KR102453583B1 - 스프링을 이용한 분할 케이지 결합구조를 갖는 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온 환경에서 사용가능한 베어링의 분할 케이지 구조에 관한 것으로, 내륜과 외륜 사이에 구비되고, 두 개의 마주보는 제1 및 제2케이지로 이루어지는 분할케이지(150,160); 상기 제1 및 제2케이지를 결합하는 리벳(200); 상기 리벳의 외주면에 체결되고 상기 제1 및 제2케이지가 서로 접하는 방향으로 힘을 가하는 스프링(250);을 포함하고, 상기 리벳은, 제1몸체부(210)와, 제1몸체부보다 직경이 작은 제2몸체부(220)와, 상기 제1몸체부와 제2몸체부 사이에 직경 차이로 형성되는 리벳 단턱부(215)를 포함하고, 상기 스프링은 상기 리벳 단턱부에 체결되는 접시스프링인 것이 특징이다.

Description

스프링을 이용한 분할 케이지 결합구조를 갖는 베어링{BEARING WITH SEPARATION CAGE COMBINING STRUCTURE USING SPRING}

본 발명은 스프링을 이용한 분할 케이지 결합구조를 갖는 극저온 베어링에 관한 것으로, 구체적으로는 극저온 환경에서 사용가능한 베어링의 분할 케이지 구조로서, 분할된 케이지를 리벳으로 결합한 경우 극저온 환경에서 재료의 수축에 따라 발생가능한 케이지 간극발생을 스프링을 이용하여 방지할 수 있도록 한 기술에 대한 것이다.

일반적으로, 베어링은 크게 슬라이딩 베어링, 볼베어링, 롤러베어링 등으로 대별할 수 있다. 이들 중 볼베어링은 내륜과 외륜 사이에 위치하는 전동체를 볼로 사용하는 베어링이며, 케이지는 베어링의 내륜과 외륜 사이에 있는 볼 또는 롤러를 일정한 위치로 잡아주는 역할을 하여 베어링의 내륜, 외륜 궤도면에 균일하게 하중이 배분되도록 하는 역할을 한다. 또한, 회전시 발생하는 마찰열, 토크 등 최소화하여 저진동, 저소음 등에 중요한 역할을 한다.

볼 베어링의 케이지의 형상 중 하나의 예로서 도 1에서 분할 케이지를 도시하고 있다. 그림에서는 설명의 편의상 내륜과 외륜은 생략되었고, 도면번호 30이 볼이다. 두 개의 분할된 케이지(10, 20)가 서로 마주보면 결합된 형상이며, 횡방향으로 결합을 위한 리벳(70)이 체결되는 체결홀(50)이 형성된다. 상기 체결홀에는 리벳을 장착하여 분할케이지를 결합하게 된다.

그런데, LNG의 충진, 반송, 배출시 사용하는 특수펌프에 사용되는 베어링은 약 -160 ℃ 상태의 극저온 환경에서 사용되고 있으며, 베어링의 케이지는 이러한 온도 환경에서 치수변화가 발생하면서 변형, 균열, 파괴의 현상이 빈번하게 발생되고, 경도 저하로 인해 기능이 크게 저하되며, 수명이 크게 단축되는 문제점이 있었다.

도 2에 도시된 바와 같이, 분할 케이지(10, 20)가 PTFE 계열 소재로 제작된 경우 극저온 환경에서 심하게 수축되는 경향이 있고, 저온 상태의 재료 수축에 따라 이들 분할 케이지 사이에는 간극(80)이 발생하게 되는데, 이러한 간극은 고속 회전시 마찰 토오크가 증가하고 이로 인해 케이지의 마모와 손상이 발생하는 등 문제가 있다.

본 발명은 극저온의 환경에서도 사용이 가능한 베어링으로서, 특히 극저온 환경에서 소재 수축이 발생하는 경우에도 분할케이지의 체결력을 유지할 수 있는 기술을 제공하는 것이 목적이다.

본 발명은, 내륜과 외륜 사이에 구비되고, 두 개의 마주보는 제1 및 제2케이지로 이루어지는 분할케이지(150,160); 상기 제1 및 제2케이지를 결합하는 리벳(200); 상기 리벳의 외주면에 체결되고 상기 제1 및 제2케이지가 서로 접하는 방향으로 힘을 가하는 스프링(250);을 포함하는 베어링을 제공한다.

상기 리벳은, 제1몸체부(210)와, 제1몸체부보다 직경이 작은 제2몸체부(220)와, 상기 제1몸체부와 제2몸체부 사이에 직경 차이로 형성되는 리벳 단턱부(215)를 포함하고, 상기 스프링은 상기 리벳 단턱부에 체결된다.

상기 제1케이지(150)는, 상기 리벳의 제1몸체부가 위치하는 제1-1체결홀(153)과, 상기 제2몸체부가 위치하는 제1-2체결홀(155)과, 제1-1체결홀과 제1-2체결홀 사이에 직경 차이로 형성되는 체결홀 제1단턱부(154)를 포함하고, 상기 스프링은 상기 리벳 단턱부와 상기 체결홀 제1단턱부 사이에 위치하고, 상기 체결홀 제1단턱부와 상기 스프링 사이에 구비되는 와셔를 더 포함한다.

상기 제2케이지(160)는, 제2-1체결홀(163)과, 상기 제2-1체결홀(163)보다 직경이 작은 제2-2체결홀(165)과, 제2-1체결홀과 제2-2체결홀 사이에 직경 차이로 형성되는 체결홀 제2단턱부(164)를 포함하고, 상기 제2-1체결홀(163)에는 상기 리벳의 제2몸체부와 상기 제2몸체부의 외주면에 체결되는 부싱(230)이 구비되고, 상기 부싱의 일단면과 상기 체결홀 제2단턱부 사이에 구비되는 스프링과 상기 체결홀 제2단턱부와 상기 스프링 사이에 구비되는 와셔를 더 포함한다.

상기 스프링은 상기 제1 및 제2케이지 각각의 외측면과 리벳헤드 사이에 위치할 수도 있다. 상기 스프링은 접시스프링일 수도 있고, 상기 스프링은 링형상이면서 반경방향으로 일부가 절단되는 구조일 수 있다.

본 발명은 상기 구성에 의해서, 베어링의 분할된 케이지를 리벳으로 체결하면서도 극저온의 환경에서 케이지 소재로 인한 수축이 발생하는 경우에도 리벳과 함께 체결된 스프링에 의해 분할 케이지의 체결력이 계속하여 유지되기 때문에 극저온 환경에서의 수축률에 따른 케이지 간극 발생이 방지되고 결과적으로 고속회전시에도 베어링의 불균일한 회전과 케이지 손상을 방지할 수 있는 유리한 효과가 발생한다.

도 1은 종래 기술에 따른 리벳으로 결합된 베어링의 분할케이지 사시도이며,
도 2는 도 1에 도시된 분할케이지가 극저온 환경에서 수축된 단면도이며,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 극저온 베어링의 전체적인 사시도이며,
도 4는 본 발명에 따른 극저온 베어링의 구성 중 케이지와 리벳에 대한 이미지이며,
도 5는 본 발명에 따른 극저온 베어링에 체결되는 리벳과 그 부속품들에 대한 사시도이며,
도 6은 본 발명에 따른 극저온 베어링의 케이지의 일부 상세도이며,
도 7은 본 발명에 따른 극저온 베어링에서 케이지와 리벳의 결합 모습이며,
도 8 내지 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 베어링 구조이며,
도 11은 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 형상의 스프링의 예시이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 극저온 베어링의 전체적인 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 극저온 베어링의 구성 중 케이지와 리벳에 대한 이미지이며, 도 5는 본 발명에 따른 극저온 베어링에 체결되는 리벳과 그 부속품들에 대한 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 극저온 베어링의 케이지의 일부 상세도이며, 도 7은 본 발명에 따른 극저온 베어링에서 케이지와 리벳의 결합 모습이다.

도 3을 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 극저온 베어링을 보면, 외륜(110)과 내륜(120)과 이들 사이에 케이지(150,160)가 배치되고, 케이지에 의해 내부의 볼의 위치를 잡아주게 된다. 케이지는 불소수지 테프론 계열의 폴리테트라 플루오로 에틸렌(PTFE)재료를 사용하여 제조되며, PTFE 소재는 일반 플라스틱에 비하여 내열성, 내약품성, 내저온성, 전기절연성, 고주파 특성 등이 매우 뛰어나며, 특이한 비점착성과 저마찰 특성도 갖추고 있다. 불소수지는 이러한 특성 때문에 화학공업, 전기 및 전자공업, 기계공업은 물론 우주개발이나 항공기 산업에서부터 가정용품에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 적용되고 있다.

본 발명에서는 상기 케이지의 소재로서 순수 PTFE 이외에도 유리섬유, MoS₂, 탄소섬유, Rulon, PI 등을 첨가하여 강화된 PTFE 계열의 소재로 제조될 수도 있다. 극저온 환경에서는 볼 베어링은 그리이스나 오일과 같은 윤활제를 사용할 수 없기 때문에 주로 이러한 PTFE와 같은 폴리머를 케이지의 주 재료로 사용하여 내륜과 외륜 표면에 불소 전이막을 형성시켜서 사용하는 고체 자기윤활 방법을 택하고 있다.

본 발명에서는 상기 케이지를 두 개의 분할된 케이지로 사용하고 있으며, 이하에서는 이를 분할케이지라고 하고 하나를 제1케이지 다른 하나를 제2케이지라고 편의상 호칭하도록 한다. 그리고, 분할 케이지는 리벳을 이용한 리벳팅 결합을 하게 되는데 극저온 환경에서 케이지 소재의 수축으로 인한 분할 케이지 사이의 간극 발생 문제를 해결하는 것이 본 발명의 목적이라는 것은 위에서 언급한 바 있다.

[제1실시예]

도 4에서는 이해를 돕기 위해 내륜과 외륜을 제외한 베어링 내부 이미지인데, 분할케이지(150,160)는 두 개의 마주보는 제1 및 제2케이지로 이루어지고, 상기 제1 및 제2케이지는 리벳(200)을 이용하여 체결된다. 리벳 체결을 위해 케이지에는 리벳홀이 형성된다.

그리고, 본 발명에서는 상기 리벳의 외주면에 체결되어서 상기 제1 및 제2케이지가 서로 접하는 방향으로 힘을 가하여 이들 사이의 간극을 없애는 역할을 하는 스프링(250)이 구비되는 것이 특징이며, 바람직하게는 스프링은 접시스프링인 것이 좋다.

도 5를 참고하여, 본 발명에 따른 리벳의 구조를 보면, 직경이 서로 다른 두 부분의 몸체부로 이루어지는 것이 일반적인 리벳과 상이한 점이다. 즉, 리벳 헤드 쪽에 위치하는 제1몸체부(210)와, 제1몸체부보다 직경이 작은 제2몸체부(220)로 이루어지고, 상기 제1몸체부와 제2몸체부 사이에 직경 차이로 리벳 단턱부(215)가 형성된다. 상기 단턱부는 스프링(250)이 체결되어 탄성력을 가하는 곳이 된다. 즉, 상기 스프링은 상기 리벳 단턱부에 체결되어 리벳과 케이지 사이에서 이들에 탄성력을 가하게 된다(이하 설명함). 그리고, 본 발명의 리벳(200)의 그 외주면에 스프링(접시스프링 250)과 와셔(240)와 부싱(230)이 체결된다. 도면에서 미설명부호 211과 212는 리벳헤드부이다.

도 6과 도 7을 참고하여, 본 발명의 분할케이지 내부에 형성되는 리벳 체결홀 및 체결구조를 살펴본다. 도 6과 도 7의 그림에서의 분할케이지 중 왼쪽에 위치하는 것을 편의상 제1케이지(150)라고 하고, 분할케이지 중 오른쪽에 위치하는 것을 편의상 제2케이지(160)라고 한다. 분할케이지 내부에 리벳이 체결되는 홀의 직경도 리벳의 직경에 대응되도록 서로 상이하게 형성된다.

상기 제1케이지(150)는, 상기 리벳의 제1몸체부가 위치하는 곳으로 상대적으로 직경이 큰 제1-1체결홀(153)과, 상기 리벳의 제2몸체부가 위치하는 곳으로 상대적으로 직경이 작은 제1-2체결홀(155)이 있고, 제1-1체결홀과 제1-2체결홀 사이에 직경 차이로 형성되는 체결홀 제1단턱부(154)가 형성된다.

도 7에서 보는 바와 같이, 상기 스프링(250)은 상기 리벳 단턱부(215)와 상기 체결홀 제1단턱부(154) 사이에 위치하여, 상기 스프링(접시스프링)은 리벳 단턱부(215)와 상기 체결홀 제1단턱부(154)를 탄성력으로 밀게 되고, 그 결과 두 개의 분할케이지가 계속하여 접하게 되어 간극이 발생하지 않게 된다. 그리고, 상기 체결홀 제1단턱부와 상기 스프링 사이에는 와셔(240)가 위치하여 PTFE 소재의 케이지 변형을 최소화하도록 한다.

상기 제2케이지(160)는, 상대적으로 직경이 큰 제2-1체결홀(163)과, 상기 제2-1체결홀(163)보다 직경이 상대적으로 작은 제2-2체결홀(165)을 포함하고, 제2-1체결홀과 제2-2체결홀 사이에 직경 차이로 형성되는 체결홀 제2단턱부(164)를 포함한다.

그리고, 상기 제2-1체결홀(163)은 직경이 상대적으로 큰 관계로 리벳 몸체부와 사이에 간격이 있을 수 있어서, 상기 제2-1체결홀(163)에서는 상기 리벳의 제2몸체부의 외주면에는 부싱(230)이 체결되도록 한다. 상기 부싱(230)으로 인하여 베어링 분할케이지 두 곳의 좌우 무게 균형이 맞게 유지될 수 있다.

그리고, 상기 부싱(230)의 일단면과 상기 체결홀 제2단턱부(164) 사이에는 접시스프링(250)을 배치함으로써, 상기 접시스프링이 부싱(230)과 상기 체결홀 제2단턱부(164)를 탄성력으로 밀게 되고, 그 결과 두 개의 분할케이지가 계속하여 접하게 된다. 그리고, 상기 체결홀 제2단턱부와 상기 스프링 사이에는 와셔(240)가 위치하여 PTFE 소재의 케이지 변형을 최소화하도록 하는 것은 위에서 설명한 바와 같다.

[제2실시예]

도 8 내지 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 베어링 구조이며, 도 11은 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 형상의 스프링의 예시이다.

위 제1실시예에서는 상기 스프링이 케이지 내부에 매립되는 구조를 예를 들어 설명하였으나, 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 이하에서 설명하는 바와 같이 스프링이 케이지 외측에 위치할 수도 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 극저온 베어링(300)은 제1실시예에서 설명한 구조와 유사하면서 리벳의 구조와 스프링의 위치가 상이하다. 간단히 보면, 외륜과 내륜 사이에 케이지(350,360)가 배치되고, 케이지에 의해 내부의 볼의 위치를 잡아주게 된다.

도 9 내지 도 10을 보면, 제2실시예에서 리벳(400)은 몸체부(420)가 직경이 동일한 구조이며 양측에는 리벳헤드(411,412)가 위치한다. 그리고, 상기 스프링(450)은 두 개가 구비되면서 상기 제1케이지(350) 및 제2케이지(360) 각각의 외측면과 리벳헤드(411,412) 사이에 위치한다. 그리고, 추가적으로 와셔(440)가 더 구비된다.

그리고, 제1실시예와 제2실시예에 사용되는 상기 스프링은 접시스프링일 수도 있고, 링형상이면서 반경방향으로 일부가 절단된 절단부(555)가 형성되어서 수직방향으로 탄성력을 가하는 구조의 스프링(550)일 수도 있다(도 11 참조).

본 발명은 위와 같은 분할케이지와 리벳 및 접시스프링의 구조를 통해서 극저온의 환경에서 케이지 소재로 인한 수축이 발생하는 경우에도 리벳과 함께 체결된 스프링이 분할 케이지가 서로 결합을 유지하는 방향으로 탄성력을 가하기 때문에 극저온 환경에서의 케이지 수축에도 불구하고 분할케이지 사이 간극 발생이 방지된다. 이를 통해 극저온 환경에서 고속회전하는 베어링에서도 회전 불균일과 케이지 손상이 방지된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

1. 내륜과 외륜 사이에 구비되고, 두 개의 마주보는 제1 및 제2케이지로 이루어지는 분할케이지(150,160); 상기 제1 및 제2케이지를 결합하는 리벳(200); 상기 리벳의 외주면에 체결되고 상기 제1 및 제2케이지가 서로 접하는 방향으로 힘을 가하는 스프링(250);을 포함하고,
   상기 리벳은, 제1몸체부(210)와, 제1몸체부보다 직경이 작은 제2몸체부(220)와, 상기 제1몸체부와 제2몸체부 사이에 직경 차이로 형성되는 리벳 단턱부(215)를 포함하고, 상기 스프링은 상기 리벳 단턱부에 체결되고,
   상기 제2케이지(160)는, 제2-1체결홀(163)과, 상기 제2-1체결홀(163)보다 직경이 작은 제2-2체결홀(165)과, 제2-1체결홀과 제2-2체결홀 사이에 직경 차이로 형성되는 체결홀 제2단턱부(164)를 포함하고,
   상기 제2-1체결홀(163)에는 상기 리벳의 제2몸체부와 상기 제2몸체부의 외주면에 체결되는 부싱(230)이 구비되는 것을 특징으로 하는 베어링.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1케이지(150)는, 상기 리벳의 제1몸체부가 위치하는 제1-1체결홀(153)과, 상기 제2몸체부가 위치하는 제1-2체결홀(155)과, 제1-1체결홀과 제1-2체결홀 사이에 직경 차이로 형성되는 체결홀 제1단턱부(154)를 포함하고,
   상기 스프링은 상기 리벳 단턱부와 상기 체결홀 제1단턱부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 베어링.
4. 제3항에 있어서,
   상기 체결홀 제1단턱부와 상기 스프링 사이에 구비되는 와셔를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 부싱의 일단면과 상기 체결홀 제2단턱부 사이에 구비되는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링.
7. 제1항에 있어서,
   상기 스프링은 상기 제1 및 제2케이지 각각의 외측면과 리벳헤드 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 베어링.
8. 제1항에 있어서,
   상기 스프링은 접시스프링인 것을 특징으로 하는 베어링.
9. 제1항에 있어서,
   상기 스프링은 링형상이면서 반경방향으로 일부가 절단된 구조인 것을 특징으로 하는 베어링.

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