KR101530330B1

KR101530330B1 - 볼 베어링

Info

Publication number: KR101530330B1
Application number: KR1020130168493A
Authority: KR
Inventors: 현준수; 이운주; 박지헌
Original assignee: 주식회사 베어링아트
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-06-22

Abstract

볼 베어링이 개시된다. 반경 방향 외측의 외주면에 내륜 궤도면을 형성한 내륜, 반경 방향 내측의 내주면에 상기 내륜 궤도면에 대응하는 외륜 궤도면을 형성하고, 상기 내륜을 내측으로 끼워서 지지하는 외륜 및, 상기 내륜과 외륜 사이에 상대 회전이 가능하도록 상기 내륜 궤도면과 외륜 궤도면에 수용되어 회전 가능하게 지지된 전동체 볼을 포함하고, 상기 내륜은 탄소(C) 0.95 ~ 1.05 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.25 ~ 0.40 중량%, Cr 1.40 ~ 1.60 중량%를 포함하는 고크롬 합금강으로 제조되어, 저토크 특성을 가진 볼 베어링의 제조가 용이하고, 열변형을 최소한으로 저감할 수 있다.

Description

볼 베어링 {BALL BEARING}

본 발명은 볼 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외륜은 유도 고주파 열처리에 적합한 고청정 합금강으로 제조되고, 내륜은 고크롬 합금강에 표면 질화층을 형성하여 제조한 볼 베어링에 관한 것이다.

일반적으로 베어링은 회전하는 요소와 회전하지 않는 요소 사이에 장착되어 회전하는 요소의 회전을 원활하게 하는 장치로서, 통상적으로는 내륜과 외륜 및, 내륜과 외륜 사이에 배치되는 볼이나 롤러 등과 같은 전동체를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 베어링이 빠른 속도로 회전하는 구동축을 지지하도록 설치되는 경우에는, 예를 들면 자동차의 변속기에 사용되는 경우에는, 베어링 부품들 사이, 즉 내륜과 외륜 및 전동체 사이의 마찰열에 의해 온도가 상승함에 따라 윤활 성능이 저하됨과 더불어 마모가 발생하게 되고, 이러한 마모가 지속적으로 이루어지면 베어링이 제기능을 원활하게 수행하지 못하고 파손될 수 있다.

따라서 베어링은 적절한 베어링 성능을 유지하고 그 수명을 연장시키기 위해 베어링강으로 제작한 다음에 적절한 열처리 공정을 거쳐서 제조하고 있다.

도 1에는 종래 기술에 따른 자동차의 변속기에 사용되는 플랜지형 복열 테이퍼 롤러 베어링의 일 예가 도시되어 있는 바, 종래의 플랜지형 복열 테이퍼 롤러 베어링(100)은, 서로 마주보는 양측면이 개구된 원통 형상의 내륜(110)과, 이 내륜(110)의 외경보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 상기 내륜(110)을 내측으로 끼워서 지지하는 외륜(120)을 포함한다.

상기 외륜(120)의 내주면과 내륜(110)의 외주면 사이에는 반경 방향으로 갭이 형성되고, 상기 갭을 통해 전동체로서 테이퍼 롤러(130)가 삽입되어 상기 외륜(120)의 내주면과 내륜(110)의 외주면 사이에서 회전 가능하게 지지된다.

상기 테이퍼 롤러(130)는 축방향으로 서로 이격되게 배치되고, 반경 방향 외측으로부터 반경 방향 내측으로 소정 각도로 경사지게 배치된다.

상기 테이퍼 롤러(130)는 원주 방향으로 소정 간격을 두고 다수개로 배치되어 하나의 열을 형성하고, 또한 축방향으로 서로 이격되게 배치되어 2열을 구성하게 된다.

상기 테이퍼 롤러(130)가 제자리에서 원활하게 회전할 수 있도록 테이퍼 롤러(130)를 수용하여 지지하기 위해 리테이너 혹은 케이지(135)가 상기 외륜(120)과 내륜(110) 사이에 삽입되어 있다.

또한 상기 외륜(120)의 외주면에는 반경 방향 외측으로 확장된 플랜지(125)가 일체로 형성되어 있다.

상기 외륜(120)은 고크롬 탄소강을 소재로 제조하고 있고, 고크롬 탄소강을 소재로 외륜(120)을 제조한 이후에 적절한 열처리를 통해 외륜(120)의 경도를 향상시킬 필요가 있는 바, 외륜(120)의 플랜지(125)로 인해 외륜(120) 전체에 경화층을 형성시키기가 어렵기 때문에 상기 테이퍼 롤러(130)가 수용되어 지지되도록 외륜(120)의 내주면에 형성한 외륜 궤도에만 경화층을 형성하고 있었다.

또한 상기 내륜(110)도 고크롬 탄소강을 소재로 제조하고 있고, 적절한 열처리를 통해 전경화로 내륜(110)의 경도를 향상시키고 있으며, 특히 내륜(110)의 표면에 질화층을 형성시켜 수명 연장을 도모하고 있었다.

그런데 최근에는 자동차 변속기에 베어링을 적용함에 있어 고부하 특성보다는 저토크 특성이 요구되고 있는 바, 종래의 플랜지형 복열 테이퍼 롤러 베어링은 저토크 요구 특성을 만족시키기가 어려웠고, 저토크 요구 특성을 충족시킬 수 있는 베어링으로서는 테이퍼 롤러 베어링에 비해 40% ~ 50%의 저토크 특성을 가지는 앵귤러 볼 베어링이 적합하지만, 이 앵귤러 볼 베어링은 테이퍼 롤러 베어링보다 수명이 대략 절반 정도로 짧아서 현재의 앵귤러 볼 베어링을 그대로 적용하기에는 부적합한 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로, 저토크 요구 특성을 충분히 만족시킬 수 있고, 적절한 열처리를 통해 경도를 향상시켜 내구성을 증대시키고 수명 연장도 도모할 수 있는 볼 베어링을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 볼 베어링은, 반경 방향 외측의 외주면에 내륜 궤도면을 형성한 내륜, 반경 방향 내측의 내주면에 상기 내륜 궤도면에 대응하는 외륜 궤도면을 형성하고, 상기 내륜을 내측으로 끼워서 지지하는 외륜 및, 상기 내륜과 외륜 사이에 상대 회전이 가능하도록 상기 내륜 궤도면과 외륜 궤도면에 수용되어 회전 가능하게 지지된 전동체 볼을 포함하고, 상기 내륜은 탄소(C) 0.95 ~ 1.05 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.25 ~ 0.40 중량%, Cr 1.40 ~ 1.60 중량%를 포함하는 고크롬 합금강으로 제조될 수 있다.

상기 내륜의 표면에는 0.1 ~ 0.5mm의 질화층이 형성될 수 있다.

상기 내륜의 질화층은, 상기 내륜을 암모니아 가스 분위기에서 고온으로 가열하여 확산시킨 후에 유온으로 냉각하여 형성될 수 있다.

상기 외륜은, 탄소(C) 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용하여 제조될 수 있다.

상기 외륜 궤도면에는 유도 고주파 열처리를 통해 경화층이 형성될 수 있다.

상기 외륜의 경화층은, 균질한 두께를 가지는 균질 경화층 및, 상기 균질 경화층을 기준으로 좌우로 배치되면서 원주 방향으로 외측으로 갈수록 두께가 감소하는 가변 경화층을 포함할 수 있다.

상기 균질 경화층은 상기 전동체 볼의 최대 초기 접촉각을 기준으로 좌우로 40° ~ 50° 범위 내에서 형성될 수 있다.

상기 외륜 궤도면의 소경단부의 모서리부위에는 소정 곡률 반경을 가진 곡면이 형성될 수 있다.

상기 곡률 반경은 상기 전동체 볼의 지름의 8% 이상일 수 있다.

상기 외륜 궤도면은 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 외륜 궤도면을 형성하고, 상기 내륜 궤도면도 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 내륜 궤도면을 형성하며, 상기 전동체 볼은 내륜 궤도면과 외륜 궤도면 사이에서 원주 방향으로 다수개로 배치되어 열을 형성하고, 상기 열이 축방향으로 이격되어 복열을 형성할 수 있다.

상기 외륜의 외주면에는 반경 방향 외측으로 확장된 플랜지가 일체로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 볼 베어링에 의하면, 외륜은 고청정 합금을 사용하여 성형한 다음에 유도 고주파 열처리를 행하여 경도를 향상시키고, 내륜은 고크롬 합금강을 사용하여 성형한 다음에 표면에 질화층을 형성하여 경도를 향상시킴으로써, 볼 베어링의 열처리 및 제조가 용이하고 내구성이 증대되어 수명 연장을 도모할 수 있다.

또한 외륜의 궤도면을 열처리할 때에 전동체 볼의 접촉각을 기준으로 ±20° ~ 25°의 범위에서 균질한 열처리 두께를 가지는 균질 경화층을 형성하고, 상기 균질 경화층을 벗어나는 외륜 궤도면에는 경화층 두께가 서서히 감소되는 가변 경화층을 형성하며, 외륜 궤도면의 소경단부의 모서리부에는 전동체 볼의 지름의 8% 이상의 곡률 반경을 가지는 곡면을 형성함으로써, 열처리 과정에서 발생할 수 있는 열처리 변형을 최소화시킬 수 있고, 열처리 과정에 소경단부에서의 균열과 같은 손상을 방지할 있다.

그리고 외륜의 열처리 후에 외륜의 선삭 및 연삭 취대량을 20% 이상으로 대폭 저감할 수 있으므로, 가공 시간 및 가공 단가를 절감할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 플랜지형 복열 테이퍼 롤러 베어링의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복열 볼 베어링의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 복열 볼 베어링의 외륜 궤도면의 확대 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 볼 베어링은, 서로 마주보는 양측면이 개구된 원통 형상의 내륜(20)과, 이 내륜(20)의 외경보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 상기 내륜(20)을 축방향 내측으로 끼워서 지지하는 외륜(30)을 포함할 수 있다.

상기 내륜(20)의 반경 방향 외측에 위치한 외주면의 일부에는 반경 방향 내측으로 함몰된 형태의 내륜 궤도면(22)이 형성되고, 상기 내륜 궤도면(22)에 대향하는 상기 외륜(30)의 내주면에도 외륜 궤도면(32)이 형성될 수 있다.

상기 외륜 궤도면(32)과 내륜 궤도면(22)은 반경 방향으로 서로 이격되게 배치되어 갭을 형성하고, 상기 갭을 통해 전동체 볼(40)이 삽입되어 외륜 궤도면(32)과 내륜 궤도면(22)에 안착되어 회전 가능하게 지지될 수 있다.

이에 따라 상기 전동체 볼(40)을 매개로 상기 외륜(30)과 내륜(20)은 서로 상대 회전 가능한 구조를 가지게 된다.

상기 외륜 궤도면(32)은 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 외륜 궤도면(32, 32)을 각각 형성하고, 상기 1쌍의 외륜 궤도면(32, 32)은 그 사이 간격의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.

상기 내륜 궤도면(22)도 외륜 궤도면(32)과 마찬가지로 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)을 각각 형성하고, 상기 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)은 그 사이 간격의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.

상기 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)과 외륜 궤도면(32, 32)에 상기 전동체 볼(40)이 수용되어 지지되고, 상기 전동체 볼(40)은 원주 방향으로 다수개로 배열되어 열을 형성하게 되며, 상기 전동체 열은 축방향으로 이격되게 배열되어 복열을 형성하게 된다.

상기 외륜(30)의 반경 방향 외측의 외주면에는 반경 방향 외측으로 확장된 플랜지(34)가 일체로 형성될 수 있다.

상기 플랜지(34)에는 관통하는 조립구멍(36)이 하나 이상으로 형성되어, 외륜(30)을 다른 부품들과 체결할 수 있다.

상기 내륜(20)은 탄소(C) 0.95 ~ 1.05 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.25 ~ 0.40 중량%, Cr 1.40 ~ 1.60 중량%를 포함하는 고크롬 합금강을 사용하여 제작하고, 경도를 향상시키기 위해 표면에 0.1 ~ 0.5mm의 질화층을 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 내륜(20)의 표면에 질화층을 형성시키기 위한 열처리 방법으로서는, 내륜(20)을 고크롬강으로 성형한 다음에 암모니아 가스 분위기에서 고온으로 가열하여 내륜(20)의 표면에 질화층을 확산시킨 후에 유온으로 냉각시키는 것이 바람직하다.

상기 외륜(30)은 탄소(C) 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용하여 제작하고, 적절한 열처리를 통해 경도를 향상시키는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 상기 외륜 궤도면(32)에는 유도 고주파 열처리를 통해 경화층을 형성시켜 경도를 향상시키는 것이 바람직하다.

상기 유도 고주파 열처리를 통한 열변형을 최소한으로 저감하기 위해서는 외륜 궤도면(32)에 최적의 경화층을 형성시키야 하는 바, 본 발명의 실시 예에 따른 복열 볼 베어링을 자동차 변속기에 적용할 경우에 내부 틈새가 없을 때에는 전동체 볼(40)이 외륜 궤도면(32)에 접촉하는 초기 접촉각이 하중에 따라 약 ±6° ~ 7°의 범위로 변화되고, 틈새가 존재할 경우에는 최대 ±15° ~ 16°이하의 범위로 변화하게 된다.

따라서 경화층은 전동체 볼(40)이 외륜 궤도면(32)에 접촉하는 접촉 면적을 고려하여 최대 초기 접촉각에서 ±20° ~ 25°범위(최대 초기 접촉각을 기준으로 좌우로 40° ~ 50°) 내에서 두께가 일정한 균질 경화층(32a)을 형성시키고, 상기 균질 경화층(32a)을 기준으로 원주 방향으로 외측으로는 경화층의 두께가 서서히 감소하는 가변 경화층(32b)을 형성시킴으로써, 외륜 궤도면(32)의 유도 고주파 가열 열처리 과정에 열변형을 최소한으로 저감할 수 있게 된다.

그리고 외륜 궤도면(32)의 순간적인 유도 고주파 가열 및 냉각의 열처리 과정에 균열을 방지하기 위해 소경단부의 모서리부(32c)에는 적절한 곡률 반경(R)을 가진 곡면을 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 곡률 반경(R)은 전동체 볼의 지름(D)의 8% 이상이 되도록 형성하는 하는 것이 바람직하다.

상기 같이 외륜 궤도면(32)을 열처리하면, 열처리 변형을 최소한으로 저감할 수 있을 뿐만 아니라 열처리 이후의 선삭 가공 및 연삭 가공 취대량을 20% 이상으로 줄일 수 있으므로, 가공 시간 및 가공 단가를 저감할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 볼 베어링
20: 내륜
22: 내륜 궤도면
30: 외륜
32: 외륜 궤도면
32a: 균질 경화층
32b: 가변 경화층
34: 플랜지
36: 조립구멍
40: 전동체

Claims

반경 방향 외측의 외주면에 내륜 궤도면을 형성한 내륜;
반경 방향 내측의 내주면에 상기 내륜 궤도면에 대응하는 외륜 궤도면을 형성하고, 상기 내륜을 내측으로 끼워서 지지하는 외륜; 및
상기 내륜과 외륜 사이에 상대 회전이 가능하도록 상기 내륜 궤도면과 외륜 궤도면에 수용되어 회전 가능하게 지지된 전동체 볼을 포함하고,
상기 내륜은 탄소(C) 0.95 ~ 1.05 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.25 ~ 0.40 중량%, Cr 1.40 ~ 1.60 중량%를 포함하는 고크롬 합금강으로 제조되며;
상기 외륜 궤도면에는 유도 고주파 열처리를 통해 경화층이 형성되고;
상기 외륜의 경화층은,
균질한 두께를 가지는 균질 경화층; 및
상기 균질 경화층을 기준으로 좌우로 배치되면서 원주 방향으로 외측으로 갈수록 두께가 감소하는 가변 경화층;
을 포함하는 볼 베어링.
제1항에 있어서,
상기 내륜의 표면에는 0.1 ~ 0.5mm의 질화층이 형성된 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
제2항에 있어서,
상기 내륜의 질화층은, 상기 내륜을 암모니아 가스 분위기에서 고온으로 가열하여 확산시킨 후에 유온으로 냉각하여 형성한 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
제1항에 있어서,
상기 외륜은, 탄소(C) 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
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제1항에 있어서,
상기 균질 경화층은 상기 전동체 볼의 최대 초기 접촉각을 기준으로 좌우로 40°~ 50° 범위 내에서 형성된 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
제1항에 있어서,
상기 외륜 궤도면의 소경단부의 모서리부위에는 소정 곡률 반경을 가진 곡면이 형성된 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
제8항에 있어서,
상기 곡률 반경은 상기 전동체 볼의 지름의 8% 이상인 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
제1항 내지 제4항 및 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외륜 궤도면은 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 외륜 궤도면을 형성하고, 상기 내륜 궤도면도 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 내륜 궤도면을 형성하며,
상기 전동체 볼은 내륜 궤도면과 외륜 궤도면 사이에서 원주 방향으로 다수개로 배치되어 열을 형성하고, 상기 열이 축방향으로 이격되어 복열을 형성하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링.
제1항 내지 제4항 및 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외륜의 외주면에는 반경 방향 외측으로 확장된 플랜지가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 볼 베어링.