베어링, 베어링 하우징 및 샤프트 사이의 맞춤을 계산하는 방법

베어링, 샤프트 및 베어링 하우징 사이의 맞춤은 베어링 적용 분야에서 매우 중요한 요소이며 베어링 사용자들이 큰 관심을 갖는 주제입니다. 실제 작업에서 맞춤에 대한 표준 선택 원칙은 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

하지만 많은 엔지니어가 이 적합성 선택 원칙이 어떻게 계산되는지 궁금해하며, 일부는 직접 계산하는 것을 선호하기도 합니다.

실제로 베어링, 샤프트 및 베어링 하우징 간의 맞춤을 선택하는 기본 계산 방법은 맞춤이 베어링 작동에 미치는 영향이라는 관점에서 이전 지식을 재조합하여 수행할 수 있습니다.

I. 베어링, 샤프트 및 베어링 하우징 맞춤 계산을 위한 경계 조건

베어링, 샤프트 및 베어링 하우징 사이의 맞춤을 선택하기 위한 계산을 수행하기 전에 계산 방법과 경계 조건에 대한 명확한 정의를 제공하는 이 계산의 실제 목적을 이해하는 것이 중요합니다.

핏의 목적

베어링의 내륜과 샤프트, 베어링의 외륜과 베어링 하우징 사이의 맞춤의 전반적인 목표는 베어링과 샤프트, 베어링 하우징과 베어링 외륜 사이에 상대적인 움직임이 없는지 확인하는 것입니다.

원주 방향과 축 방향 모두에서 상대적인 움직임을 피해야 합니다. 핏만으로 상대적인 움직임을 방지하는 것은 어렵기 때문에 다른 외부 디자인 요소를 사용하여 이를 보장해야 한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

예를 들어 축 방향의 움직임을 제한하기 위해 샤프트 숄더와 베어링 하우징 스텝을 사용하고, 원주 방향의 상대적 움직임을 막기 위해 잠금 슬롯이나 O링을 사용하는 설계가 있습니다. 이러한 방법은 일반적으로 핏만으로는 제 기능을 수행할 수 없을 때 상대적인 움직임을 방지하고 어느 정도의 신뢰성을 보장하는 보조적인 역할을 합니다.

경계 맞추기

위의 논의에서 베어링 및 관련 부품의 피팅에는 최소한의 경계가 있다는 것을 알 수 있습니다. 피팅력이 너무 작으면 베어링과 피팅 표면 사이에 상대적인 움직임이 발생하여 고정 역할을 수행하지 못합니다. 이러한 상황은 베어링 변위 가능성을 높입니다.

기계 부품 설계 이론의 관점에서 볼 때, 밀착력이 높을수록 체결력이 커지고 결과적으로 '고정' 효과가 더 커집니다. 그러나 어느 정도의 '느슨한' 맞춤과 '꽉 끼는' 맞춤이 있습니다.

피팅이 너무 꽉 조이면 피팅 표면의 상대적 고정을 보장할 수 있지만 베어링 내의 다른 치수 및 강철 소재 베어링 자체의 영향을 받게 됩니다. 따라서 핏을 높이는 것만으로는 고정을 달성할 수 없습니다.

반면에 일부 애플리케이션에서는 상호 피팅하는 두 표면 사이에 생성되는 '피팅력'이 달라질 수 있습니다(예: 일부 진동 상황). 따라서 앞서 언급한 힘의 변동 중에 피팅 표면의 상대적인 움직임 경향이 발생하면 필요한 '피팅력'이 더 커져야 합니다.

왜 더 커야 하나요? 상대적 움직임의 "강한" 단계와 "약한" 단계 모두에서 이 피팅력이 피팅 표면의 상대적 움직임을 유발하지 않도록 해야 하기 때문입니다. 예를 들어 상대적 움직임의 "강한" 단계에 따라 "피팅력"을 선택하면 진동이 "약한" 단계로 이동하면 이 "피팅력"이 너무 크게 보일 수 있습니다.

반대로 '약한' 단계에 따라 '피팅력'을 선택하면 '강한' 단계로 진동할 때 이 힘이 부족하여 피팅 표면의 상대적인 움직임이 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 피크에 맞추기 위해 필연적으로 더 큰 피팅력이 사용됩니다.

따라서 진동이 심한 환경에서는 일반적으로 관련 베어링을 더 단단하게 장착하는 것이 좋습니다.

베어링 및 관련 부품의 피팅에는 최대 한계가 있습니다. 피팅력이 너무 크면 다른 베어링 속성에 변화를 일으켜 문제가 발생할 수 있습니다.

결론적으로 베어링 공차 피팅을 선택할 때 궁극적인 목표는 베어링 피팅 표면 사이의 피팅력입니다. 이 피팅력이 너무 작으면 베어링과 피팅 부품 사이의 상대적인 움직임(변위)이 쉽게 발생할 수 있으며, 피팅력이 너무 크면 베어링의 내부 성능(너무 작은 간격, 예압 증가)에 영향을 미칠 수 있습니다.

이것은 베어링 샤프트 및 베어링 하우징 공차 맞춤을 선택하기 위한 기본 경계 및 계산 방향입니다.

II. 베어링, 샤프트, 베어링 하우징 사이의 최소 체결력

예시: 일반 수평 내부 회전 모터 베어링.

일반적인 수평 내부 회전 모터의 샤프트 시스템은 베어링 구성이 가장 단순합니다. 이 모델을 기반으로 다른 유형의 샤프트 시스템을 유추할 수 있습니다.

수평 내부 회전 모터가 작동 중일 때 모터의 회전축은 베어링의 내륜과 함께 회전합니다. 따라서 '회전'은 모터의 로터에서 베어링의 내륜으로 전달되며, 이는 베어링의 내륜이 수동적으로 회전한다는 것을 의미합니다. 이 경우 상당한 양의 구동력이 필요합니다.

이 구동력에는 구름 요소 및 케이지와 함께 베어링의 내륜이 회전하는 데 필요한 힘이 포함됩니다. 따라서 베어링 내륜을 회전시키는 데 가장 까다로운 작동 조건은 시동 또는 속도 변경 중입니다. 이 때 최소 구동력은 원심 가속도에 베어링 내륜의 질량을 곱한 값입니다.

베어링이 일정한 속도로 회전할 때는 상황이 약간 달라집니다.

베어링이 일정한 속도로 움직일 때 필요한 구동력은 주로 내부 구름 요소와 궤도 사이의 마찰을 극복하는 데 필요한 최소한의 힘입니다. 따라서 필요한 '피팅력'은 앞서 언급한 시나리오보다 훨씬 간단합니다.

두 가지 다른 응용 분야를 살펴보면, 속도가 자주 바뀌거나 시동이 자주 걸리는 모터는 일정한 속도로 작동하는 모터보다 훨씬 더 많은 "피팅력"이 필요합니다. 이는 앞서 권장한 피팅 차트에서 가변 속도 또는 잦은 시동 상황에서 더 타이트한 피팅이 필요한 이유를 설명합니다.

지금까지는 내부 링인 '회전 링'에 대해 설명했습니다. 하지만 외륜은 어떨까요? 수평 내부 로터 모터에서 베어링의 외륜은 일반적으로 고정되어 있고 베어링 하우징도 고정되어 있습니다.

베어링의 외륜을 회전시키는 유일한 힘은 외륜 내에서 베어링 롤러가 구르는 힘입니다. 정상적인 상황에서는 일반적으로 베어링 롤러와 외륜 사이에는 구름 마찰만 존재하므로 이 피팅력은 베어링 외륜의 회전 경향을 극복하기 위해 이 구름 마찰을 초과하기만 하면 됩니다.

또한 구름 마찰이 매우 작기 때문에 구름 마찰을 극복하기 위해 베어링에 필요한 체결력도 매우 작습니다. 그러나 베어링 하우징과 베어링의 외륜 사이에는 슬라이딩 마찰이 발생합니다.

동시에 베어링 외륜과 베어링 하우징 사이의 반경 방향 하중은 베어링의 내부 반경 방향 하중과 동일하게 간주할 수 있습니다. 또한 베어링 궤도에는 마찰을 줄이기 위해 윤활유가 있지만 베어링 외륜과 베어링 하우징 사이에는 윤활유가 없습니다.

결론적으로, 베어링 하우징 내에 베어링의 외부 레이스를 단단히 배치하면 슬라이딩 마찰을 통해 상대 운동 경향을 극복할 수 있습니다. 따라서 수평 내부 회전 모터에서 베어링의 외부 레이스가 일반적으로 느슨하게 장착되는 이유를 쉽게 이해할 수 있습니다.

다시 본론으로 돌아가서, 구름체에 의해 베어링의 외부 레이스에 가해지는 마찰력을 계산하는 것은 매우 간단합니다. 물론 제 개인적인 엔지니어링 경험에 따르면 일반적으로 표준 맞춤 선택 표로 충분하기 때문에 실제로는 이러한 계산이 필요하지 않습니다. 하지만 호기심이 있는 엔지니어라면 한번 시도해 볼 수 있습니다.

다음은 엔지니어가 고려해야 할 몇 가지 추가 질문입니다(사고 과정은 위에 설명되어 있으므로 이를 따르기만 하면 됩니다):

1. 진동 조건에서 핏이 꽉 맞아야 하는 이유와 외부 레이스가 꽉 조여야 하는 이유는 무엇인가요?

2. 수직 모터의 공차는 어떻게 선택해야 하나요?

3. 외부 회전 모터의 공차는 어떻게 선택해야 하나요?

위의 내용은 위의 질문에 대한 답을 제공하지 않습니다. 누구나 스스로 생각해보고 답을 도출할 수 있다고 생각합니다. (작은 힌트: 탄력성을 고려하세요.)

균일한 동작에서 앞서 언급한 외부 레이스 피팅이 궤도를 돌게 될까요?

III. 베어링, 샤프트, 베어링 하우징 사이의 최대 간섭 맞춤입니다.

최대 간섭 맞춤의 경계에 대해 언급했습니다. 간섭이 너무 크면 다른 베어링 성능에 변화를 일으킬 수 있습니다.

첫째, 가장 중요한 요소는 베어링 자체 치수의 변화입니다. 베어링이 단단히 장착되면 베어링의 내부 간격이 줄어듭니다. 베어링이 베어링 간극 가 너무 작으면 베어링이 걸릴 수 있습니다. 따라서 가장 타이트한 베어링 맞춤을 위한 첫 번째 요건은 잔여 베어링 간극 요건을 충족하는 것입니다.

이러한 방법은 기어박스 베어링 적용과 같은 특정 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

둘째, 내부 링의 균열과 같은 베어링 재료가 타이트 핏에 영향을 미치는 요인입니다. 이러한 상황은 실제로 실제 애플리케이션에서 발생했습니다. 그러나 일반적으로 베어링 재료의 영향은 클리어런스 효과 이후에 발생합니다.

II. 결론

이 글에서는 주로 베어링 및 관련 컴포넌트 핏을 계산하는 기본 방법에 대해 설명합니다.

그러나 모터 베어링 시스템의 경우 일반적으로 이러한 복잡한 계산은 불필요하다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 일일 권장 공차 적합도 표에는 앞서 언급한 요소가 이미 고려되어 있기 때문입니다. 일반적으로 이러한 원칙에 따라 직접 선택하는 것으로 충분합니다. 이 콘텐츠는 매일 사용하는 이러한 참조 결과가 어떻게 도출되는지 알려드리기 위해 작성되었습니다.

매우 특정한 용도가 아니거나 이론적 과정을 이해하는 데 특별히 열정이 있는 경우가 아니라면, 각 핏을 선택할 때마다 이렇게 복잡한 고려를 거치는 것은 권장하지 않습니다.

물론 기어박스 엔지니어의 경우, 특히 테이퍼 롤러 베어링과 앵귤러 콘택트 볼 베어링의 예압을 계산할 때는 이러한 고려 사항을 피할 수 없으므로 주의 깊게 이해해야 합니다.