KR20050081493A

KR20050081493A - 자기윤활베어링

Info

Publication number: KR20050081493A
Application number: KR1020040009749A
Authority: KR
Inventors: 유승선
Original assignee: 김예배
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-19

Abstract

본 발명은 제작이 용이할 뿐만 아니라 높은 베어링 압력이 작용되는 조건에서도 낮은 마찰을 유지하면서 원활하게 작동할 수 있는 새로운 구성의 자기윤활베어링에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 베어링층(20)과, 이 베어링층(20)의 외주면에 에폭시수지가 함침된 유리섬유를 와인딩하여 형성되는 이면층(30)을 포함하여 이루어진 자기윤활베어링에 있어서, 상기 베어링층(20)은 불소섬유(12)와 합성섬유(14,16)로 직조 또는 편조된 띠부재(10)를 와인딩하여 성형된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링이 제공된다.

Description

자기윤활베어링{A self-lubricating bearing}

본 발명은 자기윤활베어링(self-lubricating bearing)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제작이 용이할 뿐만 아니라 높은 베어링 압력이 작용되는 조건에서도 낮은 마찰을 유지하면서 원활하게 작동할 수 있는 새로운 구성의 자기윤활베어링에 관한 것이다.

필라멘트 와인딩(filament winding)에 의해 제조되는 자기윤활베어링은 마찰계수가 낮은 베어링층(bearing layer)과, 이 베어링층이 충격이나 압축하중 하에서도 지탱되도록 유지시켜주는 이면층(backing layer)으로 이루어진다. 이러한 자기윤활베어링에서 상기 베어링층은 불소섬유와 합성섬유를 합사해서 편조(braiding)나 편직(knitting) 공정에 의해 이음매 없는 슬리브(sleeve) 형태로 짜여진 직물을 맨드렐(mandrel)의 외주면에 끼워 형성되거나 또는 불소섬유와 합성섬유를 합사해서 꼬임(twist)를 준 다음 이렇게 제조된 원사 여러 가닥을 에폭시수지에 함침시킨 다음 맨드렐의 외주면에 직접 와인딩하여 형성된다. 이때 불소섬유는 베어링층에 저마찰 특성을 부여하며, 합성섬유는 불소섬유의 비접착 특성을 보완하고 내마모 특성을 개선함과 아울러 이면층과의 접착특성을 향상시키는 역할을 한다. 그리고 상기 이면층은 이와 같은 방법으로 형성된 베어링층 위에 에폭시수지에 함침된 유리섬유를 와인딩하여 이루어진다.

그런데 전술한 바와 같이, 불소섬유와 합성섬유의 합사로 짜여진 슬리브 형태의 직물로 베어링층을 형성하는 경우에는 베어링층에 이음매가 형성되지 않는다는 장점이 있기는 하나, 맨드렐의 외경 별로 다양한 내경을 가지는 슬리브 형태의 직물을 여러 종류 제조하여야 하는 단점이 있다. 또한, 슬리브 형태의 직물을 맨드렐에 용이하게 삽입하기 위해서는 맨드렐의 외경보다 슬리브의 내경이 크게 제작된다. 그런데 이 경우에는 슬리브 형태의 직물과 맨드렐 외경과의 밀착성이 떨어지게 되기 때문에 슬리브가 삽입된 맨드렐을 150~190℃의 온도로 가열하여 슬리브를 수축시킴으로서, 맨드렐과의 밀착성을 향상시키는 공정이 필수적으로 요구되므로 작업공정이 복잡하고 코스트가 상승된다.

그리고 불소섬유와 합성섬유를 합사해서 꼬임을 준 다음, 이렇게 제조된 원사 여러 가닥을 맨드렐의 외경에 직접 와인딩하여 베어링층을 형성하는 경우에는, 슬리브 형태의 직물을 이용하여 베어링층을 형성하는 경우에 비해 작업공정이 용이하기는 하나, 원사가닥 형태로 만 베어링층이 형성되기 때문에 와인딩된 원사의 직각 방향의 접착강도는 저하되어 베어링 특성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 합사해서 꼬여진 원사 한 가닥의 직경이 0.5㎜ 이하로 상당히 가늘기 때문에 베어링층 형성시 여러 가닥의 원사가 투입해야 하는 번거로움이 수반된다.

또한, 이와 같은 방법으로 베어링층을 형성하는 경우에 있어서, 베어링층을 접착하고 있는 에폭시 수지의 마찰계수는 0.2~0.3 정도로 높기 때문에 이를 낮추어 베어링층의 마찰 마모 특성을 보다 향상시키는 방법으로 베어링층 성형시 주로 흑연이 고체윤활제로 투입된다.

그런데 슬리브 형태의 직물을 사용하여 베어링층을 형성하는 경우에는 작업방법상 맨드렐에 건조 상태의 슬리브를 먼저 삽입한후 고온으로 가열하여 슬리브와 맨드렐의 밀착성을 확보한 후에, 그 외주면에 에폭시 수지에 함침된 유리섬유를 와인딩하여 이면층을 형성하므로 베어링층에 고체윤활제를 투입하기가 곤란하다. 반면, 불소섬유와 합성섬유를 합사해서 꼬임을 준 다음 여러가닥의 원사를 맨드렐의 외주면에 직접 와인딩하여 베어링층을 형성하는 경우에는 흑연분말이 분산된 에폭시수지에 원사 가닥을 함침시켜 와인딩하면 되므로 고체윤활제가 균일하게 분산되는 장점이 있다. 그러나 이와 같은 방법으로 베어링층을 제작하고, 그 외주면에 이면층을 연속해서 성형하면 미경화된 베어링층 내의 흑연이 연속적으로 이면층으로 전이되어 이면층을 오염시키는 문제가 발생된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 베어링층을 겔(gel)화 시킨 후에 이면층을 형성해야 하므로, 베어링층을 형성하는 공정과 이면층을 와인딩하는 공정이 연속적으로 이루어지지 못하므로 생산성이 저하되고 코스트가 상승된다.

한편, 상기 이면층은 베어링에 충격, 압축 등의 피로하중이 가해지는 경우에 이러한 하중을 효과적으로 분산시켜 베어링층이 손상되지 않도록 지탱하는 역할을 하는데, 종래에는 베어링층의 외주면에 이면층을 형성함에 있어, 에폭시 수지에 함침된 유리섬유를 50~80ㅀ 의 단일각도로 소정의 두께가 되도록 필라멘트 와인딩하여 제작 된다. 그러나 베어링에 충격.압축 등의 피로하중이 연속적으로 작용되는 경우에, 이와 같이 단일 각도로 와인딩되어 형성된 이면층은 작용 하중을 효과적으로 분산시켜 베어링 특성을 향상하는데는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제작이 용이할 뿐만 아니라 마찰계수가 낮고 내마모성이 우수한 베어링층과, 압축강도와 피로강도가 우수한 이면층으로 이루어져서 높은 베어링 압력이 작용되는 조건에서도 낮은 마찰을 유지하면서 원활하게 작동할 수 있는 새로운 구성의 자기윤활베어링을 제공하고자 하는 데 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 띠부재(10)는 불소섬유(12)와 합성섬유(14, 16)를 경사와 위사로 하여 능직 또는 주자직으로 직조되어, 띠부재(10)의 일표면에는 합성섬유보다 불소섬유가 상대적으로 많이 노출되어 축과 접촉되는 베어링면이 형성되고, 반대 표면에는 불소섬유보다 합성섬유가 상대적으로 많이 노출되어 이면층과의 접착성이 향상되도록 된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 베어링층(20)에는 불소수지 분말이 함유된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 이면층(30)은 유리섬유가 와인딩되는 각도에 따라 다층으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 사시도와 본 발명에 사용된 띠부재(10)를 보인 도면이다. 본 발명은 도시된 바와 같이, 베어링층(20)과, 이 베어링층의(20) 외주면에 형성된 이면층(30)으로 이루어진 자기윤활베어링이다.

상기 베어링층(20)은 불소섬유(12)와 합성섬유(14,16)로 직조된 띠부재(10)를 와인딩하여 이루어진다. 상기 띠부재(10)는 불소섬유(12)와 합성섬유(14,16)를 경사와 위사로 하여 소정폭의 띠형상으로 길게 직조된다. 경우에 따라 띠부재(10)는 불소섬유와 합성섬유의 합사로 편조될 수도 있다. 이때 불소섬유(12)는 마찰계수가 낮고 인장강도가 우수하므로 베어링층(20)에 저마찰특성을 부여하며, 합성섬유(14,16)는 접착성이 낮은 불소섬유(12)의 접착특성을 보완하면서 베어링층의 내마모 특성을 향상시키는 역할을 하게 된다.

바람직하게는 상기 띠부재(10)는 능직과 주자직으로 직조되는데, 능직 또는 주자직은 다른 직물조직에 비해 직물의 일표면에 경사나 위사가 많이 나타나는 특성을 가진다. 따라서 띠부재(10)가 능직 또는 주자직으로 직조되면, 다른 조직을 갖도록 직조된 경우에 비해 띠부재(10)의 일면에는 불소섬유(12)가 많이 노출되어 축과 접촉되는 저마찰의 베어링면이 형성되고, 반대 면에는 합성섬유(14,16)가 많이 노출되어 이면층(30)과의 접착력이 향상되는 장점을 가진다. 도 2는 띠부재(10)가 능직으로 짜여진 것을 보인 것으로, 경사방향으로는 600~1000 데니어(denier) 정도의 섬도를 가지는 불소섬유(12)와, 이 불소섬유(12)와 유사하거나 적은 섬도를 가지는 합성섬유(14)를 2가닥씩 교대로 투입하고, 위사방향으로는 상기 합성섬유(14)와 유사한 섬도의 합성섬유(16)를 투입하여 직조된 것이다. 이때 상기 합성섬유(14,16)는 나이론이나 폴리에스터 섬유 등으로 이루어지며, 띠부재(10)는 와인딩시 맨드렐의 외경에 따라 와인딩 각도의 설정이 용이하도록 폭은 10~20㎜ 정도, 두께는 0.20~0.80㎜ 정도를 갖도록 직조된다.

상기 베어링층(20)은 이와 같이 제조된 띠부재(10)를 에폭시수지에 함침시켜, 도 3에 도시된 바와 같이, 맨드렐(2)의 외주면에 수회 왕복하면서 와인딩하여 형성된다. 시험에 의하면, 이와 같이 형성된 베어링층(20)은 경사와 위사로 이루어진 직물 형태로 투입되기 때문에 접착 표면적이 넓고 직물이 갖는 오목 볼록한 구조로 인해, 불소섬유와 합섬섬유를 합사해서 꼬임을 준 후 원사가닥 형태로 와인딩하여 베어링층(20)을 형성한 경우보다 접착강도가 30~40% 향상된다.

한편, 상기와 같이 베어링층(20)을 형성할 때 띠부재(10)가 함침되는 에폭시수지에는 고체윤활제가 혼합되는데, 본 발명에서는 고체윤활제로 불소수지 분말이 사용된다. 전술한 바와 같이, 고체윤활제로 흑연이 사용된 경우에는 흑연에 의해 이면층(30)이 오염되는 것을 방지하기 위해 베어링층(20)을 성형하여 경화시킨 후 이면층(30)을 와인딩해야 하므로 베어링층(20)과 이면층(30)을 연속적으로 성형할 수 없었으나, 불소수지분말이 사용된 본 발명에서는 불소수지분말에 의해 이면층(30)이 오염되는 문제가 발생되지 않으므로 베어링층(20)과 이면층(30)을 연속적으로 성형할 수 있어서 생산성이 향상된다. 바람직하게는 불소수지분말은 3㎛ 정도의 입경을 가지는 것을 에폭시수지의 중량 대비 5~10% 사용된다.

또한 내경 35 mm, 외경 41 mm, 길이 25 mm 의 베어링으로 무윤활 상태에서 베어링 압력 105 MPa, 요동속도 분당 200 싸이클, 요동각도 ±25˚로 100,000 싸이클 동안 베어링 특성 시험을 한 결과, 본 발명의 띠부재(10)에 에폭시 수지 중량 대비 10%의 불소수지 분말을 투입해서 베어링층을 형성한 경우 마찰계수는 0.03~0.08 이었고 반경방향의 마모량은 0.12 mm 였다. 반면 불소섬유와 합성섬유를 합사해서 꼬임을 준 후 이 원사 여러가닥을 에폭시 수지 중량대비 10%의 흑연을 투입해서 베어링층을 형성한 경우에는 마찰계수는 0.06~0.15 이었고 반경방향의 마모는 0.16 을 나타냈다.

한편, 상기 이면층(30)은 이상과 같이 형성된 베어링층(20)의 외주면에 에폭시수지를 함침시킨 유리섬유를 와인딩하여 형성된다. 이면층(30)은 전술한 바와 같이, 높은 진동이나 충격, 압축하중 하에서 베어링층(20)이 손상되지 않도록 지탱하는 역할을 하므로, 충격하중이나 피로하중을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 형성되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 이면층(30)의 압축강도와 피로강도를 향상시키기 위해 에폭시 수지에 함침된 유리섬유를 와인딩할 때 와인딩되는 각도를 달리하여 이면층(30)이 유리섬유가 와인딩되는 각도에 따라 2층 이상의 구성을 갖도록 제작된다.

도 4는 이면층(30)이 내층(32)과 외층(36)으로 형성된 것을 보인 것으로, 이 경우에는 베어링층(20)과 접하게 되는 내층은 +/-(55±5˚), 외층은 +/-(75±5˚) 각도로 와인딩된다. 이와 같이 이면층(30)이 두개의 층으로 와인딩된 경우에는 유리섬유가 단일 각도로 와인딩되어 이면층이 구성된 경우에 비해 압축강도가 향상되고 내충격성도 향상된다. 실험에 의하면, 이면층(30)이 서로 다른 와인딩 각도를 가지는 두개의 층으로 와인딩된 경우에는 430MPa 의 압축강도를 나타냈다.

도 5는 이면층(30)이 3층 구조를 갖도록 와인딩된 것을 보인 것이다. 이 경우에는 내층(32)은 +/-(80±5˚), 중간층(34)은 +/-(50±5˚) 그리고 외층은 +/-(80±5˚)의 각도로 와인딩된다. 실험에 의하면 이와 같이 이면층(30)이 3층 구조를 갖도록 와인딩된 경우에는 550MPa 의 압축강도를 나타냈으며, 특히 피로하중이 작용될 경우 단일 각도로 와인딩된 이면층(30)에 비해 30~40% 높은 피로 강도를 나타냈는데, 이는 서로 다른 와인딩 각도로 구성된 이면층의 적층구조가 피로하중을 효과적으로 분산시켰기 때문이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 마찰계수가 낮고 내마모성이 우수한 베어링층과, 압축강도와 피로강도가 우수한 다층으로 구성된 이면층으로 인해 높은 하중이 작용되는 조건에서도 낮은 마찰계수를 유지하면서 원활하게 작동할 수 있는 새로운 구성의 자기윤활베어링을 제공할 수 있다.

특히 본 발명은 종래 슬리브 형태의 직물을 사용하는 경우 다양한 맨드렐 의 외경에 맞는 슬리브를 제조해야만 하는 단점이 있는데 비해, 맨드렐의 외경 치수에 상관없이 한 종류의 띠부재로 베어링층을 형성할 수 있기 때문에 제작공정이 간단하며, 고체윤활제가 베어링층에 균일하게 분산되는 장점이 있다.

또한, 종래 단순히 불소섬유와 합성섬유를 합사해서 꼬임을 준 후, 원사 여러 가닥을 흑연이 분산된 에폭시 수지에 함침시켜 와인딩하는 경우에 비해, 베어링층의 접착강도가 향상되며, 베어링층과 이면층을 연속적으로 성형하는 것이 가능하므로 제조시간이 크게 단축되며 베어링층의 마찰계수를 낮추고 마모특성을 향상된다.

뿐만 아니라 이면층의 와인딩 각도를 달리하여 와인딩된 각도에 따라 이면층이 2개 이상의 다층으로 구성됨으로써, 복합적인 하중이 작용되는 작동조건에서 사용되더라도 이면층의 하중지탱능력이 증가된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 사시도

도 2는 상기 실시예에 사용된 띠부재를 보인 도면

도 3은 상기 띠부재를 와인딩하여 베어링층을 형성하는 것을 보인 도면

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 단면도

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2. 맨드렐 10. 띠부재

12. 불소섬유 14,16. 합성섬유

20. 베어링층 30. 이면층

32. 내층 34. 중간층

36. 외층

Claims

베어링층(20)과, 이 베어링층(20)의 외주면에 에폭시수지에 함침된 유리섬유를 와인딩하여 형성되는 이면층(30)을 포함하여 이루어진 자기윤활베어링에 있어서, 상기 베어링층(20)은 불소섬유(12)와 합성섬유(14,16)로 직조 또는 편조된 띠부재(10)를 와인딩하여 성형된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링.
제1항에 있어서, 상기 띠부재(10)는 불소섬유(12)와 합성섬유(14, 16)를 경사와 위사로 하여 능직 또는 주자직으로 직조되어, 띠부재(10)의 일표면에는 합성섬유보다 불소섬유가 상대적으로 많이 노출되어 축과 접촉되는 저마찰의 베어링면이 형성되고, 반대 표면에는 불소섬유보다 합성섬유가 상대적으로 많이 노출되어 이면층과의 접착성이 향상되도록 된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베어링층(20)에는 불소수지 분말이 함유된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이면층(30)은 유리섬유가 와인딩되는 각도에 따라 다층으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기윤활베어링.