KR101273176B1 - 실 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링(2)의 베어링 내부(17)를 밀폐하기 위한 실(seal)(4)에 관한 것으로서, 이 실에서는 환형의 전실(pilot chamber)(10)과 실(4)의 외부 환경(11) 사이의 제1 실링 립(sealing lip)(8)이 실(4)의 베이스(12)에서부터 적어도 하나의 제1 실링 실링 접촉부(14)에까지 외측으로 꺾여 있으며 전실(10)과 베어링 내부(17) 사이의 제2 실링 립(9)이 베이스(12)에서부터 적어도 제2 실링 접촉부(16)에까지 내측으로 꺾여 있으며 외부에서 전실(10)로 안내되는 적어도 하나의 통풍구(18)가 제1 실링 립(8)에 제공된다.

Description

실{SEAL}

본 발명은 베어링의 내부 공간을 밀폐하기 위한 두 개의 서로 이격된 실링 립을 구비한 실에 관한 것이다.

차량 휠의 베어링은 일반적으로 오염물 및 외부 환경의 기타 영향으로부터 강하게 부하되는 실 및 베어링의 다른 측면에서 축방향으로 약하게 부하되는 실을 포함한다. 환경에 의한 서로 다른 실의 부하로 인해 강한 부하를 받는 실은 일반적으로 적어도 두 개의 실링 립을 구비한 소위 카세트 실로서 휠 베어링의 내부를 밀폐하므로 외부 환경으로부터 중복되게 내부를 밀폐한다.

실의 실링 립은 실링면에 대해 탄성의 예하중(pre-stressed)을 가한다. 실링면은 그 대칭축이 베어링의 회전축인 원통형 외피면이다(내측 원통형, 바람직하게는 외측 원통형). 실링 립은 실링면에서 실링면에 상대적으로 대칭축 둘레의 회전 방향으로 진행한다. 실이 외부에 대해 상대적으로 고정되며 실링면이 실링 립에 대해 회전하거나 또는 실링면이 외부에 대해 상대적으로 고정되며 실링 립이 대칭축을 중심으로 원주 방향에서 실링면에서 진행하는 것이 가능하다. 이 두 가지 경우에서 실링면에 대한 실링 립의 접촉 구역과 실링면 사이에서 접촉 시 마찰이 발생한다. 마찰의 강도는 복수의 다양한 요소에 따라 결정된다. 예를 들어 상대적 속 도, 재료 및 마찰 상대 즉 실과 마찰면의 표면 구조 및 마찰 접촉부의 윤활을 들 수 있다.

마찰면에 대한 실의 예하중이 마찰 거동에 중요한 영향을 미친다. 예하중은 실링 립의 기능 및 공차에 의해 결정되지만 아래에서 설명되는 실 사용 시 영향에 의해서도 결정된다.

일반적으로 실(seal)은 베어링 내부 및 외부 환경 사이의 차압에 의해 부하된다. 베어링 내부는 실의 유형 및 가동 조건에 따라 외부 환경의 압력과는 다른 부압 또는 과압으로 부하된다. 예를 들어 주행 중 온도 증가는 베어링 내부 공간의 과압을 발생시킨다. 베어링 정지 시 베어링 내부가 다시 외부 환경의 온도로 냉각되고 베어링 내부에는 부압이 형성된다. 과압뿐 아니라 부압도 베어링 또는 실의 운전 거동에 부정적 영향을 미치며 따라서 보상되어야 한다.

일반적으로 실링 립(sealing lip)은 축방향에서 압력에 대해 차단되고 다른 방향에서는 과압 또는 부압에 따라 해당 방향으로 휘어지도록 실의 실링 립이 설계되어 있다. 실 및 실링 립의 우선적 과제는 외부의 오염물 및 물과 같은 영향에 대해 베어링 내부를 밀폐함으로써 외부 환경의 영향으로부터 휠 베어링의 내부를 보호하는 것이다. 베어링 내부의 부압으로 인한 외부의 과압은 실링면으로 실링 립을 더 강하게 압박하고 실링 효과를 증대시킨다. 즉 이런 경우에 실링 립은 내부 방향으로도 외부의 과압을 차단한다. 내부 방향으로 차단하는 이런 실링 립으로 인해 베어링 내부의 부압이 보상될 수 없다. 외부에서 실링 립으로 가해지는 더 큰 압박력으로 인해 전술한 방사상 방향의 예하중이 증가하고 이로써 실과 실링면 사이의 마찰이 증가한다. 그 결과 원치 않는 마모 및 증가된 가동 온도가 나타난다.

하지만 내부에서 외부 방향으로 압력 차이가 존재하는 경우에는, 내부 방향으로 차단하는 실링 립에서 압력 보상 효과가 나타난다. 내부의 과압은 실링 접촉부에서 실링 립을 탄성으로 실링면으로부터 위로 올린다. 베어링 내부의 과압은 외부 방향으로 보상된다.

베어링 내부에는 일반적으로 그리스가 칠해진다. 고온에서는 그리스가 액체 상태로 되고 상황에 따라서 압력 보상 시 전술한 실링 립을 거쳐 외부로 흘러 유출된다. 이는 롤러 베어링의 윤활 불량을 발생시킬 수 있다. 따라서 베어링 내부에서 외부로의 과압에 대한 압력 보상 시 그리스를 베어링 내부로 유지시키는 적어도 하나의 실링 립을 구비한 실이 바람직하다. 이러한 유형의 실링 립은 베어링 내부에서 그리스가 내부에서 외부로 유출되는 것을 차단하며 또한 베어링 내부에 과압이 존재하는 경우에도 내부에서 외부로의 압력 보상에 대항하여 그리스의 유출을 방지한다. 하지만 외부로 차단하는 이런 실링 립을 통해 베어링 내부에 존재하는 부압이 보상될 수 있으며, 이 경우 외부 환경의 과압으로 인해 실링 립이 실링면에서부터 탄성으로 위로 올려진다.

서문에서 언급한 바와 같이, 카세트 실의 우선적 과제는 강한 환경 영향에 노출된 휠 베어링 측면에서 베어링 내부를 외부 영향에 대항하여 내부로 차단하는 것이다. 외부에서 내부로의 압력 차이를 보상하기 위해 장치를 내장하는 것은 이미 복잡한 구조를 갖는 카세트 실을 더욱 복잡하게 한다. 따라서 베어링 내부의 부압을 보상하기 위한 장치를 더욱 간단하고 더 약한 부하를 받는 실에 통합하려는 시 도가 있었다.

이러한 유형의 실은 미국 특허 US 4,844,480에 설명되어 있다. 이러한 유형의 실은 내부로 차단하며 실 장치에서 축방향 외부에 존재하는 제1 실링 립에서 통풍구로서 하나 또는 복수의 멤브레인 구멍을 포함한다. 이 통풍구를 통해 더욱 내측에서 오염물 및 물을 차단하는 실링 립에서 실의 환형 전실로의 압력 보상을 위한 축방향 통로가 형성된다. 하지만 개구의 작은 크기로 인해 오염물이 전실로 거의 도달하지 않는다. 제2 실이 베어링 내부에 대해 축방향에서 제1 실링 립에 이어지며 그리스가 외부의 전실 방향으로 유출되는 것을 차단한다. 전실 내의 과압이 제2 실링 립이 위로 올려지고 베어링 내부의 부압이 보상될 때까지 제2 실링 립에 작용한다.

이러한 유형의 실은 차량의 휠 베어링에 사용하기에 적합하지 않거나 단지 제한적으로 적합한데, 그 이유는 멤브레인 구멍이 주행 중에 오염물로 막힐 수 있고 이로써 실의 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 오염물에 영향을 받지 않는 전술한 유형의 실을 제공하는 것이다. 동시에 실은 외부 영향으로부터 베어링을 양호하게 보호해야 하며 주행 시 가능한 한 적은 마찰을 발생시켜야 한다.

이 목적은 다음과 같은 특징을 구비한 실을 통해 달성된다:

- 실이 외부 영향에 대해 내부로 차단하는 적어도 하나의 제1 실링 립 및 축방향에서 환형의 전실로 이어지며 베어링 내부에서부터 전실 방향으로 차단하는 적어도 하나의 실링 립을 포함한다.

- 실링 립이 서로 다른 방향을 향한다. 이를 위해 제1 실링 립이 실의 베이스에서부터 외측으로 꺽여 있으며, 이때 환형의 전실과 실의 외부 환경 사이에서 베이스에서부터 적어도 제1 실링 접촉부에까지 진행하고 실의 외부 환경에 대해 환형 전실을 감싸고 한정한다.

제2 실링 립이 주로 축방향에서 전실의 제1 실링 립에 대향하게 배치된다. 이를 위해 제2 실링 립이 실의 베이스에서부터 다른 방향으로 내측으로 꺾여 있으며 전실의 방향에서 외측으로 베어링 내부를 한정하며 제2 실링 립이 베어링 내부와 전실 사이의 실의 베이스에서부터 적어도 제2 실링 접촉부에까지 진행한다.

- 실링 접촉부가 부품에서 적어도 선형으로 형성된 실링면과 각 실링 립과의 마찰 접촉부이며, 이 부품은 실링 립에 대해 상대적으로 회전 동작을 하거나 또는 회전하는 실의 실링 립이 이 부품에서 진행한다. 이런 유형의 실링면은 예를 들어 회전하거나 또는 정지된 내측링, 휠 볼트, 액슬 또는 샤프트 또는 베어링 하우징 또는 외측링에 형성된다.

- 제1 실링 립은 바람직하게도 외부에서 전실로 안내되는 적어도 하나의 통풍구를 포함한다. 통풍구는 실링 립에서 재료를 통해 각 방향에서 한정되는 구멍이 아니라 선택적으로 모서리 또는 면으로서 형성된 실링 립의 실링 모서리에 있는 개구이다. 실링 모서리는 부품과의 실링 접촉부에 존재한다. 개구는 부품의 실링면 방향으로 열려 있고 따라서 실링면의 방향에서 실링 립의 재료에 의해 한정되지 않는다. 이로써 베어링의 회전축을 중심으로 둘레로 닫힌 상태에서 밀폐하는 제1 실링 립이 실링 접촉부의 실링 모서리에서 통풍구로 인해 베어링의 회전축을 중심으로 한 둘레 방향에서 한 번 부분적으로 중단된다.

실링 립의 실링 모서리에 통풍구를 배치함으로써 통풍구가 오염물에 의해 막히는 위험이 없거나 감소하는데, 그 이유는 구멍이 마찰 쌍의 움직이는 부분에 형성되기 때문이다. 움직이는 실링 모서리 및 이로써 통풍구에서 지속적인 탄성 변형은 경우에 따라 막히는 통풍구가 자체적으로 청소되도록 하는 기능을 한다. 바람직하게도 엘라스토머로 제조된 실의 제조에 사용되는 성형 공구는 간단하게 제조할 수 있다.

실의 양측 실링 립을 위한 실링면은 일반적으로 실의 마찰 파트너의 원통형 면에서 형성된다. 하지만 각 실이 독립적으로 실링면에서 임의의 회전 대칭적 형태로 접하는 것도 가능하다. 또한 각 실링 립이 이 독립적으로 원통형 실링면에 접하며, 이 원통형 실링면의 직경이 서로 다르게 하는 것도 가능하다.

실링 립은 일반적으로 방사상 방향에서 실링 접촉부에 대해 탄성이며 따라서 실링면에 대해 예하중을 갖거나 또는 적어도 그에 접한다. 이렇게 하는 경우에만 실이 불량한 공차에서도 틈새 없이 실링면에 접하는 것이 보장된다. 낮은 원주 속도로 인해 일반적으로 레이디얼 샤프트 실이 사용되는데, 그 실링 립은 샤프트 또는 샤프트 실링면에 접한다. 따라서 종래 기술에 따른 실에서 초기 상태에서 샤프트 실링면에 부착되지 않은 실링 립의 좁은 구멍에서 실링 모서리 사이의 최대 직경(d_I)이 각 실링 립이 존재하는 샤프트 실링면의 가능한 최소 직경(D_A)보다 작다. 샤프트에 실을 부착할 때 실링 립의 구멍이 실링면의 직경(D_A)으로 확장되고 예하중을 통해 실링면에 접한다.

실링 립이 실링면에 접할 때 가해지는 예하중은 d_I에 비해 D_A가 갖는 과잉 치수에 따라 결정된다. 이 과잉 치수는 총 공차에 따라 결정된다. 또한 예하중은 재료의 종류 및 실링 립의 형태에 따라 결정된다. 두꺼운 실링 립은 동일한 직경의 비교적 얇은 실링 립에 비해 더 큰 예하중으로 접하는데, 그 이유는 확장 시 더 많은 재료가 탄성으로 강제로 변형되고 압착되기 때문이다. 하지만 실링 립의 두께는 강도와 관련된 측면에서 한계를 갖는다. 따라서 예하중은 실링 립을 D_A로 확대할 때 압착되는 재료의 양에 따라 결정된다. 예하중이 너무 클 경우 증가된 마찰 저항, 온도 형성 및 과도한 마모가 발생한다.

꺾인 실링 립의 d_I가 조립하지 않은 상태에서 D_A보다 작을 경우, 샤프트를 실 구멍으로 조립할 때 조립용 보조 공구를 사용하지 않을 경우 실링 립이 축방향에서 젖혀지게 된다. 이러한 종류의 실을 조립할 때 서로 반대 방향으로 꺾인 실링 립으로 인해 공동의 실링면에서 실링 시트를 위해 조립용 보조 공구가 필요하다.

따라서 본 발명에 따른 실시 형태에서는, 양측 실링 립의 하나, 즉 바람직하게는 제1 실링 립이 실링 접촉부에서 방사상 방향으로 탄성으로 예하중 하에서 밀착되게 접하며 조립하지 않은 상태 및 탄성 예하중이 가해지지 않은 초기 상태에서 가능한 최대 개구 직경(d_I-1)을 가지며, 이 개구 직경은 하나의 실링 립과의 실링 접촉부에서 제1 실링면의 가능한 최소 외경(D_{A -1})보다 작다. 다른 실링 립, 즉 바람직하게도 제2 실링 립은 조립된 상태에서 적어도 방사상 방향에서 실링 접촉부에 접하지만 초기 상태에서는 최소 개구 직경(d_I-2)을 갖는데, 이 직경은 실링 립과의 실링 접촉부에서 제2 실링면의 가능한 최대 외경(D_{A -2})보다 크다. D_{A -1}은 일반적으로 D_A-2와 같다.

샤프트 또는 이와 유사한 것의 조립 시 접촉 없이 또는 적어도 예하중 없이 우선 개구(d_{I -2})를 통해 샤프트를 관통시킬 수 있고 이때 실링 립이 직경(d_I-1)으로 확장된다. 양측 실링 립이 공동의 베이스를 가지므로 확장과 함께 실링 립을 압착하는 재료 및/또는 베이스의 비켜남 동작은 d_{I -2}를 좁아지게 하므로, d_{I -2}가 적어도 D_{A -2}와 같다. 더 이상 조립용 보조 공구를 사용할 필요가 없다. 실에서의 예하중 및 이로써 마찰 접촉부에서의 마찰이 감소되는데, 그 이유는 제1 실링 립의 개구 직경의 확장 시 탄성으로 압착된 재료가 적어도 부분적으로나마 제2 실링 립의 개구 직경을 감소시키고 이로써 더 약한 탄성 예하중이 제1 실링 립에 가해지기 때문이다.

아래에서 본 발명은 실시예를 통해 상세히 설명된다.

도 1은 회전축(1a)을 따라 절개한 휠 베어링(1)의 부분 종단면도이며,

도 2에는 초기 상태에서 하우징에 부착되지 않은 실(4)이 전체도에서 도시되며,

도 3은 카세트 실(3)의 확대도이이며,

도 4는 도 2의 라인 IV-IV를 따라 절개한 실(4)의 종단면도이며,

도 5는 도 1의 Y부분에 대한 확대도이다.

도 1은 회전축(1a)을 따라 절개한 휠 베어링(1)의 부분 종단면도이다. 휠 베어링(1)은 두 개의 베어링(2), 하나의 카세트 실(3) 및 본 발명에 따른 실(4)을 포함한다. 베어링(2)은 하우징(5)에 안착되어 있다.

실(4)은 하우징(5)에서 오염물이 적게 노출된 휠 베어링(1) 측에 안착되어 있으며 베어링(2)의 내측 링(6)에 대해 밀폐한다. 도 2에는 초기 상태에서 하우징에 부착되지 않은 실(4)이 전체도에서 척도에 맞지 않게 도시되어 있다. 도 4는 도 2의 라인 IV-IV를 따라 절개한 실(4)의 종단면도를 나타낸다. 도 5는 도 1의 Y부분에 대한 확대도로서 척도는 무시된 도면이다.

실(4)은 보강부(7) 및 (제1) 실링 립(8) 및 (제2) 실링 립(9)을 포함한다. 실링 립(8)은 보강부(7)에서 베이스(12)로부터 외측으로 베어링(2)에서 멀어지게 꺾여 있으며 베이스(12)에서부터 내측 링(6)의 외측 둘레에서 실링면(15)을 구비한 실링 접촉부(14)의 실링 모서리(13)에까지 진행한다. 이로써 실링 립(8)이 휠 베어링(1)의 외부 환경(11)에 대해 전실(10)을 밀폐하고 외부 환경(11)에서 물 및 오염물이 전실(10)로 침입하는 것을 차단한다.

실링 립(9)은 보강부(7) 또는 베이스(9)에서 내측으로 베어링(2) 방향으로 꺾여 있으며 실링 립(8)과의 공동의 베이스(12)에서부터 실링면(15)의 실링 접촉 부(16)에까지 진행하며 이때 베이스(9)에서 멀어지게 전실(10)과 베어링 내부(17) 사이로 진행한다.

실링 립(8)은 외부 환경(11)에서부터 전실(10)로 안내되는 통풍구(18)를 포함한다. 통풍구(18)는 실링 모서리(13)에 있는 구멍이다. 실링 모서리(13)는 내측링(6)과의 실링 접촉부(14)에 있는 실링면(15)에 존재한다. 구멍은 부품의 실링면(15) 방향으로 열려 있고 따라서 이 방향에서 실링 립(8)의 재료에 의해 한정되지 않는다. 이로써 회전축(1a)을 중심으로 둘레로 닫힌 상태에서 밀폐하는 실링 립(8)이 실링 접촉부(14)의 실링 모서리(13)에서 통풍구(18)로 인해 회전축(1a)을 중심으로 한 둘레 방향에서 한 번 부분적으로 중단된다.

실링 립(8)은 방사상 방향에서 탄성의 예하중 상태로 밀폐되게 실링 접촉부(14)에 접한다. 이를 위해 실링 립(8)은 도 4에 도시한 조립되지 않은 및 탄성의 예하중이 없는 초기 상태에서 가능한 최대 개구 직경(d_I-1)을 갖는다. d_{I - 1}는 실링 립(8)과의 실링 접촉부(14)에서 실링면(15)의 가능한 최소 외경(D_{A -1})보다 작다. 실링 립(9)은 조립된 상태에서 적어도 방사상 방향에서 실링 접촉부(16)에 접하며 초기 상태에서 최소 개구 직경(d_I-2)을 갖는데, 이 직경은 실링 립(9)과의 실링 접촉부(16)에서 실링면(15)의 가능한 최대 외경(D_{A -1})보다 크다. 실링 립(8, 9)이 밀폐 상태로 내측링(6)에 접하는 경우, 실링 립(8)의 개구 직경이 D_{A -1}로 확대되며 실링 립(9)의 개구 직경은 D_{A -1}로 감소된다. 이때 실(4)이 종단면도에서 관찰할 때 베이 스(12) 및 환형으로 회전축(1a) 둘레로 진행하는 가상의 틸팅 축(23)만큼 실링면(15)의 방향에서 제2 실링 립(9)과 함께 틸팅된다.

카세트 실(3)(도 3)은 캐리어(19)에서부터 꺾인 세 개의 실링 립(20, 21, 22)을 포함하며, 이 실링 립은 외부 환경(11)으로부터의 환경 영향에 대해 베어링 내부(17)를 차단한다. 실링 립(9)은 그리스가 베어링 내부(17)에서부터 유출되는 것을 방지하며 이로써 베어링 내부(17)의 과압을 방지하는 기능도 한다. 베어링 내부(17)의 과압은 카세트 실(3)의 실링 립(20, 21, 22)을 통해 보상된다. 베어링 내부(17)의 부압은 실링 립(9)을 통해 보상된다. 전실(10) 내의 부압은 통풍구(18)로 인해 발생할 수 없으므로, 실링 립(9)을 통해 전실(10)에 대한 베어링 내부(17)의 부압을 보상할 때 전실(10) 내의 압력 보상은 통풍구(18)를 거쳐 외부 환경(11)에서부터 이루어진다.

본 발명은 실(seal)에 이용될 수 있다.

Claims (4)

1. 베어링(2)의 베어링 내부(17) 밀폐용 실(4)로서,

   - 환형 전실(10)과 실(4)의 외부 환경(11) 사이에서 제1 실링 립(8)이 실(4)의 베이스(12)에서부터 적어도 제1 실링 접촉부(14)에까지 외측으로 꺾이며,

   - 베어링 내부(17)와 전실(10) 사이에서 제2 실링 립(9)이 베이스(12)에서부터 적어도 제2 실링 접촉부(16)에까지 내측으로 꺾이고,

   - 제1 실링 립(8)은 외부에서 전실(10)로 안내되는 적어도 하나의 통풍구(18)를 포함하며,

   - 제1 실링 접촉부(14)에서 베어링(2)의 회전축(1a)을 중심으로 둘레로 닫힌 상태에서 밀폐하는 제1 실링 립(8)이 제1 실링 접촉부(14)에서 통풍구(18)로 인해 베어링(2)의 회전축(1a)을 중심으로 한 둘레 방향에서 한 번 부분적으로 중단되며,

   - 양측 실링 립(8, 9) 중 하나의 실링 립(8)이 실링 접촉부(14)에서 방사상 방향으로 탄성 예하중을 통해 밀착되게 접하고 이때 탄성 예하중이 없는 초기 상태에서는 가능한 최대 개구 직경(d_I-1)을 가지며, 이 직경은 실링 립(8)과의 실링 접촉부(14)에서 제1 실링면(15)의 가능한 최소 외경(D_A-1)보다 작고, 실링 립(8, 9)의 다른 실링 립(9)이 실링 접촉부(16)에서 적어도 방사상 방향으로 접하며 초기 상태에서 최소 개구 직경(d_I-2)을 갖는데, 이 개구 직경은 다른 실링 립(9)과의 실링 접촉부(16)에서 제2 실링면(15)의 가능한 최대 외경(D_A-2)보다 큰 것을 특징으로 하는 실.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 실링 면(15)이 공동의 외측 원통형의 외피면에 형성되는 것을 특징으로 하는 실.
4. 제1항에 따른 실을 구비한 휠 베어링 장치(1)로서, 베어링 내부(17)에서 실(4)에 대해 축방향으로 대향하게 배치된 카세트 실(3)을 포함하며, 카세트 실(3)이 제1 실링 립(8)에 대해 반대 방향으로 외측으로 꺾인 적어도 두 개의 제3 실링 립(20, 21, 22)을 포함하는 휠 베어링 장치.

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