JP4247274B2 - ハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はジャーナルベアリングに係り、より詳しくは、円形断面を有する金属ハウジングの内側面に複合材料ライナーが位置するように構成されたハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの構造に関するものである。特に、本発明はこのような構造を有するハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法に関するものである。
図１はオイルを潤滑流体として使用するジャーナルベアリングが装着された回転体システムの一般的な形態を示す概略図である。図１に示すように、動力を伝達する主軸１３０はジャーナルベアリング１１０によって支持され、ジャーナルベアリング１１０は金属材質の固定体１２０に固定される。したがって、ジャーナルベアリング１１０の内部で発生した熱はジャーナルベアリング１１０を通じて固定体１２０に伝達される。これにより、オイルを潤滑流体として使用するジャーナルベアリングでは、潤滑流体の温度上昇によるオイルの粘度減少によって発生する潤滑油膜の破壊を防止するために、ジャーナルベアリングの熱伝導性が非常に重要なベアリング特性と見なされる。
また、主軸が回転を開始するかまたは停止するときは、潤滑流体の油膜によって主軸を充分に支持し得る十分な圧力が発生しないから、ジャーナルベアリングと主軸が部分的に接触する境界潤滑条件が発生する。このような境界潤滑条件では、ジャーナルベアリングと主軸の接触によって主軸とジャーナルベアリングに損傷が発生するから、主軸とジャーナルベアリングの摩擦係数と相対硬度が重要なベアリング特性と見なされる。そして、主軸が境界潤滑条件で駆動する場合には、主軸とジャーナルベアリングの接触によって主軸の表面が損傷を被るか、あるいは接触によって発生する熱によって潤滑油の粘性が低くなり、ジャーナルベアリングの荷重支持能力が減少して、結局ジャーナルベアリングと主軸が固着するジャーナルベアリングの破損をもたらすことになる。また、ジャーナルベアリングに荷重が過度に作用するかまたは潤滑油の粘性が低くなる場合にも、油膜が薄くなって前記のような現象が発生することになる。
したがって、ジャーナルベアリングの素材は、回転する主軸を保護し、摩擦による発熱を減らすために、主軸の素材より相対的に低い硬度および低い摩擦係数と高い熱伝導係数が要求される。
現在、ジャーナルベアリングのライナー素材としては、円形断面を有する金属ハウジングの内側面に積層されるホワイトメタル（Ｗｈｉｔｅ Ｍｅｔａｌ）が広く使用されている。このようなホワイトメタルはスズまたは鉛とアンチモンおよび銅から構成される合金で、前述したジャーナルベアリングの条件を満足するが、金属材質の主軸とは同一金属であるから、直接接触して温度が上昇すれば、溶融によって主軸と固着して破壊される問題点がある。そして、複合材料のような非金属材質が主軸に適用される場合には、相対的に高いホワイトメタルの硬度のため、ジャーナルベアリングとの摩擦時に主軸が損傷する欠点がある。
そして、ジャーナルベアリングは低い摩擦係数と相対的に低い硬度を有するガラス纎維フェノール複合材料のみで一体に構成することもあるが、このような材質のジャーナルベアリングは複合材料のみで構成されてその厚さが厚くなり、これにより複合材料の硬化時に発生する物性低下とともに、運転中にその内部にオイルを吸収して寸法精度が低くなって運転時に不安定駆動状態を引き起こして破壊される問題点がある。また、運転中にオイルを吸収するため、運転時に発生する熱によって潤活膜が破壊されるかまたは油膜厚さが薄くなって、ジャーナルベアリングがひどく損傷する問題点がある。
したがって、本発明は前述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、円形断面を有する金属ハウジングの内側面に薄い複合材料ライナーが位置するように構成することにより、主軸との摩擦による主軸の損傷を最小化するハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを提供することにその目的がある。
また、本発明は主軸の損傷を最小化するハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法を提供することにほかの目的がある。
前記目的を達成するため、本発明は、回転体システムの固定体に固定されて、主軸を回転可能に支持する金属ハウジングを含むジャーナルベアリングにおいて、前記金属ハウジングの内側面には、前記主軸との摩擦を最小化する複合材料ライナーが積層されることを特徴とするハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを提供する。
また、前記目的を達成するため、本発明は、回転体システムの固定体に固定されて、主軸を回転可能に支持する金属ハウジングを含むジャーナルベアリングにおいて、前記主軸のうち前記金属ハウジングが位置する部分に複合材料ライナーが積層され、前記複合材料ライナー部分が前記金属ハウジングの内部に挿設され、前記複合材料ライナーと前記金属ハウジングとの間に潤滑油膜が形成されることを特徴とするハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを提供する。
また、前記目的を達成するため、本発明は、回転体システムの固定体に固定されて、主軸を回転可能に支持する金属ハウジングを含むジャーナルベアリングの製造方法において、多様な積層角度を有する複合材料プリプレグを、離型剤の塗布されたマンドレルの外面に巻いて積層する段階と、前記複合材料プリプレグが積層されたマンドレルを前記金属ハウジングの内部に挿入した後、前記マンドレルを除去する段階と、前記マンドレルの除去された前記複合材料プリプレグと前記金属ハウジングを真空バッグで取り囲む段階と、前記真空バッグに真空をかけて前記複合材料プリプレグを前記金属ハウジングの内側面に密着させる段階と、前記複合材料プリプレグが密着された前記金属ハウジングをオートクレーブに入れて硬化させた後、取り出して前記真空バッグを除去する段階とを含むことを特徴とするハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法を提供する。
また、前記目的を達成するため、本発明は、回転体システムの固定体に固定されて、主軸を回転可能に支持する金属ハウジングを含むジャーナルベアリングの製造方法において、多様な積層角度を有する複合材料プリプレグを熱膨張可能なマンドレルの外面に巻いて積層する段階と、前記複合材料プリプレグが積層されたマンドレルを前記金属ハウジングの内部に挿入した後、オートクレーブに入れて熱膨張させることで、前記複合材料プリプレグを前記金属ハウジングの内側面に密着させながら硬化させる段階と、前記複合材料プリプレグが密着して硬化した前記金属ハウジングをオートクレーブから取り出し、前記マンドレルを除去する段階とを含むことを特徴とする、ハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法を提供する。
また、前記目的を達成するため、本発明は、回転体システムの固定体に固定されて、主軸を回転可能に支持する金属ハウジングを含むジャーナルベアリングの製造方法において、纎維プリフォームとフィルムから構成された補強材の両端を蓋で密封し、前記金属ハウジングの内部に位置させた後、固定具で固定する段階と、前記フィルムの内部に圧縮空気を注入して、前記纎維プリフォームを前記金属ハウジングの内側面に密着させる段階と、前記補強材内に樹脂を注入して前記纎維プリフォーム間に樹脂を含浸させる段階と、前記フィルムの内部に高温空気を注入して、前記樹脂の含浸した纎維プリフォームを硬化させて複合材料ライナーを成形した後、前記固定具と前記蓋を除去する段階とを含むことを特徴とするハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法を提供する。
本発明の前記およびほかの目的、特徴および利点は添付図面を参照する以降の詳細な説明からより明らかに理解可能であろう。
以下、添付図面を参照するが、多くの図にわたって、同一符号は同一または類似構成要素を示すために使用する。
図２は本発明の一実施例によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを示す斜視図、図３は図２に示すハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを線Ａ−Ａに沿って取った断面図、図４は本発明によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングのほかの形態を示す断面図である。
図２は本発明の一実施例によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを示す斜視図、図３は図２に示すハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを線Ａ−Ａに沿って取った断面図、図４は本発明によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングのほかの形態を示す断面図である。
図２ないし図４に示すように、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０は、外面が回転体システムの固定体に固定できるように形成され、内部に円形断面を有する金属ハウジング２１１と、前記ハウジング２１１の内側面に均一な厚さに積層されて主軸との摩擦を最小化する複合材料ライナー２１２とから構成される。
前記金属ハウジング２１１は、図１に示すように、回転体システムの固定体１２０に固定されるもので、その外面は、図２〜図４に示すように、必ずしも円形形態を有する必要はなく、ただ固定体１２０で固定することができれば、どんな形態に構成してもかまわない。しかし、ハウジング２１１の内部では、円形断面を有する主軸が回転できなければならないので、円形断面を有するように構成されなければならない。したがって、本発明のハウジング２１１は、通常のジャーナルベアリングに使用されるハウジングを使用してもかまわない。そして、金属ハウジング２１１は、主軸の回転時に発生する熱を固定体に容易に伝達するように、熱伝逹係数の高い素材である鋳鉄、アルミニウム合金、バビット合金（Ｂａｂｂｉｔ Ｍｅｔａｌ）などから構成することが望ましい。このような金属ハウジング２１１は、主軸によって過度な荷重がジャーナルベアリングに加えられる場合、複合材料ライナー２１２の補強によって、ジャーナルベアリングが破壊されることを防止する役割もする。
そして、前記複合材料ライナー２１２は、複合材料の特性上、主軸として使用される通常の金属主軸よりは低い硬度を有し、複合材料主軸とは同一硬度を有することができる。このような複合材料ライナー２１２は種々の纎維と種々の樹脂から製作することができる。例えば、複合材料ライナー２１２は、炭素纎維とフェノール樹脂から構成された炭素纎維フェノール複合材料、炭素纎維とエポキシ樹脂から構成された炭素纎維エポキシ複合材料、ガラス纎維とエポキシ樹脂から構成されたガラス纎維エポキシ複合材料、ガラス纎維とポリエステル樹脂から構成されたガラス纎維ポリエステル複合材料などから構成することができる。
前記複合材料のなかでも、本発明のライナー素材としては、炭素［あるいは黒鉛（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）］纎維とフェノール樹脂から構成された炭素纎維フェノール複合材料を使用することが一番望ましい。このような炭素纎維フェノール複合材料は潤滑特性に優れた炭素纎維を含んでいるから、主軸との摩擦が発生する場合に、主軸で発生する損傷を防止することができる。また、炭素纎維は、一般的に多く使用されるガラス繊維より熱伝導率が高いので、主軸の回転時に発生する熱を金属ハウジング２１１を通じて回転体システムの固定体に伝達することにより、ジャーナルベアリング全体の熱伝導性を向上させることになる。
このような複合材料ライナー２１２は、金属ハウジング２１１の内側面に比較的薄い厚さで積層することが望ましい。すなわち、複合材料ライナー２１２は、その機能が金属主軸との摩擦によって損傷の余地がある主軸の損傷を防止するためのものであるので、その厚さを薄くすることで、高価な炭素纎維複合材料の使用を最小化して素材費用を節減するだけでなく、厚肉になることによって発生するオイルの吸収を防止することができる。
前記のように、本発明のジャーナルベアリング２１０は、金属ハウジング２１１の内側面に均等な厚さの複合材料ライナー２１２を構成したものである。しかし、本発明のジャーナルベアリング２１０は、複合材料ライナー２１２の両端部を加工して、内面の内側から外側に傾いたテーパ２１３を形成することもできる。このようにテーパ２１３を形成することは、船舶用主軸のように重い大型主軸をジャーナルベアリングに装着する場合、自重によって主軸の垂れが発生する場合に特に有利である。このような主軸の垂れによって初期ジャーナルベアリングの間隙が変わることになり、主軸の回転時に発生する圧力分布も変わることになる。したがって、主軸の垂れ量が大きい場合には、主軸の垂れを考慮して複合材料ライナー２１２の両端部にテーパ２１３を形成することにより、主軸の回転時に主軸の垂れによって発生する主軸と複合材料ライナー２１２の面摩擦を防止することができる。
また、本発明のジャーナルベアリング２１０は、自重によって垂れが発生する大型主軸の場合に、垂れに応じて両端部が変形するように、図４に示すように、金属ハウジング２１１の内側両端部に変形性が良好なホワイトメタル２１４を積層することが望ましい。すなわち、金属ハウジング２１１の内側面の大部分には複合材料ライナー２１２が積層され、このような複合材料ライナー２１２の両側に位置する金属ハウジング２１１の内側両端部にホワイトメタル２１４が積層される。
以下では、前述したように構成される本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法について詳細に説明する。
図５および図６は本発明によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを同時硬化法で製作する過程を示す工程図である。図５および図６に示すように、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０は同時硬化法によって製作される。
図５および図６は本発明によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを同時硬化法で製作する過程を示す工程図である。図５および図６に示すように、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０は同時硬化法によって製作される。
図５に示すように、適切な積層角度（０°、９０°など）を有する複合材料プリプレグ２２２を、離型剤が塗布されたマンドレル２２４の外面に巻いて積層する。その後、複合材料プリプレグ２２２が積層されたマンドレル２２４を金属ハウジング２１１の内部に挿入した後、マンドレル２２４を除去し、マンドレル２２４が除去された複合材料プリプレグ２２２と金属ハウジング２１１を真空バッグ２２３で取り囲む。この時、真空バッグ２２３がプリプレグ２２２の内側面に密着できるように取り囲む。その後、真空バッグ２２３に真空をかけることで、真空バッグ２２３によって複合材料プリプレグ２２２が金属ハウジング２１１の内側面に密着するようにする。この状態の金属ハウジング２１１をオートクレーブに入れ、一定時間硬化させた後に取り出し、真空バッグ２２３を除去することにより、金属ハウジング２１１の内側面に複合材料ライナー２１２が積層された本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０が製作される。
また、図６に示すように、適切な積層角度（０°、９０°など）を有する複合材料プリプレグ２２２を、離型剤が塗布され、熱膨張係数の高いシリコーンゴムなどから構成されたマンドレル２２５の外面に巻いて積層する。その後、複合材料プリプレグ２２２が積層されたマンドレル２２５を金属ハウジング２１１の内部に挿入した後、オートクレーブに入れ、一定時間硬化させる。すると、マンドレル２２５が熱膨張し、これにより複合材料プリプレグ２２２が金属ハウジング２１１の内側面に密着しながら硬化する。こうして硬化が完了すれば、金属ハウジング２１１をオートクレーブから取り出してマンドレル２２５を除去することにより、金属ハウジング２１１の内側面に複合材料ライナー２１２が積層された本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０が製作される。
図７は本発明によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを接着法で製作する過程を示す工程図である。図７に示すように、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０は接着法によっても製作される。すなわち、ハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの同時硬化が難しい場合には、図７に示すように、硬化した複合材料ライナー２１２を接着剤２２６で金属ハウジング２１１の内部に接合して製作することもできる。前記接着剤２２６としては、エポキシ接着剤、ゴム成分の添加されたエポキシ接着剤、シアノアクリレート接着剤、ポリウレタン接着剤などの多様な種類の接着剤を適用することができる。
図８は本発明によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを樹脂トランスファー成形法で製作する過程を示す工程図である。図８に示すように、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０は樹脂トランスファー成形法（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）によっても製作される。すなわち、本発明のジャーナルベアリング２１０は、纎維プリフォーム２４１と柔軟なフィルム２４２から構成された補強材と、空気注入口２４４が加工された蓋２４３と、補強材と蓋２４３を金属ハウジング２１１に固定させ、樹脂注入口２４６と空気排出口２４７がそれぞれ加工された固定具２４５とを利用して製作される。その全般的な製造過程は次のようである。
まず、纎維プリフォーム２４１とフィルム２４２からなる補強材の両端を蓋２４３で密封する。この時、蓋２４３の外径部にはＯリング２４８が嵌め合わせられているので、フィルム２４２の内部が完璧に密封される。その後、密封された補強材を金属ハウジング２１１の内部に位置させた後、固定具２４５で蓋２４３を固定する。
そして、空気注入口２４４を通じて、フィルム２４２の内部に圧縮空気を注入して、フィルム２４２を纎維プリフォーム２４１にぴったり密着させることにより、補強材を金属ハウジング２１１の内部に挿入する時に発生し得るシワまたは捩れを除去する。また、圧縮空気を注入することにより、纎維プリフォーム２４１を金属ハウジング２１１の内側面に密着させる。
その後、フィルム２４２内の内部圧力を除去した後、固定具２４５に加工された樹脂注入口２４６を通じて樹脂を注入して、纎維プリフォーム２４１間に樹脂を含浸させる。この時、樹脂はフェノール樹脂が望ましく、約６０℃程度に加熱して粘度を低めた後に注入することにより、樹脂移送に必要な圧力を低めることができる。こうして樹脂が注入されれば、ヒーターが装着された圧縮機によってフィルム２４２の内部に高温空気を注入して加圧する。こうすることにより、補強材が金属ハウジング２１１の内側面に密着され、纎維プリフォーム２４１間に残存する気泡が空気排出口２４７を通じて外部に排出されるとともに、樹脂が次第に硬化する。この時、空気排出口２４７に真空ポンプを連結して真空をかけることで、樹脂の含浸を円滑にするとともに纎維プリフォーム２４１間の気泡を効果的に除去して高い纎維体積率を維持することができる。
前記のように、纎維プリフォーム２４１内に樹脂が含浸された後に硬化して金属ハウジング２１１内に複合材料ライナー２１２が形成されれば、固定具２４５と蓋２４３を除去することで、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０が完成される。この時、必要に応じて、フィルム２４２を除去することもできる。
前記樹脂トランスファー成形法によるジャーナルベアリングの製造方法は、現在使用されるジャーナルベアリングを補修するのにも適用することができる。すなわち、固定体（例えば、船舶など）に固定されたジャーナルベアリングの金属ハウジングを分離しないで、金属ハウジングの内部に前記のような樹脂トランスファー成形法によって複合材料ライナーを形成することにより、ジャーナルベアリングを補修することができる。したがって、前記樹脂トランスファー成形法によるジャーナルベアリングの製造方法は、長期間にわたって運航する大型船舶のジャーナルベアリングの維持および補修に非常に適合する。
前記のような方法によって製作される本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリング２１０は、図１に示すように、金属ハウジング２１１が固定体１２０に固定され、複合材料ライナー２１２の内部には主軸１３０が挿設される。この時、複合材料ライナー２１２と主軸１３０との間にはオイルによる潤滑油膜１１１が形成される。
前記のように構成される本発明は、金属ハウジングの内側面に複合材料ライナーが積層されるので、複合材料ライナー２１２によって、ジャーナルベアリング２１０と主軸２３３間の摩擦係数が減少するだけでなく、ジャーナルベアリングと主軸の固着現象も防止することができる。
図９は本発明のほかの実施例によるハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを説明するための分解斜視図、図１０は図９に示す構成要素を結合して一部切り取ったハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの構造の断面図である。
図９および図１０に示すように、本発明は、ジャーナルベアリングに複合材料を接着しにくい場合、主軸２３３のうちジャーナルベアリングが設置される部分に複合材料プリプレグを積層し硬化させて複合材料ライナー２３２を形成し、このような複合材料ライナー２３２部分を金属ハウジング２３１の内部に挿設することにより、ハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを構成することもできる。この時、複合材料ライナー２３２と金属ハウジング２３１との間には、オイルによる潤滑油膜２３４が形成される。
前記のような形態のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングを構成する場合にも、複合材料ライナー２３２によって、前記実施例と同様に、ジャーナルベアリング（この例では、金属ハウジング２３１）と主軸２３３間の摩擦係数が減少するだけでなく、ジャーナルベアリングと主軸の固着現象も防止することができる。
以上詳細に説明したように、本発明は、円形断面を有する金属ハウジングの内側面に薄い複合材料ライナーが位置するように構成することにより、金属主軸または複合材料主軸との摩擦による主軸の損傷を防止する効果がある。
また、本発明は、高価の複合材料の使用部分を最小限に薄く制限して使用することにより、性能対原資材費用を最小化する効果がある。
また、本発明は、従来のようにホワイトメタルを金属ハウジングに接合するかまたは厚いガラス纎維フェノール複合材料を硬化させて製作する方法に比べて、比較的簡単な同時硬化法、接着法または樹脂トランスファー成形法で製作することができるので、製造工程を単純化し、製造単価を著しく減少させることができる。
また、本発明は、従来のようにホワイトメタルを金属ハウジングに接合するかまたは厚いガラス纎維フェノール複合材料を硬化させて製作する方法に比べて、比較的簡単な同時硬化法、接着法または樹脂トランスファー成形法で製作することができるので、製造工程を単純化し、製造単価を著しく減少させることができる。
また、本発明は、ジャーナルベアリングが損傷する場合、複合材料ライナーのみを取り替えればよいので、比較的簡便に修理および補修が行えるという利点がある。
以上、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングおよびその構造を有するジャーナルベアリングの製造方法を添付図面に基づいて説明したが、これは本発明の最適の実施例を例示的に説明したもので、本発明を限定するものではない。
以上、本発明のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングおよびその構造を有するジャーナルベアリングの製造方法を添付図面に基づいて説明したが、これは本発明の最適の実施例を例示的に説明したもので、本発明を限定するものではない。
また、この技術分野の当業者であれば誰も、本発明の技術思想の範疇を逸脱しないで、添付した特許請求の範囲内で多様な変形、追加および代替が可能であろう。
Claims (2)
- ハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法であって、前記製造方法は、
纎維プリフォームとフィルムから構成された補強材の両端を蓋で密封し、そして前記補強材を金属ハウジングの内部に位置させた後、固定具で前記蓋を固定する段階と、
前記フィルムの内部に圧縮空気を注入することによって、前記纎維プリフォームを前記金属ハウジングの内側面に密着させる段階と、
前記補強材内に樹脂を注入することによって、前記纎維プリフォーム間に樹脂を含浸させる段階と、
前記フィルムの内部に高温空気を注入することによって、前記樹脂が含浸した纎維プリフォームを硬化させてその結果として複合材料ライナーを成形した後、前記固定具と前記蓋を除去する段階と
を含むことを特徴とする、ハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法。 - 前記フィルムの内部に高温空気を注入する時、前記補強材の内部を真空ポンプに連結し、そして前記真空ポンプによって前記補強材の内部に真空を加えることを特徴とする、請求項１記載のハイブリッド複合材料ジャーナルベアリングの製造方法。
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