베어링 윤활 그리스 vs 오일 — 수명식 계산 비교

“구름베어링에는 80%가 윤활 그리스가 사용되고 있다.”
— 한국NSK 「베어링 핸드북(기초편)」 107쪽

베어링 윤활을 정리합니다. 앞의 두 편에서 베어링 호칭번호를 읽었고, 그다음엔 끼워맞춤으로 죔새를 μm 단위까지 계산했죠. 그런데 치수를 아무리 잘 맞춰도 베어링은 죽습니다. 실제 현장에서 베어링이 죽는 이유 1순위가 윤활 불량이라는 말, 저도 학교 다닐 때 지겹게 들었는데 정작 “그래서 그리스를 언제 갈아야 하는데?”에는 아무도 숫자로 답해주지 않았습니다.

이번 편은 그 숫자를 직접 계산해봅니다. 자료는 앞 두 편과 같은 한국NSK 「베어링 핸드북(기초편)」(2008년 10월) PDF 원문이고, 표와 계산식은 페이지를 직접 열어 눈으로 대조했습니다. 마지막에는 핸드북 표에서 발견한 오식 하나도 짚습니다.

베어링 윤활이 실제로 하는 일 4가지

핸드북은 윤활의 목적을 “베어링의 마찰 및 마모를 줄이고, 타붙음(소착)을 방지하기 위함”이라고 한 줄로 정리합니다. 그 아래에 효과를 넷으로 나눠 적어놨는데, 이 네 개가 시험에서도 그대로 나옵니다.

여기서 제가 좀 놀란 대목. 핸드북은 구름접촉면의 압력을 10,000기압 이상이라고 써놓고 “그럼에도 유막은 형성되어 있다”고 느낌표 두 개를 붙여놨습니다. 만 기압에서 기름막이 안 터지고 남아 있다는 게 윤활의 본체라는 얘기죠. 유체윤활 이론을 한 줄로 압축하면 저 문장입니다.

그리스 윤활 vs 오일 윤활 — 항목별 비교표

베어링 윤활 방법은 크게 그리스 윤활과 오일 윤활 둘로 나뉩니다. 핸드북 106쪽 비교표를 그대로 옮기면 이렇습니다.

시험에서 자주 물리는 건 “그리스는 오일 대비 허용회전수 65~80%” 한 줄입니다. 그리스가 무조건 열등하다는 뜻이 아니라, 속도를 내주는 대신 구조가 싸고 간단해진다는 교환 관계예요. 냉각작용이 “없다”로 딱 잘려 있는 것도 포인트고요 — 그리스는 열을 못 빼냅니다. 그래서 뒤에 나올 온도 조건이 그렇게 무섭게 작동합니다.

💡 정리 요령 — “그리스=구조/비용 유리, 오일=속도·냉각·청정 유리”로 축을 두 개만 잡으면 7행짜리 표가 통째로 복원됩니다. 유동성·교체·여과는 전부 “오일이 흐른다”에서 파생된 항목이고, 누유 오염만 방향이 반대입니다.

그리스는 3층 구조 — 기유·증조제·첨가제

그리스는 “되직한 기름”이 아니라 윤활유 안에 증조제를 분산시킨 반고체입니다. 구성비까지 핸드북에 박혀 있습니다.

① 기유 — 점도가 전부다

광유 또는 합성유(실리콘유·디에스테르유 등)를 씁니다. 핸드북은 “그리스의 윤활성능은 주로 기유의 윤활성능에 의해 결정된다”고 못을 박고, 선정 기준을 두 줄로 줍니다. 저온·고속에는 저점도 기유, 고온·고하중에는 고점도 기유. 헷갈리면 “빨리 돌면 묽게, 무겁게 누르면 되게”로 외우면 됩니다.

② 증조제 — 적점과 내수성을 결정한다

증조제는 두께 0.1~100μm의 섬유상 또는 입자 집합체로, 모세관 현상으로 기유를 머금고 있다가 조금씩 배어나오게 합니다. 리튬 등 금속비누계, 벤토나이트 같은 무기질, 우레아·불소화합물 같은 내열성 유기질이 쓰이고요. 핵심 두 줄은 이겁니다 — 증조제의 종류와 그리스의 적점(滴點)은 밀접한 관계이고 그리스의 내수성은 증조제의 내수성으로 결정됩니다. 즉 “물 닿는 자리에서 안 씻겨나가느냐”는 기름이 아니라 증조제가 결정합니다.

③ 첨가제 — 두 가지만 기억

산화방지제·방청제·극압제 등이 들어갑니다. 선정 기준도 두 줄입니다. 중하중·충격하중을 받는 조건 → 극압첨가제 들어간 그리스, 장시간 보급 없이 버텨야 하는 조건 → 산화방지제 들어간 그리스. 그리고 핸드북이 굵게 강조해둔 한 줄이 있는데, 실무에서 제일 자주 어기는 규칙일 겁니다.

⚠️ “이종 그리스는 기본적으로 혼합해서는 안 된다.” — 증조제 계열이 다르면 섞이는 순간 구조가 무너져 기유가 분리됩니다. 그리스를 보충할 때 “같은 색이니 괜찮겠지”가 안 되는 이유가 이겁니다.

조도(주도) 번호 — 그리고 핸드북 표의 오식 하나

조도(주도)는 그리스의 “부드러움”을 표시하는 값입니다. 규칙은 두 줄로 끝납니다. 조도번호가 작을수록, 조도의 수치가 클수록 그리스는 부드럽다.

여기서 원문을 확대해 보면 3호 칸이 “220~29”로 인쇄돼 있습니다. 자릿수가 하나 빠진 거죠. 표 자체의 규칙으로 복원이 됩니다 — 각 등급의 폭은 30으로 일정하고(385−355=30, 340−310=30, 295−265=30, 205−175=30), 등급 간 간격은 45씩(355→310→265→220→175) 내려갑니다. 그러니 3호는 220~250이어야 앞뒤가 맞습니다. 앞 편에서도 핸드북 계산상자의 “30.032” 오타를 짚었는데, 이 자료는 내용은 훌륭하지만 표 조판에 오식이 종종 있습니다. 숫자를 외우기 전에 표 자체의 규칙성으로 한 번 검산하는 습관이 그래서 필요합니다.

실무 감각으로는 2호가 일반용 밀봉 볼베어링의 표준이라는 것, 번호가 커질수록(딱딱할수록) 고온·시일 용도로 간다는 흐름만 잡으면 됩니다.

그리스 수명식으로 직접 계산해봤습니다

여기가 이번 편의 본론입니다. 핸드북 111쪽에는 밀봉(씨일·쉴드) 볼베어링의 그리스 수명 추정식이 그대로 실려 있습니다.

적용 범위도 상자로 따로 묶여 있습니다. T < 70℃면 T = 70으로 놓고, 0.25 ≤ n/N ≤ 1이며 n/N < 0.25면 n/N = 0.25로 놓고, P/Cr ≤ 0.1인 경우에만 씁니다. 즉 저속·경하중 쪽으로는 아무리 여유가 있어도 더 이상 수명을 늘려주지 않는 식입니다.

식만 보면 감이 안 오니 제가 직접 대입해서 표로 만들었습니다. 아래는 위 두 식에 n/N과 T를 넣어 계산한 수명(h)입니다.

숫자를 보면 감각이 확 잡힙니다. 범용 그리스를 허용회전수의 절반(n/N=0.5)에서 70℃로 돌리면 약 8,128시간, 하루 8시간 가동 기준으로 대략 2.8년입니다. 그런데 같은 조건에서 온도만 110℃로 올리면 1,413시간 — 여섯 달도 못 버팁니다. 회전수를 허용치까지 끌어올리고(n/N=1) 온도까지 110℃면 324시간, 2주짜리 소모품이 됩니다.

그리고 표의 오른쪽 절반이 광범위용 그리스를 왜 쓰는지 설명합니다. 같은 n/N=1·110℃ 조건에서 범용은 324시간인데 광범위용은 2,512시간 — 약 7.8배입니다. 그리스 값 차이로 이 격차를 못 메우면 광범위용을 쓰는 게 맞다는 얘기죠. 참고로 핸드북 112쪽에는 이 식을 그래프로 그린 「그리스 수명 ②」가 실려 있는데, 제가 계산한 값들이 그 그래프의 곡선 위치와 어긋나지 않습니다(n/N=0.25·70℃에서 2만 시간대, n/N=1·110℃에서 수백 시간대).

“15℃ 오르면 보급간격 절반” — 두 자료가 서로 검산된다

핸드북 113쪽 「그리스의 보급 간격」 아래에는 이런 한 줄이 있습니다. “베어링 온도가 70℃를 넘는 경우에는 15℃ 오를 때에 그리스의 보급간격을 반감시킬 필요가 있다.” 실무에서 제일 많이 인용되는 경험칙인데, 저는 이게 앞의 수명식과 맞아떨어지는지 궁금해서 직접 확인해봤습니다.

범용 그리스 식에서 T에 곱해지는 계수는 (0.025 − 0.012·n/N)입니다. 온도가 15℃ 오르면 Log t가 그 계수의 15배만큼 줄어드니, 수명 배율은 10−15(0.025−0.012·n/N)가 됩니다.

n/N이 0.25~0.5인 통상 운전 영역에서는 “15℃에 절반”이 오차 몇 %도 안 되게 들어맞습니다. 경험칙처럼 던져진 한 줄이 사실은 같은 문서 다른 페이지의 계산식에서 그대로 나온다는 거죠. 이런 게 확인될 때가 자료 읽는 맛이 납니다. 다만 고속(n/N=1) 영역에서는 0.64배로 더 완만해지니, “무조건 절반”으로 외우기보다 “저·중속에서 15℃ 오르면 절반”으로 조건을 붙여 기억하는 편이 정확합니다.

💡 핸드북의 보급간격 그래프는 “예: 6208, 2000rpm, 65℃”로 읽는 법을 예시해 두었습니다. 가로축 회전속도에서 올라가 해당 곡선을 만나고 세로축 보급간격(h)을 읽는 방식이라, 6208 하나만 손으로 따라 그어보면 나머지는 다 읽힙니다.

오일 윤활 7가지 급유법

오일 윤활은 “기름을 어떻게 갖다 대느냐”로 갈립니다. 핸드북 112쪽 정리를 그대로 옮깁니다.

그리고 113쪽에는 이 8가지(그리스 포함)를 유막 안정성 / 윤활제 수명 / 내이물 침입 / 마찰토크 / 온도상승 / 고속성 / 코스트 7개 축으로 ◎○△✕ 평가한 매트릭스가 있습니다. 이 표에서 읽히는 결론이 꽤 명확합니다.

그리스가 마찰토크와 코스트에서만 ◎인데 실제로는 구름베어링의 80%를 차지한다는 게 이 표의 아이러니입니다. 대부분의 기계는 유막 안정성 ◎가 필요할 만큼 극한이 아니고, 싸고 조용하고 하우징이 단순해지는 쪽이 현실에서 이깁니다. 반대로 제트 윤활이 코스트 ✕인데도 제트 엔진에 들어가는 이유는, 그 판에서는 고속성 ◎ 말고 대안이 없기 때문이고요.

윤활유 점도 선정과 dm·n값

오일을 고를 때 핸드북이 “가장 중요”라고 못 박는 건 딱 하나, 운전온도에서 적당한 점도가 되는 오일입니다. 나머지는 여기서 파생됩니다.

그리고 속도 한계를 판단하는 지표가 dm·n값입니다. 핸드북 102쪽 정의를 그대로 옮기면 이렇습니다.

핸드북 설명은 두 줄입니다. “여러 실험을 실시하여 소착까지의 수치는 dm·n의 크기에 의한다. dm·n치는 미끄럼 속도를 나타내며, 타붙음까지의 지표가 된다.” 즉 rpm만으로는 큰 베어링과 작은 베어링을 비교할 수 없으니, 피치원경을 곱해 궤도면에서의 실제 미끄럼 속도로 환산한 값이 dm·n입니다. 앞 편에서 6206으로 계산했던 De = (4D + d)/5와 헷갈리기 쉬운데, 그건 열팽창 계산용 대표경이고 이건 속도 지표라 정의가 다릅니다.

허용회전수는 그대로 쓰는 값이 아니다

카탈로그 치수표의 허용회전수는 조건부 숫자입니다. 핸드북 99쪽이 조건을 명시합니다 — 표준설계 베어링일 것, 보통하중조건(C/P ≥ 12, Fa/Fr ≤ 0.2)에서의 운전일 것, 윤활은 그리스 윤활(고속용 그리스) 또는 오일 유욕윤활일 것. 이 조건을 벗어나면 보정해야 합니다.

깊은홈 볼베어링이 2.5로 가장 크다는 게 눈에 띄죠. 그만큼 고속 여력이 남아 있는 형식이라는 뜻이고, 자동조심롤러·앵귤러볼이 1.5로 낮은 건 내부 구조상 미끄럼과 발열이 더 크기 때문입니다. 시험 문제로 나온다면 “가장 큰 보정치를 갖는 형식”을 묻는 형태가 제일 만만합니다.

✅ 그리스로 가는 경우 / ❌ 그리스로 버티면 안 되는 경우

이번 편에서 확인하지 못한 것

예고할 때 그리스 봉입량(하우징 공간용적의 몇 %를 채우느냐)도 같이 다루겠다고 했는데, 이번에 받은 「베어링 핸드북(기초편)」에는 봉입량 기준 수치가 실려 있지 않았습니다. 흔히 “공간용적의 1/3~1/2”이라고들 하지만 제가 이 문서에서 그 문장을 확인하지 못했으므로, 확인 안 된 숫자를 그럴듯하게 채워 넣지 않고 그대로 비워둡니다. 별도 카탈로그나 기술자료에서 원문을 확인하면 그때 따로 정리하겠습니다.

한 줄 정리와 다음 편

다음 편은 핸드북 12장, 구름 베어링의 예압입니다. 클리어런스를 (−)로 만들어 일부러 내부 응력을 넣는 조립인데, 앞서 다룬 끼워맞춤과 정반대 방향의 얘기라 이어서 읽으면 그림이 완성됩니다. 예압의 목적 4가지와 정위치예압·정압예압의 차이, 그리고 “왜 공작기계 주축은 반드시 예압을 넣는가”까지 정리해보겠습니다.

앞 편들도 같이 보시면 좋습니다 — 베어링 호칭번호 읽는 법(6308ZZC3 해독)과 베어링 끼워맞춤(6206 죔새 μm 실계산)입니다. 원문 자료는 한국NSK 기술자료에서 확인할 수 있습니다.