반경 방향 하중과 축 방향 하중: 무엇이 다른가

반경 하중이란

반경 하중은 샤프트 축에 직각으로, 반지름 방향을 따라 작용하는 힘입니다. 수평 샤프트에 걸리는 중력이 가장 단순한 예입니다. 샤프트가 베어링 내경의 바닥을 누릅니다. 벨트 장력, 체인 장력, 스퍼 기어 사이의 분리력, 불평형력, 피벗 핀의 반력이 모두 반경 하중입니다.

미끄럼 베어링에서 반경 하중은 원통형 미끄럼면이 받습니다. 샤프트는 내경 전체에 닿지 않고 하중 구간에만 기대며, 설계에서는 이를 내경 × 길이의 투영 면적으로 다룹니다. 슬리브 부싱의 면압을 p = F / (d × L)로 쓰는 이유가 여기에 있습니다. 같은 힘이라도 더 길거나 내경이 더 큰 슬리브에서는 압력이 낮아집니다.

축 방향 하중이란

축 방향 하중, 즉 스러스트는 샤프트 축에 평행하게 작용합니다. 샤프트를 가로질러 미는 대신 베어링을 관통하여 밀어내려 합니다. 펌프 임펠러나 프로펠러의 반력, 헬리컬 기어와 웜 기어의 추력 성분, 스크루나 스핀들을 따라 걸리는 체결력, 수직 샤프트의 무게가 그 원인입니다.

원통형 내경은 축 하중을 받을 수 없습니다. 샤프트가 그냥 미끄러져 빠져 나갈 뿐입니다. 스러스트는 축에 직각인 평면이 받습니다. 샤프트 숄더와 하우징 사이의 스러스트 와셔, 플랜지 부싱의 플랜지, 또는 샤프트에 숄더가 있을 때의 슬리브 끝면입니다. 면압은 힘을 베어링 면적으로 나눈 p = F / A이며, 여기서 A는 와셔나 플랜지의 고리 면적에서 그루브를 뺀 값입니다.

반경 하중과 축 하중의 예

같은 기계 안에 보통 둘이 함께 있습니다. 굴삭기 붐 핀은 붐의 무게와 굴삭 반력을 반경 방향으로 받고, 버킷에 걸리는 측면 하중은 핀 끝에 축 방향 추력을 만듭니다. 원심 펌프 샤프트는 임펠러의 유압 불평형에서 반경 하중을, 임펠러 전후의 압력 차에서 축 하중을 받습니다. 차량의 휠 허브는 차량 무게를 반경 방향으로, 코너링 힘을 축 방향으로 받습니다.

복합 하중과 그것을 받는 방법

대부분의 조인트는 두 하중을 동시에 받습니다. 이를 받는 배치는 세 가지입니다. 플레인 슬리브에 별도의 스러스트 와셔를 더하면 각 하중이 각자의 면에 실리고, 각각을 독립적으로 사이징하고 교체할 수 있습니다. 대형 기계의 일반적인 선택입니다. 플랜지 부싱은 둘을 한 부품에 합칩니다. 슬리브가 반경 하중을 받고, 플랜지가 가볍거나 중간 정도의 축 하중을 받으면서 하우징 안에서 부싱의 위치도 잡습니다. 샤프트에 숄더를 둔 부싱 한 쌍이 세 번째 배치이며, 소형 기구에 흔합니다.

플랜지 부싱의 플랜지는 완전한 스러스트 베어링이 아닙니다. 얇고, 뒷면은 대개 윤활되지 않으며, 면적이 작으므로 위치 고정 하중과 간헐적인 추력에 맞고 연속 축 하중에는 맞지 않습니다. 축 방향 성분이 상당하면 스러스트 와셔를 지정하십시오.

각 하중이 베어링에 미치는 영향

반경 하중은 하중 구간의 벽 압력, 오일 윤활 베어링의 유체윤활 막, 그리고 운전 틈새를 통해 샤프트가 중심에서 얼마나 벗어나는지를 정합니다. 소재에 비해 반경 하중이 과하면 베어링층의 소성 유동(청동, 바이메탈), 폴리머의 냉간 유동(PTFE, POM), 또는 반복 하중에 의한 피로 균열이 생깁니다. 정렬 불량은 분포된 반경 하중을 내경 한쪽 끝의 에지 하중으로 바꾸며, 이것이 피벗에서 부싱이 일찍 고장 나는 가장 흔한 원인입니다.

축 하중은 스러스트 면의 면압을 정합니다. 스러스트 면은 작고 미끄럼 속도가 반지름과 함께 커지므로, 같은 압력에서 슬리브보다 뜨겁게 운전됩니다. 대개 먼저 넘어서는 것은 하중 한계가 아니라 PV 한계입니다. 윤활제는 슬리브처럼 옆에서 들어올 수 없으므로 반경 방향 그루브로 면 위까지 끌어들여야 합니다.

면압 p와 미끄럼 속도 v는 소재의 p max, v max, (p·v) max와 각각 따로 비교합니다. 한 한계에 도달하면 다른 한계에는 여유가 남지 않습니다.

하중 분포를 바꾸는 요인

공칭 계산은 하중이 투영 면적에 고르게 퍼진다고 가정합니다. 실제로는 여러 요인이 이를 악화시킵니다.

• 샤프트와 하우징의 정렬 불량은 반경 하중을 내경 한쪽 끝에 집중시킵니다(에지 하중). 자동 조심 구조, 더 짧은 부싱 또는 구면 시트가 이를 줄여 줍니다.
• 길이 대 직경 비: 길고 가는 슬리브(L/d 약 1.5 이상)는 정렬 불량에 더 민감하고, 짧은 슬리브(L/d 0.5 미만)는 하중을 덜 받고 윤활제가 더 많이 빠져 나갑니다.
• 운전 틈새: 틈새가 너무 작으면 윤활막이 형성되지 못해 베어링이 소착되고, 너무 크면 샤프트가 중심에서 벗어나 하중이 반전될 때마다 두드리는 충격이 생깁니다.
• 하우징 강성: 얇거나 슬롯이 있는 하우징은 하중 아래에서 부싱이 변형되게 하여 내경이 원형을 유지하지 못합니다.
• 충격과 반전: 반복 하중과 반전 하중은 정하중보다 낮은 압력에서 베어링층을 피로시킵니다. 정하중 한계가 아니라 동하중 한계를 적용합니다.
• 열팽창: 온도가 오르면 샤프트, 부싱, 하우징이 서로 다른 비율로 커져 틈새가 변합니다. 틈새는 조립 온도가 아니라 운전 온도 기준으로 정합니다.

면압 계산 방법

내경 d, 길이 L의 슬리브 부싱이 반경 방향 힘 F를 받을 때 면압은 p = F / (d × L)입니다. 내경 d₁, 외경 d₂의 스러스트 와셔가 축 방향 힘 F를 받을 때 면적은 A = π (d₂² − d₁²) / 4에서 그루브를 뺀 값이고, p = F / A입니다. 회전하는 슬리브의 미끄럼 속도는 v = π d n / 60(d는 m, n은 rpm)이며, 와셔에서는 평균 직경 (d₁ + d₂) / 2를 씁니다.

계산 예: 내경 50 mm × 길이 60 mm의 청동 슬리브가 반경 방향으로 60 kN을 받으면 p = 60,000 / (50 × 60) = 20 N/mm²입니다. 30 rpm에서 미끄럼 속도는 π × 0.050 × 30 / 60 = 0.079 m/s이므로 p·v = 1.6 N/mm²·m/s입니다. 두 값을 선택한 소재의 공표 한계와 비교합니다.

당사의 베어링 하중 계산기가 슬리브와 와셔에 대해 이 계산을 해 줍니다. 운전 조건이 한계에 가깝다면 문의 시 함께 보내주십시오. 그 조건에 대해 소재를 확인해 드립니다.

하중에 맞는 베어링 요소 선택

주로 반경 하중이면 슬리브 부싱을 지정하고 p와 p·v로 사이징하십시오. 무겁고 느린 조건에는 윤활형 청동, 바이메탈 또는 열처리 강, 그리스를 줄 수 없는 조인트에는 PTFE 복합, 흑연 청동 또는 소결 청동입니다. 주로 축 하중이면 같은 소재의 스러스트 와셔를 지정하고 반경 방향 그루브로 윤활제를 면 위까지 끌어들이십시오. 복합 하중이면 추력이 연속적일 때는 슬리브 + 와셔, 위치 고정용이거나 간헐적일 때는 플랜지 부싱을 쓰십시오.

어떤 배치든 문의 시 하중의 방향, 크기, 운전 사이클을 적어 주십시오. 도면은 형상을 보여 주지만, 어떤 소재가 그 안에서 살아남을지는 하중만이 알려 줍니다.