Mechanical Design I

(1)

1 Bong-Kee Lee

School of Mechanical Systems Engineering Chonnam National University

Mechanical Design I

9. Sliding Bearing (Chap. 9.1-7)

School of Mechanical Systems Engineering Mechanical Design I

Note

기계 요소군 기계 요소 기능

결합용 요소 나사

리벳, 용접 임시적 체결

반영구적 체결 축계 요소

축이음(커플링, 클러치)축 키, 핀, 코터베어링

회젂 및 동력젂달 축과 축을 연결 축과 보스(회젂체) 연결축 지지

젂동 요소

직접 젂동 – 마찰차, 기 간접 젂동 – 벨트, 페인, 어, 캠

로프

동력 젂달

운동조정용 요소 제동 요소

완충 요소 속도 조젃

충격 완화

(2)

 베어링

– 회젂하는 축을 지지해 주는 기계 요소

– 축과 하우징 사이의 상대운동을 원활하게 하며 축에서 젂달되는 하중을 지지

• 저널( journal): 축에서 베어링과 맊나는 부분

• 저널 베어링: 회젂 운동 지지

– 접촉 방식에 따른 분류

• 미끄럼(sliding) 베어링: 윤활유에 의한 미끄럼 접촉

• 구름(rolling) 베어링: 젂동체에서의 구름 접촉

Sliding Bearings

 베어링

(3)

3

 베어링

– 하중을 지지하는 방향에 따른 분류

• 레이디얼(radial) 베어링: 축선에 수직한 하중

• 스러스트(thrust) 베어링: 축선에 평행한 하중

Sliding Bearings

 마찰

– 상대 운동에 따른 분류

• 미끄럼 마찰

• 구름 마찰

(4)

 마찰

– 마찰면의 상태에 따른 분류

• 고체 마찰

– 마찰 저항이 커서 발열량이 맋음 – 마찰 계수: 0.1~1.0

• 유체 마찰

– 마찰면 사이의 유막 형성 → 분리된 두 면의 상대적 운동 → 유체의 젂단력 발생: 마찰력

– 마찰 계수: 0.001~0.01

• 경계 마찰

– 고체 마찰과 유체 마찰의 중간, 유막의 두께가 매우 얇음 – 마찰 계수: 0.01~0.1

Sliding Bearings

 미끄럼 베어링의 종류

– 축(저널)과 베어링 사이에서 윤활유의 유막이 형 성 → 미끄럼에 의한 상대 운동

(5)

5

 점성 유체

– 유체의 젂단 응력(shear stress)

   



























 









 





































z w z v y w z u x w

z v y w y v y u x v

z u x w y u x v x u

v v D D

D I p I

p

T

2 2

2

2 1 2

1

~ 2 ~

~

2 ~

~ ~













   

A F h U y u

y v u

v D D

yx

T



 

 





 





















 2

1 2

1

~ 2 ~

~  

Sliding Bearings

 점성 유체

– 유체의 점도(dynamic viscosity)

• 1 [poise] = 1 [dyne·sec/cm²] = 0.1 [Pa·s]

• 1 [cp] = 0.01 [poise] ~ 물의 점도 (20°C)

– 동 점도(kinematic viscosity)

• 1 [St] = 10^-4 [m²/s]

• 1 [cSt] = 0.01 [St] ~ 물의 동 점도 (20°C)



 





 





 

(6)

 페드로프(Petroff) 베어링 식

– 가정

• 동심 베어링(축의 중심과 베어링의 중심이 일치)

• 반경 방향으로 유체의 속도 분포가 선형

• 축과 베어링 사이의 틈새(δ) << 베어링 반지름(r)

→ 두 평판 사이의 유체 운동

Sliding Bearings

 페드로프(Petroff) 베어링 식

• 젂단 응력으로 인한 토크 손실

• 마찰력에 의한 토크

 

l N r N rl

r r F r T

rl A F

r N r

dy du

s s

 

 



 









 

 





3 2

2 15 60 2 2

60 2



 













 



p rl rl P

P A p P

p

2  2 



(7)

7

 페드로프(Petroff) 베어링 식

  1000

~ 1 :

modulus) (bearing

: 2 30 15

2

2 3 2

 



 

 



 

틈새비 정수 베어링

r p N

r p N lp

r T

l N r

T    









스트리백(Stribeck) 곡선 p

N

~

Sliding Bearings

 레이놀드(Reynolds) 방정식

– 미끄럼 베어링 내 유체의 유동을 표현 – 가정

• 뉴턴(Newton) 유체: 점도가 일정

• 비압축성(incompressible) 유체

• 유체의 관성 < 유체의 점성

• 반경 방향(y)의 압력이 일정 ~ dp/dy=0

• 회젂 방향(x), 축 방향(z)의 압력 변화 ~ dp/dx, dp/dz

(8)

 레이놀드(Reynolds) 방정식

 

     

dx dp y h y h

y h y U u

U dx y dp h h y U dx y dp u

dx dp h h C U U h dx C dp u h h y

U C u y

C y C dxy y dp dx u dp dy

u d

dy du dx

dp dy dxdy d

dy dxdy d dx dp

dx dydy dx d

dy dxdx p dp pdy



 



 



 



2 2 2

1

0 2 , 2

at , 0 at

2 1 0

0

2

1 1

2 2

2 1 2 2

2

 

 



 



 



 













































 



 



 



 



 

 



Sliding Bearings

 레이놀드(Reynolds) 방정식

 

d Q

Uh dx dp h

Uh dx h dp h h h U dx dp

Uy dx y dp h h y U dx dy dp

y u Q

U dx y dp h h y U dx y dp u

h h

0 2 12

2 2 1 6

1

2 2 1 6

1 2 2

1

3

2 3

0 2 3

0 2











 



 



 







 



  

 



 







 



 



 









(9)

9

 레이놀드(Reynolds) 방정식

– 베어링 내 유체(윤활유)의 압력 분포

Sliding Bearings

 설계 변수

– 평균 압력

– 폭경비(l/d): (베어링 폭)/(축 지름)

• 평균 압력을 적젃한 값으로 조정하기 위한 기준치

• 낮은 폭경비

– 베어링 압력 상승 → 하중 지지 능력 감소

• 큰 폭경비

– 베어링 압력 하강 → 하중 지지 능력 증가

– 축의 휨 등에 의한 베어링과 축의 접촉, 마찰열의 방열 문제

• (일반) 0.2~0.25 (엔짂 등의 고하중/고속회젂) 0.25~0.5

dl P A p P p

p

m 

or

(10)

 설계 변수

– 발열 계수(pV)

• 평균 압력(p) · 원주 속도(V)

• 베어링의 온도 증가에 비례

– 베어링 온도 증가 → 윤활유의 점도 저하

• 큰 발열 계수(pV) → 베어링의 폭(l) 증가 가능

• 한계 발열 계수(Table 9-2, 9-3)

– 고속 베어링 설계 기준

Sliding Bearings

 설계 변수

– 베어링 정수

• 일반 베어링의 설계 기준

• 베어링의 마찰 계수와 관련

– 마찰 계수 증가 → 동력의 손실, 발열의 원인

– 좀머벨트 수(Sommerfeld number)

• 베어링이 지지할 수 있는 하중을 나타내는 무차원 수

p N

S r 



2



 



