KR100636894B1 - 부분원호형베어링조립체,베어링조립체용베어링슬랩및베어링조립체의제조방법 - Google Patents

부분원호형베어링조립체,베어링조립체용베어링슬랩및베어링조립체의제조방법 Download PDF

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Abstract

구동축을 지지하기 위한 베어링 조립체은 원통형 하우징(15) 및 상기 하우징 내부에 배치되어 있는 복수의 엘라스토머 베어링부(20)를 가진다. 베어링부(20)는 교호적인 평행선 패턴의 접착제를 하우징의 내경에 우선 인가하고, 베어링부(20)를 설치하고, 하우징 내부에 있는 에어백을 팽창시켜, 접착제가 경화되는 동안 하우징 내측에 균일한 방사방향 압력을 인가함으로써 하우징에 접착된다.

Description

부분 원호형 베어링 조립체, 베어링 조립체용 베어링 슬랩 및 베어링 조립체의 제조 방법
본 발명은 베어링 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대형 군함과 같은 것에서 물 윤활 프로펠러 축을 지지하는 데 사용되는 새롭고 신규한 베어링 조립체에 관한 것이다.
엘라스토머(elastomer) 베어링 요소를 갖는 베어링 조립체는, 부식성 유체에 대한 내구력과 축과 베어링 조립체의 작동 환경인 해수 중에 부유하여 떠다니는 이물질 입자에 의해 야기되는 마모에 대한 내구력이 뛰어나므로 이러한 목적에 특히 적합한 것으로 알려져 있다.
그와 같은 베어링 조립체의 한 형태의 것으로는, 외측 내식성 지지체 또는 셀(shell)과, 그 안에 제공되어 원주 방향으로 균등하게 이격되어서 선택적으로 상기 축과의 접촉에 의해 지지되는 복수개의 엘라스토머 스테이브(stave)를 포함하는 것이 있다.
그와 같은 베어링 조립체의 또 다른 형태의 것으로는, 외측 내식성 지지체 또는 셀(shell)과, 그에 제공되어 대형 엘라스토머 베어링 접촉면을 포함하는 것이 있는데, 이것은 상기 스테이브 형식의 베어링에 비해 더 넓은 원주 면적에서 상기 축과 접촉하게 된다. 이러한 형태의 베어링은 라운드 보어(bore) 베어링 또는 (경우에 따라서는) 부분 원호형 베어링으로 알려져 있다.
부분 원호형 베어링은 엄격한 공차로 제조되어야 하므로 제조가 용이하지 않다. 종래에는, 베어링 부재를 상기 셀(shell)의 내면에 부착시키고 상기 엘라스토머를 적정 크기로 기계 가공함으로써 부분 원호형 베어링을 제조하였다. 그러나, 상기 기계 가공 공정은 상기 엘라스토머에 손상을 입히기 때문에 베어링과 축 사이의 마찰 계수 및 두 부재의 마모율을 현저하게 상승시켰다.
이와 같은 베어링 및 그 제조방법을 개선하려는 노력으로 계속적인 연구가 이루어져 그 다기능성, 실용성 및 효율을 향상시키게 되었다.
도 1은 본 발명에 따른 베어링 조립체의 일부 절단 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 베어링 조립체의 정면도.
도 2a는 도 2의 일부 확대도로 선 2a-2a 내부를 확대한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 베어링 소재의 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 베어링 조립체에 사용되는 접착제 도포용 도구의 실물 크기 도면.
도 4a는 본 발명에 따른 베어링 조립체에 도 4에 도시된 도구를 사용하여 도포된 접착제 패턴의 평면도.
도 5는 본 발명에 따라 경화시키는 중에 있는 본 발명에 따른 베어링 조립체의 실물 크기 그림.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 베어링 조립체에 사용되는 베어링 소재의 또 다른 실시예의 등각 사시도.
본 발명의 목적은, A) 원통형 베어링 셀(shell)을 제공하고; B) 상기 원통형 베어링 셀(shell)의 내경부에 접착제를 도포하는 단계와; C) 상기 접착제 위에 베어링 소재를 배치함으로써 베어링 조립체을 제공하는 단계와; D) 상기 베어링 조립체 내에서 팽창 장치를 부풀림으로써 반경 방향 압력을 상기 베어링 소재에 가하는 단계와; E) 상기 반경 방향 압력이 인가되는 동안 상기 접착제를 경화시키는 단계를 포함하는 라운드 보어 또는 부분 원호형 베어링의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 제조 원가를 낮춤과 동시에 마찰 계수 및 마모율을 낮춘 부분 원호형 베어링을 제공한다.
본 발명의 이러한 목적, 특징 및 이점들을 첨부한 도면과 실시예의 기재를 참고로 하여 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도면에 있어서, 동일한 도면 부호는 각각의 도면에서 동일하거나 대응하는 부분을 가리키며, 외측 원통형 베어링 하우징(15)을 갖는 베어링 조립체(10)가 도면에 나타나 있는데, 축 중심선(5)을 중심으로 하여 배치된다. 이와 같은 강성 베어링 하우징(15)은 황동과 같은 금속 구조체, 플라스틱 셀(shell), 반경 방향으로 복수개의 층이 환상으로 놓인 복합 비금속 구조체이거나 아니면 수지 기지(matrix)에 섬유가 강화되거나 함침된 것으로부터 얻어지는 복합 구조체일 수도 있다. 하우징(15)은 장착 구멍(18)이 마련되어 있는 플랜지(17)를 구비한다.
복수개의 부분 원호형 베어링부(20)가 상기 하우징(15)의 내면에 부착된다. 베어링 조립체(10)는 여덟 개의 베어링부(20)를 갖는 것으로 나타나 있으나, 그 이상 또는 그 이하가 사용될 수도 있다. 각 베어링부(20)는 하우징(15)의 내부를 주위를 따라 원주 둘레로 거의 180도까지 연장된다. 각 베어링부(20)는 평탄한 베어링면(16)을 갖는다. 베어링부(20)는, 베어링면(16)과 접촉하게 되는 축(미도시)을 안에 수용하는 중앙 구멍(14)을 한정한다. 베어링부(20)는 볼트와 나사(30)를 이용하여 하우징(15)에 견고하게 부착되는 복수개의 유지 스트립(26)에 의해 유지된다. 상기 유지 스트립(26)과, 이 유지 스트립을 하우징(15)에 부착시킬 수 있는 볼트 및 나사(30)와 같은 적절한 체결구는, 베어링부를 하우징에 유지시키는 유지 수단을 구성한다. 베어링부(20)의 원주 방향에서의 단부에 모따기부(34)를 제공하여서 유지 스트립 또는 레일(26)과의 계면을 좋게 하고 구멍(14)의 중심을 향하여 베어링부(20)가 돌출하는 것을 막는 것이 바람직하다.
베어링부(20)는 두 개의 층(22, 24)으로 이루어지는 것이 바람직하고, 섬유유리 강화 에폭시 셀(shell)(24)에 엘라스토머 층(22)이 부착되는 것이 바람직하다. 엘라스토머는 상온에서 그 원래 길이의 적어도 두 배까지 늘어날 수 있고, 늘어난 후 그 응력이 제거되면 단시간 내에 저절로 거의 그 원래 길이로 회복될 수 있는 재료로 한정한다[미국 재료 시험 학회(American Society of Testing Materials)가 발행하는 간행물, "Glossary of Terms as prepared by ASTM Committee D-11 on Rubber and Rubber-like Materials"를 참조]. 본 발명을 구성하는 데 사용되는 엘라스토머 또는 고무 재료는 천연 고무, 니트릴 고무, SBR 고무, 부타디엔 및 아크릴로니크릴의 공중합체, 부타디엔 및 스티렌의 공중합체, 부타디엔 및 알킬 아크릴레이트의 공중합체, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 및 EPDM 고무와 같은 올레핀 고무, 플루오로카본 고무, 플루오로실리콘 고무, 실리콘 고무, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리아크릴레이트, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌 등등과 같은 공지의 엘라스토머 중의 하나이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 고탄성을 갖는 니트릴 고무 및 다른 엘라스토머가 가장 바람직하다. 그러한 엘라스토머는 낮은 쇼어 A 경도를 갖는다(90 미만). 바람직한 재료는 비. 에프. 굿리치 컴파니(B. F. Goodrich Company)에서 입수할 수 있는 카탈로그 넘버 H-201이다. H-201은 쇼어 A 경도가 85±5 수준인 니트릴 고무이다.
복합 셀은 유리 함량이 70 중량％ 수준인 섬유 유리 강화 에폭시로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
베어링 조립체 부분의 제조는 다음과 같이 행해진다.
A. 베어링부의 조형
1. 미경화 H-201 고무를 적당한 몰드 내에 맞추어지도록 밀링(milling)하여 시트로 만든다. 상기 몰드의 바닥 판은 평탄한 마무리 표면[즉, 0.2㎛(8 마이크로인치) 미만]을 가져야 한다.
2. 상기 몰드를 102℃(215℉)까지 예열한다. 상기 바닥 판의 주위를 6.35mm(0.250 인치) 직경의 로프로 테이핑하여 밀링된 시트를 몰드 내로 장입하고, 중심을 맞춘다. 얇은 폴리에스테르 시트, 바람직하게는 마일라(MYLAR)를 상기 엘라스토머 전체 상면부 위에 놓는다. 마일라(MYLAR)는 듀퐁 드네무어 이. 아이. 컴파니(DuPont deNemours E. I. Company)의 상표이다. 상기 몰드를 102℃(215℉), 저압 [70.3Kg/cm2(1,000psi) 미만]에서 20분 동안 밀폐시킨다. 이렇게 해서 엘라스토머 시트를 형성한다. 그리고 나서, 몰드를 개방하고 주름진 마일라(MYLAR)를 주름지지 않은 것으로 교체한다. 그리고 몰드를 폐쇄하고 154℃(310℉)의 온도 및 고압[141 내지 183Kg/cm2(2,000 내지 2,600 psi)]으로 경화한다.
3. 냉각시키지 않고, 상기 프레스를 개방하고 몰드로부터 경화된 시트를 꺼내어 잘라서 모양으로 만든다. 그 후 로프를 단부로부터 벗겨낸다.
4. 상기 베어링부의 배면(즉, 평탄한 베어링 표면의 반대면)을 자동 연마기를 사용하여 고무를 원하는 두께까지 벗겨낸다. 복합 하우징 내경(ID: inner diameter), 접착층 두께, 축 외경(OD: outer diameter), 및 축과 베어링 사이의 소정의 간극이 모두 소정의 고무 두께를 계산하는 데 포함된다.
B. 복합 하우징의 제조
1. 듀라 운드 컴파니(Dura Wound Company)의 모델 11-A 필라멘트 와인딩 머신을 이용하여 에폭시수지가 함침된 유리 섬유사(fiberglass strand)를 적절한 크기로 만들어진 심축 주위에 소망하는 외경 크기에 이를 때까지 감는다. 감기에 앞서 심축을 마일라(MYLAR)로 씌운다. 필라멘트의 각도는 감김(hoop) 강도를 최대화하고 반동(spring-back)을 최소화하기 위하여 축 중심선에 대하여 거의 78도에 근사한 값이 되도록 한다.
2. 하우징을 실온에서 48 내지 78시간 경화한다.
C. 심축 제거와 복합하우징 기계 가공
1. 심축(mandrel)으로부터 하우징을 때어낸다.
2. 하우징의 내경부 표면으로부터 마일라(MYLAR)를 벗겨낸다. 다듬어지지 않은 상태에서의 소위 미가공 내경(ID) 치수를 계측하여 평균을 낸다. 연질 조오(softjaw) 선반을 이용하여 미가공 내경(ID) 치수를 기계 가공하고, 내경의 절반까지 기계 가공한다. 연질 조오(softjaw)로 마무리 내경(ID) 치수까지 가공한다. 셀(shell)을 뒤집어, 내경(ID)과 외경(OD)을 적절한 치수로 마무리 가공한다. 하우징은 소망하는 내경(ID) 치수인 0.0025mm(0.0001인치)까지 밀링할 수 있다.
D. 연마한 엘라스토머 베어링부를 하우징에 접착시키기
1. 고무 엘라스토머 부분들을 적절한 최종 사이즈로 자른다. 하우징의 내경부 위에 중앙선을 표시한다. 비. 에프. 굿리치 컴파니(B.F. Goodrich Company)사의 약 50％(부피)의 에폭시, 카탈로그 번호 EL 2995A 접착제를 비. 에프. 굿리치 컴파니(B.F. Goodrich Company)사의 약 50％(부피)의 아민, 카탈로그 번호 EL 2995B와 혼합한다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이 하우징에 접착제를 도포하기 위하여 홈이 패인 흙손(trowel)을 사용한다. 상기 흙손은 기계 가공으로 흙손에 홈을 만듦으로써 제조할 수 있다. 홈은 폭 2.3813mm(0.09375인치), 깊이 1.5875mm(0.0625인치), 홈 사이의 간극 3.175mm(0.125인치)로 만들어야 한다. 흙손의 홈은 접착제가 원주와 평행한 접착제 선들과 교호하면서 베어링부에 의하여 압착될 때 틈이 거의 없거나 전혀 없는 일정한 두께의 접착 층으로 고르게 도포되게 해준다. 평행 접착선(40a)의 패턴은 도 4a에 도시되어 있다. 바람직한 흙손을 사용하여 접착제의 두께는 0.127mm(0.005인치) 이하, 더 바람직하게는 0.025mm(0.001인치)의 두께로 할 수 있다. 접착제는 지층에 대한 접착력을 최대화하도록 약 0.025mm(0.001인치)의 바람직한 두께가 되도록 세심하게 발라야한다. 접착제의 두께가 지나치게 두꺼우면 파쇄나 부서지기 쉬운 금들이 생긴다. 측면 중앙선에서 접합을 멈추고, 원주 방향의 베어링 절반부를 한 번에 하나씩 접합한다.
그 후, 각 베어링부를 상기 접착제가 발라진 내경부에 배치한다. 복합 셀(shell)의 내경부 표면에 엘라스토머 시트를 눌러 붙이는 데는 롤러를 사용한다.
도 5를 참조하여, 부풀릴 수 있는 에어백(42)을 하우징 내경부 내의 중심에 둔다. 에어백(42)은 바람직하게는 두 장의 엘라스토머 시트(44, 46)를 그 각각의 외측 단부(47)를 이어서(또는 달리 접합하여) 만든다. 팽창 밸브(48), 압력계기와 튜브(50)가 상기 에어백(42)을 팽창시키기 위하여 제공된다. 고무 마개(약 12.7mm(0.50인치) 두께)를 에어백의 상부에 위치시킨다. 상기 에어백(42)을 약 0.25kgf/cm2(3.5psig)까지 팽창시킨 후 7시간 이상 그대로 둔다. 에어백(42)을 사용함으로써 균등한 방사상의 압력을 베어링 전 표면에 가할 수 있다. 에어백(42)은 비교적 부드러운(쇼어 A=65 +/-5) 엘라스토머를 사용하여 만들므로, 베어링 표면에는 전혀 손상을 주지 않는다. 에어백(42)은 당연히 중심부로부터 가장자리로 팽창되므로, 접착제가 고른 층을 이루도록 펴질 때 접착제에 존재하는 기포를 하우징의 단부로 밀어내어 기포를 제거하는데 도움이 된다.
열과 압력이 고무 베어링 소재(22)의 마찰 계수와 마모 특성을 변화시키고 접착제의 층이 얇아지게 하므로, 접착제는 실온 상압에서 경화되어야 한다. 접착제가 조절되면 에어백의 공기를 빼고, 에어백을 제거한다.
E. 쪼개기와 45°각도 맞추기
1. 이어서 베어링부(20)를 수평 천공기 상에 놓고 쪼개어 측면 각을 다듬는다.
2. 메틸에틸케톤(MEK)으로 하우징 및 하우징들을 세척하기. 베어링을 조립하고 레일을 설치한다. 필요할 경우, 틈을 스테인레스강 쐐기(shim)로 막는다.
본 발명은 엘라스토머 베어링 표면상에 어떠한 기계가공도 하지 않으며, 따라서 평탄하고 유리와 같은 마무리를 유지하고, 물 윤활 마찰 계수를 매우 낮은 수준으로 유지할 수 있다. 베어링 하우징(15) 내경부를 정확하게 만들고, 홈이 패인 흙손을 이용하여 하우징 내경부 상에 접착제를 도포함으로써 각 엘라스토머 베어링부에 표면만 접합하도록 하고, 접착제가 경화되는 동안 에어백을 이용하여 부드럽고 균일한 압력을 베어링부에 가함으로써 상기 기계가공이 불필요하게 된다. 팽창부재(42)는 베어링 소재를 베어링 하우징에 경화시키기 위하여 방사상의 압력을 가하기 위한 수단으로서 공기대신 유체를 사용할 수 있다. 또한, 하우징은 엘라스토머 베어링 부재의 설치를 더욱 용이하게 하기 위하여 보다 작은 단위로 절단하고, 경화 또는 설치 전에 재조립할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에는 베어링부(20)용 베어링 소재(22)를 설치하는 다른 실시예를 도시한다. 베어링 소재(22)는 크고 신축성이 있는 슬랩(slab)에서 조형된다. 상기 베어링 소재는 많은 돌기를 가진 거친 직물 또는 판(plate)에 대고 조형된다. 조형된 슬랩(slab)은 미국 특허 제3,993,371호에 기재되어 있는 엘라스토머/플라스틱 합성물로 만들거나, 가장 바람직하게는 미국 특허 제4,725,151호와 제4,735,982호에 개시되어 있는 윤활성 고분자 고용체(SPA: Slippery polymer alloy)를 이용하여 만드는데, 상기 특허 모두를 본 명세서에서 참고로 포함한다. SPA 베어링 소재층은 바람직하게는 3.175mm(0.125인치)의 두께가 바람직하다. 상기 베어링 소재는 슬랩이 경화되는 동안 니트릴 고무 재질의 뒷받침 판(backing sheet)에 부착된다. 상기 고무 재질의 뒷받침 판은 슬랩에 휨 성질을 부여하며, 또한 그 뒷받침 판은, 연마시키게 되면, 실온에서의 에폭시 접착제 또는 접합제의 경화에 의해서 금속이나 복합 베어링 하우징에 용이하게 접합시킬 수 있다. 고무 재질 뒷받침 판은 특정한 베어링 사이즈를 위한 정확한 전체 슬랩 두께를 만들도록 기계가공으로 신속하고 용이하게 깎아내거나 연마할 수 있다. 접착제는 약 0.025mm(0.001인치)의 두께를 베어링의 전체 벽면 두께에 부가한다. 그러므로 베어링 표면을 연마하거나 기계 가공할 필요가 없다. 베어링 표면 연마는 마찰과 마모를 증가시킨다.
도 6a를 참조하여 설명한다. 다른 실시 형태의 베어링 소재(22)는 몰드 내에 엘라스토머재의 기저층(110)을 제공함으로써 제조할 수 있다. 바람직한 엘라스토머는 비. 에프. 굿리치 컴파니사의 카탈로그 번호 H-212이다. 다음으로 상기 엘라스토머 지저층 상에는 윤활성 고분자 고용체(SPA)인 상부 층(112)이 마련된다. SPA는 열가소성 물질 및 열경화 고무성분의 합성물이며, 소량의 윤활제를 함유하고 있다. SPA는 이질적인 합성물로서, 열가소성 물질은 연속상(continuous phase)으로 존재하고 있고, 열경화성 성분은 불연속상으로 그 속에 분산되어 있다. 다시 말하면, 혼합물과는 달리, 열경화성 성분 및 그 내부에 있는 윤활제를 가지는 열가소성 물질 매트릭스가 형성된다. 열가소성 물질성분은 단단하고, 마찰이 작으며 물에 대하여 우수한 내성을 가지는 어떠한 폴리머가 될 수 있다. 그러한 폴리머의 특정 그룹은 여러 논문에 개시되어 있을 뿐 아니라 관련분야에서 잘 알려져 있는 다양한 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)일 수 있다. 초고분자량 폴리에틸렌은 일반적으로 분자량을 기준으로 2,500,000이상, 즉 용액 점도법(solution viscosity method)을 사용하는 약 3,000,000 내지 7,000,000까지의 분자량을 가지는 것으로 분류된다. 바람직한 범위는 약 4,000,000 내지 6,500,000이고, 더욱 바람직한 범위는 약 5,000,000 내지 6,000,000이다. 이러한 폴리에틸렌은 GUR 413이라는 이름으로 훽스트 셀라니스 코포레이션(Hoechst Celanese Corporation)사에 의하여 상용화되어 있다.
다른 폴리머 뿐 아니라 초고분자량 폴리에틸렌이 일반적으로, 0rpm의 축속도에서, 0.25이하, 바람직하게는 0.2이하, 더 바람직하게는 0.15이하의 정지마찰계수와 같이 저마찰 특성을 가지는 본 발명에 사용하기에 적합하다. 본 발명에 사용되는 바람직한 열가소성 성분은 아이조드 노치 충격 시험(ASTM D256)에 의하여 측정했을 때 20 이상, 바람직하게는 30이상의 인성(toughness)을 가진다. 그러나, 노치를 가하지 않은 시험샘플은 약해지지 않았다. 본 발명에 사용되는 열가소성 성분은 모래 현탁액 침식테스트에 의하여 측정한 결과, 물에 대한 우수한 내성을 가지고 있었다. 모래 현탁액 침식 테스트는 훽스트 셀라니스 코포레이션(Hoechst Celanese Corporation)사의 시험이고, 일반적으로 시험 표본(1"× 3"× 1/4")은 물과 모래가 2:3으로 함유된 현탁액 속에서 24시간 이상동안 1200rpm으로 회전시킨다.
SPA에서 연속적인 상을 형성할 수 있을 만큼의 적당한 양의 초고분자량 폴리에틸렌이 사용된다. 일반적으로, 열가소성 물질 성분의 양은, 보통 입자 형태로 존재하는 열경화성 고무성분을 코팅할 정도로 충분하나, 고무 입자를 코팅하는 데 필요한 양을 초과하는 것이 바람직하다. SPA의 총중량을 기준으로, 열가소성물질의 양은 약 25 내지 90중량％, 바람직하게는 약 40 내지 75중량％, 더 바람직하게는 약 55 내지 65중량％이 사용된다.
열경화성 성분은 일반적으로 물 및 기름에 대하여 우수한 내성을 가질 뿐만 아니라 저마찰을 가지는 경화된 고무성분이다. "저마찰"은 원하는 두께 범위의 고무 베어링이, 물윤활되었을 때 통상적인 저널(축) 동작속도에서 유체역학적인 윤활을 나타내는 것을 의미한다. 플라스토-유체탄성역학적 효과 때문에 얇은 고무베어링은 낮은 축속도에서 어떠한 공지 베어링 물질보다 유체역학적인 마찰을 나타낸다. 유체역학적 윤활은 베어링과 회전축 사이에 유체막을 형성하는 것이다. "물 및 기름에 대한 내성"이라는 용어는, 엘라스토머가 유체 속에서 영향을 받지 않으며(분해되거나 약해지지 않음), 수중 팽창에 의한 체적증가가 5％, 바람직하게는 3％이하인 것을 의미한다.
일반적으로, 그러한 마찰 및 내수 특성을 가지는 어떠한 고무 성분도 사용될 수 있다. 그러한 성분의 한 특정 실시 그룹은 당해 기술 분야 및 문헌에 일반적으로 알려져 있는 다양한 니트릴 고무이다. 예를 들면, 비. 에프. 굿리치 컴파니에 의하여 제조되는 다양한 하이카(Hycar) 니트릴 고무가 사용될 수 있다. 경성의 니트릴 고무 성분이 일반적으로 바람직하다. 그러한 고무의 일 예는 비. 에프. 굿리치 컴파니에 의하여 제조되는 성분 H-201(85± 5 의 쇼어 A 경도)이다. 다른 실시예는 역시 비. 에프. 굿리치 컴파니에서 제조되는 성분 H-203과 같은 더 부드러운 니트릴 고무가 있으며, 그 쇼어 A 경도는 약 70± 5이다. 다른 고무로는 부틸고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(diene monomer)로 만들어지는 고무인 EPDM, 전체에 걸쳐 반복되는 -CF-CH-CF-CF(CF)- 구조를 가지는 비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오르프로필렌의 코폴리머를 기저로하는 플루오르엘라스토머가 있다. 이러한 코폴리머는 듀퐁사에 의하여 "비톤(Viton)"이라는 상표명으로 판매된다. 이러한 다른 고무 성분이 사용될 수 있으나, 탄성 및 변형 편향 특성 때문에 니트릴 고무가 훨씬 바람직하다.
본 발명의 중요한 특징은 고무 성분이 초기에 건조 블렌드(dry blend)되거나, 합금이 형성되기 이전에 열가소성 성분과 혼합될 수 있다는 것이다.
따라서, 고무 성분이 경화되고, 두 성분을 혼합하기 위하여 적당한 크기로 분쇄된다. 통상적인 기계적 또는 극저온 분쇄가 분쇄 방법으로 이용될 수 있다. 경화된 고무 성분의 입자 크기가 일반적으로 중요하다. 입자 크기는 일반적으로 입자가 통과할 수 있는 더 촘촘한 특정 타일러 메쉬 스크린으로 측정된다. 경화된 고무성분은 일반적으로 35메쉬보다 작은, 바람직하게는 65메쉬보다 작은, 더 바람직하게는 100메쉬보다 작은 입자 크기를 가진다. SPA 내에서의 경화된 고무 성분의 양은 일반적으로 SPA의 총중량을 기준으로 약 10 내지 70 중량％, 바람직하게는 약 12 내지 40중량％, 더 바람직하게는 약 15 내지 30중량％이다.
윤활제는 일반적으로 고체 상태, 즉 비액체 상태로 첨가된다. 이러한 윤활제가 잘 분산되도록 하기 위하여, 윤활제는 보통 분말의 형태를 가진다. 분말이라 함은 대부분, 즉 적어도 70％, 80％ 또는 90％, 더 바람직하게는 95％의 분말이 타일러 100메쉬보다 작은, 즉 150마이크론보다 작은 것을 의미한다. 바람직하게는 분말의 대부분, 즉 적어도 70％, 80％ 또는 90％, 더 바람직하게는 95％의 분말이 200메쉬보다 작은, 즉 75마이크론보다 작다. 대부분의 흑연분말, 즉 70％, 80％ 또는 90％의 흑연분말이 325메쉬, 44마이크론보다 작은 것이 바람직하다. SPA에 윤활 특성을 줄 수 있다면, 당해 기술 분야 및 문헌에 널리 알려진 어떠한 윤활제도 사용될 수 있다. "윤활 특성"이라 함은 마모가 시작되었을 때, 형성된 SPA의 표면 마찰계수가 예를 들면, 적어도 10％, 바람직하게는 적어도 20％ 또는 30％ 감소하는 것을 의미한다. 윤활제는 또한 비침식성이어야 한다. 흑연성분이 바람직한 윤활제이다. 흑연의 한 예로는 아스베리 그라파이트 밀스 인코포레이티드(Asbury Graphite Mills, Inc)에서 제조하는 등급 117-A가 있다. 윤활제의 다른 실시예로서는 몰리브덴 디설파이드(disulfide)가 있다. 일반적으로 바람직하지는 않으나, 몰리브덴 디설파이드는 대기 수증기 정도의 수분도 없는 건조한 상태에서 사용될 때 바람직하다. SPA의 총중량을 기준으로 약 2 내지 10％중량％, 바람직하게는 약 3 내지 6중량％의 실리콘 오일이 사용될 수도 있다. 실리콘 오일의 일 예로는 다우 코닝사에서 제조하는 200유체(200 Fluid)가 있다. 가능한 다른 윤활제로는 듀퐁 드네무어 이. 아이. 컴파니(Dupont deNemours E. I. Company)에 의하여 상용화된 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌)이 있다.
윤활제의 양은 일반적으로 SPA의 총중량을 기준으로, 약 0.5 또는 3중량％에서 약 25중량％, 바람직하게는 약 1.0 내지 20중량％, 더 바람직하게는 약 2 내지 10중량％이다.
다음으로, 베어링 소재(22)의 베어링 표면의 상부 층으로 패턴이 전사된다. 패턴은 상부 층(112)으로부터 축방향으로 내측으로 튀어나온 복수의 돌기와 튀어나온 부분 또는 접촉점(114)을 제공한다. 돌기(114)는 각각 유체가 윤활될 때, 유체역학적 베어링 표면이 된다. 이 패턴을 전사하는 더욱 바람직한 방법은 매우 고르고 얇은 폴리에스테르 시트를 무겁고 성긴 니트나 성기게 짠 직물 사이에 놓고, 경화 전에 폴리에스테르 시트와 직물을 SPA 베어링 소재(22)의 표면에 압착하는 것이다. 직물로는 바람직하게는 조지아 덕(Georgia Duck)사의 카탈로그 번호 8708이 있다. 폴리에스테르 시트로는 바람직하게는 0.003인치 두께의 마일라(MYLAR)가 있다. 폴리에스테르 시트는 합성 SPA 층을 고르게 해주고 돌기(114)의 모서리를 둥글게 한다. 폴리에스테르와 직물은 상기 베어링 소재에 압착하기 전에, 직물은 켐-트렌드(Chem-Trend)에 의하여 제조된 카탈로그 번호 RTC9110과 같은 몰드 제거제를 함께 뿌리면서 인용 문헌에 잘 개시되어 있는 바와 같이 직물이 경화 후에 제거될 수 있는 방법으로 깐다. 직물과 폴리에스테르를 미경화 베어링부의 상부에 놓은 후, 몰드를 닫는 방법 등으로 압착해야 한다. 상기 재료는 약 177℃(350℉)에서 약 70.3 내지 105.5 Kg/cm2(1000 내지 1500psi)의 압력으로 약 4.5시간 동안 조형된다. 이 조형 공정을 거친 후, 압력은 그대로 유지한 채 몰드의 온도가 주위 온도에 따라 냉각되도록 방치한다. 몰드는 조형후 약 1시간동안 냉각되도록 방치해두어야 한다. 상기 합성물을 압력은 유지하면서 냉각시키는 것은 완성품의 뒤틀림을 방지하는 데 도움이 된다. 몰드의 외부에 물을 가하는 것은 몰드의 냉각 시간을 1시간으로 줄이고 완성품의 뒤틀림을 방지하도록 하는 데 이용될 수 있다.
도 6b를 참조하여 설명한다. 다른 베어링 소재는 도 6a에 도시된 합성물을 위한 공정으로 제조될 수 있고, 그 제조방법에 의할 경우 합성물은 엘라스토머 기저층(120)을 가지며, SPA의 상부 층(122)은 다이아몬드 형상의 돌기, 혹은 돌출부이, 혹은 접촉점(124)을 가지게 된다. 상기 돌기, 혹은 돌출부, 혹은 접촉점(124)은 축방향으로 내측으로 튀어나와 있고, 유체가 윤활 작용을 할 때 각각 유체역학적 베어링 표면이 된다. 그런데, 상부 층(122)의 다이아몬드 형상의 패턴은 적절한 압흔(impression) 또는 패턴을 제공된 고무 몰드를 이용함으로써 제공된다. 마일라(MYLAR)와 같은 폴리에스테르 릴리스(release) 시트는 경화 전에 고무 몰드와 SPA의 사이에 놓인다. 폴리에스테르 시트는 바람직하게는 0.076mm(0.003인치)에 근사한 두께이다. 폴리에스테르 시트는 최종 SPA층을 고르게 해주고 돌기의 모서리를 둥글게 한다.
여기에 특별히 개시하지 않은 다른 형태나 크기의 패턴도 베어링이 유체역학적으로 되도록 상부의 SPA 층에 제공될 수 있다.
본 발명은 여기에 도시한 실시예에 한정되지 않으며, 그 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한 상기 다양한 변형이나, 생략 또는 첨가를 할 수 있다.

Claims (19)

  1. 대형 군함의 물 윤활 프로펠러 축을 지지하는 데 사용하기 위한 베어링 조립체를 제조하는 방법에 있어서,
    대형 군함용 축을 지지하기에 충분한 폭을 갖는 내부 베어링 지지면을 구비하는 원통형 베어링 셀을 마련하는 단계와;
    대형 군함의 축의 회전을 지지하기 위한 것으로서 매끈한 베어링 면과 배면을 갖는 엘라스토머 베어링 소재를 제공하는 단계와;
    축의 회전을 지지하기 위하여 상기 베어링 소재가 소정의 두께를 확보할 수 있도록 베어링 소재의 배면을 변형시키는 단계와;
    상기 원통형 베어링 셀의 내부 베어링 지지면에 접착제를 바르는 단계와;
    베어링 조립체가 마련될 수 있도록 상기 접착제에 상기 베어링 소재를 배치하는 단계와;
    상기 베어링 소재에 반경 방향 압력이 가해질 수 있도록 상기 베어링 조립체 안에서 팽창 장치를 팽창시키는 단계와;
    매끈한 베어링 면에 대한 손상이 없이 소정의 공차를 가지고 엘라스토머 베어링 소재가 조립된 베어링 조립체를 얻기 위하여, 반경 방향 압력이 가해지는 동안에 접착제를 경화시키는 단계와;
    베어링 조립체를 양 단부를 갖는 적어도 2개의 부분 원호형 베어링부로 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베어링 소재가 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 부분 원호형 베어링부 각각의 원주 방향 단부에서 베어링 표면으로부터 배면까지 경사진 모따기 단부를 마련하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 원통형 베어링 셀의 내부 베어링 지지면에 접착제를 바르는 단계는, 홈 형성 흙손을 사용하여 평행한 원주 선을 하나씩 걸러 나가면서 접착제를 수동으로 바르는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베어링 소재가 윤활성 고분자 고용체(SPA: slippery polymer alloy)인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베어링 소재의 배면을 변형시키는 단계는, 베어링 소재의 배면 부분을 연마 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부분 원호형 베어링부 각각이 원주 방향에서 180°로 연장된 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 베어링 소재에 반경 방향 압력이 가해질 수 있도록 베어링 조립체 안에서 팽창 장치를 팽창시키는 단계는, 접착제가 경화되기에 충분한 시간 동안 팽창 장치를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 팽창 장치를 팽창시키는 단계는, 팽창 장치를 0.25Kgf/cm2(3.5 psig)까지 팽창시킨 상태에서 7시간 동안 방치하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 팽창 장치를 팽창시키는 단계에서 접착제를 경화시키는 단계까지의 단계는,
    접착제를 경화시키기에 충분한 시간 및 압력으로 팽창 장치를 팽창시키는 단계와,
    매끈한 베어링 면에 대한 손상이 없이 소정의 공차를 가지고 엘라스토머 베어링 소재가 조립된 베어링 조립체를 얻기 위하여, 반경 방향 압력이 가해지는 동안에 접착제를 경화시키는 단계와,
    베어링 조립체로부터 팽창 장치를 제거하고 접착제를 실온과 대기압 하에서 경화시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 팽창 장치를 팽창시키는 단계는, 매끄러운 베어링 면에 손상이 가해지지 않도록 하기 위해 비교적 부드러운 엘라스토머로 제조된 에어백을 팽창시키는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  12. 대형 군함의 물 윤활 프로펠러 축을 지지하는 데 사용하기 위한 베어링 조립체를 제조하는 방법에 있어서,
    대형 군함용 축을 지지하기에 충분한 폭을 갖는 내부 베어링 지지면을 구비하는 원통형 베어링 셀을 마련하는 단계와;
    대형 군함의 축의 회전을 지지하기 위한 것으로서 매끈한 베어링 면과 배면을 갖는 엘라스토머 베어링 소재를 제공하는 단계로서, 매끈한 바닥판(bottom plate) 마무리부를 갖는 몰드를 예열하고, 비경화성 고무가 몰드 안에 맞추어질 수 있도록 시트 형상으로 밀링하고, 밀링된 고무 시트를 몰드 안에 장입하고, 고무 시트의 표면 위에 얇은 폴리에스테르 시트를 배치하고, 고무를 성형시키기 위하여 소정의 시간 동안 몰드를 밀폐하고, 주름진 폴리에스테르 시트를 제거하기 위하여 몰드를 개방하고, 고무 시트의 전체 면 위에 새로운 폴리에스테르 시트를 배치하고, 몰드를 밀폐시키고, 이어서 몰드 안에 배치된 고무를 경화시키기 위하여 고압 하에서 몰드를 가열하는 것을 포함하는, 엘라스토머 베어링 소재를 제공하는 단계와;
    축의 회전을 지지하기 위하여 베어링 소재가 소정의 두께를 확보할 수 있도록 경화된 베어링 소재의 배면을 변형시키는 단계와;
    상기 베어링 셀의 내부 베어링 지지면에 접착제를 바르는 단계와;
    베어링 조립체가 마련될 수 있도록 상기 접착제에 상기 베어링 소재를 배치하는 단계와;
    상기 베어링 소재에 반경 방향 압력이 가해질 수 있도록 상기 베어링 조립체 안에서 팽창 장치를 팽창시키는 단계와;
    매끈한 베어링 면에 대한 손상이 없이 소정의 공차를 가지고 엘라스토머 베어링 소재가 조립된 베어링 조립체를 얻기 위해, 반경 방향 압력이 가해지는 동안에 접착제를 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체를 제조하는 방법.
  13. 대형 군함의 물 윤활 프로펠러 축을 지지하는 데 사용하기 위한 베어링 조립체에 있어서,
    내부 환형 공동을 한정하는 내면을 갖는 외부 원통형 하우징과, 상기 외부 원통형 하우징의 내면에 부착된 다수의 부분 원호형 베어링부와, 상기 부분 원호형 베어링부를 상기 하우징에 유지시키기 위한 유지 수단을 포함하고,
    상기 부분 원호형 베어링부 각각은, 상기 내부 환형 공동 둘레에서 부분적으로 연장되며, 내부 원주면 부재, 이 내부 원주면 부재에 부착되는 외부 원주면 부재, 및 상기 내부 원주면 부재에 부착된 엘라스토머 베어링 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 엘라스토머 베어링 층이 쇼어 A 경도가 90미만인 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 부분 원호형 베어링부의 외부 원주면 부재는 유리 섬유 강화 에폭시로 이루어진 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  16. 제13항에 있어서, 상기 부분 원호형 베어링부 각각이 원주 방향에서 180°로 연장된 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  17. 대형 군함의 물 윤활 프로펠러 축을 지지하는 데 사용하기 위한 베어링 조립체용의 베어링 슬랩에 있어서,
    상부 면을 갖는 바닥 엘라스토머 층과, 상부 면과 바닥 면을 갖는 윤활성 고분자 고용체(SPA: slippery polymer alloy) 층을 포함하고,
    상기 윤활성 고분자 고용체 층의 상부 면은 다수의 융기된 접촉점들을 가지며, 상기 윤활성 고분자 고용체 층의 바닥 면은 상기 바닥 엘라스토머 층의 상부 면에 접착된 것을 특징으로 하는 베어링 조립체용의 베어링 슬랩.
  18. 제17항에 있어서, 상기 윤활성 고분자 고용체(SPA) 층의 상부 면에 폴리에스테르 시트 층을 더 포함하고, 상기 폴리에스테르 시트 층은 상기 윤활성 고분자 고용체(SPA) 층이 경화되는 동안에 상기 윤활성 고분자 고용체(SPA) 층에 부착되는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체용의 베어링 슬랩.
  19. 제17항에 있어서, 상기 융기된 접촉점들은 다이아몬드 형상의 돌기인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체용의 베어링 슬랩.
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