기계 설계: 미끄럼 베어링(1)

기계에서 회전하는 축을 지지하는 기계요소를 베어 ㅇ이라고 하고, 베어링으로 지지가 되는 축 부분을 저널이라 한다. 베어링을 접촉형식과 작용하중에 따라 분류할 수 있다. 베어링은 축과 짝을 이루어 회전 시 마찰로 인해 열이 발생하기 때문에 설계할 때 재료의 선택과 구조, 그리고 윤활에 유의하여야 한다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 상대운동을 하는 두 접촉면에서 발생하는 마찰, 마멸과 윤활을 대상으로 한 트라이볼로지의 연구가 활발히 진행되고 있다. 미끄럼 베어링은 규격화되어 있지 않으므로 베어링의 치수를 계산하여 자체 제작하거나 주문 제작하여야 한다. 미끄럼 베어링의 안지름과 폭이 미끄럼 베어링으로 지지가 되는 저널의 치수와 거의 같으므로 저널의 치수를 계산하여 미끄럼 베어링의 치수로 정한다. 저널의 치수는 베어링의 작용압력, 저널의 강도 및 저널과 베어링 사이의 마찰열을 고려하여 결정한다. 축이 회전함에 따라 저널과 베어링이 미끄럼 접촉으로 발생한 열의 일부는 자연 발산되고 나머지 열은 축적되어 베어링이 타서 붙는 현상이 발생하므로 이를 방지하기 위해 윤활제를 공급하여 냉각과 윤활을 하여야 한다. 또한 축이 회전함에 따라 형성되는 윤활유의 압력은 축에 작용하는 하중을 지지하는 역할을 한다. 베어링의 윤활에 의하여 형성되는 압력은 축의 회전속도와 저널과 베어링의 접촉 위치에 따라 다르므로 미끄럼 베어링 설계에서는 베어링에 작용하는 평균압력을 베어링압력이라 하여 사용한다. 이 베어링압력이 너무 크면 베어링과 저널 사이의 유막이 파손되어 경계윤활이 되므로 제한되어야 한다. 그 허용값은 축의 회전속도, 축과 베어링 재질, 윤활제의 종류, 급유 방법 등에 따라 다르며, 일반적으로 쓰이고 있는 허용 베어링압력이 존재한다. 레이디 얼 저널에 작용하는 하중을 지지하는 미끄럼 베어링에서 발생하는 압력은 접촉면의 위치에 따라 다르고, 베어링의 하반부 중앙에서 최대압력이 발생한다. 스러스트킥 저널에서는 굽힘강도는 생각할 필요가 없으며, 다만 베어링압력과 마찰열의 두 가지 측면에서 설계하여야 한다. 피벗 저널의 경우에서는 축이 설치된 초기에는 베어링압력이 균일하지만, 얼마 동안 운전한 후에는 베어링과 저널의 미끄럼 속도 차이로 인한 마멸의 차이가 생겨서 압력이 중심 부위에서 높고 바깥쪽으로 갈수록 낮아진다. 따라서 중심 부위는 높은 압박하게 유막이 파손되고, 축이 마멸되어 나붙는 현상이 생기므로 중심 부위를 오목하게 품을 파던지 컬러 저널로 만들어야 한다. 축에 직접 접촉하여 미끄럼면이 되는 금속을 베어링 메탈이라 한다. 그러나 축의 회전속도와 하중이 작은 간단한 베어링에서는 별도의 베어링 메탈 없이 베어링 모체 자체가 베어링 메탈의 역할을 하는 것도 있다. 그러나 마찰을 적게 하고 마멸되었을 때 수리와 교환이 용이하도록 베어링 몸체에 베어링 메탈을 끼워 저널과 직접 접촉하도록 한다. 베어링 메탈을 원통형(이것을 베어링 부시라고 한다)으로 만들면 제작비는 싸게 되나 마멸되었을 때 교환과 수리가 불가능하다. 베어링 메탈에는 베어링압력이 가장 낮은 곳에 급유 구멍을 마련하고 저널의 전체표면에 유막(oil film)을 형성하기 위하여 베어링 메탈 내면에 기름 홈을 만든다. 또 화이트 메탈(white metal)과 같이 강도가 약한 재료에서는 청동, 주철, 주장 등을 백 메탈(back metal)로 하고 화이트 메탈을 라이닝(lining) 하여 베어링 메탈로 만든다. 베어링 메탈의 마멸을 조정하기 위하여 분할 부시 사이에 얇은 황 동판(liner 또는 shim)을 여러 장 삽입하여 판의 두께를 가감함으로써 저널과의 끼워 맞춤을 적절히 조절한다. 베어링 메탈은 회전하는 축과 직접 접촉하는 부분이므로 타서 붙는 현상이 생기지 않으려면 운전 중 저널 표면에 유막을 형성하여 마찰 마멸이 억제되도록 해야 한다. 베어링 메탈의 구비 조건은 다음과 같다.

하중이 견딜 수 있도록 충분한 강도와 강성을 가져야 한다.

붙임성이 좋아서 유막 형성이 쉬워야 한다.

마찰 마멸이 적어야 한다.

연 전도율이 높아야 한다.

내식성과 피로강도가 커야 한다.

나붙지 않아야 한다.

제작과 수리가 쉽고, 값이 싸야 한다. 

이와 같은 조건을 모두 만족시킬 수 있는 베어링 메탈은 별로 없기 때문에 베어링에 가해지는 하중의 성질, 축의 재료, 속도, 정밀도, 사용 장소, 윤활 방법 등에 따라 사용자가 선정하여야 한다. 일반적으로 베어링 메탈은 종래에는 금속 재료가 주류를 이루고 있었으나 최근에는 비금속 재료도 상당 부분 활용되고 있다. 베어링의 윤활은 마찰과 마멸을 억제하고 베어링 표면에 녹스는 것을 방지하며 방진에도 유효한 역할을 한다. 또 베어링 내의 냉각과 방열 작용을 하여 균일한 부하 상태로 만들어 수명연장에 큰 영향을 준다. 수직력이 작용하는 두 접촉면에서 미끄럼이 있을 때 마찰저항력이 발생하며 이들 사이의 관계를 나타낸다. 마찰의 본질에 관해서는 여러 이론이 있으나, 그 어느 것도 마찰 현상을 완벽하게 설명하지 못하며 부분적 이론에 지나지 않는다. 고체마찰은 건조마찰이라고도 하며, 접촉이면 사이에 윤활제의 공급이 없는 경우의 마찰상태이다. 마찰저항력이 크고 마모와 발열을 일으키므로 베어링에서는 절대로 존재해서는 안 될 마찰상태이다. 유체마찰은 두 접촉면 사이에 완전 유막이 형성되어 있는 경우의 마찰상태이다. 마찰저항력은 윤활유의 점성에 관련되므로 마찰저항력이 작아 베어링에서는 바람직한 마찰상태이다.