KR100544836B1 - 내마모성이향상된구름베어링및그베어링용전동체 - Google Patents

Abstract

구름 베어링은 전동체(轉動體)가 수용되는 베어링 공간(bearing space)을 둘러싸며 스틸로 이루어진 외륜 및 내륜으로 구성되어 있다. 전동체 중에 적어도 1개는 적어도 부분적으로 다른 전동체의 재료보다 경도(硬度)와 강성(剛性)이 높은 지르코늄 재료로 구성된다. 어떤 압흔(壓痕), 특히 해당 궤도면(軌道面) 및 그 궤도면과 거의 동일한 경도의 전동체 사이에서 압축될 때 고체 오염 입자에 의해 형성되는 압흔의 돌출부는 실질적으로 더 큰 경도의 전동체가 이 압흔 위로 구르자마자 곧 압축된다. 그것에 의해, 궤도면의 상기 평활한 특성이 회복된다. 단지 베어링의 운전 특성에 악영향을 끼치지 않거나 그 영향이 적은 작은 구멍들만이 남는다. 이 작은 구멍 안에는 미량의 윤활유가 축적되어 오일 부족 시에 전동체의 윤활 작용을 돕는다.

Description

내마모성이 향상된 구름 베어링 및 그 베어링용 전동체{ROLLING ELEMENT BEARING HAVING IMPROVED WEAR CHARACTERISTICS, AND ROLLING ELEMENT FOR SUCH BEARING}

본 발명은 전동체를 수용하는 베어링 공간을 둘러싸는 스틸재 내륜 및 외륜을 포함하는 구름 베어링에 관한 것이다. 보통, 이러한 베어링의 전동체도 역시 스틸, 특히 궤도륜의 스틸과 거의 동일한 경도 특성의 스틸로 제조된다.

베어링의 회전 중에, 전동체는 궤도륜의 궤도면 위를 구른다. 어떤 오염물, 예컨대 궤도륜 또는 전동체 상의 작은 마모 입자도 이 전동체 사이에서 압축된다. 경질(硬質)의 마모 입자, 예컨대 베어링의 구성 요소 중 어느 것에서 떨어져 나오거나 외부로부터 들어온 작은 스틸 입자는 그러한 압축에 견디고, 결국 궤도면과 전동체 모두에 작은 압흔을 형성한다.

특히, 궤도면의 압흔은 유용한 베어링의 수명에 악영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다. 또한 상기 압흔들은 궤도면 표면의 마모로 인해 유발된 원할하지 못한 운전(運轉) 및 증가된 간극 때문에 운전 중에 소음을 증가시킨다.

이 압흔은 분화구 형상을 하고 있어서, 작은 중심 구멍이 상방으로 밀려서 궤도면 위로 돌출하는 융기부에 의해 둘러싸여 있다. 반대로, 전동체에도 압흔이 형성된다. 전동체에 의해 가해지는 하중의 주기적 특성 때문에, 압흔의 융기부 바로 아래에 위치한 높은 응력 집중 위치에 있는 궤도륜에서 크랙이 형성되고 피로가 야기 될 수 있다.

시일(seal)과 필터(filter)를 제공함으로써, 유해한 오염 입자에 대해 베어링을 보호하는 것은 이미 제안되었으나, 그럼에도 불구하고, 오염 입자의 침입을 항상 완전히 방지할 수는 없고, 따라서 압흔의 형성을 피할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 압흔의 영향을 완화하는 것이다. 이 목적은 한 세트를 이루는 복수 개의 전동체 중 적어도 1개가 적어도 부분적으로 다른 전동체의 재료보다 경도가 높은 지르코늄 재료로 구성되는 것으로 달성된다.

어떤 압흔, 특히 해당 궤도면 및 이것과 거의 동일한 경도의 전동체 사이에서의 고체 오염 입자의 압축시에 형성되는 압흔의 돌출부는 실질적으로 더 큰 경도의 전동체가 이 압흔 위로 구르자마자 압축된다. 따라서, 궤도면의 평활한 특성이 회복된다. 베어링의 운전 특성에 악영향을 끼치지 않거나 그 영향이 적은 작은 구멍들만이 남는다. 이 작은 구멍 안에는 미량의 윤활유가 축적되어 오일 부족 시에전동체의 윤활작용을 돕는다. 또한, 응력 집중과 그로 인한 크랙 형성 및 마모의 위험성이 기본적으로 감소된다. 또한, 상기 베어링은 보다 조용히 운전하게 된다.

보통, 상기 다른 전동체는 궤도륜에 사용된 스틸과 거의 동일한 기계적 특징을 가진 스틸로 구성된다. 지르코늄 재료는 그 경도에도 불구하고 스틸과 거의 동일한 탄성 계수와 열팽창 계수를 갖고 있다. 또한, 지르코늄과 스틸의 프와송 비는 거의 같다. 나아가, 지르코늄과 스틸의 비중량도 그다지 다르지 않다.

지르코늄 재료로 제조된 전동체를 다른 스틸 전동체 사이에 배치하는 것은 동적 불평형 또는 변화하는 온도 조건에서 열팽창 차이를 발생시키지 않는다는 이점이 있다. 이로써, 모든 환경 하에서 상기 베어링의 원활한 운전이 확보된다.

이 해결책의 추가적인 이점은 저렴한 지르코니아 세라믹 원료 가격과 지르코니아의 가공 및 처리의 용이성이다. 예를 들면, 이송 속도가 200-1200 ㎛/min인 연마를 마무리 공정으로 이용할 수있다(스틸에 대한 전형적인 연마 이송 속도는 대략 1500 ㎛/min 임). 질화규소 대응물에 대한 초기 비용은 1/5로 절감되는 것으로 평가된다.

본 발명의 제2 실시예는 스틸에 지르코니아 세라믹을 직접 소결하거나 억지 끼워 맞추거나 화학적 또는 기계적 결합시킴으로써 형성되는 하이브리드 전동체를 제조하는 데에 지르코니아를 사용하는 것이다. 이 기술은 지르코니아 세라믹(ceramic)과 스틸의 탄성 계수가 매우 비슷하다는 것과, 지르코니아 세라믹의 열 팽창과 영률이 실질적으로 스틸의 그것과 동일하다는 것에 의해 가능해진다. 또한, 스틸과 지르코니아 재료의 밀도가 비슷하기 때문에, 두 부분의 동심도(同心度)에 오차가 있는 경우에도 질량 불평형의 위험을 피할 수있다.

모든 전동체가 세라믹 재료로 구성되어 있는 구름 베어링은 이미 공지되어 있다. 이들 베어링의 모든 전동체가 궤도면에 동일한 압축 작용을 가한다는 사실 과 관련하여, 높은 융기부가 있는 압흔의 형성이 방지된다.

그러나 이 전동체의 보다 큰 경도와 강성 때문에, 궤도륜에 가해지는 응력도 보다 크고, 결국 그러한 종류의 베어링의 수명 및 용량은 저하된다.

본 발명에 따른 베어링에 있어서, 대부분의 전동체는 스틸로 제조되며, 따라서 접촉체들 사이에서 균일하게 변형이 발생되어, 결과적으로 베어링의 응력이 감소되고 동적 용량이 확보된다.

EP-A-89155 호에는, 모든 전동체가 스틸재 외피와 지르코니아제 코어로 구성되어 있는 베어링이 개시되어 있다. 그러므로, 모든 접촉면은 스틸로 구성되고 따라서 같은 경도를 갖고 있고 있다는 사실을 고려하면, 상기 공지의 베어링은 상기 궤도면의 어떠한 압흔도 평활하게 할 수 없다.

이하에서는, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

베어링의 다른 부분은 도시되지 않은 구름 베어링의 외륜(1)에는 전동체가 구를 수 있는 궤도면(2)이 있다. 전동체의 표면과 궤도면(2) 위에 붙은 어떠한 고체 오염 입자도 결국 융기부나 돌출부(5)로 둘러싸인 작은 구멍(4)으로 구성된 분화구 형상의 압흔을 초래한다.

이어서, 이 돌출부(5)는 상기 전도체 그 자체에 응력 집중 및 압흔을 유발하게 된다.

상기 베어링의 전동체와 궤도륜 모두에 그러한 압흔이 존재하면 조기 피로 및 크랙 형성을 야기된다. 또한 베어링이 심하게 진동하고 시끄럽게 운전하게 된다.

본 발명에 따르면, 적어도 1개의 전동체는 실질적으로 경도와 강성이 보다 큰 재료, 예를 들면 지르코늄 재료로 제조된다. 그러한 전동체가 압흔(3)위에서 구르면, 도 2에서 도시되어 있는 바와 같이, 이 전동체는 적어도 돌출부(5)를 압축하게 된다.

도 2에는 외륜(6)이 도시되어 있는데, 그 외륜의 돌출부는 압착되어, 외륜(6)의 정상적이고 손상되지 않은 표면(8)에 대응하는 랜드(land)부(7)를 형성한다. 압흔에 의해 형성되는 구멍은 남는다.

적어도 1개의 강성 또는 경도가 보다 큰 전동체를 구비하는 베어링의 궤도륜에서 피로 및 그로 인한 크랙 형성 및 마모의 위험성이 보통의 베어링보다 현저히 감소한다. 작은 구멍(4)이 존재하면, 궤도면(8)과 전동체에 향상된 윤활 작용을 한다. 구멍(4)에는 미량의 오일(9)이 축적되어 향상된 윤활 특성을 제공한다.

도 3에 도시된 전동체는 정방정계(正方晶系) 다결정(多結晶)의 부분적으로 안정화된 지르코니아 세라믹과 같은 지르코늄제의 외피(10)로 구성된다. 그것의 코어(11)는 적절한 스틸로 구성된다. 지르코니아 세라믹은 5% Y₂O₃, 0.01% A1₂O₃, 잔부는 ZrO₂로 조성된 합급으로 구성된다. 물론, 본 발명에 따른 전동체는 전체가 지르코늄 재료로 구성 될 수도 있다.

요약하면, 본 발명에 의해 다음과 같은 유리한 실시예가 가능해진다.

* 하이브리드 전동체를 구비하는 향상된 내마모성 및 내오염물성 베어링.

* 윤활, 온도, 환경 조건이 어려운 상태(예컨대, 고속에서의 그리스 윤활, 고온, 부식 환경, 수소 부식, 진공 등)에서 사용되는 베어링.

* 통상적인 작동 조건에서 보다 긴 수명의 베어링(표면의 조기 피로에 대한 향상된 내구성).

또한 다음의 문제가 해결된다.

* 하이브리드 구름 베어링에서 질량 불평형.

* 하이브리드 전동체 베어링에서 온도 변화에 의한 불균일한 베어링 내부 틈새.

* 베어링 구성 요소에 조합된 하이브리드 소결 기술의 사용(결합된 스틸과 세라믹)

* 베어링 부품 제조를 위한 (세라믹과 스틸 사이의) 억지 끼워 맞춤 또는 기계적/화학적 결합 기술의 사용.

도 1은 통상적으로 전동체(轉動體)를 구비한 베어링에서, 압흔(壓痕)이 있는 외륜의 부분 측면도.

도 2는 경도(硬度)나 강성(剛性)이 높은 적어도 1개의 전동체를 구비하는 베어링에서, 작은 구멍이 있는 외륜의 부분도.

도 3은 볼(ball)형상의 전동체를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 외륜

2 : 궤도면

3 : 압흔

4 : 작은 구멍

5 : 돌출부

10 : 외피

11 : 코어

Claims (10)

1. 전동체(轉動體)를 수용하는 베어링 공간을 둘러싸고 스틸로 이루어진 내륜 및 외륜을 포함하는 구름 베어링에 있어서,

   상기 전동체 중 적어도 1개는 최소한 부분적으로 다른 전동체 재료보다 경도(硬度)와 강성(剛性)이 큰 지르코늄 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
2. 제1항에 있어서, 최소한 부분적으로 보다 경질(硬質)의 재료로 구성된, 적어도 2개의 전동체가 원주 방향으로 규칙적으로 이격되어 제공되는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다른 전동체는 각각 스틸로 구성되는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
4. 제3항에 있어서, 최소한 부분적으로 보다 경질의 재료로 이루어진 각각의 전동체는 지르코늄 재료로 이루어진 외피를 포함하는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
5. 제4항에 있어서, 상기 지르코늄 외피는 스틸 코어를 둘러싼 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
6. 제3항에 있어서, 보다 경질의 재료로 이루어진 각 전동체는 전체가 지르코늄 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 지르코늄 재료는 지르코니아 세라믹 ZrO₂인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
8. 제7항에 있어서, 상기 지르코늄 재료는 부분적으로 안정화된 지르코니아 세라믹인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
9. 제8항에 있어서, 상기 지르코니아 세라믹은 5% Y₂O₃, 0.01% A1₂O₃, 잔부는 ZrO₂로 조성된 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
10. 복수 개의 전동체를 수용하는 베어링 공간을 둘러싸고 스틸로 이루어진 내륜 및 외륜을 포함하는 구름 베어링에 사용하기 위한 한 세트의 전동체로서,

    상기 한 세트의 전동체는 적어도 1개의 제1 전동체 및 적어도 1개의 제2 전동체를 포함하며, 상기 적어도 1개의 제1 전동체는 지르코늄 재료로 구성된 외피를 구비하고, 상기 적어도 1개의 제2 전동체는 스틸로 이루어지고, 또한 외면도 스틸로 이루어지며, 상기 제1 전동체의 지르코늄 재료의 경도(硬度)는 제2 전동체의 스틸의 경도보다 큰 것을 특징으로 하는 한 세트의 전동체.

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