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바보들아 문제는 베어링이 아니야!! (세라믹 베어링과 스틸 베어링 비교: 엔지니어링 분석)

이엑스오 2024.01.12 14:57:02 조회수 1,569
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사이클링 업계에서 가장 논란이 되는 주제 중 하나는 세라믹 베어링에 관한 주제와

세라믹 베어링이 라이딩 시 마찰을 극적으로 줄여줄지에 관한 것입니다. 

 

이 기사에서는 이 논쟁과 관련된 몇 가지 우려 사항과 주제를 다루고 수치를 정량화할 것입니다.



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베어링 용어



내부 베어링 구조 - 세라믹 베어링은 100% 세라믹이 아닙니다.


세라믹 베어링은 사실상 하이브리드입니다. 이는 세라믹 볼과 일반적으로 스틸 이너(내륜)링과 아우터(외륜)링을 사용합니다. 세라믹 볼은 질화규소 또는 이와 동등한 물질인 경우가 많습니다. 스틸 베어링은 가공된 강철 볼과 스틸 이너 링과 아우터 링으로 구성된 것이 베어링입니다.


기하학적으로 스틸 베어링과 세라믹 베어링의 접촉점, 내외 수치, 두께가 동일하므로 볼 교환이 가능합니다. 둘 사이에서 유일하게 눈에 띄는 큰 차이점은 베어링 클리어린스(이하 간격)입니다. 세라믹 베어링의 경우 이는 일반적으로 C3(일반적인 베어링 간격보다 크다) 간격이고, 스틸의 경우 일반적인 베어링 간격 CN입니다. 베어링 간격은 스틸 이너 링과 아우터 링 안에 있는 볼 간격을 측정한 것입니다. 베어링의 움직임으로 인해 예열되고 팽창할 때 베어링의 고착을 방지하는 것이 필요합니다.


베어링 구조의 또 다른 일반적인 차이는 케이지 유형입니다. 케이지는 베어링 주위 전체에 볼 간격을 균일하게 유지하는 데 필요합니다. 스틸 베어링(일반적으로 일본 제조업체인 NSK, NTN)에서 케이지는 압축된 금속 조각으로 만들어져 볼 사이에 리벳으로 고정된 형태입니다. 이는 상대적으로 비용이 많이 드는 제작방법이지만 저속과 강성이 올라가 마찰 저항을 줄여줍니다.


널리 보급된 케이지 구성의 대체 방법은 복합 (위는 고무 씰, 아래는 스틸 씰?) 또는 위, 아래 모두가 고무 씰 케이지입니다. 이 케이지는 베어링 레이스에 뚜껑과 같이 끼워져 볼의 간격을 유지합니다. 하중이 높으면 씰이 튀어나오거나 변형될 수 있으며 더 많은 마찰이 발생할 수 있습니다. 대부분의 세라믹 베어링은 복합재 또는 고무 씰을 사용합니다.



외부 베어링 구조 - 씰

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베어링 씰은 4가지 일반 유형으로 제공됩니다. 개방형(씰이 없음), 쉬일드(베어링 케이지 위에 금속 스트립이 있음), 비접촉 씰 베어링 및 완전 접촉형 씰 베어링이 있습니다.


자전거 산업에서 베어링은 일반적으로 비접촉 또는 완전 접촉 씰을 가지고 있습니다. 이는 먼지와 기타 유입으로 인한 오염이 실제로 존재한다는 점을 고려한 것입니다. 이론적으로 비접촉 씰은 완전히 개방된 오픈 타입 베어링과 동일한 마찰 저항을 갖지만 실제로는 씰이 윤활유에 대한 저항을 생성하고 이는 마찰 저항으로 연결되기 때문에 오픈 타입 베어링과 동일한 수준의 구름성을 확보할 수 없습니다. 완전히 접촉하는 씰은 스틸 이너 링과 아우터 링 모두에 닿아 씰을 유지합니다. 이것은 확실한 마찰 저항이 발생, 손으로 베어링을 굴리면 볼들이 끌리는 것처럼 느껴집니다. 작동 속도에서는 마찰로 인한 저항은 여전히 존재하지만 라이더가 느낄 수 없는 수준입니다.


기본 베어링 씰링 기술은 60년대 이후 크게 변하지 않았으며 성능보다는 제조 비용에 의해 크게 좌우됩니다. 시간이 지남에 따라 기하학적 차이보다는 밀봉 재료에서 주요 개선이 이루어졌습니다.



베어링 생산


대량의 베어링 생산은 거의 완전히 자동화된 공정으로 일본인이 개척했습니다. 빅 4로 불리는 4대 기업(SKF, NTN, NSK 및 FAG)는 사람의 개입이 거의 없이 초당 수천 개의 베어링을 생산합니다. 베어링은 일반적으로 원자재부터 박스형 완제품까지 한 곳에서 모두 제작됩니다. 이 베어링은 대부분 스틸로 만들어졌습니다.


대조적으로, 소규모 세라믹 공급업체(Enduro, Kogel, Ceramicspeed)는 훨씬 더 많은 사람들이 수작업으로 베어링 조립을 완료하는 경우가 많습니다. 이 업체들은 자신들의 현장에서 모든 제조 공정을 수행할 수 있는 능력이 없으며 일반적으로 베어링을 구성하고 있는 하나 이상의 부품들을 제3자에게 공급받아 최종 조립을 사내에서 완료합니다.


일부 세라믹 베어링 브랜드는 일반 하이브리드 어셈블리를 구매 후 베어링 측면에 자체 브랜드 이름을 레이저로 새깁니다. 이러한 베어링은 극동(중국) 지역에서 매우 낮은 가격($5/£5/€5)으로 구입한 다음 미국과 유렵의 소비자에게 10배 또는 심지어 20배에 달하는 가격으로 판매됩니다. 이러한 제조업체는 일반적으로 한 공급업체에서만 판매되고, 기술 데이터가 부족하기 때문에 쉽게 식별할 수 있습니다.



베어링 마찰(마모)


대규모 제조업체의 엔지니어링 부서에는 최종 사용자가 기술적인 조언을 받을 수 있는 인력이 많이 있습니다. SKF, NTN, NSK 및 Schaeffler(FAG/INA)는 베어링의 각 구성 요소에 대한 마찰 손실 비율을 보여주는 아래 그래프를 제공했습니다.


베어링의 각 구성 요소와 관련된 마찰 비율은 조금씩 다르지만 전체 값과 순서는 동일합니다. 베어링 씰이 가장 큰 손실을 보이고 윤활유가 그 뒤를 이었습니다. 롤링 마찰은 극히 작습니다.



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① 일반적인 베어링 전력 손실



Schaeffler(FAG/INA)는 한 단계 더 나아가 구성 요소를 세부적으로 분류했습니다.


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② 구성 부품 별 전력 손실



Schaeffler의 데이터는 스틸 베어링에서 세라믹 베어링으로 전환할 때 얻을 수 있는 잠재적 이득이 얼마나 작은지 보여주기 때문에 유용합니다. 최대 개선은 잠재적으로 3%입니다. 실제로 롤링 마찰은 제거될 수 없으므로 가능한 수치는 3%의 10%, 즉 0.3%에 가깝습니다.


세라믹 베어링은 거의 항상 케이지에 안착 되어 있기 때문에 케이지 마찰은 주의할 가치가 있습니다. 이들은 지속적으로 프레스 금속 케이지(pressed metal cages)보다 더 많은 마찰을 갖는 것으로 나타났습니다. 따라서 세라믹 베어링은 롤링 마찰(3%)을 감소시킬 수 있지만 케이지 마찰(7%)을 필연적으로 증가시킬 것입니다. 결과적으로 강철 베어링은 더 낮은 마찰을 갖게 됩니다.


아래의 그래프는 이를 실제로 설명하기 위해 그리스와 씰의 마찰력을 최소화하기 위한 작은 실험이 진행되었습니다. Enduro 세라믹 베어링과 NTN LLB(비접촉) 스틸 베어링 두 개의 베어링은 각각의 다른 조건에서 흡수 전력(힘 손실)테스트를 진행했습니다.



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③ 전력 손실 그리스 및 씰



세 가지 상태가 있습니다. 첫 번째는 시제품 베어링입니다. 두 번째는 그리스를 제거, 오일로 교체하는 것입니다. 세 번째는 그리스 제거, 씰 제거, 오일 교체입니다.


첫 번째 기본 구성에서 Enduro 베어링은 전력 손실(힘 손실)이 매우 낮습니다. 두 번째 그리스가 제거되면 두 베어링의 전력 손실(힘 손실)은 동일해집니다. 세 번째 씰을 제거한 후에는 NTN 베어링의 마찰 저항은 낮아집니다. 이는 NTN, NSK, SKF 및 Schaeffler가 제공한 데이터와 밀접한 관련이 있습니다.



베어링 마찰과 수명


마찰학에서 자주 무시되는 부분은 베어링이 마모될 때 반응하는 방식입니다. 아래 그래프는 두 개의 스틸 베어링(SKF 및 NTN)과 세라믹 베어링(Enduro) 간의 비교를 보여줍니다. 처음에 엔듀로 베어링은 마찰 저항이 낮았으며 약 600km 사용 후부터 세라믹 볼은 딱딱한 강철 케이지 안에서 마찰을 일으켜 마모가 되어 베어링 마찰이 급격하게 증가합니다. 일정 기간 동안 작동한 후에는 스틸 베어링보다 마찰을 높아졌습니다. 하이브리드 세라믹 베어링은 아스팔트 도로 위에 기관차를 주행하는 것과 같습니다. 세라믹 볼과 강철 레이스의 강도 차이로 인해 도로(전송로) 또는 볼이 손상됩니다.



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④ 베어링 파워 대 수명 (올리브그린 Enduro 세라믹 베어링)



전체 효율(절전)


아래 그래프는 다양한 베어링 브랜드와 씰 유형 간에 1,000km 이상 동안 얼마나 많은 힘을 절약할 수 있는지 보여줍니다. NTN, NSK 및 SKF가 이 차트를 지배하고 있으며 이는 주로 효율적인 씰과 금속 케이지 덕분입니다. ③그래프 빨간색으로 표시된 세라믹 베어링은 장거리에서는 그다지 효율적이지 않습니다.

평가 기간이 10,000km로 확장되면 베어링 레이스에 마모되어 마찰이 증가하므로 세라믹 베어링의 성능이 훨씬 더 저하될 것이빈다.



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⑤ 일반적인 전력 손실 6806 베어링



장점

고 부하 고속 회전 시 베어링에 열이 발생, 세라믹(도자기) 볼은 열팽창이 발생하지 않아 볼의 크기가 변하지 않는 것이 이점 F1에서 사용하는 이유입니다.



단점 및 결론

세라믹 베어링은 마케팅입니다.

가격이 매우 비쌉니다.

세라믹 베어링 전용 그리스는 점도가 낮기 때문에 더 자주 관리를 해야 합니다.

자전거 무게와 체중이 실리지 않는 상태의 구름성 확인은 아무 의미가 없습니다.


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