KR100808523B1 - 가혹한 윤활 상태에서 사용되는 롤링 요소 베어링 - Google Patents

Abstract

롤링 요소 베어링은 각각 궤도가 마련되어 있는 내륜 및 외륜과, 각 궤도륜의 궤도와 접촉하는 일련의 롤링 요소를 포함한다. 롤링 요소와 궤도 사이의 접촉부에는 윤활막이 형성되는데, 이 윤활막은 각 접촉부의 입구 측에 윤활 메니스커스를 형성한다. 이러한 베어링에서는, 가혹한 윤활 상태가 우세하다. 각 롤링 요소의 표면에는 소정량의 윤활제가 채워져 있는 미세한 리세스가 있고, 이 리세스는 궤도륜과 롤링 요소 사이의 접촉부에 의해 형성되는 접촉 영역에서 평탄화되며, 이에 의해 윤활제를 각 접촉부의 입구 측에서 방출하면 메니스커스가 상기 접촉부로부터 더 멀리 이동하게 된다. 이 메니스커스의 이동으로 인하여 각 접촉 영역에서의 윤활막의 두께는 증가하게 되고, 이에 따라 베어링의 윤활 상태가 개선된다.

Description

가혹한 윤활 상태에서 사용되는 롤링 요소 베어링{ROLLING ELEMENT BEARING HAVING STARVED LUBRICATION CONDITIONS}

본 발명은 가혹한 윤활 상태에서 작동하는 롤링 요소 베어링에 관한 것이다.

이러한 경우에, 롤링 요소와 궤도륜 사이의 접촉에 의해 형성되는 접촉 영역에서 충분한 두께의 윤활막을 형성하기 위해, 인입 접촉부의 입구 측에서 사용할 수 있는 윤활제는 충분하지 않다. 정상 작동 상태에서는, 궤도륜과 롤링 요소 사이의 막 두께는 접촉 형상, 점도와 같은 윤활제 특성, 및 인입 속도(entraining velocity)에 의해 결정된다. 가혹한 윤활 상태에서는, 윤활제의 양도 한 역할을 한다.

이러한 경우에, 접촉 영역에서의 윤활막의 두께는 매우 작아져서, 롤링 요소와 궤도륜의 표면 또는 그 표면의 돌기부(asperity)가 접촉하게 된다. 그 결과, 부착 마모 또는 표면 손상에 의해 베어링 수명이 단축된다.

또한, 막 두께가 감소하면 오염에 의해 수명이 단축되게 된다. 큰 입자들은 더 이상 접촉부를 자유롭게 통과할 수 없고, 이 입자들은 다시 베어링 수명을 단축시킬 수 있는 덴트(dent)를 유발시킨다.

가혹한 윤활 상태는 몇 가지 이유에 기인할 수 있다. 예를 들어, 단순히 베어링 윤활제의 양이 너무 적을 수 있다. 가혹한 윤활 상태는 적절한 리플로우(re-flow)의 부족으로 인해 발생할 수도 있다. 롤러가 베어링의 주행 궤도를 반복하여 롤링하면 윤활제가 주행 궤도로부터 부분적으로 유출된다. 후속하는 롤러의 속도가 높거나, 윤활제의 점도가 크면, 윤활제가 주행 궤도로 다시 유입될 시간이 없다. 이러한 롤러에서의 윤활제 잔류량은 너무 적고, 이것은 롤러가 원하는 두께의 막을 형성할 수 없다는 것을 의미한다.

이러한 문제점은 그리스(grease)가 주행 궤도의 측부로 밀어지고 단지 소량의 그리스만이 주행 궤도 내에서 흐르거나 남아 있는 그리스 윤활 베어링에서 훨씬 악화된다.

본 발명의 목적은 가혹한 윤활 상태에서도, 베어링이 여전히 허용 수명을 가질 수 있도록, 상기 문제점의 해법을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 각각 궤도가 마련되어 있는 내륜 및 외륜과, 이들 각 궤도륜의 궤도와 접촉하는 일련의 롤링 요소를 포함하고, 롤링 요소와 궤도 사이의 접촉면에 윤활막이 마련되며, 상기 윤활막은 각 접촉부의 입구 측에서 윤활 메니스커스(meniscus)를 형성하고, 이 윤활 메니스커스는 비윤활 상태로부터 윤활 상태로의 전이부로서 형성되며, 가혹한 윤활 상태가 우세하고, 상기 각 롤링 요소의 표면에는 소정량의 윤활제가 채워져 있는 미세한 리세스가 마련되어 있으며, 상기 리세스는 롤링 요소와 궤도륜 사이에서의 접촉부에 의해 형성되는 접촉 영역에서 평탄화되고, 이에 의해 각 접촉부의 입구 측에서 윤활제가 방출되어 메니스커스가 상기 접촉부로부터 더 멀리 이동하게 되고, 이러한 메니스커스의 이동은 각 접촉 영역에서 윤활막 두께를 증가시키는 것인 롤링 요소 베어링에 의해 달성된다.

접촉 영역에서의 증가된 막 두께로 인하여, 금속 대 금속의 접촉 위험이 감소하고 베어링 수명은 증가한다.

미세한 리세스가 있는 볼을 구비하는 롤링 요소 베어링은 그 자체로 공지되어 있다. 그러나, 이러한 롤링 요소 베어링이 가혹한 윤활 상태 하에서 더 양호하게 거동한다는 것은 알려져 있지 않다. 따라서, 본 발명에 따르면, 가혹한 윤활 상태와 조합하여 미세한 표면 리세스가 있는 롤링 요소 베어링이 제공되는데, 상기 가혹한 윤활 상태라는 것은 윤활막의 두께가 표면에 리세스가 없는 경우 통상적으로 접촉면을 완전히 분리시키기에는 너무 얇다는 것이다.

전술한 바와 같이, 가혹한 윤활 상태의 경우에, 궤도륜과 롤링 요소 사이의 접촉부에는 접촉면을 적절하게 분리시키기에는 너무 적은 윤활제가 사용될 수 있다. 이러한 가혹한 윤활 상태는 메니스커스 위치에서 압력 구배를 사용하여 정할 수 있다. 충분한 윤활제를 사용하는 경우, 완전한 만액 접촉(fully flooded contact)이 얻어지는데, 이것은 압력 조성 시작 지점에서 압력 구배가 제로라는 것에 특징이 있다. 그러나, 가혹한 윤활 상태의 경우에, 이 압력 구배는 제로가 아니다. 접촉부로부터 원하는 거리에 위치하는 메니스커스를 얻는 데에 불충분한 윤활제를 사용할 수 있다. 메니스커스와 롤링 요소의 인접 표면과 링 사이의 윤활제 용적은 접촉부 지점에서 그것을 적절하게 분리시키기에는 충분하지 않다.

가혹함을 정의하는 다른 방법은 윤활막의 두께와 갭의 비율로서 정해지는 부분 충전율(filled fraction content)을 고려하는 것이다. 다음에, 메니스커스는 막 두께가 갭으로부터 이탈하는 지점으로서 정해진다. 이 지점이 헤르츠 접촉(Hertzian contact)에 가까우면, 그 접촉은 가혹한 것으로 불린다.

그러나, 본 발명에 따르면, 접촉부에서 부하를 받는 상태 하에서 어느 정도 평탄화되는 표면 리세스로부터 유출되는 추가의 미세한 양의 오일만큼 오일 양을 공급한다. 이 미세한 양은 전술한 바와 같이, 접촉부로부터 멀어지게 메니스커스를 이동시키고, 이로 인하여 가혹한 상태 하에서 접촉면을 더 양호하게 분리시키게 된다.

리세스는 임의의 적절한 형태를 가질 수 있고, 임의의 적절한 패턴에 따라 배열될 수 있다.

전술한 바와 같이, 리세스가 소정의 윤활제를 함유하고 있는 경우에 가혹한 윤활 상태 하에서 개선된 윤활 효과를 얻는다. 리세스 내의 윤활제의 가용성을 증진시키기 위해, 리세스의 표면 에너지는 리세스를 포위하는 영역의 표면 에너지와 다른 것이 바람직하다.

예로서 롤링 요소의 표면은 코팅되어 있고, 리세스는 코팅되어 있지 않다.

특히, 코팅은 다이아몬드류의 카본 코팅이고, 리세스는 강 재료를 포함한다.

이하, 도 1 내지 도 5에 도시되어 있는 그래프를 참조하여 본 발명을 더 자세히 설명한다.

도 1은 베어링 축과 수직인 횡단면에서 충분한 윤활 상태 하의 단일 접촉에서 막 두께 및 압력을 개략적으로 도시하고 있다.

도 2는 가혹한 윤활 상태 하의 막 두께 및 압력을 도시하고 있다.

도 3은 도 1 및 도 2를 요약한 도면이다.

도 4는 충분한 윤활 상태에서 궤도에 수직인 횡단면에서의 막 두께를 도시하고 있다.

도 5는 가혹한 윤활 상태에서의 막 두께를 도시하고 있다.

도면에서, H는 접촉 표면 사이의 갭을 지시하고 있다. 완전한 만액 윤활 상태의 경우에는, H는 막 두께에 상응한다. 가혹한 윤활 상태의 경우에는, H는 가압 영역에서의 막 두께에 상응한다.

도 1의 표준 그래프에 있어서, 점선은 리세스가 없는 롤링 요소의 궤도과 롤링 요소 사이의 접촉부에서의 윤활막의 두께에 관한 것이다. 이 접촉부에서, 윤활층의 실제 두께는 약 0.14 ㎛이다.

실선은 롤링 요소에 리세스가 접촉부에 걸쳐 퍼져있는 경우의 막 두께를 나타내는데, 여기서 리세스 위치 X=0에서 스냅샵(snapshot)을 취한다. 명백하게도, 접촉부 내의 윤활층의 두께는 리세스의 존재에 의해 거의 영향을 받지 않는다.

도 2의 결과는 가혹한 윤활 상태의 경우에 접촉부에서의 윤활층의 두께가 심하게 감소하는 것을 보여준다. 리세스가 없는 롤링 요소에 있어서, 두께는 약 0.036 ㎛이고, 일반적으로 이것은 궤도륜과 롤링 요소의 표면을 서로 완전히 분리시키기에는 너무 작다. 따라서, 표면 돌기부가 서로 접촉하여, 베어링 수명을 단축시킨다.

리세스가 있는 롤링 요소 베어링의 경우에, 베어링이 대체로 가혹한 윤활 상태에 있을 지라도, 접촉부의 윤활층의 두께는 상당히 크다. 리세스 위치가 X=0인 롤링 요소 베어링에 관련된 실선은 접촉부의 입구 측에서 약 0.06 ㎛를 나타낸다. 이 바람직한 효과는 리세스로부터 롤링 요소의 전방, 다시 말해서 롤링 요소의 상류에 존재하는 오일 용적으로 오일을 전달함으로써 유발된다. 이 오일 용적은 메니스커스와, 궤도와, 롤링 요소의 표면에 의해 획정된다.

도 3에서는, 완전한 만액 윤활 상태와 가혹한 윤활 상태에 있어서, 접촉부의 위치에서 리세스가 있는 롤링 요소와 리세스가 없는 롤링 요소 사이의 차이를 직접 비교하고 있다.

도 4 및 도 5는 완전한 만액 윤활 상태와 가혹한 윤활 상태에 있어서, 궤도에 수직인 횡단면에서의 막 두께를 보여준다.

도 1 내지 도 4로부터 명백한 바와 같이, 완전한 만액 윤활 상태의 경우, Y=0의 위치에 리세스가 존재하는 것이 리세스 자체의 위치를 제외하고는 별 다른 차이를 만들지 못한다.

도 2로부터 명백한 바와 같이, 가혹한 윤활 상태의 경우에 상류 막 두께는 매끄러운 롤링 요소 표면과 비교할 때 리세스가 있는 롤링 요소 표면의 경우가 더 양호하다.

Claims (11)

1. 각각 궤도가 마련되어 있는 내륜 및 외륜과, 이들 각 궤도륜의 궤도와 접촉하는 일련의 롤링 요소를 포함하고, 롤링 요소와 궤도 사이의 접촉부에는 윤활막이 마련되며, 각 접촉부의 입구 측에서 상기 윤활막은 윤활 메니스커스(lubricant meniscus)를 형성하고, 가혹한 윤활 상태에서, 각 롤링 요소의 표면에는 소정량의 윤활제가 채워져 있는 미세한 리세스가 마련되어 있고, 이 리세스가 롤링 요소와 내륜 및 외륜 사이의 접촉부에 의해 형성되는 접촉 영역에서 평탄화되어 각 접촉부의 입구 측에서 윤활제를 방출하여, 메니스커스가 상기 접촉부로부터 더 멀리 이동하게 되고, 이러한 메니스커스의 이동은 각 접촉 영역에서 윤활막의 두께를 증가시키는 것인 롤링 요소 베어링.
2. 제1항에 있어서, 상기 윤활 메니스커스는 궤도면에 대해 0이 아닌 압력 구배를 형성하는 것인 롤링 요소 베어링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리세스는 임의의 형상인 것인 롤링 요소 베어링.
4. 제3항에 있어서, 상기 리세스는 횡방향 홈을 포함하는 것인 롤링 요소 베어링.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메니스커스를 접촉부로부터 더 멀리 이동시킨 후에 얻어진 상기 윤활막의 두께는 접촉부의 중간에서 0.01 ㎛ 이상인 것인 롤링 요소 베어링.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리세스는 등방성 표면 패턴을 형성하는 것인 롤링 요소 베어링.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리세스는 이방성 표면 패턴을 형성하는 것인 롤링 요소 베어링.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 롤링 요소 또는 궤도륜은 표면 장력에 의해 윤활제 층을 유지하는 것인 롤링 요소 베어링.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리세스의 표면 에너지는 리세스를 포위하는 영역의 표면 에너지와 다른 것인 롤링 요소 베어링.
10. 제9항에 있어서, 상기 롤링 요소의 표면은 코팅되고 리세스는 코팅되지 않거나, 또는, 상기 롤링 요소의 표면은 코팅되지 않고 리세스는 코팅되는 것인 롤링 요소 베어링.
11. 제10항에 있어서, 상기 코팅은 다이아몬드류 카본 코팅이고, 리세스는 강 재료를 포함하는 것인 롤링 요소 베어링.

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