콤팩트해야 한다면 얇은 단면 베어링이 최적

얇은 단면 베어링은 콤팩트하고 가볍다. 이러한 특성을 바탕으로 공간을 절약해야 하는 반도체 분야, 의료 기술, 로봇 공학에 자주 이용된다. 자동 변속기를 적용한 자전거나 다른 응용 사례에서도 찾을 수 있다.

율리아 슈나이더스(Julia Schneiders): Precision Bearings 마케팅&세일즈

각접촉 볼베어링은 반경 방향으로 작용하는 힘과 한 쪽으로 작용하는 축 방향 힘을 수용하여, CVT 자전거에 적합하다.

CVT 자전거 프로젝트 리더인 토마스 벤들은 다음과 같이 기억한다. „독일 렌베크 HTL 박사 과정 중에 동료인 슈테판 노인토이플, 필립 크라프와 함께 자전거용 자동 기어를 개발하기로 하였습니다.“ CVT 기어를 원하는 크기와 기어비로 설계하고 제작하는 것이 목적이었고 이 기어를 사용하면 기어비를 무단으로 변경할 수 있었다. CVT 기어는 웨지 형태 디스크 네 개로 구성되며, 그 사이에 푸시 벨트가(이 글에서의 해당 사례에서는 V 벨트) 위치한다. 첫 번째 디스크 쌍 사이의 간격이 작아지면 상대적으로 다른 쪽 간격이 커져 기어비가 무단으로 바뀐다. „운전자는 핸들 스위치로 수동 모드와 자동 모드를 선택할 수 있고, 수동 모드에서는 손으로 기어비를 조정할 수 있습니다. 자동 모드에서는 기어가 자동으로 변속되어 운전자는 신경을 쓰지 않아도 됩니다.“(슈테판 노인토이플)

전기로 구동되는 이 기술은 각각의 상황에 맞는 기어비를 산출하기 위해 페달을 밟는 힘이나 횟수, 속도, 경사 등의 매개변수를 이용한다. 내장된 축전지는 주행을 통해 에너지를 저장하게 되며 전기 소켓으로 충전할 수도 있다. 이 기어 자체는 음료병 홀더 부분에 고정되어 자전거의 구조를 복잡하게 변경할 필요가 없다. 설치를 위해서는 체인을 이완하고 기어를 장착한 후, 두 개의 새로운 체인으로 고정하면 된다. 이런 간단한 과정을 거치면 모든 유형의 자전거에 무단 자동 변속기를 수월하게 장착할 수 있다.

장착 너비가 특히 근소한 구름 베어링을 추구하다

CVT 기어에는 두 개의 구름 베어링이 필요하다. 하나는 기어의 변위 요소에 장착되고, 두 번째 베어링은 사다리꼴 스핀들의 안정화에 기여한다.

개발 과정에서 자동 변속기를 위한 콤포넌트를 구매해야 하는 시점에 학생들은 온라인에서 Rodriguez의 얇은 단면 베어링을 찾았다. CVT 기어는 두 개의 구름 베어링이 필요한데 첫 번째 베어링은 기어의 변위 요소에 장착한다. 이 베어링은 회전하는 풀리가 고정되어 있는 서보 기어를 통해 변위할 수 있다. 기어에는 미끄러지지 않게 넓은 V 벨트를 사용하여 압축 스프링을 통해 토크를 전달한다. 서보 기어는 스프링 힘에 대항하여 풀리를 밀어야 하고, 이를 통해 스프링 힘이 얇은 단면 베어링을 압박한다. 두 번째 베어링은 서보와 연결되어 있는 사다리꼴 스핀들을 안정화한다. 사다리꼴 스핀들에는 풀리 변위를 담당하는 너트가 있다. 이 두 베어링에서 장착 크기가 작다는 점이 중요하다. 두 베어링 가운데 보다 큰 베어링은 최대 120min-1의 상대적으로 느린 회전 속도일 때에 800N 범위의 축방향 힘과 다소 약한 반경 방향 힘을 수용해야 한다. 래디얼 베어링과 액시얼 베어링의 조합이 불가능하기 때문에 장착 너비가 작은 것이 중요하다. 보다 작은 베어링은 축방향 힘만 흡수하지만, 이 장착 위치도 공간이 넉넉하지는 않다. 하지만 Rodrigeuz의 얇은 단면 베어링은 디자인이 콤팩트하여 이상적인 솔루션이 되었다. HTL 학생들은 KA 025 AR0 또는 KAA 10 AGO 타입의 Kaydon-Reali-Slim 얇은 단면 베어링을 선택하였다. 볼 포켓 케이지가 있는 밀봉되지 않은 이 각접촉 볼 베어링은 단면적은 6.350 또는 4.7625 mm에 불과하다.

작고 가볍다. 성능에는 빈틈이 없다

CVT 기어는 기어비가 무단으로 바꿀 수 있다. 첫 번째 디스크 쌍 사이의 간격이 작아지면 상대적으로 다른 쪽에서 간격이 커진다.

„이 베어링은 압력각이 30°이며 내부 링에 깊은 레이스가 있고 외부 링은 한쪽이 제거된 분리형 베어링입니다.“(울리히 슈로트, Rodriguez VAP 사업 부문 사장) 외부 링은 볼과 케이지로 채워진 내부 링을 통해 밀린다. 이러한 스냅인 설치 방법 덕분에 볼이 많은 일체형 볼 포켓 케이지를 사용할 수 있다. „이 베어링은 디자인이 매우 콤팩트하며 반경 방향 힘과 한 쪽으로 작용하는 축 방향 힘을 흡수할 수 있어 CVT 자전거용으로 완벽합니다.“(울리히 슈로트)

일반적으로 Kaydon사의 얇은 단면 베어링은 크기가 작지만 일반적인 구름 베어링과 비슷한 성능과 수명을 유지하는 것으로 평가된다. 각 시리즈는 모든 크기에 대해 동일한 단면적을 지녀 보어홀 직경이 커져도 단면적은 일정하다. 이러한 구조적 장점으로 솔리드 샤프트를 중공 샤프트로 대체할 수 있고, Reali-Slim 얇은 단면 베어링은 4점 베어링 디자인으로 심지어 2점 볼 베어링으로 대체할 수 있다. 따라서 구조가 더욱 조밀해져 볼 베어링을 더욱 간단하게 설치할 수 있다. Rodrigues는 250가지 이상의 얇은 단면 베어링과 세라믹 볼을 적용한 하이브리드 디자인으로 각각의 구조에 대해 최적화된 솔루션을 제공한다.

학생들은 Rodriguez의 얇은 단면 베어링을 구매하였다. „우리는 혁신적 아이디어를 장려하고, 수년 동안 코부르크 대학의 Formula 킴을 지원하고 있습니다. 오늘의 이 인재들이 내일의 전문 인력이 될 것이라 확신합니다.“ 이 CVT 자전거가 포뮬라 1의 속도에는 도달하지 못하겠지만, 주행 승차감에서는 단연코 최고 점수를 달성할 수 있었다.