요즘 전 세계적으로, 환경에 미치는 영향을 최소화 하기 위해 그린상품에 대한 수요가 증가되고 있다. 이러 추세는 앞으로도 계속될 전망으로, 기계 및 공장들의 생산능력 향상은 큰 도전과제가 될 것이다. JESA SA는 볼베어링과 폴리머컴포넌트의 설계및 제작에 특화된 회사로써, 성능이 향상된 볼베어링을 제작하기 위한 연구를 시작했으며, 다양한 어플리케이션에 대규모로 사용되는 구성요소들과 깊은 관련이 있어, 잠재적인 에너지 절감이 예상된다.
이 프로젝트를 위해, 내부적으로는 이론적 연구가 진행되었으며, 솔류션들은 테스트벤치에서 시험되고, 검증되었다.
프로젝트의 한 과정으로, 스위스의 몇 개 대학들과 고등교육 기관들과의 과학적 협력도 이루어졌다.
볼베어링 마찰의 원인
롤링베어링은 두 물체 사이에 회전력을 전송하며, 최소한의 마찰을 일으키는데, 이는 표면에서 최소한의 슬라이딩을 수행하는 볼베어링 때문이다. 마찰, 열, 마모의 정도가 다른 회전안내장비들에 비해 상당히 제한적이며, 높은 정확성과 적은 소음이 특징이다.
그럼에도 불구하고 몇몇 요소들에 의해 마찰은 발생한다. 이는 최종제품의 고성능에 방해가 되는 열을 발생시키고 에너지 손실을 초래하게 된다.
이런 차원에서, 스탠다드 볼베어링의 성능은 가장 뛰어나며, 많은 어플리케이션에 적합하지만, 정확한 어플리케이션에 대해서는 최상의 선택은 아니다. 종종 어플리케이셔의 적절한 기능에 필요 이상의 마찰을 일으키기도 한다.
JESA SA는 사양에 기초한 베어링을 개발, 제작하여 소비자의 필요를 최대한 충족시키는 방식을 적용하고 있다.
내부 마찰과 구성요소들의 최적화
조인트
실드볼베어링(sealed ball bearing)에서 마찰의 주된 원인은 조인트 내부에서 일어나는 마찰이다. 이는 베어링이 기능을 수행하는데 있어 필수 요소인 청결함을 유지하기 위해 높은 수준의 오염에 노출되기 때문이다.
이러한 요소들은 일반적으로 작동 온도에 따라 NBR, HNBR 또는 FKM과 같은 코팅된 합성 탄성중합체의 종류들로 구성되어 있다.
한 두개 정도의 신축성있는 테두리들이 기밀성을 유지하기 위해 반대편 링 표면에 방사상 또는 축방향 지지 상태로 존재한다. 생산성 향상을 위해 최상의 솔루션과 동일한 도장과 마찰 사이의 프리스트레싱 최적화에 관한 연구에서, 향상된 설계로 제작된 씰을 사용함으로써 마찰을 50%까지 감소시킬 수 있었다. 특별한 표면 처리는 마찰을 감소시키고 자재의 마찰계수를 감소시키는데 필수적이다.
최적화의 또다른 영역은 베어링과 접촉하는 금속 표면의 거칠기 이다. 충분한 공간이 있을 경우, 접합이 제대로 이루어지지 않은 씰과 조인트를 대체하는 것이 가능해 지는데, 이는 에너지 손실을 줄이는데 상당한 도움을 준다.
그림 1: 마찰이 없는 더블조인트
베어링 접촉부분에서 윤활유의 전단
윤활유의 주요역할은 박막을 형성하여 링과 볼의 금속표면을 분리시켜, 금속끼리의 마찰을 예방하여 표면의 거칠어짐과 충둘을 막는다. 이는 제품의 성능향상과 수명연장에 주요 역할을 담당한다. 가장 흔하게 쓰이는 윤활처리방식은 라이프타임 윤활 로써 구현이 용이하나, 윤활유의 양을 계산해야 한다.
그림2: 윤활유가 첨가된 볼과 링의 표면 이 방식에서는 종종 표면의 접촉이 가능하다.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 140]
윤활유 막의 두께를 최적화하기 위해서는 베이스오일의 종류와 점도의 선택은 아주 중요하다. 점도가 높은 경우 마찰 증가와 온도 상승의 원인이 되며, 점도가 낮은 경우 혼합된 형태의 마찰이 발생하고, 표면이 거칠어지면서 제한된 충돌이 발생하는데, 이는 에너지 손실과 베어링의 수명의 줄이는 원인이 된다. 모든 종류의 도포를 동시에 만족시키는 윤활유는 존재하지 않는다. 도포의 정도에 맞게 정확히 측정된 윤활유는 윤활유 막의 두께를 최적화 시키고, 따라서 마찰을 감소시키며, 베어링의 수명을 연장시킨다.
그림 3: 세가지 다른 종류의 마찰을 나타내는 스트라이벡 곡선
표면 거칠기 정도, 부하에 따라 생성된 윤활유 막의 최소 두께, 상대속도 및 윤활제의 특성과 기하학적 구조, 온도 등을 고려하여 윤활작업의 기본적인 틀을 계산해 볼 수 있다.
- Λ = 막 두께의 매개변수
- h min = 형성된 윤활유 막의 최소두께[mm]
- Sr = RMS 거칠기 (= 1.25 x 거칠기 Ra [µm]) 볼베어링 들의 경로[µm]
- SRE = RMS 거칠기 (= 1.25 거칠기 Ra [µm])
- For 윤활시스템이 혼합
- For Λ < 3, 윤활 시스템이 탄성유체
접촉부분에서 윤활유 막의 최소두께를 계산하기 위한 다른 방법도 존재한다. 가장 흔하게 사용되는 방법은 Hamrock and Dowson 방식이다.
- h min = 형성된 윤활유 막의 최소 두께 [m]
- a = 압력과 점소 계수 [m2/N]
- Ηo = 대기압에서 점성 계수 [Pa ·] s
- U = 표면 드라이브 속도. [m/s] 회전판의 평균 선 속도 (UA), 외부 또는 내부 링에 접촉한 시점에서의 속도 (UB)
- E’ = 감소된 영률[Pa]
- W = 회천체에 가해지는 부하[N]
- e = 오일러 계수
- k = 접촉타원의 타원율 매개변수, a/b 반 차축 보고서.
근사치 측정에 가능한 요소:
- Rx = X축에서 감소된 곡률반경
- Ry = Y축에서 감소된 곡률반경
지나치게 점도가 높은 윤활유를 사용하지 않고 적절한 요소(Λ > 3)들을 위해 우수한 표면 트랙과 볼은 필수적 이다. 이로인해 회전 수명기간이 연장되고 마찰은 감소한다. JESA SA는 최고질의 마감과 최상의 표면 상태를 유지시켜주는 최신의 기계들을 사용하고 있다.
볼과 케이지의 윤활작업
윤활유를 볼 베어링과 케이지에 적용할때 부분적으로 마찰이 발생하는데, 이때 가장 많은 양의 윤활유가 베어링에 배포된다. 케이지의 형태, 볼 사이즈 및 볼의 양이 윤활작업에 영향을 미친다. 최초 윤활유의 부피 뿐만 아니라 윤활유에 사용되는 일종의NLGI급 비누 증점제도 마찰을 발생 시키는 요인이 될 수 있다. 이러한 매개 변수 들을 결정할 때 윤활유의 적용이 결정 될 수 있다.
볼과 링의 접합 시 발생하는 마찰과 내부 형태
사용된 재료가 단단함이 없고 접촉 압력이 너무 높을 때, 접촉 부위에서 트랙과 볼의 탄성 변형이 발생된다. 이런 변형은 두 가지 종류의 주요 마찰을 발생시킨다.
1. 히스테리시스 손실
볼이 표면에서 회전할 때 접촉 부분의 앞 쪽에 비드를 형성하는데, 회전이 지속되기 위해서는 이 비드가 탄성적으로 변형돼야 한다. 에너지 소비는 부분적으로 회수 되는데, 이는 볼이 다시 접촉 부분의 뒷 쪽으로 돌아가기 때문이다. 이 에너지의 차이는 방열을 통해 발생한 손실과 상응한다.
그림 4: 실린더의 회전과 표면의 변형
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 129]
2. 마이크로 슬립
볼 트랙의 직경과 비교해서 선택된 볼의 곡률 반경에 따라 다소 긴 타원 모양이 볼과 볼 트랙 사이의 접촉 부분에 형성된다. 재료의 탄성에 의해 표면의 상대적인 미끄럼이 발생하는데, 홈이 깊은 베어링이 방사상으로 끼워진 경우 오직 타원의 두 지점만 미끄럼 없이 회전한다.
그림 5: 순수 회전이 발생하는 두 지점 (A-A)과 변형 이후 평균 반경을 보여주는 볼 베어링의 경로
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, Taylor & Francis Group, 45 CRC]
대부분의 타원들은 확장되고, 타원의 양 끝에 더 많은 미끄러짐 속도가 발생 하는데, 이는 마찰을 증가 시키는 요인이 된다.
그림 6: 순수 회전이 발생하는 두 지점(A-A)과 미끄럼의 선들을 보여주는 볼 경로의 접점
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 46]
그림 7: 슬라이딩 진폭의 속도를 보여주는 볼 경로의 접점.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor & Francis Group, 138]
표면 압력을 감소시키고, 베어링의 운반 능력을 증가 하기 위해, 일반적으로 볼 들은 링과의 접촉면을 최대화 시키는 형태로 제작 되지만, 표면 접촉으로 인해 마찰이 발생하기도 한다. JESA SA는 최신 계산 도구 들을 통해 마찰을 감소시키기 위한 최적의 내부 형태를 결정하고, 예상 수명 성능을 보장한다.
볼과 링의 케이지 마찰
풀타입 볼베어링의 경우 케이지는 볼들의 압연을 방지해 마찰을 감소시키지만, 케이지 자체가 볼과 접촉하고, 종종 내 외부 링과 접촉함으로써 에너지 손실 및 미끄럼이 발생한다.
케이지 제작의 질, 케이지의 형태 및 제작 방법은 마찰 발생에 영향을 미친다.
JESA SA는 다양한 공업용 고분자와 낮은 마찰 계수를 결합시킨 케이지를 개발하여 마찰이 적고 기존의 철골에 비해 에너지 손실이 낮으며, 진동에 대한 저항력을 증가 시켰다. 필요시 유한 요소 분석법을 통해 고속 케이지의 변형 시뮬레이션을 수행하여, 의도치 않은 접촉을 초래하는 과도한 변형의 위험을 배재하고 있다.
실제 검증
마찰 값에 영향을 주는 변수가 다양하기 때문에 베어링의 마찰을 정확히 계산하는 것은 어렵다.
표준 베어링들의 마찰 값을 상대적으로 정확히 계산하는데 몇몇 프로그램들이 사용되지만 특정 베어링의 경우 결과치는 실제와 매우 다를 수 있다.
JESA는 다양한 회전 방식의 베어링들의 마찰 값을 측정하기 위한 테스트벤치를 갖추고 있으며, 실제 상품의 마찰 정도를 검증하기 위한 실질적 계산이 이 벤치 상에서 이루어진다.
그림 8: 마찰 토오크 측정을 위한 벤치 테스트
마찰 테스트 벤치는 독일 프라이브루크의 School of Engineers와 합동으로 개발된 것으로, 가변속도에서 다양한 재료와 코팅의 정확한 마찰 양의 측정을 가능하게 한다. 독립 셀이2 x 3 비드를 통해 0-4 ‘ 200MPa의 접촉 압력을 테스트상의 두개의 링에 가한다, 이 셀은 마찰의 측정을 위해 유량계에 설치 될 수 있고, 또는 수명 테스트를 위해 모터에 부착될 수 있다.
그림 9: 유량계에 장착된 셀 테스트
그림 10: 수명 테스트를 위해 설치된 셀 Cell installed for lifespan test
특정 예
Bobst SA는 포장용 판지 생산을 위한 기계의 설계와 제조에 있어 세계 최고의 기업중 하나다. 이들 기계의 일부는 크기가 상당해 플렛 벨트를 지지하기 위해 수백 개의 베어링 들이 사용된다.
이 베어링들은 표준 베어링들로 특히 낮은 하중에 적합하며, 중부하에는 적용되기 힘들다. JESA SA는 이러한 고객의 요구를 충족시키는 최적화된 특별 베어링을 제안했다. 사용된 윤활유의 종류와 양 뿐만 아니라 구조 및 내부 구조들도 변경 됐다. 이렇게 특별 제작된 접촉면이 없는 더블 조인트는 마찰을 초래하지 않으면서 판지를 완전히 봉합 시킨다.
그림1 회전 폴더 글루어 BOBST [www.bobst.com]
그림2 JESA SA가 개발한 스페셜 휠
이런 제품을 통해 베어링의 마찰이 2또는 3분할이 가능해진다. 기계당 베어링의 양을 곱하면, 상당한 에너지가 절약될수 있으며, 환경에 미치는 영향도 최소화 할 수 있다. 또한 운영 비용 절감 효과도 기대할 수 있다.
참고:
- Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor& Francis Group
- Gwidon W. Stachowiak, Andrew W. Batchelor, 2005, Engineering Tribology, Elsevier, ISBN-10: 0-7506-7836-4
- Sksana Banakh, 2010, Treatments of surface and use in Tribology, courses FSRM
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