왜 필요한가
무엇을 돌리려면 축이 있어야 한다. 축은 제자리에 버티면서 잘 돌아야 한다. 축을 구멍에 그냥 끼워 넣으면 잘 돌지 않는다. 축과 구멍이 맞닿은 채 서로 미끄러지면서 닳고, 그 마찰이 회전을 붙잡기 때문이다.
그래서 축과 구멍 사이에 베어링을 넣는다. 베어링은 축을 받치면서 회전을 방해하지 않는 부품이다. 방법은 두 가지다. 구멍에 축을 끼워 미끄러지게 하는 미끄럼 베어링과, 그 사이에 볼을 넣어 구르게 하는 구름 베어링이다. 그림은 같은 크기의 두 가지를 버튼으로 견준다.
어떻게 움직이나
그림의 베어링은 6204라는 크기의 깊은 홈 볼 베어링이다. 안지름 20 mm인 축을 받치며, 부품은 넷이다. 바깥쪽 링(외륜), 안쪽 링(내륜), 그 사이에서 구르는 볼, 볼 사이를 띄우는 케이지다.
외륜은 받침대에 물려 제자리에 있고, 내륜은 축에 끼워 함께 돈다. 축이 돌면 내륜이 볼을 굴리고, 볼은 외륜의 홈을 따라 굴러간다. 그래서 축과 외륜은 서로 닿지 않는다. 미끄러질 만한 자리는 볼과 링이 맞닿는 좁은 곳뿐이고, 여기서도 금속은 미끄러지지 않고 구른다.
케이지는 볼 사이를 띄워 볼끼리 닿지 않게 하고 부드럽게 구르도록 돕는다. 케이지 자체는 하중을 받지 않는다.
볼과 케이지의 빠르기는 축과 다르다. 외륜을 고정하면 케이지는 축 빠르기의 약 38%로 돌고, 볼은 축이 한 바퀴 돌 때 스스로 약 두 바퀴 돈다. 그림의 축 끝에는 강철 플라이휠이 달려 있다. 플라이휠을 손으로 튕기면 축보다 느리게 도는 케이지와, 그 사이에서 스스로 도는 볼이 보인다.
미끄러질 때와 구를 때
베어링이 회전을 얼마나 붙잡는지는 마찰 계수로 견준다. 깊은 홈 볼 베어링은 0.0010–0.0015다. 미끄럼 베어링은 보통 0.01–0.02이고, 윤활이 모자라면 0.1–0.2로 오르며, 기름기 없는 마른 금속끼리는 0.2–0.4까지 간다.
그림의 플라이휠은 300 rpm으로 돌기 시작한다. 볼 베어링에 얹으면 13분 넘게 돌고, 기름이 거의 마른 청동 부시에 얹으면 12초 만에 선다. 같은 무게를 같은 빠르기로 돌려도 이만큼 차이가 난다.
손으로도 따라 할 수 있다. 마찰 토크는 마찰 계수에 하중과 축 반지름을 곱한 값이다. 지름 20 mm인 축이 1000 N을 받는다고 하면, 볼 베어링(0.0015)의 마찰 토크는 0.015 N·m이고 마른 미끄럼 베어링(0.1)은 1.0 N·m다. 약 67배 차이다.
다만 미끄럼 베어링을 볼 베어링과 견줄 때는 윤활 상태를 꼭 함께 봐야 한다. 기름막이 충분한 미끄럼 베어링은 마찰 계수가 0.001 아래로 내려가 볼 베어링만큼 작아질 수 있다. 그림의 부시는 기름이 거의 마른 쪽이라 12초 만에 서지만, 잘 윤활한 부시는 훨씬 오래 돈다. 윤활 장치는 그래서 미끄럼 베어링의 성능을 좌우하는 별개의 주제다.
왜 이렇게 생겼나
- 홈: 볼이 구르는 링의 홈은 깊다. 홈의 곡률 반지름이 볼 반지름보다 4%쯤만 크다. 그래서 볼이 홈에서 옆으로 빠지지 않고, 축 방향(옆으로 미는) 하중도 양쪽으로 받는다.
- 재료: 궤도륜과 볼은 베어링강(SUJ2, SAE 52100)을 담금질해 약 60 HRC로 단단하게 만든다.
- 덮개: 실드(금속 덮개)와 실(고무 씰)은 먼지를 막고 평생 쓸 그리스를 가둔다. 고무 실은 더 잘 막지만 마찰이 늘어 최고 회전수가 낮다.
6204의 실제 치수는 안지름 20, 바깥지름 47, 폭 14 mm다. 볼은 8개, 지름 7.938 mm(5/16인치)다. 강철 무게는 0.107 kg이고, 견딜 수 있는 하중(동정격)은 약 14 kN, 1.4톤짜리 무게가 누르는 힘쯤이다.
쓰이는 곳
- 스케이트보드 바퀴: 608 베어링이 들어간다. 8 × 22 × 7 mm, 볼 7개이고 바퀴 하나에 두 개씩 들어간다.
- 자전거 허브: 컵과 콘 사이에 낱알 볼을 넣는다.
- 승용차 바퀴: 볼을 두 줄 넣은 앵귤러 볼 베어링을 쓴 허브 유닛이 대개 쓰인다.
- 전동기: 직류 모터를 비롯한 전동기에는 깊은 홈 볼 베어링이 들어간다.
볼 대신 롤러를 넣은 베어링도 있다. 원통 롤러 베어링은 롤러가 링과 선으로 맞닿아 큰 하중을 받으며, 주로 반지름 방향 하중을 받는 공작기계 주축에 쓴다. 테이퍼 롤러 베어링은 반지름 방향과 축 방향 하중을 함께 받아 트럭처럼 무거운 차의 바퀴에 쓴다. 니들 베어링은 바깥 링이 가장 얇아 변속기나 자재이음처럼 좁은 곳에 들어간다. 스러스트 볼 베어링은 축 방향 하중을 받는다.
이 그림에 대하여
앞 실드(금속 덮개)를 빼고 그려, 링 사이에서 구르는 볼과 케이지가 보이게 했다. 실제 베어링은 실이 이 부분을 가린다.
베어링과 축은 잘 보이게 실제의 두 배로 그렸다. 판독값은 실제 6204 크기로 계산한다. 화면의 회전은 눈으로 따라갈 수 있게 실제의 1/10 빠르기로 그린다. 마찰 계수는 표준값이고 공기 저항과 실의 마찰은 뺐다. 내부 틈새와 예압은 그리지 않았다.