앤시스 모션 툴킷으로 EHD 저널 베어링 해석하기
앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례
최근 기계의 동적 거동 해석 시 ‘진동’이 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 기계의 진동은 힘과 움직임의 변동에서 생성되어 사전에 파악하기 매우 어렵다. 따라서, 이러한 진동의 원인을 분석하기 위해서는 정확한 시스템 구현이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다.
이번 호에서 다룰 베어링이란 회전하는 기계 장치에서 원활한 동력을 전달하는데 필수적인 기계 요소로, 회전을 전달하는 방식에 따라 다양한 베어링이 존재한다. 그 중 저널 베어링은 매우 단순한 구조임에도 안정된 성능을 제공하여, 발전소의 터빈이나 차량 엔진의 커넥팅 로드부터 컴퓨터의 저장장치인 하드디스크 드라이브(HDD) 등 다양한 산업에서 활용되고 있다.
이번 호에서는 EHD 저널 베어링부터 이를 해석할 수 있는 앤시스 모션 툴킷(Ansys Motion Toolkit)에 대해 살펴보도록 하겠다.
■ 김선호
태성에스엔이 구조 1팀의 매니저로, 구조 및 동역학 해석에 대한 기술 지원을 담당하고 있다.
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베어링이란
베어링(bearing)은 기계 장치에서 축에 걸리는 하중을 지지하며 고정시키고 회전을 돕는 기계적 요소로, 회전기기 부품 간의 마찰을 방지하여 소음 및 마모 방지를 위해 사용된다. 베어링은 하중을 지지하는 방법에 따라 크게 ‘미끄럼 베어링(sliding bearing)’과 ‘구름 베어링(rolling bearing)’으로 나누어지며, 각 개별 적용은 물론 두 개의 동시 적용도 가능하다.
미끄럼 베어링이란 베어링과 저널(베어링과 접촉하는 축의 부분) 사이에 윤활제가 생성한 유막의 압력으로 하중을 지지하며, 이러한 윤활제로 마찰을 감소시키는 베어링이다. 구름 베어링은 축과 베어링 사이에 볼, 롤러, 니들 롤러 등 구름 접촉을 유도하여 이들의 접촉 압력에 의해 하중을 지지하는 베어링이다.(그림 1)
이번 호에서는 미끄럼 베어링의 한 종류인 ‘저널 베어링’에 대해서 좀 더 자세히 알아보자.
그림 1. 베어링의 종류(출처 : Based on a taxonomy originally developed by Hindhede, U., Zimmerman, J.R., Hopkins, R.B., Erisman, R.J, Hull, W.C., Lang, J.D. Machine Design Fundamentals. A Practical Approach. Wiley, 1983)
그림 2. 미끄럼 베어링과 구름 베어링의 대표적인 예. 미끄럼 베어링(왼쪽)과 구름 베어링(오른쪽)(출처 : Journal bearings. Mechanical Design Engineering Handbook, 167.230)
저널 베어링
미끄럼 베어링은 구름 접촉의 장점 없이 두 표면이 서로 상대적으로 움직이는 베어링을 의미한다. 저널과 베어링의 두 표면이 서로 하중에 의해 압착되었다가 분리되며 미끄러지는 움직임에는 두 표면을 분리하기에 충분한 압력을 생성할 수 있는 윤활제를 통해 베어링 성능을 촉진시킬 수 있다. 여기서 미끄럼 베어링의 일반적인 적용은 하중 전달 샤프트의 회전을 허용하는 것이다. <그림 3>과 같이 하중을 지지하는 고정 부분을 베어링이라고 하고 베어링과 접촉하는 축을 ‘저널’이라고 한다.(엄밀히 따지자면 미끄럼 베어링과 저널 베어링은 차이가 있지만, 통상적으로 통용하여 사용하고 있다.)
저널 베어링은 두 부품 사이에 유체 윤활(hydrodynamic lubrication)이 얇은 유체막을 형성하여 직접 접촉하지 않도록 한다. 다양한 윤활 조건 중에 유체 윤활 베어링(hydrodynamic bearing)은 마찰 표면에 얇은 유막을 형성하여 운동을 원활하게 한다. 이 때 접촉면 사이의 유막은 고압의 하중을 유발하며, 유체 윤활 해석을 더욱 정교하게 하기 위해서는 하중에 의한 변형을 고려한 해석이 필요한데, 이것을 탄성 유체 윤활 베어링(EHD bearing, elasto-hydrodynamic bearing)이라고 한다.
그림 3. 미끄럼 베어링 또는 저널 베어링의 구조(출처 : Journal bearings. Mechanical Design Engineering Handbook, 167.230)
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작성일 : 2023-08-31