자전거에 볼 베어링 만있는 이유는 무엇입니까?

일반적으로 볼 베어링은 접촉 면적이 작고 마찰력이 작기 때문에 고속으로 적용 할 수 있지만 접촉 면적에 가해지는 하중이 더 작은 접촉 응력을 생성하기 때문에 롤러 베어링이 더 큰 하중을 전달할 수 있습니다.
-Liubomir Dimitrov의 기계 공학 설계 원칙

자전거 응용 분야에는 고속 또는 고하 중이 없습니다 (자동차 또는 산업 기계와 비교). 그러나 물과 오염 물질이 베어링에 침투하더라도 "더 작은 접촉 응력"으로 인해 베어링의 서비스 수명이 상당히 길어질 것이라고 가정합니다. 그리고 여전히 자전거 롤러 (핀) 베어링에 대해 들어 본 유일한 시간 은 과장된 Lefty에 있습니다.

자전거에서 볼 베어링이 왜 사소한 마찰이 문제가되지 않는 헤드셋에서 독점적으로 사용됩니까?

몇 가지 가정이 잘못되었다고 생각합니다.

1. 고속 없음 : 림 다이너 모는 최대 10,000rpm까지 매우 빠르게 회전하며, 디자이너의 노력이 필요합니다. 일반적으로 이들의 구동 휠은 반경이 약 1cm이거나 둘레가 3 1/3 cm와 30m 회전합니다. 10m / s (30kph)에서 300rps 또는 18000rpm을 의미합니다. 이것이 그들이 사용 중일 때 높은 피치의 울리는 소음을 만드는 이유입니다.
2. 높은 토크 없음 : 165mm 크랭크에 서있는 100kg 사이클 선수는 0.165m 또는 165Nm에서 약 1kN의 힘을 발휘합니다. 그것은 미드 레인지 자동차와 비슷한 토크입니다. 4 륜로드 바이크의 구동 시스템에 8mm 높이 인장 볼트를 반복해서 끼 우고 산업용 프리휠로 교체하여 찾을 수있는 최고 등급의 유닛 2 개를 구입했습니다 (독일 컨베이어 벨트 부품 정격 250Nm)
3. 고부하 없음 : 후면 랙에 50kg의 투어 사이클 선수와 체중 100kg의 절반이 10mm 직경의 중공 리어 액슬에 100kg 또는 1kN의 하중을가합니다. 이러한 차축과 드롭 아웃은 하중을 견딜 수있는 단단한 강철로 만들어 져야합니다. 자동차 나 트럭의 하중지지 부품은 일반적으로 훨씬 부드러운 강철로 만들어집니다.
4. 볼 베어링 만 사용됩니다. 대부분의 헤드셋과 마찬가지로 최신 밀폐형 버텀 브래킷은 일반적으로 롤러 또는 니들 베어링을 사용합니다. 내부 기어 허브는 수년 동안 니들 베어링을 사용해 왔습니다. Sheldon Brown은 예를 들어 그의 용어집에서 롤러 베어링을 설명 합니다.

답은 다양한 유형의 베어링이 자전거에 사용되었으며 앞으로도 계속 될 것입니다. 다시, Sheldon 은 몇 년 전부터 Shimano 허브 기어의 니들 베어링에 대해 논의 했으며 여전히 마케팅에 언급되어 있습니다.

자전거에만 해당되는 것이 아니라 특히 자전거와 관련된 한 가지 문제는보다 정확한 베어링이 그릿 및 손상에 더 취약하다는 것입니다. 따라서 특히 니들 베어링은 먼지, 모래 및 설계 범위 밖의 힘으로부터 조심스럽게 보호해야합니다. 불행히도 서스펜션 장치 내부에서 작업을 수행하는 것은 어렵고 마지막으로 Cannondale이 문제를 해결하지 못했다고 생각했을 때 (약 10Mm 후에도 HeadShock을 유지할 수 없었습니다. 경량의 비와 미세한 입자로 인해 경주 중에 여러 왼쪽 충격이 실패하는 것을 보았습니다. 쓸모없는 것을 매우 빨리 없애기 위해)

그러나 허브 나 헤드셋 안에서는 놀라 울 수 있습니다. 나는 예를 들어 아무 문제없이 Alfine 8에서 20Mm을 타는 사람들과 이야기했습니다.

먼저 고속에 대한 의견에 동의하지 않습니다. 최고 속도의 베어링은 평범합니다. 대형 자동차 엔진의 크랭크 샤프트 베어링은 평평한 반면, 무선 제어 모델에서는 볼 베어링이 사용됩니다. 속도 (rpm x 직경)가 높은 경우 오일 웨지 효과가 샤프트를 중심으로하는 경향이 있습니다 (유체 역학적 윤활). 오일을 펌핑하면 더욱 강화 될 수 있습니다.

직선 롤러 베어링은 반경 방향 하중을지지 할 수 있지만 축 방향 하중을지지 할 때는 쓸모가 없습니다. 축 방향 하중이없는 경우 (예 : 슬라이딩 스플라인을 통해 직접 또는 벨트 구동을 통해 엔진으로 구동되는 발전기) 좋은 솔루션입니다. 대부분의 자전거 응용 분야에는 축 방향 힘이 존재하므로 롤러와 두 방향 각각의 축 방향 추력과 함께 총 3 개의 베어링을 고려해야합니다. (일부 응용 분야에서는 작은 축 방향 추력을위한 플레인 베어링을 찾을 수 있지만 자전거에서는 생각할 수 없습니다.)

볼 베어링은 제작이 훨씬 간단하며 두 개의 볼 베어링이 훌륭한 다목적 조인트를 형성합니다. 자전거 바퀴에서, 두 베어링은 가능한 한 멀리 떨어져있는 차축 끝에 있으며, 바퀴에 가해지는 비축 토크에 저항해야하는 정확한 위치입니다. 이와 관련하여 롤러 베어링의 중앙 부분은 아무것도하지 않을 것이므로 각 끝에 하나씩 두 개의 롤러 베어링과 축 방향 스러스트 용 추가 베어링을 원할 수 있습니다 (더 복잡하지 않습니까?) 축의 각 끝에 단일 볼 베어링이 있고 원추형으로 방사형 및 축력에 저항 할 수 있습니다. 테이퍼 롤러 베어링이 존재하지만 롤러를 안내하는 케이지가 필요하므로 휠에 4 개의 베어링이 필요하지 않지만 다른 복잡성이 추가됩니다.

마지막으로 헤드셋에는 일종의 마찰 방지 베어링이 필요합니다. 축에는 엄청난 비축 토크가 있습니다. 브레이크를 밟을 때, 뒤로 밀릴 때를 제외하고는 무게가 포크를 앞뒤로 밀려 고합니다. 제대로 조종하려면 부드럽게 움직여야합니다. 헤드셋이 손상된 자전거를 타려고한다면 누구나 가능하지만 불편하고 위험하다는 것을 알게 될 것입니다.

현재 답변은 다른 유형의 베어링이 때때로 자전거에서 사용된다는 점을 지적하면서 볼 베어링 사용에 대한 많은 기술적 이유를 제공합니다.

그러나 그들은 가장 중요한 요소를 그리워합니다. 볼 베어링은 싸다!

롤러 베어링을 사용하는 많은 버텀 브래킷에 밀봉 된 카트리지 베어링이 있습니다. 헤드 세트에서도 일반적입니다. 볼 베어링은 약 10 년 전보다 더 많이 사용되었습니다. 그러나 여전히 페달과 허브에서 일반적입니다.

롤러 베어링과 볼 베어링은 효율적입니다. PTFE 부싱과 같은 휠의 일반 베어링을 사용하면 자전거가 작동하지만 페달이 약간 무거워 지지만 재미는 없습니다. 자기 공명에 빠져서 너무 낮은 고유 주파수라면 흔들림을 시작하지만, 그 부분은 많은 세부 설계에 달려 있습니다. 금속 청동 베어링을 사용할 수 있지만 약간의 윤활이 필요합니다.

헤드셋 볼 베어링도 일반적으로 사용됩니다. 방금 오래된 자전거의 헤드셋에 대한 트러스트 볼 베어링을 선반에서 직접 만든 델린 (아세탈 플라스틱) 베어링으로 ​​교체했습니다. 예, 델린 플레인 베어링은 헤드셋에서 잘 작동합니다. 볼 베어링과 동일하게 강하게 원할 경우 헤드셋을 돌리는 것이 더 무겁지만 문제는 없습니다 ... 헤드에 플레인 베어링이있는 약간의 스틱 슬립 일 수 있습니다 -세트, 이것은 아마도 볼 베어링이 일반적으로 사용되는 주된 이유입니다-뻣뻣하고 부드러워집니다-그리고 당신은 통제 감을 느낄 것입니다.