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플라스틱 부싱을 교체해야하는 5가지 이유
2020년 09월 15일
설계 시 부싱의 재질(베어링 및 슬리브 베어링이라고도 함)을 플라스틱으로 선정할 때는 다음과 같은 요소들을 검토해야 합니다. 플레인 베어링은 단순한 모양의 부품이며 볼 베어링과 달리 움직이는 요소가 없기 때문에 재질은 베어링의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 물론, 플라스틱은 저가의 기성품으로 많은 장점이 있습니다. 하지만 고부하 또는 고온에 적합한 부싱이 필요하다면 해당 조건에서의 품질, 신뢰성 그리고 성능이 가장 중요한 요소입니다. 이러한 조건에서 일반 플라스틱 재질 적용을 유지한다면 다른 구성 요소 설계에 소요된 시간과 기술이 헛되게 될 수도 있습니다.
앞으로의 내용에서 플라스틱 부싱이 당신에게 가장 적합한 제품이 아닐 수도 있는 5가지 주요 이유를 설명하고 우수한 대안을 제안 드립니다.
1. 플라스틱 부싱은 소음이 발생할 수 있습니다.
자동차 분야에서는 부드럽고 조용한 주행 성능이 중요한 품질의 지표이기 때문에 더 조용한 엔진(구동계)을 만들기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 하지만 저소음 엔진 차량에서는 모든 작은 소음들(래틀 소음, 작은 틱 또는 딸깍 소리)이 운전자와 승객에게 더 명확하게 들릴 수도 있습니다.
따라서 자동차 설계에는 가장 조용한 부품이 필요합니다. 예를 들어 플라스틱 슬리브 베어링은 정확한 틈새를 유지하기 위한 치수 정확도가 중요한데 그렇지 않으면 실내 공간에서도 들을 수 있는 래틀 소음이 발생하기 때문입니다.
이러한 정밀 치수 공차는 플라스틱 부싱의 핵심 기능은 아니지만 정밀 제조가 필요합니다. 정밀도 향상으로 품질 수준을 향상할 수는 있지만 가장 효과적인 해결책은 아닙니다. 여전히 틈새로 인해 금속 축과 부싱 간 움직임이 발생할 위험이 있기 때문이며 이는 성가신 래틀 소음을 발생시킵니다.
조용한 작동이 필요한 경우 항상 NORGLIDE®와 같은 PTFE 부싱을 권장해 드립니다. 부드러운 PTFE는 단단한 플라스틱과 달리 소음 감쇠 특성을 가지고있어 금속 축과 틈새가 있는 상황에서도 소음을 상당히 감소시킵니다. 그림 1은 40m/s2 가속에서 20Hz 가진주파수를 사용하여 2mm 유격 조건에서 발생 된 래틀 소음의 시험 결과입니다.
그림 1: 2mm 유격, 20Hz 가진주파수, 40m/s2 가속 조건에서 측정 된 래틀 소음 결과
2. PTFE 부싱은 상대 부품의 공차를 완화할 수 있습니다.
PTFE 부싱의 또 다른 장점은 일정한 토크를 유지하는 것입니다. PTFE 슬리브 베어링은 상대 부품의 공차 영역 전반에 걸쳐 일정한 성능을 유지합니다. 이러한 성능 덕분에 값비싼 정밀 제조를 할 필요가 없습니다.
플라스틱 부싱과 비교하여 NORGLIDE® 부싱은 넓은 치수 공차 조건에서도 일관되게 작동합니다. 마찰계수가 낮은 PTFE층이 상대 부품의 공차가 완화된 조건에서도 일정하고 부드럽게 작동하기 때문입니다. 아래 그림 2에서는 여러 가지 축과 부싱 간 조립 조건에서 NORGLIDE® 부싱과 플라스틱 부싱의 토크 성능 차이점을 확인할 수 있습니다.
그림 2 : 여러 가지 틈새 조건에서의 토크 변화량
3. 플라스틱 부싱은 제품의 misalignment의 원인이 될 수 있습니다.
차량 내부 부품들의 위치 공차로 인해 misalignment가 발생할 수 있습니다. 자동차 시트의 기구부는 플라스틱 부싱과 같은 단순한 부품이 운전자에게 부정적 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여주는 예시입니다.
자동차 시트 프레임의 구멍은 스탬핑 공정으로 만들어 지는데 이 공정의 정밀도로 인해 구멍의 위치가 변경되기 쉽습니다. 크로스 튜브는 시트의 두 측면 구멍 사이에 일직선으로 배치되므로 (그림 3과 4) 완벽하게 구멍의 중심이 정렬되지 않으면 토크가 증가합니다. 이러한 부분에 플라스틱 부싱을 사용한 경우 축의 한쪽을 밀면 압력이 증가하고 마찰이 높아집니다. 또한, 높아진 마찰력은 운전자가 쉽게 느낄 수 있습니다.
그림 3 : Misalignment 상태 도식 – 측면도
그림 4 : Misalignment 상태 도식 – 평면도
Saint-Gobain의 엔지니어들은 위와 같은 상황을 시뮬레이션하고 다양한 유형의 부싱 재료를 시험하였습니다. 그림 5는 플라스틱 부싱과 다양한 NORGLIDE® 베어링의 차이점을 보여줍니다. 축의 어긋남이 커질수록 플라스틱 부싱의 토크가 높게 증가하는 반면 NORGLIDE® 베어링은 상대적으로 작은 토크가 측정되었습니다. NORGLIDE® 중에서는 MP 소재가 축의 misalignment 영향을 가장 잘 상쇄시켰습니다.
그림 5 : 여러 가지 정렬 불량 조건에서의 토크
그림 6은 NORGLIDE® 베어링(빨간색 강조 부분)이 적용된 시트 프레임의 예시입니다. 오른쪽 확대 부분은 시트 높이 조정부 및 크로스 튜브의 회전 중심점을 보여줍니다. NORGLIDE®의 일정한 토크, 우수한 소음 및 진동 성능은 탁월한 편안함과 더 나은 운전 경험을 제공합니다.
Figure 그림 6 : NORGLIDE® 베어링(빨간색 강조 부분)이 적용된 자동차 시트
4. 플라스틱 부싱은 부하 용량이 낮습니다.
고하중 지지 용도의 플라스틱 제품은 금속층으로 지지 되지 않는 한 기능이 제한됩니다. 예를 들어, 시트 높이 조절 구조의 회전 중심에 높은 하중이 작용하는 경우 발생하는 플라스틱 제품의 균열은 상대 부품의 압력 증대로 이어져 마찰력 증대 및 부품 손상이 발생할 수 있습니다.
NORGLIDE® 베어링의 금속층은 하중을 분산하여 결합 부품과 부싱 자체를 보호합니다. 그림 7은 유한 요소 분석 결과를 사용하여 부싱의 하중이 상대 부품으로 얼마나 전달되는지 보여줍니다.
그림 7 : 베어링에 하중이 가해진 상황의 유한 요소 해석 결과
5. 전착 도장(E- Painting)에 사용되는 플라스틱 부싱은 고장의 원인이 될 수 있습니다.
공정 속도 향상을 위해 부싱을 포함하는 조립품 전체를 도장하는 방법이 많이 사용되고 있습니다. 주로 고온에서 전하 이동을 이용하는 전착 도장(e-painting) 공정을 많이 적용합니다. 이 공정의 고온 조건은 금속 부품의 열팽창 및 플라스틱 소재의 연질화를 발생시킵니다.
이로 인해 전착 도장 후 플라스틱이 얇게 영구 변형되어 유격이 증가하고 토크가 감소합니다. 또한, 앞서 얘기했던 래틀 소음이 발생할 수 있습니다.
이러한 현상은 금속층을 가진 부싱을 적용하여 해결할 수 있습니다. 금속 지지층은 소성 변형의 위험을 줄이고 더 높은 내하중성을 제공합니다.
부싱 소재 선정은 중요합니다.
저가의 부싱은 시스템의 수명과 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 이에 반해 PTFE 베어링은 모든 적용 분야에서 플라스틱보다 훨씬 우수한 성능을 제공합니다. 내마모성이 높은 PTFE는 다양한 구성 요소를 위한 훌륭한 소재로 습한 환경에서 사용할 수 있는 고체 윤활제이며 내화학성이 우수하고 내열성이 높은 절연체입니다.
Saint-Gobain의 엔지니어링 전문 지식은 설계 단계에서부터 귀하의 제품이 최고 수준의 성능을 갖도록 지원해 드리고 있습니다. 당사의 엔지니어는 고객과 긴밀히 협력하여 모든 단일 사양이 견고하고 신뢰할 수 있도록 개발하고 있습니다. 맞춤형 NORGLIDE® 베어링에 대해 더 자세한 내용은 저희에게 문의 바랍니다. Contact us