KR20140105068A - 이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체 - Google Patents

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KR20140105068A
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최지원
임동필
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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}
본 발명은 저속 고하중하에서 작동하는 관절부에 이용될 수 있는 이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체에 관한 것이다.
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 1에는 건설기계의 일례인 굴삭기의 프론트 관절부(10)가 도시되어 있고, 도 2는 상기 굴삭기의 관절부(10)에서 종래 부시를 핀의 길이방향에 대해 수직 방향으로 나타낸 단면도이다. 상기 관절부(10)는 도 2에 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 변형률에 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 포함하고, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 상기 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 1.5 내지 3.1이고, 50 ℃ 내지 130 ℃의 온도 범위에서 상기 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 3.5 내지 5이며, 고분자 복합 재료로 형성된 이중 구조의 부시를 제공한다.
바람직하게는, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 상기 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 1.8 내지 2.2이고, 50 ℃ 내지 130 ℃의 온도 범위에서 상기 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 4.0 내지 4.6일 수 있다.
또, 본 발명은 상기 고분자 복합 재료로 형성된 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, 저온 범위에서의 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율 및 고온 범위에서의 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율을 각각 특정 범위로 조절함으로써, 혹한 지역에서도 보스와 부시 간의 헛도는 현상이 발생하지 않으면서, 슬라이딩층의 내주면 온도가 상승하더라도 슬라이드층과 하중 지지층 간의 계면 분리 현상이 발생하지 않고, 주기적인 급지(greasing) 없이도 우수한 윤활 특성을 지속적으로 발휘할 수 있다.
도 1은 일반적인 굴삭기 및 굴삭기에서 부시가 적용될 수 있는 관절부의 일례를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 개시된 관절부에 적용된 종래 부시를 핀의 길이방향에 대해 수직 방향으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 부시의 단면도이다.
도 4는 도 1에 개시된 관절부에 적용된 본 발명에 따른 이중 구조의 부시를 핀의 길이방향에 대해 수직 방향으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1에 개시된 관절부에 적용된 본 발명에 따른 이중 구조의 부시를 핀의 길이방향으로 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, 저온 범위에서의 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율 및 고온 범위에서의 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율이 각각 특정 범위로 조절된 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 비인가시 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, 고분자 복합 재료의 경우, 금속과 달리 온도 변화에 따라 변형되기 쉽다. 따라서, 이러한 고분자 복합 재료의 온도 의존성을 고려하지 않으면, 광범위한 건설기계의 사용 조건하에서 고분자 복합 재료로 형성된 부시를 사용하기 어렵다.
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, 상기 각 층의 고분자 복합 재료의 각 성분 함량을 특정 범위로 조절하여 저온 범위에서의 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율 및 고온 범위에서의 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율을 각각 특정 범위로 설정한다. 이로써, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시는 우수한 윤활 특성이 유지되면서, 내마모성, 내충격성 및 내하중성이 향상되어 수명 특성이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 이중 구조 부시는 하우징(housing)의 보스(boss)에 압입된 후 광범위한 사용 조건하에서도 보스 내주면과 하중 지지층의 외주면 사이에 유동이 없고, 부시의 하중 지지층과 슬라이드층 간의 계면 접합성이 높아 하중 지지층과 슬라이드층 간의 계면 분리가 덜 발생하고, 따라서 부시의 수명이 향상될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시는 상기 슬라이드층에 일체로 형성된 상기 하중 지지층을 포함함으로써, 고하중의 작동 조건하에서 우수한 내하중성을 가지면서, 주기적인 급지(greasing) 없이도 우수한 윤활 특성이 지속적으로 유지될 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 고분자 복합 재료로 된 이중 구조의 부시도 금속 부시와 마찬가지로, 하우징(housing)의 보스 내경보다 큰 공차 수준으로 가공한 다음 하우징의 보스에 강제 압입하는 방식으로 억지로 끼워 맞춤 고정되어 사용된다. 따라서, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시는 외부 온도 변화에 따른 부피의 팽창과 수축 정도가 하우징 부피의 팽창 및 수축과 유사하여야 하며, 작동간 발생하는 토크 및 외력에 의해서 부시의 외주면, 즉 하중 지지층의 외주면이 보스의 내주면에서 헛돌지 않아야 한다. 그런데, 하우징은 대개 주강으로 만들어지며, 일반적으로 주강의 열팽창계수는 당 업계에 알려진 고분자 소재의 열팽창계수에 비해 2배 이상 작은 것으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 고분자 소재로 된 부시가 주강으로 된 하우징의 보스에 압입된 후 - 40 ℃ 정도의 저온 조건에서 사용될 경우, 부시의 부피 수축량이 하우징의 부피 수축량에 비해 크기 때문에, 부시의 외주면이 하우징의 보스 내주면에서 겉돌 수 있다.
이에, 본 발명에서는 하중 지지층의 제조시 하중 지지층을 형성하는 고분자 복합 재료 내 성분들의 함량을 특정 범위로 조절하여 혹한 지역에서의 장비 작동 온도 범위(- 40 ~ 50 ℃의 저온 범위)에서 하중 지지층의 열팽창계수를 정밀하게 설계함으로써, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)을 약 1.5 내지 3.1, 바람직하게는 1.8 내지 2.2로 조절한다. 만약, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율(T2/T1)이 3.1를 초과하면, 저온 조건에서 압입력이 유지되는 한계 면압이 작동 면압 수준에 근접하게 되어 사용 조건에 따라 작동시 부시의 하중 지지층이 보스 내주면에 고정되지 못하고 겉돌 수 있다. 한편, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율(T2/T1)이 1.5 미만이면, 하중 지지층의 강도가 저하되어 부시의 수명이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이중 구조의 부시에 있어, 슬라이드층은 핀과 상시 접촉하여 상대 운동한다. 이러한 핀과의 상대 운동으로 인해 슬라이드층의 내주면은 온도가 상승하고, 따라서 슬라이드층의 내주면과 외주면 사이에는 높은 차이의 온도 구배가 발생한다. 이로 인해, 외기 온도와 작동 조건에 따라 슬라이드층의 내주면과 외주면 간의 온도 차이가 약 50 ℃ 이상이 될 수 있기 때문에, 슬라이드층과 하중 지지층 간의 열팽창계수 차이가 일정 수준 이하로 설계되지 않을 경우, 슬라이드층과 하중 지지층 간의 계면 분리가 일어날 수 있으며, 이로 인해 슬라이드층이나 하중 지지층이 마모나 파손될 수 있어 부시의 수명이 저하될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 하중 지지층의 제조시 전술한 바와 같이 하중 지지층의 열팽창계수를 조절하되, 슬라이드층의 제조시 슬라이드층을 형성하는 고분자 복합 재료 내 성분들의 함량을 특정 범위로 조절하여 슬라이드층의 열팽창계수를 조절하여, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서의 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율(T2/T1)을 전술한 바와 같은 범위로 조절하면서, 50 내지 130 ℃의 온도 범위에서 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)을 약 3.5 내지 5, 바람직하게는 약 3.5 내지 4.6, 더 바람직하게는 약 4.0 내지 4.6으로 조절한다. 만약, 50 내지 130 ℃의 온도 범위에서 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율(T4/T3)이 5 초과이면, 슬라이드층과 하중 지지층 간의 계면 분리가 발생하여 부시의 수명이 저하될 수 있다. 한편, 50 내지 130 ℃의 온도 범위에서 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율(T4/T3)이 3.5 미만이면, 하중 지지층의 강도가 저하되어 부시의 수명이 저하될 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 3 내지 5에 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. 이때, 상기 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재의 혼합 비율을 20 ~ 22 : 20 ~ 55 : 25 ~ 30의 중량 비율, 바람직하게는 20 ~ 21.5 : 20 ~ 53 : 26 ~ 30의 중량 비율로 조절할 경우, 50 내지 130 ℃의 온도 범위에서 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 약 3.5 내지 5, 바람직하게는 약 4 내지 4.6로 제어된다. 이러한 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. 또한, 상기 슬라이드층은 내주면의 온도가 상승하더라도 하중 지지층과의 열팽창계수 차이가 작아 하중 지지층과의 계면 분리가 덜 발생하기 때문에, 슬라이드층의 마모나 파손이 최소화되고, 따라서 부시의 수명이 향상될 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 또는 이들의 혼합물 등이 바람직하고, PTFE이 더 바람직하다.
상기 자기 윤활성 입자로 PTFE 등과 같은 수지 형태의 자기 윤활성 입자와 흑연 등과 같은 비(非)-수지 형태의 자기 윤활성 입자가 혼합되어 사용될 수 있다. 이러한 경우, 수지 형태의 자기 윤활성 입자와 비(非)-수지 형태의 자기 윤활성 입자의 혼합 비율은 10 ~ 90 : 90 ~ 10 중량 비율, 바람직하게는 20 ~ 70 : 30 ~ 80 중량 비율일 경우, 부시의 윤활 특성 뿐만 아니라, 내마모성, 내하중성도 함께 더 향상될 수 있다.
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 3 내지 5에 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)은 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합재료로 형성된다. 이때, 상기 제2 고분자 매트릭스와 제2 섬유 기재의 혼합 비율을 18 ~ 21 : 79 ~ 82의 중량 비율, 바람직하게는 19 ~ 20 : 80 ~ 81의 중량 비율로 조절할 경우, - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 보스의 열팽창계수(T1) 대비 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 약 1.5 내지 3.1, 바람직하게는 약 1.8 내지 2.2로 제어되면서, 50 ℃ 내지 130 ℃의 온도 범위에서 하중 지지층의 열팽창계수(T3) 대비 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 약 3.5 내지 5, 바람직하게는 약 4 내지 4.6로 제어된다. 이러한 하중 지지층은 강도 저하 없이 매우 추운 지역에서도 작동시 보스의 내주면에 겉돌지 않을 뿐만 아니라, 슬라이드층의 내주면 온도가 상승하더라도 슬라이드층과의 계면 분리가 일어나지 않기 때문에, 슬라이드층과의 계면 분리로 인한 마모나 파손이 덜 발생할 수 있다. 또한, 상기 하중 지지층은 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 250,000 cycle 이상이고, - 40 ℃에서의 압입 유지 한계 면압이 61 내지 95 MPa이기 때문에, 2 내지 6 kgf/㎟ 의 면압 및 0.25 내지 3.5 cm/sec 의 접동속도 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 포함하되, - 40 내지 50 ℃ 온도 범위에서의 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율이 약 1.5 내지 3.1이면서, 50 내지 130 ℃ 온도 범위에서의 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율이 3.5 내지 5가 되도록, 제1 고분자 복합 재료의 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재의 사용 비율과, 제2 고분자 복합 재료의 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재의 사용 비율을 각각 특정 범위로 함께 조절하는 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 포함하되, - 40 내지 50 ℃ 온도 범위에서의 보스 대비 하중 지지층의 열팽창계수 비율이 약 1.5 내지 3.1이면서, 50 내지 130 ℃ 온도 범위에서의 하중 지지층 대비 슬라이드층의 열팽창계수 비율이 3.5 내지 5가 되도록, 제1 고분자 복합 재료의 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재의 사용 비율과, 제2 고분자 복합 재료의 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재의 사용 비율을 각각 특정 범위로 함께 조절하는 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.
이때, 상기 제1 고분자 복합 재료로 형성되는 슬라이드층의 열팽창계수가 50 내지 130 ℃ 온도 범위에서 하중 지지층의 열팽창계수에 대해 3.5 내지 5 비율이 되도록, 상기 제1 고분자 매트릭스, 자기 윤활성 입자, 및 제1 섬유 기재의 사용 비율을 특정 범위로 조절한다.
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.
이때, 상기 제2 고분자 복합 재료로 형성되는 하중 지지층의 열팽창계수가 - 40 내지 50 ℃ 온도 범위에서 보스의 열팽창계수에 대해 약 1.5 내지 3.1의 비율이 되면서, 50 내지 130 ℃ 온도 범위에서 슬라이드층의 열팽창계수에 대해 1/5 ~ 1/3.5 비율이 3.5 내지 5가 되도록, 상기 제2 고분자 매트릭스 및 제2 섬유 기재의 사용 비율을 특정 범위로 조절한다.
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, 원하는 두께의 슬라이드층이 형성되도록 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 상기 온도 조건에서 후경화시킴으로써 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, 원하는 하중 지지층이 형성되도록 슬라이드층에 제2 고분자 복합 재료를 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 있. 또한, 상기 부시의 하중 지지층의 외주면을 적절한 공차 수준이 되도록 기계 가공하여, 본 발명의 부시를 보스(300)의 내주면에 압입 이후 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)가 포함된 수지 조성물에 함침시켜 제1 고분자 복합 재료를 얻은 다음, 이를 맨드릴(mandrel)(직경: 71 ㎜)의 표면에 감아 두께가 1 ㎜인 슬라이드층을 형성하였다. 이때, 상기 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량비율로 조절하였다. 이후, 유리 섬유를 이용하여 직조된 직물을 에폭시 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. 이때, 상기 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리 섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 조절하였다.
[실시예 2]
실시예 1에서 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량 비율로 사용하는 대신 20.4 : 20.4 : 30.6 : 28.6 중량 비율로 사용하고, 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 20 : 80 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[실시예 3]
실시예 1에서 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량 비율로 사용하는 대신 21.1 : 21.1 : 31.5 : 26.3 중량 비율로 사용하고, 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 20 : 80 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[실시예 4]
실시예 1에서 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 20 : 80 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[실시예 5]
실시예 1에서 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량 비율로 사용하는 대신 20.4 : 20.4 : 30.6 : 28.6 중량 비율로 사용하고, 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 19 : 81 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[실시예 6]
실시예 1에서 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 19 : 81 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[실시예 7]
실시예 1에서 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 18 : 82 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[비교예 1]
표면 염욕질화 및 MoS2 연질 코팅 처리된 구조용 탄소강(SCM440)으로 이루어진 부시를 비교예 1로 사용하였다.
[비교예 2]
Fe-Cu계 다공성 소결체 부시를 비교예 2로 사용하였다.
[비교예 3]
실시예 1에서 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량 비율로 사용하는 대신 21.5 : 21.5 : 32.3 : 24.7 중량 비율로 사용하고, 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 20 : 80 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[비교예 4]
실시예 1에서 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량 비율로 사용하는 대신 20.4 : 20.4 : 30.6 : 28.6 중량 비율로 사용하고, 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 22 : 78 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[비교예 5]
실시예 1에서 제1 고분자 복합 재료의 에폭시 수지, PTFE 입자, 흑연 및 폴리에스테르 섬유 직물의 혼합 비율을 20 : 20 : 30 : 30 중량 비율로 사용하는 대신 22.2 : 22.2 : 33.4 : 22.2 중량 비율로 사용하고, 제2 고분자 복합 재료의 에폭시 수지와 유리섬유 직물의 혼합 비율을 21 : 79 중량 비율로 사용하는 대신 22 : 78 중량 비율로 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 이중 구조의 부시를 얻었다.
[실험예1] - 물성 평가
실시예 1 ~ 7 및 비교예 1 ~ 5에서 각각 제조된 부시에 대하여 - 40 ~ 50 ℃ 온도 범위 및 50 ~ 130 ℃ 온도 범위의 열팽창계수, 죔쇄량, - 40 ℃에서의 압입 유지 한계면압, 압축 강도, Seizure cycle를 측정하였고, 실시예 1 ~ 7의 각 부시에 대하여 층간 계면 분리 cycle을 측정하였다.
1-1. 열팽창계수
실시예 1 ~ 7 및 비교예 1 ~ 4에서 각각 제조된 각 부시, 및 보스가 있는 하우징의 열적 특성을 TMA 장비를 이용하여 하기와 같이 측정하였다.
각 부시의 하중 지지층과 탐침(probe)이 접촉될 수 있도록 최소한의 힘(0.05 N)을 각 부시의 하중 지지층에 가한 상태에서, 5 ℃/min으로 승온을 시켜 - 40 ~ 50 ℃의 온도 범위에서 하중 지지층의 열에 의한 변위를 측정하여 하중 지지층의 열팽창계수를 계산하였다. 동일한 방법으로 50 ~ 130 ℃의 온도 범위에서 각 부시의 슬라이드층의 열에 의한 변위를 측정하였고, - 40 ~ 50 ℃의 온도 범위에서 하우징[QT처리된 합금공구강(SKD11)] 및, 비교예 1 ~ 2의 부시의 열에 의한 변위를 측정하여 각각의 열팽창계수를 계산하였다. 표 1에서 T1은 - 40 ~ 50 ℃의 온도에서 보스의 열팽창계수를 나타낸 것이고, T2는 - 40 ~ 50 ℃의 온도에서 하중 지지층의 열팽창계수를 나타낸 것이며, T3는 50 ~ 130 ℃의 온도에서 하중 지지층의 열팽창계수를 나타낸 것이고, T4는 50 ~ 130 ℃의 온도에서 슬라이드층의 열팽창계수를 나타낸 것이다.
1-2. 죔쇄량
각각의 부시를 하우징(housing)의 보스에 압입한 다음 수축된 부시의 내경을 압입 전 부시의 내경과 비교하여 부시 내경의 수축량을 측정하였다. 이때, 부시 내경의 수축량을 죔쇄량이라 한다.
1-3. 압입유지 한계 면압
비윤활성 분위기, 90 °의 요동각도, 1m/min의 요동속도 및 - 40 ℃의 온도 조건에서 단계별로 하중을 인가하였을 때, 하우징의 보스 내경과 부시 외경의 압입력 저하로 겉돌기 시작하는 순간의 면압을 측정하였다.
1-4. 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.
1-5. 압축 강도
KS M ISO 14126 시험법에 따라 압축 강도를 측정하였다. 이때, 지그에 부착된 직사각형의 시험편에 축방향의 하중을 가하여 가해지는 하중과 변형을 측정하였다. 여기서, 압축 강도는 시험편이 견딜수 있는 최대 압축응력으로 단위는 MPa로 나타낸다.
1-6. 층간 계면 분리 여부
비윤활성 분위기, 25 ℃의 온도, 90 °의 요동각도, 1m/min의 요동속도 및 1~21 ton의 무한반복 하중 조건하에서 층간 계면 분리로 인해 이상 면압이 발생하는지 여부를 관찰하였고, 층간 계면 분리로 인한 이상 면압이 발생하는 시점의 cycle을 층간 계면 분리 cycle로 정의하였다. 표 1에서 "X"는 seizure가 발생하여 시험이 중단 될 때까지 계면 분리가 일어나지 않았음을 나타낸 것이고, "○"는 층간 계면 분리로 인한 이상 면압이 발생하였음을 나타낸 것이다.
Figure pat00001
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, - 40 내지 50 ℃의 저온에서 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 1.5 내지 3.1이면서, 50 ℃ 내지 130 ℃의 고온에서 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 3.5 내지 5인 실시예 1 내지 7의 이중구조 부시의 경우, - 40 ℃에서의 압입유지 한계면압이 비교예 1의 부시(종래 금속 부시)나 비교예 2의 부시(종래 다공성 소결체 부시)와 유사하면서, Seizure cycle이 비교예 1의 부시보다 높았다.
또한, 실시예 1 내지 7의 이중 구조 부시는 - 40 내지 50 ℃의 저온에서 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 1.5 내지 3.1 범위 외(外)이거나, 또는 50 ℃ 내지 130 ℃의 고온에서 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 3.5 내지 5 범위 외(外)인 비교예 3 내지 5의 이중 구조 부시에 비해 - 40 ℃에서의 압입유지 한계면압, Seizure cycle 및 Layer 계면 분리 cycle의 수치가 더 높았다.
10: 관절부, 11: 종래 부시,
12, 200: 핀, 13, 300: 보스,
100: 본 발명의 부시, 101: 슬라이드층,
102: 하중 지지층

Claims (6)

  1. 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 포함하고,
    - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 상기 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 1.5 내지 3.1이고,
    50 ℃ 내지 130 ℃의 온도 범위에서 상기 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 3.5 내지 5이며,
    고분자 복합 재료로 형성된 이중 구조의 부시.
  2. 제1항에 있어서,
    - 40 내지 50 ℃의 온도 범위에서 상기 보스의 열팽창계수(T1)에 대한 하중 지지층의 열팽창계수(T2)의 비율(T2/T1)이 1.8 내지 2.2이고,
    50 ℃ 내지 130 ℃의 온도 범위에서 상기 하중 지지층의 열팽창계수(T3)에 대한 슬라이드층의 열팽창계수(T4)의 비율(T4/T3)이 4.0 내지 4.6인 것이 특징인 이중 구조의 부시.
  3. 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.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하중 지지층은 (a) 제2 고분자 매트릭스, 및 (b) 제2 섬유 기재를 포함하는 제2 고분자 복합재료로 형성된 것이 특징인 이중 구조의 부시.
  5. 제1항에 있어서,
    2 내지 6 kgf/㎟ 의 면압 및 0.25 내지 5 cm/sec 의 접동속도 조건에서 사용되는 것이 특징인 이중 구조의 부시.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 이중 구조의 부시를 구비하는 베어링 조립체.
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