롤러베어링의 최신 기술과 전망

제1장. 서론

기계에는 물체에 가해지는 하중을 지지하면서 상대운동을 하는 운동부가 있다. 운동부의 작동은 종류에 따라 직선운동, 회전운동, 나선운동 등으로 분류되지만 운동을 정확히 수행하려면 안내가 필요하다. 회전운동을 안내하는 기계요소는  ‘베어링’이라고 부르고 기계의 회전부분에 반드시 사용된다. 예를 들면  자동차에는 엔진, 변속기, 차축, 와이퍼(Wiper)  등에 크고 작은 베어링이 100개 이상 사용되고 있다.
베어링은 하중을 지지하는 방법에  의해서 ‘미끄럼베어링’과 ‘롤러베어링’으로  분류된다. 이 두 종류 베어링을 성능과 사용관점에서 비교하면 기능면에 있어서는 미끄럼베어링이 우수하지만 코스트나 호환성 측면에서는 롤러베어링이 우수하고 사용량에 있어서 큰 차이가 난다. 본 내용에서는 ‘기계의 중요부품’이라고 간주하는  롤러베어링에 대해 최근의 기술동향 등을 검토해 본다.

제2장. 롤러베어링의 현황 및 기술동향

2006년 전 세계 롤러베어링의 판매금액을 보면 총액은  342억 US$이고, 지역별로는 서유럽지역이 92억$, 북미가 78억$, 일본이 55억$, 중국이 49억$, 그 밖의 아시아가 37억$, 기타가 31억$로 일본, 중국을 포함시키면 아시아지역이 약 40%를 차지한다. 롤러베어링은 회전을 지탱하는 기계요소로서 단독은 아니고 기계장치와 조합하여 사용한다. 따라서 롤러베어링의 기술동향은 각 기계장치의 기술동향, 요구와 밀접한 관계가 있다. 사회 환경과 롤러베어링에 요구되는 요구기능, 대응기술의 관계를 보면 사회 환경과 베어링의 키워드(Keyword)와 대응기술은 상호 긴밀히 연관되고 있다. 정보기술(IT)은 기계 산업에서는 생각할 수 없이 빠른  속도로 진보하고 있다.

정보기술 관련기기에 사용되는 베어링의 고기능화 요구가 새로운 베어링 기술개발을 촉진하는 추진력이 되고 있다. 정보기술의 진보에 따라서 베어링 설계나 이론해석의 기술이 현격하게 진보하고 있다. 3차원 CAD의 보급으로 해석모델 작성부터 계산과 결과표시까지를 한 번의  조작으로 수행 가능한 시스템도 구축되고 있어서 정보기술은 베어링기술 개발에 있어서 반드시  필요한 요인이 되고 있다.

제3장. 롤러베어링의 최신기술과 전망

1. 저토크(torque)화
롤러베어링의 저 토크화는 기계효율의 향상, 에너지 절약에 직결하고 있으므로 대단히 중요한 개발과제이다. 자동차에서는 베어링부의 마찰을 반으로  줄이면 연비가 3% 향상되고 한 대당 연간 4만 3,000L의 CO2를 삭감할 수 있다. 자동차용 원형롤러베어링에 있어서는 롤러 점성저항, 윤활유의 교반저항, 롤러/니들 간의 미끄럼저항 등을 감소시키기 위한 해석을  시행하고 기여율에 기초한 최적설계법이  확립되고 있다.

베어링 내에서의 윤활유의 흐름을 관찰하고 최적화하여  종래 토크의 50% 이하 수준의 기본 동 정격하중을 가지는  단열 앵귤러 볼 베어링(Angular  Ball Bearing)보다도 낮은 토크를 보이는 베어링을 개발하였다. 엔진이나 변속기에 많이 사용되고 있는 추력 니들(Thrust Needle)베어링은 전동체가 가늘고 긴 원통형상이기 때문에 원주방향에 회전시키면  전동체의 공전속도가 일정하게 되지  않기 때문에 기울어지기 쉽고 회전토크의 저감이 어렵다고 여겨진다. 그러나 롤러의 단면과 리테이너(Retainer)의 접촉에 주목해 리테이너 형상을 개량하는 것으로 50%의 토크 저감을 실현하고 있다.
변속기용 볼베어링의 경우 종래의 가벼운  접촉 씰 베어링과 비교해 80%  토크를 감소시킨 저 토크 씰 부착 볼베어링이 개발되고 있다.

2. 소형·경량화
롤러 종동자(Roller Follower)도 소형화가 진행되고 있고 스터드(Stud) 직경으로 1.4mm,  롤러외경으로 4mm인 제품이 개발되고 있다. 여기서 소개한 이외의 베어링에 있어서도 소형·경량화는 진행되고 있어 다른 문헌의 베어링 편에 많이 소개되고 있다.

3. 고속화
롤러베어링에 있어서 고속의 척도로 두 가지를 생각할 수  있다. 하나는 단순한 회전속도이고 각속도로서의 고속이다. 또 하나는 크기를 대표하는 직경에 회전속도를 곱한 dn값, dmn값이라고 부르는 것으로 원주 속도로서의 고속이다.  롤러베어링에서는 원심파괴 등을 고려할 필요가 있기 때문에 dn값, dmn값을 이용해 고속의 척도로 사용하는 경우가 많다.「JIMTOF 2008」에서는 50,000min-1(dmn은  380만)로 회전하는 공작기계  주축 스핀들이 출품되었다. 출품당시는 세계 최고회전속도라고 소개되었고,  3단 변환 예압과 신형급  폐유 시스템을 조합해 실현하고 있다. 축 지지의 자유단 측에 이용되는 원통 롤러베어링의 고속화도 진행되고 있어 dmn 325만(원통 롤러베어링으로서 세계가장빠름)을 달성하고 있다. 이 원통 롤러베어링은 고속화뿐 아니라 동시에 강성도 30% 향상시키고 있어 공작기계의 성능향상에 기여하고 있다.

4. 긴 수명·높은 신뢰성

롤러베어링의 사용에 있어서는 우선 부서지지 않는 것이 중요하다. 최근에는 풍력발전의 풍차 등 정비(Maintenance)가 어려운 장소에 사용되는 예도 증가하고 있기 때문에 롤러베어링에 있어서 수명과 신뢰성이 가장 우선도가 높은 요구항목이다.종래에는 박리가 내부의 기점에서 시작한 균열이 진전해서 발생하는 내부기점형 개념을  바탕으로 수명을 검토하였다. 수명을 길게 하기 위해서는 재료개발, 열처리, 표면가공, 접촉 면압 설계 등 다방면의 검토가 필요했다. 그러나 최근에는 쓰레기나 마모가루 등의 이물에 의한 눌린 자국을 기점으로 하는 표면기점 형 박리가 주목되고 있다.

내부기점형의 계산수명보다도 꽤 짧은 시간에 박리를 일으키고 있는 예를 볼 수 있다. 대책으로서는 외부에서의 이물침입의 방지가 제1이고 밀봉성의 높은 씰(Seal)을 짜 넣은 베어링이 개발되고 있다. 분진이 상당히 많은 광산에서 사용되는  컨베이어용 볼 베어링에 있어서는 고기능 전용 씰을 사용하는 것에 의해서 내수성을 3배로 높이고 토크를 50% 저감시키는데 성공하였다. 내수성을 향상시킨 엔진  보조기기용 아이들러(Idler) 베어링도  개발되고 있다. 씰  립(Seal Lip)부를 M자 2중 구조로 한 고밀봉성 씰을 채용하는 것에 의해 SUV차나 긴급차량의 비포장도로(Off-Road) 주행에서 발생할 수 있는 내수성을 큰 폭으로 향상시키고 있다.

5. 특수 환경·생태학적 환경(Ecology) 대응
정보기술제품, 식품, 의약품의 제조 장치나 세정장치에 이용되는 구름베어링은 물, 증기, 산, 알칼리 등의 부식 환경 하에서 가동한다. 이런 조건에서는 고체 윤활제나 귀금속을 피막 처리한 베어링이나 세라믹 베어링을 사용하고 있었지만 최근에는 궤도바퀴를 불소수지나 오스테나이트계 스테인리스로 만든 롤러베어링이 실용화되고 있다. 폴리에틸렌 등의 수지베어링과 비교해서 내식성, 기계적 강도가 우수하고 세라믹 베어링과  비교해서 비용 면에서 우수
하다. 반도체의 생산은 먼지를 싫어하기 때문에 청정실(Clean  Room)이나 진공 중에서 시행된다. 이를 위해 저 외부가스(Low Out Gas) 및 내열성을 향상시킨 롤러베어링이  개발되고 있다. 최근 먼지발생 50% 저감, 150℃에 있어서의 외부가스의 대폭 저감, 수명을 10배로 향상시킨 베어링을 개발하였다.

청정에너지(Clean Energy)로서 풍력발전의 수요가 성장하고 있다.  일본에서도 발전량이 점차 성장하고 있고 북유럽에 있어서는 전력공급원으로서의 지위를 확립하고 있다. 긴 수명·고신뢰성에 관한 요구조건 외에 베어링 내의 통전이 원인으로 발생하는 ‘전식’을  방지할 필요가 있고, 따라서 발전기에 사용되는 베어링의 전동체는 강철이 아니고 세라믹이다. 현재의 과제는 큰 세라믹 공(Sphere)을  제조하는 것이다. 1기당 발전량을  크게 하려면 큰 풍차, 큰 축(Shaft)을 사용할 필요가 있다. 당연히 축을  지지하는 베어링도 대형이 되고 그 베어링에 조립할 큰 세라믹 공을 제조할 수 있는 생산기술 개발을 추진하고 있다.

제4장. 결언

롤러베어링의 개발동향, 기술의 현상 등에  대해 베어링 각사의 저널,  홈 페이지, 카탈로그(catalogue) 정보를 중심으로 해설했다. 기계설계에 도움이 되기를 기대한다.