베어링 정격하중 및 수명 실무 (Bearing Dynamic Load Rating and Life Prediction Practice)

“베어링 수명 계산 시 ‘적당히 오버 스펙’으로 선정하고 안심하는 습관, 정말 괜찮을까요?”

물론 안전 마진을 높이는 것은 중요합니다. 하지만 무작정 큰 규격의 베어링을 사용하면 재료비 상승은 물론, 외경이 커져 하우징 설계가 복잡해지며, 장착 시 적절한 예압 설정이 어려워지는 문제가 발생합니다. 신입 시절, 불필요한 불안감 때문에 고하중 영역이 아님에도 규격이 큰 베어링을 사용했다가, 초기 진동 파손으로 생산 라인이 멈추는 실수를 저지른 적이 있습니다. 이로 인해 선배 엔지니어로부터 가혹한 질책을 받았던 기억이 생생합니다.

베어링이 갑자기 고장 나면 교체 비용뿐만 아니라 생산 손실 비용까지 발생하여 설비 전체가 ‘돈 먹는 하마’로 변합니다. 핵심은 정확한 동정격 하중(C) 분석을 통해 베어링의 피로 수명을 정밀하게 예측하고, 과도한 설계나 불안한 설계 사이의 아슬아슬한 ‘줄타기’에서 중심을 잡는 것입니다.

지금부터 깊은 홈 볼 베어링의 기본 동정격 하중 C를 계산하고, 실제 운전 조건에서의 수명(L₁₀)을 예측하는 실무 지침을 상세히 살펴보겠습니다.

잠깐! 계산을 하려면 베어링 번호(6004, 6205 등)부터 읽을 줄 알아야 합니다. 제조사별 암호 같은 기호가 헷갈린다면 구름 베어링 호칭 번호 완전 해독 가이드를 먼저 보고 오세요.

1. 기본 동정격 하중 (C)의 정의와 중요성

베어링의 기본 동정격 하중(Basic Dynamic Load Rating, C)은 베어링 수명을 계산하는 데 사용되는 가장 핵심적인 기준값입니다. 이는 KS B ISO 281에 의거하여 구름 베어링의 설계 피로 수명과 관련된 하중 능력치를 나타냅니다.

정의: 동일한 베어링 그룹 중 90%가 최소한 100만 회전(10⁶ 회전)을 견딜 수 있는 최대 하중을 의미합니다. (즉, 기본 정격 수명 L₁₀ = 10⁶ 회전일 때의 정격 하중)
단위: 뉴턴(N) 또는 킬로뉴턴(kN)을 사용합니다.
실제 활용: 제조사 카탈로그에 제시된 C 값을 사용하여 설비의 실제 운전 하중(P)과 비교하여 베어링의 예상 수명을 계산합니다.

2. 깊은 홈 볼 베어링의 치수 및 정격 하중 (KS/ISO 기준)

깊은 홈 볼 베어링은 가장 일반적인 베어링 유형으로, 레이디얼 하중과 일정 수준의 축 방향 하중을 동시에 지지할 수 있습니다. 다음 표는 KS B 2052 (구름 베어링) 및 ISO 15에 따른 일반적인 치수 계열의 사양 일부를 발췌한 것입니다.

사용 기호 설명

d: 안지름
D: 바깥지름
B: 폭
C: 기본 동정격 하중
C₀: 기본 정정격 하중

호칭 번호	d (안지름, mm)	D (바깥지름, mm)	B (폭, mm)	C (기본 동정격 하중, kN)	C₀ (기본 정정격 하중, kN)
6004	20	42	12	9.3	4.8
6205	25	52	15	14.0	7.8
6308	40	90	23	46.2	30.0

3. 등가 동정격 하중 (P) 계산 실무

베어링에는 일반적으로 레이디얼 하중(F_r)과 축 방향 하중(F_a)이 동시에 작용합니다. 베어링 수명을 계산하기 위해서는 이 두 하중을 하나의 가상적인 등가 동정격 하중(Equivalent Dynamic Load, P)으로 변환해야 합니다. 이 계산은 ISO 281 및 제조사의 지침을 따릅니다.

등가 동정격 하중 (P) 공식:

P = X · F_r + Y · F_a

F_r: 베어링에 작용하는 실제 레이디얼 하중 (N)
F_a: 베어링에 작용하는 실제 축 방향 하중 (N)
X: 레이디얼 하중 계수
Y: 축 방향 하중 계수

하중 계수 (X, Y) 결정

X와 Y 값은 베어링 종류, 하중 조건, 특히 F_a / C₀ 비율(C₀: 기본 정정격 하중)과 e(판별 계수)에 따라 달라집니다. 깊은 홈 볼 베어링의 경우, 통상적으로 다음 기준에 따라 X와 Y를 결정합니다.

먼저 축 하중 비율(F_a / C₀)을 계산하여 판별 계수(e)를 기준으로 합니다.
만약 F_a / F_r ≤ e 인 경우 (상대적으로 축 하중 영향이 적을 때):
- X = 1.0
- Y = 0
- → 이 경우 P = F_r이 됩니다.
만약 F_a / F_r > e 인 경우 (상당한 축 하중 존재):
- X = 0.56
- Y = Y₁ (카탈로그에서 주어진 값, 통상 1.5 ~ 2.0 사이)

주의: 정확한 X, Y, e 값은 베어링의 설계 접촉각과 내부 구조에 따라 제조사 카탈로그를 반드시 참조해야 합니다.

4. 베어링 수명 (L₁₀) 예측

베어링의 수명은 피로 파손이 발생하기 전까지 회전한 총 회전수 또는 운전 시간으로 나타냅니다. 표준 피로 수명(L₁₀)은 90%의 베어링이 고장나지 않고 달성할 수 있는 회전수를 의미하며, 다음과 같은 기본 공식으로 계산됩니다.

수명 계산 공식 (회전수 기준)

L₁₀ = ((C / P))^p

L₁₀: 기본 정격 수명 (10⁶ 회전 단위)
C: 기본 동정격 하중
P: 등가 동정격 하중
p: 수명 지수 (볼 베어링은 p = 3, 롤러 베어링은 p = 10/3)

수명 계산 공식 (시간 기준)

현장에서는 회전수보다 운전 시간을 기준으로 수명을 예측하는 것이 일반적입니다.

L_10h = (L₁₀ × 10⁶ / 60 × n)

L_10h: 기본 정격 수명 (시간 단위)
n: 베어링의 분당 회전 속도 (rpm)

실무 적용 예시

만약 설계자가 50,000시간의 수명을 목표로 한다면 (예: 6년 연속 운전), 요구되는 동정격 하중(C)을 역으로 계산하여 적절한 베어링 규격을 선정할 수 있습니다. 수명 계산은 단순 하중뿐만 아니라 온도 계수(f_T), 회전 속도 계수(f_n), 신뢰도 계수(a₁), 재료 특성 계수(a₂), 운전 조건 계수(a₃) 등이 포함된 수정 수명 공식(L_na)으로 확장됩니다. (L_na = a₁ a₂ a₃ L₁₀).

설계 단계에서 P 값을 최소화하고 C 값을 최적으로 선택하는 것이 비용 절감과 설비 신뢰성 확보의 핵심입니다.

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