1 개요
회전축과 축의 지지대 사이의 마찰을 줄여주는 기계요소.
기본적으로 마찰에 지속적으로 노출되는 기계요소인지라 철제 제품의 경우 경도가 매우 뛰어난 베어링강이라는 특수한 전용 강재를 재료로 사용한다. 철이 아닌 재료로 가면 베릴륨이나 사파이어[1] 같은 재료도 사용하며 의외로 흑연같이 마찰에 약할 것 같은 재료도[2] 사용한다. 그리고 구리스는 베어링의 필수요소 취급. 구리스 없이 돌아가는 베어링도 있으므로 진짜 필수요소는 아니지만 일상생활에서 볼 수 있는 대부분의 베어링이 구리스 없이는 고자가 된다. 윤활유 없이 사용되는 베어링의 경우 마모에 강하고 마찰계수가 낮은 합성루비나 세라믹 계열이 많이 사용된다. 세라믹 베어링은 지르코니아나 실리콘 니트라이드(Si3N4) 재질이 많이 사용되는 편.
2 원리
상대운동하는 물체간 마찰력을 줄여 운동을 원활하게 한다. 공이나 원통 형태의 베어링이 직접 움직이는 경우도 있고 내마모성이 우수하고 비교적 마찰계수가 적은 재질로 된 고정 베어링도 있다.
3 종류
3.1 전동체에 따른 분류
- 볼 베어링 (Ball bearing)
- 전동체로 구체 모양의 볼을 사용하는 구름 베어링(Rolling bearing)의 일종. 가장 흔히 볼 수 있는 베어링으로 두개의 링 사이에 볼이 들어가 있어서 링과 점 접촉을 한다. 점 접촉을 하는 만큼 구름 저항이 적다. 다만 접촉점이 작아 하중에 영향을 크게 받으므로 고하중에는 어울리지 않으며, 고속에서 진동과 소음이 발생한다. 오래 사용하면 할수록 볼이 링 내부를 점점 갉아먹어서 축이 틀어진다. 특히 그 갈려나가는 속도가 시간이 지날수록 점점 더 가속되므로 분해정비가 어려운 곳에 사용하기는 곤란하다.
- 그 대신 볼 베어링은 대량생산하기에 상당히 용이하며 가격도 꽤 싸다. 그리고 일반적으로 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 가장 흔하게 접할 수 있는 게 이 볼 베어링이다.
- 롤러 베어링 (Roller bearing)
- 국내에서는 원통 베어링이라고도 부르며, 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 영국의 시계공 존 해리슨. 경도 측정을 위해 바다 위의 격한 움직임을 이기고 작동하는 시계를 만들기 위해 만들어진 것이 최초. 테이퍼롤러베어링은 1898년 미국의 헨리 팀켄이 발명.
- 니들 롤러 베어링 (Needle roller bearing)
- 롤러 베어링의 일종으로, 비교적 가는 롤러를 사용하여 니들 베어링이란 명칭이 붙었다. 주로 변속기나 자재 이음에 쓰이고 있다.
- 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 막이 생겨 물체간의 직접적인 접촉을 하지 않게 되기 때문. 윤활유의 점도에 따라 성능이 달라진다. 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.
3.2 받는 하중에 따른 분류
- 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.
3.3 기타
- 유체 베어링
- 말그대로 유체(윤활유)를 이용한 베어링. 유체베어링은 위의 슬라이드 베어링 방식에 축과 슬라이드 베어링 간의 공간을 늘리고 그 공간에 윤활유를 집어넣어 회전운동을 하는 방식이다. 정숙성과 수명이 중시되면서 가격이 비싸 주로 저소음 컴퓨터 쿨링팬 및 하드디스크 스핀들 모터에 쓰인다. 유체를 사용하기 때문에 수명 내내 축의 틀어짐이 거의 발생하지 않는다.
- 자동 조심 베어링
- 축 받침과 축이 동심을 이루지 않고 약간 각을 가지게 되어도 축의 운동이 가능한 신박한 베어링.
살살 움직여서 조심 베어링이 아니다!
- 공기 베어링
- 슬라이드 베어링과 비슷한 구조를 가진다. 다만 윤활유가 아닌 공기 또는 다른 기체가 사용된다는 점이 다르다. 기체의 점도는 윤활유에 비해 엄청나게 작기 때문에 고회전을 가능하게 한다. 게다가 진동도 없고 소음도 매우 작다. 마찰계수가 매우 낮아 에너지 손실이 거의 없다는 것도 장점. 하지만 역시 공기인지라 고하중은 못 버틴다.
- 또 하나의 단점으로 공기 베어링은 공기 압축기로 계속 공기를 불어넣어줘야만 한다. 만약 공기 라인이 끊어지거나 정전이라도 발생하면 고속회전중인 축이 그대로 하우징에 내려앉아버려 강한 마찰력이 작용해 축이 즉시 정지한다. 상황에 따라서는 안전장치가 될 수도 있는 특성.
- 마그네틱 베어링
- 말그대로 자기장으로 축을 띄워서! 물체간의 마찰을 거의 없다시피하게 만든 베어링이다. 마찰은 공기의 점성 뿐이며, 진공에서 작동하면 더 이상의 자세한 설명은 생략한다 덕분에 엄청난 고속회전을 가능하게 한다. 자기장을 사용하기 때문에 축에 수직방향으로 작용하는 외력을 잘 못버틴다. 단점 덩어리 같은 이 녀석을 어디에 쓰냐 하면, [1] 플라이휠 에너지 저장소에 사용한다. Beacon Power사의 플라이휠 저장소는 무려 1.3톤짜리 플라이휠을 5만 rpm에 달하는 속도로 회전시켜 5MWh 에 달하는(20MW 출력으로 15분 백업 가능) 에너지를 저장 가능하다.
4 제작사
- SKF(스웨덴)
- FAG(독일)
- NTN(일본)
- NSK(일본)
이 4개의 제작사를 국내에서는 일반적으로 "베어링 4대 메이커"라 부르며 중요한 부분에 들어가는 베어링은 거의 무조건적으로 이 4대 메이커의 제품을 사용한다.[3] 이 4대 메이커 안에서도 SKF는 절대적인 1인자이며, 가격도 제일 비싸다. 가격과 성능 모두 SKF>>>FAG>=NTN=NSK 순으로 평가된다. FAG는 이런 면에서 조금 애매한 위치에 있었으나 중국에 공장이 들어서면서 가격경쟁력이 그나마 생긴 편이다. 그냥 왠만하게 중요한 부품의 경우는 주로 NTN이나 NSK 제품을 쓰는 듯. 중요한 부품 외에는 저렴하고 안정적인 국산 물품(KBC, GMB 등)을 주로 사용한다. 참고로 베어링 제조사 이름들은 알파벳 3글자의 향연이라 일반인들 보기에는 거의 그놈이 그놈이다. 그러다보니 메이커가 아닌 제조국가를 지정해서 구입하는 경우도 있는데, 베어링은 선진국에서 제조된 염가품도 있기때문에 중요한 부품에는 메이커를 지정하는게 정신건강에 좋다.
일반적인 4대 메이커는 아니지만 *TIMKEN(미국) 제품도 테이퍼롤러베어링의 개발사 답게 테이퍼베어링 쪽으로는 알아준다.
5 보수점검
직류기에 사용되는 베어링 종류로는 평베어링,보올로올러베어링이 있다. 베어링의 사고의 태반은 베어링 소손이고 베어린 온도, 진동 이상음 등에 대하여 주의깊에 보수정검을 해야 사고를 미연에 방지할 수가 있다.