다양한 기능을 제공하는 NORGLIDE^® 플레인 베어링

플레인 베어링이란?

베어링은 저마찰 작동이 가능하게 하는 기계요소로 작동 조건에 따라 레이디얼 베어링, 스러스트 베어링, 리니어 베어링 등으로 구분되며 광범위한 분야에서 사용되고 있습니다. 기존 베어링의 대체 제품으로 플레인 베어링(슬리브 베어링)이 사용되기도 합니다. 플레인 베어링은 자체 윤활 기능이 있는 마찰 면을 가지고 있기 때문에 부드럽고 안정적인 작동이 가능합니다. 가장 단순한 형상으로 반경 방향 하중 지지를 위한 원통형의 제품이 있으며 추가적인 축 방향 하중 지지를 위해 플랜지(Flange) 형상을 가지는 제품도 많이 사용됩니다. 플레인 베어링은 많은 산업 분야에서 사용되며 특히 고 하중 지지가 필요한 분야에 많이 사용되고 있습니다. 회전 혹은 슬라이딩 작동 샤프트의 지지용 부품으로 많이 사용되며 소재에 따라 저소음 작동을 위한 기계요소로도 많이 사용됩니다.

NORGLIDE^® 플레인 베어링(부싱) 적용 시 얻을 수 있는 이점

NORGLIDE^® 플레인 베어링의 장점은 아래와 같습니다.

• Load (내하중성)
• Wear & Friction (내마모성, 저마찰 운동 성능)
• Tolerance compensation (공차 완화 효과)
• Corrosion resistance (내식성)
• Noise & Vibration (NVH 성능 개선)
• Misalignment (Misalignment 보정)

NORGLIDE^® 제품의 적용으로 시스템의 내하중성을 개선할 수 있습니다. 시스템의 작동 속도, 하중, 상대품의 표면 상태에 맞춘 다양한 PTFE 혼합물의 조합으로 작동 마모와 마찰을 최소화 할 수 있습니다. 두꺼운 PTFE층을 가지는 베어링(부싱)은 헐거운 끼워맞춤 조립부터 억지 끼워맞춤까지 다양한 조립 방법이 적용 가능하며 내구 중 성능 변화 없이 사용 가능합니다. 플레인 베어링 중간층에 배치되는 소재들의 보정을 통해 정밀한 조립이 가능하게 하여 최적 상태로 작동할 수 있도록 합니다. Metal backing 소재와 코팅으로 내식성을 강화할 수도 있으며 두꺼운 PTFE층은 댐핑 기능과 과도한 토크에도 적은 마모율을 가능하게 합니다.

부하 용량

NORGLIDE^® PRO와 NORGLIDE^® SMTL 소재들은 다른 PTFE 베어링이나 플라스틱 부싱보다 고하중용으로 제작되었습니다. 이 소재들은 동일한 부하가 주어졌을 때, 기존 대비 더 작게 만들어 사용할 수 있습니다. 결과적으로 더 작고 가벼우며 원가에서도 유리한 제품 개발이 가능합니다. 또한 NORGLIDE^® 베어링은 기존 금속 베어링의 대체품으로 사용 가능하며 이에 따라 시스템의 무게와 크기를 줄일 수도 있습니다.

우수한 내마모성과 마찰 성능

일반적인 플레인 베어링은 상대 부품의 표면 조건에 따라 균일한 마찰 계수를 가지기 어렵습니다.

마찰 성능

아주 다른 강도를 가지는 폴리머와 스틸 같은 두 소재의 조합에서는 마찰 계수가 하중에 따라 변화합니다. 또한 온도에 따라 모든 기계적 성질이 변화하는 폴리머의 특성상 작동 속도와 주변 온도에 따라 마찰 계수도 영향을 받습니다.

Graph A~C에서는 PTFE가 스틸(100 Cr6 1.3505)과 작동 시 마찰 계수 변화를 보여줍니다. Graph A는 온도 증가에 따라 마찰 계수는 감소하는 결과를 보여주며 Graph B는 작동 속도의 증가에 따라 마찰 계수도 증가하는 결과를 보여줍니다. 마지막으로 Graph C는 하중 증가에 따라 마찰 계수도 감소하는 결과를 보여줍니다.

초기 구동 중 상대 금속 표면에 따라 플레인 베어링의 폴리머 층이 변형됩니다. 그 후로는 일관적인 성능을 확인할 수 있습니다.

 

일관적인 마찰 성능

일반적으로 NORGLIDE^® 소재들은 PTFE를 베어링 표면의 주된 소재로 사용하기 때문에 다른 폴리머 베어링 대비 우수하고 일관적인 마찰 성능을 가지고 있습니다.

 

 

공차 완화 효과

어떠한 제품이든 모든 부품들이 일관적으로 작동하는 것은 중요한 품질 지표 중 하나로 모든 제조사들이 노력하고 있는 분야입니다. 정밀 제조를 통한 품질 개선은 가능하지만 원가 증대의 원인이 되기도 합니다.

Saint-Gobain NORGLIDE^® 제품이 이러한 문제에 도움이 될 수 있습니다. 저마찰 성능을 가지는 PTFE층은 상대품의 큰 공차가 누적되어도 일관적인 작동이 가능하기 때문에 시스템 성능 저하없이 원가 절감의 효과를 가질 수 있습니다.

 

공차 영역 검토를 위한 성능 고려 사항은 조립력과 토크 두 가지 입니다. 만약 부품이 누적된 공차에 의해 과도한 억지 끼워 맞춤 상태로 조립된다면 샤프트의 조립력과 토크는 높아집니다. 반대의 경우에는 아주 낮은 조립력과 토크를 가지는 시스템이 됩니다.

그림 1은 200 µm 범위 내의 다섯 가지 다른 외경을 가지는 샤프트의 조립력을 보여주는 것입니다. NORGLIDE^® 제품은 다른 외경을 가지는 샤프트 조건에서도 일관적인 조립력을 보여줍니다. 경쟁사 PTFE제품은 샤프트 외경 증가에 따라 조립력이 과도하게 증가하는 것을 확인하실 수 있습니다.

동일 조건에서 작동 토크도 측정하였습니다. 토크는 베어링의 원주 방향 표면에서 생성되는 것이지만 축 방향 하중이 플랜지(flange)부에 가해져서 발생될 수도 있습니다. 그림 2에서 조립력 시험 결과와 비슷한 결과를 확인하실 수 있습니다. 경쟁사 PTFE제품이 200 µm 범위 내의 각기 다른 외경인 샤프트에서 작동 토크가 급격하게 증가한 것과 달리 NORGLIDE^® 베어링은 상대적으로 균일한 토크 성능을 보여주었습니다. 

failed after 0.10 mm and 0.15 mm interference

 

그림 1 – 하우징에 조립된 베어링 상태에서 핀 외경에 따른 조립력. NORGLIDE^® 베어링은 경쟁사 제품 대비 안정적인 조립력이 측정되었습니다. 경쟁사 제품 1과 3은 10.10mm와 10.15mm 조건에서 파손이 발생하였습니다. (시험 조건 : 하우징과 핀은 열처리된 스틸로 제작, 조립 속도 : 1 mm/s)

failed after 0.10 mm and 0.15 mm interference

 

그림 2 - 토크는 핀 외경 영역에 접촉하는 베어링 내경부 표면에서 생성됩니다.  NORGLIDE^® 제품은 경쟁사 제품 대비 안정적인 낮은 토크가 측정되었습니다. 경쟁사 제품 1과 3은 조립력 측정에서 파손됨에 따라 시험하지 않았습니다. (시험 조건 : 하우징과 핀은 열처리된 스틸로 제작, 측정 속도 : 45°/s  축하중 : 0N, 측정 범위 : 90°, 5cycles)

 

모터를 이용하여 구동되는 시스템은 소프트웨어에 의해 제어되는데 기구부의 일관적인 작동 성능은 소프트웨어의 복잡성을 완화시킬 수 있습니다. 소프트웨어 제어 인자 중 하나가 작동 속도이므로 베어링 토크가 속도 변화에 따라 너무 많이 변화하면 모터 출력 제어가 어려워 집니다. 이와 관련하여 작동 속도와 압력에 민감한 PTFE를 이용하는 저희 제품의 세밀한 개발 과정을 통해 고객사에서 만족할만한 품질을 제공해 드리고 있습니다. 그림 3은 45°/s, 90°/s, 135°/s 세 가지 작동 속도에서 토크 변화를 보여주는 것으로 경쟁사 대비 NORGLIDE^®의 토크 변화가 우수함을 확인하실 수 있습니다. 이는 시스템 사용자에게 일관적인 작동성을 제공할 뿐만 아니라 제어 소프트웨어가 좀 더 단순화될 수 있음을 보여줍니다.

 

 

그림 3 – 좌측: 45°/s, 90°/s 및 135°/s 세 가지 작동 속도에서 토크 측정 결과입니다. 베어링 사양 선정에 따른 시스템 토크 영향을 보여줍니다. 우측: 동일 결과를 소재별 속도에 따른 토크 변화량을 표시한 결과입니다. NORGLIDE^® Bearings 경쟁사 대비 속도에 따른 토크 변화가 작음을 보여줍니다. (시험 조건 : 하우징과 핀은 열처리된 스틸로 제작, 핀 외경 : 10.05mm, 축하중 : 0N, 측정 범위 : 90°, 5cycles)

NORGLIDE^® 베어링의 우수한 공차 완화 효과는 특수한 제품 구조에서부터 시작됩니다. 그림 4에서 보여주는 PTFE 층은 상대 부품 공차 누적으로 인한 품질 저하를 완화하며 시스템 내구 중 마모에 의한 성능 저하를 줄여줍니다.

그림 4 - 경쟁사 대비 우수한 일관적인 성능은 NORGLIDE^® 제품의 특수한 구조에서 시작합니다.

내식성

시스템의 내식성 확보를 위해 다양한 환경 요소와 소재들의 조합들이 개발되고 있습니다. NORGLIDE^® 플레인 베어링은 이러한 요구 조건에 맞게 염수 분무 시험에서 1000시간 이상 통과하는 우수한 내식성의 제품을 제공하고 있습니다.

내식성 강화

NORGLIDE^® 베어링은 요구 조건에 따라 6가 크롬 규제에 만족하면서 아연 도금된 금속층을 포함하는 제품을 공급할 수 있습니다. 일부 특수한 경우에는 접촉 부식을 방지하기 위한 특수한 방법 적용도 가능하며 전 제품이 EU 규제(End-of-Life directive for automotive vehicles 2000/53/EG)에 만족하도록 개발하고 있습니다.

또한 단품이 아닌 시스템 내식성 강화를 위한 연구 개발도 진행되고 있습니다. 

적녹, 백녹에 대한 시험은 DIN EN ISO 9227에 맞춰 자체 염수 분무 시험기에서 진행됩니다. 특별한 경우에는 상대품과 조립된 상태에서도 시험을 진행합니다.

일부 NORGLIDE^® 소재들은 Table1과 같이 내식성 강화 금속 구조를 가지고 있습니다만 이러한 소재들은 상대 부품 소재에 따라 전위차에 의한 접촉 부식 확인이 필요합니다.

일부 NORGLIDE^® 소재들은 스테인리스 스틸 혹은 알루미늄이 적용되어 있어 내식성 개선에 도움이 됩니다. 하지만 앞선 소재들과 동일하게 상대 부품 소재에 따라 전위차에 의한 접촉 부식 확인이 필요합니다.

접촉 부식

접촉 부식 방지를 위해 전위 서열(electrochemical series) 검토가 꼭 필요합니다. 예를 들어 베어링이 동 성분을 포함하고 있다면 하우징 내경부에 아연을 이용한 도금을 사용하면 높은 전극 전위차가 발생합니다. 이러한 이유로 아연 도금된 금속 하우징에는 동성분을 포함하는 베어링 사용을 추천하지 않습니다. 

이러한 경우에는 아연과 전위차가 작은 알루미늄과 같은 금속의 사용이 좋습니다. 특히 금속층이 알루미늄으로 덮여 있는 NORGLIDE^® SMALC, NORGLIDE^® TALC 혹은 NORGLIDE^® SALC 등의 소재들은 동성분도 없기 때문에 접촉 부식 방지에 효과적입니다.

Corrosion Resistant Bearings에서 더 자세한 내용을 확인하실 수 있습니다.

소음과 진동

저희는 소음과 진동의 전달을 차단하고 흡수하는 제품 개발을 통해 관련 품질을 개선시키는 방법을 연구하고 있습니다. NORGLIDE^® 베어링은 소음으로 발생할 수 있는 인자들을 흡수할 수 있는 점탄성의 특성을 가진 PTFE 합성물과 고유의 구조로 시스템 소음 개선에 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 시스템에서 자주 발생하는 래틀 소음은 NORGLIDE^® 제품을 샤프트와 끼워 맞춤 적용하여 유격을 제거하는 방법으로 개선될 수 있습니다.

무향실

최신 자체 무향실(anechoic chamber) 을 활용한 벤치마킹을 통해 고객사의 문제점들을 분석하고 있습니다. NORGLIDE^® 베어링 사양과 비교 시험을 통해 고객사들의 제품에 대한 신뢰성을 높이고 있습니다.

무향실은 7mx7m의 크기로 20dB noise floor 수준으로 크기와 소음 수준에 상관없이 차량 시스템 시험에 활용 중입니다.

진동 개선

일반적인 metal to metal 결합은 진동을 유발합니다. 점탄성의 성질을 가지는 PTFE를 사용하는 저희 제품은 시스템 진동 저감에 효과적으로 작동하며 부드러운 작동 성능에 도움이 됩니다.

경쟁 제품과의 래틀 소음 비교 시험 결과, 최대 15db(A) 수준의 개선 효과를 확인하실 수 있습니다.

Misalignment 보정

시스템의 misalignment는 조립력 증대와 작동 토크 증가, 과도한 부품 마모로 연결될 수 있습니다. 이러한 문제들은 시스템의 품질 문제로 이어질 수도 있습니다.

자동차에 사용되는 시트 트랙 조립부에서 misalignment의 영향을 찾을 수 있습니다. 시트 제조사들은 이상적인 축 정렬 상태의 시트를 설계하지만 시트가 조립되는 차량의 상대 조립부는 시트를 억지로 맞춰야하는 수준으로 제작될 수도 있습니다. 그림 5는 시트 크로스 튜브를 지지하는 두 하우징의 misalignment 상태를 표시하는 그림입니다. 이러한 작동 조건에서는 시트 조정 시 과도한 토크와 부품의 마모가 발생할 수 있습니다.

그림 5 : 좌측 – 두 하우징의 제작 공차로 인해 샤프트가 misalignment 상태로 작동하는 상태의 개요도 우측 – 베어링으로 지지되는 샤프트 회전 시  토크가 생성됩니다. Misalignment 상태에서는 과도한 토크가 발생할 수 있습니다. Saint-Gobain에서는 이러한 상태를 재현하여 아래와 같이 시험을 진행하였습니다.

Saint-Gobain에서는 그림 5에서 보여지는 조건을 재현하여 misalignment가 제품 토크에 미치는 영향을 시험하였습니다. 한 쪽 하우징의 위치를 이동하여 넓은 범위의 misalignment를 재현하였으며 경쟁사 제품을 포함한 여러 베어링 소재를 시험했습니다. 그림 6에서 해당 결과를 확인하실 수 있습니다. POM 부싱은 낮은 수준의 misalignment 조건에서도 급격한 토크 증대가 확인되었고, NORGLIDE^® 제품들은 넓은 영역의 misalignment 조건에서도 안정된 수준의 토크 변화를 보여 주었습니다. 특히 NORGLIDE^® MP소재는 가장 우수한 성능을 보여주었습니다.

일반적인 플라스틱 부싱과 달리 NORGLIDE^® 베어링은 misalignment 조건에서도 PTFE의 저마찰 특성이 유지되기 때문에 관련 성능 문제를 최소화할 수 있습니다.

 

 

 

 

그림  6 : 위의 그래프들은 두 하우징 사이의 misalignment 수준에 따른 토크 결과를 보여줍니다. POM 부싱은 낮은 수준의 misalignment 조건에서도 급격한 토크 증대가 확인되었고 NORGLIDE^® 제품들은 넓은 영역의 misalignment 조건에서도 안정된 수준의 토크 변화를 보여 주었습니다. 특히 NORGLIDE^® MP소재는 가장 우수한 해당 성능을 보여주었습니다.

다음에서 PTFE Bearing 화합물에 대한 내용을 확인하실 수 있습니다. NORGLIDE^® PTFE – 베어링 화합물.