KR101104464B1

KR101104464B1 - 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조

Info

Publication number: KR101104464B1
Application number: KR1020090094968A
Authority: KR
Inventors: 이민성
Original assignee: 이민성
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2012-01-12
Also published as: KR20110037493A; DE112010003985B4; WO2011043539A2; DE112010003985T5; WO2011043539A3

Abstract

본 발명은 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조에 관한 것으로서, 상기 볼접촉식 베어링은 상부가 개방되며 내주면에 궤도홈부가 형성되는 외륜과, 상기 궤도홈부를 따라 구름 이동 가능하게 원형으로 배치되며, 리테이너에 의해 그 배치간격이 유지되는 다수의 베어링 볼체, 및 상기 수직회전축에 고정되며, 그 하단 외주면이 원형으로 배치된 다수의 베어링볼체 각각과 접할 수 있는 직경크기를 가짐으로써 상기 다수의 베어링 볼체와 점 접촉되어 회전 가능하게 지지되는 회전축 볼체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 수직회전축의 휨이나 뒤틀림, 지지프레임의 변형 등이 발생하더라도 수직회전축을 안정적으로 지지할 수 있는 효과가 있다.

수지축, 회전축, 베어링, 지지

Description

수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조 {Ball Contact type Bearing and Support Structure for Vertical Shaft}

본 발명은 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 베어링 볼체와 회전축 볼체의 볼 접촉방식의 지지를 통해 수직회전축의 휨이나 뒤틀림과 같은 변형에도 영향을 받지 않고 효율적으로 수직회전축을 지지할 수 있는 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조에 관한 것이다.

일반적으로 수직축 풍력발전기 등과 같은 구조물에서는 회전동력을 수직으로 전달하기 위한 수직회전축이 구비되며, 이러한 수직회전축은 지지프레임에 베어링에 의해 그 하중이 지지되면서 회전 가능하게 설치되고 있다.

통상 베어링은 회전하고 있는 기계의 축(軸)을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 역할을 하는 기계요소로서, 하중의 방향에 따라 축에 대해 직각방향의 하중을 받는 레이디얼(Radial) 베어링과 축에 대해 축방향의 하중을 받는 스러스트(Truss, Trust) 베어링으로 나뉘게 된다.

따라서, 수직회전축의 경우에는 축방향의 하중을 받기 때문에 스러스트 베어링이 사용되는데, 주로 접촉면적이 작아 고속회전에 유리한 스러스트 볼 베어링이 종래 많이 사용되어 오고 있다.

도 8은 이러한 스러스트 볼 베어링을 나타내는 단면도로서, 상기 스러스트 볼 베어링은 궤도륜이 형성되며 수직축이 결합되는 내륜(3)과, 다수의 볼(4)을 내장한 리테이너와, 궤도륜이 형성되며 베어링하우징에 결합되는 외륜(4)으로 이루어져 축방향의 하중을 받으면서 수직축을 회전 가능하게 지지하는 특징을 갖는 주지된 베어링이다.

그런데, 이러한 스러스트 볼 베어링은 내륜(3)의 궤도륜과 다수의 볼(4)이 수직방향의 일방향으로만 접촉되어 수직하중(F)만을 지지할 수 있기 때문에 하중의 분산이 어려우며, 특히, 수직축에 휨이나 뒤틀림 등과 같은 미세한 변형이 발생하게 되면 다수의 볼에 수직하중 외에 다른 방향의 하중이 가해지게 되므로 내륜의 궤도륜과 다수의 볼이 불균일하게 접촉되면서 마찰력이 증가하게 되고 그에 따라 소음이 발생함과 함께 회전이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.

상기한 수직축 풍력발전기 등과 같이 수직회전축이 설치된 모든 구조물은 시간이 경과됨에 따라 필연적으로 온도변화 등에 따른 지지프레임 등 구조물의 변형이 발생하게 되며, 그에 따라 수직회전축을 지지하는 베어링에는 수직하중 뿐만 아니라 수직회전축의 변형에 따른 복합하중이 작용하게 되는데, 종래의 스러스트 베어링을 이용한 지지구조로는 수직회전축의 원활한 회전을 담보하는 것이 매우 어려 운 것이 현실이며, 따라서 수직회전축을 보다 안정적으로 지지할 수 있는 베어링 및 지지구조의 개발이 절실히 요구되는 실정이라 할 것이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구형의 볼과 볼의 접촉 방식을 통해 수직회전축의 변형과 관계없이 보다 안정적으로 수직회전축을 지지할 수 있는 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링을 제공하는 것이다.

또한, 볼접촉식 베어링을 통해 안정적으로 수직회전축을 지지함과 함께 지지프레임과 수직회전축의 간격을 조정할 수 있도록 하여 수직회전체 구조물의 변형이 발생하더라도 수직회전축을 안정적으로 구동시킬 수 있는 수직회전축 지지구조를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링은 수직회전축을 지지하기 위한 베어링에 있어서, 상부가 개방되며 내주면에 궤도홈부가 형성되는 외륜과, 상기 궤도홈부를 따라 구름 이동 가능하게 원형으로 배치되며, 리테이너에 의해 그 배치간격이 유지되는 다수의 베어링 볼체, 및 상기 수직회전축에 고정되며, 그 하단 외주면이 원형으로 배치된 다수의 베어링볼체 각각과 접할 수 있는 직경크기를 가짐으로써 상기 다수의 베어링 볼체와 점 접촉되어 회전 가능하게 지지되는 회전축 볼체를 포함하는 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링이 개시된다.

여기서, 상기 궤도홈부의 하단에는 상기 외륜의 중심방향으로 돌출되어 상기 베어링 볼체의 하향 이탈을 방지하는 볼지지턱이 형성될 수 있다.

또한, 상기 리테이너는 링 형상의 베이스에 상향으로 볼거치대가 마련되고, 상기 다수의 베어링볼체가 삽입되기 위한 다수의 볼수용홈이 상기 볼거치대에 일정간격으로 형성되는 구성으로 이루어지되, 상기 볼거치대는 상기 베이스의 외측방향으로 일정 각도 경사지게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 볼접촉식 베어링을 이용한 수직회전축 지지구조는 상기 수직회전축의 상하측에 상기 볼접촉식 베어링이 각각 설치되되, 하측의 볼접촉식 베어링은 하부 지지프레임에 고정 설치되는 베어링하우징 내부에 결합됨과 함께 회전축 볼체가 상기 수직회전축의 하단에 고정되며, 상측의 볼접촉식 베어링은 상기 수직회전축의 상단에 고정 설치되는 베어링하우징 내부에 결합됨과 함께 회전축 볼체가 상부 지지프레임의 지지대의 하단에 고정되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 상부 지지프레임의 지지대는 볼트 형상으로 이루어져 상부 지지프레임에 결합되는 체결깊이를 조절함으로써 상부 지지프레임과 수직회전축의 간격을 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조는,

다수의 베어링 볼체와 수직회전축의 회전축 볼체가 구형 대 구형의 접촉 방식으로 지지되어 하중이 전달됨으로써 수직회전축의 휨이나 뒤틀림에 따른 변형이 발생하더라도 안정적으로 수직회전축을 지지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 지지프레임 등의 변형이 발생하더라도 지지프레임과 수직회전축의 간격을 적절하게 조절할 수 있기 때문에 수직회전축을 안정적으로 지지 및 구동시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고, 상기와 같이 구조물의 변형과 관계없이 안정적인 사용이 가능하므로 한번 설치 후 시간이 경과되더라도 파손의 염려나 교체할 필요가 없이 장시간 안정적인 사용이 가능한 장점이 있다.

그리고 상기한 바와 같이 구체적으로 명시한 효과 이외에 본 발명의 특징적인 구성으로부터 용이하게 도출되고 기대될 수 있는 특유한 효과 또한 본 발명의 효과에 포함될 수 있음을 첨언한다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수직회전축 지지용 볼접촉식 베어링 및 이를 이용한 수직회전축 지지구조의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예를 설명하는 데 있어서, 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼접촉식 베어링(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너(20)를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 볼접촉식 베어링(100)에 작용하는 하중을 나타내는 도면이다.

상기한 도면들에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 볼접촉식 베어링(100)은 외륜(10)과, 리테이너(20)와, 다수의 베어링 볼체(30)와, 회전축 볼체(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 외륜(10)은 도면에 도시된 것처럼 상부가 개방되어 있으며, 그 내주면에는 궤도홈부(11)가 형성되어 있다.

상기 궤도홈부(11)는 상기 베어링 볼체(30)가 안착 지지될 수 있도록 대략 반원 형상으로 요입되어 형성되며, 그 하단부에는 상기 외륜(10)의 중심방향으로 돌출되도록 볼지지턱(12)이 형성되어 있다.

이러한 볼지지턱(12)은 궤도홈부(11)를 따라 구름 이동하는 상기 베어링 볼체(30)를 상향 지지하여 베어링 볼체(30)가 하향 이탈하는 것을 방지하게 된다.

상기 리테이너(20)는 상기 다수의 베어링 볼체(30)의 위치를 제한하여 다수의 베어링 볼체(30)가 일정한 배치간격을 유지하도록 지지하는 기능을 한다.

이를 위해 상기 리테이너(20)는 도 4에 도시된 것과 같이 링 형상의 베이스(21)와, 상기 베이스(21) 위에 상향으로 연장되는 볼거치대(22)와, 상기 볼거치대(22)에 일정한 간격으로 형성되어 상기 다수의 베어링 볼체(30)를 삽입 장착시키 는 다수의 볼수용홈(23)으로 이루어진다.

그리고 다수의 볼수용홈(23)이 형성된 상기 볼거치대(22)는 상기 베이스(21)로부터 위쪽으로 갈수록 베이스(21)의 외측방향으로 일정한 각도 경사지도록 형성될 수 있다.

상기 다수의 베어링 볼체(30)는 상기한 리테이너(20)의 각 볼수용홈(23)에 삽입 장착이 됨으로써 일정한 간격을 두고 원형으로 배치가 이루어지게 되며, 이렇게 리테이너(20)에 의해 원형으로 배치되어 지지된 다수의 베어링볼체(30)는 상기 외륜(10)의 궤도홈부(11)에 안착되어 궤도홈부(11)를 따라 구름 이동을 하게 된다.

여기서, 상기 베어링 볼체(30)의 수량은 지지하고자 하는 구조물 및 수직회전축의 회전속도, 하중 등을 고려하여 적절하게 채택될 수 있다.

상기 회전축 볼체(40)는 수직회전축(200)에 고정되며, 그 직경은 하부측 외주면 상에서 리테이너(20)에 의해 배치된 상기 다수의 베어링 볼체(30) 각각과 일정 간격으로 접하여 점 접촉이 될 수 있는 정도의 크기를 갖게 된다.

이러한 회전축 볼체(40)는 상기 외륜(10)의 내부에서 상기 다수의 베어링 볼체(30)에 의해 회전 가능하게 지지되도록 설치가 된다.

상기와 같이 회전축 볼체(40)가 상기 베어링 볼체(30)와 접하게 되므로, 다수의 베어링 볼체(30) 각각은 그 외주면의 일측이 상기 회전축 볼체(40)와 접함과 동시에 타측이 상기 외륜(10)의 궤도홈부(11)에 접하면서 구름 운동을 하게 되는 것이다.

한편, 미설명 부호 50은 상기 외륜(10)의 개방된 상단에 결합되는 밀봉시일이다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 볼접촉식 베어링(100)은 회전축 볼체(40)가 방사상에서 다수의 베어링 볼체(30)에 의해 점접촉 지지되고 또한 다수의 베어링 볼체(30)가 궤도홈부(11)를 따라 구름 운동 가능하게 배치되는 구조이기 때문에 회전하는 수직회전축(200)의 하중(F)이 도 5에 도시된 것과 같이 베어링 볼체(30)에 수직으로 작용하지 않고 방사상의 경사각으로 분산되어 하중(F)이 작용하게 됨으로써 마찰력을 감소시켜 보다 원활한 회전이 가능하게 되고, 외륜(10)과 리테이너(20), 리테이너(20)와 회전축 볼체(40) 각각의 간섭없이 구름운동이 다수의 베어링 볼체(30) 전체에 걸쳐 고르게 이루어지기 때문에 전체적인 하중이 고르게 분포되어 원활한 회전이 가능하게 되는 것이다.

또한, 도 5에 도시된 것처럼, 회전하는 수직회전축(200)에 휨이나 뒤틀림과 같은 미세한 변형이 발생하게 되더라도 베어링 볼체(30)와 접촉하는 회전축 볼체(40)의 접촉부위만 미세하게 위치조정이 될 뿐, 구형 대 구형의 접촉을 통한 하중 전달방식이므로 베어링 볼체(30)에 작용하는 방사상의 경사하중에는 변화가 없어 원활한 회전에는 전혀 지장이 없게 된다.

도 6은 상술한 바와 같은 구성의 볼접촉식 베어링(100)을 이용한 수직회전축의 지지구조를 나타내는 구성도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직회전축 지지 구조는 수직축 풍력발전기 등과 같은 구조물에서 지지프레임(300, 400) 상에 설치된 수직회전축(200)을 안정적으로 지지하기 위한 것이다.

상기 도면을 참조하여 살펴보면, 상부 지지프레임(300)과 하부 지지프레임(400) 상에 수직회전축(200)이 회전 가능하도록 상측과 하측에서 각각 전술한 볼접촉식 베어링(100a, 100b)에 의해 지지되어 설치가 된다.

먼저, 수직회전축(200)의 하측 지지구조를 살펴보면, 볼접촉식 베어링(100a)이 베어링하우징(110) 내부에 결합되어 하부 지지프레임(400) 위에 고정 설치가 된다.

이때, 상기 베어링하우징(110)이 하부 지지프레임(400)에 고정 설치되며 볼접촉식 베어링(100a)의 회전축 볼체(40a)는 수직회전축(200)의 하단에 고정이 된다.

다음으로, 수직회전축(200)의 상측 지지구조를 살펴보면, 볼접촉식 베어링(100b)이 또한 베어링하우징(120) 내부에 결합되어 상부 지지프레임(400) 아래에 고정 설치가 된다.

그런데, 이때 수직회전축(200)의 상측에 설치되는 볼접촉식 베어링(100b)은 베어링하우징(120)이 수직회전축(200)에 고정되고 회전축 볼체(40b)는 상부 지지프레임(300)의 지지대(310)에 고정되도록 설치가 된다.

상기한 것과 같이 수직회전축(200)의 상측 및 하측에 모두 볼접촉식 베어링(100b, 100a)이 설치되어 수직회전축(200)을 지지하므로, 전술한 것과 같이 수직회전축(200)의 변형이 발생하더라도 수직회전축(200)을 안정적으로 지지할 수 있어 원활한 회전구동이 이루어지게 된다.

한편, 상기 지지대(310)는 상부 지지프레임(300)에 볼트 체결을 통해 관통 결합될 수 있도록 볼트 형상을 가져 너트(320)를 통해 결합되는 것이 바람직하다.

이를 통해 도 7에 도시된 것과 같이, 온도변화 등에 따라 지지프레임(300, 400) 등의 변형이 발생하는 경우 상기 지지대(310)의 체결깊이를 상하로 조절함으로써 상부 지지프레임(300)과 수직회전축(200)의 간격을 적절하게 조정하는 것이 가능해진다.

이상으로 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예 및 도면들에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것이라 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼접촉식 베어링을 나타내는 도면,

도 2는 도 1의 각 구성부분을 분해 도시한 도면,

도 3은 도 1의 단면을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리테이너를 나타내는 도면,

도 5는 볼접촉식 베어링에 작용하는 하중을 나타내는 도면,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직회전축 지지구조를 나타내는 도면,

도 7은 지지대의 체결깊이 조절을 통한 지지프레임과 수직회전축의 간격 조정을 나타내는 도면,

도 8은 종래의 스러스트 볼 베어링을 나타내는 도면이다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊

10: 외륜

11: 궤도홈부

12: 볼지지턱

20: 리테이너

30: 베어링 볼체

40: 회전축 볼체

Claims

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상부가 개방되며 내주면에 궤도홈부(11)가 형성되는 외륜(10)과; 상기 궤도홈부(11)를 따라 구름 이동 가능하게 원형으로 배치되며, 리테이너(20)에 의해 그 배치간격이 유지되는 다수의 베어링 볼체(30)와; 하부측 외주면이 원형으로 배치된 다수의 베어링볼체(30) 각각과 접할 수 있는 직경크기를 가짐으로써 상기 다수의 베어링 볼체(30)와 점 접촉되어 회전 가능하게 지지되는 회전축 볼체(40);를 포함하는 볼접촉식 베어링(100)을 이용한 수직회전축(200)의 지지구조에 있어서,

상기 수직회전축(200)의 상측과 하측에 상기 볼접촉식 베어링(100)이 각각 설치되되,

하측의 볼접촉식 베어링(100a)은 하부 지지프레임(400)에 고정 설치되는 베어링하우징(120) 내부에 결합됨과 함께 회전축 볼체(40a)가 상기 수직회전축(200)의 하단에 고정되며,

상측의 볼접촉식 베어링(100b)은 상기 수직회전축(200)의 상단에 고정 설치되는 베어링하우징(120) 내부에 결합됨과 함께 회전축 볼체(40b)가 상부 지지프레임(300)의 지지대(310) 하단에 고정되는 것을 특징으로 하는 볼접촉식 베어링을 이용한 수직회전축 지지구조.
제 4항에 있어서,

상기 상부 지지프레임(300)의 지지대(310)는 볼트 형상으로 이루어져 상부 지지프레임(300)에 결합되는 체결깊이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 볼접촉식 베어링을 이용한 수직회전축 지지구조.