한 그리스 윤활을 적용할 때 조성이 작동 중 생성되는 파라미터에 적합해야 합니다.

레이디얼 베어링의 종류

레이디얼 베어링은 기본적으로 딥 그루브 볼 베어링, 니들 베어링, 원통형 롤러 베어링의 세 가지 롤링 엘리먼트 베어링 유형으로 나뉩니다. 롤링 베어링은 베어링 링(races) 사이에 볼이나 롤러를 배치하여 경하중부터 중하중까지 다양한 하중을 지지하고 전달합니다. 베어링 링은 레이스(races)라고도 부릅니다. 베어링 링 간의 상대 운동은 볼이나 롤러가 적은 저항으로 회전하게 합니다.

● 딥 그루브 볼 베어링(Deep Groove Ball Bearing):

레이디얼 베어링의 딥 그루브 설계는 가장 일반적이고 고전적인 스타일입니다. 볼 베어링은 볼을 사용하여 링 간의 분리를 유지합니다. 베어링은 스테인리스강, 실리콘 나이트라이드, 크롬 강철 등 다양한 소재로 만들 수 있습니다. 대부분의 볼 베어링은 롤링 엘리먼트와 레이스 간의 접촉 면적이 작고 크기가 작아 다른 롤링 베어링에 비해 상대적으로 낮은 하중 용량을 가집니다. 그러나 내부 및 외부 링의 정렬 불량(misalignment)을 허용할 수 있습니다.

딥 그루브 볼 레이디얼 베어링에서 베어링 링의 치수는 그 안에서 작동하는 볼의 치수와 매우 유사합니다. 딥 그루브 볼 베어링은 얕은 그루브 타입보다 더 무거운 하중을 허용하며, 앵귤러 컨택트 베어링처럼 레이디얼 및 액시얼 하중 모두에 사용할 수 있습니다. 그러나 레이디얼 베어링의 딥 그루브 스타일은 하중 용량의 접촉 각도 선택지가 부족합니다.

딥 그루브 볼 베어링은 회전 마찰을 효과적으로 줄입니다. 한 레이스는 고정되고 다른 레이스는 샤프트나 허브에 부착됩니다. 볼은 서로 미끄러지는 표면 배열보다 훨씬 낮은 저항을 제공합니다.

● 원통형 롤러 베어링(Cylindrical Roller Bearings):

롤러 베어링은 일반적으로 직경보다 치수가 더 큰 실린더를 사용합니다. 대부분의 롤러 베어링은 레이디얼 하중에서 볼 타입 롤링 베어링보다 더 높은 하중 용량을 가지는 경향이 있습니다. 그러나 축방향 하중에서는 상대적으로 높은 마찰과 낮은 하중 용량을 가집니다.

이 유형 레이디얼 베어링의 용량은 내부 및 외부 베어링 링이 정렬 어긋날 때마다 급격히 감소합니다. 모든 종류의 레이디얼 베어링과 마찬가지로 외부 하중은 원통형 롤러 사이에 지속적으로 갱신되고 분배됩니다. 일반적으로 롤러의 절반 미만이 상당한 하중 부분을 지지합니다.

● 니들 롤러 베어링(Needle Roller Bearings):

세 번째 레이디얼 베어링 유형인 니들 롤러 베어링은 롤러 베어링의 특수 스타일입니다. 니들 롤러 베어링 구조에는 길고 매우 가는 원통형 롤러가 작동합니다. 일반적인 롤러 타입 베어링에서 원통형 롤러는 직경보다 약간 더 깁니다. 그러나 이 레이디얼 베어링 유형에서는 니들 롤러가 직경의 최소 4배 이상 깁니다. 또한 표면 회전 마찰을 줄이는 데 효과적이며 레이디얼 하중에 매우 적합합니다.