[논문]자동차용 깊은홈 볼베어링의 조기파손 : 1보 - 파손기구의 규명

현준수; 박태조

문제 정의

본 논문에서는 깊은흠 볼베어링의 볼에 압흔이 생길 수 있는 가능성을 제사하기 위하여 축방향 하중을 받는 상태에 대한.궤도륜의 턱 모서리와 볼에서의 응력분포를 Fig.
앞에서 분석한 조기파손에 대한 원인을 규명하기 위하여 표면에 압흔이 있는 볼과 이를 사용한 시험용 베어링을 제작하여 시험하고자 한다.
이에 본 논문에서는 내부부품에 의한 압흔의 발생과 이로 인한 조기파손과의 관계를 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위하여 조기 파손된 볼베어링 샘플을 분석하여 압흔의 발생기구를 추정한 후 제작한 시험용 베어링을 수명시험기를 사용하여 시험하였다.

제안 방법

하중을 작용시킨 베어링은 분해하여 내·외 륜은 폐기하고 볼만 추출한 후 초음파 세척기로 표면의 이물질을 제거하였다. 다음으로 압흔이 있는 볼만 골라서 신품인 궤도륜 등과 조합하여 시험용 베어링을 제작하였다. 이때, 볼압흔의 크기를 고려하여 베어링의 반경방향 틈새는 보통급 틈새보다 큰 30~40㎛의 내부 틈새가 되도록 내·외륜의 치수조합을 선정하였다.
시험이 완료된 베어링은 외관을 조사하고 이상이 없으면 시일, 그리이스, 리테이너 순으로 베어링을 분해 한 다음 내륜, 외륜, 볼, 리테이너의 손상유무를 정밀하게 조사하고 파손부위를 기록하였다. 또한, 수명시험에 따른 베어링강의 조직변화를 조사하기 위하여 현미경으로 금속미세조직을 관찰하였으며, 피로정도를 확인하기 위하여 X-선시험기로 잔류응력 등을 측정하였다.
베어링의 장착이나 작동 중에 생성될 수 있는 압흔과 형태가 동일한 압흔이 있는 볼을 제작하기 위하여 ISO 6303 깊은 홈 볼베어링을 사용하였으며, 윤활조건을 균일하게 하기 위하여 그리이스를 봉입하고 밀봉형태로 제작하였다. 또한, 손상정도를 쉽게 확인할 수 있도록 분해가 용이한 플라스틱 리테이너를 채용하였다.
베어링의 파손으로 크게 진동이 발생하거나 목표시험시간에 도달하였을 때 시험기를 정지시키고 시험시간을 기록하였다. 시험이 완료된 베어링은 외관을 조사하고 이상이 없으면 시일, 그리이스, 리테이너 순으로 베어링을 분해 한 다음 내륜, 외륜, 볼, 리테이너의 손상유무를 정밀하게 조사하고 파손부위를 기록하였다.
베어링의 파손으로 크게 진동이 발생하거나 목표시험시간에 도달하였을 때 시험기를 정지시키고 시험시간을 기록하였다. 시험이 완료된 베어링은 외관을 조사하고 이상이 없으면 시일, 그리이스, 리테이너 순으로 베어링을 분해 한 다음 내륜, 외륜, 볼, 리테이너의 손상유무를 정밀하게 조사하고 파손부위를 기록하였다. 또한, 수명시험에 따른 베어링강의 조직변화를 조사하기 위하여 현미경으로 금속미세조직을 관찰하였으며, 피로정도를 확인하기 위하여 X-선시험기로 잔류응력 등을 측정하였다.
다음으로 압흔이 있는 볼만 골라서 신품인 궤도륜 등과 조합하여 시험용 베어링을 제작하였다. 이때, 볼압흔의 크기를 고려하여 베어링의 반경방향 틈새는 보통급 틈새보다 큰 30~40㎛의 내부 틈새가 되도록 내·외륜의 치수조합을 선정하였다. 조립된 시험용 베어링은 다시 초음파 세척과정을 거치고 시험후에 분해·조립을 쉽게 하기 위하여 플라스틱 리테이너를 채용하고 그리이스를 주입한 후 시일로 밀봉하였다.
이러한 가능성을 조사하기 위하여 승용차와 소형트럭의 기어박스용으로 사용되는 깊은 홈 볼베어링의 조기파손된 샘플을 수집하여 분석하였다. 이 베어링은 내· 외경 이 각각 25.
이에 본 논문에서는 내부부품에 의한 압흔의 발생과 이로 인한 조기파손과의 관계를 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 위하여 조기 파손된 볼베어링 샘플을 분석하여 압흔의 발생기구를 추정한 후 제작한 시험용 베어링을 수명시험기를 사용하여 시험하였다.

대상 데이터

베어링의 장착이나 작동 중에 생성될 수 있는 압흔과 형태가 동일한 압흔이 있는 볼을 제작하기 위하여 ISO 6303 깊은 홈 볼베어링을 사용하였으며, 윤활조건을 균일하게 하기 위하여 그리이스를 봉입하고 밀봉형태로 제작하였다. 또한, 손상정도를 쉽게 확인할 수 있도록 분해가 용이한 플라스틱 리테이너를 채용하였다. 다음으로 특별히 고안된 치구를 만능시험기에 설치하고 하중을 작용시키면서 축방향 변위량을 측정하여 그 결과를 Fig.
13에 각각 나타내었다. 분석한 베어링의 내륜은 216 시간 시 험후에 파손된 베어링, 1,360시간 시험 후에도 파손현상이 관찰되지 않은 베어링, 그리고 시 험하지 않은 신품베어링의 내륜 등 3 종이었다. 이 결과, 표면하부의 잔류응력과 잔류오오스테나이트는 베어링의 파손여부와는 관계없이 베어링의 시험시간에 따라서 모두 변화폭이 커졌다[11].

성능/효과

1) 압흔이 있는 볼과 신품인 궤도륜을 조합하여 제작된 시험베어링은 내륜>볼>외륜의 순서로 파손도가 심하였다. 이는 초기에 압흔이 있는 볼로 제작된 베어링이기에 볼이 많이 파손될 것이라는 예상과는 다른 새로운 결과 이다.
2) 파손된 베어링의 내·외륜의 궤도면에서는 플레이킹 마멸파편에 의한 눌림자국이, 파손되지 않은 베어링의 구름면에서는 볼의 압흔이 전사된 자국이 각각 관찰되었다.
3) X-선 잔류응력시험과 미세조직사진의 결과는 조기파손이 재료내부에서 발전되는 피로파 손 형태가 아닌 압흔에 의해서 재료표면으로 부터 시작되는 표면기점형태의 파손임을 증명하고 있다.
특히, 내·외륜의 궤도면에는 플레이킹과 함께 많은 수의 눌린 형태의 압흔이 플레이킹 주변부뿐만 아니라 여기서 떨어진 곳에서도 발견되었다. 각 부품의 치수변화를 측정한 결과, 내륜은 반경 및 축 방향으로 143㎛ 와 518㎛로 아주 크게 나타났으며, 외륜은 반 경방향으로는 무시할 수 있는 수준이었으나 축방향으로는 117㎛정도였다. 또한, 볼은 직경 이 221㎛정도 줄어들어 큰 변화를 보였다.
07㎛로 가장 큰 경우로 수명도 20 시간으로 가장 짧았다. 내륜만 파손된 경우와 내륜과 볼이 함께 파손된 경우의 시험전 압흔의 평균크기는 2.33㎛와 3.56㎛이고 각각의 평균수명은 526시간과 490시간이었다.
5배에 상당하며 이를 표준 Weibull 기울기로 계산하면 L₅₀수명에 상당한다. 따라서, 본 시험조건에서 베어링이 1,300시간 이상의 수명일 경우에 정상적인 피로파손으로 분류할 수 있다고 판단하였다.
파손 유형은 볼만 파손된 경우, 내륜만 파손된 경우, 내륜과 볼이 파손된 경우의 3가지가 있었으나 외륜이 파손된 경우는 발견되지 않았다. 시험베어링 중에서 볼만 파손된 결과는 압흔의 크기가 4.07㎛로 가장 큰 경우로 수명도 20 시간으로 가장 짧았다. 내륜만 파손된 경우와 내륜과 볼이 함께 파손된 경우의 시험전 압흔의 평균크기는 2.
6). 이상과 같이 조기파손된 베어링에서 미끄럼흔적(Skid mark)과 입자에 의한 연삭마멸 등의 복합적인 마멸흔적이 모두 관찰되었다. 특히, 내·외륜의 궤도면에는 플레이킹과 함께 많은 수의 눌린 형태의 압흔이 플레이킹 주변부뿐만 아니라 여기서 떨어진 곳에서도 발견되었다.
이상의 결과로부터 깊은 홈 볼베어링의 조기 파손은 베어링의 장착이나 운전중에 볼에 생성된 압흔이 원인이라는 사실을 처음으로 규명하였다. 그리고, 내륜이 많이 파손되는 것은 압혼이 베어링의 운전에 따라서 궤도면으로 전사[11]되고 이곳이 볼과 접촉이 많기 때문이다.
15의 1,360시간 운전된 경우에는 표면하부에 변형조직이 존재함을 확인할 수 있었다. 즉, L₁₀수명의 3배 이상인 1,360시간 운전된 시편의 미세 조직사진에서 재료의 피로축적이 확인되므로 216시간 작동후에 파손된 베어링의 파손원인은 피로파괴가 아니라는 것을 알 수 있다.

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