KR100664848B1 - 저마찰 볼베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물과 같은 저점도의 윤활제로 윤활되는 환경조건에서 사용되는 볼베어링에 관한 것으로, 그 목적은 볼베어링 내 접촉부에 충분한 유막을 형성시키기에 부족한 저점도의 액체로 윤활되는 볼베어링에 있어 강구와 리테이너의 상호간섭으로 인해 발생하는 마찰력을 저감시켜 볼베어링의 원활한 회전을 제공하는데 있으며, 이를 위해서 강구와 리테이너 포켓의 접촉형태를 일반적인 면접촉에서 점접촉 형태로 개선하고, 강구와 접촉되는 리테이너 부재의 회전을 가능하게 하여 구름접촉형태로 개선하여 베어링에 발생되는 마찰력을 크게 저감시키도록 하였다.

본 발명은 원자로 등에 사용되는 수윤활용 볼베어링에 있어서, 세라믹 또는 고분자 소재의 실린더(원통) 형태를 갖는 내부보강 실린더(4)와 실린더 리테이너 (5)를 강구 사이에 위치시키고, 베어링 양 폭면으로 측면 리테이너를 사용하여 볼베어링의 리테이너를 형성하며, 두개의 스테인레스강 측면 보강링(7)으로 원주방향 강성을 제공하는 리테이너와 베어링 내륜(2), 베어링 외륜(1) 및 다수의 강구(3)로 볼베어링을 구성한 것을 특징으로 하는 저마찰 베어링에 관한 것이다.

볼베어링, 저마찰 베어링, 실린더형 리테이너, 세라믹 리테이너

Description

저마찰 볼베어링{Low Friction Ball Bearing}

도 1 은 실린더형 리테이너가 장착된 저마찰 볼베어링의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 저마찰 볼 베어링의 측단면도이,

도 3은 본 발명의 실린더 리테이너, 내부보강 실린더, 측면 리테이너, 측면 보강링 및 리테이너 결합기구를 보인 분해 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 볼베어링 외륜 (2) : 볼베어링 내륜

(3) : 강구 (4) : 내부보강 실린더

(5) : 실린더 리테이너 (6) : 측면 리테이너

(7) : 측면 보강링 (8) : 리테이너 결합기구

본 발명은 저마찰 볼베어링에 관한 것으로, 자세하게는 일체형원자로 스마트(SMART)에 장착되는 제어봉구동장치용 볼베어링 등 저점도의 액체로 윤활되어 기존 에 개발되어 있는 베어링으로는 마찰이 크게 발생하여 적용이 어려운 기기에 사용되는 볼베어링에 관한 것이며, 특히 리테이너와 강구 사이에 발생하는 마찰력을 저감시켜 베어링에 발생하는 전체 마찰력을 감소시킨 볼베어링에 관한 것이다.

원자로는 고온, 고압의 냉각수를 원자로 내에 순환시켜 고온의 증기를 발생시키도록 구성되며, 출력 조정을 위하여 제어봉구동장치를 사용한다. 일체형원자로에서는 제어봉구동장치의 구동을 위해서 볼스크류와 볼베어링 등 기계요소가 사용되는데 고온, 고압 하에서 구동 요소간 접촉부에 별도의 윤활유를 공급하거나 시일, 시일드 등의 밀봉장치를 구성하는 것이 불가능하여 냉각수인 물로 윤활되어야 한다.

특히 볼베어링에 있어 강판프레스 리테이너(Steel pressed retainer)나 일반적인 플라스틱 리테이너[Application Number 2000-7010397, 볼 베어링용 케이지와, 이러한 케이지를 구비하는 볼 베어링], 기계가공형 리테이너를 사용한 볼베어링은 리테이너와 강구 간의 과다 마찰로 인해 회전이 불량하고 조기 파손되기 때문에 높은 신뢰도가 요구되는 원자로용 제어봉구동장치 등에는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 리테이너는 리테이너 포켓이 강구를 감싸는 형태의 면접촉이 되는데 저점도의 유체로 윤활되는 경우 과다한 마찰력에 의해 강구의 회전이 불량하게 되는 원인이 된다.

유사한 형태의 리테이너로 분절형 리테이너[20-1999-0003981, 대형구름베어 링의 분절형 리테이너] 등이 있으나 면접촉 시 발생하는 큰 마찰력으로 인해 수윤활 등의 불량한 윤활조건에서는 적용이 불가능하다는 문제점이 있다.

더욱이 원자로용 베어링 등과 같은 적용 부위에는 리테이너에 윤활제를 함유시킬 경우 냉각재의 오염이 발생하므로 윤활제를 함유한 리테이너의 적용이 불가능하다.

리테이너와 강구 간의 접촉형태를 면접촉에서 점접촉 형태로 변환하여 마찰력을 저감시키기 위한 발명의 한 예로 복열 볼베어링에 대해 두열의 궤도홈 간격을 조정하여 두열의 강구들이 톱니 같이 서로 견제하도록 한 발명 등이 있으나, 이는 단열 볼베어링에는 적용이 불가능하다는 문제점이 있다[1989-0008356, 구름 베어링의 마찰을 줄이는 방법 및 장치].

또 다른 예로 위치결정 구름 부재가 대향 단부의 레이스웨이 상의 위치결정 링에 의해 제한되도록 하고, 강구와 강구 사이에 위치결정 구름 부재를 위치시켜 리테이너의 역할을 수행하도록 하면서 베어링 내 모든 접촉부에 순수 구름 접촉이 발생하도록 한 순수 구름 베어링[10-2001-7002170, 순수 구름 베어링]이 있으나, 이 경우에도 위치결정 구름 부재는 위치결정 링에 의해서 안내는 되나 정해진 위치에 구속되지는 않기 때문에 등 간격으로 강구를 배열시킬 수 없다.

강구가 베어링 원주 상에 균등하게 배열되지 않을 경우에는 개개 강구의 공전 속도에 따라 여러 개의 강구가 서로 간섭되어 몰릴 수 있으며, 이 경우 강구의 회전은 제약을 받게 된다.

특히 원자로용 베어링과 같이 저점도의 윤활제로 윤활되어 접촉점에서의 마찰이 큰 경우에는 강구의 쏠림 현상이 크게 발생하며, 이는 베어링 회전 불량의 원인이 된다.

이외 많은 리테이너의 발명은 쉽게 베어링에 조립할 수 있는 구조에 주안점을 두어 생산성 향상을 꾀하는데 목적이 있어 베어링의 마찰 저감에는 기여하지 않는다.

따라서 종래의 볼베어링이 수윤활 등 불량한 윤활조건 하에는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 물과 같이 저점도의 유체 등으로 윤활되는 열악한 윤활 조건에서 강구 간의 공전 속도 차이에 따른 상호 간섭을 방지할 수 있도록 견고한 구조의 리테이너로 구성되고, 강구와 리테이너 포켓 간에는 점접촉이 발생하도록 하고 세라믹 또는 자기윤활성이 우수한 소재를 사용한 실린더 리테이너를 사용하여 마찰력을 저감시키고, 실린더 리테이너 부재 자체가 내부 보강 실린더에 안내되어 회전하게 되어 베어링 전체 회전마찰을 감소시켜 베어링의 신뢰성을 제공하고 필요수명을 보장하며, 개방형의 볼베어링을 실현하여 내부순환냉각재를 베어링 폭방향으로 유동시킬 수 있는 구조 설계를 갖는 저마찰 볼베어링을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 구성은 실린더 형태의 실린더 리테이너(5)와 측면 리테이너 (6) 가 리테이너 포켓을 형성하여 강구(3)와 점접촉을 함과 동시에 실린더 리테이너(5)가 내부보강 실린더(4) 주위를 회전하여 마찰력을 저감시키고, 견고한 측면 보강링(7)이 실린더 리테이너(5)를 원주 방향으로 위치고정하여 강구 간 상호 간섭을 방지하고 볼베어링의 원활한 회전을 보장하도록 구성된 볼베어링을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 저마찰 볼베어링의 정단면도, 도 2는 본 발명에 따른 저마찰 볼 베어링의 측단면도를 나타내고 있는데, 원자로용 볼베어링 등과 같이 물 또는 저점도의 액체 속에서 운전되는 베어링은 스테인리스강 또는 세라믹 소재를 베어링 외,내륜(1,2) 및 강구(3)로 사용하였다.

볼베어링용 리테이너는 세라믹 또는 고분자 소재의 원통 형태를 갖는 내부보강 실린더(4)와 실린더 리테이너(5)를 강구 사이에 위치시키고, 베어링 양 폭면으로 측면 리테이너(6)를 사용하여 볼베어링의 리테이너 포켓을 형성하며, 두개의 스테인레스강 재질의 측면 보강링(7)으로 원주방향 강성을 제공하도록 구성된다.

볼베어링에서 강구는 분산하중의 크기, 치수 상호차 등의 요인으로 인해 공전 속도가 균일하지 않으며, 이로 인하여 강구 간 상호 간섭이 발생하고 윤활 조건 이 나쁠 경우에는 한쪽으로의 쏠림 현상도 발생한다. 3개 이상의 강구가 상호 간섭하거나 강구 전체의 쏠림이 발생하면 강구는 원활하게 회전할 수 없어 파손이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 리테이너의 원주 강성을 크게 증가시켜 강구 간 상호 간섭을 방지하였는데 이를 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 보이는 바와 같이 실린더 리테이너(5)와 내부보강 실린더(4)는 강구 사이사이에 위치하며, 측면 리테이너(6)와 스테인리스강으로 제작된 측면 보강링(7)이 양쪽 폭방향에서 조립되고 리테이너 결합기구(8)에 의해 최종 체결된다. 볼베어링에서 강구의 공전 속도가 변화하게 되면 강구가 리테이너 포켓을 밀거나 리테이너 포켓에 의해 밀리게 되는 상호 간섭을 하게 되는데, 이 때 리테이너 포켓 간 강성이 부족하게 되면 리테이너의 원주 방향 변형이 발생하게 되고, 이로 인해 3개 이상의 강구가 상호 간섭을 하게 된다. 본 발명에서는 리테이너 포켓의 역할을 하고 있는 실린더 리테이너가 강인한 측면 보강링에 의해 원주 방향으로 고정되어 리테이너 전체의 원주 방향 변형이 방지되기 때문에 인접한 3개 이상의 강구 간 상호 간섭은 발생하지 않는다. 리테이너의 원주 방향 강성은 측면 보강링(7)과 내부 보강 실린더(4)에서 제공되며, 실린더 리테이너(5)와 측면 리테이너(6)는 보조 역할을 수행한다.

상기 실린더 리테이너(5)는 강구 사이 사이에 위치하여 강구 간의 간섭을 방지하여 강구의 원활한 회전을 보장한다. 특히 실린더 형상으로 구성되어 강구와 접촉 시에 점접촉을 하게 되어 마찰력이 감소되며, 세라믹 또는 내마모성이 우수한 고분자 소재를 사용하여 마찰력을 더욱 감소시키도록 한다.

또한 상기 실린더 리테이너(5)는 세라믹 또는 고분자 소재를 사용하게 되므로 강성이 부족하여 강구와 접촉되는 하중을 지지할 수 없으므로 내부보강 실린더(4)가 접촉하중을 지지할 수 있도록 한다. 특히 실린더 리테이너는 내부보강 실린더에 대해 자유롭게 회전할 수 있어 강구와 실린더 리테이너 부재 간에는 구름 접촉이 발생하도록 한다.

상기 측면 리테이너(6)는 실린더 리테이너(5)와 동일한 소재로 제작되며 실린더 리테이너(5)와 함께 리테이너 포켓을 형성한다. 측면 리테이너(6)는 폭방향으로는 강구에 의해 안내되며, 반경방향으로 베어링 내륜(2) 또는 베어링 외륜(1)에 의해 안내되어, 전체 리테이너의 안정된 공전을 보장한다.

상기 실린더 리테이너(5)는 측면 보강링(7)에 의하여 원주 방향으로 일정한 간격을 유지하게 된다. 볼베어링에서는 인접한 두 강구의 간섭에 의해 회전 불량이 발생하기도 하지만, 불량한 윤활 조건 하에서는 인접한 세 강구가 서로 근접하여 간섭이 발생하게 되는데 이때 가운데 강구는 리테이너 부재를 사이에 두고 양 옆의 강구에 의해 압착되어 회전이 불가능하게 되는 현상이 심하게 발생한다. 이와 같은 문제점을 본 발명 측면 보강링(7)은 견고한 구조로 강구와 강구가 상호 간섭을 일으키지 않도록 사이 간격을 유지시키도록 구성된다.

리테이너 구성품은 도 1과 같이 배치된 후 리벳 등의 리테이너 결합기구(8)를 이용하여 체결한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 저점도 유체로 윤활되는 환경에서도 사용 가능한 볼베어링이 개발됨으로서 안정성과 신뢰성이 획기적으로 개선된 기기 설계 개념 구현이 가능하게 되었다는 장점이 있어 산업상의 이용이 기대되는 발명이다.

<참고문헌>

본 발명에 따른 볼베어링의 마찰력 저감 효과에 대해서는 그 시험 결과가 연구논문으로 발표되었음. [이재선, 최순, 김지호, 박근배, 지성균, "수윤활 볼베어링의 리테이너 설계 특성," 한국윤활학회지, Vol. 21, No. 6, 2005]

Claims (5)

1. 볼베어링 외륜(1)과; 볼베어링 외륜의 내부에 설치된 볼베어링 내륜(2)과; 상기 볼베어링 외륜과 내륜 사이에 삽입된 다수의 강구(3)와; 강구와 강구 사이에 설치된 리테이너를 포함하여 구성된 볼베어링에 있어서,

   상기 강구와 강구 사이에는, 내부에 내부보강 실린더(4)가 삽입 설치된 실린더 리테이너(5)가 설치되고, 강구의 양 폭면으로는 측면 리테이너(6)가 형성되어 볼베어링의 리테이너 포켓을 형성하며, 강구의 양측면에 설치된 측면 리테이너(6)의 양측에서 바깥쪽에 측면 보강링(7)이 설치되어 실린더 리테이너(5)를 원주 방향으로 견고하고 균일하게 위치토록 구성하여 강구 간 상호 간섭을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 저마찰 볼베어링.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 실린더 리테이너(5)는 강구(3)와는 점접촉을 하고, 내부보강 실린더(4)와는 미끄럼접촉을 하도록 구성한 것을 특징으로 하는 저마찰 베어링.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 측면 리테이너(6)는 실린더 리테이너(5)와 동일한 소재로 제작된 것을 특징으로 하는 저마찰 베어링.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 측면 보강링은 스테인레스강 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 저마찰 베어링.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부보강 실린더(4)는 세라믹 또는 고분자 소재 중에서 선택된 하나의 소재로 이루어진 원통 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 저마찰 볼베어링

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