KR100619473B1

KR100619473B1 - 베어링조립체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100619473B1
Application number: KR1020040069955A
Authority: KR
Inventors: 이대길; 박동창; 이승민; 김병철; 김학성; 김성수; 김종운
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-09-12
Also published as: KR20060021117A

Abstract

본 발명은 기계적 강성을 보장하면서도 마찰계수와 응력집중을 감소시킬 수 있는 베어링조립체 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명은 구형저널과 이 구형저널이 구면대우하는 베어링면을 갖는 섬유강화복합재료의 구면베어링으로 구성된다. 섬유강화복합재료는 일방향, 직물 및 단섬유 프리프레그를 다양한 형태로 배열하여 구성할 수 있으며, 베어링면에는 열가소성수지 입자나 자체윤활 입자를 균일하게 제공한다. 또한, 구면베어링은 섬유강화복합재료의 부싱과, 이 부싱이 홈에 고정되어 있는 하우징으로 구성되어 있다. 본 발명에 의하면, 구형저널과 구면대우하는 베어링면이 자체윤활특성을 갖는 섬유강화복합재료로 구성되어 기계적 강성을 보장하면서도 마찰계수가 감소되므로, 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 윤활성능의 향상과 마모에 의하여 발생되는 경입자를 포집하여 수명을 보장할 수 있다. 또한, 구면베어링의 외면에 방향성을 부여할 수 있는 복수의 공기채널을 형성하는 것에 의하여 베어링면에서의 응력집중현상을 완화시킬 수 있으면서도 다른 부품에 대하여 간편하게 조립 및 분리할 수 있는 효과가 있다.

Description

베어링조립체 및 그 제조방법{BEARING ASSEMBLY AND METHOD MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 일반적인 구형저널과 구면베어링을 조합하여 구성한 베어링조립체의 일례를 나타낸 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 베어링조립체의 제1 실시예를 나타낸 단면도,

도 3은 제1 실시예의 베어링조립체에서 구면베어링의 구성을 나타낸 평면도,

도 4는 제1 실시예의 구면베어링을 제조하기 위한 섬유강화복합재료의 구성을 설명하기 위하여 나타낸 사시도,

도 5는 제1 실시예의 섬유강화복합재료에서 최상층 일방향 프리프레그와 열경화성수지 입자를 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도,

도 6은 제1 실시예의 섬유강화복합재료에서 최상층 일방향 프리프레그와 자체윤활 입자를 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도,

도 7a 및 도 7b는 제1 실시예의 구면베어링의 제조방법을 설명하기 위하여 나타낸 도면들,

도 8은 본 발명에 따른 베어링조립체의 제2 실시예를 나타낸 단면도,

도 9는 제2 실시예의 베어링조립체에서 구면베어링의 구성을 나타낸 평면도,

도 10은 제2 실시예의 구면베어링을 제조하기 위한 섬유강화복합재료의 구성 을 설명하기 위하여 나타낸 사시도,

도 11은 본 발명에 따른 베어링조립체의 제3 실시예를 나타낸 단면도,

도 12는 제3 실시예의 베어링조립체에서 구면베어링의 구성을 나타낸 평면도,

도 13은 제3 실시예의 구면베어링을 제조하기 위한 섬유강화복합재료의 구성을 설명하기 위하여 나타낸 사시도,

도 14는 본 발명에 따른 베어링조립체의 제4 실시예를 나타낸 단면도,

도 15는 제4 실시예의 베어링조립체에서 구면베어링의 구성을 나타낸 평면도,

도 16a 내지 도 16d는 제4 실시예의 구면베어링의 제조방법을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

40: 구형저널 50, 150, 250, 350: 구면베어링

52, 152, 252, 332: 베어링면 54, 154, 254, 344: 공기채널

60: 피스톤 64: 돌기

70, 170, 270, 370: 섬유강화복합재료 80: 열가소성 입자

84: 자체윤활 입자 90, 390: 몰드세트

92, 392: 볼록몰드 94, 394: 오목몰드

172, 272, 372: 일방향 프리프레그 174, 274: 직물 프리프레그

176: 단섬유 프리프레그 330: 부싱

340: 하우징 374: 부싱프리폼

380: 볼록다이 384: 커터

본 발명은 베어링조립체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유강화복합재료의 사용으로 기계적 강성을 보장하면서도 마찰계수와 응력집중을 감소시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있는 베어링조립체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주지하고 있는 바와 같이, 구면베어링(Hemispherical bearing)은 구형저널 (Spherical journal)을 지지하는 기계요소로 매우 다양한 기계와 장치에 사용되고 있으며, 구형저널과 구면베어링은 두 구성요소를 자유롭게 움직일 수 있게 연결하는 볼조인트(Ball joint)로 사용되기도 한다.

일반적인 구형저널과 구면베어링을 조합한 베어링조립체의 구성을 도 1에 의거하여 살펴보면, 구면베어링(10)은 대략 반원형의 베어링면(Bearing surface: 12)을 가지며, 베어링면(12)에는 구형저널(20)이 구면대우(Spherical pair)하도록 수용되어 있다. 저널(20)의 한쪽 외면에는 하중을 전달하는 제1 구성요소로 커넥팅로드 (Connecting rod: 22)가 연결되어 있고, 구면베어링(10)은 제2 구성요소로 피스톤(30)의 홈(32)에 장착되어 있다. 커넥팅로드(22)는 작용하는 하중의 방향으로 움직이면서 구면베어링(10)과 저널(20)의 구면대우에 의하여 일정한 각도 범위로 회전운동하므로, 커넥팅로드(22)에 작용하는 하중은 피스톤(30)에 전달되게 된다. 한 편으로, 볼조인트의 경우에 있어서 구면베어링(10)은 하우징소켓(Housing socket)이라 부르며, 구형저널(20)은 볼스터드(Ball stud)라 부르고 있다.

이와 같은 구면베어링(10)은 고기동성 무한궤도차량의 현수장치(Suspension)에 사용되고 있으며, 무한궤도차량의 종류와 구면베어링(10)의 설치위치에 따라 베어링면(12)에는 200MPa 이상의 평균면압이 작용하게 된다. 그러므로 구면베어링(10)은 높은 압축강도를 견딜 수 있는 소재로 제조해야 한다. 또한, 구면베어링(10)의 설치특성상 윤활유의 지속적인 공급이 어려운 경우가 많으므로, 구면베어링(10)의 소재는 높은 압축강도 이외에도 무급유 윤활특성 및 내마모특성을 보유하는 것이 요구되고 있다.

따라서, 종래기술에 있어서는 구면베어링(10)의 소재로 탄소섬유(Carbon fiber), 흑연섬유(Graphite fiber) 등 보강섬유들이 열가소성수지에 함침되어 있는 스트랜드 프리프래그(Strand prepreg)를 사용하고 있으며, 스트랜드 프리프래그에는 보강섬유들이 여러 방향으로 배열되거나 방향성이 없도록 임의의 방향으로 배열된다. 이러한 스트랜드 프리프래그는 절삭가공과 열간압축성형에 의하여 구면베어링(10)으로 제조하고 있다. 또한, 구면베어링(10)은 탄소섬유직물로 강화되어 있는 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone; PEEK) 등의 열가소성 복합재료를 소재로 제조하고도 있다.

한편, 구면베어링(10)과 피스톤(30) 등과 같은 부품의 조립 및 분해시 구면베어링(10)과 피스톤(30) 사이에는 밀폐된 공간이 형성되어 구면베어링(10)의 조립 및 분해를 어렵게 한다. 따라서, 구면베어링(10)과 피스톤(30)의 조립 및 분해를 용이하게 실시할 수 있도록 베어링면(12)의 중앙을 관통하는 공기빼기구멍(14)을 형성하고 있다.

종래기술의 구면베어링(10)에 있어서 섬유강화열가소성수지 복합재료를 다수로 적층한 후 열간압축성형에 의하여 후판으로 성형하고, 후판을 절삭가공하여 베어링면(12)을 형성하고 있다. 그러나 이 경우에는 공구의 마모가 심하여 절삭가공이 곤란하며, 스트랜드 프리프리프레그에 손상이 발생하여 가공속도를 높일 수 없기 때문에 제조비가 상승될 뿐만 아니라, 구면베어링(10)에 존재하는 균열에 의하여 허용하중이 낮은 문제가 있다.

한편, 보강섬유는 그 종류에 따라 길이방향 또는 수직방향의 마찰계수가 다른 이방성을 보유하고 있으며, 예를 들어 탄소섬유는 길이방향으로 마찰계수가 작은 이방성이 심한 소재이다. 그러나 스트랜드 프리프레그를 열간압축성형하여 제조한 구면베어링(10)의 베어링면(12)에는 보강섬유들의 방향이 일정하게 배열되어 있지 않기 때문에 구형저널(20)의 운동방향과 보강섬유들의 방향을 일치시킬 수 없어 보강섬유의 마모특성이 갖는 이방성을 충분히 활용할 수 없는 단점이 있다.

또한, 공기빼기구멍(14)은 응력집중이 가장 심한 베어링면(12)의 중앙에 형성되어 공기빼기구멍(14)의 주위로부터 균열이 쉽게 발생되는 문제를 내포하고 있다. 이러한 균열의 성장은 구면베어링(10)의 파손을 야기하여 수명을 크게 단축시키고, 신뢰성을 저하시키는 원인이 되고 있다. 구면베어링(10)과 구형저널(20)의 마모에 의하여 발생하는 경입자(Hard particle) 또는 부스러기(Debris)는 마모를 가중시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 섬유강화복합재료의 사용으로 기계적 강성을 보장하면서도 베어링면의 마찰계수가 감소되어 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 베어링조립체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 윤활성능의 향상과 마모에 의하여 발생되는 경입자를 포집하여 수명을 보장할 수 있는 베어링조립체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 구면베어링의 외면에 방향성을 부여할 수 있는 복수의 공기채널을 형성하는 것에 의하여 베어링면에서의 응력집중현상을 완화시킬 수 있으면서도 다른 부품에 대하여 간편하게 조립 및 분리할 수 있는 베어링조립체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 섬유강화복합재료의 부싱과 열전도도가 우수한 소재의 하우징을 정형가공에 의하여 구면베어링으로 간편하고 정확하게 제조할 수 있으며, 하우징에 의한 마찰열의 방열에 의하여 구형저널과 베어링면 사이의 고착과 열화를 방지하여 수명을 보장할 수 있는 베어링조립체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 구형저널과; 구형저널과 구면대우하는 베어링면을 가지며, 외면에 방향성을 부여할 수 있는 복수의 공기채널이 형성되어 있는 구면베어링으로 구성되어 있고, 구면베어링은 섬유강화복합재료로 이루어지며, 섬유강화복합재료는 서로 간격을 두고 다층으로 배열되어 있는 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 고정하고 있는 매트릭스로 구성되어 있는 베어링조립체에 있다.

본 발명의 다른 특징은, 구형저널과; 구형저널과 구면대우하는 베어링면을 갖는 부싱과; 부싱이 고정되는 홈이 형성되어 있으며, 외면에 공기채널이 형성되어 있는 하우징으로 구성되어 있고, 부싱은 섬유강화복합재료로 이루어지며, 섬유강화복합재료는 서로 간격을 두고 다층으로 배열되어 있는 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 고정하고 있는 매트릭스로 구성되어 있는 베어링조립체에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은, 구형저널이 구면대우하는 구면베어링의 베어링면을 형성할 수 있도록 최상층에 다수의 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 일방향 프리프레그를 배열하는 단계와; 일방향 프리프레그들의 하부에 다수의 직물 프리프레그들과 단섬유 프리프레그들을 샌드위치형으로 적층하여 배열하는 단계와; 구면베어링의 외면을 형성할 수 있도록 최하층에 최하층 직물 프리프레그를 배열하는 단계와; 일방향 프리프레그, 단섬유프리프레그들, 직물프리프레그들과 최하층 직물프리프레그를 구면베어링으로 열간압축성형하는 단계와; 열간압축성형되어 있는 구면베어링을 냉각 및 고화시키는 단계와; 구면베어링의 베어링면에 구형저널을 구면대우시키는 단계로 이루어지는 베어링조립체의 제조방법에 있다.

이하, 본 발명에 따른 베어링조립체에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 2와 도 3에는 본 발명에 따른 베어링조립체의 제1 실시예가 도시되어 있다. 도 2와 도 3을 참조하면, 제1 실시예의 베어링조립체는 구형저널(40)과 구면베어링(50)으로 구성되어 있다. 구면베어링(50)은 구형저널(40)을 구면대우하도록 수용하는 대략 반원형의 베어링면(52)을 가지며 외면 양측에는 서로 대응하여 방향성을 부여할 수 있도록 복수의 공기채널(54)이 형성되어 있다. 구형저널(40)의 외면에 부품의 일례로 하중이 작용하는 커넥팅로드(42)가 연결되어 있다. 구면베어링(50)은 부품의 일례로 피스톤(60)의 홈(62)에 몰입형으로 장착되어 있고, 피스톤(60)의 홈(62)에는 공기채널(54)에 서로 대응하는 관계로 맞춤되는 돌기(64)가 형성되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 돌기(64)와 도 3에 도시되어 있는 공기채널(54)은 반원형으로 형성되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 공기채널(54)과 돌기(64)의 형상은 사각형, 삼각형, 더브테일 등 다양한 형상으로 형성할 수도 있다. 또한, 돌기(64)의 위치는 피스톤(60)의 상부에 형성할 수 있으며, 돌기(64)는 필요에 따라 삭제할 수도 있다.

한편, 구면베어링(50)의 공기채널(54)에 피스톤(60)의 돌기(64)를 맞춤하여 조립하는 것에 의하여 피스톤(60)의 운동방향이 도 3에 화살표 "A"로 도시되어 있는 바와 같이 구형저널(40)의 운동방향과 일치하도록 방향성을 부여할 수 있다. 그리고 구면베어링(50)의 공기채널(54)에 의해서는 구면베어링(50)과 피스톤(60)의 조립시 구면베어링(50)과 피스톤(60)간 공간의 밀폐가 방지되므로, 구면베어링(50)과 피스톤(60)의 조립 및 분해를 간편하게 실시할 수 있게 된다.

도 4를 참조하면, 구면베어링(50)은 섬유강화복합재료(Fiber reinforced composite: 70)를 소재로 제조되어 있으며, 섬유강화복합재료(70)는 다수의 일방향 프리프레그(Uni-directional prepreg: 72)들을 적층하여 구성한다. 일방향 프리프 레그(72)들 각각은 길이가 긴 다수의 보강섬유(72a)들이 서로 간격을 두고 일방향으로 평행하게 배열되어 있으며, 보강섬유(72a)들은 매트릭스(Matrix: 72b)의 고정에 의하여 층(Laminate) 또는 시트(Sheet)로 형성된다. 보강섬유(72a)들은 탄소섬유 또는 흑연섬유를 사용할 수 있으며, 매트릭스(72b)는 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지(Epoxy resin)와 같은 폴리머수지(Polymer resin)를 사용할 수 있다. 도 4에는 일방향 프리프레그(72)들이 직교 적층되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 일방향 프리프레그(72)들은 필요에 따라 횡방향 및 준등방성으로 적층할 수도 있다.

도 3과 도 4를 참조하면, 최상층 일방향 프리프레그(72c)의 보강섬유(72a)들은 구면베어링(50)의 베어링면(52)에 구형저널(40)의 운동방향과 정렬되도록 배열되어 있다. 구형저널(40)의 운동방향과 베어링면(52)의 보강섬유(72a)들이 동일한 방향으로 정렬되어 있는 것에 의해서는 자체윤활특성을 갖는 탄소섬유 또는 흑연섬유의 보강섬유(72a)들에 의하여 마찰계수를 감소시킬 수 있다. 즉, 보강섬유(72a)들의 마모특성이 갖는 이방성을 최대한 활용할 수 있는 것이다. 보강섬유(72a)들의 방향과 구형저널(40)의 운동방향은 보강섬유(72a)들의 마모특성이 갖는 이방성에 따라 직각으로 배치할 수 있다. 이 경우, 구면베어링(50)의 공기채널(54)은 보강섬유 (72a)들의 방향과 직각으로 배치되도록 형성할 수 있으며, 이에 따라 공기채널(54)에 의하여 표시되는 보강섬유(72a)들의 방향에 맞추어 구형저널(40)을 베어링면 (52)에 간편하고 정확하게 구면대우시킬 수 있다.

도 3 내지 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 구면베어링(50)의 베어링면(52) 에는 100㎛ 이하의 크기를 갖는 열가소성수지 입자(80)가 베어링면(52)을 구성하는 최상층 일방향 프리프레그(72c)의 부피 분율 20% 이하로 균일하게 분포되도록 제공되어 있으며, 열가소성수지 입자(80)는 매트릭스(72b)에 의하여 보강섬유(72a)들과 함께 견고하게 결합되어 있다. 열가소성수지 입자(80)의 크기가 100㎛을 초과하게 되면 매트릭스(72b)에 의한 결합력이 저하된다. 한편으로, 열가소성 입자(80)는 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluorethylene; PTFE), 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리스틸렌(Polystyrene; PS), 폴리프로필렌 (Ppolypropylene; PP), 나일론(Nylon) 등을 사용할 수 있다. 열가소성수지 입자 (80)는 베어링면(52)에 고하중이 작용할 경우, 구형저널(40)과 베어링면(52) 사이의 마찰계수를 감소시킨다. 구형저널(40)은 베어링면(52)과의 마찰에 의하여 마모되면서 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 경입자(82) 또는 부스러기를 발생시키게 된다. 이러한 경입자(82)는 열가소성수지 입자(80) 속에 포집되므로, 경입자(82)에 의한 베어링면(52)의 손상을 방지할 수 있다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 구면베어링(50)의 베어링면(52)에는 열가소성수지 입자(80) 대신에 저마찰계수를 갖는 자체윤활 입자(84)를 최상층 일방향 프리프레그(72c)의 부피 분율 10% 이하로 균일하게 제공할 수 있으며, 자체윤활 입자(84)는 매트릭스(72b)에 의하여 결합되어 있다. 자체윤활 입자(84)는 나노미터 또는 마이크로미터 크기의 미세한 탄소입자, 탄소나노튜브, 흑연입자, 산화몰리브덴(MoS₂) 등을 사용할 수 있다. 자체윤활 입자(84)는 구형저널(40)의 운동속도가 수 Hz 이하로 매우 느리고 고하중이 작용하는 경우에 마찰계수를 감소시켜 마모를 방지한다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 실시예의 베어링조립체에 있어서 다수의 일방향 프리프레그(72)들이 적층되어 있는 섬유강화복합재료(70)는 열간압축성형하여 구면베어링(50)으로 제조한다. 섬유강화복합재료(70)의 열간압축성형에 사용되는 몰드세트(90)는 볼록몰드(Convex mold: 92)와 오목몰드(Concave mold: 94)로 구성되어 있다. 오목몰드(94)의 내면에는 구면베어링(50)의 공기채널(54)을 형성하기 위한 코어(96)가 구성되어 있다.

도 5, 도 6과 도 7a를 참조하면, 섬유강화복합재료(70)의 열간압축성형을 위하여 몰드세트(90)의 볼록몰드(92)와 오목몰드(94)를 열고, 볼록몰드(92)와 오목몰드(94) 사이에 섬유강화복합재료(70)를 공급한 후, 섬유강화복합재료(70)의 최상층 일방향 프리프레그(72c)의 표면에 열가소성수지 입자(80) 또는 자체윤활 입자(84)를 균일하게 분산시킨다. 다음으로, 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이, 볼록몰드(92)와 오목몰드(94)의 온도를 매트릭스(72b)의 녹는점(Melting point)으로 상승시키고, 볼록몰드(92)와 오목몰드(94)를 닫아 섬유강화복합재료(70)를 가압하면, 섬유강화복합재료(70)는 구면베어링(50)으로 성형된다. 이때, 섬유강화복합재료(70)의 매트릭스 (72b)가 볼록몰드(92)와 오목몰드(94)의 열을 받아 녹게 되며, 녹는 매트릭스(72b)에는 보강섬유(72a)들, 열가소성 입자(80), 자체윤활 입자(84)가 견고하게 고정된다. 보강섬유(72a)들은 매트릭스(72b)의 가교결합에 의하여 서로 간격을 두고 다층으로 배열된다. 그리고 오목몰드(94)의 코어(96)에 의하여 구면베어 링(50)의 외면에는 공기채널(54)이 형성된다. 마지막으로, 볼록몰드(92)와 오목몰드(94)를 열어 성형되어 있는 구면베어링(50)을 분리 및 고화시킨다. 이와 같이 섬유강화복합재료 (70)는 열간압축성형에 의하여 추가적인 가공이 필요 없는 정형가공(Near-net shape manufacturing)으로 구면베어링(50)을 간편하고 정확하게 제조할 수 있다.

도 8과 도 9에는 본 발명에 따른 베어링조립체의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 8과 도 9를 참조하면, 제2 실시예의 베어링조립체는 제1 실시예의 베어링조립체와 마찬가지로 커넥팅로드(42)가 연결되어 있는 구형저널(40)과 섬유강화복합재료(170)로 제조되어 있는 구면베어링(150)으로 구성되어 있다. 구면베어링(150)은 제1 실시예의 구면베어링(50)의 베어링면(52), 공기채널(54)과 동일한 구성의 베어링면(152)과 공기채널(154)을 갖는다. 그리고 구면베어링(150)의 베어링면(152)에는 열가소성수지 입자(80) 또는 자체윤활 입자(84)가 제공되어 있다.

도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 섬유강화복합재료(170)는 일방향 프리프레그(172)와 다수의 직물 프리프레그(Woven fabric prepreg: 174)들을 사용한다. 일방향 프리프레그(172)는 제1 실시예의 일방향 프리프레그(72)들의 보강섬유(72a)들, 매트릭스(72b)와 동일한 보강섬유(172a)들과 매트릭스(172b)에 의하여 구성되어 있다. 일방향 프리프레그(172)는 구면베어링(150)의 베어링면(152)을 형성하도록 최상층에 배열된다. 최상층 일방향 프리프레그(172)의 상면에는 열간압축성형하기 전에 열가소성수지 입자(80) 또는 자체윤활 입자(84)를 균일하게 제공하며, 이 열가소성수지 입자(80) 또는 자체윤활 입자(84)는 열간압축성형에 의하여 매트릭스 (172b)의 내부에 고정된다. 도 10에는 복수의 일방향 프리프레그(172)가 적층되어 있는 것이 도시되어 있으나, 일방향 프리프레그(172)는 필요에 따라 단층으로 적층할 수도 있다.

직물 프리프레그(174)들은 보강섬유(174a)들을 합친 섬유다발(Yarn)을 직물과 같은 형태로 직조하고, 이것에 일방향 프리프레그(172)와 마찬가지로 매트릭스(174b)를 첨가하여 성형한다. 직물 프리프레그(174)들은 보강섬유(174)들이 서로 꼬여 있으므로, 층간 박리와 같은 구조적 파손에 강한 특성을 보유한다. 직물 프리프레그(174)들은 일방향 프리프레그(172)의 하부에 적층하며, 적층되어 있는 일방향 프리프레그(172)와 직물 프리프레그(174)들은 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있는 몰드(90)의 볼록몰드(92)와 오목몰드(94)를 사용하는 열간압축성형에 의하여 구면베어링(150)으로 제조한다. 일방향 프리프레그(172)는 구면베어링(150)의 베어링면(152)으로 되고, 직물 프리프레그(174)는 구면베어링(150)의 나머지 부분으로 된다. 그리고 오목볼드(94)의 코어(96)에 의하여 구면베어링(150)의 외면에는 공기채널(154)이 형성된다.

도 11과 도 12에는 본 발명에 따른 베어링조립체의 제3 실시예가 도시되어 있다. 도 11과 도 12를 참조하면, 제3 실시예의 베어링조립체는 제1 및 제2 실시예의 베어링조립체와 마찬가지로 커넥팅로드(42)가 연결되어 있는 구형저널(40)과 섬유강화복합재료(270)로 제조되어 있는 구면베어링(250)으로 구성되어 있다. 구면베어링 (250)은 제1 및 제2 실시예의 구면베어링(50, 150)의 베어링면(52, 152), 공기채널 (54, 154)과 동일한 구성의 베어링면(252)과 공기채널(254)을 갖는다. 그리 고 구면베어링(250)의 베어링면(252)에는 열가소성수지 입자(80) 또는 자체윤활 입자(84)가 제공되어 있다.

도 11과 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 섬유강화복합재료(270)는 일방향 프리프레그(272), 다수의 직물 프리프레그(274)들과 단섬유 프리프레그(276)들을 사용한다. 일방향 프리프레그(272)들과 직물 프리프레그(274)들 각각은 제2 실시예의 일방향 프리프레그(172), 직물 프리프레그(174)와 마찬가지로 보강섬유(272a, 274a)들과 매트릭스(272b, 274b)에 의하여 구성한다. 일반적으로 단섬유 프리프레그(276)들은 일방향 프리프레그(272)와 직물 프리프레그(274)들보다 간단한 공정에 의하여 제조할 수 있으며, 제조비를 절감할 수 있는 장점을 보유한다.

한편, 섬유강화복합재료(270)는 일방향 프리프레그(272)를 최상층에 배열하고, 최하층에는 직물 프리프레그(274)와 동일한 구성을 갖는 최하층 직물 프리프레그(274c)를 배열한다. 그리고 일방향 프리프레그(272)와 최하층 직물 프리프레그 (274c)들 사이에는 다수의 직물 프리프레그(274)들과 단섬유 프리프레그(276)들을 샌드위치(Sandwich)형으로 적층하여 배열한다. 그리고 적층되어 있는 일방향 프리프레그(272), 직물프리프레그(274)들, 단섬유 프리프레그(276)들과 최하층 직물 프리프레그(274c)들은 앞에서 설명한 것과 마찬가지로 열간압축성형하여 구면베어링 (250)으로 제조한다. 일방향 프리프레그(272)는 구면베어링(250)의 베어링면(252)으로 되고, 최하층 직물 프리프레그(274c)는 구면베어링(250)의 외면으로 된다. 구면베어링(250)의 외면을 구성하는 최하층 직물 프리프레그(274c)에는 복수의 공기채널 (254)이 형성된다. 그리고 단섬유 프리프레그(276)들은 구면베어링(250)의 내 측에 채워지는 충전물로 된다.

이와 같은 일방향 프리프레그(272)와 최하층 직물 프리프레그(274c)는 우수한 내마모특성에 의하여 구면베어링(250)의 신뢰성을 보장할 수 있다. 구면베어링 (250)의 내측에 충전되어 있는 단섬유 프리프레그(276)들은 일방향 프리프레그 (272)와 직물 프리프레그(274)에 비하여 압축강도가 낮지만, 구면베어링(250)의 내측에는 비교적 낮은 압축강도가 작용되므로, 구면베어링(250)의 신뢰성을 저하시키지 않으면서도 제조비를 절감할 수 있는 장점을 보유한다. 한편, 구면베어링(250)의 외면을 구성하는 최하층 직물 프리프레그(274c)는 필요에 따라 일방향 프리프레그로 대신할 수 있다.

도 14와 도 15에는 본 발명에 따른 베어링조립체의 제4 실시예가 도시되어 있으며, 제4 실시예의 베어링조립체는 커넥팅로드(42)가 연결되어 있는 구형저널(40)과 구면베어링(350)으로 구성되어 있다. 구면베어링(350)은 섬유강화복합재료(370)로 제조되어 있고 구형저널(40)을 구면대우하도록 수용하는 베어링면(332)을 갖는 부싱(330)과, 부싱(330)이 고정적으로 장착되는 홈(342)이 형성되어 있는 하우징(340)으로 구성되어 있다. 부싱(330)의 외형은 대략 반구형으로 형성되어 하우징(340)의 홈(342)에 완전히 몰입되어 있다. 하우징(340)의 외면 양측에는 서로 대향되도록 공기채널(344)이 형성되어 있다. 하우징(340)은 구형저널(40)과 베어링면(342)의 마찰에 의하여 발생되는 마찰열을 방출할 수 있도록 열전도도가 우수한 금속, 예를 들어 알루미늄을 소재로 다이캐스팅 또는 단조에 의하여 제조할 수 있다. 하우징(340)에 의한 마찰열의 방출에 의하여 구형저널(40)과 베어링면(342) 사이의 고착과 열화를 방지하여 수명을 보장할 수 있다. 그리고 구면베어링(350)의 부싱(330)에 의해서는 제1 내지 제3 실시예의 구면베어링(50, 150, 250)과 마찬가지로 구형저널(40)과 베어링면(332) 사이의 마찰계수를 감소시킬 수 있다.

지금부터는, 도 16a 내지 도 16d를 참조하여 제4 실시예의 구면베어링을 구성하는 부싱의 제조방법을 설명한다. 도 15와 도 16a에 도시되어 있는 바와 같이, 우선 섬유강화복합재료(370)는 다수의 보강섬유(372a)들과 이 보강섬유(372a)들을 결합하는 매트릭스(372b)로 구성되어 있는 일방향 프리프레그(372)들을 사용한다. 다수의 일방향 프리프레그(372)들이 적층되어 있는 섬유강화복합재료(370)는 몰드세트(90)의 몰드세트(390)의 볼록몰드(392)와 오목몰드(394) 사이에 공급하고, 섬유강화복합재료(370)의 최상층 일방향 프리프레그(372)의 표면에는 열가소성수지 입자(80) 또는 자체윤활 입자(84)를 균일하게 분산시킨다.

다음으로, 도 16b에 도시되어 있는 바와 같이, 볼록몰드(392)와 오목몰드(394)의 온도를 매트릭스(372b)의 녹는점으로 상승시키고, 볼록몰드(392)와 오목몰드(394)를 닫아 섬유강화복합재료(370)를 가압하면, 섬유강화복합재료(370)는 반구형의 부싱프리폼(Busing preform: 374)으로 성형된다. 이때, 섬유강화복합재료 (370)의 매트릭스(372b)가 녹게 되며, 녹은 매트릭스(372b)의 내부에는 보강섬유 (372a)들, 열가소성 입자(80), 저마찰재료의 입자(84)가 견고하게 고정된다.

도 16c에 도시되어 있는 바와 같이, 부싱프리폼(374)은 볼록다이(380)에 올려놓은 후, 부싱프리폼(374)의 가장자리는 클램프(382)에 의하여 볼록다이(380)에 고정한다. 부싱프리폼(374)의 가장자리는 커터(384)에 의하여 절단한다. 마지막으 로, 도 16d에 도시되어 있는 바와 같이, 하우징(340)의 홈(342)에 부싱프리폼(374)을 장착한 후, 볼록몰드(392)에 의하여 하우징(340)의 홈(342)에 장착되어 있는 부싱프리홈(374)을 가압하여 완전한 형태의 부싱(330)으로 성형한다. 이와 같이 금속의 하우징(340)과 부싱프리폼(374)을 열간압축성형하여 부싱(340)이 하우징(340)에 일체형으로 고정되는 정형가공에 의하여 구면베어링(350)을 간편하고 정확하게 제조할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 베어링조립체에 의하면, 구형저널과 구면대우하는 베어링면이 자체윤활특성을 갖는 섬유강화복합재료로 구성되어 기계적 강성이 보장되면서도 마찰계수가 감소되므로, 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있으며, 윤활성능의 향상과 마모에 의하여 발생되는 경입자를 포집하여 수명을 보장할 수 있다. 구면베어링의 외면에 방향성을 부여할 수 있는 공기채널을 형성하는 것에 의하여 베어링면에서의 응력집중현상을 완화시킬 수 있으면서도 다른 부품에 대하여 간편하게 조립 및 분리할 수 있는 효과가 있다. 또한, 섬유강화복합재료의 부싱과 열전도도가 우수한 소재의 하우징을 정형가공에 의하여 구면베어링으로 간 편하고 정확하게 제조할 수 있으며, 하우징에 의한 마찰열의 방열에 의하여 구형저널과 베어링면 사이의 고착과 열화를 방지하여 수명을 보장할 수 있는 효과가 있다.

Claims

구형저널과;

상기 구형저널과 구면대우하는 베어링면을 가지며, 외면에 방향성을 부여할 수 있는 복수의 공기채널이 형성되어 있는 구면베어링으로 구성되어 있고,

상기 구면베어링은 섬유강화복합재료로 이루어지며, 상기 섬유강화복합재료는 서로 간격을 두고 다층으로 배열되어 있는 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 고정하고 있는 매트릭스로 구성되어 있는 베어링조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 구면베어링의 베어링면에 노출되는 상기 보강섬유들은 상기 구형저널의 운동방향과 정렬되도록 일방향으로 배열되어 있는 베어링조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 구면베어링의 베어링면에 노출되는 상기 보강섬유들은 상기 구형저널의 운동방향에 대하여 수직하도록 일방향으로 배열되어 있는 베어링조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강섬유들은 탄소섬유 또는 흑연섬유로 이루어지는 베어링조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구면베어링의 베어링 면에는 열가소성수지 입자가 상기 매트릭스에 의하여 고정되도록 제공되어 있는 베어링조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구면베어링의 베어링면에는 자체윤활 입자가 상기 매트릭스에 의하여 고정되도록 제공되어 있는 베어링조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유강화복합재료는 상기 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 다수의 일방향 프리프레그로 이루어지는 베어링조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유강화복합재료는,

상기 구면베어링의 베어링면을 구성하도록 최상층에 배열되며, 상기 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 일방향 프리프레그와;

상기 구면베어링의 나머지 부분을 구성하도록 상기 일방향 프리프레그의 하부에 배열되는 다수의 직물 프리프레그들로 이루어지고,

상기 일방향 프리프레그와 직물 프리프레그들은 열간압축성형에 의하여 일체로 구성되는 베어링조립체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유강화복합재료는,

상기 구면베어링의 베어링면을 구성하도록 최상층에 배열되며, 상기 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 일방향 프리프레그와;

상기 구면베어링의 외면을 구성하도록 최하층에 배열되는 직물 프리프레그와;

상기 구면베어링의 내측에 충전되도록 상기 일방향 프리프레그와 직물 프리프레그 사이에 배열되는 다수의 단섬유 프리프레그들로 이루어지고,

상기 일방향 프리프레그, 직물 프리프레그와 단섬유 프리프레그들은 열간압축성형에 의하여 일체로 구성되는 베어링조립체.
구형저널과;

상기 구형저널과 구면대우하는 베어링면을 갖는 부싱과;

상기 부싱이 고정되는 홈이 형성되어 있으며, 외면에 공기채널이 형성되어 있는 하우징으로 구성되어 있고,

상기 부싱은 섬유강화복합재료로 이루어지며, 상기 섬유강화복합재료는 서로 간격을 두고 다층으로 배열되어 있는 다수의 보강섬유들과 이 보강섬유들을 고정하고 있는 매트릭스로 구성되어 있는 베어링조립체.
제 10 항에 있어서, 상기 부싱의 베어링면에 노출되는 상기 보강섬유들은 상기 구형저널의 운동방향과 정렬되도록 일방향으로 배열되어 있는 베어링조립체.
제 10 항에 있어서, 상기 구면베어링의 베어링면에 노출되는 상기 보강섬유 들은 상기 구형저널의 운동방향에 대하여 수직하도록 일방향으로 배열되어 있는 베어링조립체.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강섬유들은 탄소섬유 또는 흑연섬유로 이루어지는 베어링조립체.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부싱의 베어링면에는 열가소성수지 입자가 상기 매트릭스에 의하여 고정되도록 제공되어 있는 베어링조립체.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부싱의 베어링면에는 자체윤활 입자가 상기 매트릭스에 의하여 고정되도록 제공되어 있는 베어링조립체.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유강화복합재료는 상기 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 다수의 일방향 프리프레그로 이루어지는 베어링조립체.
구형저널이 구면대우하는 구면베어링의 베어링면을 형성할 수 있도록 최상층에 다수의 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 일방향 프리프레그를 배열하는 단계와;

상기 일방향 프리프레그들의 하부에 다수의 단섬유 프리프레그들과 직물프리프레그들을 샌드위치형으로 적층하여 배열하는 단계와;

상기 구면베어링의 외면을 형성할 수 있도록 최하층에 최하층 직물 프리프레그를 배열하는 단계와;

상기 일방향 프리프레그, 단섬유프리프레그들, 직물프리프레그들과 최하층 직물프리프레그를 상기 구면베어링으로 열간압축성형하는 단계와;

상기 열간압축성형되어 있는 상기 구면베어링을 냉각 및 고화시키는 단계와;

상기 구면베어링의 베어링면에 상기 구형저널을 구면대우시키는 단계로 이루어지는 베어링조립체의 제조방법.
제 17 항에 있어서, 상기 일방향 프리프레그를 배열한 후 상기 일방향 프리프레그의 상면에 열가소성수지 입자를 균일하게 제공하는 단계를 더 포함하는 베어링조립체의 제조방법.
제 17 항에 있어서, 상기 일방향 프리프레그를 배열한 후 상기 일방향 프리프레그의 상면에 자체윤활 입자를 균일하게 제공하는 단계를 더 포함하는 베어링조립체의 제조방법.