베어링

1. 개요

2. 원리

3. 종류

3.1. 전동체에 따른 분류

• 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, 대부분의 사람이 베어링이라 하면 볼 베어링을 연상할 정도로 일반인에게도 친숙한 베어링이다.
  
  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.[4] 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.

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. 축방향 하중만 지지하며, 고속회전에 부적합하다.

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[5] 및 하드디스크 스핀들 모터에 쓰인다. 유막 현상 덕에 구성요소 간의 물리적인 접촉이 거의 없기 때문에 수명 내내 축의 틀어짐이 거의 발생하지 않는다.
• 자동 조심[調心] 베어링
  쉽게 말해서, 자기가 알아서 조심하는 베어링이라 보면 된다. 축 받침과 축이 동심을 이루지 않고 약간 각을 가지게 되어도 축의 운동이 가능한 베어링.
• 기체 베어링
  공기베어링, 에어베어링이라고도 불린다. 슬라이드 베어링과 비슷한 구조를 가진다. 다만 윤활유가 아닌 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 결국 기체인지라 고하중은 못 버틴다. 또 하나의 단점으로 공기 베어링은 공기압축기로 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. 사실 어지간히 저부하가 아닌이상, 기체 베어링보다는 마그네틱 베어링을 고려해볼만하다.
• 마그네틱 베어링
  자기장으로 축을 띄워서 물체간의 마찰을 거의 없다시피하게 만든 베어링이다. 윤활유 같은것도 필요없고 공기의 점성 외에는 어떠한 마찰도 작용하지 않는다. 즉 진공 환경만 조성해주면 이론상으론 한계 없는 초고속회전을 가능하게 한다. 대신 자기장을 사용하기 때문에 축에 수직방향으로 작용하는 외력을 잘 못버틴다는 치명적인 단점이 있다. 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. 터보 칠러의 압축기에도 사용되는데, 임펠러를 돌려서 냉매 가스를 압축하는데 이 임펠러와 샤프트를 마그네틱 베어링 안에 띄워서 수천 rpm 이상으로 돌린다.[7]

4. 번호와 기호

4.1. 기본번호

1. 베어링 형식 기호 : 베어링의 종류(형식)를 나타내는 번호. (한국 베어링 규격은 JIS규격과 통용되는 부분이 있으므로 일부 일본식 한자어 표기가 들어있다.)
• 1 : 자동(自動) 조심[調心] 볼(ball) 베어링
• 2 : 자동 조심[調心] 롤러(roller) 베어링
• 2 : 스러스트(thrust) 자동 조심 롤러 베어링
• 3 : 테이퍼(taper) 롤러 베어링
• 4 : 복열[複列] 깊은 홈(deep groove) 볼 베어링
• 5 : 복열[複列] 앵귤러(angular) 볼 베어링
• 6 : 단열[單列] 깊은 홈 볼 베어링
• 7 : 단열[單列] 앵귤러 볼 베어링


2. 베어링의 폭에 따른 치수 번호 (폭 계열), 직경에 따른 치수 번호 (직경 계열). 도넛으로 보자면 안쪽 구멍 크기가 똑같은 도넛을 평평하게 눕혔을 때 폭 계열과 직경 계열은 각각 얼마나 도넛이 두꺼운지, 얼마나 넓은지를 보는 숫자가 된다.
• 폭 계열은 보통 0을 기준으로 1, 2, 3, 4, 5, 6 순으로 커지며 9, 8 순으로 작아진다.
• 직경 계열은 보통 0을 기준으로 1, 2, 3, 4 순으로 커지며 9, 8. 7 순으로 작아진다.
• 폭 계열, 직경 계열 순으로 병기된다. 다만 특별히 폭 계열을 명시해놓지 않는다면, 직경 계열의 번호에 따른 값으로 폭 번호가 정해지며 폭 번호의 표기는 생략된다.
  예 : [math(6{\color{gray}(1)}{\color{#0088FF}8}00)] 계열, [math(6{\color{gray}(1)}{\color{#0088FF}9}00)] 계열, [math(6{\color{gray}(1)}{\color{#0088FF}0}00)] 계열, [math(6{\color{gray}(0)}{\color{#0088FF}2}00)] 계열, [math(6{\color{gray}(0)}{\color{#0088FF}3}00)] 계열. 괄호 내 회색으로 생략된 번호는 폭 계열 번호이며, 청록색으로 적힌 숫자는 직경 계열 번호이다.

3. 베어링의 내경(안지름)에 따른 번호 (내경번호) : 다음 규칙에 따른다.
1. 내경 10mm 미만 : 보통 한 자리 숫자로 표기하며, 그 숫자 만큼의 mm 길이가 내경임을 뜻한다.
2. 내경 10mm 이상, 500mm 미만 : 두 자리 숫자로 표기하며 다음 규칙에 따라 내경임이 결정된다.
1. 00, 01, 02, 03 : 각각 내경이 10 mm, 12 mm, 15 mm, 17 mm 임을 뜻한다.
2. 04부터 (99까지) : 해당 두 자리 숫자에 5를 곱한다.
3. 내경 500mm 이상 : 슬러시 (\/) 기호를 이용하여 해당 베어링의 내경을 직접적으로 나타낸다.
   예 : [math(60{\color{#0000BB}/500})] 의 내경은 500 mm이다.
4. 위 규칙 외 기타 변칙적으로 또는 번호를 읽는데 혼동이 오지 않도록 슬러시 (\/) 기호를 이용하여 해당 베어링의 내경이 몇 mm임을 직접적으로 나타낸다.
   예1 : [math(62{\color{#0000BB}/32})] 베어링의 내경은 32 mm 이다. [math(618{\color{#0000BB}/4})] 베어링의 내경은 4 mm 이다.
   예2 : 앞의 [math(62{\color{#0000BB}/32})]에서 실수로 슬러시 기호를 빼먹으면 [math(62{\color{#0000BB}32})]가 되는데, 이는 내경이 160 mm(32×5 mm)이 되는 큰 베어링을 가리킨다.

4.2. 보조기호

4.3. 번호 읽기

5. 등급

6. 제작사

• SKF( 스웨덴)[16]
• FAG( 독일)[17]
• NTN( 일본)
• NSK 일본정공(일본)

7. 보수 점검

7.1. 평베어링의 보수 점검

7.2. 레저 스포츠 베어링의 보수 점검

8. 여담