회전용 오일 씰의 원리

오일 씰은 고무 소재의 립을 사용한 회전용 씰로서 주로 오일 등의 윤활성 매체를 밀폐하기 위한 씰입니다.

정상적인 씰의 기능을 위하여 두 가지의 조건이 충족되어야 합니다.
1. 씰 립과 운동 축 면 간에 직접 마찰을 피해야 합니다.
2. 오일은 외부 측으로 누설 되지 않도록 해 주어야 합니다.

상기 두 가지 조건을 만족하기 위한 씰의 메커니즘은,

1. 접촉부에서 오일에 대한 펌핑 작용을 일으킵니다. 이를 위해 오일 씰 립부의 형상을 비대칭적으로 즉, 립부 경사 각도를 오일부 측을 좀 더 크게 함으로써 (α>β), 접촉면 부에 발생하는 압력의 변화가 오일부 측에 크게 하고 반대 측은 완만하게 하여 이 압력 변화의 차이로 펌핑이 발생하도록 합니다. 가터 스프링의 offset 량은 외부 측의 각도 β를 유지토록 하는 기능을 수행합니다.

2. 또한 마찰 표면의 미세한 굴곡(표면 조도)으로 인해 축이 회전 운동을 할 때 표면 상에 미세한 압력 프로파일을 형성하게 되는데, 이러한 압력 프로파일로 인해 표면에 오일이 스며 들어 유막을 형성합니다.

즉, 새지않는 유막을 형성함으로써 씰 립은 손상되지 않으면서도 밀폐 기능을 수행할 수 있게 됩니다.
※ 오일 씰 접촉 면이 너무 매끄러우면 유막 형성에 지장을 받아 열손상을 받게 되고 반대로 너무 거칠어도 마모의 원인이 됩니다.

오일 씰의 특장점

• 고무 씰은 윤활을 필요로 하며 오일류나 그리스로 윤활재를 공급하여 작동합니다.
• 장착과 보관이 비교적 용이하고 경제적이므로 자동차 등의 기계 및 산업 용으로 광범위하게 사용됩니다.
• 사용 온도, 내구성, 내압성 및 매체적합성 등에서 사용 범위를 초과하는 환경에서는 테프론 등의 재질로 대체 사용 가합니다.
• 하드웨어의 표면 조도 및 경도, 편심 및 런아웃, 및 용이한 장착을 위하여 삽입부 형상 가공 등 적합한 관리를 요합니다.

오일씰 적용 설계

오일 씰은 형상 및 소재에 따른 유형에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

▶ 립 형상:

• 일반 립: 일반적 기계 장비의 오일 밀폐
• 두꺼운 립: 중화학 분야 사용

▶ 가터 스프링 유, 무

▶ 케이싱 소재:

메탈 / 고무 / 메탈 고무 이중 / 고무복합소재

시스템과 사용 환경에 따른 재질적 요구 특성에 맞는 씰재료를 선정하는 것이 씰 적용 설계에 첫 단계이므로 재료에 대한 이해와 사용 경험이 매우 중요합니다.

오일 씰의 립에 사용되는 재질은,

• 부풀음에 대한 저항성(resistance to swelling)
• 내화학성(chemical resistance)
• 내열성 (thermal resistance)
• 내한성 (behavior in the cold)
• 가스 기밀성(gas permeability)
• 기계적 성질(mechanical properties)

• 경도(hardness)
• 인장강도(tensile strength)
• 전단강도 (tear strength)
• 내마모성(wear resistance) 및 상대물에 대한 내마멸성(abrasion resistance)
• 신율(elongation)
• 영구압축률(compression set)
• 탄성(elasticity)
• 회복력(resiliency)

등의 특성에서 환경에 적합한 재질을 선정합니다. 메이저 급 씰 메이커나 원료 공급자들은 동일한 재질의 범주에서 특수한 formulation을 개발하여 보다 우수한 성능의 재질을 개발 공급하기도 합니다. 주로 사용되는 재료는 NBR, EPDM, HNBR, XNBR, VMQ, FKM, PTFE 등이 사용되며 각각의 소재의 특성과 사용 조건에 대하여는 씰 재료 참조 요망합니다.

참고로 회전용에서 요구하는 성능 팩터의 하나인 내마모성은,
PTFE > FKM > HNBR > XNBR > NBR > ACM > VMQ 의 순으로 강합니다.

기계 장비의 수명은 많은 경우 씰의 성능에 좌우 될 수 있으므로 씰의 성능과 수명에 관련한 인자들에 대한 정확한 이해가 필요합니다.

씰 적용 설계 프로세스는 일반적으로,

다음은 시스템 요구사항에 적합한 씰의 선정과 설계를 위하여 시스템의 구조적인 요소들에 대하여 체크 또는 결정해야할 팩터들입니다. 대개의 경우 매체(media)와 적용환경은 Given Factor로서 주어지게 되고 회전축과 하우징 등은 씰과 함께 설계적으로 결정되어져야 할 Designed Factor들입니다.

상기 Factor들이 결정되기 위하여 함께 고려될 요소들로서는 전체 시스템의 작동 시간 즉, 요구 수명, 시스템 설치 비용이나 운영 방안(Maintenance 등)을 함께 고려해야 합니다.

축 회전속도. 매체압력. 축편심

속도와 압력에 의한 가장 큰 영향은 씰과 축 표면간의 마찰과 이로 인한 마찰열 및 마모입니다. 고무 재료가 가진 내열 성능의 한계 이내에서 온도가 유지되어야 하며 회전 속도와 압력 및 매체 온도는 외기 온도, 표면 경도 및 조도 등의 조건과 더불어 발열에 가장 핵심적인 영향 인자입니다. 씰 메이커들은 자사의 제품에 대하여 형상 및 재질별로 가이드 라인을 제시하고 있으며 다음 표는 일반적인 수치로서 참고할 수 있습니다.

[ Garter Spring 부착 타입 씰 ]

[ Garter Spring 없는 타입 씰 ]

[ 두꺼운 립 타입 씰 ]

재질별 최고 속도

씰의 한계 속도는 씰 립의 재질 뿐 아니라 시스템 온도, 압력, 매체, 회전축의 재질, 접촉운동면의 경도 및 조도 등에 의해 결정됩니다. 동일한 조건에서 작은 직경보다는 큰 직경 축에서 더 높은 속도를 견딜 수 있습니다. 한편 오일의 종류에 따라 고무재질의 사용 온도 한계가 다를 수 있으므로 유의해야합니다. 예를 들어 유황이 함유된 하이포이드 기어용 오일의 경우 NBR을 경화시키므로 80°C 이상의 고온에서는 HNBR, ACM, FKM 등을 고려해 주어야 합니다.

다음은 재질 별 최고속도입니다. [B+S社 자료]

작은 직경에서는 마찰열의 분산이 큰 직경보다 감소하기 때문에 한계 선속도(m/s)는 축의 직경이 작을수록 감소합니다. 그래프[SKF 社 자료]를 참조하여 주시기를 바랍니다.

시스템온도(Temperature)

최고 온도를 결정 시는 씰립 주위의 국부적 열을 고려해 주어야 합니다.

시스템 압력차(Pressure difference)

압력 상승은 립과 축간의 마찰면적으로 높이고 압력을 상승시키므로 마찰열 발생을 증가시킵니다.

에너지소모/마찰저항

에너지 손실에 민감한 시스템에서는 씰 립과 축 간의 마찰 저항에 유의하여야 합니다. 위 그래프는 일반적인 립 구조의 씰의 속도와 축 직경에 따른 마찰 저항 값을 보여 주는 그래프입니다.(SKF 社)

내화학성.매체적합성

씰 재질의 내환경성과 매체 적합성은 가장 중요한 설계 요소로서 체크 요합니다.

윤활(Lubrication)

고무 탄성체 재질의 씰은 적절한 윤활이 필수적입니다. 윤활성이 있는 매체나 매체와 반응하여 시스템에 영향을 주지 않는 구리스 등을 공급(또는 도포)해 주어야 합니다. 씰 장착 전에는 회전축에 윤활제를 도포하여 주고, 윤활제가 마찰열을 분산하는 역할을 할 수 있도록 씰 립 주위에 윤활제가 적절히 공급되어야 합니다. 테이퍼롤러 베어링, 볼 베어링, 스러스트 베어링 등의 회전체로 인하여 윤활제가 씰 방향으로 과소 또는 과다하게 공급될 수 있으므로 설계 시 이 점을 또한 고려해 주어야 합니다.

윤활성을 향상하기 위한 방안으로서 씰 립의 마찰 표면 상에 비드 형상을 주어 회전 방향에 따라 오일 펌핑 효과를 줄 수 있습니다.

하드웨어(hardware)

표면경도(Surface hardness)

축(shaft): 30 HRC Min.(45 HRC Min. DIN3760) — 속도 증가 시 경도를 Up해 주어야 하며, 10 m/s 속도에서 60 HRC 이상이어야 합니다.

표면조도(Surface roughness)

축(shaft): 0.25 to 0.8 Ra — 조도가 너무 낮을 경우는 윤활막 형성에 지장을 받고, 너무 높을 경우는 거친 표면에 의한 마모가 과다하게 되므로 권장 조도 범위 내 관리가 필요합니다.

하우징(housing): Metal O.D.: 2.5 Ra Max. / Rubber O.D.: 3.75 Ra Max. (Freudenberg-NOK 社 가이드라인)

표면 가공은 가공 리드(lead)가 Zero인 플런지 그라인딩(Plunge grinding)이 적극 권장됩니다. (폴리싱(polishing cloth) 표면은 플런지 그라인딩 대비 큰 마찰과 발열을 유발합니다.) 주철(cast iron)이나 스테인레스 스틸(stainless steel)을 사용할 경우는 하드크롬도금(hard chrome plating)이 권장됩니다.

축편심.런아웃(shaft eccentricity.runout)

모든 회전축은 편심과 런아웃을 가집니다. 이 두 가지의 요인이 결합하여 밀림 틈새(extrusion clearance)를 확대하며, 씰의 한 쪽으로 과도한 압축을 발생하고, 또한 런아웃은 압축과 인장 사이클을 유발하여 씰의 조기 마모와 파손의 원인이 되므로 편심과 런아웃을 허용 가능한 수준 이하에서 관리해 주어야 합니다. 다음은 오일 씰 재질별 편심.런아웃 한계치를 보여주는 그래프입니다.(B+S 社)

위 표는 씰의 형상별 및 직경에 따른 편심(coaxiality)과 속도 별 런아웃(runout)을 나타냅니다. 직경이 작을수록 허용 편심은 작아지고 속도가 증가할 수록 허용 런아웃이 작아집니다.[SKF社]

가공마크(shaft machine lead)

축 가공 시 발생하는 가공 마크는 매체 누설의 경로가 되므로 주의를 요합니다. 가공 마크를 없애기 위하여 플런지 연삭(plunge grinding) 처리를 권장합니다. 반면 가공 마크의 리드 방향을 의도적으로 주어서 회전 시 씰과 축 접촉면 상에서 매체의 펌핑 효과를 주어 누설을 적극적(positively)으로 예방하는 방법을 사용하기도 합니다. 리드의 각도는 반드시 0.05° 이하로 관리 요합니다.

리드인챔퍼(Lead-in chamfer)

씰의 삽입부에 해당하는 보어와 축의 단부 챔퍼량과 보어 코너부 R 등에 대하여 주의를 요하며, 특히 씰이 삽입 경로 상에 버(burr)나 돌기 들이 없도록 처리해 주어야 합니다.

오일씰 장착(Installation)

테프론 립 씰은 재료 특성 상 스크래치 및 변형에 민감하므로 취급 보관 시 및 조립 시에 상당한 주의를 요합니다.