KR101352166B1

KR101352166B1 - 저토크 베어링

Info

Publication number: KR101352166B1
Application number: KR1020120119639A
Authority: KR
Inventors: 이영근; 차철환; 박우현
Original assignee: 셰플러코리아(유)
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-10-26

Abstract

롤러의 대단경 단부와 내륜과의 미끄럼 접촉을 구름 접촉으로 설계 변경하여 불필요한 토크의 손실을 방지할 수 있는 개선된 구조를 갖는 저토크 베어링이 개시된다. 저토크 베어링은 경사지며 내향하는 제1외륜궤도면과, 상기 제1외륜궤도면으로부터 축방향으로 이격되어 오목하게 만곡지며 내향하는 제2외륜궤도면을 갖는 외륜과; 상기 제1외륜궤도면에 대향하는 경사진 제1내륜궤도면과, 상기 제1내륜궤도면으로부터 축방향으로 이격되며 오목하게 만곡지고 상기 제2외륜궤도면에 대향하는 제2내륜궤도면을 갖는 내륜과; 상기 제1외륜궤도면과 제1내륜궤도면 사이에 구비되는 제1전동체열과, 상기 제2외륜궤도면과 제2내륜궤도면 사이에 구비되는 제2전동체열로 이루어지며; 상기 제1전동체열은 다수의 테이퍼 롤러로 이루어지는 테이퍼 롤러열이며, 상기 제2전동체열은 다수의 볼로 이루어지는 볼열인 것을 특징으로 한다. 따라서, 테이퍼 롤러가 별도의 내륜의 큰턱을 필요로 하지 않고도 볼에 의해 구름 접촉되면서 지지될 수 있고, 또한 내륜 소턱을 없애고 제1 돌출부를 갖는 구조를 채택함으로 내륜 및 전동체가 해체되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인하여 로울러 길이를 길게 하는 것이 가능하다. 따라서 큰턱에 의한 토크 손실이 현저하게 감소되고, 제조가 간단해지며, 길이가 긴 테이퍼 롤러를 채택할 수 있어 동정격하중이 증가하게 되어 필요한 경우 테이퍼 롤러의 개수를 감소시킬 수 있다.

Description

저토크 베어링{A Low Torque Bearing}

본 발명은 저토크 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변속기 등에 구비되어 회전하는 회전 가능하게 샤프트를 지지하고 내륜과 외륜 사이에 테이퍼진 원추형의 롤러와 볼이 구비되며 반경 방향 하중과 축 방향 하중을 함께 받도록 설계된 저토크 베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 테이퍼 롤러 베어링은 변속기 등에 구비되어 회전하는 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 장치로서, 내륜과 외륜 사이에 테이퍼진 원추형의 롤러가 내장되어 있다. 이러한 종래의 테이퍼 롤러 베어링은 선 출원된 대한민국 등록특허 0649929호에 개시된바 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 테이퍼 롤러 베어링은 외륜(4)과, 내륜(1)과, 리테이너(3) 및 롤러(2)로 구성된다. 외륜(4)은 내경면에 경사지게 내향하는 외륜 궤도면(4a)을 가지며, 내륜(1)은 외경면에 외륜(4)에 대향하는 내륜 궤도면(1a)을 갖는다. 상기 내륜(1)의 축방향 일측으로 외주면에는 외향 연장된 큰턱(1b)이 형성되고, 상기 큰턱(1b)의 반대측 외주면에는 반경 방향 외향 연장된 작은턱(1c)이 형성되며, 상기 큰턱(1b)과 작은턱(1c)은 내륜(1)에 일체로 구비된다.

롤러(2)는 외륜(4)과 내륜(1)의 사이에서 외륜 궤도면(4a)과 내륜 궤도면(1a)과 접촉하여 위치한다. 상기 롤러(2)는 내륜(1)의 외주면에 원주 방향으로 서로 일정 간격 이격되어 다수 개로 배치된다. 상기 롤러(2)의 대단경부는 내륜(1)에 형성된 큰턱(1b)에 지지되어 있다. 리테이너(3)는 다수의 롤러(2)를 서로 간섭없이 원주 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하도록 지지한다.

도 2를 참조하면, 상기 롤러(2)는 대단경 단부 측이 내륜(1)의 큰턱(1b)에 접촉하며, 상기 대단경 단부 측에 윤활홈(2a)이 요입 형성된다. 윤활홈(2a)에는 윤활유가 채워져 윤활 작용을 한다. 상기 롤러(2)의 외주면은 외륜(4)의 외륜 궤도면(4a)과 내륜(1)의 내륜 궤도면(1a)에 구름 접촉하며, 상기 롤러(2)의 대단경 단부는 내륜(1)의 큰턱(1b)에 미끄럼 접촉하게 된다.

도 3을 참조하면, 테이퍼 롤러 베어링은 저속 구간에서 구름 접촉의 경우 낮은 토크값을 가지며, 미끄럼 접촉의 경우 높은 토크값을 갖는다. 또한, 구름 접촉의 경우 회전 속도에 비례하여 토크 값이 증가함에 따라 고속 구간에서 높은 토크값을 가지며, 미끄럼 접촉의 경우 회전 속도에 반비례하여 토크값이 감소함에 따라 고속 구간에서 낮은 토크값을 갖는다.

종래의 테이퍼 롤러 베어링은 저속에서 미끄럼 마찰에 의하여 불필요한 토크 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 0649929호(2006.11.20)

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 롤러의 대단경 단부와 내륜과의 미끄럼 접촉이 없게 되므로 미끄럼 접촉에 의한 토크의 손실을 방지할 수 있는 저토크 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 저토크 베어링은 경사지며 내향하는 제1외륜궤도면과, 상기 제1외륜궤도면으로부터 축방향으로 이격되어 오목하게 만곡지며 내향하는 제2외륜궤도면을 갖는 외륜과; 상기 제1외륜궤도면에 대향하는 경사진 제1내륜궤도면과, 상기 제1내륜궤도면으로부터 축방향으로 이격되며 오목하게 만곡지고 상기 제2외륜궤도면에 대향하는 제2내륜궤도면을 갖는 내륜과; 상기 제1외륜궤도면과 제1내륜궤도면 사이에 구비되는 제1전동체열과, 상기 제2외륜궤도면과 제2내륜궤도면 사이에 구비되는 제2전동체열로 이루어지며; 상기 제1전동체열은 다수의 테이퍼 롤러로 이루어지는 테이퍼 롤러열이며, 상기 제2전동체열은 다수의 볼로 이루어지는 볼열인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 저토크 베어링은 테이퍼 롤러가 별도의 내륜의 큰턱을 필요로 하지 않고도 볼에 의해 구름 접촉되면서 지지될 수 있고 또한 기존의 내륜 소턱을 없애고 볼과 롤러 사이에서 외향 돌출된 제1 돌출부를 갖는 구조를 채택함으로 내륜 및 전동체가 해체되는 것을 방지 할 수 있다. 이로 인하여 로울러 길이를 길게 하는 것이 가능하다. 이에 따라, 큰턱과의 초기 미끄럼 마찰에 따라 발생하는 토크 손실이 현저하게 감소되고, 제조가 간단해지며, 축 방향으로 길이가 간 테이퍼 롤러를 채택할 수 있어 동정격하중이 증가하게 되어 필요한 경우 테이퍼 롤러의 개수를 감소시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 테이퍼 롤러 베어링을 도시한 단면도이고,
도 2는 종래의 테이퍼 롤러 베어링의 롤러를 도시한 사시도이며,
도 3은 종래의 테이퍼 롤러 베어링의 접촉부에서의 rpm과 토크의 상관 관계를 도시한 그래프이며,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 베어링의 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 베어링의의 분리 사시도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 베어링의 일부분을 확대 도시한 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 베어링의 PCD와 볼접촉각 및 볼지름의 상관 관계를 도시한 것이며,
도 8은 도 7의 변형 예에 따른 저토크 베어링의 PCD와 볼접촉각 및 볼지름의 상관 관계를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면에 따라서 저토크 베어링의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저토크 베어링은 외륜(10)과, 내륜(20)과, 제1전동체열 및 제2전동체열로 이루어진다.

외륜(10)은 내경면에 제1외륜궤도면(11)과, 제2외륜궤도면(12)을 구비한다. 제1외륜궤도면(11)은 경사지게 내향하며, 테이퍼 롤러(30)의 외주면에 구름 접촉을 한다. 제2외륜궤도면(12)은 제1외륜궤도면(11)으로부터 축방향으로 이격되어 형성되며, 오목하게 만곡지며 내향하여 볼(40)과 접촉을 한다. 상기 제2외륜궤도면(12)은 제1외륜궤도면(11)의 대경 쪽으로부터 축방향으로 이격되어 형성된다.

내륜(20)은 외경면에 제1내륜궤도면(21)과, 제2내륜궤도면(22)을 구비한다. 제1내륜궤도면(21)은 제1외륜궤도면(11)에 대향하며 경사지게 형성되어, 테이퍼 롤러(30)의 외주면과 구름 접촉을 한다. 제2내륜궤도면(22)은 제1내륜궤도면(21)으로부터 축방향으로 이격되며, 오목하게 만곡지고, 제2외륜궤도면(12)에 대향하고 있다. 상기 제2내륜궤도면(22)은 볼(40)과 접한다. 상기 제2내륜궤도면(22)은 제1내륜궤도면(21)의 대경 측으로부터 축방향으로 이격되어 형성된다.

제1전동체열은 상기 제1외륜궤도면(11)과 제1내륜궤도면(21) 사이에 구비되며, 제2전동체열은 상기 제2외륜궤도면(12)과 제2내륜궤도면(22) 사이에 구비된다. 상기 제1전동체열은 다수의 테이퍼 롤러(30)로 이루어지는 테이퍼 롤러열로 구성되고, 제2전동체열은 다수의 볼(40)로 이루어지는 볼열로 구성된다. 상기 테이퍼 롤러(30) 및 볼(40)은 외륜(10)과 내륜(20) 사이에 원주 방향으로 일정 간격 이격되게 구비된다.

상기 제1외륜궤도면(11)과, 제1내륜궤도면(21)과, 제1전동체열은 테이퍼 롤러 베어링부를 형성한다. 상기 제1전동체열은 제1외륜궤도면(11)과 제1내륜궤도면(21) 사이에 위치하며 다수의 테이퍼 롤러(30)로 이루어진다. 또한, 상기 제2외륜궤도면(12)과, 제2내륜궤도면(22)과, 제2전동체열은 볼 베어링부를 형성한다. 상기 제2전동체열은 제2외륜궤도면(12)과 제2내륜궤도면(22) 사이에 위치하며 다수의 볼(40)로 이루어진다. 또한, 상기 볼 베어링부는 테이퍼 롤러 베어링부의 대단경 쪽으로 위치한다.

상기 외륜(10)과 내륜(20)에 축방향 하중을 가하여 테이퍼 롤러 베어링부의 제1전동체열이 제1외륜궤도면(11)과 제1내륜궤도면(21)에 접할 때, 상기 제2외륜궤도면(12)과 제2내륜궤도면(22) 사이에 위치하는 제2전동체열의 각 볼(40)은 제1전동체열의 각 테이퍼 롤러(30)의 대단면(31)에 접하게 된다. 상기 테이퍼 롤러(30)의 대단면(31)은 볼(40)을 향해 볼록하게 만곡 형성된다. 따라서, 테이퍼 롤러(30)에 별도의 윤활홈을 형성하지 않고도 테이퍼 롤러(30)의 대단면(31) 윤활성을 향상시킬 수 있다.

상기 테이퍼 롤러(30)의 외주면은 제1외륜궤도면(11)과 제1내륜궤도면(21)에 구름 접촉하고, 테이퍼 롤러(30)의 대단면(31)은 볼(40)에 접촉하며, 볼(40)은 제2외륜궤도면(12)과 제2내륜궤도면(22)에 구름 접촉하게 된다.

상기 테이퍼 롤러(30) 및 볼(40)은 리테이너(50)에 의해 각각 서로 이격되게 지지된다. 상기 리테이너(50)에는 방사형으로 배치되는 다수의 지지홀(51)이 형성되며, 테이퍼 롤러(30) 및 볼(40)은 지지홀(51) 내부에 한 조를 이루어 배치된다. 상기 테이퍼 롤러(30) 및 볼(40)은 리테이너(50)에 의해 한 조를 이룬 상태에서 각 조끼리 서로 간섭없이 일정 간격 이격된 상태로 정위치에 배치될 수 있다.

상기 테이퍼 롤러(30)는 축 방향으로 볼(40)에 의해 접촉 지지되며 볼(40)과 접촉하게 된다. 상기 내륜(20)은 별도의 큰턱이 형성되지 않고도, 테이퍼 롤러(30)가 축 방향으로 볼(40)에 의해 지지되어 미끄럼 접촉 구간을 갖지 않는다. 따라서, 변속기에 적용되는 경우 1단과 같은 저속 회전 속도에서 높은 토크값을 요구하지 않게 된다.

따라서, 테이퍼 롤러(30)는 별도의 내륜(20)의 큰턱을 필요로 하지 않고도 볼(40)에 의해 구름 접촉되면서 지지될 수 있고, 또한 기존의 내륜 소턱을 없애고 볼과 롤러 사이에서 외향 돌출된 제1 돌출부(28)을 갖는 구조를 채택함으로써 내륜 및 전동체가 해체되는 것을 방지 할 수 있다. 이로 인하여 로울러 길이를 길게 하는 것이 가능하다. 상기 제1 돌출부(28)는 내륜(20)의 볼 궤도가 연장되어 형성된다. 상기 제1 돌출부(28)는 내륜(20)의 원주 방향을 따라 외경면에 돌출된다. 이에 따라, 큰턱에 의한 초기 미끄럼 마찰에 따라 발생하는 토크 손실이 현저하게 감소되고, 제조가 간단해지며, 축 방향으로 길이가 간 테이퍼 롤러(30)를 채택할 수 있어 동정격하중이 증가하게 되어 필요한 경우 테이퍼 롤러(30)의 개수를 감소시킬 수 있는 것이다.

도 7을 참조하면, 상기 테이퍼 롤러 베어링부와 볼 베어링부의 접촉각은 같은 방향으로 형성된다. 즉, 테이퍼 롤러(30)와 제1외륜궤도면(11)의 접점을 테이퍼 롤러(30)와 제1내륜궤도면(21)의 접점과 이은 선이 수직선과 이루는 테이퍼 롤러의 접촉각(α1)은 볼(40)과 제2외륜궤도면(12)의 접점을 볼(40)과 제2내륜궤도면(22)의 점접과 이은 선이 수직선과 이루는 볼의 접촉각(α2)과 같은 방향으로 형성된다.

또한, 상기 제2외륜궤도면(12) 및 제2내륜궤도면(22)과 볼(40)의 접촉점은 상기 제1외륜궤도면(11)의 연장선과 제1내륜궤도면(21)의 연장선상에 각각 위치한다. 즉, 테이퍼 롤러(30)의 반경 방향 중심선의 연장선은 볼(40)의 중심을 지나고, 제1외륜궤도면(11)의 연장선은 볼(40)과 제2외륜궤도면(12)의 접점을 지나며, 제1내륜궤도면(21)의 연장선은 볼(40)과 제2내륜궤도면(22)의 접점을 지난다. 따라서, 외륜(10)과 내륜(20)의 상대적인 회전 시, 테이퍼 롤러(30)와 볼(40)의 공전 속도 및 자전 속도는 동일해진다.

상기 볼(40)의 중심이 형성하는 피치원 직경(Pitch Circle Diameter:PCD)을 기준 PCD라 하고, 테이퍼 롤러(30)와 볼(40)의 공전 및 자전 속도가 동일해 지는 조건의 볼의 직경(D) 및 볼의 접촉각(α2)이 결정된다.

한편, 도 8은 도 7의 변형 예에 따른 저토크 베어링의 PCD와 볼접촉각 및 볼지름의 상관 관계를 도시한 것이다.

도 8을 참조하면, 볼(40)의 중심을 따라 형성되는 피치원 직경(PCD)이 감소하는 경우, 볼(40)의 직경(d)이 작아지도록 형성된다(도 8에서 2점 쇄선의 원). 즉, 볼의 PCD를 기준 PCD보다 작게 하면 볼(40)의 공전 및 자전 속도가 작아지게 되는데, 볼의 직경(d)을 작게 하여 볼(40)의 공전 및 자전 속도를 증가시켜 볼(40)의 공전를 테이퍼 롤러(30)와 동일해지도록 보완할 수 있다.

또한, 볼(40)의 중심을 따라 형성되는 피치원 직경(PCD)이 감소하는 경우, 볼(40)의 접촉각(α2")이 커지도록 형성된다(도 8에서 점선의 원). 즉, 볼의 PCD를 기준 PCD보다 작게하면 볼(40)의 공전 및 자전 속도가 작아지게 되는데, 볼의 접촉각(α2")을 크게 하여 볼(40)의 공전 및 자전 속도를 증가시켜 볼(40)의 공전 및 자전 속도가 테이퍼 롤러(30)와 동일해지도록 보완할 수 있다. 이와 같이, 테이퍼 롤러(30)와 구름 접촉하는 볼(40)의 지름, 접촉각을 적절히 변경하여 원하는 PCD값을 얻도록 설계 가능하다.

지금까지 본 발명에 따른 저토크 베어링은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 외륜 11 : 제1외륜궤도면
12 : 제2외륜궤도면 20 : 내륜
21 : 제1내륜궤도면 22 : 제2내륜궤도면
30 : 테이퍼 롤러 31 : 대단면
40 : 볼 50 : 리테이너
51 : 지지홀

Claims

경사지며 내향하는 제1외륜궤도면과, 상기 제1외륜궤도면으로부터 축방향으로 이격되어 오목하게 만곡지며 내향하는 제2외륜궤도면을 갖는 외륜과; 상기 제1외륜궤도면에 대향하는 경사진 제1내륜궤도면과, 상기 제1내륜궤도면으로부터 축방향으로 이격되며 오목하게 만곡지고 상기 제2외륜궤도면에 대향하는 제2내륜궤도면을 갖는 내륜과; 상기 제1외륜궤도면과 제1내륜궤도면 사이에 구비되며 다수의 테이퍼 롤러로 이루어지는 테이퍼 롤러열인 제1전동체열과, 상기 제2외륜궤도면과 제2내륜궤도면 사이에 구비되며 다수의 볼로 이루어지는 볼열인 제2전동체열로 이루어지며; 상기 제1외륜궤도면과, 제1내륜궤도면과, 제1전동체열은 테이퍼 롤러 베어링부를 형성하고, 상기 제2외륜궤도면과, 제2내륜궤도면과, 제2전동체열은 볼 베어링부를 형성하며; 상기 볼 베어링부는 테이퍼 롤러 베어링부의 대단경 쪽으로 위치하며; 상기 외륜과 내륜에 축방향 하중을 가하여 테이퍼 롤러 베어링부의 제1전동체열이 제1외륜궤도면과 제1내륜궤도면에 접할 때, 상기 제2외륜궤도면과 제2내륜궤도면 사이에 위치하는 제2전동체열의 각 볼은 제1전동체열의 각 테이퍼 롤러 대단면에 접하는 것을 특징으로 하는 저토크 베어링.
삭제
삭제
제1 항에 있어서, 상기 테이퍼 롤러 베어링부와 볼 베어링부의 접촉각은 같은 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저토크 베어링.
제4 항에 있어서, 상기 제2외륜궤도면 및 제2내륜궤도면과 볼의 접촉점은 상기 제1외륜궤도면의 연장선과 제1내륜궤도면의 연장선 상에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 저토크 베어링.
삭제
삭제
제1 항에 있어서, 상기 테이퍼 롤러 및 볼을 각각 서로 이격되게 지지하는 리테이너를 구비하고, 상기 리테이너에는 방사형으로 배치되는 다수의 지지홀이 형성되며, 상기 테이퍼 롤러 및 볼은 상기 지지홀 내부에 한 조를 이루어 배치되는 것을 특징으로 하는 저토크 베어링.
제1 항에 있어서, 상기 테이퍼 롤러의 대단면은 상기 볼을 향해 볼록하게 만곡 형성되는 것을 특징으로 하는 저토크 베어링.