KR20140039376A

KR20140039376A - 이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체

Info

Publication number: KR20140039376A
Application number: KR1020120104548A
Authority: KR
Inventors: 임동필
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-04-02
Also published as: KR101959569B1; WO2014046477A1

Abstract

본 발명은 저속 고하중하에서 작동하는 관절부에 이용될 수 있는 이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체에 관한 것이다.

Description

이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체{BUSH HAVING DOUBLE STRUCTURE AND BEARING ASSEMBLY HAVING THE SAME}

굴삭기, 스키드 스티어로더 등과 같은 건설기계는 다수의 관절부, 예컨대 붐(boom)과 아암(arm)의 연결부, 아암과 버킷(bucket)의 연결부 등을 포함한다. 이러한 건설기계의 관절부는 핀(pin)과 부시(bush)가 그리스에 의한 윤활 환경에서 요동 운동을 하는 경우가 일반적이다.

도 2에는 건설기계의 일례인 굴삭기의 프론트 관절부(10)가 도시되어 있고, 도 5는 상기 굴삭기의 관절부(10)에서 종래 부시를 핀의 길이방향에 대해 수직 방향으로 나타낸 단면도이다. 상기 관절부(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 관절운동이 요구되는 두 개의 부재를 연결하는 핀(12)과, 상기 핀과 핀구멍 사이에 발생하는 마찰저항을 저감시키기 위한 부시(11)로 구성되어 있다. 상기 핀(12)과 부시(11)는 일반적으로 그리스에 의한 윤활 환경에서 요동 운동을 한다. 또한, 상기 관절부(10)는 핀(12) 및 부시(11) 이외에, 상기 핀 및 부시를 지탱하는 하우징의 보스(boss)(13) 및 오염 물질을 차단하기 위한 실링수단(미도시됨) 등을 포함한다.

이러한 관절부는 핀과 부시의 연결 형태, 작업 환경, 및 관절부의 종류에 따라 다양한 조건하에서 작동하는데, 일반적으로 약 2 내지 6 kg/mm² 면압 및 약 0.25 내지 5 cm/sec의 속도의 조건하에서 작동한다. 이러한 작동조건은 통상적인 평균치로서, 작동조건 중 면압은 작업 하중에 따라 순간적으로 상승할 수 있으며, 특히 순간 면압은 작동 조건에 따라 작동시 편하중으로 인해 평균치의 3배 이상일 수 있다.

이와 같이 저속의 고면압 조건에서 사용되는 부시는 우수한 스커핑(scuffing) 저항성 및 내마모성이 요구되는 바, 이를 위해 다양한 조성과 형태의 제품이 개발되어 사용되고 있다.

예를 들어, 금속 강체의 내주면에 그루브(groove) 또는 홈(dimple)을 형성하여 상기 그루브 또는 홈에 그리스가 함유되도록 하여 윤활 성능을 극대화시킨 금속 부시; 표면에 자기 윤활성 입자로 코팅 처리를 하여 윤활 성능을 극대화시킨 금속 부시; 윤활제가 함침되어 있는 다공성 소결체 금속 부시 등이 있다.

다만, 건설기계 프론트 작업기는 지형, 장비의 작업 자세, 지질 등에 의해 각 부분에 인가되는 하중의 방향과 수치가 매우 불특정하고, 또한 수시로 변하기 때문에, 작업간 각 부분이 휨(bending)이 야기되거나, 전체적으로 편하중이 야기되어 국부 영역에 고하중이 집중되게 된다. 이에 따라 부시를 포함 모든 부품에 있어, 높은 수준의 내마모성과 내충격성을 필요로 한다.

그러나, 현재까지 알려진 금속계 부시의 경우, 그 형태와 관계 없이 탄성 변형률이 한계가 있어, 전술한 바와 같이 하중의 방향과 수치가 불특정하고 변동하는 조건하에서 국부 영역의 고하중 인가를 피할 수 없다. 또한, 금속계 부시의 표면에 자기 윤활성 입자로 코팅 처리를 하더라도, 자기 윤활성 입자의 수명이 제한되어 부시 표면의 초기 자리잡음 단계 이후 윤활 환경을 지속적으로 유지하기 어렵다. 한편, 다공성 금속 소결체는 충격에 지속적으로 노출될 경우, 하중을 받는 표면으로부터 점진적으로 소결체 내 기공이 축소된다. 또한, 극단적인 경우, 소결체 내 기공이 폐쇄되어, 내부에 함침되어 있는 윤활제에 의한 윤활 유지 효과를 지속적으로 발휘하기 어려운 경우가 있다.

본 발명은 저속 고하중하에서 작동하는 관절부에 적용되어 우수한 탄성, 회복성, 윤활 특성 및 내하중성을 발휘할 수 있는 부시를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 상기 부시를 구비하는 베어링 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 핀 유닛이 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 슬라이드층; 및 상기 슬라이드층의 외주면을 둘러싸도록 일체로 적층되고, 보스의 내주면에 접촉 수용되어 핀 유닛의 반경 방향 하중을 지지하는 하중 지지층을 포함하되, 상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67 이고, 고분자 복합 재료로 형성된 이중 구조의 부시를 제공한다.

상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율은 0.25 내지 0.5인 것이 바람직하다.

또, 본 발명은 상기 이중 구조의 부시를 구비하는 베어링 조립체를 제공한다.

본 발명은 고분자 복합 재료로 이루어진 부시로서, 종래 금속계 부시와 달리, 저속 고하중의 작동 조건하에서 우수한 탄성 및 회복성을 발휘할 수 있기 때문에, 국부 하중 인가시 변형되어 하중을 균일하게 분산시킬 수 있고, 따라서 응력 집중에 의한 이상 마모 및 충격에 의한 파손을 방지할 수 있어 내마모성 및 내충격성이 향상되고, 수명 특성도 향상될 수 있다.

또한, 본 발명은 내주면에 핀 유닛을 접촉 수용하는 슬라이드층의 외주면을 보스의 내주면에 접촉 수용되어 핀 유닛의 반경 방향 하중을 지지하는 하중 지지층이 둘러싸도록 일체로 적층시키되, 이들의 두께 비율을 특정 범위로 조절함으로써, 저속 고하중의 작동 조건하에서 우수한 내하중성을 가지면서 주기적인 급지(greasing) 없이도 우수한 윤활 특성을 지속적으로 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부시의 단면도이다.
도 2는 굴삭기에서 부시가 적용될 수 있는 관절부의 일례를 보여주는 것이다.
도 3은 도 2에 개시된 관절부에 적용된 본 발명에 따른 이중 구조의 부시를 핀의 길이방향에 대해 수직 방향으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2에 개시된 관절부에 적용된 본 발명에 따른 이중 구조의 부시를 핀의 길이방향으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 2에 개시된 관절부에 적용된 종래 부시를 핀의 길이방향에 대해 수직 방향으로 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 고분자 복합 재료로 이루어진 부시로서, 핀 유닛이 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 슬라이드층과, 상기 슬라이드층의 외주면을 둘러싸도록 일체로 적층되고, 보스의 내주면에 접촉 수용되어 핀 유닛의 반경 방향 하중을 지지하는 하중 지지층을 포함하는 이중 구조를 갖되, 이들의 두께 비율이 특정 범위로 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 고분자 매트릭스, 섬유 기재 및 자기 윤활성 입자를 포함하는 고분자 복합 재료를 이용하여 부시를 제조할 경우, 종래 금속 부시나 다공성 소결체 부시와 달리 저속 고하중의 작동 조건하에서 높은 탄성을 유지함과 동시에 하중 비(非)인가시 용이하게 회복될 수 있다는 것을 알았다. 또한, 상기 고분자 복합 재료로 이루어진 부시는 자기 윤활성 입자로 인해 지속적으로 낮은 마찰 계수를 유지할 수 있어 종래 부시와 달리 주기적인 급지(greasing) 없이도 우수한 윤활 환경을 유지할 수 있다.

다만, 상기 고분자 복합 재료로 된 부시는 핀 유닛과 상시 접촉하여 상대 운동시 필연적으로 점진적인 마모를 수반한다. 따라서, 부시의 두께는 두꺼워야 한다. 그러나, 상기 고분자 복합 재료로 된 부시는 마찰 특성이 우수하나, 두께 대비 내하중성이 낮아 종래 금속 부시 정도의 효과를 발휘하지 못하였다.

이에, 본 발명에서는 고분자 매트릭스, 섬유 기재 및 자기 윤활성 입자를 포함하는 고분자 복합 재료로 이루어진 층(이하, '슬라이드층')의 외주면에 고분자 매트릭스 및 섬유 기재를 포함하는 고분자 복합 재료로 이루어진 층(이하, '하중 지지층')을 일체로 적층시켜 이중 구조를 형성하되, 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율을 특정 범위로 조절한다. 이로써, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시는 우수한 윤활 특성이 유지되면서, 내마모성, 내충격성 및 내하중성이 향상될 수 있고, 나아가 수명 특성이 향상될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시는 상기 슬라이드층에 일체로 형성된 상기 하중 지지층을 포함함으로써, 저속 고하중의 작동 조건하에서 우수한 내하중성을 가지면서, 주기적인 급지(greasing) 없이도 우수한 윤활 특성이 지속적으로 유지될 수 있다.

또한, 상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율을 약 0.15 내지 0.67 범위, 바람직하게는 약 0.25 내지 0.5 범위, 더 바람직하게는 약 0.25 내지 0.36 범위로 조절함으로써, 종래 금속계 부시와 달리, 저속 고하중의 작동 조건하에서 우수한 탄성 및 회복성을 발휘할 수 있기 때문에, 국부 하중 인가시 변형되어 하중을 균일하게 분산시킬 수 있고, 따라서 응력 집중에 의한 이상 마모 및 충격에 의한 파손을 방지할 수 있어 내마모성 및 내충격성이 향상되고, 수명 특성도 향상될 수 있다. 특히, 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.25 내지 0.5 범위일 경우, seizure cycle이 약 250,000 cycle 이상으로 더 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 부시(100)는 고분자 복합 재료로 이루어진 것으로서, 건설기계 프론트 관절부에 적용되어 하중을 지지하고 요동 운동을 구현한다. 이러한 부시(100)는 내부에 핀 유닛(200)을 수용할 수 있는 공간을 구비하여 핀 유닛과 상대 운동하는데, 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이 슬라이드층(101)과 하중 지지층(102)을 포함한다.

상기 슬라이드층(101)은 핀 유닛(200)이 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용한다. 이러한 슬라이드층(101)은 제1 고분자 매트릭스; 자기 윤활성 입자(self-lubricative material); 및 제1 섬유 기재를 포함하는 제1 고분자 복합재료로 형성된다. 상기 슬라이드층은 우수한 탄성 및 회복성을 발휘하면서, 주기적인 급지 없이도 우수한 윤활 특성을 지속적으로 유지할 수 있기 때문에, 저마찰 특성을 유지할 수 있어 내주면에 접촉 수용되는 핀 유닛(101)이 원활하게 회전할 수 있다.

상기 제1 고분자 매트릭스의 예로는 특별히 제한되지 않으며, 에폭시계 고분자, 폴리우레탄계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리알파올레핀계 고분자, 비닐계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리아세탈계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리설파이드계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리펩티드계 고분자, 폴리케톤계 고분자, 폴리올레핀계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 비닐리딘계 고분자, 이들의 공중합체 등이 있는데, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. 이 중에서 에폭시계 고분자의 경우, 부시의 제조시 경화속도가 빨라 생산성이 향상될 수 있으며, 또한 부시의 열적 안정성, 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다. 다만, 하기 제2 고분자 매트릭스와 상용성(compatible)이 있는 고분자를 제1 매트릭스로 사용할 경우, 슬라이드층과 하중 지지층의 계면에서 양(兩) 층의 고분자 매트릭스가 서로 확산되거나 공유 결합하여, 접착제 등의 사용 없이도 슬라이드층에 하기 하중 지지층이 보다 용이하게 일체로 적층될 수 있다. 또한, 상용성이 있는 고분자 매트릭스들을 사용할 경우, 경화 조건이 유사하기 때문에, 별도로 각 층을 경화시키지 않아도 되고, 따라서 작업 속도가 향상될 수 있다.

또, 상기 제1 고분자 복합 재료는 자기 윤활성 입자(self-lubricative particle)를 포함한다. 자기 윤활성 입자는 윤활제 없이도 마찰 저항이 낮은 고체 입자로서, 부시에 상시적으로 저마찰 특성을 부여하면서, 슬라이드층의 내주면이 핀과 상대 운동시 내주면이 마모 또는 소부(燒付)되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 자기 윤활성 입자의 비제한적인 예로는 Graphite, Graphite fluoride, MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂, NbS₂, NbSe₂, TaS, TaSe₂, TiS₂, TiSe₂, TiTe₂, CeF₃, Ba(OH)₂, CdCl₂, CoCl₂, ZrCl₂, PbCl₂, PbI₂, BN, Ag₂SO₄, Borax(Na₂B₄O₇), Talc[Mg₃(OH)₂Si₂O₁₀], Mica[KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH)₂], ZnS, SnS₂, FeS, CaF₂, LiF, Zn₂P₂O₇, Ca₃(PO₄)₂, Fe₂P₂O₇, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, Zn(OH)₂, PbO, ZnO, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, polytetrafluoroethylene(PTFE), Fluorinated ethylene propylene(FEP), Pb, Sn, Zn, Cu, Ag 및 In 등이 있다. 이 중에서, Graphite, PTFE 등이 바람직하고, PTFE이 더 바람직하다.

또, 상기 제1 고분자 복합 재료는 제1 섬유 기재를 포함한다. 상기 제1 섬유 기재를 포함함으로써, 슬라이드층의 강도가 향상될 수 있다.

이러한 제1 섬유 기재로는 실(yarn), 직물(woven fabric), 편물(knitting), 및 브레이드(braid)가 있는데, 이 중에서 직물을 사용할 경우, filament winding법을 통해 부시 제조시 슬라이드층의 두께를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 작업성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 맨드릴(mandrel)에 직물을 감아 슬라이드층을 형성할 때 편물이나 브레이드와 달리 전단 변형(shear deformation)이 쉽지 않아 균일한 두께 및 형태로 슬라이드층이 형성되기 때문에, 슬라이드층이 전체적으로 균일한 강도를 가질 수 있다.

상기 제1 섬유 기재의 재료(섬유)로는 특별히 한정되지 않으며, 비제한적인 예로는 면, 마 등과 같은 식물성 섬유; 모, 견 등과 같은 동물성 섬유; 레이온 등과 같은 재생 섬유; 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리우레탄 등과 같은 합성섬유; 유리섬유, 탄소섬유 등의 무기 섬유, 금속섬유 등이 있는데, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. 이 중에서 유리섬유, 탄소섬유 등의 무기 섬유일 경우, 수분 함수율이 낮기 때문에, 추후 경화시 부시 내 기공(pore)이 형성되지 않으며, 또한 열적 안정성도 우수하다. 따라서, 무기 섬유로 이루어진 직물을 사용할 경우, 최종 부시의 강도 및 열적 안정성이 향상될 수 있다.

상기 제1 고분자 복합 재료는 전술한 성분들 이외에, 슬라이드층의 윤활 특성을 해하지 않는 범위 내에서, 필요에 따라 슬라이드층의 물성을 보다 더 향상시키기 위해 개시제, 희석제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 개시제는 상기 제1 고분자 매트릭스의 종류에 따라 적절하게 선택하며, 예컨대 Benzo phenone계 개시제, thioxantone계 개시제, a-hydroxyketone계 개시제, a-amino ketone계 개시제, 벤질 다이메틸 케탈(benzyl dimethyl ketal, BDK), phenyl glyoxylate계, acyl phosphine oxide계 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.

상기 희석제에는 Butyl Glycidyl Ether (BGE), Phenyl Glycidyl Ether(PGE), Aliphatic Glycidyl Ether(C12 -C14), Modifide-Tert-Carboxylic Dlycidyl Ester, DiButylPhthalate(DBP), DiOctylPhthalate(DOP), Nonyl-Phenol, Hysol 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.

이외에도 경화시 물성을 개량하고 기포 및 광택도를 조정하기 위해 소포제, 점도 조절제, 습윤제(wetting agent), 광택 조절제 등과 같은 첨가제를 극 미량 포함할 수 있다.

상기 개시제, 희석제 및 기타 첨가제들의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 각각 제1 고분자 매트릭스의 100 중량부를 기준으로 약 1 내지 10 중량부일 수 있다.

본 발명에 따른 부시(100)는 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 상기 슬라이드층(101)의 외주면을 둘러싸도록 슬라이드층(101)에 일체로 적층된 하중 지지층(102)을 포함한다. 상기 하중 지지층(102)은 보스(boss)(300)의 내주면에 접촉 수용되어 핀 유닛(200)의 반경 방향 하중을 지지할 수 있다.

이러한 하중 지지층(102)이 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합재료로 형성됨으로써, 슬라이드층의 내하중성을 보완할 수 있을 뿐만 아니라, 보스의 내주면에 접촉 수용시 핀 유닛에 의해 편하중이 발생하더라도 탄성 및 회복성이 우수하여 내마모성 및 내충격성이 향상될 수 있고, 나아가 수명 특성이 향상될 수 있다.

상기 제2 고분자 매트릭스의 비제한적인 예로는 에폭시계 고분자, 폴리우레탄계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리알파올레핀계 고분자, 비닐계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리아세탈계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리설파이드계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리펩티드계 고분자, 폴리케톤계 고분자, 폴리올레핀계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 비닐리딘계 고분자, 이들의 공중합체 등이 있는데, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. 이 중에서 에폭시계 고분자의 경우, 부시의 제조시 경화속도가 빨라 생산성이 향상될 수 있으며, 또한 부시의 열적 안정성, 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 제2 고분자 매트릭스로서 제1 고분자 매트릭스와 상용성(compatible)이 있는 고분자를 사용할 경우, 슬라이드층과 하중 지지층의 계면에서 하중 지지층의 제2 고분자 매트릭스가 슬라이드층의 표면 내로 확산되거나 슬라이드층의 제1 고분자 매트릭스와 공유결합하여, 하중 지지층이 용이하게 슬라이드층에 일체로 적층될 수 있다.

또, 상기 제2 고분자 복합 재료는 제2 섬유 기재를 포함한다. 제2 섬유 기재는 하중 지지층의 강도를 향상시켜 슬라이드층의 내하중성을 보완한다.

이러한 제2 섬유 기재로는 제1 섬유 기재와 마찬가지로, 실(yarn), 직물(woven fabric), 편물(knitting), 및 브레이드(braid) 등이 있다. 이 중에서 직물을 사용할 경우, filament winding법을 통해 부시 제조시 하중 지지층의 두께를 조절하기 용이할 수 있기 때문에, 작업성이 향상될 수 있으며, 또한 맨드릴(mandrel)이나 슬라이드층에 직물을 감더라도 편물이나 브레이드와 달리 전단 변형(shear deformation)이 쉽지 않아 동일한 두께 및 형태로 형성되고, 따라서 하중 지지층이 전체적으로 균일한 강도를 가질 수 있다.

상기 제2 섬유 기재의 재료(섬유)로는 특별히 한정되지 않으며, 비제한적인 예로는 면, 마 등과 같은 식물성 섬유; 모, 견 등과 같은 동물성 섬유; 레이온 등과 같은 재생 섬유; 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리우레탄 등과 같은 합성섬유; 유리섬유, 탄소섬유 등의 무기 섬유, 금속섬유 등이 있는데, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. 이 중에서 유리섬유, 탄소섬유 등의 무기 섬유일 경우, 수분 함수율이 낮기 때문에, 추후 경화시 부시 내 기공(pore)이 형성되지 않으며, 또한 열적 안정성도 우수하다. 따라서, 무기 섬유로 이루어진 직물을 사용할 경우, 최종 부시의 강도 및 열적 안정성이 향상될 수 있다.

상기 제2 고분자 복합 재료는 전술한 성분들 이외에, 하중 지지층의 내하중성 등의 특성을 해하지 않는 범위 내에서, 필요에 따라 하중 지지층의 물성을 보다 더 향상시키기 위해, 개시제, 분산제, 소포제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 개시제는 상기 제2 고분자 매트릭스의 종류에 따라 적절하게 선택하며, 예컨대 Benzo phenone계 개시제, thioxantone계 개시제, a-hydroxyketone계 개시제, a-amino ketone계 개시제, 벤질 다이메틸 케탈(benzyl dimethyl ketal, BDK), phenyl glyoxylate계, acyl phosphine oxide계 등이 있는데, 이에 한정되지 않는다.

이러한 개시제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 제2 고분자 매트릭스의 100 중량부를 기준으로 약 1 내지 10 중량부일 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따라 고분자 복합 재료로 이루어진 이중 구조의 부시는 seizure cycle이 약 180,000 cycle 이상(바람직하게는 약 250,000 cycle 이상)이고, 마모율이 약 1.5 내지 5 ㎛/10,000 cycle이면서, 한계 면압이 약 6.5 kg/㎟ 이상이 되기 때문에, 약 2 내지 6 kgf/㎟ 의 면압 및 약 0.25 내지 5 cm/sec 의 접동속도의 조건하에서 사용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시는 다양한 방법을 통해 제조될 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 이중 구조의 부시는 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재를 포함하는 제1 고분자 복합 재료를 형성하는 단계; 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합 재료를 형성하는 단계; 원하는 두께의 슬라이드층이 형성되도록 상기 제1 고분자 복합 재료를 맨드릴(mandrel)에 감는 단계; 원하는 두께의 하중 지지층이 형성되도록 감겨진 제2 고분자 복합 재료를 제1 고분자 복합 재료 위에 감는 단계; 및 감겨있는 제1 고분자 복합 재료 및 제2 고분자 복합 재료를 경화하는 단계를 포함하는 방법을 통해 제조될 수 있다. 상기 경화 단계 후, 최종 부시의 형상에 따라 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또, 경화 단계 후, 최종 부시의 슬라이드층의 내주면 및/또는 하중 지지층의 외주면을 기계 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일례에 따르면, 이중 구조의 부시는 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재를 포함하는 제1 고분자 복합 재료를 형성하는 단계; 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합 재료를 형성하는 단계; 원하는 두께의 슬라이드층이 형성되도록 상기 제1 고분자 복합 재료를 맨드릴에 감는 단계; 상기 맨드릴에 감겨 있는 제1 고분자 복합 재료를 경화하여 슬라이드층을 형성하는 단계; 원하는 두께의 하중 지지층이 형성되도록 제2 고분자 복합 재료를 슬라이드층 위에 감는 단계; 및 감겨 있는 제2 고분자 복합 재료를 경화하여 하중 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 방법을 통해 제조될 수 있다. 상기 하중 지지층의 형성 단계 후, 최종 부시의 형상에 따라 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또, 하중 지지층의 형성 단계 후, 최종 부시의 슬라이드층의 내주면 및/또는 하중 지지층의 외주면을 기계 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

먼저, 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재를 포함하는 제1 고분자 복합 재료를 형성한다(S100).

상기 단계 S100은 제1 고분자 매트릭스에 자기 윤활성 입자를 첨가하여 수지 조성물을 형성하는 단계; 섬유를 이용하여 제1 섬유 기재를 직조하는 단계; 및 직조된 제1 섬유 기재를 수지 조성물에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 섬유 기재의 직조시, 최종 슬라이드층의 강도, 탄성계수, 피로 수명, 두께 등에 따라 섬유의 종류, 원사의 굵기 등을 조절하는 것이 적절하다.

상기 단계 S100과 시간적 선·후 관계 없이, 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합 재료를 형성한다(S200).

상기 단계 S200은 섬유를 이용하여 제2 섬유 기재를 직조하는 단계; 및 직조된 제2 섬유 기재를 제2 고분자 매트릭스에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 섬유 기재의 직조시, 제1 섬유 기재의 직조와 마찬가지로, 최종 하중 지지층의 두께, 강도, 탄성계수, 피로 수명 등을 고려하여 섬유의 종류, 원사의 굵기 등을 적절하게 조절한다.

이후, 상기 단계 S100에서 형성된 제1 고분자 복합 재료를 맨드릴에 감아 슬라이드층(101)을 형성한다(S300). 이때, 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67이 되도록 맨드릴에 제1 고분자 복합 재료를 감는 횟수 및 감는 각도를 조절한다.

한편, 슬라이드층의 제1 고분자 매트릭스와 하중 지지층의 제2 고분자 매트릭스가 상용성이 없을 경우, 맨드릴에 제1 고분자 복합 재료를 감은 후, 감겨진 제1 고분자 복합 재료를 경화하는 단계를 더 수행할 수 있다.

상기 경화 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않고, 개시제의 종류, 제1 고분자 매트릭스의 종류, 제1 섬유 기재의 종류, 제1 고분자 복합 재료의 두께 및 감은 횟수 등을 고려하여 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 방향족 polyamine계 개시제를 사용하는 경우 약 130℃ 내지 150 ℃의 온도하에서 약 10 내지 30 분 정도 상기 제1 고분자 복합 재료를 가열하여 경화시킬 수 있다. 이 때, 상온에서 1일 정도 반경화시킨 다음 상기 온도 조건에서 후경화시킴으로써, 경화시 형성되는 슬라이드층의 수축을 최소화하고, 강도를 향상시킬 수도 있다.

이어서, 상기 단계 S200에서 형성된 제2 고분자 복합 재료를, 상기 단계 S300에서 형성된 슬라이드층에 감아 하중 지지층을 형성한다(S400). 이때, 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67이 되도록, 감겨진 제1 고분자 복합 재료의 겹수(층수)를 고려하여 제2 고분자 복합 재료를 슬라이드층에 감는 횟수를 한 겹(1층) 이상으로 조절한다. 또한, 하중 지지층의 원하는 강도를 고려하여 제2 고분바 복합 재료를 감을 때 감는 각도를 조절한다.

이후, 감겨진 제1 고분자 복합 재료 및 제2 고분자 복합 재료를 경화한다(S500). 이로써, 슬라이드층(101) 및 상기 슬라이드층의 외주면에 일체로 적층된 하중 지지층(102)을 포함하는 고분자 복합 재료로 된 이중 구조의 부시를 얻는다.

상기 경화 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않고, 상기 제 1 고분자 복합재료와 마찬가지로 개시제의 종류, 제1 및 제2 고분자 매트릭스의 종류, 제1 및 제2 섬유 기재의 종류, 제1 및 제2 고분자 복합 재료의 두께 및 감은 횟수 등을 고려하여 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 방향족 polyamine계 개시제를 사용하는 경우 약 130 내지 150 ℃의 온도하에서 약 10 내지 30 분 정도 상기 제1 고분자 복합 재료 및 제2 고분자 복합 재료를 가열하여 경화시킬 수 있다.

다만, 제1 고분자 복합 재료에 대한 경화 단계가 별도로 수행된 경우, 이미 경화되어 형성된 슬라이드층이 열화되지 않도록 경화 온도 및 시간을 조절하여 제2 고분자 복합 재료를 경화한다.

한편, 상기 단계 S500 후 얻은 부시를 원하는 길이에 따라 절단할 수 있다.

또, 상기 단계 S500 후 얻은 부시의 슬라이드층의 내주면을 적절한 공차 수준이 되도록 기계 가공하여, 핀 유닛(200)을 원활하게 회전하도록 할 수 있다. 또한, 상기 부시의 하중 지지층의 외주면을 적절한 공차 수준이 되도록 기계 가공하여, 본 발명의 부시를 보스(300)의 내주면에 압입한 후 작동간에는 회전이 없도록 고정시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 이중 구조의 부시(200)을 구비하는 베어링 조립체(미도시됨)을 제공한다. 상기 베어링 조립체로는 예를 들어 이중 구조의 부시(200)의 내주면에 핀 유닛(200)이 삽입된 형태일 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

폴리에스테르 섬유를 이용하여 직조된 직물을 에폭시 수지, 흑연 및 PTFE 입자(poly tetrafluoro ethylene particle)이 포함된 수지 조성물에 함침시켜 제1 고분자 복합 재료를 얻은 다음, 이를 맨드릴(mandrel)(직경: 71 ㎜)의 표면에 감아 두께가 1 ㎜인 슬라이드층을 형성하였다. 이후, 유리 섬유를 이용하여 직조된 직물을 애폭시 수지에 함침시켜 제2 고분자 복합 재료를 얻은 후, 이를 맨드릴 표면에 형성된 슬라이드층 위에 감아 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층을 형성한 다음, 가열 경화하여 이중 구조의 부시(내경: 71 ㎜, 외경: 86 ㎜, 길이: 60 ㎜)를 얻었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 1.5 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 6 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[실시예 3]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 2 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 5.5 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[실시예 4]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 2.5 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 5 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[실시예 5]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 3 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 4.5 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[비교예 1]

표면이 염욕질화 및 MoS₂ 연질 코팅 처리된 구조용 탄소강으로 이루어진 부시를 비교예 1로 사용하였다.

[비교예 2]

Fe-Cu계 다공성 소결체 부시를 비교예 2로 사용하였다.

[비교예 3]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 0.5 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 7 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[비교예 4]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 3.5 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 4 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[비교예 5]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 4 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 3.5 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[비교예 6]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 4.5 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 3 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[비교예 7]

실시예 1에서 두께가 1 ㎜인 슬라이드층 대신 두께가 5 ㎜인 슬라이드층을 형성하고, 두께가 6.5 ㎜인 하중 지지층 대신 두께가 2.5 ㎜인 하중 지지층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.

[실험예 1] - 물성 평가

실시예 1 내지 5, 및 비교예 1 내지 7에서 각각 제조된 부시에 대하여 Seizure cycle, 마모율 및 한계 면압을 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표 1에서, T_s는 슬라이드층의 두께이고, T_b는 하중 지지층의 두께이다.

1-1. Seizure cycle

비윤활성 분위기, 90 °의 요동 각도, 1 m/min의 요동 속도 및 1~21 ton의 무한 반복 하중 조건하에서 무한 반복 시험하여 마찰계수가 0.35 이상이 되는 최초의 cycle을 seizure cycle로 규정하여 측정하였다.

1-2. 마모율

시험 전 부시 두께 대비 시험 후 하중부의 두께를 기준으로 마모량을 산출한 후, 이를 seizure cycle로 나누어 10,000 cycle 당 마모율을 산출하였다.

1-3. 한계 면압

비윤활성 분위기, 90 °의 요동 각도, 및 1 m/min의 요동 속도의 조건하에서 부시에 하중을 인가하지 않은 상태에서부터 각 단계의 반복 횟수를 200 cycle로 설정하여 하중을 3 ton씩 증가시켜 마찰계수가 0.35 이상이 되기 직전까지의 하중을 측정하였다.

	T_s (mm)	T_b (mm)	T_s/T_b	T_s+T_b (mm)	Seizure cycle	마모율 (μm/10000cycle)	한계 면압 (kg/mm²)
실시예 1	1	6.5	0.15	7.5	182,600	5	8
실시예 2	1.5	6	0.25	7.5	250,000	2	8
실시예 3	2	5.5	0.36	7.5	321,000	1.5	8
실시예 4	2.5	5	0.50	7.5	265,200	2	7.5
실시예 5	3	4.5	0.67	7.5	275,060	2.5	6.5
비교예1	-	-	-	-	165,000	22	7
비교예2	-	-	-	-	250,000	7	7
비교예 3	0.5	7	0.07	7.5	151,200	8	8
비교예 4	3.5	4	0.88	7.5	246,200	2.3	5
비교예 5	4	3.5	1.14	7.5	252,000	5	4
비교예 6	4.5	3	1.50	7.5	195,600	10	3.5
비교예 7	5	2.5	2.00	7.5	126,000	17	3.5

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 부시는 비교예 1의 부시(종래 금속 부시)에 비해 seizure cycle이 180,000 cycle 이상으로 더 높았으며, 마모율도 현저하게 낮았으며, 유사하거나 더 높은 한계 면압을 나타내었다.

또한, 실시예 1 내지 5의 부시는 비교예 2의 부시(다공성 소결체 부시)에 비해 마모율이 낮았다.

게다가, 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67로 조절된 실시예 1 내지 5의 부시는 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67 범위 외(外)인 비교예 3 내지 7의 부시에 비해 seizure cycle 및 한계 면압의 수치가 더 높으면서, 마모율도 더 낮았다. 특히, 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.25 내지 0.5로 조절된 실시예 2 내지 4의 부시는 seizure cycle이 250,000 cycle 이상으로 윤활 특성이 우수하였으며, 마모율이 1.5 내지 2 ㎛/10,000 cycle로 거의 무시할 정도로 마모량이 낮았다.

이와 같이, 본 발명에 따른 부시는 종래 부시에 비해 마모율이 현저히 낮아 수명 특성이 우수하였으며, 한계 면압이 높아 고하중이 인가되더라도 견딜 수 있고, seizure cycle이 180,000 cycle 이상, 바람직하게는 250,000 cycle 이상으로 윤활 특성도 우수하였다. 특히, 굴삭기의 작업 한계 용량이 커질수록 더욱 마모율 및 한계 면압이 높아지게 되는데, 하중지지층 두께(T_b)에 대한 슬라이딩층의 두께(T_s)의 비율이 0.25 내지 0.50로 조절된 본 발명에 따른 부시는 고한계면압의 중대형 굴삭기용 부시로도 사용될 수 있을 정도로 마모율이 현저하게 낮았다.

10: 관절부, 11: 종래 부시,
12, 200: 핀, 13, 300: 보스
100: 본 발명의 부시, 101: 슬라이드층,
102: 하중 지지층

Claims

핀 유닛이 회전 지지 가능하도록 내주면에 접촉 수용하는 슬라이드층; 및
상기 슬라이드층의 외주면을 둘러싸도록 일체로 적층되고, 보스의 내주면에 접촉 수용되어 핀 유닛의 반경 방향 하중을 지지하는 하중 지지층
을 포함하되,
상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67 이고,
고분자 복합 재료로 형성된 이중 구조의 부시.
제1항에 있어서,
상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.25 내지 0.5인 것이 특징인 이중 구조의 부시.
제1항에 있어서,
상기 슬라이드층은 (a) 제1 고분자 매트릭스; (b) 자기 윤활성 입자(self-lubricative material); 및 (c) 제1 섬유 기재를 포함하는 제1 고분자 복합재료로 형성된 것이 특징인 이중 구조의 부시.
제1항에 있어서,
상기 하중 지지층은 (a) 제2 고분자 매트릭스, 및 (b) 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합재료로 형성된 것이 특징인 이중 구조의 부시.
제1항에 있어서,
2 내지 6 kgf/㎟ 의 면압 및 0.25 내지 5 cm/sec 의 접동속도 조건에서 사용되는 것이 특징인 이중 구조의 부시.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 이중 구조의 부시를 구비하는 베어링 조립체.