KR100879645B1 - 공압식 벨로우즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두 개 이상의 교차하는 보강 실 층을 가진 탄성 중합체 재료로 만들어진 공압식 벨로우즈에 관한 것으로서, 상기 보강 실은 벨로우즈 둘레 방향에 대해 40°내지 80°의 각도로 비스듬하게 기울어져서 하나의 층 내에서 서로 평행하게 배치된다. 하나의 층 내에 있는 상기 보강 실(1, 2)의 적어도 부분량이 나머지 부분량과 상이한 강도를 갖는다.

Description

공압식 벨로우즈 {PNEUMATIC BELLOW}
본 발명은 교차하는 보강용 실(reinforcing threads)로 이루어진 두 개 이상의 레이어(layer)를 포함하는 탄성 중합체 재료로 된 공압식 벨로우즈에 관한 것으로, 이때 보강용 실은 벨로우즈의 원주 방향으로 40°내지 80°의 각도로 기울어져 하나의 레이어 내에서 실제로 서로 평행하게 배열되어 있다.
에어 스프링은 예컨대 특히 화물차 차축 및 버스 차축의 완충을 위한 차량용 스프링으로 광범위하게 입증되어 있다. 에어 스프링은 차대(chassis)가 빠르게 조정되는 경우에도 높은 고도에서 균형있는 승차감을 제공하기 때문에, 승용차에서도 에어 스프링 사용의 중요성이 더욱 증대되고 있다.
에어 스프링은 고무 내에 매립되어 평행하게 연장되는 보강 실(reinforcing threads)로 이루어진, 보강 지지대(獨: Festigkeitstraeger) 레이어로도 불리는 층들을 포함하며, 이 층들은 과압력에 의해 에어 스프링 벨로우즈 내에서 발생하는 힘을 흡수한다. 보강 실로서는 일반적으로 다수의 개별 섬유(필라멘트)가 하나의 실 형성물로 꼬여 있는 소위 코듀로이(corduroy) 사가 사용된다. 보강 실은 바람직하게는 높은 휨 가능성(獨: Biegetuechtigkeit), 높은 강성 및 균일한 팽창성을 가진, 예컨대 폴리에스테르, 폴리아미드 또는 아라미드와 같은 100 % 합성 섬유로 형성된다. 금속으로 된 보강 실도 가능하다.
일반적인 에어 스프링 제조 방법에서는 가황되지 않은 각각의 에어 스프링 부재들(내부 고무, 보강 지지대 층, 외부 고무 및 경우에 따라서는 와이어 코어)이 하나의 에어 스프링 블랭크(blank)에 감기고(조립되고), 이어서 상기 블랭크가 가황된다. 이와 같은 방법에서는 보강 지지대 층을 위하여 일반적으로 고무 코팅된 코듀로이 텍스쳐 층이 사용된다.
코듀로이 텍스쳐는 경사(warp) 방향으로 서로 나란히 놓인 다수의 코듀로이 사로 이루어지며, 이 코듀로이 사는 소수의 얇은 실이 넓은 간격으로 위사(weft) 방향으로 느슨하게 접착되어 형성된다. 이러한 코듀로이 텍스쳐는 고무 접착력을 증대시키기 위한, 예컨대 클로로프렌 천연 고무 혼합물과 같은 적절한 고무 혼합물 침투(impregnating) 프로세스(텍스쳐 표본 제작)에 따라 고무 코팅되고, 원하는 개수의 층들로 비스듬히 절단된 후, 여러 겹의 실들이 바람직하게는 40°내지 80°의 실 각도로 서로 교차되어 놓이도록 블랭크에 감긴다. 에어 스프링 외부 윤곽이 주어진 경우에는, 상기 실 각도가 에어 스프링의 지지력 및 횡력에 영향을 줄 수 있다.
예컨대 독일 공개 특허 출원서 제 198 46 852 A1호에는 또 다른 에어 스프링 제조 방법이 기술되어 있다. 이 방법에서는 보강 실을 포함하는 코팅된 맨드렐(mandrel)의 나선형 권축을 통해 예컨대 에어 스프링용 파이프 롤링 벨로우즈와 같이 다수의 층들로 형성된 실 보강용 파이프 블랭크가 연속으로 제조된다. 이러한 프로세스에 의해 중첩 영역 및 충돌 영역이 방지된다.
특히 승용차 분야에서 자동차 또는 차체가 새로 개발됨에 따라 점점 더 소형의, 사용 압력이 증가된 타입의 에어 스프링이 요구되고 있다. 상기 압력을 견디기 위하여, 즉 최대한 높은 파열 압력(bursting pressure)을 구현하는 동시에 높은 가요성 및 그에 따른 높은 에어 스프링 수명을 보증하기 위하여, 특히 보강 실로 이루어진 레이어에 대한 요구가 높다. 높은 유연성을 얻기 위해 레이어의 수가 너무 많아서는 안 된다. 동시에 보강 실의 강도 및 실 밀도는 에어 스프링이 최대한 높은 파열 압력에 도달하도록 선택되어야 한다. 실들의 간격이 너무 크면, 고무 재료의 파열 강도가 충분치 않을 위험이 존재하고, 실들 사이의 내부 폭 안에서 공기 스프링의 점 형태의 파열이 발생한다.
독일 특허 출원서 제 44 23 601 C2호에는 내부 압력이 높고 롤러 주름 내 롤링 반경이 작을 때에 긴 사용 수명을 갖는 공압식 롤링 벨로우즈가 기술되어 있다. 상기 롤링 벨로우즈는 보강 지지대로서 고무 코팅된 3겹의 적층식 코듀로이 텍스쳐를 포함하며, 가운데 겹의 코듀로이 텍스쳐는 제 1겹 및 제 3겹의 겹 강도를 합한 것에 상응하는 겹 강도를 갖는다. 한 겹 이하의 텍스쳐는 단일 코듀로이 사, 즉 동일한 재료로 된 코듀로이 사로부터 동일한 코듀로이 구조로 형성된다.
본 발명의 목적은 저렴한 비용으로 간단하게 제조될 수 있고, 충분한 파열 압력 및 긴 수명을 갖는 공압식 벨로우즈를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 하나의 층 내에 있는 보강 실 중의 적어도 하나의 보강 실의 강도가 나머지 보강 실의 강도와 상이함으로써 달성된다.
본 발명의 기본 사상은, 고강도 보강 실의 사용시 요구되는 파열 압력에 따라 실 간격이 한 겹 이내에서 변동될 수 있다는 것이다. 물론 간격이 더 커지면, 특정 실 간격부터 에어 스프링 내 공기 압력에 대한 고무 재료의 강도가 한계 계수에 도달된다는 점에 주의한다. 고무 재료가 고강도 실들 간의 내부 폭 범위 안에서 점 형태로 파열되는 것을 방지하기 위해, 고강도 보강 실들 사이에 더 낮은 강도를 갖는 보강 실들이 층간에 분포됨으로써, 상기 보강 실들은 더 높은 강도를 가진 실들 간의 내부 폭 영역을 연결한다. 이러한 조치에 의해서는 벨로우즈 벽의 유연성 및 탄성이 저하되지 않고, 에어 스프링의 긴 수명도 달성된다.
또한 상이한 강도를 가진 보강 실들의 삽입 및 그로 인해 얻어지는 한 층 내에 상이한 파단 신장율(elongation at break)을 갖는 경우에, 정상 하중시 발생하는 신장율(공칭 신장율)은 단지, 고강도 재료로만 이루어진 단일 층의 신장률보다 더 높은 값으로 변동될 수 있다. 그 결과, 예컨대 롤링 벨로우즈의 롤링 주름 영역에서 발생할 수 있고 특히 롤링 벨로우즈의 파손을 야기할 수 있는 압축 응력이 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 보강 실 구조를 가진 에어 스프링은 예컨대 종래 기술에 따른 권축 방법에서 강도가 상이한 코듀로이 사를 포함하는 코듀로이 텍스쳐 층이 사용됨으로써, 제조하기가 복잡하지 않다. 예컨대 하이브리드 텍스쳐(여러 종류의 실로 구성된 혼합 텍스쳐)가 사용될 수 있으며, 이러한 하이브리드 텍스쳐에서는 단일 재료로 된 실 이외에 상이한 재료로 된 실들도 존재한다.
본 발명에 따른 에어 스프링은 예컨대 독일 공개 특허 출원서 제 198 46 852 A1호에 기술되어 있는 연속 프로세스에 따라 역시 간단하게 제조될 수 있다. 보빈 크릴(bobbin creel)로부터 포지셔닝 링 및 편향 부재로 강도가 상이한 보강 실들이 공급되고, 이어서 상기 보강 실들이 코팅된 맨드렐 위에 올려진다.
에어 스프링에 사용될 수 있는 고강도 재료가 더 낮은 강도를 가진 재료보다 대부분 더 비싸기 때문에, 요구되는 파열 압력에 따라 고가의 실을 저렴한 실로 일부 대체할 수 있다. 본 발명에 따른 에어 스프링에서는 재료 비용을 최적화하는 데 별 어려움이 없다.
강도가 상이한 보강 실은 서로 다른 방식으로 텍스쳐 층 내부에 배치될 수 있다. 즉, 에어 스프링의 둘레에 걸쳐서 임의의 강도를 가진 i개의 실 옆에 그와 다른 강도를 가진 j개 실이 교대로 배치될 수 있고, 이때 i = 1, 2, 3, ...의 값을 취하고, 그와 관계없이 j = 1, 2, 3, ...의 값을 취한다. 예를 들면, 에어 스프링의 둘레 전체에는 항상 상대적으로 강도가 낮은 하나의 실 옆에 강도가 더 높은 두 가닥의 실이 교대로 놓일 수 있다. 이때, 벨로우즈 둘레에 거쳐 보강 실들이 교대로 배치되도록, 그리고 임의의 강도를 가진 각각 하나의 보강 실이 그와 다른 강도를 갖는 보강 실 옆에 배치되도록, i 및 j가 값 "1"을 취하는 배열 상태가 특히 바람직하다. 그럼으로써 실이 매우 균일하게 분포될 수 있으며, 그 결과 벨로우즈 벽 내에서의 응력차가 작게 유지되기 때문에 매우 탁월한 탄성이 보증된다.
또한 특정 영역, 예컨대 둘레 절반부(half)가 특정한 구조, 예컨대 강도가 높은 실로만 형성되는 구조를 갖는 반면, 다른 영역은 또 다른 구조, 예컨대 강도가 높은 실과 강도가 낮은 실이 1:1로 교대로 배치되는 구조를 갖는 것도 가능하다. 이러한 방식의 분포에 의해서는 예컨대 구부러진 에어 스프링이 제조될 수 있다.
강도가 상이한 실들의 구조가 복잡할수록, 실이 개별적으로 텍스쳐 층에 공급되어 하나의 코팅된 맨드렐에 감길 수 있는 방법이 에어 스프링을 제조하는 데에 더 적합하다. 이러한 방법을 통해, 새로운 텍스쳐를 제조하거나 텍스쳐를 정확히 절단하여 치수에 꼭 맞게 겹칠 필요 없이 간단하게 한 겹의 개별 실들을 다른 실들로 임의로 대체하는 것이 가능하다.
보강 실들의 상이한 강도는 예컨대 상이한 실 직경 및/또는 실의 상이한 코듀로이 구조에 의해서 얻어질 수 있다. 이때, 코듀로이 구조들은 예컨대 사용된 엔드리스 필라멘트의 수, 회전 방향 및 회전수에 의해서 구분될 수 있다. 기본 재료가 동일한 경우에는 보강 실의 제조를 위해 상이한 전처리 프로세스가 사용됨으로써 보강 실들의 강도가 상이해질 수도 있다.
물론 상이한 재료의 사용을 통해 보강 실의 강도에 편차가 생기도록 하는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 실은 강도가 상이하여도 그 구조 및 직경은 동일하게 형성될 수 있기 때문에 층의 외형이 매우 균일해지고, 롤링 공정시 예컨대 융기 영역으로 인한 마모 특성의 변동 또는 휨 특성의 변동이 일어날 수 없게 된다.
에어 스프링용 보강 실로서는 예컨대 폴리아미드, 폴리에스테르, 아라미드 또는 레이온으로 된 단섬유 또는 코듀로이가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 강도가 더 높은 보강 실은 아라미드사이다. 아라미드사는 높은 모듈러스(modulus), 뛰어난 치수 안정성 및 내열성과 높은 강도를 결합시킨다. 아라미드로서는 예컨대 대부분 테레프탈산 및 p-페닐렌디아민(파라-아라미드)으로 이루어진 공중합체, 예컨대 Kevlar®또는 Twaron®뿐만 아니라 대부분 m-페닐렌디아민 및 이소프탈산(메타-아라미드)으로 이루어진 공중합체, 예컨대 Nomex®도 사용될 수 있다. 또한 상기 공중합체에는 다른 단일체들도 함께 중합될 수 있다. 따라서, 예컨대 Technora®와 같은 테레프탈산, p-페닐렌디아민 및 다른 단일체들로 이루어진 삼원 혼성 중합체도 사용될 수 있다.
강도가 더 낮은 보강 실로서는 바람직하게 예컨대 나일론과 같은 폴리아미드사 또는 폴리에스테르사가 사용된다. 이러한 섬유들은 가격이 저렴하고, 상기 섬유의 강도는 더 높은 강도를 갖는 실들 사이의 간격을 연결하기에 충분한 정도이다.
본 발명에 따른 공압식 벨로우즈로서는 팽창 벨로우즈, 하프 벨로우즈(half bellows) 또는 롤링 벨로우즈가 사용될 수 있다. 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈의 경우 롤링 구역 내에서 매우 여러 번 순환되어야 하는 휨 반경이 작은 경우에도 매우 적합하다. 또한 강도가 상이한, 그리고 그에 따라 파단 신장율도 상이한 보강 실을 벨로우즈 벽 내부에 설치함으로써, 하중 발생시 형성되는 신장율이 고강도 보강 실만을 사용하는 경우의 신장율에 비해 더 커질 수 있다. 따라서 롤링 벨로우즈의 경우에는 공압식 벨로우즈의 파열을 야기할 수 있는 압축 응력이 롤링 주름 영역에 발생하는 현상이 방지될 수 있다.
하기에서는 첨부된 도면과 관련된 실시예를 참고로 본 발명이 더 자세히 설명된다. 그러나 본 발명이 아래의 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
도면은 공압식 롤링 벨로우즈의 가운데 영역에 보강 실들이 배치되어 있는 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도면에는 서로 교차하는 두 개의 보강층을 가진 본 발명에 따른 에어 스프링에서 보강 실들(1, 2, 3, 4)이 어떠한 방식으로 연장되는지가 도시되어 있다. 상기 보강 실들(1, 2, 3, 4)은 제조가 끝난 에어 스프링 내에서 탄성 중합체 재료(도면에는 도시되어 있지 않음)에 의해 완전히 둘러싸여 있다. 실 (1)과 (2)는 내겹을 형성하고, 실 (3)과 (4)는 외겹을 형성한다. 실 (1)과 (3)의 경우 상대적으로 더 높은 강도를 갖는 실, 예컨대 한 겹 이내에서 간격(Δ)으로 배치되어 있는 아라미드사가 사용된다. 두 개의 아라미드사(1, 3) 사이의 공간에는 각각 더 작은 강도를 갖는, 예컨대 폴리아미드 또는 폴리에스테르로 만들어진 실(2, 4)이 놓인다. 후자의 실(2, 4)은 완성된 제품내에서 다른 실들(1, 3) 사이에 존재하는 고무 재료를 충분히 보강하고, 전술한 사용 압력에서 상기 영역 내에 점 형태의 파열(고무 파열)이 발생하는 현상을 저지한다. 이러한 에어 스프링은 한 편으로 권축 프로세스시 적절한 하이브리드 텍스쳐를 사용함으로써 제조할 수 있다. 다른 한 편으로는 파이프 롤링 벨로우즈를 구비한 에어 스프링의 경우, 연속 제조된 파이프 블랭크로부터 에어 스프링이 제조될 수 있으며, 이때 파이프 블랭크의 제조시 보빈 크릴을 통해 여러 보강 실들이 공급된다.

Claims (17)

  1. 두 개 이상의 교차하는 보강 실 층을 가진 탄성 중합체 재료로 만들어진 공압식 벨로우즈로서,
    상기 보강 실이 벨로우즈 원주 방향에 대해 40°내지 80°의 각도로 비스듬하게 기울어져서 하나의 층 내에서 서로 평행하게 배치되는 공압식 벨로우즈에 있어서,
    하나의 층 내에 있는 상기 보강 실(1, 2) 중의 하나의 보강 실이 나머지 보강 실과 상이한 강도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 실(1, 2)은 벨로우즈 둘레에 걸쳐서 교대로 그리고 각각 임의의 강도를 갖는 하나의 보강 실(1)이 그와 다른 강도를 갖는 보강 실(2) 옆에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보강 실(1, 2)은 다른 종류의 재료가 사용됨으로 인해서 상이한 강도를 갖게 되는 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상대적으로 강도가 더 높은 보강 실은 아라미드사(1)인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상대적으로 강도가 더 높은 보강 실은 아라미드사(1)인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상대적으로 강도가 더 낮은 보강 실은 폴리아미드사 또는 폴리에스테르사(2)인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상대적으로 강도가 더 낮은 보강 실은 폴리아미드사 또는 폴리에스테르사(2)인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상대적으로 강도가 더 낮은 보강 실은 폴리아미드사 또는 폴리에스테르사(2)인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상대적으로 강도가 더 낮은 보강 실은 폴리아미드사 또는 폴리에스테르사(2)인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 공압식 벨로우즈는 롤링 벨로우즈인 것을 특징으로 하는,
    공압식 벨로우즈.
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