KR101585798B1 - 저토크 복합 베어링 - Google Patents

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KR101585798B1
KR101585798B1 KR1020140145082A KR20140145082A KR101585798B1 KR 101585798 B1 KR101585798 B1 KR 101585798B1 KR 1020140145082 A KR1020140145082 A KR 1020140145082A KR 20140145082 A KR20140145082 A KR 20140145082A KR 101585798 B1 KR101585798 B1 KR 101585798B1
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이영근
차철환
박우현
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셰플러코리아(유)
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Abstract

본 발명의 저토크 복합 베어링은 내면에 외륜 롤러 궤도면과 외륜 볼 궤도면이 형성된 외륜과, 외면에 내륜 롤러 궤도면과 내륜 볼 궤도면이 형성된 내륜과, 상기 외륜 롤러 궤도면과 내륜 롤러 궤도면 사이에 구비되는 복수의 롤러로 이루어진 롤러열과, 상기 외륜 볼 궤도면과 내륜 볼 궤도면 사이에 구비되는 복수의 볼로 이루어진 볼열과, 상기 복수의 롤러의 원주 방향 간격과 복수의 볼의 원주 방향 간격을 유지시키도록 외륜과 내륜 사이에 구비되는 리테이너로 이루어지며; 상기 볼열은 롤러열의 대단부 쪽에 구비되며, 볼열은 롤러열로부터 축 방향으로 이격되어 볼과 롤러 사이에는 축방향으로 간격이 형성되는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링을 제공한다.

Description

저토크 복합 베어링{A Low Torque Hybrid Bearing}
본 발명은 저토크 복합 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변속기 등에 구비되어 샤프트를 회전 가능하게 지지하고 내륜과 외륜 사이에 테이퍼진 원추형의 롤러와 볼이 구비되며 반경 방향 하중과 축 방향 하중을 함께 받도록 설계된 저토크 베어링에 관한 것이다.
일반적으로, 테이퍼 롤러 베어링은 변속기 등에 구비되어 회전하는 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 장치로서, 내륜과 외륜 사이에 원추형의 테이퍼 롤러가 구비되어 있다. 이러한 종래의 테이퍼 롤러 베어링은 선 출원된 대한민국 등록특허 10-0649929호에 개시된바 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 테이퍼 롤러 베어링은 외륜(11)과, 내륜(13)과, 리테이너(도시되지 않음) 및 롤러(15)로 구성된다. 외륜(11)은 내경면에 경사지게 내향하는 외륜 궤도면(11-1)을 가지며, 내륜(13)은 외경면에 외륜(11)에 대향하는 내륜 궤도면(13-1)을 갖는다. 상기 내륜(13)의 축방향 일측으로 외주면에는 외향 연장된 큰턱(13-3)이 형성되고, 상기 큰턱(13-3)의 반대측 외주면에는 반경 방향 외향 연장된 작은턱이 형성되며, 상기 큰턱(13-3)과 작은턱은 내륜(13)에 일체로 구비된다.
롤러(15)는 외륜(11)과 내륜(13)의 사이에서 외륜 궤도면(11-1)과 내륜 궤도면(13-1)과 접촉하여 위치한다. 상기 롤러(15)는 내륜(13)의 외주면에 원주 방향으로 서로 일정 간격 이격되어 다수 개로 배치된다. 상기 롤러(15)의 대단경부는 내륜(13)에 형성된 큰턱의 큰턱면에 접촉하여 지지된다. 리테이너는 다수의 롤러(15)를 서로 간섭없이 원주 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하도록 하는 작용을 한다.
상기 롤러(15)는 대단경 단부 측이 내륜(13)의 큰턱면(13-5)에 접하여 구비된다. 상기 롤러(15)의 외주면은 외륜(11)의 외륜 궤도면(11-1)과 내륜(13)의 내륜 궤도면(13-1)에 구름 접촉하며, 상기 롤러(15)의 대단경 단부는 내륜(13)의 큰턱(13-3)에 구비된 큰턱면(13-5)에 미끄럼 접촉을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 볼 베어링은 축 방향 하중이 작은 구간에서는 테이퍼 롤러 베어링에 비하여 마찰 토크가 낮으나 축 방향 하중이 증가할수록 저항 토크가 급격히 증가한다. 반면 테이퍼 롤러 베어링의 경우 축 방향 하중이 작은 구간에서는 비교적 볼 베어링의 마찰 토크보다 높으나, 축 방향 하중이 증가할 때 마찰 토크가 볼 베어링에 비하여 비교적 완만하게 증가한다.
베어링이 자동차용 변속기에 적용될 때 저단(1단 또는 2단)에서 큰 외력이 작용하고 충격 하중도 크므로, 베어링은 안전율 측면에서 저단에서의 외력에 맞추어 설계되고 적용된다. 그러나 실제 구동에서는 외력이나 충격 하중이 작은 고단(5단 이상)에서 사용율이 높게 작동됨으로 실제 요구되는 용량보다 큰 용량의 베어링이 적용되게 된다. 이는 사용율이 높은 5단 이상에서 불필요한 회전 저항만 증대시켜 에너지(차량연비) 손실을 야기하게 된다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 저토크 베어링은 대한민국 등록특허 1352166호에 개시된바 있다.
이하 첨부된 도면에 따라서 저토크 베어링을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 저토크 베어링(20)은 외륜(21)과, 내륜(23)과, 제1전동체열 및 제2전동체열로 이루어진다.
외륜(21)은 내경면에 제1외륜궤도면(21-1)과, 제2외륜궤도면(21-3)을 구비한다. 제1외륜궤도면(21-1)은 경사지게 내향하며, 테이퍼 롤러(15)의 외주면에 구름 접촉을 한다. 제2외륜궤도면(21-3)은 제1외륜궤도면(21-1)으로부터 축방향으로 이격되어 형성되며, 오목하게 만곡지며 내향하여 볼(17)과 접촉을 한다. 상기 제2외륜궤도면(21-3)은 롤러를 기준으로 대경쪽에 제1외륜궤도면(21-1)으로부터 축 방향으로 이격되어 형성된다.
내륜(23)은 외경면에 제1내륜궤도면(23-1)과, 제2내륜궤도면(23-3)을 구비한다. 제1내륜궤도면(23-1)은 제1외륜궤도면(21-1)에 대향하며 경사지게 형성되어, 테이퍼 롤러(15)의 외주면과 구름 접촉을 한다. 제2내륜궤도면(23-3)은 제1내륜궤도면(23-1)으로부터 축방향으로 이격되며, 오목하게 만곡지고, 제2외륜궤도면(21-3)에 대향하고 있다. 상기 제2내륜궤도면(23-3)은 볼(17)과 접한다. 상기 제2내륜궤도면(23-3)은 롤러를 기준으로 대경쪽에 제1내륜궤도면(23-1)으로부터 축 방향으로 이격되어 형성된다.
제1내륜궤도면(23-1)의 대경 측으로부터 축방향으로 이격되어 형성된다.
제1전동체열은 상기 제1외륜궤도면(21-1)과 제1내륜궤도면(23-1) 사이에 구비되며, 제2전동체열은 상기 제2외륜궤도면(21-3)과 제2내륜궤도면(23-3) 사이에 구비된다. 상기 제1전동체열은 다수의 테이퍼 롤러(15)로 이루어지는 테이퍼 롤러열로 구성되고, 제2전동체열은 다수의 볼(17)로 이루어지는 볼열로 구성된다. 상기 테이퍼 롤러(15) 및 볼(17)은 외륜(21)과 내륜(23) 사이에 원주 방향으로 일정 간격 이격되게 구비된다.
상기 제1외륜궤도면(21-1)과, 제1내륜궤도면(23-1)과, 제1전동체열은 테이퍼 롤러 베어링부를 형성한다. 상기 제1전동체열은 제1외륜궤도면(21-1)과 제1내륜궤도면(23-1) 사이에 위치하며 다수의 테이퍼 롤러(15)로 이루어진다. 또한, 상기 제2외륜궤도면(21-3)과, 제2내륜궤도면(23-3)과, 제2전동체열은 볼 베어링부를 형성한다. 상기 제2전동체열은 제2외륜궤도면(21-3)과 제2내륜궤도면(23-3) 사이에 위치하며 다수의 볼(17)로 이루어진다. 또한, 상기 볼 베어링부는 테이퍼 롤러 베어링부의 대단경 쪽으로 위치한다.
상기 외륜(21)과 내륜(23)에 축 방향 하중을 가하여 테이퍼 롤러 베어링부의 제1전동체열이 제1외륜궤도면(21-1)과 제1내륜궤도면(23-1)에 접할 때, 상기 제2외륜궤도면(21-3)과 제2내륜궤도면(23-3) 사이에 위치하는 제2전동체열의 각 볼(17)은 제1전동체열의 각 테이퍼 롤러(15)의 대단면에 접하게 된다. 상기 테이퍼 롤러(15)의 대단면은 볼(17)을 향해 볼록하게 만곡 형성된다.
상기 테이퍼 롤러(15)의 외주면은 제1외륜궤도면(21-1)과 제1내륜궤도면(23-1)에 구름 접촉하고, 테이퍼 롤러(15)의 대단면은 볼(17)에 접촉하며, 볼(17)은 제2외륜궤도면(21-3)과 제2내륜궤도면(23-3)에 구름 접촉하게 된다.
상기 테이퍼 롤러(15)는 축 방향으로 볼(17)에 의해 접촉 지지되며 볼(17)과 접촉하게 된다. 상기 내륜(23)은 별도의 큰턱이 형성되지 않고, 테이퍼 롤러(15)가 축 방향으로 볼(17)에 의해 지지되어 미끄럼 접촉 구간을 갖지 않는다.
상기 외륜(21)과 내륜(23)의 상대적인 회전 시, 테이퍼 롤러(15)와 볼(17)의 공전 속도 및 자전 속도는 동일해짐으로 상기 저토크 베어링(20)이 원활하게 구동된다.
하지만, 상기의 저토크 베어링(20)은 볼 베어링부와 롤러 베어링부의 틈새를 각각 조정할 수 없는 구조이다. 예를 들어 볼 베어링부에 양의 틈새를 적용하면 베어링 전체 폭(총고)이 변하게 되어 틈새는 0(Zero)이 된다. 이는 총고의 변화만 야기할 뿐 볼열에 양의 틈새를 적용하지 못하게 된다. 따라서 외부 하중에 의하여, 테이퍼 롤러 베어링부보다 강성이 작은 볼 베어링부에 과부하가 걸리게 되어 베어링의 내구성 및 구동 안전성이 떨어지는 문제점이 있으며, 뿐만 아니라 롤러 베어링부의 롤러와 볼 베어링부의 볼의 공전속도가 정확하게 일치해야 접점(H)을 유지할 수 있고 충격 및 틸팅에 접점이 어긋나게 되면 예압이 풀어지며 복원이 쉽지 않은 문제점이 있었다. 또한, 구조적으로 두 전동체 열이 공전 운동을 하면서 접점(H)을 유지하기 위해서는 반드시 하나의 케이지에 롤러와 볼을 배치하여야 한다. 이것은, 두 전동체 열의 공전 속도 차이가 발생한다면 케이지 파손 또는 두 열 중에서 한 열의 전동체는 미끄럼 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 0649929호(2006.11.20) 대한민국 등록특허 1352166호(2014.01.09)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 볼열에 과도한 외부 하중(예, 축 방향 하중)이 가해지는 것을 방지하고 마찰 손실을 감소시킬 수 있는 저토크 복합 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 저토크 복합 베어링은 내면에 외륜 롤러 궤도면과 외륜 볼 궤도면이 형성된 외륜과, 외면에 내륜 롤러 궤도면과 내륜 볼 궤도면이 형성된 내륜과, 상기 외륜 롤러 궤도면과 내륜 롤러 궤도면 사이에 구비되는 복수의 롤러로 이루어진 롤러열과, 상기 외륜 볼 궤도면과 내륜 볼 궤도면 사이에 구비되는 복수의 볼로 이루어진 볼열과, 상기 복수의 롤러의 원주 방향 간격과 복수의 볼의 원주 방향 간격을 유지시키도록 외륜과 내륜 사이에 구비되는 리테이너로 이루어지며;
상기 볼열은 롤러열의 대단부 쪽에 구비되며, 볼열은 롤러열로부터 축 방향으로 이격되어 볼과 롤러 사이에는 축방향으로 간격이 형성되는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링을 제공한다.
상기에서, 내륜은 볼열과 롤러열 사이에서 반경 방향으로 외향 돌출되며 롤러의 대단면에 접하는 큰턱면이 형성된 내륜 큰턱부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 외륜은 볼열과 롤러열 사이에서 반경 방향으로 내향되며 롤러의 대단면에 접하는 큰턱면이 형성된 외륜 큰턱부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 상기 외륜은 외륜 롤러 궤도면과 외륜 볼 궤도면이 1개의 링에 형성되어 이루어지며; 상기 내륜은 내륜 롤러 궤도면과 내륜 볼 궤도면이 1개의 링에 형성되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기에서, 외륜이 축방향으로 내륜 쪽으로 가압되어 롤러열을 이루는 롤러가 외륜 롤러 궤도면과 내륜 롤러 궤도면에 접할 때, 볼열은 외륜 볼 궤도면과 내륜 볼 궤도면 사이에서 축 방향 틈새를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 롤러열의 접촉각과 볼열의 접촉각은 같은 방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 리테이너에는 원주 방향을 따라 이격되어 다수의 지지홀이 형성되며, 상기 지지홀 내부에 롤러와 볼은 한 조를 이루어 축 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 롤러 대경면의 중앙부에는 볼과의 간섭을 방지하기 위하여 롤러의 길이 방향으로 오목하게 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기에서, 리테이너는 축 방향으로 롤러열 리테이너와 볼열 리테이너로 분리되어 복수로 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 리테이너에는 롤러가 삽입되는 복수의 롤러 지지홀이 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 볼이 삽입되는 볼 지지홀이 원주 방향으로 이격되어 복수로 형성되며; 상기 롤러 지지홀과 볼 지지홀은 축 방향으로 이격된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 저토크 복합 베어링은 볼열에 과도한 축 방향 하중이 가해지는 것을 방지하고 마찰 토크가 감소하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 테이퍼 롤러 베어링을 도시한 단면도이고,
도 2는 종래의 테이퍼 롤러 베어링과 볼 베어링의 축 방향 하중에 따른 마찰 토크를 도시한 그래프이며,
도 3은 종래의 저토크 베어링을 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 복합 베어링을 도시한 단면도이며,
도 5는 축 방향 하중에 따른 종래의 테이퍼 베어링과 본 발명 저토크 복합 베어링의 롤러열과 볼열의 마찰 토크를 분리하여 도시한 그래프이고,
도 6은 도 5에 도시한 축 방향 하중에 따른 종래의 테이퍼 베어링과 본 발명 저토크 복합 베어링의 마찰 손실을 도시한 그래프이고,
도 7은 축 방향 하중에 대한 종래의 테이퍼 베어링과 본 발명 저토크 복합 베어링의 틈새에 따른 마찰 손실을 도시한 그래프이고,
도 8은 본 발명의 저토크 복합 베어링의 다른 실시예에 따른 저토크 복합 베어링을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 복합 베어링을 도시한 단면도이며, 도 5는 축 방향 하중에 따른 종래의 테이퍼 베어링과 본 발명 저토크 복합 베어링의 롤러열과 볼열의 마찰 토크를 분리하여 도시한 그래프이고, 도 6은 도 5에 도시한 축 방향 하중에 따른 종래의 테이퍼 베어링과 본 발명 저토크 복합 베어링의 마찰 손실을 도시한 그래프이고, 도 7은 축 방향 하중에 대한 종래의 테이퍼 베어링과 본 발명 저토크 복합 베어링의 틈새에 따른 마찰 손실을 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 저토크 복합 베어링의 다른 실시예에 따른 저토크 복합 베어링을 도시한 단면도이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 저토크 복합 베어링을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 복합 베어링(100)은 외륜(110)과, 내륜(120)과, 리테이너(150)와, 롤러열 및 볼열로 이루어진다.
외륜(110)은 반경 방향 내경면에 외륜 롤러 궤도면(111)과, 외륜 볼 궤도면(113)을 구비한다. 외륜 롤러 궤도면(111)은 경사지게 내향하며, 롤러(130)의 외주면에 구름 접촉을 한다. 외륜 볼 궤도면(113)은 외륜 롤러 궤도면(111)으로부터 축방향으로 이격되어 형성되며, 오목하게 만곡지며 내향하여 볼(140)과 접촉을 한다. 상기 외륜 볼 궤도면(113)은 외륜 롤러 궤도면(111)의 대경 쪽으로부터 축방향으로 이격되어 형성된다.
내륜(120)은 반경 방향 외경면에 내륜 롤러 궤도면(121)과, 내륜 볼 궤도면(123)을 구비한다. 내륜 롤러 궤도면(121)은 외륜 롤러 궤도면(111)에 대향하며 경사지게 형성되어, 롤러(130)의 외주면과 구름 접촉을 한다.
상기 내륜 볼 궤도면(123)은 내륜 롤러 궤도면(121)으로부터 축 방향으로 이격되며, 오목하게 만곡지고, 외륜 볼 궤도면(113)에 반경 방향으로 대향하여 형성된다. 상기 내륜 볼 궤도면(123)은 볼(140)과 접한다. 상기 내륜 볼 궤도면(123)은 내륜 롤러 궤도면(121)의 대경측으로부터 축방향으로 이격되어 형성된다.
상기 내륜 롤러 궤도면(121)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에는 큰턱부(125)가 구비된다. 상기 큰턱부(125)는 반경 방향 외향 돌출되어 구비된다. 상기 큰턱부(125)에는 롤러(130)의 대경측을 향하여 큰턱면(125a)이 형성된다. 상기 큰턱면(125a)에는 상기 롤러(130)의 대경면이 미끄럼 접촉된다.
상기 외륜(110)은 외륜 롤러 궤도면(111)과 외륜 볼 궤도면(113)이 1개의 링에 형성되어 이루어진다.
상기 내륜(120)은 내륜 롤러 궤도면(121)과 내륜 볼 궤도면(123)이 1개의 링에 형성되어 이루어진다.
따라서 외륜(110)과 내륜(120)에 각각 1개의 지석으로 롤러 궤도면과 볼 궤도면을 동시에 연삭 가능하여 볼열의 틈새 관리가 용이하며, 내륜과 외륜의 폭면에 대한 엄격한 관리 없이 볼열의 틈새 관리가 용이하다.
상기 롤러(130) 및 볼(140)은 리테이너(150)에 의해 각각 서로 원주 방향으로 이격되게 지지된다. 상기 리테이너(150)에는 원주 방향으로 이격되어 다수의 지지홀(도시되지 않음)이 형성된다. 상기 지지홀의 형상은 대략 사다리꼴의 형상을 이룬다. 롤러(130) 및 볼(140)은 지지홀 내부에 한 조를 이루어 배치된다. 상기 롤러(130) 및 볼(140)은 리테이너(150)에 의해 한 조를 이룬 상태에서 원주 방향으로 이격된 상태로 배치될 수 있다.
상기 리테이너(150)에는 롤러(130)가 삽입되어 지지되는 롤러 지지홀이 원주 방향으로 이격되어 복수로 형성된다.
상기 리테이너(150)에는 볼(140)이 삽입되어 지지되는 볼 지지홀이 원주 방향으로 이격되어 복수로 형성된다.
상기 롤러 지지홀과 볼 지지홀은 축 방향으로 이격되어 형성된다.
상기 롤러 지지홀은 사다리꼴 형상으로 형성된다.
상기 볼 지지홀은 원형의 형상으로 형성된다.
상기 롤러 지지홀과 볼 지지홀은 원주 방향으로 엇갈리어 구비될 수 있다.
상기 리테이너(150)는 롤러 지지홀이 형성된 롤러열 리테이너와 볼 지지홀이 형성된 볼열 리테이너가 축 방향으로 분리되어 별도로 구비될 수도 있다.
상기와 같이 롤러열 리테이너와 볼열 리테이너가 축 방향으로 이격되어 별도로 구비되었을 시 롤러열 리테이너에 형성된 롤러 지지홀의 개수와 볼열 리테이너에 형성된 볼 지지홀의 개수는 같거나 다를 수 있다.
상기 롤러열은 상기 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121) 사이에 구비되며, 볼열은 상기 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에 구비된다. 상기 롤러열은 외주면이 테이퍼 가공된 다수의 롤러(130)로 이루어지고, 볼열은 구 형체를 이루는 다수의 볼(140)로 이루어진다.
상기 볼(140)이 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123)에 접촉되어 이루어지는 볼열에 발생되는 예압은, 상기 롤러(130)의 외주면이 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121)에 접촉되어 이루어지는 롤러열의 예압보다 작다. 내륜(120)에 (A)방향과 외륜(110)에 (B)방향으로 하중이 가하여 롤러(130)가 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121)에 접한 상태에서, 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에 구비되는 볼(140)은 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에서 축 방향으로 틈새(t2)가 형성된다. 볼열의 축 방향 틈새는 약 20㎛가 바람직하다. A방향과 B방향으로 축 방향 하중이 커지게 되면 틈새가 감소하면서 틈새가 없어지게 되고 하중이 더 증가하면 볼열과 롤러열이 함께 하중을 분배하여 지지하게 된다. 볼(140)은 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에서 축 방향으로 형성되는 틈새(t2)를 나타내기 위하여 도 4에서 실제보다 과장되게 도시하였다.
볼열의 축 방향 틈새는 내륜(120)에 (A)방향의 하중을 가하고 외륜(110)에 (B)방향의 하중을 가하여, 롤러(130)가 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121)에 접할 때, 볼(140)을 축 방향으로 이동시켰을 때의 축 방향 이동량을 의미한다.
상기 롤러열의 롤러(130)와 상기 롤러(130)의 대경면에서 축 방향으로 이격되어 설치되는 상기 볼열의 볼(140)의 사이에 간격(t)이 형성된다.
상기의 구조를 통하여, 본 발명의 저토크 복합 베어링(100)은 볼열과 롤러열의 내부 분력을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 외부 하중에 따라 롤러열과 볼열의 강성 차이를 활용할 수 있다.
상기 롤러열의 접촉각과 볼열의 접촉각은 같은 방향으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
도 5 및 도 6을 참조하여 축 방향 하중에 따른 종래의 테이퍼 베어링(10)과 본 발명의 저토크 복합 베어링(100)의 롤러열과 볼열에서 발생하는 마찰 토크(마찰 손실)를 설명한다. 마찰 손실은 베어링의 마찰 토크를 손실 일로 환산한 값이며, 환산식에 대한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6에 도시한 그래프는 테이퍼 롤러 베어링과 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링에 대한 해석 결과이다. 테이퍼 롤러 베어링과 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링은 동일한 내경, 외경, 전체폭을 가진다. 테이퍼 롤러 베어링의 동정격하중(C)은 41,000N, 정정격하중(C0)은 54,000N이고, 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링의 동정격하중(C)은 42,000N, 정정격하중(C0)은 52,500N으로서, 거의 같은 정격하중을 갖는다. 도 5 및 도 6 그래프에서 좌측의 빗금 친 영역은 고단(5단 및 6단) 영역을 나타내며, 우측의 빗금 친 영역은 저단(1단) 영역을 나타낸다. 본 발명에 따른 저토크 복합 베어링에서 볼열의 축 방향 틈새는 20㎛이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 테이퍼 베어링은 축 방향 하중이 증가하면서 마찰 토크(마찰 손실)도 완만하게 증가한다. 본 발명에 따른 저토크 복합 베어링을 보면, 롤러열의 마찰 토크(마찰 손실)은 축 방향 하중이 증가함에 따라 완만하게 증가한다. 그리고 볼열의 마찰 토크(마찰 손실)도 축 방향 하중이 증가함에 따라 완만하게 증가하였다.
일반적으로 볼 베어링의 마찰 토크(마찰 손실)는 축 방향 하중이 증가하면 급격하게 증가하나, 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링에서는 축 방향 하중을 롤러열에서 분담하는 한편 볼열이 초기 축 방향 틈새를 가짐으로써 볼열에서의 마찰 토크(마찰 손실)도 완만하게 증가하였다.
도 6을 참조하여 본 발명의 저토크 복합 베어링(100)과 테이퍼 베어링(10)의 축 방향 하중에 따른 마찰 토크(마찰 손실)을 살펴보면, 종래의 테이퍼 베어링(10)의 마찰 토크(마찰 손실)에 대하여 저토크 복합 베어링(100)의 마찰 토크(마찰 손실)는 축 방향 하중이 가장 큰 구간에서는 차이가 비교적 크지 않으나 축 방향 하중이 작아질수록(고단으로 갈수록) 마찰 토크(마찰 손실)의 차이는 더욱 커지게 되어 본 발명에 따른 저토크 복합 베어링(100)은 테이퍼 베어링(10)보다 마찰 토크(마찰 손실)가 약 24% 감소하게 되는 효과가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 변속기에 있어서 사용 빈도가 많은 고단에서 마찰 토크(마찰 손실)가 감소함으로써 자동차의 연비가 향상되는 효과가 발생할 수 있다. 일반적으로 6단 변속기에서 고단(5단 및 6단)의 사용빈도는 약 70% 이상이다.
도 7에 도시한 그래프는 테이퍼 롤러 베어링과 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링에 대한 해석 결과이며, 테이퍼 롤러 베어링과 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링은 동일한 내경, 외경, 전체폭을 가진다. 테이퍼 롤러 베어링의 동정격하중(C)은 41,000N, 정정격하중(C0)은 54,000N이고, 본 발명에 따르는 저토크 복합 베어링의 동정격하중(C)은 42,000N, 정정격하중(C0)은 52,500N으로서, 거의 같은 정격하중을 갖는다.
저토크 복합 베어링에 대해서는 볼열을 이루는 볼의 축 방향 틈새가 20㎛, 0㎛, -20㎛인 경우에 대하여 마찰 토크(마찰 손실)을 대비하였다. 볼열을 이루는 볼의 축 방향 틈새가 -20㎛이라는 것은 내륜(120)에 (A)방향의 하중을 가하고 외륜(110)에 (B)방향의 하중을 가할 때, 볼(140)이 먼저 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123)에 접하고, 롤러(130)는 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121) 사이에서 축 방향으로 20㎛의 유격을 가지는 것을 의미한다.
도 7을 참조하면, 볼열에 20㎛의 축 방향 틈새를 형성시킨 복합 베어링은 축 방향 하중이 작은 고단 구간과 축 방향 하중이 큰 저단 구간에서 모두 테이퍼 롤러 베어링의 마찰 토크(마찰 손실)보다 작으며, 고단 영역으로 갈수록 그 차이가 증가하였으며, 고단 영역에서는 약 24％ 감소하였다.
볼열을 이루는 볼에 0㎛ 및 -20㎛의 축 방향 틈새를 형성시킨 복합 베어링은 축 방향 하중이 작은 고단 구간에서 테이퍼 베어링보다 마찰 토크(마찰 손실)이 작았으나, 축 방향 하중이 큰 저단 구간에서는 테이퍼 베어링보다 마찰 토크(마찰 손실)이 큰 것이 확인되었다.
도 7에서와 확인되는 바와 같이, 볼열의 축 방향 틈새가 감소하는 경우 마찰 토크(마찰 손실)이 증가하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 저토크 복합 베어링(100)은 외륜(110)과, 내륜(120)과, 롤러열과 볼열로 이루어진다.
상기 내륜(120)에는 내륜 롤러 궤도면(121)과 내륜 볼 궤도면(123)이 형성되며, 상기 내륜 롤러 궤도면(121)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에 내륜 턱면(125a)을 가지는 내륜 턱부(125)가 구비되지 않는다.
상기 외륜(110)은 반경 방향 내경면에 외륜 롤러 궤도면(111)과, 외륜 볼 궤도면(113)을 구비한다. 상기 외륜 롤러 궤도면(111)과 외륜 볼 궤도면(113) 사이에는 반경 방향 내향 돌출된 큰턱부(115)가 형성되며, 상기 큰턱부에는 롤러(130)의 대단면과 접촉되는 턱면(115a)이 형성된다.
상기 내륜(120)의 내륜 볼 궤도면(123)과 외륜 볼 궤도면(113)은 롤러의 대단부 쪽에 형성된다.
따라서, 본 발명의 저토크 복합 베어링(100)은 도 4를 참조하여 설명한 저토크 복합 베어링(100)과 같이 턱면(125a)이 내륜(120)에 구비되거나 도 8의 다른 실시예에 따른 저토크 복합 베어링(100)과 같이 외륜 턱면(115)이 외륜(110)에 구비될 수도 있다.
상기 롤러(130) 대경면의 중심부에는 볼(140)과의 간섭을 방지하기 위하여 롤러(130)의 길이 방향으로 오목하게 홈이 형성될 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 저토크 복합 베어링은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 저토크 복합 베어링
110 : 외륜 111 : 외륜 롤러 궤도면
113 : 외륜 볼 궤도면 120 : 내륜
121 : 내륜 롤러 궤도면 123 : 내륜 볼 궤도면
130 : 롤러 140 : 볼
150 : 리테이너

Claims (10)

  1. 내면에 외륜 롤러 궤도면(111)과 외륜 볼 궤도면(113)이 형성된 외륜(110)과, 외면에 내륜 롤러 궤도면(121)과 내륜 볼 궤도면(123)이 형성된 내륜(120)과, 상기 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121) 사이에 구비되는 복수의 롤러(130)로 이루어진 롤러열과, 상기 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에 구비되는 복수의 볼(140)로 이루어진 볼열과, 상기 복수의 롤러(130)의 원주 방향 간격과 복수의 볼(140)의 원주 방향 간격을 유지시키도록 외륜(110)과 내륜(120) 사이에 구비되는 리테이너(150)로 이루어지며;
    상기 롤러열의 접촉각과 볼열의 접촉각은 같은 방향으로 형성되며;
    상기 볼열은 롤러열의 대단부 쪽에 구비되며, 볼열은 롤러열로부터 축 방향으로 이격되어 볼(130)과 롤러(140) 사이에는 축 방향으로 간격(t)이 형성되며, 외륜(110)이 축방향으로 내륜 쪽으로 가압되어 롤러열을 이루는 롤러(130)가 외륜 롤러 궤도면(111)과 내륜 롤러 궤도면(121)에 접할 때 볼열은 외륜 볼 궤도면(113)과 내륜 볼 궤도면(123) 사이에서 틈새(t2)를 가지는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 내륜(120)은 볼열과 롤러열 사이에서 반경 방향으로 외향 돌출되며 롤러(130)의 대단면에 접하는 큰턱면(125a)이 형성된 내륜 큰턱부(125)를 가지는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 외륜(110)은 볼열과 롤러열 사이에서 반경 방향으로 내향되며 롤러(130)의 대단면에 접하는 큰턱면(115a)이 형성된 외륜 큰턱부(115)를 가지는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 외륜(110)은 외륜 롤러 궤도면(111)과 외륜 볼 궤도면(113)이 1개의 링에 형성되어 이루어지며; 상기 내륜(120)은 내륜 롤러 궤도면(121)과 내륜 볼 궤도면(123)이 1개의 링에 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
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  7. 제1 항에 있어서, 상기 리테이너(150)에는 원주 방향을 따라 이격되어 다수의 지지홀이 형성되며, 상기 지지홀 내부에 롤러(130)와 볼(140)은 한 조를 이루어 축 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 롤러(130) 대경면의 중앙부에는 볼(140)과의 간섭을 방지하기 위하여 롤러(130)의 길이 방향으로 오목하게 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 리테이너(150)는 축 방향으로 롤러열 리테이너와 볼열 리테이너로 분리되어 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 리테이너(150)에는 롤러(130)가 삽입되는 복수의 롤러 지지홀이 원주 방향으로 이격되어 형성되고, 볼(140)이 삽입되는 볼 지지홀이 원주 방향으로 이격되어 복수로 형성되며; 상기 롤러 지지홀과 볼 지지홀은 축 방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 저토크 복합 베어링.
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