전동 베어링의 축·하우징 공차 등급: 끼워맞춤 선택이 내부 클리어런스를 결정하는 방법

먼저 판단할 것: 하중에 대해 어느 링이 회전하는가

끼워맞춤 선정은 한 가지 질문에서 시작합니다. 하중 방향이 링에 대해 회전하는가, 아니면 링이 하중 아래에 머무는가?

하중에 대해 회전하는 링은 끼워맞춤이 붙잡아 주지 않으면 좌면 위를 기어가는(크립) 경향이 있으므로, 그 좌면에는 압입 끼워맞춤이나 중간 끼워맞춤이 필요합니다. 하중 방향이 고정인 링은 제자리에 머무르므로 여유 끼워맞춤도 허용되며, 링의 축 방향 변위를 허용한다는 점에서 오히려 바람직한 경우가 많습니다.

두 좌면은 각각 별도의 표로 정리됩니다. 축에서는 회전 내륜 하중이 하중과 지름에 따라 h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6, r6 같은 압입 등급을 요구하며, 고정 내륜 하중은 링이 원활하게 움직여야 하면 g6, 그럴 필요가 없으면 h6를 사용합니다².

하우징에서는 고정 외륜 하중이 여유 등급 H7, H8, G7, F7을 사용하고, 회전 외륜 하중은 M7, N7, P7을 사용합니다⁵. 두 표 모두 하중 유형·베어링 형식·크기의 함수이므로 하중 방향만으로 등급을 정할 수는 없습니다²⁵.

여기서 틀리면 대가가 두 배로 치릅니다. 느슨한 좌면은 궤도면이 회전하여 축이나 하우징을 프레팅 마모시키고, 얇은 궤도면을 제대로 지지하지 못하는 좌면은 수명을 단축시키며, 교체 베어링을 장착하기 전에 축이나 하우징을 재가공해야 하는 상황을 초래할 수 있습니다¹¹.

하중-지름 표에서 축 등급 읽기

회전 내륜의 경우 축 등급은 하중 크기와 축 지름에 따라 표로 정리되며, 끼워맞춤은 베어링 내경의 공통(노멀) 공차를 기준으로 정의됩니다 — 따라서 같은 문자 등급이라도 지름이 다르면 절대 압입량이 달라집니다²¹².

아래 표는 등급 0, 6X, 6의 직접 내경 베어링에 대한 경하중 및 보통하중 경우입니다; 중하중이나 충격하중에서는 등급이 n6, p6, r6로 이동하고 표준보다 큰 내부 클리어런스를 가진 베어링이 필요합니다². 완화 규정 두 가지가 중요합니다.

높은 정밀도가 요구되는 곳에서는 js5, k5, m5가 js6, k6, m6를 대체합니다². 단열 테이퍼 롤러 베어링과 앵귤러 콘택트 볼베어링의 경우 끼워맞춤에 따른 내부 클리어런스 감소를 고려할 필요가 없으므로 k5와 m5를 k6와 m6로 대체할 수 있습니다².

하중-변위 표에서 하우징 등급 읽기

하우징 등급은 외륜이 축 방향으로 변위 가능해야 하는지, 하중 유형, 그리고 축과 내륜이 얼마나 뜨겁게 작동하는지에 따라 달라집니다. 따라서 단일 기본 등급은 회전 외륜이나 고온 축에는 옳지 않습니다⁵.

외륜 하중이 고정이고 링이 쉽게 변위해야 한다면 H7이 일반적인 선택이며, 대형 베어링이나 외륜-하우징 간 온도 차가 큰 경우 G7을 적용할 수 있습니다⁵. 축과 내륜이 고온으로 작동한다면 하우징 등급은 G7로 이동하고, 대형 베어링이나 큰 온도 차에는 F7을 적용합니다⁵.

회전 외륜 하중은 변위 불가하며 하중과 하우징 벽 두께에 따라 M7, N7, P7을 적용합니다⁵.

압입량이 내부 클리어런스를 잠식하는지 확인

압입 끼워맞춤은 내륜을 팽창시키며, 이 팽창이 베어링의 제작 시점(벤치) 내부 클리어런스를 감소시킵니다¹⁹. 조밀한 하우징 끼워맞춤은 외륜을 압축하여 바깥쪽에서 같은 효과를 내므로 두 감소량은 합산됩니다³.

감소량을 반영하지 않으면 가동 클리어런스를 남길 만큼의 벤치 클리어런스가 부족해질 수 있고, 베어링은 마이너스 클리어런스·과잉 마찰·조기 고장으로 넘어갈 수 있습니다³¹⁹. 감소량은 단순히 공칭 압입량이 아닙니다.

유효 압입량은 공칭 압입량의 2/3에서 평탄화 치수를 뺀 값으로 계산되며(내륜과 외륜 각각), 그에 따른 클리어런스 변화는 유효 압입량·맞물리는 축 지름·하우징 내경 벽 두께에 따라 달라집니다⁹. 그래서 끼워맞춤 등급과 클리어런스 등급은 순차적으로가 아니라 함께 선택해야 합니다.

끼워맞춤이 조밀하거나 작동 온도가 지속적으로 높거나 회전수가 표준 범위를 넘는 곳에서는 C3 같은 더 큰 클리어런스 등급이 적절한 선택이고, C4는 예외적으로 높은 온도, 축과 하우징 간 유의한 열적 차이, 박벽 하우징 또는 심한 부정렬에 한해 사용합니다²⁰.

한 공급자는 많은 일반 산업용 모터와 감속기에 대해 C3를 기본 권장값으로 제시하는데, 이는 모든 적용 분야에 적용되는 규칙이 아니라 해당 공급자의 입장입니다²⁰.

온도 차와 프리 사이드(자유측) 배치

클리어런스는 온도에 따라서도 움직입니다. 내륜이나 축이 외륜이나 하우징보다 뜨겁게 작동하여 더 팽창할 것으로 예상되면 가동 중 클리어런스(유효 간극)가 줄어들므로 처음부터 더 큰 반경 방향 유효 간극이 바람직하고, 외륜이 내륜보다 더 팽창한다면 오히려 유효 간극이 늘어납니다⁴.

같은 논리가 클리어런스 등급도 좌우합니다: 작동 온도가 지속적으로 높거나 끼워맞춤이 조밀하거나 회전수가 표준 이상이면 C3, 축과 하우징 간 열적 차이가 유의하면 C4입니다²⁰. 프리 사이드 베어링은 그 움직임을 흡수하는 또 다른 방법입니다.

프리 사이드 베어링은 작동 온도 변화로 인한 팽창이나 수축을 보상하며, 분리 불가형 베어링을 프리 사이드에 사용하는 경우 외륜과 하우징 사이에, 경우에 따라서는 축과 내륜 사이에 여유 끼워맞춤을 둡니다²¹. 이 여유 끼워맞춤은 의도된 열적 조치이지, 고정측 끼워맞춤을 느슨하게 한 변형이 아닙니다.

압입량을 양쪽 끝에서 한계 짓기

끼워맞춤은 링이 크립하는 것을 막을 만큼 조밀해야 하면서도 과도한 응력을 주지 않을 만큼 여유가 있어야 합니다. 올바른 끼워맞춤은 축이나 하우징에 대한 궤도면의 회전과 그에 따르는 프레팅 및 길링(scoring)을 방지하고 상대적으로 얇은 베어링 궤도면을 지지합니다; 허용되는 축·하우징 공차는 맞물리는 베어링 부품의 공차보다 약간 큰 수준에 불과합니다¹¹.

내륜을 압입하면 링의 원주 방향 응력(hoop stress)이 더해집니다. 한 구체적 사례 — 터보젯 엔진용 M50강 재질, 내경 120 mm 앵귤러 콘택트 주축 스러스트 베어링 — 에서 출처는 압입에 기인하는 이 원주 응력 성분이 약 140 MPa를 넘지 않도록 권고합니다¹⁷.

이 값은 단일 고속 항공 분야 적용 사례에서 나온 것으로 일반적인 산업 한계가 아니며, 최대 압입량은 링 응력에 의해 한계가 정해진다는 점을 상기시키는 것으로 이해하고, 해당 베어링에 적용되는 한계값은 베어링 공급자에게 문의하십시오.

끼워맞춤을 실제로 달성할 수 있는 조립 방법 선택

도면에 적힌 압입량은 궤도면을 손상시키지 않고 달성 가능해야 합니다. 직접 내경 베어링은 일반적으로 압입으로 조립하거나, 조립 전에 내륜을 가열해 내경을 팽창시키는 방식 — 수축 끼워맞춤(shrink fit) — 으로 장착합니다²⁶.

대형 베어링이나 더 큰 압입량에서는 열 조립이 압입 중 궤도면 손상 위험을 줄이며, 외륜에 압입 끼워맞춤이 필요한 경우 방청 처리를 미리 한 뒤 베어링을 드라이아이스로 냉각할 수 있습니다²⁶. 공구도 온도만큼 중요합니다.

베어링 프레스, 유도 가열 장치 또는 유압 프레스를 베어링 형식과 끼워맞춤에 맞게 사용해야 하며, 힘은 전동체(구름요소)에 직접 가해서는 안 됩니다 — 조립하는 링에만 가해야 합니다¹³.

발주 전 도면에서 확인할 사항

끼워맞춤은 m6, H7 같은 문자+숫자 조합으로 표기되며, 소문자는 축 외경, 대문자는 하우징 내경을 뜻하고, 그 모든 것은 베어링 내경 또는 외경의 공통(노멀) 공차를 기준으로 정의됩니다¹². 이 공통 공차는 베어링 크기가 커짐에 따라 커지므로 같은 등급이라도 더 큰 베어링에서는 다른 절대 끼워맞춤을 만들어 냅니다.

따라서 기준이 되는 베어링 공차 등급 없이 도면은 불완전합니다¹². 출처들은 수치화된 좌면 기하 공차나 표면 값을 제공하지 않으므로, 이들은 복사해 쓰는 숫자가 아니라 검증 항목으로 기재해야 합니다.

• ✓끼워맞춤이 기준으로 삼는 베어링 공차 등급을, 공급자가 사용하는 ISO, DIN, ANSI/ABEC 또는 JIS 명칭으로 명기 [S12][S14][S25]
• ✓축 등급을 기본 등급이 아니라 하중 경우와 실제 축 지름 범위에 대조하여 확인 [S2]
• ✓하우징 등급을 외륜의 변위 요구와 축 온도에 대조하여 확인 [S5]
• ✓내부 클리어런스 등급(CN, C3 또는 C4)과 그 등급을 선택할 때 함께 고려한 끼워맞춤을 명기 [S20]
• ✓조립 전에 축 외경·하우징 내경 치수, 표면 조도 및 형상을 현장에서 검증하도록 요구 [S11]
• ✓지정한 끼워맞춤에 대한 예상 클리어런스 감소량을 공급자가 확인하도록 요청 [S19][S9]
• ✓지정한 압입량을 궤도면 손상 없이 달성할 수 있도록 조립 방법과 공구를 명시 [S26][S13]

출처들이 서로 다르게 말하거나 침묵하는 지점

위의 표들은 공급자들의 끼워맞춤 선정 가이드에서 나온 것이며, 모두 같은 방향을 가리키지는 않습니다. 아래 행들은 각 입장을 분리해 유지합니다; 어느 것이 특정 기계에 해당하는지는 이 근거만으로는 판단되지 않으므로, 구매자가 실제 적용 조건에 대조하여 검증해야 합니다.

출처들이 입증하지 않는 것

• 어떤 출처도 특정 베어링의 Δdmp/ΔDmp 내경 및 외경 편차 수치를 제공하지 않으므로 이 글에서 실제 끼워맞춤(압력 끼움)량을 계산할 수 없습니다.
• 어떤 출처도 조립 전 CN, C3 또는 C4의 라디얼 내부 클리어런스 범위 수치를 제공하지 않습니다.
• 어떤 출처도 클리어런스 감소를 위한 완전한 링 비율 계수 공식을 제공하지 않으며, 2/3 계수와 G* 평탄화 치수만 언급됩니다.
• 어떤 출처도 열팽창 수치 계산이나 C3 또는 C4가 필요해지는 온도차를 제공하지 않습니다.
• 어떤 출처도 크리프나 프레팅을 방지하기 위한 최소 끼워맞춤량 공식이나 균열 또는 원주 응력을 위한 일반적인 최대 끼워맞춤량 한계를 제공하지 않습니다.
• 어떤 출처도 표면 거칠기(Ra), 원통도, 진원도 또는 숄더 직각도에 대한 수치 요건을 제공하지 않습니다.
• 어떤 출처도 압입, 고주파 유도 가열, 오일 분사 또는 유압 너트 방식에 대해 달성 가능하거나 요구되는 끼워맞춤량 값 또는 조립력 값을 제공하지 않습니다.
• 어떤 출처도 베어링 공차에 대비한 축 또는 하우징 시트 기하 공차 수치를 제공하지 않습니다.