저연비 목적의 수지 베어링 신개발(127, 2편 NTN)

재료의 선정에서 시작하여 새로운 방향으로 전환

이번 개발이 시작된 것은 2020년 4월이었습니다.

고객의 요구에 따라, 저마찰·저마모의 재료를 커스터마이즈 해 제공할 수 있는 것이 강점입니다.

따라서 이번 안건에 대해서도 당연히 재료 검토부터 시작

저마찰·저마모를 기대할 수 있는 10종류 이상의 재료에 충전제를 첨가해 시제품을 만들어 성능 확인

그런데 좀처럼 생각만큼의 결과를 얻을 수 없고, 재료 배합을 바꾸는 등의 궁리도 시도하지만 시간만 쓸데없이 지나감.

새로운 방향성으로서 나온 것은, 수지제 소재만의 또 하나의 장점, 설계 자유도의 높이를 살리는 개발이다.설계를 생각하는데 있어서 열쇠가 되는 것이 냉각수이다.

이번 베어링은 냉각수를 밀어내는 임펠러에 사용됩니다.

즉 베어링은 항상 냉각수로 채워져 있는 것입니다.그렇다면 이 냉각수를 효과적으로 활용하면 되지 않을까 개발 방향이 좁혀졌습니다.
PPS 수지 재료에는 고체 윤활제 등이 NTN 자체 방법으로 배합돼 수중 사용 시 우수한 저마찰·저마모 특성을 발휘한다.

 

이 특성을 살려 베어링 스러스트면에 항상 냉각수를 개재시키도록 형상을 고안하면 윤활상태가 보다 좋아질 것이다.

 

만일 이 베어링이 냉각수 중이 아닌 무윤활 상태에서 사용된다면 재료 개량이 결정적으로 중요한데 이번에는 냉각수가 있으니 이를 어떻게 활용하느냐가 저토크 실현의 관건입니다.이렇게 방향이 잡히면서 개발에 탄력이 붙었습니다.

 

목표는 저토크 실현을 위해 윤활 상태가 좋아지는 윤활홈 형상 개발이다.

그럼 어떤 홈을 뚫으면 윤활 상태를 베스트로 가져갈 수 있을까.개발은 두 번째 단계로 한 걸음 전진했다.

 

해석에서는 부여될 수 없는 조건이 큰 과제로

저토크화에 관해서는 NTN은 지금까지도 변속기용 씰링을 개발하고 있다.

이 상품은 변속기 안에서 오일을 씰링하기 위한 부재로 링 측면에 윤활홈을 내 저토크화를 실현하고 있다.

이러한 사례도 참고하면서 윤활홈에 의한 저토크화가 새로운 개발 테마가 되었다.

형상 검토는 사내 연구개발 섹션, 그 중에서도 해석을 전문으로 하는 부서의 지원을 받아 진행되었다.

요건을 기재한 사양서를 전달하고 해석을 의뢰했습니다.

해석팀에서는 다양한 시뮬레이션을 반복하여 해석에 기반한 이상적인 홈의 형상을 제안해 줍니다.

이를 바탕으로 시제품을 만들어 실험하고 토크가 얼마나 절감되는지 살펴봤습니다.

이론상 가장 좋은 홈은 홈 안에서 물을 완전히 막아서는 형태로 여겨졌다.이 형상이라면, 밀어넣은 냉각수가 갈 곳이 없기 때문에 가장 압력이 높아진다.

그런데 이론과 현실이 쉽게 일치하는가 하면 결코 그렇게 되지 않는 것이 개발의 어려운 점이다.

왜냐하면 해석으로는 고려할 수 없는 상황이 현실에서는 벌어지기 때문이다.

 

문제가 된 것은 마모 부분의 존재다.

 

베어링 슬러스트면과 베어링 슬러스트면과 직접 접촉하는 상대물의 재질 사이에서는 반드시 마모분이 발생한다.

이를 잘 배출하지 못하면 마찰이 높아진다.

그렇다고 마모분 발생 상황까지를 해석 시 변수로 삼는 것은 현실 문제로 불가능하다.

 

마모 발생 상황은 운전 조건에 따라 달라집니다.

 

그렇기 때문에 이상 형상을 찾아내기 위해서는 해석을 기반으로 하면서 실험을 반복하면서 결과를 검토하는 맞춤형이 필수적입니다.

 

수도 단위로 각도 조절을 반복하여 이상적인 형상 연구

해석으로 형상에 눈독을 들인 뒤에는 꾸준한 실험이 여러 차례 반복.

예를 들어 홈의 경사각도를 수도 단위로 바꾸어 발생토크를 계측

홈의 개수 자체도 검토 조건.

 

갯수를 너무 많이 하면 면압이 너무 많이 가해져 베어링 스러스트면과 스러스트수의 접점이 물빠짐 상태가 된다.

이러면 윤활이 나빠지고 토크가 높아져 버린다.

 

홈의 형상은 10종류 이상으로 홈의 개수도 여러 가지 바꾸면서 오로지 실험을 반복.

마모분 발생 상황은 예상할 수 없기 때문에 좀처럼 생각대로의 결과가 나오지 않아 힘든 시기도 있었다고 회고.

 

시행착오를 반복하는 가운데, 어느 때,"고정 개념으로 되어 있는 막다른 골목의 형상을 그만두면 어떻게 변할까?"라고 고민

 

해석에 근거한 이상형상의 생각과는 상반되지만, 빠져나갈 길이 있으면 마모분을 배출하기 쉬워지고, 게다가 슬라이딩 면에 냉각수를 개재시킬 수 있지 않을까…….

 

해석에 의한 압축, 그 위에서 반복된 실험 끝에 겨우 도달한 이상의 형상.최종적으로는 기존 제품 대비 약 30%의 저토크화

 

 

스러스트면에 설치한 윤활홈 비교
물을 개울가의 도랑 안에 머무른다는 생각에서 물이 빠져나가는 길이 되는 곳에 구배를 줌으로써
마모분을 배출하면서 슬라이딩 면에 냉각수를 개재시키는 데 성공함