탄성유체윤활을 고려한 각 접촉 볼베어링의 열-기계적 거동 및 피로수명 분석

초록

각 접촉 볼베어링(Angular contact ball bearing, ACBB)은 반경 방향과 축 방향의 하중을 동시에 지지할 수 있고 높은 강성을 가지고 있다는 특징으로 인해 회전기계에 널리 사용된다. 또한, 회전축계 시스템에서 베어링의 동특성은 로터의 진동에 영향을 주는 주요 요인 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 열적 효과와 유막 효과가 고려된 각 접촉 볼베어링의 수치해석 모델을 정립하였고, 이를 기반으로 베어링의 동특성을 도출하였다. 각 접촉 볼베어링 준-정적 하중분배 모델[1]을 통해 각 볼의 변형량과 접촉력이 Hertz 접촉 이론을 토대로 계산되었다. 구해진 결과값을 토대로 베어링의 발열량 및 열저항을 계산하여 열 네트워크 방법[2]이 사용되었고, 온도 변화와 열팽창이 고려되었다. 최종적으로 탄성유체윤활 모델을 결합하여 유막효과가 고려되었다. 기존의 Hertz 접촉을 토대로 계산된 결과에 비해 접촉 강성은 감소되었지만, 유막효과로 인해 접촉력은 증가하는 결과가 도출되었다. 이 모델을 기반으로 베어링의 강성과 감쇠가 도출되었다. 최종적으로는 열적 효과와 유막 효과가 피로수명에 미치는 영향을 분석하기 위해 GZ 피로수명 예측 모델[3]을 사용하여 각각의 피로수명을 계산하였고, 비교되었다.