탄성유체윤활 기반의 열적 효과를 고려한 복열테이퍼 롤러베어링의 접촉 상태 평가

초록

복열테이퍼 롤러베어링의 접촉 상태는 작동 조건, 재료적 특성, 형상 치수, 열적 효과 등에 따라 변화한다. 하지만 복열테이퍼 롤러베어링 접촉 상태 해석은 윤활유 물성, 구성요소 간 구조적 제약, 동력 손실원 등 수많은 인자가 복잡하게 얽혀 있다. 본 연구에서는 열적 효과를 고려한 복열테이퍼 롤러베어링의 접촉 상태 변화를 예측할 있는 수치해석 모델을 개발했다. 복열테이퍼 롤러베어링의 접촉력은 헤르츠(Hertz) 접촉 모델 기반의 준 정적 모델 해석을 통해 계산 하였으며, 베어링 시스템의 온도를 예측하기 위해 (a)접촉부에서의 미끄럼 마찰, (b)점성 항력 동력손실, (c)냉각 장치 그리고 (d)대류 및 전도 열저항을 포함하는 과도 열 네트워크 모델을 사용하였다. 베어링 시스템의 온도변화 예측을 위하여 구성요소의 열변형으로 인한 간극 변화 및 윤활유 물성치를 반복 계산하게 되며 이러한 과정은 전체 베어링 시스템의 온도가 수렴될 때까지 반복 수행되었다. 해석 결과는 내륜의 회전 속도가 과도하게 높거나 오일 공급 유량이 작으면 베어링의 열 팽창으로 인해 억지끼움 현상이 발생할 수 있음을 보여준다. 또한 회전 속도 및 공급 유량에 따라 최적의 초기 간극을 설정할 수 있는 것을 확인하였고, 회전 속도가 높을수록 열팽창으로 인한 간극 감소를 보상하기 위해 초기간극을 크게 설계해야 하는 것을 보여준다. 복열 테이퍼 롤러 베어링의 중요한 설계변수인 롤러 대단부 반경과 내외륜 테이퍼 각에 따른 베어링 성능 변화를 예측하였으며, 설계변수들은 열-기계적 관점에서 최적 설계해야 하는 것을 보여준다. 마지막으로 열적 효과에서 우수한 성능을 가진다고 알려진 세라믹을 베어링 요소에 적용했을 때의 열-기계적 거동을 예측하였다. 해석결과는 간극의 증가를 초래하는 외륜에 세라믹을 적용하는 것보다 간극의 감소를 초래하는 내륜 및 전동체에 세라믹을 적용하는 것이 베어링의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 보여준다.