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베어링

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1. 개요

베어링은 회전하거나 직선 운동을 하는 기계 부품을 지지하고, 하중을 지지 구조로 전달하는 데 사용되는 장치이다. 구조에 따라 구름 베어링, 미끄럼 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링 등으로 분류되며, 하중의 종류에 따라 래디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 나뉜다. 베어링은 목재, 청동, 강철, 플라스틱 등 다양한 재료로 제작되며, 윤활, 재료 선택, 모양, 전자기장 등을 통해 마찰을 줄인다. 베어링의 설계는 힘의 크기와 방향, 작동 속도, 허용되는 간극, 강성, 수명 등을 고려하여 이루어지며, SKF, 셰플러 그룹, NSK 등이 주요 제조사이다.

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베어링
베어링
개요
종류구름 베어링
미끄럼 베어링
역할회전 운동이나 직선 운동을 하는 기계 부품의 축을 지지
축과 접촉하는 면의 마찰을 줄임
운동을 원활하게 함
작동 원리
주요 기능상대 운동을 제한
원하는 운동만 가능하도록 함
마찰을 줄임
마찰 감소 방법구름 운동을 이용한 구름 베어링
윤활유를 사용하는 미끄럼 베어링
용도
산업 분야자동차
항공
기계 장비
정밀 기기
관련 기술
윤활베어링 작동 시 마찰을 줄이고 마모를 방지하기 위해 사용
베어링 재료마찰 계수가 낮고 내구성이 뛰어난 재료 사용
베어링과 함께 사용되는 회전 부품
하우징베어링을 지지하고 고정하는 구조물
참고 자료
관련 정보SKF 베어링

2. 역사

베어링은 산업혁명 초기에 새로운 산업 기계가 효율적으로 작동하도록 하는 데 중요한 역할을 했다. 특히 바퀴와 차축 조립체의 마찰을 크게 줄이는 데 사용되었다. 초기에는 나무로 만들어졌지만, 세라믹, 사파이어, 유리 등도 사용되었고, 현대에는 금속, 세라믹, 플라스틱 등 다양한 재료가 사용된다. 베어링의 역사는 다음과 같이 요약될 수 있다.


  • 고대: 나무 롤러 형태의 롤링 베어링이 발명되었고, 고대 이집트에서는 썰매에 롤러 베어링을 사용했다는 추측이 있다. 네미호에서는 회전 테이블을 지지하는 나무 볼 베어링이 발견되었다.
  • 중세 및 르네상스 시대: 레오나르도 다 빈치가 헬리콥터 설계에 볼 베어링을 포함시켰고, 아고스티노 라멜리는 롤러 및 스러스트 베어링 스케치를 출판했다. 갈릴레오 갈릴레이는 케이지에 들어있는 볼 베어링을 설명했다.
  • 근대: 존 해리슨이 실용적인 케이지 롤러 베어링을 발명했고, 필립 보건이 볼 베어링에 대한 최초의 특허를 받았다. 쥘 수리레이는 방사형 볼 베어링에 대한 특허를 받았으며, 프리드리히 피셔는 볼 베어링 산업의 기반을 마련했다. 스벤 윙퀴스트는 자기 정렬 볼 베어링을 설계했고, 헨리 팀켄은 테이퍼드 롤러 베어링에 대한 특허를 받았다. 에리히 프랑케는 와이어 레이스 베어링을 발명했다.
  • 현대: 리차드 스트리벡은 베어링강의 야금학을 연구했고, Bud Wisecarver는 V 홈 베어링 가이드 휠을 만들었으며, Robert Schroeder는 이중 재질 평면 베어링을 발명했다. 오늘날 베어링은 치과용 드릴의 초고속 베어링, 화성 탐사 로버의 항공 우주 베어링, 자동차의 기어박스와 휠 베어링, 광학 정렬 시스템의 플렉서 베어링, 좌표 측정기에 사용되는 공기 베어링등 다양한 분야에서 널리 사용된다.

2. 1. 고대

네미 호수의 로마 배


나무 롤러 형태의 롤링 베어링은 아주 오래전, 아마도 바퀴보다 먼저 발명되었을 것으로 추정된다. 고대 이집트인들이 나무줄기 썰매에서 롤러 베어링을 사용했다는 현대의 추측이 있다. 제후티호테프의 무덤에는 평면 베어링으로 구성되어 있는 액체 윤활 주자와 썰매를 이용하여 거대한 돌덩이를 이동하는 그림이 그려져 있다.[1][2][3][4][3][5] 또한 핸드 드릴에 사용되는 평면 베어링을 보여주는 이집트 그림도 있다.[6]

레오나르도 다 빈치(1452–1519)의 ''볼 베어링 연구'' 그림


복원된 베어링의 가장 오래된 예로는 로마 제국 칼리굴라 황제 (재위 37년 - 41년)가 건조시킨 네미 호수의 로마 배가 서기 40년경 호수 바닥 진흙 속에 가라앉았다가 20세기에 발굴되었을 때 나온 여신상을 회전시키기 위한 회전 테이블의 베어링용 목제 구슬이 있다.[36][37]

레오나르도 다 빈치는 1500년경 헬리콥터 설계에 볼 베어링 그림을 포함시켰는데, 이는 항공우주 설계에서 베어링이 처음 사용된 기록이다. 하지만 아고스티노 라멜리가 롤러 및 스러스트 베어링 스케치를 처음으로 출판한 사람이다.[38] 구슬 베어링에는 구슬끼리 서로 마찰하여 추가적인 마찰이 발생하는 문제가 있지만, 각 구슬을 바구니에 넣어 서로 마찰하지 않도록 하면 문제를 피할 수 있다. 이러한 기술을 채택한 구슬 베어링은 1600년에 갈릴레오 갈릴레이가 처음으로 기술했다.

2. 2. 중세 및 르네상스 시대

레오나르도 다 빈치는 1500년경 헬리콥터 설계에 볼 베어링 그림을 포함시켰는데, 이는 항공우주 설계에서 베어링이 처음으로 사용된 기록이다.[9] 아고스티노 라멜리는 롤러 및 스러스트 베어링 스케치를 처음으로 출판했다.[9] 볼 베어링과 롤러 베어링의 문제점은 볼이나 롤러가 서로 마찰하여 추가적인 마찰을 발생시킨다는 것이다. 이는 각각의 볼이나 롤러를 케이지 안에 넣어 감소시킬 수 있다. 포획되거나 케이지에 들어있는 볼 베어링은 17세기에 갈릴레오가 처음으로 설명했다.[10]

최초의 실용적인 케이지 롤러 베어링은 1740년대 중반에 시계 제작가 존 해리슨이 그의 H3 해상 시계를 위해 발명했다. 이 시계에서 케이지 베어링은 매우 제한적인 진동 운동에만 사용되었지만, 나중에 해리슨은 동시대의 규제 시계에 진정한 회전 운동을 하는 유사한 베어링 설계를 적용했다.[11][12]

2. 3. 근대

레오나르도 다 빈치는 1500년경 헬리콥터 설계에 볼 베어링 그림을 포함시켰는데, 이는 항공우주 설계에서 베어링이 처음으로 사용된 기록이다. 하지만 아고스티노 라멜리가 롤러 및 스러스트 베어링 스케치를 처음으로 출판한 사람이다.[9] 볼 베어링과 롤러 베어링의 문제점은 볼이나 롤러가 서로 마찰하여 추가적인 마찰을 발생시킨다는 것이다. 이는 각각의 볼이나 롤러를 케이지 안에 넣어 감소시킬 수 있다. 포획되거나 케이지에 들어있는 볼 베어링은 17세기에 갈릴레오가 처음으로 설명했다.[10]

최초의 실용적인 케이지 롤러 베어링은 1740년대 중반에 시계 제작가 존 해리슨이 그의 H3 해상 시계를 위해 발명했다. 이 시계에서 케이지 베어링은 매우 제한적인 진동 운동에만 사용되었지만, 나중에 해리슨은 동시대의 규제 시계에 진정한 회전 운동을 하는 유사한 베어링 설계를 적용했다.[11][12]

 윙퀴스트 원본 특허
윙퀴스트 원본 특허 자기 정렬 볼 베어링


볼 베어링에 대한 최초의 특허는 1794년 영국 발명가이자 제철소 주인인 카마선의 필립 보건에게 수여되었다. 그의 것은 최초의 현대식 볼 베어링 설계로, 볼이 차축 조립체의 홈을 따라 움직인다.[10][13]

베어링은 초기 산업혁명에서 중요한 역할을 했으며, 새로운 산업 기계가 효율적으로 작동할 수 있도록 했다. 예를 들어, 이전의 비베어링 설계와 비교하여 마찰을 크게 줄이기 위해 바퀴와 차축 조립체를 고정하는 데 사용되었다.

방사형 볼 베어링에 대한 최초의 특허는 1869년 8월 3일 파리의 자전거 정비사 쥘 수리레이에게 수여되었다. 그런 다음 베어링은 1869년 11월 세계 최초의 자전거 도로 경주인 파리-루앙에서 제임스 무어가 탄 우승 자전거에 장착되었다.[14]

1883년 FAG의 창립자 프리드리히 피셔는 적절한 생산 기계를 사용하여 크기가 같고 정확하게 둥근 볼을 밀링 및 연삭하는 방법을 개발하여 독립적인 베어링 산업의 기반을 마련했다. 그의 고향인 슈바인푸르트는 나중에 세계적인 볼 베어링 생산의 중심지가 되었다.

볼 베어링의 현대적인 자기 정렬 설계는 1907년 스웨덴 특허 제25406호를 받았을 때 SKF 볼 베어링 제조업체의 스벤 윙퀴스트에게 돌아간다.

19세기 마차 제조 분야의 선구자이자 혁신가인 헨리 팀켄은 1898년 테이퍼드 롤러 베어링에 대한 특허를 받았다. 그는 다음 해에 그의 혁신을 생산하기 위한 회사를 설립했다. 1세기가 넘는 시간 동안 이 회사는 특수 강 베어링을 포함한 모든 유형의 베어링과 다양한 관련 제품 및 서비스를 제조하는 회사로 성장했다.

에리히 프랑케는 1934년 와이어 레이스 베어링을 발명하고 특허를 받았다. 그의 초점은 가능한 한 단면이 작고 외부 디자인에 통합될 수 있는 베어링 설계에 있었다. 제2차 세계 대전 후 그는 게르하르트 하이드리히와 함께 프랑케 & 하이드리히 KG(오늘날 프랑케 GmbH)를 설립하여 와이어 레이스 베어링의 개발과 생산을 추진했다.

리차드 스트리벡의 광범위한 연구[15][16]는 일반적으로 사용되는 100Cr6(AISI 52100)[17]의 야금학을 밝혀내어 압력의 함수로서 마찰 계수를 보여주었다.

1968년에 설계되고 1972년에 특허를 받은 Bishop-Wisecarver의 공동 설립자 Bud Wisecarver는 외부 및 내부 90도 V각으로 구성된 선형 운동 베어링의 한 유형인 V 홈 베어링 가이드 휠을 만들었다.[18]

1980년대 초, Pacific Bearing의 창립자 Robert Schroeder는 선형 볼 베어링과 호환되는 최초의 이중 재질 평면 베어링을 발명했다. 이 베어링은 금속 쉘(알루미늄, 강철 또는 스테인리스강)과 얇은 접착제 층으로 연결된 테플론 기반 재료 층을 가지고 있다.[19]

2. 4. 현대

회전 베어링이 평면 베어링 위에서 회전하는 바퀴의 발명보다 먼저 발명되었다는 주장이 있는데, 이는 고대 이집트 문명과 같은 문명에서 썰매 아래에 나무토막을 사용하는 형태의 롤러 베어링을 사용했다는 추측의 근거가 된다. 하지만 이러한 기술 발전 순서를 뒷받침하는 증거는 없다.[1][2][3] 제후티호테프의 무덤에 있는 이집트인들의 그림은 거대한 돌덩이를 썰매 위에서 움직이는 과정을 액체 윤활 주자가 사용되는 것으로 보여주는데, 이것은 평면 베어링에 해당한다.[4][3][5] 또한 핸드 드릴에 사용되는 평면 베어링을 보여주는 이집트 그림도 있다.[6]

평면 베어링을 사용하는 바퀴 달린 차량은 기원전 5000년에서 기원전 3000년 사이에 등장했다.[3]

회전 요소 베어링의 초기 사례로는 로마의 네미호에 있는 네미 선박 유적에서 발견된 회전 테이블을 지지하는 나무 볼 베어링이 있다. 난파선은 기원전 40년 것으로 추정된다.[7][8]

레오나르도 다 빈치는 1500년경 헬리콥터 설계에 볼 베어링 그림을 포함시켰는데, 이는 항공우주 설계에서 베어링의 최초 기록된 사용이다. 하지만 아고스티노 라멜리가 롤러 및 스러스트 베어링 스케치를 처음으로 출판한 사람이다.[9] 볼 베어링과 롤러 베어링의 문제점은 볼이나 롤러가 서로 마찰하여 추가적인 마찰을 발생시킨다는 것이다. 이는 각각의 볼이나 롤러를 케이지 안에 넣어 감소시킬 수 있다. 포획되거나 케이지에 들어있는 볼 베어링은 17세기에 갈릴레오가 처음으로 설명했다.[10]

최초의 실용적인 케이지 롤러 베어링은 1740년대 중반에 시계 제작가 존 해리슨이 그의 H3 해상 시계를 위해 발명했다. 이 시계에서 케이지 베어링은 매우 제한적인 진동 운동에만 사용되었지만, 나중에 해리슨은 동시대의 규제 시계에 진정한 회전 운동을 하는 유사한 베어링 설계를 적용했다.[11][12]

볼 베어링에 대한 최초의 특허는 1794년 영국 발명가이자 제철소 주인인 카마선의 필립 보건에게 수여되었다. 그의 것은 최초의 현대식 볼 베어링 설계로, 볼이 차축 조립체의 홈을 따라 움직인다.[10][13]

베어링은 초기 산업혁명에서 중요한 역할을 했으며, 새로운 산업 기계가 효율적으로 작동할 수 있도록 했다. 예를 들어, 이전의 비베어링 설계와 비교하여 마찰을 크게 줄이기 위해 바퀴와 차축 조립체를 고정하는 데 사용되었다.

방사형 볼 베어링에 대한 최초의 특허는 1869년 8월 3일 파리의 자전거 정비사 쥘 수리레이에게 수여되었다. 그런 다음 베어링은 1869년 11월 세계 최초의 자전거 도로 경주인 파리-루앙에서 제임스 무어가 탄 우승 자전거에 장착되었다.[14]

1883년 FAG의 창립자 프리드리히 피셔는 적절한 생산 기계를 사용하여 크기가 같고 정확하게 둥근 볼을 밀링 및 연삭하는 방법을 개발하여 독립적인 베어링 산업의 기반을 마련했다. 그의 고향인 슈바인푸르트는 나중에 세계적인 볼 베어링 생산의 중심지가 되었다.

볼 베어링의 현대적인 자기 정렬 설계는 1907년 스웨덴 특허 제25406호를 받았을 때 SKF 볼 베어링 제조업체의 스벤 윙퀴스트에게 돌아간다.

19세기 마차 제조 분야의 선구자이자 혁신가인 헨리 팀켄은 1898년 테이퍼드 롤러 베어링에 대한 특허를 받았다. 그는 다음 해에 그의 혁신을 생산하기 위한 회사를 설립했다. 1세기가 넘는 시간 동안 이 회사는 특수 강 베어링을 포함한 모든 유형의 베어링과 다양한 관련 제품 및 서비스를 제조하는 회사로 성장했다.

에리히 프랑케는 1934년 와이어 레이스 베어링을 발명하고 특허를 받았다. 그의 초점은 가능한 한 단면이 작고 외부 디자인에 통합될 수 있는 베어링 설계에 있었다. 제2차 세계 대전 후 그는 게르하르트 하이드리히와 함께 프랑케 & 하이드리히 KG(오늘날 프랑케 GmbH)를 설립하여 와이어 레이스 베어링의 개발과 생산을 추진했다.

리차드 스트리벡의 광범위한 연구[15][16]는 일반적으로 사용되는 100Cr6(AISI 52100)[17]의 야금학을 밝혀내어 압력의 함수로서 마찰 계수를 보여주었다.

1968년에 설계되고 1972년에 특허를 받은 Bishop-Wisecarver의 공동 설립자 Bud Wisecarver는 외부 및 내부 90도 V각으로 구성된 선형 운동 베어링의 한 유형인 V 홈 베어링 가이드 휠을 만들었다.[18]

1980년대 초, Pacific Bearing의 창립자 Robert Schroeder는 선형 볼 베어링과 호환되는 최초의 이중 재질 평면 베어링을 발명했다. 이 베어링은 금속 쉘(알루미늄, 강철 또는 스테인리스강)과 얇은 접착제 층으로 연결된 테플론 기반 재료 층을 가지고 있다.[19]

오늘날 볼 베어링과 롤러 베어링은 회전 부품을 포함한 많은 용도에 사용된다. 예를 들어, 치과 드릴의 초고속 베어링, 화성 탐사 로버의 항공 우주 베어링, 자동차의 기어박스와 휠 베어링, 광학 정렬 시스템의 플렉서 베어링, 좌표 측정기에 사용되는 공기 베어링 등이 있다.

3. 분류

베어링은 운동 방식, 구름체의 종류, 축의 형태 등에 따라 다양하게 분류할 수 있다.


  • 일반적인 유형:

유형설명마찰강성속도수명참고
미끄럼 베어링윤활제를 사용하는 마찰 표면. 일부는 펌핑 윤활을 사용하며 유체 베어링과 유사하게 작동.재료와 구조에 따라 다르며, PTFE의 마찰 계수는 첨가된 충전제에 따라 약 0.05~0.35.마모가 적다면 양호하지만 일반적으로 약간의 여유가 있음.낮음~매우 높음낮음~매우 높음 – 응용 및 윤활에 따라 다름.널리 사용되지만 마찰이 상대적으로 높고 일부 응용 분야에서는 정지 마찰이 발생. 응용 분야에 따라 수명이 구름 베어링보다 길거나 짧을 수 있음.
구름 베어링볼이나 롤러가 회전하는 표면과 정지된 표면 모두에 접촉하여 마찰하는 대신 회전.강철의 회전 마찰 계수는 약 0.005 (씰, 충전된 그리스, 예압 및 정렬 불량으로 인한 저항을 추가하면 마찰이 최대 0.125까지 증가).양호하지만 일반적으로 약간의 여유가 있음.중간~높음 (종종 냉각이 필요)중간~높음 (윤활에 따라 다르며 종종 유지보수가 필요)미끄럼 베어링보다 낮은 마찰로 더 큰 모멘트 하중에 사용됨.
보석 베어링중심에서 벗어난 베어링이 받침대에서 회전.낮음굽힘으로 인해 낮음낮음적절함 (유지보수 필요)시계와 같은 저하중, 고정밀 작업에 주로 사용. 매우 작을 수 있음.
유체 베어링유체가 두 표면 사이에 강제로 주입되고 가장자리 씰에 의해 유지.속도 0일 때 마찰 0, 낮음매우 높음매우 높음 (일반적으로 씰에서/에 의해 초당 수백 피트로 제한)일부 응용 분야에서는 사실상 무한대이며, 일부 경우에는 시동/정지 시 마모될 수 있음. 종종 유지보수가 필요 없음.모래나 먼지 또는 기타 오염 물질로 인해 빠르게 고장날 수 있음. 연속 사용 시 유지보수가 필요 없음. 낮은 마찰로 매우 큰 하중을 처리.
자기 베어링베어링의 표면은 자석(전자석 또는 와전류)에 의해 분리.속도 0일 때 마찰 0이지만, 부상을 위한 일정한 전력이 필요하며, 움직임이 발생할 때 와전류가 종종 유도되지만 자기장이 준정적이면 무시.낮음실제적인 제한 없음무기한. 유지보수가 필요 없음. (전자석 사용 시)능동형 자기 베어링(AMB)은 상당한 전력이 필요. 전자동역학 베어링(EDB)은 외부 전력이 필요하지 않음.
플렉서 베어링재료가 구부러져 움직임을 주고 제한.매우 낮음낮음매우 높음.응용 분야의 재료와 변형률에 따라 매우 높거나 낮음. 일반적으로 유지보수가 필요 없음.제한된 움직임 범위, 백래시 없음, 매우 부드러운 움직임
복합 베어링베어링과 축 사이의 계면에 PTFE 라이너가 있는 미끄럼 베어링 모양으로 적층 금속 백킹이 있음. PTFE는 윤활제 역할을 함.PTFE 및 필요에 따라 마찰을 조정하기 위한 필터 사용.적층 금속 백킹에 따라 다름낮음~매우 높음매우 높음; PTFE 및 충전제는 마모 및 부식 방지 기능을 제공.널리 사용되며 마찰을 제어하고 스틱 슬립을 줄이며 PTFE는 정지 마찰을 줄임.

[21]


  • 기타: 무급유 베어링, 정압 베어링, 함유 베어링 등이 있다.


일본경제신문사의 2018년 추산에 따르면, 세계 베어링 시장 점유율은 1위 SKF(스웨덴, 16.5%), 2위 셰플러(독일, 15.6%)이며, 일본정공, NTN, 제이테크트 등 일본 기업이 3~5위를 차지하여 세계 시장의 약 40%를 점유하고 있다.[34]

3. 1. 구조에 따른 분류

볼 베어링의 동작 원리


베어링은 구조에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • '''구름 베어링(Rolling bearing)'''
  • '''볼 베어링(Ball bearing):''' 구름 베어링의 일종으로, 슬리브 방식보다 내구성(내열성 및 수명)이 좋지만, 소음이 비교적 크다. 내구성이 좋고, 높은 회전을 견딜 수 있어 중앙처리장치 냉각 장치, 하드디스크 모터, CD-ROM 모터 등에 사용된다. 볼의 형태에 따라 2볼 베어링 등 다양한 이름으로 불린다.
  • '''롤러 베어링(Roller bearing):''' 구름 베어링의 일종으로, 볼 베어링의 볼이 들어가는 부분에 원통 모양의 롤러가 들어간다. 내구성이 좋고 큰 중량도 잘 버티므로 자동차 바퀴에 들어간다.
  • '''플레인 베어링(Plain bearing):''' 평평하고 넓은 면으로 축을 지지한다. 접촉 부분이 면이므로 상대적으로 큰 하중을 지지할 수 있다. 자동차의 크랭크 축에 쓰이는데, 이물질에 취약하다.
  • '''유체 베어링(Fluid bearing):''' 금속 사이에 유체가 있어 금속 간 마찰이 없어 소음이 적고 수명이 길지만, 저온에서 정상 작동을 보장하기 힘들고, 기름이 유출되면 더 이상 회전이 불가능하며, 중력 현상으로 인한 금속 마찰이 있을 수 있다. 회전체의 한 점이 회전 중심으로부터 안정적으로 회전할 수 있어, 정밀도와 장수명을 요구하는 하드디스크 모터나 저소음을 요구하는 쿨링팬에 쓰인다.
  • '''자기 베어링(Magnetic bearing):''' 자기 부상을 이용하는 베어링으로, 이론상 마찰이 전혀 없어야 하지만, 실제로는 보조 베어링을 같이 사용한다. 가장 낮은 소음이 기대되는 방식으로 발전소 등의 대형 모터에서 주로 사용되었으나, 최근에는 컴퓨터 케이스 팬에도 이 방식이 적용된 제품이 출시되었다. 10 dB대의 가장 낮은 수준의 소음과 고속 회전이 가능하며, 가장 높은 내구성을 갖춘 것으로 알려져 있다.
  • '''슬리브 베어링 (Sleeve bearing):''' 볼 베어링 방식에 비해 소음이 적지만, 내구성(내열성 및 수명)이 비교적 낮다. 높은 회전 속도에서는 발열이 심해 수명이 급격하게 단축되므로, 일반적으로 높은 회전 속도와 내구성을 요구하지 않는 케이스 팬에 사용된다. 오래되면 내부 오일의 열화로 인해 볼 베어링 방식보다 큰 소음과 진동을 발생시키기도 한다.
  • '''피복 베어링:''' 회전 축의 중심부가 접촉하는 경우가 있다. 반지름 방향이 진동에 따라 중심부에서 윤활유회전 방향이 바뀌며, 이에 따라 마찰력의 방향이 바뀌고 회전축이 불안정해지는 원인이 된다. 또한 중심부의 압력이 매우 높아 윤활유온도가 높아져 유막이 손상될 우려가 있다.

3. 2. 하중 종류에 따른 분류


  • 라디알 베어링: 지름 방향의 하중을 받는다.
  • 스러스트 베어링: 축 방향의 하중을 받는다.


일반적으로 "메탈"이라고 불리는 미끄럼 베어링(평베어링)이나 볼 베어링, 롤러 베어링 등의 구름 베어링 등이 있다.

3. 3. 기타 특징에 따른 분류

무급유 베어링은 윤활유 공급 없이 사용할 수 있는 베어링이다. 정압 베어링은 외부에서 압력을 가하여 작동하는 베어링이다. 함유 베어링은 내부에 기름을 함유하고 있는 베어링이다. 유체동압 베어링은 유체의 압력을 이용하여 작동하는 베어링으로, 하드 디스크 드라이브에 사용된다. 볼부쉬는 직선 운동에 사용되는 베어링이다.

일반적으로 "메탈"이라고 불리는 미끄럼 베어링(평베어링), 볼 베어링, 롤러 베어링 등의 구름 베어링도 기타 특징에 따른 분류에 포함될 수 있다.

4. 설계

베어링 설계는 마찰 감소, 효율성 및 내마모성 향상, 고속 사용, 과열 및 조기 고장 방지 등을 목표로 한다. 베어링 설계 시 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같다.


  • 운동의 종류:
  • 방사형 회전
  • 직선 운동
  • 구면 회전
  • 경첩 운동

  • 마찰 감소 방법:
  • 모양: 구 또는 롤러 사용, 유연 베어링 형성
  • 재질: 표면 마찰이 낮은 플라스틱 등 사용
  • 유체: 윤활유나 가압 매질과 같은 유체층의 낮은 점도 활용
  • 장(場): 자기장과 같은 전자기장 활용
  • 공기압: 공기압 활용

  • 하중: 지지해야 하는 힘의 크기와 방향( 반경 방향, 축 방향(쓰러스트 베어링), 굽힘 모멘트)
  • 속도: 미끄럼 베어링, 구름 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링 등 작동 속도에 따라 다른 유형 사용
  • 간극 (플레이): 용도에 따라 허용 범위가 다름 (예: 손수레 바퀴는 큰 간극 허용, 선반 볼 리드 스크루는 작은 간극 허용)
  • 강성: 가해지는 하중에 따른 부품 사이 거리 변화 (구름 베어링은 볼과 레이스 변형, 유체 베어링은 유체 압력 변화에 의해 강성 발생)
  • 수명: 하중, 온도, 유지보수, 윤활, 재료 결함, 오염, 취급, 설치 등 다양한 요인에 의해 결정됨 (L10 또는 B10 수명으로 지정)


베어링 재료는 매우 다양하며, 각각 다른 특성을 갖는다.

일반적인 베어링 재료[20]
베어링 재료특징장단점
크롬강, 내경경화강마모 및 접착 마모에 대한 내성, 높은 압축 강도, 우수한 피로 수명부식되기 쉬움, 작은 온도 범위
스테인리스강높은 내식성, 고온 작동낮은 하중 지지력, 짧은 피로 수명, 높은 비용
고합금강높은 피로 수명, 고속 작동, 고온 작동높은 비용
스테인리스강 DD400높은 내식성, 향상된 피로 수명, 마모 감소, 진동 및 소음 감소낮은 하중 용량, 높은 비용
세라믹 (질화규소, 지르코니아, 탄화규소)높은 내식성, 가벼움, 높은 내열성, 높은 절연 저항, 우수한 내마모성, 낮은 마찰, 고온 작동낮은 하중 용량, 높은 비용, 열 충격에 민감함
백금속 (바비트 금속)낮은 마찰, 높은 매립성, 높은 적합성, 우수한 압착 저항작은 온도 범위, 낮은 융점
구리-납 합금높은 하중 용량, 높은 피로 저항, 높은 내식성, 높은 압착 저항
청동낮은 마찰낮은 하중 용량
알루미늄 합금높은 열전도율, 높은 압축 강도
높은 열전도율, 높은 피로 저항높은 비용
플라스틱 (나일론, 아세탈, PTFE, 페놀, 폴리아미드, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리카보네이트)낮은 비용, 높은 적합성, 우수한 진동 흡수, 높은 매립성, 가벼움, 우수한 내식성, 우수한 내마모성낮은 열전도율, 작은 온도 범위, 가벼운 하중, 저속, 높은 열팽창, 크리프, 비철금속 샤프트에 대한 높은 접착력
탄소 흑연우수한 내식성, 넓은 온도 범위낮은 매립성



윤활은 그리스, 오일, 슬래시 윤활 등 다양한 방법을 통해 베어링의 마찰을 줄이고 수명을 연장한다. 밀봉 베어링은 먼지 차단 및 그리스 유지를 통해 유지보수 필요성을 줄인다.

4. 1. 운동 (Motions)

베어링에서 허용되는 일반적인 운동은 다음과 같다.

  • 방사형 회전: 샤프트 회전과 같은 예시가 있다.
  • 직선 운동: 서랍과 같은 예시가 있다.
  • 구면 회전: 볼 조인트와 같은 예시가 있다.
  • 경첩 운동: 문, 팔꿈치, 무릎과 같은 예시가 있다.

4. 2. 재료 (Materials)

베어링 재료는 매우 다양하다. 초기에는 나무를 주로 사용했고, 이후 청동이 사용되었다. 현대에는 강철, 청동, 세라믹, 사파이어, 유리 등 다양한 금속과 더불어 나일론, 폴리옥시메틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)과 같은 플라스틱도 베어링 재료로 널리 사용된다.

일반적인 베어링 재료[20]
베어링 재료특징장단점
크롬강 SAE 52100,
내경경화강 SAE 4118
스테인리스강 AISI 440C
고합금강 AISI M-50,
고합금강 M50NiL
스테인리스강 DD400
세라믹: 질화규소, 지르코니아, 탄화규소
백금속 또는 바비트 금속
(소량의 구리, 안티몬, 납 등이 포함된 주석 기반 합금)
구리-납 합금
청동
알루미늄 합금
플라스틱(나일론, 아세탈, PTFE, 페놀, 폴리아미드, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리카보네이트)
탄소 흑연



시계 제작자들은 마찰을 줄여 정밀도를 높이기 위해 사파이어 평면 베어링을 사용한 "보석이 박힌" 시계를 제작하기도 한다.

목재 베어링은 오래된 시계나 물레방아(물이 냉각과 윤활을 제공)와 같이 오늘날에도 여전히 사용되는 곳이 있을 정도로 기본적인 재료도 놀라운 내구성을 가질 수 있다.

4. 3. 윤활 (Lubrication)

일부 베어링은 윤활을 위해 두꺼운 그리스를 사용하는데, 이는 베어링 표면 사이의 틈(패킹이라고도 함)으로 밀어 넣는다. 그리스는 플라스틱, 가죽 또는 고무 개스킷(글랜드라고도 함)에 의해 제자리에 고정되어 그리스가 빠져나가지 않도록 베어링 레이스의 안쪽과 바깥쪽 가장자리를 덮는다. 베어링에는 다른 재료가 채워질 수도 있다. 역사적으로 철도 차량의 바퀴는 기름에 적신 면이나 양모 섬유의 느슨한 조각인 '폐기물'로 채워진 슬리브 베어링을 사용했고, 나중에는 면으로 된 단단한 패드를 사용했다.[22]

베어링은 링 오일러에 의해 윤활될 수 있는데, 이는 베어링의 중앙 회전축에 느슨하게 놓여 있는 금속 링이다. 링은 윤활유가 담긴 챔버에 아래로 처져 있다. 베어링이 회전함에 따라 점성 부착력이 기름을 링을 따라 축으로 끌어올리고, 기름은 베어링으로 이동하여 윤활한다. 과도한 기름은 튀어나와 다시 풀에 모인다.[23]

윤활의 기본적인 형태는 슬래시 윤활이다. 일부 기계에는 바닥에 윤활제 풀이 있으며, 기어가 액체에 부분적으로 잠겨 있거나 장치가 작동할 때 풀로 내려올 수 있는 크랭크 로드가 있다. 회전하는 바퀴는 주변 공기에 기름을 뿌리고 크랭크 로드는 기름 표면을 때려 엔진 내부 표면에 무작위로 튀긴다. 일부 소형 내연 기관에는 기계 내부에 기름을 무작위로 흩뿌리는 특수 플라스틱 ''플링거 휠''이 특별히 포함되어 있다.[24]

고속 및 고출력 기계의 경우 윤활제 손실은 마찰로 인해 베어링의 빠른 가열 및 손상을 초래할 수 있다. 또한, 오염된 환경에서는 기름이 먼지나 이물질로 오염되어 마찰이 증가할 수 있다. 이러한 응용 분야에서는 베어링 및 기타 모든 접촉면에 윤활제를 지속적으로 공급하고, 여분의 윤활제는 여과, 냉각 및 재사용을 위해 수집할 수 있다. 압력 윤활은 오버헤드 밸브 어셈블리와 같이 직접 튀는 기름이 도달할 수 없는 엔진 부분에서 크고 복잡한 내연 기관에 일반적으로 사용된다.[25] 고속 터보차저는 또한 일반적으로 베어링을 냉각하고 터빈의 열로 인해 타는 것을 방지하기 위해 가압 오일 시스템이 필요하다.

복합 베어링은 적층 금속 백킹이 있는 자체 윤활 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 라이너로 설계되었다. PTFE 라이너는 일관되고 제어된 마찰과 내구성을 제공하는 반면, 금속 백킹은 복합 베어링이 견고하고 긴 수명 동안 높은 하중과 응력을 견딜 수 있도록 한다. 또한 설계상 기존의 구름 베어링보다 무게가 1/10에 불과하다.[26]

4. 4. 마찰 (Friction)

베어링의 마찰을 줄이는 것은 효율성을 높이고 마모를 줄이며, 고속에서의 장시간 사용을 용이하게 하고, 베어링의 과열 및 조기 고장을 방지하기 위해 매우 중요하다. 기본적으로 베어링은 모양, 재질, 표면 사이에 유체를 주입하고 포함시키거나, 전자기장으로 표면을 분리함으로써 마찰을 줄일 수 있다.

  • 모양: 구 또는 롤러를 사용하거나, 유연 베어링을 형성함으로써 이점을 얻는다.
  • 재질: 사용된 베어링 재질의 특성을 활용한다. (예: 표면 마찰이 낮은 플라스틱 사용)
  • 유체: 윤활유나 가압 매질과 같은 유체층의 낮은 점도를 활용하여 두 고체 부분이 서로 닿지 않도록 하거나, 그 사이의 수직력을 줄인다.
  • 장(場): 자기장과 같은 전자기장을 활용하여 고체 부분이 서로 닿지 않도록 한다.
  • 공기압: 공기압을 활용하여 고체 부분이 서로 닿지 않도록 한다.


이러한 방법들을 동일한 베어링 내에서 결합하여 사용할 수도 있다. 예를 들어, 케이지가 플라스틱으로 만들어져 롤러/볼을 분리하고, 롤러/볼은 모양과 마감으로 마찰을 줄이는 경우이다. 정확하고 부드러운 회전을 위해 마찰로 인한 에너지 손실과 발열을 줄이고, 부품의 야키츠키(베어링의 과열로 인한 파손)를 방지해야 한다.

4. 5. 하중 (Loads)

베어링 설계는 지지하는 데 필요한 힘의 크기와 방향에 따라 달라진다. 힘은 주로 반경 방향, 축 방향(쓰러스트 베어링) 또는 주축에 수직인 굽힘 모멘트일 수 있다.

4. 6. 속도 (Speeds)

다양한 베어링 유형은 서로 다른 작동 속도 제한을 갖는다. 속도는 일반적으로 최대 상대 표면 속도로 지정되며, 종종 ft/s 또는 m/s 단위로 지정된다. 회전 베어링은 일반적으로 베어링의 평균 직경(종종 mm 단위)을 나타내는 ''D''와 분당 회전 속도를 나타내는 ''N''의 곱인 ''DN'' 값으로 성능을 설명한다.

일반적으로 베어링 유형 간에는 상당한 속도 범위가 중복된다. 미끄럼 베어링은 일반적으로 낮은 속도만 처리하고, 구름 베어링은 더 빠르며, 그 다음에 유체 베어링, 마지막으로 자기 베어링이 오는데, 자기 베어링은 궁극적으로 원심력이 재료 강도를 극복하는 것에 의해 제한된다.

4. 7. 간극 (Play)

일부 응용 분야에서는 다양한 방향에서 베어링에 하중이 가해지며, 가해지는 하중이 변해도 허용되는 플레이(play, 간극) 또는 "슬롭(slop)"이 제한적이다. 운동의 한 원인은 베어링의 간극 또는 "플레이"이다. 예를 들어, 12mm 구멍에 10mm 샤프트가 있다면 2mm의 플레이가 있다.

허용 가능한 플레이는 용도에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 손수레 바퀴는 반경 하중과 축 하중을 지지한다. 축 하중은 좌우로 수백 뉴턴의 힘이 될 수 있으며, 일반적으로 다양한 하중에서 바퀴가 최대 10mm까지 흔들리는 것은 허용된다. 반대로, 선반은 회전 베어링으로 고정된 볼 리드 스크루를 사용하여 절삭 공구를 ±0.002mm까지 위치시킬 수 있다. 베어링은 어느 방향으로든 수천 뉴턴의 축 하중을 지지하며, 그 하중 범위에서 볼 리드 스크루를 ±0.002mm 이내로 유지해야 한다.

4. 8. 강성 (Stiffness)

강성은 베어링에 가해지는 하중이 변할 때 간격이 변하는 정도를 나타내며, 베어링의 마찰과는 구별된다.

베어링 자체의 탄성도 운동의 원인이 된다. 예를 들어, 볼 베어링의 볼은 단단한 고무와 같아서 하중을 받으면 둥근 모양에서 약간 납작한 모양으로 변형된다. 레이스 또한 탄성을 가지며, 볼이 누르는 부분에 약간의 움푹 들어간 부분이 생긴다.

베어링의 강성은 베어링으로 분리된 부품 사이의 거리가 가해진 하중에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다. 구름 베어링의 경우, 이는 볼과 레이스의 변형 때문이다. 유체 베어링의 경우, 이는 유체의 압력이 간격에 따라 어떻게 변하는지에 따라 결정된다(올바르게 하중이 가해지면 유체 베어링은 일반적으로 구름 베어링보다 더 강성이 높다).

4. 9. 수명 (Service Life)

베어링의 수명은 베어링 제조업체가 제어할 수 없는 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 예를 들어 베어링 장착, 온도, 외부 환경 노출, 윤활유 청정도, 베어링을 통한 전류 등이 있다. 고주파 PWM 인버터는 베어링에 전류를 유도할 수 있으며, 이는 페라이트 초크를 사용하여 억제할 수 있다. 미세 표면의 온도와 지형은 고체 부품에 닿아 발생하는 마찰량에 영향을 준다. 특정 요소와 필드는 마찰을 줄이면서 속도를 높인다. 강도와 이동성은 베어링 유형이 지탱할 수 있는 하중을 결정하는 데 도움이 된다. 정렬 요인은 마모에 해로운 역할을 할 수 있지만, 컴퓨터 보조 신호 및 자기 부상 또는 공기장 압력과 같은 비마찰 베어링 유형을 통해 극복할 수 있다.

유체 및 자기 베어링은 실질적으로 무한한 수명을 가질 수 있다. 실제로, 유체 베어링은 1900년경부터 거의 지속적으로 작동해 온 수력 발전소에서 높은 하중을 지탱하며 마모 징후를 보이지 않는다.

구름 베어링의 수명은 하중, 온도, 유지보수, 윤활, 재료 결함, 오염, 취급, 설치 및 기타 요인에 의해 결정된다. 이러한 요인들은 모두 베어링 수명에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 한 애플리케이션에서 베어링의 수명은 설치 및 사용 전 베어링 보관 방법을 변경함으로써 크게 연장되었다. 보관 중 진동으로 인해 베어링에 작용하는 하중이 자체 무게뿐이었음에도 윤활유가 손상되었기 때문이다.[29] 그 결과 발생하는 손상은 종종 가짜 브리넬링이다.[30] 베어링 수명은 통계적이다. 주어진 베어링의 여러 샘플은 종종 종형 곡선의 수명을 나타내며, 일부 샘플은 상당히 더 좋거나 나쁜 수명을 보인다. 거시적으로 동일해 보이는 경우에도 미세 구조와 오염이 크게 다르기 때문에 베어링 수명은 다를 수 있다.

베어링은 종종 "L10"(미국) 또는 "B10"(그 외 지역) 수명으로 지정된다. 이는 해당 애플리케이션에서 베어링의 10%가 고전적인 피로 파손(윤활 부족, 잘못된 장착 등과 같은 다른 파손 모드가 아님)으로 인해 고장날 것으로 예상되는 기간 또는 90%가 여전히 작동할 기간이다. 베어링의 L10/B10 수명은 이론적이며, 베어링의 실제 수명을 나타내지 않을 수 있다. 베어링은 C0(정적 하중) 값을 사용하여 평가되기도 한다. 이것은 기준으로서의 기본 하중 등급이며 실제 하중 값이 아니다.

일반 베어링의 경우 일부 재료는 다른 재료보다 훨씬 더 긴 수명을 제공한다. 일부 존 해리슨 시계는 제작에 사용된 ''라이그넘 비테'' 나무 덕분에 수백 년 후에도 여전히 작동하는 반면, 그의 금속 시계는 잠재적인 마모로 인해 거의 작동되지 않는다.

플렉서 베어링은 재료의 탄성 특성에 의존한다. 플렉서 베어링은 재료 조각을 반복적으로 구부린다. 일부 재료는 낮은 하중에서도 반복적인 구부림 후에 파손되지만, 신중한 재료 선택 및 베어링 설계를 통해 플렉서 베어링 수명을 무기한으로 만들 수 있다.

긴 베어링 수명이 종종 바람직하지만, 때로는 필요하지 않은 경우도 있다. 로켓 모터 산소 펌프용 베어링은 수 시간의 수명을 제공했으며, 필요한 수십 분을 훨씬 초과했다.[29]

맞춤형 사양(후면 재료 및 PTFE 화합물)에 따라 복합 베어링은 유지보수 없이 최대 30년까지 작동할 수 있다.

진동 애플리케이션에 사용되는 베어링의 경우 L10/B10을 계산하는 맞춤형 접근 방식이 사용된다.[31]

많은 베어링은 조기 고장을 방지하기 위해 정기적인 유지보수가 필요하지만, 일부는 유지보수가 거의 필요하지 않다. 후자에는 다양한 종류의 폴리머, 유체 및 자기 베어링, 그리고 "밀봉 베어링" 및 "평생 밀봉"과 같은 용어로 설명되는 구름 베어링이 포함된다. 이러한 베어링에는 밀봉이 포함되어 먼지를 차단하고 그리스를 유지한다. 이들은 많은 애플리케이션에서 성공적으로 작동하여 유지보수가 필요 없는 작동을 제공한다. 일부 애플리케이션에서는 효과적으로 사용할 수 없다.

밀봉되지 않은 베어링에는 종종 그리스 피팅이 있어 그리스 건으로 정기적으로 윤활하거나, 정기적으로 기름을 채울 수 있는 오일 컵이 있다. 1970년대 이전에는 대부분의 기계에서 밀봉된 베어링을 찾아볼 수 없었고, 기름칠과 그리스칠은 오늘날보다 더 흔한 작업이었다. 예를 들어, 자동차 섀시는 엔진 오일 교환만큼 자주 "윤활 작업"이 필요했지만, 오늘날의 자동차 섀시는 대부분 평생 밀봉되어 있다. 1700년대 후반부터 1900년대 중반까지 산업은 기름칠하는 사람이라는 많은 노동자에게 의존하여 기름통으로 기계에 자주 윤활했다.

오늘날 공장 기계는 일반적으로 ''윤활 시스템''을 갖추고 있으며, 여기서 중앙 펌프는 저장소에서 기름이나 그리스의 정기적인 충전을 ''윤활 라인''을 통해 기계의 다양한 ''윤활 지점''인 베어링 표면, 베어링 저널, 베어링 블록 등으로 공급한다. 이러한 ''윤활 사이클''의 시기와 횟수는 PLC 또는 CNC와 같은 기계의 컴퓨터 제어와 때때로 필요한 수동 무효화 기능에 의해 제어된다. 이 자동화된 프로세스는 모든 최신 CNC 공작 기계 및 기타 많은 공장 기계가 윤활되는 방식이다. 비자동 기계에도 유사한 윤활 시스템이 사용되는데, 이 경우 기계 작업자가 하루에 한 번(지속적으로 사용되는 기계의 경우) 또는 일주일에 한 번 펌프질해야 하는 수동 펌프가 있다. 이러한 시스템은 주요 판매 포인트인 "한 번 펌핑으로 전체 기계 윤활"에서 따온 ''원샷 시스템''이라고 한다. 기계 주변의 여러 위치에서 알레미트 건이나 기름통을 여러 번 펌프질하는 대신, 하나의 손잡이를 한 번 당겨 전체 기계에 윤활유를 공급하는 것이다.

최신 자동차 또는 트럭 엔진 내부의 윤활 시스템은 위에서 언급한 윤활 시스템과 개념적으로 유사하지만, 기름이 지속적으로 펌핑된다. 이 기름의 대부분은 엔진 블록 및 실린더 헤드에 드릴링되거나 주조된 통로를 통해 흐르며, 포트를 통해 베어링에 직접 유출되고 다른 곳에 분사되어 오일 욕조를 제공한다. 오일 펌프는 단순히 지속적으로 펌핑하며, 펌핑되는 과도한 오일은 릴리프 밸브를 통해 섬프로 지속적으로 유출된다.

고 사이클 산업 작업에서 많은 베어링은 정기적인 윤활 및 청소가 필요하며, 마모의 영향을 최소화하기 위해 사전 하중 조정과 같은 경우에 따라 주기적인 조정이 필요하다. 베어링이 청결하고 잘 윤활되는 경우 베어링 수명이 훨씬 더 나은 경우가 많다. 그러나 많은 애플리케이션에서는 양호한 유지보수가 어렵다. 한 가지 예로 암석 크러셔의 컨베이어에 있는 베어링은 단단한 마모성 입자에 지속적으로 노출된다. 청소는 비용이 많이 들기 때문에 거의 사용되지 않으며, 컨베이어가 다시 작동되면 베어링이 다시 오염된다. 따라서 양호한 유지보수 프로그램은 베어링에 자주 윤활유를 공급할 수 있지만, 청소를 위해 분해하지는 않는다. 본질적으로 자주 윤활하는 것은 오래된(모래가 채워진) 기름이나 그리스를 새로운 충전물로 대체하여 제한적인 종류의 청소 작업을 제공하며, 이 자체는 다음 사이클에서 대체되기 전에 모래를 수집한다. 또 다른 예로 풍력 터빈의 베어링이 있는데, 이는 나셀이 강풍 지역에서 높이 위치하기 때문에 유지보수가 어렵다. 또한 터빈이 항상 작동하는 것은 아니며 다양한 기상 조건에서 다른 작동 동작에 따라 달라져 적절한 윤활이 어려워진다.[32]

5. 주요 베어링 제조사

세계의 주요 베어링 제조사와 시장 점유율은 다음과 같다.[40]

제조사국가시장 점유율(%)
SKF9.7
셰플러 그룹(Schaeffler Group)7.7
NSK(일본정공)일본6.7
NTN일본4.7
TIMKEN3.8
C&U2.9
JTEKT(제이테크트) (KOYO(코요))일본2.5
MinebeaMitsumi(미네베아ミツ미)일본2.0
Nachi-Fujikoshi(불이코쓰)일본1.0
THK(일본톰슨)일본0.6
다이도메탈공업(大同メタル工業)일본
다이호공업(大豊工業)일본
TPI


  • JTEKT(제이테크트)는 도요타공기와 코요정공이 합병하여 만들어졌으며, KOYO(코요)라는 브랜드명을 사용한다. 주요 판매 회사로는 코요판매(光洋販売) 주식회사가 있다.

참조

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[40] 웹사이트 業界再編の動向・ベアリング https://deallab.info[...]

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