KR101392504B1 - 고회전 및 고수평저항 스페리컬 베어링 - Google Patents

고회전 및 고수평저항 스페리컬 베어링 Download PDF

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김성규
지용수
방인석
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(주)알티에스
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Abstract

지진 발생 시 가속 후 충돌에 의한 부품 파손의 우려가 없어 수평저항능력이 뛰어나면서도 종래의 것에 비해 큰 경사를 허용할 수 있는 스페리컬 베어링이 개시된다. 상기 스페리컬 베어링은 상면과 하면 중 적어도 일면에 하방으로 또는 상방으로 볼록한 볼록구면이 형성되어 있는 구면블록, 상기 구면블록이 수용될 수 있는 홈이 형성되어 있는 홈부재 및 상기 홈에 삽입되어 상기 구면블록의 지지를 받거나 상기 구면블록을 지지하고 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되는 돌출부와 상기 돌출부에 연결되고 상기 홈 외부로 노출되는 노출부를 가지는 피스톤부재를 구비하여 구성되고, 상기 구면블록과 접촉되는 상기 홈의 바닥면과 상기 돌출부의 단부표면 중 적어도 하나에는 상기 볼록구면에 면접촉되어 상기 홈부재에 대한 상기 피스톤부재의 상기 경사를 허용하는 오목구면이 형성되어 있는 구성을 가진다.

Description

고회전 및 고수평저항 스페리컬 베어링{Spherical bearing allowing a large inclination and resisting a large horizontal load}
본 발명은 스페리컬 베어링의 개선에 관한 것으로, 특히 스페리컬 베어링의 구조와 재료를 변경하는 것에 의해 스페리컬 베어링의 성능을 개선하는 것에 대한 것이다.
도 1은 종래의 일 방향 슬라이딩 스페리컬 베어링의 일례를 나타낸 반폭단면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 A부위의 확대도이다.
도 1에 나타낸 일 방향 슬라이딩 스페리컬 베어링(100)은 교각 등의 하부구조물에 고정되며 상면에 구면홈(112)이 형성되어 있는 하부부재(110)와 저면이 평면을 이루며 교량상판 등의 상부구조물의 저면에 고정되는 상부부재(130) 및 하부부재(110)와 상부부재(130) 사이에 설치되어 상부구조물의 하중을 지지하면서 상부구조물의 회전을 허용하여 경사질 수 있게 하는 구면블록(150)을 구비하고 있다. 구면블록(150)의 하면에는 하방으로 볼록한 볼록구면(152)이 형성되어 있고, 상면은 평면(154)으로 형성되어 있다. 또한 구면블록(150)의 상면과 구면홈(112)의 상면에는 PTFE와 같은 미끄럼재(SM)가 각각 설치되어 있다.
도 2를 참조하면, 하부부재(110)의 측면에는 상부부재(130)가 일 방향으로만 이동하는 것을 안내하기 위한 측방돌출가이드부재(114)가 설치되어 있다. 이 측방돌출가이드부재(114)는 원통형 핀(115)을 통해 하부부재(110)의 측면에 설치되어 있으며, 하부부재(110)의 측면과 마주하는 부분은 상하 회동될 수 있도록 곡면으로 형성되어 있다. 측방돌출가이드부재(114)의 외면 쪽에는 PTFE로 된 미끄럼재(SM)가 결합되어 있다.
또한, 상부부재(130)의 가장자리에는 측방돌출가이드부재(114)의 안내를 받기 위해 하방으로 돌출된 하방돌출가이드부재(134)가 설치되어 있다. 이 하방돌출가이드부재(134)의 내면에는 스테인리스 스틸판 등으로 된 미끄럼재(SM)가 설치되어 있다.
도 1과 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 종래의 일 방향 슬라이딩 스페리컬 베어링(100)에서는, 상부부재(130) 위에 설치되는 상부구조물의 상하방향 회전에 의해 경사지는 것을 허용할 수 있도록 하기 위해 측방돌출가이드부재(114)의 내측면은 곡면으로 형성되어 있다. 이렇게 하는 경우, 측방돌출가이드부재(114)가 곡면 없이 하부부재(100)에 일체로 설치되는 경우에 비해, 측방돌출가이드부재(114)의 외측면과 하방돌출가이드부재(134)의 내측면의 간격을 많이 줄일 수 있다.
하지만, 도 1과 2에 나타낸 스페리컬 베어링(100)에 사용되는 측방돌출가이드부재(114)는 안쪽 면이 곡면으로 되어 있어 가공하기가 매우 어렵고, 원통형 핀(115)을 통해 설치된 상태에서도 원통형 핀(115)에 대해 상하로 회전을 할 수 있어야 하기 때문에 원통형 핀(115)과 홈의 가공도 까다롭고, 견고한 장착상태를 오래동안 계속 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.
그 외의 일반적인 일방향 스페리컬 베어링은 측방돌출가이드부재(114)가 곡면 없이 하부부재(100)에 일체로 설치되는 형태를 취하는 데, 이 경우에는 측방돌출가이드부재(114)의 외측면과 하방돌출가이드부재(134)의 내측면의 간격은 약 7 ~ 10㎜ 정도로, 적어도 5㎜ 이상으로 도 1과 2에 나타낸 것에 비해 훨씬 커져야 하고, 이 간격의 크기에 따라 상부구조물의 경사한계가 정해진다. 이에 따라 종래의 일 방향 슬라이딩 스페리컬 베어링에서는 수평방향의 지진 발생 시 위에서 설명한 간격 때문에 하부구조물에 고정된 하부부재(110)의 측방돌출가이드부재(114)가 가속된 후에 상부부재(130)의 하방돌출가이드부재(134)에 충돌되기 때문에 충동하는 두 부재 상호간에 큰 충격력이 작용되어 충돌부위가 파손될 우려가 있다. 이에 따라 가속 후 충돌될 때의 힘을 고려하여 설계하여야 하기 때문에 충돌부재의 두께를 증가시켜야 한다. 이는 종래의 스페리컬 베어링(100)은 수평방향의 지진력에 저항하는 능력이 떨어진다는 것을 의미한다. 이러한 현상은 고정단용 스페리컬베어링에서도 유사하게 발생된다. 그 이유는 고정단용 스페리컬 베어링에서도 측방돌출가이드부재(114)와 하방돌출가이드부재(134)가 이격되게 설치되어 있기 때문이다. 고정단용 스페리컬 베어링에서 측방돌출가이드부재(114)와 하방돌출가이드부재(134)는 직선이 아닌 원형으로 배치된 것이라는 점에서 일 방향 슬라이딩 스페리컬 베어링(100)과 차이가 있다.
또한, 종래의 스페리컬 베어링은, 특히, 측방돌출가이드부재(114)와 하방돌출가이드부재(134)가 상부부재(110) 및 하부부재(130)의 가장자리 부근에 설치되는 구조이기 때문에 경사 시에 방돌출가이드부재(114)와 하방돌출가이드부재(134)는 큰 회전반경을 가지는 결과를 초래한다. 이에 따라 종래의 스페리컬 베어링(100)은 작은 경사에도 측방돌출가이드부재(114)와 하방돌출가이드부재(134)간의 큰 틈새를 필요로 한다.
즉, 종래의 스페리컬 베어링은 일 방향 가동단용이든 고정단용이든 모두 곡면이 있는 측방돌출가이드부재(114)를 회전될 수 있게 설치하여야 하기 때문에 제작이 매우 까다롭고 유지보수가 어렵거나, 측방돌출가이드부재(114)와 하방돌출가이드부재(134) 사이에 큰 틈새를 주어야 하기 때문에 가속 후 충돌에 의한 부품 파손의 문제점을 가지고 있고, 이로 인해 수평저항 능력이 떨어진다는 문제점을 안고 있다.
큰 경사를 허용하기 위해 측방돌출가이드부재(114)의 외측면과 하방돌출가이드부재(134)의 내측면의 간격을 너무 크게 하면 가속 후 충돌에 의한 부품 파손의 위험이 커지고 또 각 가이드부재가 가이드부재로서의 제 역할을 다하지 못하게 되므로, 종래의 스페리컬 베어링에서는 허용 경사도를 크게 하기 어렵다.
종래의 스페리컬 베어링에서, 상기와 같은 가속 후 충돌에 의한 부품파손의 문제와 허용 경사도 증가문제는, 서로 상충되는 사안이기 때문에, 지금까지 두 문제를 동시에 해결할 방안을 찾지 못하고 있는 아주 고질적인 문제이다.
뿐만 아니라 종래의 스페리컬 베어링(100)은 하부부재에 대한 상부부재의 추가의 경사허용을 위해 그 가공 및 설치가 매우 어려운 곡면 가공된 가이드가 필요하고, 설치된 후에도 가이드가 장시간 견고한 상태를 유지하기 어렵다는 문제점도 더 가지고 있다.
본 발명의 목적은 기존에는 없던 새로운 형태의 스페리컬 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가속 후 충돌의 문제를 제거함으로써 부품파손의 우려가 없고 큰 수평저항 능력을 가지는 스페리컬 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 것에 비해 큰 경사를 허용할 수 있는 스페리컬 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 동일한 허용 경사각도에서 종래의 일방향 가동단용 또는 고정단용 스페리컬 베어링에 비해 상부부재와 하부부재 간의 수평방향 틈새의 간격을 줄일 수 있는 스페리컬 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가공하기가 매우 어려운 곡면가공 된 가이드가 필요치 않는 스페리컬 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 엔지니어링 플라스틱을 스페리컬 베어링 부품으로 효과적으로 이용할 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 지지능력이 뛰어난 스페리컬 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 스페리컬 베어링은 상면과 하면 중 적어도 일면에 하방으로 또는 상방으로 볼록한 볼록구면이 형성되어 있는 구면블록; 상기 구면블록이 수용될 수 있는 홈이 형성되어 있는 홈부재; 및 상기 홈에 삽입되어 상기 구면블록의 지지를 받거나 상기 구면블록을 지지하고 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되는 돌출부와 상기 돌출부에 연결되고 상기 홈 외부로 노출되는 노출부를 가지는 피스톤부재를 구비하여 구성되고,
상기 돌출부의 외주면과 상기 홈의 내벽면 중 적어도 하나에는 다른 하나를 향해 볼록하게 융기된 융기부가 형성되어 있고,
상기 구면블록과 접촉되는 상기 홈의 바닥면과 상기 돌출부의 단부표면 중 적어도 하나에는 상기 볼록구면에 면접촉되어 상기 홈부재에 대한 상기 피스톤부재의 상기 경사를 허용하는 오목구면이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 볼록구면은 상기 홈의 바닥면을 향해 볼록한 볼록구면이고, 상기 오목구면은 상기 홈의 바닥면에 형성된 오목구면이고, 상기 단부표면과 접촉되는 상기 구면블록의 표면과 상기 단부표면은 평면일 수 있다.
경우에 따라 상기 볼록구면은 상기 구면블록의 상면과 하면에 각각 형성되어 있고, 상기 오목구면은 상기 홈의 바닥면과 상기 단부표면에 각각 형성되어 있을 수 있다.
또, 경우에 따라 상기 볼록구면은 상기 단부표면을 향해 볼록한 볼록구면이고, 상기 오목구면은 상기 단부표면에 형성된 오목구면이고, 상기 홈의 바닥면과 접촉되는 상기 구면블록의 표면과 상기 홈의 바닥면은 평면일 수 있다.
상기 돌출부의 일측 외주면 둘레는 상기 융기부를 통해 상기 홈의 내벽면에 접촉된 채로 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되어 있는 것이 바람직하다.
경우에 따라, 상기 돌출부의 일측 외주면 둘레는 상기 융기부를 통해 상기 홈의 내벽면과 2㎜ 범위 내로 이격된 채로 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되어 있을 수 있다.
상기 구면블록은 엔지니어링 플라스틱으로 된 것이 바람직하다.
상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리아미드(PA: Polyamide), 폴리아세탈(Polyacetal), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate), 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin), 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone), 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide), 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide), 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole), 폴리이미드(PI: Polyimide), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone) 중 어느 하나이고, 쇼어경도 75D 내지 95D인 것이 좋다.
상기 구면블록 둘레에 상기 홈부재의 바닥과 상기 단부표면에 의해 압축되어 상기 구면블록이 지지해야할 하중의 일부를 분담하여 지지하고 상기 구면블록의 측면을 조여서 상기 구면블록의 지지능력을 향상시키는 압축고무가 채워져 있을 수 있다.
어떤 경우에는, 상기 구면블록은 금속이고, 상기 구면블록과 상기 바닥면 및 상기 구면블록과 상기 단부표면의 접촉면에는 미끄럼재가 각각 설치되어 있을 수 있다.
상기 홈부재 반대편의 상기 노출부에 일 직선방향으로 돌기 또는 홈으로 된 안내부가 형성되어 있고, 상기 홈부재 반대편의 상기 노출부의 표면에는 상기 안내부에 결합되어 상기 안내부를 따라 이동되는 홈 또는 돌기로 된 피안내부를 가지는 슬라이드부재가 결합되어 있을 수 있다.
상기 노출부의 양 측면에 일 직선방향으로 평행하게 배치된 안내부가 형성되어 있고, 상기 홈부재 반대편의 상기 노출부 표면에는 내측면이 상기 안내부에 접촉되어 상기 안내부의 안내를 받는 평행하게 배치된 피안내부가 형성되어 있는 슬라이드부재가 결합되어 있을 수 있다.
경우에 따라, 상기 구면블록은 고력황동이고, 상기 구면블록의 표면에는 홈이 형성되어 있고, 상기 홈에는 흑연 또는 윤활재가 채워져 있을 수 있다.
위와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 스페리컬 베어링은 스페리컬 베어링의 특징과 폿베어링(pot bearing)의 특징이 융합되어 이루어진 신개념의 스페리컬 베어링으로서, 기존의 스페리컬 베어링에서는 기대할 수 없었던 아래에서 설명되는 바와 같은 탁월한 효과를 제공한다.
본 발명에 따르는 경우, 홈부재와 피스톤부재 간에 가속 후 충돌의 문제가 생기지 않아서 부품파손의 우려가 없어 큰 수평저항력을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면 가속 후 충돌에 의한 부품파손현상에 따른 수평저항력 저하를 제거하면서도 상부구조물의 허용 경사도를 기존의 것에 비해 크게 할 수 있어 기존 스페리컬 베어링에서 해결할 수 없었던 고질적인 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 가공하기가 매우 어려운 곡면가공 된 가이드가 필요치 않아 스페리컬 베어링을 제작하기가 용이하다.
본 발명에 따르는 경우, 고정단용 스페리컬 베어링과 일 방향 가동단용 스페리컬 베어링을 다양하게 만들 수 있고, 구면블록의 지지능력도 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 스페리컬 베어링의 부품으로 엔지니어링 플라스틱을 효율적으로 이용할 수 있다.
본 발명을 이용하는 경우, 종래의 일방향 가동단용 또는 종래의 고정단용 스페리컬 베어링에 비해 같은 각도의 허용경사에서 상부부재와 하부부재 간의 수평방향 틈새의 간격을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 일 방향 슬라이딩 스페리컬 베어링의 일례를 나타낸 반폭단면도,
도 2는 도 1에 나타낸 A부위의 확대도,
도 3은 본 발명에 따른 고정단용 스페리컬 베어링의 일례를 나타낸 분리사시도이고,
도 4는 도 3에 나타낸 고정단용 스페리컬 베어링이 설치된 상태의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 일 방향 가동단용 스페리컬 베어링의 일례를 나타낸 단면도,
도 6은 도 5의 변형 예를 나타낸 스페리컬 베어링의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링의 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도,
도 8은 도 7에 나타낸 구면블록 대용으로 사용될 수 있는 구면블록의 다른 예를 나타낸 사시도,
도 9는 도 3과 4에 나타낸 스페리컬 베어링의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 10은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링의 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링의 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도,
도 12는 도 4에 나타낸 스페리컬 베어링의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 고정단용 스페리컬 베어링의 일례를 나타낸 분리사시도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 고정단용 스페리컬 베어링이 설치된 상태의 단면도이다.
도 3과 4에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)은 상면이 평면(212)이고 하면은 아래로 볼록한 볼록구면(214)으로 이루어진 플라스틱으로 된 구면블록(210)을 구비하고 있다. 여기에서, 플라스틱으로는 엔지니어링 플라스틱이 적당하다.
엔지니어링 플라스틱으로는 그 쇼어(shore) 경도가 최소한 75D 이상 되는 것이어야 한다. "D"는 경도가 D타입 쇼어 경도임을 의미한다. 이 쇼어 경도는 듀로미터(durometer)로 알려진 장치로 측정된다. 경도가 75D 미만인 너무 작은 것을 사용하는 경우, 기존의 금속재 베어링 블록의 기준대로 만들어진 엔지니어링 플라스틱으로 된 구면블록은 기존 PTFE의 설계 압축강도인 약 450㎏/㎠ 정도의 하중에 대해서도 처짐이 과도하게 발생하고, 접촉대상물에 미끄럼재가 설치되어 있거나 크롬도금층이 형성되어 있는 경우 그 접촉하는 부분에서 너무 팽창되어 크랙(crack)이 발생되는 경우가 있었다.
그리고 450㎏/㎠ 정도의 하중에 대한 처짐이 전혀 발생되지 않도록 할 수는 없지만, 엔지니어링 플라스틱의 경도가 76D, 77D, 78D, 79D, 80D, 81D, 82D, 83D …와 같이 점점 높아지는 경우 처짐은 점점 줄어들고, 경도가 83D 정도에 이르면 처짐은 무시할 수 있게 된다.
하지만, 구면블록을 경도가 95D를 초과하는 너무 큰 경도의 엔지니어링 플라스틱을 사용하여 만드는 경우, 구면블록의 취성이 커져서 본 발명에 따른 스페리컬 베어링으로 사용하기에 적절하지 않게 된다.
경도범위는 75D ~ 95D인 엔지니어링 플라스틱이 본 발명에 따른 구면블록(210)의 제작에 사용될 수 있고, 여기에 최적으로 적용될 수 있는 것은 경도범위가 83D ~ 85D인 것이다.
특히, 경도가 83D ~ 85D인 엔지니어링 플라스틱과 기존에 미끄럼재로 사용되던 PTFE에 대하여 마모율 테스트 결과 PTFE가 0.63 ~ 47.00%의 마모율을 나타내는 동안 경도가 83D ~ 85D인 엔지니어링 플라스틱은 동일조건 하에서 0.00 ~ 0.33%와 같은 매우 낮은 놀라운 마모율을 보여주었다.
이러한 구면블록(210)의 정적 마찰계수(스테인리스 스틸에 대한 정적 마찰계수)는 0.1보다 작은 것이 좋다. 일반 교량에 사용하기 위한 것은 엔지니어링 플라스틱으로 된 구면블록(210)의 정적 마찰계수는 0.05 이하인 것이 더 바람직하다.
구면블록(210)의 탄성계수(modulus of elasticity)는 2,000 ~ 5,000 Mpa가 적당하고, 파단신율(tensile elongation at break)은 15% 이상 되어야 한다.
마찰계수가 큰 것은 구면블록(210)의 표면 또는 상대면에 오목홈들을 형성하고 이 홈들에 그리스(grease)와 같은 윤활재를 채워서 사용할 수 있음은 물론이다.
본 발명자는 연구과정을 통해, 여러 종류의 엔지니어링 플라스틱들 중 위에서 설명한 본 발명에 따른 면진장치 및 이를 위한 베어링 블록, 하부부재, 상부부재 등의 면진장치 부품을 구성하기 위한 위의 조건들을 만족하는 것은 폴리아미드(PA: Polyamide)로 된 것, 폴리아세탈(POM: Polyacetal or Polyoxymethylene)로 된 것, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate)로 된 것, 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin)로 된 것, 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone)으로 된 것, 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide)로 된 것, 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide)로 된 것, 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole)로 된 것, 폴리이미드(PI: Polyimide)로 된 것 및 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone)으로 된 엔지니어링 플라스틱임을 알 수 있었다.
상기와 같은 엔지니어링 플라스틱 중, 본 발명에 따른 베어링 블록, 하부부재, 상부부재 등의 면진장치 부품으로 만들기에 적합한 것은 밀도가 1.14 ~ 1.15 g/㎤이고, 압축강도가 950 ~ 1,100 ㎏/㎠ 정도인 것이다.
그리고 구면블록(210)으로 사용하기 위한 것은 0 ~ 400㎜/s의 속도범위에서, 스테인리스 스틸에 대한 동적마찰계수는, 하중이 18Mpa의 경우에는 0.08 ~ 0.15, 하중이 35Mpa의 경우에는 0.04 ~ 0.10, 하중이 69Mpa인 경우에는 0.03 ~ 0.08인 것이 적당하다.
구면블록(210)을 위에서 설명한 바와 같은 엔지니어링 플라스틱으로 만드는 경우, 첫째, 종래 면진장치의 금속재 구면블록을 만드는 경우에 비해 월등하게 수월하고, 무게가 가볍기 때문에 운송, 보관 및 설치작업이 용이하고, 마찰부위에 PTFE와 같은 미끄럼재를 설치할 필요가 없고, 습기가 많은 곳 등에서 쉽게 부식되는 단점을 없앨 수 있다.
그리고 미끄럼재 설치를 위한 구면바닥홈을 설치할 필요가 없어 만들기 수월하다. 금속재에 구면바닥홈을 형성하는 것은 매우 어렵고 시간이 많이 걸리는 작업인 데, 본 발명에서는 이런 작업이 필요치 않다.
또한 본 발명에 따르면 플라스틱의 표면에 구면을 형성하면 되므로, 기존 면진장치의 금속재 구면블록에 구면을 형성하는 것에 비해 구면을 형성하기가 월등히 수월하다.
이러한 구면블록(210)의 볼록구면(214)은 경우에 따라 상면에 형성되거나 상면과 하면 모두에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)은 구면블록(210)이 수용될 수 있는 홈(232)이 형성되어 있는 홈부재(230)를 구비하고 있다. 이 홈부재(230)는 기초볼트(B)와 너트(N) 등을 통해 교각 등의 하부구조물(10)에 고정되어 설치되는 것으로, 바람직하게 금속으로 만들어진다. 기초볼트(B)와 너트(N) 대신 다른 고정수단이 이용될 수 있음은 물론이다. 홈(232)은 구면블록(210)이 수용된 상태에서 구면블록(210) 위쪽에 뒤에서 설명되는 피스톤부재(250)의 돌출부(252)가 삽입될 수 있는 여유를 가지고 있어야 하므로 구면블록(210)의 높이보다 충분히 깊게 형성되어야 한다. 홈(232)의 바닥은 볼록구면(214)과 면접촉될 수 있도록 오목구면(234)으로 형성되어 있다. 구면블록(210)과 접촉되는 오목구면(234)의 표면에는 크롬도금층이나 스테인리스 스틸판과 같은 미끄럼재(234a)를 설치하여 엔지니어링 플라스틱으로 된 구면블록(210)과의 마찰력을 줄이는 것이 바람직하다. 이러한 홈부재(230)는 경우에 따라 위에서 설명한 엔지니어링 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 이 경우 오목구면(234)의 표면에 크롬도금층이나 스테인리스 스틸판과 같은 미끄럼재를 설치할 필요가 없다.
본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)은 피스톤부재(250)를 구비하고 있다. 이 피스톤부재(250)는 교량상판 등의 상부구조물(20)의 저면에 용접 등에 의해 고정되는 것으로, 바람직하게 금속으로 만들어진다. 고정방식은 상부구조물(20)의 재료에 따라 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 이 피스톤부재(250)는 저면에 하방으로 돌출되게 형성되고 하단 일부가 홈(232)에 삽입되어 구면블록(210)의 지지를 받는 돌출부(252)가 형성되어 있다. 구면블록(210)을 향하는 돌출부(252)의 단부표면(254)은 구면블록(210)의 상면과 면접촉될 수 있도록 평면으로 형성되어 있다. 이러한 단부표면(254)에는 크롬도금층이나 스테인리스 스틸판과 같은 미끄럼재(254a)를 설치하여 엔지니어링 플라스틱으로 된 구면블록(210)과의 마찰력을 줄이는 것이 바람직하다.
또한, 돌출부(252)는 하단부 외주면 둘레에 바깥으로 돌출된 융기부(252a)를 구비하여 바람직하게, 홈(232)의 내벽면에 접촉된 채로 홈부재(230)에 대해 경사 가능케 설치되어 있다. 이에 따라 피스톤부재(250)는 지진이 발생되어 수평방향으로 힘을 받더라도 처음부터 홈(232)의 내벽면에 접촉되어 있으므로 가속 후 충돌현상이 발생되지 않는다. 이 돌출부(252) 상부에는 홈(232) 외부로 노출되는 노출부(256)가 배치되어 있다. 이 노출부(256)는 용접 등에 의해 상부구조물 저면에 고정된다. 경우에 따라, 노출부(256)는 상부구조물의 저면에 고정되지 않고, 안내부를 형성하여 그 위쪽의 다른 부재를 안내하는 역할을 할 수도 있는 데, 이에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.
돌출부(252)가 홈(232)의 내벽면에 약 2㎜ 이내로 미세하게 떨어진 상태로 이격되어 있는 경우에는 가속 후 충돌의 영향이 미미하여 종래의 것에 비해 향상된 효과를 누릴 수 있고, 이 경우 역시 본 발명의 범위에 속한다.
상기와 같은 피스톤부재(250) 또한 경우에 따라 엔지니어링 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 이 경우 단부표면(254)에 크롬도금층이나 스테인리스 스틸판을 설치할 필요가 없다.
도 3과 4에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)은 높이변화 없이 제자리에서 상부구조물을 지지하면서 수평방향이동은 제한하고 경사는 허용하여야 하는 고정단용 구조물 지지장치로 사용된다.
이 실시 예에서, 경사 시의 피스톤부재(250)의 회전운동은 볼록구면(214) 또는 오목구면(234)의 곡률반경을 이루는 선분의 상단을 중심으로 이루어진다. 도 3과 4에서 구면블록(210)의 회전중심은 구면블록(210) 위쪽에 존재한다.
도 3과 4에 나타낸 바와 같은 스페리컬 베어링(200)은 상하로 뒤집힌 형태로 설치되어 사용될 수 있고, 이는 이하에서 설명되는 다른 실시 예들에서도 마찬가지이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 방향 가동단용 스페리컬 베어링의 일례를 나타낸 단면도이다.
경우에 따라 피스톤부재(250) 상면에 상방으로 돌출되고 일 방향으로 직선으로 배치된 돌기형태의 안내부(258)를 형성하고 피스톤부재(250) 위에 안내부(258)의 안내를 받으면서 슬라이딩될 수 있고 상부구조물의 저면에 고정되는 슬라이드부재(270)가 결합되어 있을 수 있다.
슬라이드부재(270)의 저면에는 돌기형태의 안내부(258)에 결합되어 안내를 받는 홈형태의 피안내부(272)가 형성되어 있다. 안내부(258)와 피안내부(272)는 그 형태를 서로 바꾸어 형성될 수 있다. 즉, 안내부(258)를 직선 홈형태로 형성하고 피안내부(272)를 직선 돌기형태로 형성하여 본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)을 구성할 수 있다.
이 경우, 피스톤부재(250)와 슬라이드부재(270)가 마찰되는 마찰면 부위에는 PTFE 등으로 된 미끄럼재(260)와 스테인리스 스틸판 등으로 된 대응 미끄럼재(274)를 각각 설치하여 슬라이드부재(270)가 작은 마찰력으로 슬라이드 될 수 있도록 하는 것이 좋다.
도 5에 나타낸 바와 같은 스페리컬 베어링(200)은 지지하는 구조물에 대해 일 방향으로 수평변위 하는 것을 허용하면서 경사지는 것을 허용한다.
슬라이드부재(270)에 대한 경사는 구면블록(210)과 피스톤부재(250)가 받아주므로 안내부(258)와 피안내부(272)는 슬라이딩을 방해하지 않는 한도 내에서 최대한 밀착되게 설치할 수 있다. 또한, 피스톤부재(250)는 홈(232)의 내벽면에 접촉되어 있다.
따라서 본 발명에 따른 일 방향 가동단용 스페리컬 베어링(200)에서도 지진 발생 시에 안내부(258)에 수직한 방향으로는 안내부(258)와 피안내부(272) 간에 가속 후 충돌의 현상은 생기지 않는다. 안내부(258)의 길이 방향으로는 지지하고 있는 상부구조물의 슬라이딩을 허용하여 면진기능을 할 수 있다.
나머지 사항은 도 3과 4를 통해 설명한 것과 같다.
도 6은 도 5의 변형 예를 나타낸 스페리컬 베어링의 단면도이다.
경우에 따라 피스톤부재(250)의 노출부(256) 양 측면에 일 직선방향으로 평행하게 안내부(259)를 형성하고, 홈부재(230) 반대편의 노출부(256) 표면에 안내부(259)의 안내를 받는 슬라이드부재(270)를 설치하여 본 발명에 따른 일 방향 가동단용 스페리컬 베어링(200)을 구성할 수 있다. 슬라이드부재(270)에 설치되는 피안내부(273)는 내측면이 안내부(259)에 접촉되어 안내부(259)의 안내를 받을 수 있도록 간격을 두고 평행하게 배치되어 있고, 홈부재(230)를 향해 돌출되어 있다. 또한, 슬라이드부재(270)와 피스톤부재(250) 간의 대응 접촉면에는 바람직하게 PTFE와 스테인리스 스틸판 등으로 된 미끄럼재(260, 274)가 각각 설치되어 있다.
도 6에 나타낸 실시 예에 따른 스페리컬 베어링(200) 역시 슬라이드부재(270)에 대한 경사는 구면블록(210)과 피스톤부재(250)가 받아주므로 안내부(259)와 피안내부(273)는 슬라이딩을 방해하지 않는 한도 내에서 최대한 밀착되게 설치할 수 있고, 피스톤부재(250)는 홈(232)의 내벽면에 접촉되어 있다.
이에 따라 도 6의 스페리컬 베어링(200) 또한 지진 발생 시에 안내부(259)에 수직한 방향으로는 가속 후 충돌하는 현상은 생기지 않고, 안내부(259)의 길이 방향으로는 지지하고 있는 상부구조물의 슬라이딩을 허용하여 면진기능을 할 수 있다.
나머지 사항은 도 5를 통해 설명한 것과 같다.
도 7은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링의 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도, 도 8은 도 7에 나타낸 구면블록 대용으로 사용될 수 있는 구면블록의 다른 예를 나타낸 사시도이다.
경우에 따라, 구면블록(210)으로는 기존의 스페리컬 베어링에 사용해오고 있는 금속제로 된 것을 이용할 수 있다. 이 경우, 구면블록(210)에는 PTFE 등의 미끄럼재(213)를 설치하는 것이 바람직하다.
미끄럼재(213)로는 판형태의 PTFE 대신에 엔지니어링 플라스틱판이나 우븐 PTFE(woven PTFE) 등이 이용될 수 있다.
경우에 따라, 구면블록(210)으로는 도 8에 나타낸 바와 같은 고력황동으로 만든 것이 이용될 수 있다. 이 경우, 구면블록(210)의 표면에는 작은 홈(215)들을 형성하고, 이 홈(215)들에 흑연(216)이나 그리스를 채워서 PTFE 등의 미끄럼재(213) 대신 사용할 수 있다.
구면블록(210)의 대응 마찰면에는 크롬도금을 하거나 스테인리스 스틸판을 설치하는 것이 좋다.
도 7과 8에 나타낸 실시 예에 따른 스페리컬 베어링(200)은 구면블록(210)을 홈부재(230)의 홈(232)에 수용시킨 상태에서 홈(232)에 삽입되는 피스톤부재(250)의 돌출부(252)를 지지하거나 돌출부(252)의 지지를 받도록 하여 수직방향의 완충 및 높이변화 없이 상부구조물을 지지하면서 경사는 허용하되 지진 발생 시 수평방향으로 가속 후 충돌되는 현상이 생기지 않도록 한 점에서 기존의 스페리컬 베어링과 차이가 있다.
나머지는 도 3과 4를 통해서 앞에서 설명한 것과 같다.
도 9는 도 3과 4에 나타낸 스페리컬 베어링의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
경우에 따라 엔지니어링 플라스틱으로 만들어진 구면블록(210)의 하면은 평면(212)으로 형성하고 상면에 상방으로 볼록한 볼록구면(214)을 형성하여 본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)을 구성할 수 있다. 이 경우, 홈(232)의 바닥은 평면으로 형성하여야 하고, 피스톤부재(250)의 돌출부(252) 단면에 형성되는 단부표면(254)에는 오목구면(255)을 형성하여야 한다. 또한, 돌출부(252)의 하단부 가장자리는 홈(232)의 내벽면에 접촉되어 있다.
구면블록(210)과 접촉되는 대응면에는 크롬도금을 하거나 스테인리스 스틸판을 부착하는 것이 바람직하다.
이 실시 예에서, 경사 시의 피스톤부재(250)의 회전운동은 볼록구면(214) 또는 오목구면(255)의 곡률반경을 이루는 선분의 하단을 중심으로 이루어진다. 도 8에서 피스톤부재(250)의 회전중심은 구면블록(210) 아래쪽에 존재한다.
나머지 사항은 도 3과 4를 통해서 설명한 것과 같다.
도 10은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링의 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도이다.
경우에 따라, 엔지니어링 플라스틱으로 된 구면블록(210)의 상, 하 양면 모두에 볼록구면(214)을 형성하고, 홈(232)의 바닥면과 돌출부(252)의 단부표면(254)에 오목구면(234, 255)을 형성하여 본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)을 구성할 수 있다. 이는 도 5 및 6의 경우에도 그대로 적용될 수 있다. 이 경우 역시 구면블록(210)과 접촉되는 대응면에는 크롬도금을 하거나 스테인리스 스틸판을 부착하여두는 것이 바람직하다.
도 10에 나타낸 바와 같이 구면블록(210)의 상하 양면에 볼록구면(214)을 형성하는 경우, 피스톤부재(250)의 회전중심은 구면블록(210)의 위쪽과 아래쪽 양쪽에 존재하기 때문에 다양한 자세로 경사질 수 있어 작용하는 하중에 맞게 적응적으로 응력분산이 이루어질 수 있다.
나머지는 도 3과 4를 통해 설명한 것과 같다.
도 11은 본 발명에 따른 스페리컬 베어링의 또 다른 실시 예를 나타낸 단면도이다.
경우에 따라, 홈(232)의 내부 엔지니어링 플라스틱으로 된 구면블록(210) 둘레에 고무(280)를 삽입하여 구면블록(210)의 외주면을 조여주도록 하여 구면블록(210)의 지지력을 보강하여줄 수 있다. 고무(280)는 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이 구면블록(210)보다 높은 것을 구면블록(210) 둘레의 홈(232)에 삽입하는 것이 좋다. 이 때 고무(280) 바깥쪽으로는 압축되는 고무가 채워질 수 있도록 여유 공간을 남겨두는 것이 바람직하다. 이렇게 구면블록(210) 둘레의 홈(232)에 삽입된 고무(280)는 홈(232)의 바닥과 돌출부(252)의 단부표면(254)에 의해 압축되면 높이가 줄어들고, 높이가 줄어드는 것에 비례하여 옆으로 퍼지게 된다. 이에 따라 압축된 고무(280)는 홈(232) 내부의 제한된 공간 내에서 빈 공간을 채우고 구면블록(210)을 조여 줄 수 있게 된다. 이에 따라 구면블록(210)의 하중지지능력이 향상된다.
또한, 고무(280)는 압축되면서 구면블록(210)이 지지해야할 하중의 일부를 분담하여 지지하는 역할도 하게 된다.
도 11을 통해 설명한 바와 같은 고무(280)의 기능은 앞에서 설명한 여타의 실시 예에서도 그대로 적용될 수 있다.
나머지는 도 3과 4를 통해 설명한 것과 같다.
도 12는 도 4에 나타낸 스페리컬 베어링의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
경우에 따라 돌출부(252)는 일정한 직경으로 형성하는 대신에 홈(232)의 내벽면 상단부에 안쪽으로 볼록하게 융기부(232a)를 형성하여 피스톤부재(250)가 전, 후, 좌, 우로 경사질 수 있도록 하여 본 발명에 따른 스페리컬 베어링(200)을 구성할 수 있다.
경우에 따라, 돌출부(252)의 외주면과 홈(232)의 내벽면 양쪽 모두에 서로를 향해 볼록한 융기부를 형성할 수 있음은 물론이다.
나머지 사항은 도 3과 4를 통해 설명한 것과 같다.
본 발명은 교량이나 건축물 등의 중량구조물을 지지하는 스페리컬 베어링을 만드는 데 이용될 가능성이 있다.
200: 스페리컬 베어링 210: 구면블록
214: 볼록구면 230: 홈부재
232: 홈 234, 254: 오목구면
250: 피스톤부재 252: 돌출부
256: 노출부 258, 259: 안내부
270: 슬라이드부재 272, 273: 피안내부
280: 고무

Claims (14)

  1. 상면과 하면 중 적어도 일면에 하방으로 또는 상방으로 볼록한 볼록구면이 형성되어 있는 구면블록;
    상기 구면블록이 수용될 수 있는 홈이 형성되어 있는 홈부재; 및
    상기 홈에 삽입되어 상기 구면블록의 지지를 받거나 상기 구면블록을 지지하고 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되는 돌출부와 상기 돌출부에 연결되고 상기 홈 외부로 노출되는 노출부를 가지는 피스톤부재를 구비하여 구성되고,
    상기 돌출부의 외주면과 상기 홈의 내벽면 중 적어도 하나에는 다른 하나를 향해 볼록하게 융기된 융기부가 형성되어 있고,
    상기 구면블록과 접촉되는 상기 홈의 바닥면과 상기 돌출부의 단부표면 중 적어도 하나에는 상기 볼록구면에 면접촉되어 상기 홈부재에 대한 상기 피스톤부재의 상기 경사를 허용하는 오목구면이 형성되어 있고,
    상기 구면블록은 엔지니어링 플라스틱으로 된 것이고,
    상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리아미드(PA: Polyamide), 폴리아세탈(Polyacetal), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate), 폴리설폰수지(PSU: Polysulfone resin), 폴리에테르 설폰(PES: Polyether sulfone), 폴리페닐렌 설파이드(PPS: Polyphenylene sulphide), 폴리페닐렌설폰(PPSU: Polyphenylene sulfone), 폴리에테르이미드(PEI: Polyether imide), 폴리아미드이미드(PAI: Polyamide imide), 폴리벤지미다졸(PBI: Polybenzimidazole), 폴리이미드(PI: Polyimide), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK: Polyether ether ketone) 중 어느 하나이고, 쇼어경도 75D 내지 95D이고,
    상기 홈부재 반대편의 상기 노출부에 일 직선방향으로 돌기 또는 홈으로 된 안내부가 형성되어 있고, 상기 홈부재 반대편의 상기 노출부의 표면에는 상기 안내부에 결합되어 상기 안내부를 따라 이동되는 홈 또는 돌기로 된 피안내부를 가지는 슬라이드부재가 결합되어 있거나,
    상기 노출부의 양 측면에 일 직선방향으로 평행하게 배치된 안내부가 형성되어 있고, 상기 홈부재 반대편의 상기 노출부 표면에는 내측면이 상기 안내부에 접촉되어 상기 안내부의 안내를 받는 평행하게 배치된 피안내부가 형성되어 있는 슬라이드부재가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 볼록구면은 상기 홈의 바닥면을 향해 볼록한 볼록구면이고, 상기 오목구면은 상기 홈의 바닥면에 형성된 오목구면이고,
    상기 단부표면과 접촉되는 상기 구면블록의 표면과 상기 단부표면은 평면인 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
  3. 제1항에 있어서, 상기 볼록구면은 상기 구면블록의 상면과 하면에 각각 형성되어 있고, 상기 오목구면은 상기 홈의 바닥면과 상기 단부표면에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
  4. 제1항에 있어서, 상기 볼록구면은 상기 단부표면을 향해 볼록한 볼록구면이고, 상기 오목구면은 상기 단부표면에 형성된 오목구면이고,
    상기 홈의 바닥면과 접촉되는 상기 구면블록의 표면과 상기 홈의 바닥면은 평면인 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
  5. 제1항에 있어서, 상기 돌출부의 일측 외주면 둘레는 상기 융기부를 통해 상기 홈의 내벽면에 접촉된 채로 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
  6. 제1항에 있어서, 상기 돌출부의 일측 외주면 둘레는 상기 융기부를 통해 상기 홈의 내벽면과 2㎜ 범위 내로 이격된 채로 상기 홈부재에 대해 경사 가능케 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구면블록 둘레에 상기 홈부재의 바닥과 상기 단부표면에 의해 압축되어 상기 구면블록이 지지해야할 하중의 일부를 분담하여 지지하고 상기 구면블록의 측면을 조여서 상기 구면블록의 지지능력을 향상시키는 압축고무가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 스페리컬 베어링.
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