스러스트/레이디얼 베어링 설계 차이 (Design Differences in Thrust and Radial Bearings)

“베어링 선정할 때 ‘축에 끼우는 건 다 똑같은 거 아냐?’라고 대충 넘겨짚는 후배를 본 적 있습니까?” 이 질문에 고개를 끄덕인 경험이 있다면, 베어링 설계 오류가 얼마나 치명적인지 이미 알고 계실 겁니다. 단순해 보이는 이 부품은 기계 장치의 운명을 결정합니다. 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링을 구분하지 않고 혼용하는 실수는 축 회전 중 발생하는 하중의 방향성을 완전히 무시하는 중대한 오류입니다.

저는 과거 초고속 펌프 설계 프로젝트에서 축 방향 하중을 레이디얼 베어링 두 개로 버티게 했다가 큰 낭패를 본 경험이 있습니다. 가동을 시작한 지 3시간 만에 베어링 내부 온도가 급상승하며 궤도면이 소손되었고, 결국 전체 설비를 긴급 정지해야 했습니다. 신뢰성이 중요한 시스템에서 베어링의 구조적 한계를 무시하는 것은 엄청난 유지보수 비용과 가동 중단 시간이라는 돈 먹는 하마를 키우는 것과 같습니다.

물론 레이디얼 베어링이 축 하중을 아주 조금은 견디지만, 본래 목적과 다른 하중이 설계 수치 이상으로 가해지면 베어링의 수명은 급격히 감소합니다. 이는 단순한 부품 고장이 아니라 시스템의 신뢰성 붕괴로 이어집니다. 따라서 우리는 이 두 핵심 구름 베어링이 하중을 어떻게 지지하도록 내부 궤도 설계가 되어 있는지 그 결정적인 차이를 명확히 이해해야 합니다.

1. 하중 방향성에 따른 구조적 목적 차이

베어링의 구조적 차이는 지지해야 하는 주 하중의 방향에 따라 명확하게 구분됩니다. 이는 설계자가 기계를 구상할 때 가장 먼저 결정해야 할 핵심 요소입니다.

레이디얼 베어링 (Radial Bearing):
- 주 목적: 샤프트에 수직 방향으로 작용하는 하중, 즉 방사 방향 하중 (Radial Load) 지지.
- 특징: 구름 요소(볼 또는 롤러)가 샤프트의 둘레를 따라 배치되어 있으며, 내륜과 외륜 사이에 방사 방향 공간이 확보됩니다. 깊은 홈 볼 베어링, 원통 롤러 베어링 등이 대표적입니다.
스러스트 베어링 (Thrust Bearing):
- 주 목적: 샤프트의 축선 방향(평행 방향)으로 작용하는 하중, 즉 축 방향 하중 (Axial Load) 지지.
- 특징: 내륜과 외륜의 개념보다는 축 와셔(Shaft Washer)와 하우징 와셔(Housing Washer)로 구성되며, 구름 요소는 축선에 수직인 평면에 배치되어 하중을 전달합니다.

2. 궤도면 설계 및 접촉각의 결정적 차이

하중 전달 능력의 핵심은 구름 요소와 궤도면이 만나는 지점의 설계, 즉 접촉각 (Contact Angle, (α))에 있습니다.

구분	레이디얼 베어링 (깊은 홈 볼)	스러스트 베어링 (볼 타입)
주요 하중 방향	방사 하중	축 하중
궤도면 형상	축과 평행한 곡선 홈 (반경 방향)	축에 수직인 평면 또는 환형 홈
공칭 접촉각 (α)	0° (순수 레이디얼 하중에 최적화)	90° (순수 축 하중에 최적화)
허용 회전 속도	고속 회전 가능	레이디얼 베어링 대비 낮음

앵귤러 콘택트 볼 베어링과 같이 축 하중과 방사 하중을 동시에 지지하는 베어링은 그 접촉각(α)이 0°와 90° 사이(일반적으로 15°, 25°, 40°)로 설계되어 하중 분산 능력을 확보합니다. 하지만 순수 스러스트 베어링은 구름 요소가 축 방향 하중만을 받도록 90°에 가깝게 설계됩니다.

3. 구름 베어링 KS 표준 치수 및 호환성 분석 (레이디얼 기준)

스러스트 베어링은 축 와셔와 하우징 와셔를 사용하므로 레이디얼 베어링과 치수 규격의 호환성이 낮습니다. 아래 표는 가장 범용적으로 사용되는 레이디얼 베어링인 깊은 홈 볼 베어링(KS B 2021)의 표준 치수를 예시로 보여줍니다. 설계 시 이러한 표준 치수를 정확히 파악해야 하우징 및 샤프트 설계를 진행할 수 있습니다.

치수 기호 설명

d: 안지름 (mm), D: 바깥지름 (mm), B: 폭 (mm), C: 기본 동정격 하중 (kN), C₀: 기본 정정격 하중 (kN)

호칭 번호	d (mm)	D (mm)	B (mm)	C (kN)	C₀ (kN)
6203	17	40	12	9.55	4.75
6205	25	52	15	14.8	7.8
6307	35	80	21	35.1	22.4

(참고: 깊은 홈 볼 베어링 KS B 2021 일부 치수)

4. 적용 환경 및 선정 시 유의 사항

베어링 선정은 단순히 크기를 맞추는 것이 아니라, 가혹한 환경에서 얼마나 안정적으로 하중을 분산시킬 수 있는가를 계산하는 과정입니다. 현장에서 자주 발생하는 설계 오류를 피하기 위한 유의 사항은 다음과 같습니다.

4.1. 스러스트 베어링의 제한점

방사 하중 불가: 일반적인 볼 스러스트 베어링은 축 방향 하중 외의 방사 하중을 지지할 수 없습니다. 방사 하중이 미세하게라도 발생하면 구름 요소가 궤도면에서 이탈하거나 국부적인 응력 집중이 발생하여 베어링이 파손됩니다.
진동 취약성: 축 하중이 낮을 때 고속 회전을 시도하면 구름 요소가 미끄러지며 마찰이 증가하고 조기 소손이 발생할 수 있습니다. (원심력으로 인해 구름 요소가 궤도면에서 이탈하는 현상 방지 목적의 최소 축 하중 요구)

4.2. 레이디얼 베어링의 제한점

축 하중 지지 능력: 깊은 홈 볼 베어링은 정격 동하중 C의 약 10%~20% 정도의 축 하중을 지지할 수 있지만, 이는 어디까지나 보조적인 기능입니다. 축 하중 비율이 높으면 전용 스러스트 베어링을 사용하거나 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 조합하여 사용해야 합니다.
정렬 불량 문제: 특히 원통 롤러 베어링과 같이 접촉각이 0°에 가까운 순수 레이디얼 베어링은 축 정렬 불량에 매우 취약합니다. 축 기울어짐이 예상되는 경우 자동 조심 볼 베어링 또는 조심 롤러 베어링 계열을 고려해야 합니다.

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