2022년 04월 12일
누적 공차는 모든 베어링 조립 시스템에서 검토해야 하는 과제입니다. 누적 공차 검토는 시스템이 설계한 대로 작동하도록 공차 완화를 검토해야 하는 시작점이기도 합니다. 아래의 본문은 누적 공차의 간단한 예시, 검토 방법 그리고 가장 중요한 관련 시스템 최적화 결과를 설명합니다.
조립용 부품 검토시 요구 치수를 검토합니다. 대부분의 제조 과정에서 발생하는 제조 공차는 각각의 부품에 허용하는 치수 산포를 포함하기 때문에 동일한 치수의 부품을 대량 생산할 수 없습니다. 예를 들어 베어링에 조립되는 회전용 샤프트 직경은 상, 하한의 공차를 가집니다. 샤프트 직경이 너무 크면 조립이 되지 않고 너무 작으면 간극으로 인해 조립 상태가 헐겁습니다. 이러한 극단적인 조립 치수는 피해야 합니다.
반대로 제조 공차로 하우징 내경의 직경도 산포가 있습니다. 최대 및 최소 직경의 조합(샤프트 최대, 하우징 최소 혹은 하우징 최대, 샤프트 최소)에도 샤프트와 하우징이 너무 빡빡하거나 헐겁지 않도록 확인이 필요합니다.
다음은 세 번째 구성 요소인 샤프트와 하우징 사이에 위치하는 플레인 베어링(부싱)입니다. 베어링 소재의 두께도 제조 공차가 있기 때문에 가장 빡빡한 조립 상태는 최대 샤프트 직경, 최대 베어링 소재 두께 및 최소 하우징 내경 조건입니다. 이러한 상황은 아래 Figure 1. 에서 확인하실 수 있습니다.
이러한 개별 공차의 조합을 누적 공차로 부르며 구성 부품들을 함께 맞추고 해당 부위에 적합한 방식으로 적용하려면 이해와 계산이 필요합니다.
(빡빡한 조립 상태)
(헐거운 조립 상태)
베어링 조립품의 맞춤 상태는 작동 토크를 결정하는 중요 요소이므로 적합한 조립 상태를 검토하는 것은 중요한 단계입니다. 이 중 억지 끼워 맞춤은 샤프트의 직경이 베어링 내경보다 항상 크게 제작한 상태로 일부 사용 분야에서는 단단히 고정되어 부품간 상대적 이동이 불가능할 정도로 높은 수준의 간섭을 요구하는 경우 사용됩니다. 간섭량이 클수록 작동 토크가 높습니다.
반대의 경우로 헐거운 끼워 맞춤이 있습니다. 이 경우 샤프트와 내경 사이에는 항상 최소한의 간극이 있습니다.
중간의 경우는 약간의 간극 상태를 허용하지만 덜거덕거릴 정도로 헐거운 상태도 아니고 약간의 간섭을 허용하지만 과도한 토크를 발생시키지는 않는 경우 입니다.
이 세 가지 주요 유형의 맞춤은 아래 그림에서 확인하실 수 있으며 여기서 플레인 베어링은 빨간색으로 표시되어 있습니다.
(사이드 도어 힌지)
차량용 사이드 도어 힌지는 억지 끼워 맞춤으로 제작됩니다. 힌지 핀, 하우징 및 플레인 베어링 사이의 압축으로 인해 토크가 설정됩니다. 도어를 쉽게 열고 닫을 수 있도록 토크가 충분히 낮은 상태로 시스템 설계가 진행됩니다. 동시에 열린 문이 원치 않는 움직임을 방지할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다.
엔진의 타이밍 벨트 텐셔너는원활한 작동을 위해 적절한 양의 간극이 필요합니다. 여기서 억지 끼워 맞춤은 과도한 토크와 마모의 원인이 됩니다.
(벨트 텐셔너)
(시트 높이 조정 구조)
시트 높이 조정 구조 에는 넓은 범위의 내경 공차와 misalignment를 보완해야 하는 여러 베어링 종류가 사용됩니다. 조립 중 여러 링크를 통해 프리텐셔닝을 적용하여 간극을 줄여 조립한 후 misalignment를 보완하기에 충분한 중간 조립 상태를 완성합니다. 헐거운 작동 상태를 방지하기 위해 충분한 토크가 필요하지만 사용자가 시트 조정시 큰 힘을 들이지 않도록 해야 합니다.
베어링 조립품의 누적 공차 계산에는 두 개의 매우 간단한 방정식이 사용됩니다.
(최대 간섭량 누적 공차)
첫 번째는 최대 간섭량을 결정하는 것입니다. 이는 최소 여유 공간이라고도 할 수 있습니다. 이것은 다음과 같이 계산됩니다:
최대 간섭량 = 최소 내경 – 최대 플레인 베어링 소재 두께의 두 배 – 최대 샤프트 직경
두 번째는 최소 간섭량을 결정하는 것으로 이는 최대 간극으로 설명할 수 있습니다. 이것은 다음과 같이 계산됩니다:
최소 간섭량 = 최대 내경 – 최소 플레인 베어링 소재 두께의 두 배 – 최소 샤프트 직경
(최소 간섭량 누적 공차)
Saint-Gobain 은 전문 지식과 경험을 바탕으로 요구 조립품의 구조 및 성능 예측, 분석용 계산 프로그램을 사용하여 베어링 소재, 구조, 형상 및 어떠한 조립 상태가 적절한 지 제안 드리고 있습니다. 매우 특정한 토크 범위가 요구되는 베어링 조립품에서는 각 부품의 정밀한 개별 부품 공차 관리가 필요할 수도 있습니다. 이러한 경우는 부품의 제조 비용이 크게 증가됩니다. 또 다른 방법으로는 Saint-Gobain의 NORGLIDE® Bearings, RENCOL® Tolerance Rings 과 SPRINGLIDE™ Spring Energised Bearings 의 공차 보상 기능을 이용하는 것입니다.
이 세가지 Saint-Gobain 제품군은 다양한 사용 분야의 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 공차 보상뿐 아니라 조립 구조의 misalignment도 보정하여 시스템을 보다 쉽고 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다.
NORGLIDE® sliding 베어링 은 부드러운 작동성을 보장하는 자가 윤활 저마찰 PTFE층으로 설계되었습니다. 이것은 다양한 구성의 금속 및 화합물과 결합되어 광범위한 NORGLIDE® 소재들을 만들어 다양한 응용 분야에 적합하게 개발됩니다.
공차 보상과 관련된 NORGLIDE®의 중요한 속성은 사이징 공정입니다. 베어링 반경 방향 두께는 내경보다 큰 핀을 통과시키는 사이징 공정으로 제어할 수 있습니다. 각각의 사용 분야에 따라 NORGLIDE® 특정 소재를 선정하여 사이징 공정, 하중 용량 및 기타 요소의 적절한 균형을 맞춰 선택할 수 있습니다.
적절한 사이징 공정후의 PTFE 두께와 점탄성은 제조 공차를 보완합니다. 사이징 공정은 특정 토크를 위해 정확하게 계산됩니다. 베어링 내경에 비해 샤프트의 크기가 커서 억지 끼워 맞춤량이 커질수록 발생 토크는 커집니다. 자동차 사이드 도어 힌지, 타이밍 벨트 텐셔너 및 시트 높이 조정 장치등 여러 분야에서 NORGLIDE®베어링이 사용되고 있습니다.
RENCOL® Tolerance Ring 은 샤프트와 하우징 보어 같은 원통형 구성 요소들의 결합을 위한 부품입니다. 모양은 스프링 역할을 하는 웨이브 형상 또는 돌출부를 특징으로 합니다. 이 형상들은 구성 요소들을 함께 구속하는 힘을 생성하기 위해 조립 중 압축됩니다. 톨러런스 링의 특정 형상에 따라 다른 양의 힘을 생성하고 그에 따라 서로 다른 수준의 토크를 발생하도록 선택할 수 있습니다. 일반적으로 고정이 요구되는 고토크 구조에서부터 비교적 자유롭게 작동하는 저토크 시스템까지 다양한 범위에 적용되고 있습니다. 모터의 베어링 마운트, 암레스트 힌지등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.
어떤 상황에서는 허용 누적 공차가 너무 커서 NORGLIDE® 베어링이 보상할 수 없는 경우도 있습니다. RENCOL® 톨러런스 링이 더 큰 수준의 공차를 보상할 수 있지만 저마찰 용도로는 사용하기 어렵습니다. 이러한 이유로 NORGLIDE®베어링과 RENCOL®톨러런스 링을 결합하여 높은 누적 공차 보상과 낮은 마찰력을 모두 제공하는 단일 제품인 SPRINGLIDE™ 스프링 에너자이즈드 베어링을 개발했습니다. SPRINGLIDE™ 스프링 에너자이즈드 베어링은 스프링강과 PTFE 화합물을 결합한 제품입니다. RENCOL® 톨러런스 링과 같이 베어링에 스프링 역할을 하는 웨이브, 리브 또는 핑거 형상의 돌출부가 포함됩니다. 폴리머 층의 마찰 감소 특성과 결합된 스프링은 필요한 토크 수준을 발생하도록 설계됩니다.
SPRINGLIDE™ 스프링 에너자이즈드 베어링은 예측이 어려운 misalignment, 다양한 하중 및 변경되는 작동 조건에서도 설계된 범위 내에서 작동력을 유지합니다. 차량 시트의 머리 지지대 높이 조정 구조에 대한 이 제품의 적용 사례가 Figure 6에 나와 있습니다. 두 개의 높이 조절 샤프트가 삽입되는 플라스틱 하우징의 내경은 온도에 따라 직경이 변화합니다. 또한 샤프트는 평평하게 제작하기 어렵습니다. 이러한 요인으로 인해 샤프트의 슬라이딩 특성은 계절에 따라 변경됩니다. 여름이 되면 플라스틱이 부드러워지고 이완되면서 쉽게 움직이기도 하고 의도치 않게 움직이기도 합니다. 겨울에는 플라스틱이 경화되고 수축되기 때문에 조정에 어려움이 있을 수도 있습니다. SPRINGLIDE™ 스프링 에너자이즈드 베어링을 사용하면 작동력이 최적화된 상태에서 유지됩니다.
(헤드 레스트)
SPRINGLIDE™ 스프링 에너자이즈드 베어링은 새로운 분야에 적용 가능성이 큰 새로운 제품입니다.
NORGLIDE®, RENCOL® 및 SPRINGLIDE™는 단일 제품이 아닙니다. 각각 요구 사항에 맞춰 설계된 매우 다양한 형상, 재료 및 기타 구성으로 제공됩니다. 저희는 이러한 요구 사항을 정확하게 이해하고 충족하기 위해 모든 단계에서 고객사와 긴밀하게 협력합니다.
상기에 설명 드린 제품에 관심이 있으시다면 저희에게 문의 바랍니다. contact form, e-mail: makingabigdifference@saint-gobain.com.