베어링 종류

왜 배우는가: 베어링은 회전기계의 효율과 수명, 정밀도를 좌우하는 기계요소라서 설계와 정비의 기본 대상이다. 시험에서는 구름 베어링과 미끄럼 베어링의 비교, 하중 방향에 따른 분류가 여러 회차에 걸쳐 나왔으므로 정의와 분류 기준을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제123회 4교시 2번, 제110회 4교시 2번, 제89회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

베어링은 하중을 받으면서 축의 회전 또는 직선 운동을 지지하고 안내하는 기계요소이다.

베어링은 축과 하우징 사이에 놓여 하중을 전달하고, 축과 지지부 사이의 상대 운동에서 생기는 마찰을 줄이는 부품의 총칭이다. 동력을 전달하는 것은 축이 맡고, 축의 위치를 잡고 하중을 받아 기초로 넘기는 역할은 베어링이 맡는다. 마찰의 형식에 따라 미끄럼 베어링과 구름 베어링으로 나뉘고, 하중이 작용하는 방향에 따라 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 나뉜다. 레이디얼 베어링은 지름 방향의 하중을 받고 스러스트 베어링은 축 방향의 하중을 받는다. 하중 방향에 따른 분류는 베어링이 축 방향과 반경 방향 하중을 각각 얼마나 받을 수 있는지를 기준으로 하므로, 접촉 상태에 따른 분류와 구별해야 한다.

핵심 키워드

• 레이디얼 하중: 축에 수직인 방향으로 작용하는 하중이다.
• 스러스트 하중: 축 방향으로 작용하는 하중이다.
• 미끄럼 베어링: 축과 베어링 면이 직접 미끄러지며 하중을 받는 베어링이다.
• 구름 베어링: 전동체가 궤도면 위를 구르며 하중을 받는 베어링이다.
• 전동체: 볼이나 롤러처럼 구름 운동을 하는 구성 요소이다.
• 궤도륜: 내륜과 외륜을 함께 이르는 말이며, 전동체가 구르는 면을 가진다.
• 케이지: 전동체 사이의 간격을 일정하게 유지하는 부품이다.

2. 개념 풀이

베어링의 정식 정의는 회전하는 축을 지지하면서 축에 걸리는 하중을 하우징 같은 고정부로 전달하고, 접촉부의 마찰을 작게 유지하는 기계요소이다. 지지, 하중 전달, 마찰 저감의 세 기능이 함께 요구되며, 이 중 하나라도 빠지면 베어링의 정의에 맞지 않는다.

원리는 다음과 같다. 두 물체가 직접 맞닿은 채 상대 운동을 하면 접촉면에서 마찰이 생기고, 마찰은 열과 마모로 이어져 동력 손실과 수명 저하를 일으킨다. 베어링은 이 접촉을 두 가지 방식 가운데 하나로 바꾼다. 첫째는 접촉면 사이에 윤활유막을 형성해 금속끼리 직접 닿지 않도록 하는 방식이고, 둘째는 전동체를 끼워 미끄럼 마찰을 구름 마찰로 바꾸는 방식이다. 윤활막은 회전 속도가 일정 수준 이상이고 윤활유의 점도가 충분할 때 형성되며, 이 조건이 갖춰지지 않으면 경계 상태에서 마모가 커진다. 구름 베어링은 내륜과 외륜, 전동체, 케이지로 구성된다. 전동체가 궤도면 위를 구르면서 하중을 받으므로, 같은 하중에서도 접촉부의 응력 분포가 미끄럼 베어링과 다르다.

구분 기준은 하중이 윤활막으로 전달되는지, 전동체의 구름 접촉으로 전달되는지이다.

하중 방향은 베어링의 구조를 정하는 또 다른 기준이다. 레이디얼 하중은 축과 직각 방향으로 걸리고, 스러스트 하중은 축 방향으로 걸린다. 예를 들어 축 방향 하중이 주로 걸리는 자리에는 스러스트 형식을 쓰고, 반경 방향 하중이 주가 되는 자리에는 레이디얼 형식을 쓴다. 실제 베어링에는 두 하중이 함께 작용하는 경우가 많으므로, 어느 방향의 하중을 주로 받는지를 먼저 판단하고 형식을 고른다. 이 판단은 접촉 상태 선택과 함께 베어링 선정의 출발점이 된다.

핵심 용어

• 구름 접촉: 전동체가 궤도면 위를 구르면서 하중을 받는 접촉 형태이다. 볼은 궤도면과 점으로, 롤러는 선으로 접촉한다.
• 윤활막: 접촉면 사이에 형성되는 얇은 유막으로, 면을 떼어 놓아 마찰과 마모를 줄인다. 윤활막이 끊기면 금속끼리 직접 닿아 소착이 일어난다.
• 궤도면: 전동체가 구르는 표면이며, 하중은 이 면을 통해 궤도륜에서 전동체로 전달된다.

3. 등장 배경과 필요성

베어링이 필요해진 이유는 축과 지지부가 직접 맞닿을 때 생기는 마찰과 마모에서 출발한다. 마찰이 커지면 동력 손실이 늘고, 발열로 윤활 상태가 나빠지며, 축과 지지부가 빠르게 닳아 기계가 멈춘다. 이 문제를 줄이려고 접촉면에 윤활을 공급하는 미끄럼 베어링 방식이 먼저 쓰였고, 이후 전동체를 넣어 구름 접촉으로 바꾸는 방식이 함께 발전하였다.

롤러 베어링은 적어도 기원전 40년경부터 사용된 기계요소로 알려져 있다. 이는 구름 접촉을 이용하는 아이디어가 오래전부터 쓰였음을 보여 준다. 산업화로 기계의 회전 속도와 하중이 커지면서 베어링의 설계 중요성이 높아졌고, 베어링은 기계의 효율과 수명을 좌우하는 요소로 자리 잡았다.

건설기계에서 베어링의 필요성은 더 구체적이다. 건설기계는 차체 중량과 작업 하중이 크고, 굴삭이나 적재 중에 충격 하중이 반복되며, 먼지와 수분이 많은 환경에서 가동된다. 구름 베어링은 충격 하중에 미끄럼 베어링보다 약하다. 이 때문에 설계자는 충격이 큰 부위와 회전 속도가 높은 부위를 구분하여 형식을 고른다. 미끄럼 베어링은 이물질을 비교적 잘 견딘다. 실이나 스크레이퍼가 많이 필요하지 않아 먼지가 많은 부위에서 유리한 면이 있다. 선정할 때는 하중의 크기와 방향, 회전 속도, 충격 여부, 이물질 환경, 설치 공간을 함께 고려한다.