KR100586228B1 - 하이브리드 구면베어링 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 하이브리드 구면베어링은 복합재료를 이용한 구면베어링으로서, 구형의 저널이 끼워질 수 있도록 소켓형상의 요부를 갖는 지지대와, 상기 요부에 접합되는 여러 겹의 복합재료로 이루어진 부싱을 포함하고, 상기 부싱은 구형저널의 하중을 상기 지지대에 잘 분산시킬 수 있도록 상기 복합재료가 상기 요부의 반경방향으로 적층된 형태로 이루어진다. 또한, 본 발명의 하이브리드 구면베어링 제작방법은 1) 여러 겹의 복합재료를 반 구형으로 예비 성형하는 단계, 2) 단계 1)에서 예비 성형된 복합재료를 고온상태에서 가압하여 부싱을 성형하는 단계, 및 3) 단계 2)에서 성형된 상기 부싱을 구면베어링의 지지대 또는 피스톤의 결합면에 접착시켜 구면베어링을 완성시키는 단계를 포함한다. 여기서 부싱의 성형 및 접합 단계는 동시에 수행될 수 있다. 이 하이브리드 구면베어링은 복합재료간의 층간 박리현상을 방지하고 구면베어링의 수명을 보다 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

하이브리드 구면베어링 및 그 제작방법{HYBRID COMPOSITE SPHERICAL BEARING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 일반적인 구면베어링의 한 예를 나타낸 것이고,

도 2는 종래 구면베어링의 형상과 파괴형태를 나타낸 것이며,

도 3은 본 발명의 하이브리드 구면베어링의 한 실시예에 따른 여러 형태를 도시한 것이고,

도 4 및 도 5는 본 발명 구면베어링의 다른 실시예를 나타낸 것이며,

도 6은 본 발명 구면베어링의 제작방법을 순차적으로 도시한 것이고,

도 7은 도 6의 구면베어링 제작과정 중 일부 단계의 변형된 예를 나타낸 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 부싱 200 : 지지대

210 : 링 220 : 요철

310, 320 : 금형 330 : 주입구

400 : 원형커터 450 : 지그

본 발명은 구면베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰로 인하여 발생되는 열을 효과적으로 감소시켜 수명을 증대시킬 수 있는 하이브리드 구면베어링 및 그 제작방법에 관한 것이다.

구면베어링(30)은 구형의 저널을 지지하는 베어링으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 커넥팅 로드(10)에 작용하는 하중을 피스톤(20)에 전달해주는 역할을 수행한다. 커넥팅 로드(10)는 작용하중의 방향으로 움직이면서 일정한 각도 범위로 회전 운동한다. 때문에, 커넥팅 로드(10)의 끝은 구 형태로 형성되어 있으며 구면베어링(30)에 밀착되어 압축하중을 가한다. 따라서, 구면베어링(30)은 커넥팅 로드(10) 끝과 접촉하여 상대운동을 할 수 있도록 볼 소켓형태로 되어 있다.

구면베어링(30)은 주로 고 기동성 궤도 차량의 현수장치에 사용되는데, 차량의 종류와 설치장소에 따라 200 MPa 이상의 평균면압이 작용하기 때문에, 구면베어링(30)의 소재는 기본적으로 높은 압축강도가 요구된다. 또한, 구면베어링의 설치특성상 지속적인 윤활유의 공급이 어려운 경우가 많으므로 구면베어링의 소재는 높은 압축강도 외에 무급유 윤활특성 및 내마모 특성이 요구된다.

이와 같은 이유로 일반적인 구면베어링의 소재로는 자체윤활특성을 갖는 탄소 또는 흑연 등이 사용되고 있으며, 작용하중이 큰 구면베어링 소재로는 탄소 또는 흑연(graphite)섬유 복합재료가 사용되고 있다. 도 2는 종래 구면베어링의 한 예를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 종래 구면베어링(30)은 탄소섬유 직조물(31)에 수지를 함침시키고 이를 블록형상으로 성형한 뒤에 일 면을 커넥팅 로드의 끝이 결합될 수 있도록 소켓형상으로 기계가공하여 완성된다. 이때, 탄소 또는 흑연섬유 직조물(31)에 함침된 수지는 내열특성이 우수한 소재가 사용되는데 열가소성 수지로는 PEEK(Poly Ether Ether Ketone), 열경화성 수지로는 페놀 등이 사용된다. 그러나, 이와 같은 형태의 구면베어링(30)은 높은 작용하중 하에서 수지를 매개로 결합된 탄소섬유 직조물이 박리(delamination)되어 파괴되는 문제점을 가지고 있다. 아울러, 전술한 복합재료 블록은 탄소 또는 흑연섬유를 일방향 프리프레그 플라이(prepreg ply) 또는 직조강화섬유 플라이(fabric ply)와 같은 형태로 만든 후 이를 두껍게 적층하여 제작한다. 이때, 각 플라이의 결합은 계면간을 연결하는 강화섬유 없이 수지에 의해서만 이루어진다. 따라서, 각 플라이간의 결합이 약해 층간 박리가 잘 발생되는 문제점이 있다.

위와 같이 종래 구면베어링은 모두 복합재료가 두껍게 적층된 형태로 제작되므로 작용하중에 의한 층간 박리현상이 발생된다. 작용하중에 의해 층간 박리현상이 발생되면 박리된 부분이 구면베어링으로부터 이탈되어 커넥팅 로드를 지지하는 면적이 감소하게 되고 실제로 구면베어링이 받는 응력이 증가하게 된다. 이러한 응력의 증가는 새로운 층간 박리현상을 발생시키는 악순환으로 이어지게 되어 결국 구면베어링의 파손까지 이르게 된다.

또한, 종래 구면베어링은 커넥팅 로드가 결합될 수 있는 오목한 구면을 기계 적으로 가공하기 때문에, 가공시 접촉면의 손상과 섬유의 절단을 유발하며 가공비용이 높은 단점이 있다. 따라서 접촉면에 미세한 균열(32)이 존재하고 있어, 구면베어링에 높은 작용하중이 작용하면 커넥팅 로드와의 접촉면에서 층간 박리 또는 부분적 파손이 발생된다.

아울러, 종래 구면베어링은 복합재료의 두께가 두껍기 때문에 소요되는 복합재료의 양이 많으며, 복합재료의 두께방향(섬유방향에 수직방향)의 열전도계수가 낮기 때문에 마찰 및 작용하중에 의해 발생된 열이 외부로 잘 전달되지 않는다. 때문에, 이러한 열로 인하여 복합재료의 물성 변형화 함께 구명베어링의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복합재료간의 층간 박리현상을 방지하고 구면베어링의 수명을 보다 증대시킬 수 있는 하이브리드 구면베어링 및 그 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면 복합재료를 이용한 구면베어링으로서, 구형의 저널이 끼워질 수 있도록 소켓형상으로 가공된 요부를 갖는 지지대와, 상기 요부에 부착되는 여러 겹의 복합재료로 이루어진 부싱을 포함하고, 상기 부싱은 구형저널의 하중을 상기 지지대에 잘 분산시킬 수 있도록 상기 복합재료가 상기 요부의 반경방향으로 적층된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구면베어링이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 복합재료를 이용한 구면베어링 제작방법으로서, 1) 여러 겹의 복합재료를 반 구형으로 예비 성형하는 단계, 2) 단계 1)에서 예비 성형된 복합재료를 고온상태에서 가압하여 부싱을 성형하는 단계, 및 3) 단계 2)에서 성형된 상기 부싱을 지지대에 접합시켜 구면베어링을 완성시키는 단계를 포함하는 하이브리드 구면베어링 제작방법이 제공된다. 상기한 부싱의 성형 및 접합단계는 동시에 수행될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 통해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 하이브리드 구면베어링의 한 실시예에 따른 여러 형태를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 구면베어링은 지지대(200)와 부싱(100)으로 나누어져 있다. 커넥팅 로드와 직접적으로 접촉하는 부싱(100)은 복합재료로 제작되며, 부싱(100)을 지지하는 지지대(200)는 철 또는 알루미늄과 같은 금속재료로 제작된다. 이와 같이 부싱(100)과 지지대(200)를 다른 재료 만드는 이유는 각 부재의 역할과 그에 따라 요구되는 재료의 특성이 다르기 때문이다. 즉, 부싱(100)은 커넥팅 로드와 접촉하므로 윤활특성 및 내마모성이 좋은 재료가 요구되고, 지지대(200)는 부싱(100)으로부터 하중과 열을 전달 받음으로 강도와 열전도도가 높은 재료가 요구된다.

예를 들어 종래 지지대(200)로 사용되어 온 복합재료 중 하나인 탄소섬유강화 PEEK(Poly Ether Ether Ketone) 복합재료의 두께방향 열전달계수는 2.0 W/mK 이하이다. 반면, 본 발명에서 지지대(200)로 사용하는 알루미늄의 두께방향 열전달계수는 200 W/mK 로 상대적으로 매우 높다. 따라서, 지지대(200)의 재질을 알루미늄으로 변경하면, 커넥팅 로드와 부싱(100)의 잦은 접촉마찰로 인하여 발생되는 열이 지지대(200)를 통해 외부로 효과적으로 발산되므로 마찰열로 인한 복합재료 부싱(100)의 기계적 성질저하 밍 변형을 방지할 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 (a), (b), (c)는 지지대(200)에 부착되는 복합재료 부싱(100)의 여러 형태를 나타낸 것으로서, 도 3의 (a)는 일반적인 결합형태이고 도 3의 (b)는 부싱(100)의 끝 단면이 지지대(200)에 맞닿도록 한 형태이고 도 3의 (c)는 부싱(100)의 일부분이 지지대(200)의 외측으로 표출되게 결합된 형태이다.

위 3가지 형태에서 도 3의 (b)는 부싱(100)의 열전달 성질을 이용하여 열전달의 효율을 극대화시킨 것이다. 일반적으로 탄소섬유 복합재료는 섬유길이 방향의 열전도도가 수직방향의 열전도도보다 10배 이상 큰 성질이 있다. 따라서, 도 3의 (b)와 같이 복합재료 부싱(100)의 끝 단면을 금속재질의 지지대(200)에 맞닿게 하면 보다 효율적으로 부싱(100)의 열을 지지대(200)를 통해 외부로 발산시킬 수 있다. 또한 이 형태는 정형성형공정(Net Shape Molding Process) 측면에서 도 3(a)에 비해 유리한 장점도 있다.

이와 달리 도 3의 (c)는 부싱(100)의 윤활역할에 중점을 둔 형태로서, 커넥팅 로드가 금속재질의 지지대(200)에 접촉하는 것을 방지하기 위해 부싱(100)의 일부분이 지지대(200)의 외측을 덮도록 하였다. 이 형태는 커넥팅 로드가 복합재료의 모서리와 접촉하는 것을 차단하여 복합재료의 모서리에서부터 층간 박리 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명 구면베어링의 다른 실시예를 나타낸 것이다.

도 4는 커넥팅 로드의 반복 움직임에 의해 부싱(100)과 지지대(200)의 결합력이 약화되어 부싱(100)이 이탈되는 경우를 방지하기 위한 방법이다. 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 부싱(100)의 외측에 환형의 링(210)을 결합시켜 부싱(100)이 지지대(200)에서 이탈되지 않도록 구속시켰다. 이때, 지지대(200)에 결합된 링(210)은 부싱(100)의 단면에 밀착되므로 부싱(100)에서 발생된 마찰열을 지지대(200)에 전달하여 마찰열로 인한 부싱(100)의 변형을 막아주는 역할을 한다. 한편, 경우에 따라서는 부싱(100)을 지지대(200)에 부착시키지 않고 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(250)에 직접 접합시키는 것이 좋다.

다음에서는 본 발명의 구면베어링 제작방법을 설명하겠다. 도 6은 본 발명의 구면베어링을 제작하는 단계를 순차적으로 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 구면베어링의 정형성형(Net Shape Molding) 제작단계는 4단계로 이루어진다. 그 첫 번째 단계는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 복합재료 프리프레그(prepreg)를 크기에 맞추어 재단한 후 적층하는 단계이다. 두 번째 단계는 예비 성형단계로서, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 복합재료 프리프레그로 이루어진 부싱(100)을 반 구형으로 돌출된 하부금형(310)과 이 하부금형(310)의 돌출부와 일치되는 반 구형의 요부가 형성된 상부금형(320)의 사이에 넣고 가압하여, 부싱(100)을 하부금형(310)의 돌출부와 일치되게 반 구형으로 성형하는 단계이다.

세 번째 단계는 예비 성형된 부싱(100)을 지지대(200) 요부(201)의 크기에 맞게 가장자리를 절단하는 단계이다. 부싱(100)의 절단은 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 별도로 마련된 지그(450)에 부싱(100)을 고정한 후 원형커터(400)로 가압하는 방식으로 이루어진다.

마지막으로 네 번째 단계는 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 1차로 예비 성형된 부싱(100)을 완전히 성형하는 단계이다. 본 발명의 부싱(100)은 여러 겹의 복합재료 프리프레그(prepreg)로 이루어져 있으므로, 위와 같은 예비 성형과정만으로는 층층이 쌓인 복합재료를 완전히 접착시켜 일체화 시킬 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 복합재료간의 접착이 잘 이루어질 수 있도록 성형단계를 한번 더 수행하는 것이다. 다만, 본 성형단계에서는 고온 분위기(탄소섬유/페놀 복합재료의 경우 155 ℃ 이상)를 조성하여 복합재료간의 접합이 보다 잘 이루어지도록 하였다.

위와 같은 제작공정에서 복합재료 부싱용 소재로 탄소섬유/PEEK 복합재료를 사용하는 경우에는 가하는 온도가 400℃ 이상이어야 하며, 탄소섬유와 PEEK 미세분말 또는 박판을 사용하는 경우에는 탄소섬유 사이에 PEEK을 번갈아 넣은 후 고온에서 가압해야 한다.

위와 달리 동시성형공정(Co-cure Process)에 의하지 않고 하이브리드 구면 베어링을 제작하는 경우에는 다음과 같은 순서로 진행한다. 먼저, 도 6의 (b)에 도시된 단계에서 예비성형이 아닌 최종성형 온도(탄소섬유/페놀 복합재료의 경우 155 ℃)로 복합재료 부싱을 성형한다. 다음으로 원형 커터로 복합재료 부싱의 가장자리를 절단한다. 마지막으로 지지대(200)의 요부(201)에 부싱(100)을 접합시키고 지지대(200)의 요부(201)와 일치하게 형성된 금형(300)으로 가압하면서 지지대(200)에 부싱(100)을 접착시키거나 열박음시켜 구면베어링을 제작한다. 이때, 지지대(200)와 금형(300)를 가열하여 고온분위기를 만들면 지지대(200)에 부싱(100)을 보다 잘 부착시킬 수 있다.

한편, 부싱(100)과 지지대(200)의 재료로 각각 탄소섬유와 알루미늄을 사용하는 경우에는 알루미늄과 탄소섬유의 전위차로 인하여 알루미늄에 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion)이 발생할 수 있는데, 부싱(100)과 지지대(200) 사이에 유리섬유/에폭시 복합재료를 충진시키면 이를 방지할 수 있다.

본 발명의 구면베어링 제작공정의 또 다른 예는 수지이송성형(RTM: Resin Transfer Molding)을 응용한 것으로서, 도 7에 나타낸 바와 같이 여러 개의 주입구(330)가 형성된 상부금형(320)에 의해 이루어진다. 작업순서는 다음과 같다.

먼저, 지지대(200)의 요부(201)에 탄소섬유 직조물로 이루어진 부싱(100)을 비치하고 요부(201)에 대응되는 상부금형(320)으로 가압함과 동시에 고온분위기를 조성한다. 다음으로, 상부금형(320)의 주입구(330)로 수지를 주입한 후 일정 시간동안 그대로 유지한 채 수지를 경화시킨다. 그러면 수지가 부싱(100) 내부 및 요부(201)의 요철(220)에 스며든 채 경화되어 부싱(100) 자체의 결합력 및 부싱(100)과 지지대(200)의 결합력이 향상된다. 이때, 요부(201)에 형성된 요철(220)은 부싱(100)과 지지대(200) 사이에 수지가 함침될 수 있는 공간을 형성시켜 부싱(100)과 지지대(200)의 결합력을 증대시키는 역할을 한다.

한편, 부싱(100)의 재료로 탄소섬유/페놀 복합재료를 사용할 경우에는 복합재료 내부에 경화공정에서 발생된 수증기로 인한 미세한 기공이 존재하므로 이러한 기공에 윤활유를 주입하여 부싱(100)의 윤활특성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 부싱(100) 표면에 테플론 (Teflon)필름이나 분말 또는 이황화 몰리브덴(MoS₂) 등으로 코팅하거나 함침시키면 접촉마찰을 줄일 수 있다.

본 발명은 위에서 설명한 바와 같이 커넥팅 로드와 접촉하는 부재로 복합재료를 사용하고 구면베어링의 형태를 이루는 부재로 열전달이 잘 되는 금속재료를 사용하여 작용하중 및 마찰로 인하여 발생된 열을 외부로 쉽게 방출할 수 있도록 하여 구면베어링의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 복합재료의 접촉면을 기계가공하지 않기 때문에 복합재료의 층간 박리현상이 발생을 억제하며 수명을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 하이브리드 구면베어링 및 그 제작방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

1. 구형의 저널이 끼워질 수 있도록 소켓형상의 요부를 갖는 금속재질의 지지대와, 상기 요부에 부착되고 상기 요부의 반경방향으로 적층되는 여러 겹의 복합재료로 이루어지는 부싱을 포함하고,

   상기 지지대의 요부에는 상기 부싱과의 기계적 결합력을 증대시키기 위한 다수의 미세 요철이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구면베어링.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 지지대는 상기 복합재료에서 발생된 열을 외부로 잘 전달할 수 있도록 열전도성이 우수한 금속재질인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구면베어링.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지지대에는 상기 복합재료의 이탈을 방지함과 아울러 상기 복합재료의 단면을 통해 전달되는 열을 보다 효과적으로 발산시킬 수 있도록 열전도가 우수한 재질의 링이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구면베어링.
4. 삭제
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부싱의 표면에는 테플론, 이황화 몰리브덴(MoS₂) 등의 저 마찰재가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구면베어링.
6. 복합재료를 이용한 구면베어링 제작방법으로서,

   1) 여러 겹의 복합재료를 반 구형으로 예비 성형하는 단계,

   2) 단계 1)에서 예비 성형된 복합재료를 고온상태에서 가압하여 부싱을 성형하는 단계, 및

   3) 단계 2)에서 성형된 상기 부싱을 구면저널과 결합되는 지지대 또는 피스톤의 결합면에 접합시켜 구면베어링을 완성시키는 단계를 포함하는 하이브리드 구면베어링 제작방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 단계 3)에는 상기 복합재료 간의 결합력을 증진시킬 수 있도록 가압공정과 함께 상기 복합재료에 수지를 주입하는 공정이 병행되어 실시되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구면베어링 제작방법.

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