로봇 샤프트 시스템용 스켈레톤 오일 씰은 저온 조건에서 립 간섭을 어떻게 보상할 수 있는가?

로봇 샤프트 시스템과 같은 저온 응용 분야에서 스켈레톤 오일 씰(방사형 샤프트 씰) 오일 누출, 시작-정지 마모 증가 및 밀봉 성능의 불안정 현상이 자주 발생한다. 현장 경험에 따르면 이러한 고장은 부적절한 설치로 인해 발생하는 경우보다는 저온에서 효과적인 립 간섭 보상이 상실되기 때문인 경우가 많다.

본 기사는 저온이 립 간섭에 미치는 영향을 분석하고, 추운 운전 조건에서 밀봉 신뢰성을 향상시키기 위한 실용적인 설계 전략을 제시한다.

저온이 립 간섭에 미치는 영향

스켈레톤 오일 씰은 밀봉 립과 샤프트 표면 사이의 안정적인 접촉 압력을 유지하여 누출을 방지한다. 저온 조건에서는 여러 가지 결합된 효과로 인해 밀봉 성능이 체계적으로 열화된다:

고무의 경화

온도가 감소하면 엘라스토머의 탄성 계수는 증가하고 재료의 변형 능력은 감소하여 리프(lip)가 샤프트 표면에 밀착되는 능력이 떨어진다.

열팽창 불일치

엘라스토머, 금속 케이스 및 샤프트는 서로 다른 열 수축률을 나타낸다. 이러한 불일치는 저온에서 실제 간섭량(interference)과 접촉 압력을 변화시킨다.

윤활 성능 저하

윤활제 점도 증가는 시동 중 오일 필름 형성을 지연시켜 마감 인터페이스를 경계 마찰 또는 혼합 마찰 영역으로 유도하며 마모를 가속화한다.

따라서 핵심 문제는 단순히 간섭량 부족이 아니라 저온에서 리프가 지속적으로 유효한 접촉 압력을 생성하지 못하는 데 있다.

간섭량의 합리적 결정

리프의 간섭량은 작동 조건(압력, 속도), 재료 특성 및 샤프트 직경에 따라 최적화되어야 한다.

일반적으로 권장되는 값은 0.35–0.55mm 범위이며, 일부 고부하 응용 분야에서는 최대 0.8mm까지 필요할 수 있다.

그러나 간섭을 무작정 증가시키는 것은 권장되지 않습니다. 과도한 간섭은 마찰 토크를 높이고, 마모를 가속화하며, 발열을 증가시킬 수 있습니다. 최종 값은 항상 시뮬레이션 및 검증 테스트를 통해 확인해야 합니다.

재료 선택: 저온 내구성에 중점을 두기

저온에서의 밀봉력 유지 여부는 단순한 명목상의 '냉동 저항'보다는 재료의 탄성 회복성과 복원력에 주로 달려 있습니다.

FVMQ

매우 낮은 온도에서도 사용 가능하며, 유연성과 더불어 기름 저항성도 우수하여 협동 로봇 및 높은 유연성이 요구되는 시스템에 자주 사용됩니다.

저온용으로 제형된 FKM

기름 저항성, 열 노화 저항성 및 개선된 저온 복원성을 균형 있게 갖추고 있어 중간에서 낮은 온도의 밀봉 시스템에 적합합니다.

HNBR

저온에서의 탄성과 기계적 강도 사이의 타협을 제공하며, 일반적으로 야외 장비 및 공학 기계에 적용됩니다.

핵심 기준은 재료가 단순히 저온에 노출되는 것을 견디는 것이 아니라, 저온에서 효과적인 탄성 복원력을 유지할 수 있는지 여부이다.

스프링 시스템: 중요한 보상 메커니즘

고무의 강성이 낮은 온도에서 증가함에 따라 스프링이 접촉 압력 보상을 위한 주요 원천이 된다:

저온에서 충분한 유효 스트로크 및 안정적인 스프링 힘

스프링과 립 형상 간의 조화로운 하중 분담

매우 추운 환경의 경우, 방사형 가터 스프링이 장착된 립 설계를 적극적으로 권장한다

적절하게 설계된 스프링 시스템은 엘라스토머의 유연성이 감소했을 때 밀봉 안정성을 크게 향상시킨다.

온도 적응성을 위한 구조 최적화

간섭량을 증가시키는 대신, 구조 최적화가 저온 성능 향상에 더 효과적인 경우가 많다:

유연성을 향상시키기 위해 립 단면을 줄임

추적 성능을 향상시키기 위해 연장된 탄성 암 길이

균일한 압력 분포를 달성하고 가장자리 마모를 줄이기 위한 최적화된 접촉 각도

씰링 립이 수동적으로 성능 저하를 견디는 것이 아니라 능동적으로 반응할 수 있도록 하는 것이 설계 목표이다.

샤프트 표면 상태: 저온에서의 결정적 요소

저온에서는 오일 필름 형성이 더 어려우므로 샤프트 표면 품질이 특히 중요해진다:

오일 유지와 밀착성을 균형 있게 확보하기 위해 표면 거칠기는 Ra 0.2–0.4 μm 범위 내로 제어

시작 시 윤활을 개선하기 위한 마이크로 텍스처(예: 교차 선형 패턴) 도입

립 초기 마모를 유발할 수 있는 표면 결함 회피

적절한 샤프트 준비는 저온 씰링 신뢰성의 핵심 요소이다.

시스템 수준의 조정: 열적 매칭 및 공차 제어

안정적인 저온 밀봉은 시스템 수준의 접근이 필요합니다:

부품 간의 조화로운 열 수축

저온 조건에서의 조립 공차 고려

적절한 저온 유동성 및 접착 특성을 갖춘 윤활제 선정

밀봉 립이 운전 중 내내 일관된 접촉 압력을 유지할 수 있는 것은 오직 열-기계적 시스템의 조율을 통해서만 가능합니다.

성공적인 저온 밀봉의 핵심은 과도한 간섭이 아니라 본질적으로 온도 적응성이 있는 밀봉 시스템을 구축하는 데 있습니다.

최적화된 재료, 립 형상, 스프링 시스템, 샤프트 표면 설계 및 시스템 수준의 열적 정합을 통합함으로써 엄격한 저온 조건에서도 신뢰성 있는 밀봉 성능과 긴 서비스 수명을 달성할 수 있습니다.