외륜 Creep 방지 베어링 개발(180, NTN)

[ 개발 배경 ]

저 연비화 요구가 높아지는 가운데, 베어링은 내륜과 외륜, 전동체(볼 또는 롤러)로 구성.

일반적으로 내륜이 축과 접하고 외륜이 하우징과 접하는 타입으로 고정.

베어링에 부하되는 하중에 의해 발생하는 외륜의 변형이 진행되어 원래는 슬립이 발생하면 안됨.

외륜이 원주 방향으로 회전하는 경우가 발생하는데, 이런 현상을 CREEP 현상이라고 함.

CREEP는 외륜과 하우징의 접촉면을 마모하여 축의 얼라인 및 하우징의 마모를 밣생.

위의 결과로서, 이음이나 진동의 원인이 되어 "내크립 베어링"에 대한 개발이 필요함.

 최근에는 저연비에 대한 요구가 높아지면서 모터나 변속기 등 소형·경량화가 그 어느때보다 필요한 시점에,  내 클리프 대책이 더욱 시급한 문제가 됨.

 

변속기 등이 소형·경량화되면 그 안에 사용되는 베어링의 외륜이나 이를 지탱하는 하우징이 얇아 지면서, 베어링 강성이 낮아져 점점 클리프가 일어나기 쉬워지기 때문임.

*CREEP에는 내륜과 축 사이에 생기는 것도 있는데, 여기서는 외륜에 생기는 클리프에만 주목.

또, 베어링의 클리프에는 회전 방향과 발생 메커니즘(하중이 걸리는 방법이나 끼움 등)에 의해서 3종류가 있는데 여기에서는 동방향 회전의 클리프 「진행파형 크리프」를 의미함.

 

[ 개발 목표 ]

저비용과 조립 용이성

최근의 내클리프 베어링은 외륜의 외경에 2개의 O링을 끼워 그 사이에 기름 혹은 그리스를 도포하고 O링의 마찰력으로 크립을 억제하는 「AC 베어링(크립 방지 베어링)」등이 일반적임.

위의 타입은 조립성에 대한 이슈가 있음.

 

 

[ 개발 KEY WORD ]

베어링의 외륜 외경면의 일부분에 미세한 홈의 구조를 설계하여서, 클리프의 정지를 실현.

동일 치수의 표준 베어링으로부터의 치환도 가능.
※ 미세한 홈 부분을 고려한 볼 베어링의 면압, 수명 검토 필요

 

CVT 트랜스미션 볼 베어링

자동차의 저연비화/ 비용 절감을 위하여, 모터나 트랜스미션등의 동력 전달 장치의 소형·경량화.

이러한 배경에 의해 베어링 궤도륜이나 동력전달장치의 하우징은 얇아지는 경향이 있음.

장치의 이음이나 진동, 베어링 수명저하 등의 원인이 되는 클리프가 발생.

 

[ 발생 메커니즘에 대한 새로운 접근 방법 ]                                                                                                                  

 

NTN의 과거 연구 성과로부터 아이디어를 얻음.

외륜에 발생하는 클리프는 크게 두 가지 유형.

외륜이 베어링의 회전과 역방향으로 움직이는 타입과 베어링의 회전과 같은 방향으로 움직이는 타입이다. (그림 1)

 

SHAFT 회전 방향과 같은 방향과 역 방향의 CREEP 현상

클리프 손상의 타입은 베어링에 걸리는 하중과 끼움 등의 조건에 따라 결정.

이번에 개발된 내 클리프 베어링은 외륜이 내륜 회전방향과 같은 방향으로 움직이는 타입의 클립(진행파형 크립)을 대책하는 데 사용됨.

이 진행파형 클리프는 하중이 한 방향으로만 걸릴 때 발생함.

진행파형 클리프가 발생하는 메커니즘에 대해서는, 2013년도의 테크니컬 리뷰를 참고.

 

진행파형 클리프는 전동체 하중이 외륜에 작용하는 것이 원인임.

전동체의 하중은 그림 2에 나타난 바와 같이 전동체와 접촉한 외륜을 수미크론(1/1000밀리미터) 레벨로 돌출, 그 결과 외륜의 표면은 물결과 같은 모양으로 변형이 발생함.

그리고 내륜이 회전하면 전동체도 이동하기 때문에 외륜은 전동체에 밀리는 형태로 이동함.

그것이 진행파가 되어 외륜을 움직여 클리프를 발생시킴.

참고로 외륜의 변형이 클수록 클리프의 정도는 커짐.

또한 변형이 커지는 것은 외륜이나 하우징의 강성이 낮은 경우이며,  즉, 외륜이나 하우징이 얇을수록 클리프가 일어나기 쉬워짐.

 

 

 

클리프를 방지를 위하여 이 진행성 클리프에 대한 방지가 필요함.

전동체의 수 등 설계 파라메터를 검토하고,  비용과 조립의 용이성 등 여러 가지 점을 고려해 접근한 결과, 외륜에 미세한 홈을 구성하는 것임.

미세한 홈 구조는 외륜의 표면을 약간 깎아 하우징과 접촉하지 않도록 한 부분이다(그림 3).

진행성 클리프는 외륜의 변형이 하우징과 접함으로써 전해져 가는데, 처음부터 외륜과 하우징이 접촉하지 않으면 진행파는 진행되지 않고 클리프도 발생하지 않는 구조로서, 외륜의 미세한 홈 구조임.

 

 

[ 개발 과정 ]                                                                                                                                                                          

 

개발 공정은 클리프를 재현하는 시험기를 제작하는 데서 시작.

클리프를 재현할 수 있는 시험기가 없으면 개발 베어링과의 비교가 되지 않기 때문임.

 

하우징을 어떤 재질·두께로 만들면 크리프가 생기는지 확인하기 위해 많은 시제품을 만들어 시험함.

시행착오의 결과 하우징에 대하여, 알루미늄제로 얇은 재질로 클리프를 재현함.

 

외륜의 미세한 홈 구조는 크기에 대해서는, 전동체의 간격보다 크면 강도 등을 고려하여, 완성된 것을 시험기에 장착하여 시험함.

외륜의 미세한 홈 구조로 인하여, 실제로 클리프가 멈추면서 이 방향성이 정확하다는 것을 확실히 함.

그 후 계산식과 베어링 제원 등에서 도망치는 부분의 적절한 크기를 계산할 수 있게 됐고, 수치해석 결과도 참고하면서 정량적으로 미세한 홈 구조에 대한  부분의 크기의 정량화가 가능하게 됨.

 

[ 수치해석 접근 방법으로 강도 확인 ]

 

「유한 요소법*4로 모델화해, 외륜이 어떻게 클리프하는지, 미세한 홈 구조 부분을 만들면 클리프가 멈출지 어떤지, 라고 하는 점을 해석으로 검증.

눈으로 볼 수 없는 외륜의 변형이나 반력도 해석을 통해 명확하게 확인함.

 

현실적인 해석 모델을 개발하기 위하여 120개의 조건을 검토함.

미세한 홈 구조의 베어링 강도에 대하여 수치 해석에 의해서 확인하고, 미세한 홈 구조를 만들면 표준베어링의 10배인 인장응력(부재 내부에 생기는 힘)이 발생하는 것으로 나타났으나 파손을 일으키는 수준에 대해서는 몇 배의 안전률을 갖기 때문에 문제가 없는 것으로 확인함.

[ 클리프 가시화의 의미 ]

클리프 현상 자체는 오래전부터 알려졌지만 실제로 클리프가 진행되는 모습을 가시화하고 더 멈추는 모습을 포착한 동영상은 매우 쉽게 다가갈 수 있었음.

 

https://youtu.be/k49gcLq90hE