베어링 소음: 원인 진단과 저소음 사양 작성법

소음과 진동은 베어링을 기계에서 분리하는 가장 큰 두 가지 이유입니다. SKF의 손상 분석 데이터베이스에 기록된 베어링 가운데 과도한 진동은 분리 사유의 32%, 과도한 소음은 추가로 23%를 차지했습니다. 그다음은 정비 목적 12%, 온도 11%, 소착 9%였습니다(SKF Evolution, 그림 2). 전체 분리 사례의 절반 이상은 작업자가 듣거나 느낄 수 있는 증상에서 시작됩니다.

이 때문에 엔지니어는 성격이 전혀 다른 두 문제를 마주합니다. 하나는 진단 문제입니다. 기계에서 큰 소음이 날 때 베어링을 분리하기 전에 소음원이 정말 베어링인지 판단해야 합니다. 다른 하나는 계약 문제입니다. 사양서를 작성할 때 "저소음"이라는 표현만으로는 공급업체의 충족 여부를 판정할 수 없습니다. 이 가이드는 두 문제를 모두 다룹니다. 먼저 마이크가 아닌 장비로 베어링 소음을 실제로 측정하는 방법을 설명합니다. 이어서 각 측정 대역이 알려 주는 정보, 한계를 규정하는 표준, 구매 주문서에 넣어야 할 조항을 살펴봅니다.

적용 범위를 한 가지 밝혀 둡니다. 이 글은 구름 베어링의 사양을 정하거나 문제를 해결하는 설계, 조달 및 신뢰성 엔지니어를 위한 것입니다. 자동차 바퀴의 윙윙거리는 소음 때문에 이 글을 찾았다면 자동차용 볼 베어링 가이드에서 관련 배경을 확인할 수 있습니다.

핵심 요약

• 베어링 소음은 실내의 음압이 아니라 스핀들 시험장치에서 진동 속도로 측정합니다. 내륜은 1,800 rpm으로 회전하고 정지한 외륜에는 예압이 가해지며, 진동 속도 센서는 링 자체에서 신호를 읽습니다(MinebeaMitsumi).
• 신호는 세 대역으로 나뉩니다: L은 50–300 Hz, M은 300–1,800 Hz, H는 1,800–10,000 Hz입니다. 어느 대역이 부적합한지에 따라 결함의 규모를 좁혀 갈 수 있습니다.
• ISO 15242는 측정 방법을 규정할 뿐 합격 기준은 정하지 않습니다. 제1부부터 제4부까지 측정 방법과 교정을 정의합니다. 데이터시트의 "ISO 15242" 표기는 절차에 관한 설명일 뿐입니다.
• 합격 한계는 별도 문서에 있습니다. 깊은 홈 볼 베어링의 경우 GB/T 32325가 기본 요구사항인 V 그룹과 V1, V2, V3, V4, 그리고 가장 엄격한 용도의 VF3 및 VF4를 규정합니다.
• 정밀도 등급은 소음 사양이 아닙니다. ISO 492와 ABEC 척도는 치수 공차를 평가합니다. 틈새 그룹, 정밀도 등급, 진동 그룹은 각각 별도 지정해야 하는 독립적인 세 항목입니다.
• 먼저 베어링이 원인임을 입증하십시오. SKF는 전동기 소음이 "반드시 베어링 때문에 발생하는 것은 아니다"라고 밝힙니다(SKF). 베어링 자체보다 먼저 케이지, 윤활제, 틈새, 장착부 형상이 기저 소음 수준을 결정합니다.

베어링 소음의 실제 측정 방법

베어링 소음은 공기 중의 음압 수준이 아니라 베어링 링에서 측정한 진동 속도로 정량화합니다. 베어링을 정밀 스핀들에 장착해 내륜을 1,800 rpm으로 회전시키고, 정지한 외륜에는 예압을 가합니다. 진동 속도 센서가 외주면에 접촉하므로 링으로 전달된 진동이 전기 신호로 직접 변환됩니다(MinebeaMitsumi).

이러한 구성의 목적은 다른 영향을 분리하는 데 있습니다. 실내에서 측정한 데시벨 값에는 베어링뿐 아니라 기계, 장착 상태, 건물의 음향 특성까지 포함됩니다. 고정밀 스핀들에서 링의 진동 속도를 직접 읽으면 이러한 영향을 제거하고 부품 자체에 해당하는 수치만 남길 수 있습니다. 베어링이 시험대에서는 합격해도 실제로 장착된 기계 전체는 시끄러울 수 있는 이유가 여기에 있습니다. 구매 주문서에 합리적으로 넣을 수 있는 유일한 소음 수치가 시험대 측정값인 이유도 같습니다.

이 측정 장비는 일반적으로 Anderon 미터라고 하며, 출력은 베어링 진동에만 사용하는 단위인 Anderon으로 표시합니다(MinebeaMitsumi). 측정 방법 자체와 교정 및 관련 정의는 ISO 15242-1에 규정되어 있습니다.

세 주파수 대역과 각 대역이 알려 주는 정보

측정 신호는 하나의 수치로 보고하지 않습니다. 세 주파수 대역으로 나누어 각각 평가합니다(MinebeaMitsumi).

이렇게 나누는 이유는 주파수가 이를 발생시키는 형상 요소의 크기에 반비례하기 때문입니다. 회전 속도가 일정할 때 링 형상이나 저차 파상도처럼 궤도면의 파장이 긴 편차는 전동체 아래를 천천히 지나가므로 스펙트럼의 낮은 영역에 나타납니다. 표면 거칠기나 작은 오염 압흔처럼 파장이 짧은 형상은 훨씬 자주 충격을 일으켜 높은 영역에 나타납니다. 따라서 H 대역만 부적합하다면 표면 마감, 청정도, 입자 오염을 우선 확인하고, L 대역이 부적합하다면 기하 형상, 형상 정밀도, 베어링 고정 방식을 살펴봐야 합니다.

이 대응 관계는 표준 조항이 아니라 공학적 해석으로 다루십시오. 대역 경계 자체는 고정되어 공표되지만, 각 대역이 원인에 관해 시사하는 바는 추론이므로 실제 부품을 통해 확인해야 합니다.

ISO 15242는 한계가 아니라 측정 방법을 규정합니다

베어링 소음에 관한 글에서 거의 언급하지 않지만 가장 유용한 사실이 있습니다. ISO 15242는 측정 방법과 교정을 규정할 뿐 합격·불합격 수준은 정하지 않습니다. 제1부는 정해진 측정 조건에서 회전하는 구름 베어링의 진동을 측정하는 기본 원칙과 교정을 다룹니다. 나머지 부는 이 방법을 특정 베어링 형식에 확대 적용합니다.

실무적으로 이는 공급업체가 베어링의 정숙성에 관한 정보는 전혀 제공하지 않으면서도 ISO 15242 준수를 사실대로 주장할 수 있다는 뜻입니다. 준수한다는 것은 측정이 올바르게 수행되었다는 의미입니다. 그 결과값의 합격 여부는 제품 사양서나 자체 도면 등 다른 문서에 있는 한계에 따라 결정됩니다.

실효성 있는 소음 요구사항에는 항상 두 문서, 즉 측정 방법 문서와 한계 문서가 필요합니다. 측정 방법 표준만 인용하면 합격 기준이 없는 절차만 지정한 셈입니다. 한계만 인용하면 비교할 수치를 얻는 합의된 방법이 없습니다.

구매 주문서에 지정할 수 있는 진동 그룹

깊은 홈 볼 베어링의 합격 한계는 GB/T 32325-2015에 있습니다. 이 표준은 베어링 진동 속도의 기술 요구사항, 측정 방법, 평가 방법, 검사 규칙을 규정합니다. 단계별 그룹을 정의하며, 구매 주문서에는 이 그룹을 기재해야 합니다.

V 그룹은 일반 베어링의 기본 진동 요구사항입니다. V1, V2, V3, V4 그룹은 진동 요구 수준이 점차 높아지는 베어링에 적용되며, VF3과 VF4는 가장 엄격한 용도를 대상으로 합니다. 이 표준은 GB/T 24610.1과 GB/T 24610.2의 측정 방법을 따릅니다. 앞에서 설명한 측정 방법과 한계의 구분을 문서 자체에서 명확히 적용한 것입니다.

적용 범위의 한계는 그룹만큼 중요합니다. 이를 무시한 사양은 아무런 경고 없이 효력을 잃습니다.

이 표준은 지름 계열 0, 2, 3의 깊은 홈 볼 베어링에 적용됩니다. 호칭 외경은 10 mm 초과–200 mm 이하여야 하며, 주요 치수는 GB/T 276을 따라야 합니다. VF3과 VF4는 외경 10 mm 초과–100 mm 이하에서만 적용할 수 있습니다. 외경 150 mm 베어링에 VF4를 지정하면 표준의 적용 범위를 벗어난 요구사항을 작성한 셈입니다.

여기서는 널리 퍼진 통념도 바로잡아야 합니다. 공급업체 견적서와 부품 목록에는 "Z1/Z2/Z3" 소음 등급이 "V1/V2/V3"와 함께 유통되고, 구매 담당자는 근거 문서도 없이 "Z2V2"와 같은 약칭을 반복해서 사용합니다. 현행 사양이 실제로 정의하는 그룹은 V, V1, V2, V3, V4, VF3, VF4입니다. 견적서에 Z 등급이 제시되면 어느 표준의 어느 판에서 이를 정의하는지 확인한 뒤, 해당 그룹에 대한 시험대 성적서를 요청하십시오. 중국 제조업체에서 베어링을 조달하는 방법 가이드에서는 전화로 약속받는 대신 이러한 증빙을 주문서에 첨부하는 방법을 설명합니다.

의도적으로 제외한 내용이 하나 있습니다. 각 그룹의 진동 속도 한계값은 GB/T 32325의 규정 내용이므로 여기에는 재현하지 않았습니다. 부품 재판매업체 페이지에 유통되는 값은 표준에서 출처를 추적할 수 없으며, 이를 간접 인용해 게시하는 것은 이 사이트가 지양하는 출처 불명의 수치를 또 하나 만드는 일입니다. 표준을 구매하거나 공급업체에 판 번호와 함께 한계표를 인용하도록 요청하십시오.

GB/T와 ISO 대응표

중국의 측정 방법 표준은 부별로 동일한 방법을 규정합니다. GB/T 24610의 네 부는 ISO 15242의 네 부와 제목이 같습니다. 제1부는 기본 원칙, 제2부는 원통형 내경 및 외주면을 가진 레이디얼 볼 베어링, 제3부는 레이디얼 자동 조심 롤러 베어링 및 테이퍼 롤러 베어링, 제4부는 레이디얼 원통 롤러 베어링을 다룹니다. 현행 GB/T 24610.1-2019는 2019년 10월에 발행되어 2020년 5월 1일 시행되었으며, 2009년 판을 대체합니다.

GB/T 24610에 따라 측정한 진동값과 ISO 15242에 따라 측정한 진동값은 같은 절차로 얻은 동일한 물리량을 나타냅니다. 따라서 정숙한 베어링과 소음이 큰 베어링을 가르는 질문은 생산지가 어디냐가 아닙니다. 어떤 합격 그룹을 지정했는지, 어느 표준의 어느 판이 그 그룹을 정의하는지, 시험대 성적서가 있는지가 핵심입니다. 그룹과 성적서를 요청하십시오.

소음별 특징과 원인

제조업체는 베어링 소리를 고유한 유형으로 분류하며, 각 명칭은 발생 메커니즘과 연결됩니다. NSK의 Bearing Doctor는 이러한 원리를 바탕으로 궤도음, 케이지음, 이물 소음 등 특징적인 손상음의 녹음 자료와 대책을 함께 제공합니다(NSK).

궤도음, 케이지음, 이물 소음은 NSK가 명명한 범주입니다. 나머지 행은 같은 진단 계열에 관해 현장에서 통용되는 표현을 사용했으며, 메커니즘과 대책은 공학적으로 요약한 내용입니다.

두 가지 원인은 베어링 품질 문제로 잘못 판단되는 경우가 많으므로 별도로 짚어야 합니다.

궤도음은 궤도면 형상에서 발생합니다. 정상 베어링의 연속적인 윙윙거림은 연삭과 슈퍼피니싱으로 결정되는 링 형상, 파상도, 표면 마감의 결과입니다. 따라서 궤도음은 제조 공정에서 결정되는 특성이며, 구매자가 이를 실질적으로 관리할 수 있는 유일한 수단은 구매 시 진동 그룹을 지정하는 것입니다.

전기 침식은 새 베어링으로 교체해도 해결되지 않는 소음원입니다. 인버터 구동 전동기에서는 축 전압이 유막을 통해 방전하면서 궤도면을 침식하고, 평행한 빨래판 무늬인 플루팅으로 진행될 수 있습니다. 처음 장착했을 때는 조용했던 부품의 소음과 진동이 점차 커집니다. ISO 15243:2017은 전기 침식을 독립된 손상 모드로 분류합니다. 강도가 낮은 누설 전류 침식(ISO 5.4.3)은 축 접지가 적절하지 않은 가변 주파수 드라이브 전동기에서 흔히 발생합니다(SKF Evolution). 전류 경로를 바로잡지 않으면 교체하는 베어링마다 같은 손상을 겪습니다.

각 손상의 전체 분류 체계는 베어링 고장 분석 가이드를 참고하십시오. ISO 15243의 여섯 가지 모드를 실제 조항 번호와 함께 설명하고, 상태 감시에 사용하는 4단계 진동 진행 과정도 다룹니다.

교체하기 전에 베어링이 원인임을 입증하십시오

부품을 분리하기 전에 소거 진단 절차를 수행하십시오. SKF는 이 점을 이례적으로 명확하게 설명합니다. 전동기 소음은 "반드시 베어링 때문에 발생하는 것은 아닙니다"(SKF). 이 회사는 소음을 시스템 특성으로 봅니다. 소음은 케이지 재질, 윤활제, 내부 틈새뿐 아니라 정렬 오차를 제한하는 축, 하우징, 커버의 공차에 따라 결정됩니다.

이 가운데 두 갈래는 더 자세히 살펴볼 필요가 있습니다. 공진은 어떤 베어링 진동 그룹도 단독으로 해결할 수 없는 시스템 효과입니다. SKF는 발전기의 회전자, 고정자, 베어링 간 공진을 방지하기 위해 Quiet Running 깊은 홈 볼 베어링을 개발했습니다. 이 설계는 부품 자체의 방출 소음만 줄이는 것이 아니라 구조 공진을 최소화합니다(SKF). 특정 속도에서 소음이 날카로워졌다가 그보다 낮거나 높은 속도에서 사라진다면 공진을 의심해야 합니다.

같은 고장의 반복은 중요한 진단 단서입니다. 새 베어링에서도 이전 베어링과 같은 방식으로 소음이 발생한다면 베어링은 애초에 원인이 아니었을 가능성이 매우 높습니다. 전류 경로, 끼워맞춤, 정렬을 확인하십시오.

저소음 베어링 사양 작성법

실효성 있는 저소음 요구사항에는 네 가지 항목이 필요하며, "저소음"이라는 표현 자체는 그중 하나가 아닙니다. 각 항목을 차례로 검토하십시오.

1. 진동 그룹과 이를 정의하는 사양. 요구사항을 시험으로 검증할 수 있게 만드는 유일한 조항입니다. 그룹, 이를 정의하는 표준과 판, 측정 방법 표준을 명시하십시오.

2. 내부 틈새. 운전 틈새가 지나치게 크면 무부하 영역이 넓어져 진동과 소음이 증가하고, 음의 틈새는 예압과 발열을 유발합니다. 틈새는 SKF가 전동기 소음을 좌우하는 요소로 꼽은 세 가지 항목 중 하나이기도 합니다. 베어링 내부 틈새 가이드에서는 끼워맞춤과 온도가 운전 틈새를 어떻게 바꾸는지, 전동기용 CM 틈새 대역이 어디에 해당하는지 설명합니다.

3. 케이지. SKF의 Quiet Running 베어링은 프레스 강판 또는 기계 가공 황동 케이지로 제공되며, 표준 깊은 홈 볼 베어링과 완전히 호환됩니다(SKF). 따라서 케이지 선택은 재설계가 아니라 사양 변경입니다.

4. 윤활제. 저소음 그리스는 전용 시험장치에서 검증합니다. Klüber는 Klüberquiet BQ 72-72를 전동기와 팬용 저소음 구름 베어링 그리스로 판매하며, SKF BeQuiet+와 같은 시험장치에서 저소음 성능을 입증합니다(Klüber). 소음이 중요하다면 그리스 제품명을 지정하고 공급업체의 기본 충전품에 맡기지 마십시오. 베어링 윤활 가이드는 유막과 온도를 다루고, 씰 베어링과 실드 베어링 비교 가이드는 밀폐 방식이 그리스 유지에 미치는 영향을 설명합니다.

이 목록에 들어가지 않는 항목은 정밀도 등급입니다. ISO 492와 ABEC 척도는 소음이 아니라 치수 공차와 회전 정확도를 평가합니다. 엄격한 공차가 일부 형상 오차를 줄이기는 하지만 공차 표준에는 소음 요구사항이 전혀 없습니다. 따라서 높은 ABEC 등급은 소음 사양이 아닙니다. ABEC 베어링 등급 가이드에서는 이 척도가 관리하는 항목과 관리하지 않는 항목을 설명합니다. 미니어처 베어링 구매자도 같은 함정에 빠지기 쉬우며, 유격, 토크, 소음을 각각 별도로 지정해야 합니다.

이를 종합하면 구매 주문서 조항은 다음과 같습니다.

베어링 소음 / 진동 요구사항

1. 진동 그룹         : GB/T 32325-2015, V3 그룹
                       (부품의 적용 범위 확인: 지름 계열 0/2/3,
                        외경 10 mm 초과–200 mm 이하; VF3/VF4는 외경 100 mm까지만)
2. 측정 방법         : GB/T 24610.2 / ISO 15242-2, L, M, H 대역 보고
3. 제출 증빙         : 로트별 시험대 성적서, 로트 번호 추적 가능
4. 내부 틈새         : 그룹 지정(예: CN, C3 또는 전동기용 CM)
5. 케이지            : 형식 지정(프레스 강판 / 기계 가공 황동 / 폴리아미드)
6. 윤활제            : 그리스 제품명과 충전량 지정
7. 적용 조건         : 공급업체가 부적합 여부를 알릴 수 있도록 회전 속도,
                       하중, 온도, 장착 끼워맞춤 명시

구매 담당자가 가장 자주 빠뜨리는 항목은 3번이며, 이 항목이 있어야 희망 사항에 그치던 사양을 실제 검사 기준으로 바꿀 수 있습니다.

자주 묻는 질문

Q: 베어링 소음의 원인은 무엇입니까?

여섯 가지 메커니즘으로 대부분을 설명할 수 있습니다. 궤도면 파상도와 표면 마감은 궤도음이라 부르는 연속적인 윙윙거림을 만듭니다. 입자 오염은 불규칙한 딸깍거림을 일으킵니다. 국부 박리나 압흔은 주기적인 똑딱거림을 만듭니다. 케이지 운동은 덜거덕거림을 일으킵니다. 유막 파괴는 흔히 냉간에서만 끼익음을 냅니다. 인버터 구동 전동기에서는 유막을 통과하는 방전이 궤도면을 침식해 시간이 지날수록 소음을 높입니다. 지나치게 크거나 음의 내부 틈새와 정렬 불량은 이 가운데 여러 현상을 증폭합니다.

Q: 베어링 소음은 어떻게 측정합니까?

공기 중의 음압이 아니라 베어링 링의 진동 속도로 측정합니다. 내륜을 정밀 스핀들에 장착해 1,800 rpm으로 회전시키고, 정지한 외륜에 예압을 가한 뒤, 진동 속도 센서를 외주면에 접촉시킵니다. 신호는 세 대역으로 나누어 각각 평가합니다. 측정 방법은 ISO 15242 또는 이에 대응하는 GB/T 24610에 규정되어 있습니다.

Q: Anderon 미터는 무엇을 측정합니까?

회전하는 베어링의 진동에만 사용하는 단위인 Anderon으로 표시한 베어링 진동을 측정합니다. 측정값은 대역별로 보고합니다. L은 50–300 Hz, M은 300–1,800 Hz, H는 1,800–10,000 Hz입니다. 고정밀 스핀들이 내륜을 구동하고 외륜에서 직접 신호를 얻으므로 외부 영향 없이 작은 진동까지 감지할 수 있습니다(MinebeaMitsumi).

Q: 베어링의 Z 및 V 소음 등급은 무엇을 뜻합니까?

V 그룹은 실제 표준에 정의되어 있습니다. GB/T 32325-2015는 V 그룹을 깊은 홈 볼 베어링의 기본 진동 요구사항으로 규정합니다. V1, V2, V3, V4는 더 높은 요구 수준을, VF3과 VF4는 가장 엄격한 수준을 다루며, 뒤의 두 그룹은 외경 100 mm 이하에만 적용됩니다. 공급업체 견적서에 유통되는 "Z" 단계는 현행 사양의 명칭이 아니라 약칭입니다. 견적받은 모든 등급에 대해 이를 정의하는 표준과 판을 확인한 뒤 시험대 성적서를 요청하십시오.

Q: ABEC 또는 ISO 492 정밀도 등급이 높으면 베어링이 더 조용합니까?

아닙니다. 이 표준들은 치수 공차와 회전 정확도를 평가하며 소음이나 진동 요구사항을 포함하지 않습니다. 정밀도 등급, 내부 틈새 그룹, 진동 그룹은 서로 독립적인 세 가지 사양입니다. 엄격한 공차를 충족하는 베어링도 진동 그룹에서는 부적합할 수 있으므로 소음은 별도 조항으로 지정해야 합니다.

Q: 기계 소음이 큽니다. 베어링이 원인인지 어떻게 알 수 있습니까?

소거 진단 절차를 차례로 수행하십시오. 소리가 축 회전 속도를 따라가지 않으면 구조물이나 구동계를 확인합니다. 기계에서 피동 부하를 분리했을 때 사라지면 커플링과 정렬을 확인합니다. 그리스 교체로 달라지거나 냉간에서만 발생하면 윤활제를 확인합니다. 인버터 구동계에서 두 번째 베어링도 같은 방식으로 고장 났다면 축 전압을 측정합니다. 끼워맞춤과 커버 형상이 공차를 벗어나면 장착 상태를 확인합니다. SKF도 전동기 소음이 반드시 베어링 때문에 발생하는 것은 아니라고 설명하므로, 베어링은 첫 번째가 아니라 마지막 후보여야 합니다.

결론

베어링 소음은 품질 문제라기보다 사양 문제인 경우가 더 많습니다. 핵심 원칙은 다음과 같습니다.

• 소음은 데시벨이 아니라 1,800 rpm에서 링의 대역별 진동 속도로 측정합니다. 대역은 50–300, 300–1,800, 1,800–10,000 Hz입니다.
• ISO 15242와 GB/T 24610은 측정 방법을 정의합니다. 어느 표준도 한계를 정하지 않으므로 준수한다는 주장만으로는 소음 요구사항이 되지 않습니다.
• 한계는 그룹으로 지정합니다. 깊은 홈 볼 베어링의 단계는 V, V1–V4, VF3, VF4이며, 정해진 외경 적용 범위 안에서 GB/T 32325를 따릅니다.
• 정밀도 등급은 소음 사양이 아닙니다. 진동 그룹, 틈새, 케이지, 그리스가 소음을 조절하는 항목이며, 주문서에 각각 별도 조항으로 넣어야 합니다.
• 베어링을 교체하기 전에 소음원임을 입증하십시오. 특히 인버터 구동계에서 같은 고장이 반복되면 부품이 아니라 전류 경로를 의심해야 합니다.

소음이 요구사항인 베어링을 지정하고 있다면 적용 조건을 ANDE Bearing 엔지니어링팀에 보내 주십시오. 회전 속도, 하중, 장착 조건에 맞는 권장 진동 그룹과 당사가 제공하는 시험대 성적서 양식을 회신해 드리겠습니다. 필요한 치수부터 찾으려면 깊은 홈 볼 베어링 제품을 확인하십시오. 베어링 번호 읽는 법 가이드에서는 틈새와 특수 사양 보조 기호가 링에 어떻게 표시되는지 설명합니다.

저자 소개

Jeff Li는 ANDE Bearing에서 베어링 공학과 글로벌 조달에 관한 글을 씁니다. 자동차, 중공업, 재생에너지 분야의 OEM 및 애프터마켓 구매 담당자와 직접 협업합니다. LinkedIn에서 연락할 수 있습니다.