KR20140114417A - 기능층을 갖는 베어링 및 공차 링을 위한 시스템, 방법 및 장치 - Google Patents

기능층을 갖는 베어링 및 공차 링을 위한 시스템, 방법 및 장치 Download PDF

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KR20140114417A
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유르겐 하트만
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생―고뱅 퍼포먼스 플라스틱스 팜푸스 게엠베하
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Abstract

베어링 또는 공차 링은 환형 금속 띠와 탄성중합체 층을 포함하는 다기능 층들을 갖는다. 공차 링은 또한 다른 층들에 본딩된 저마찰 층을 포함한다.

Description

기능층을 갖는 베어링 및 공차 링을 위한 시스템, 방법 및 장치{SYSTEM, METHOD AND APPARATUS FOR BEARING AND TOLERANCE RINGS WITH FUNCTIONAL LAYERS}
본 발명은 일반적으로 이동부들 사이에 위치된 베어링과 공차 링(tolerance ring)에 관한 것으로서, 특히 기능층들을 갖는 베어링 또는 공차 링을 위한 개선된 시스템, 방법, 및 장치에 관한 것이다.
베어링 및 공차 링은 하우징 보어(bore)들의 회전 샤프트들과 같이 서로 상대적으로 움직이는 부품들 간 이동을 제한한다. 이러한 구조의 예는 샤프트의 외부면과 보어의 내부면 사이의 갭에 위치된 환형 밴드다. 공차 링은 상대 운동을 여전히 허용하면서 보어 내의 샤프트의 반경방향 또는 축방향 운동을 제한한다.
종래의 설계들에서, 내부 부품과 외부 부품 사이의 긴밀 끼워맞춤(close fit)이 추구된다. 아울러, 최대 마찰 맞물림을 제공하기 위한 힘 또는 슬라이딩력(sliding force)의 최소 변동 중 어느 하나가 추구된다. 부품들 간 긴밀 끼워맞춤은 부품들 간 상대적 진동을 감소시키기 때문에 바람직하다.
공차 링은 공차 또는 오정렬을 보상할 수 있고, 토크를 생성할 수 있으며, 잡음(noise), 진동(vibration) 및 거친 음(harshness)(NVM) 속성과 같은 기타 속성들을 개선할 수 있다. 토크 및 심지어 NVH은 보통 스테인리스 또는 탄소강으로만 형성되는 일반적 공차 링의 물질 속성들에 의해 주로 영향을 받는다. 내부 및 외부 부품들 사이의 이런 요구조건은 마찰력을 증가시키는 강하고 견고한 접촉을 필요로 한다. 비록 이런 해결 방안들이 몇몇 적용들에 대해 운용 가능하지만, 베어링 및 공차 링의 개량은 계속 관심을 끌고 있다.
기능층들을 갖는 베어링 및 공차 링을 위한 시스템, 방법, 및 장치의 실시예들이 개시된다.
일부 형태에서, 조립체는 외부 부품, 상기 외부 부품 내에 위치되고 상기 외부 부품에 대하여 상대적으로 이동 가능한 내부 부품, 및 상기 내부 부품과 상기 외부 부품 사이에 장착된 공차 링 또는 베어링을 포함한다. 상기 공차 링 또는 베어링은 금속 환형 밴드, 및 상기 금속층에 고정된 탄성중합체 층을 포함한다.
다른 실시예들에서, 상기 조립체는 상기 환형 밴드 및 상기 탄성중합체 층 중 적어도 하나의 위에 저마찰 층을 더 포함한다. 상기 환형 밴드는 스프링 강으로 형성될 수 있고, 상기 저마찰 층은 상기 환형 밴드의 적어도 일측에 라미네이트 되어 상기 공차 링의 슬라이딩 속성들을 개선할 수 있다. 상기 저마찰 층은 상기 탄성중합체 층 반대측 상기 환형 밴드 위에 위치될 수 있다. 상기 저마찰 층은 PTFE를 포함할 수 있고 상기 환형 밴드 또는 상기 탄성중합체 층에 본딩될 수 있다. 상기 조립체는 상기 환형 밴드 및 상기 탄성중합체 층 사이에 접착층 또는 프라이머 층을 더 포함할 수 있다.
첨부한 도면들을 참조함으로써 본 개시는 더 잘 이해될 수 있고, 그의 많은 특징들과 이점들은 이 기술에서 통상의 지식을 가진 자들에게 분명하게 된다.
도 1a, 1b, 및 1c는 본 발명에 따라 구성된 공차 링의 여러 실시예들의 측단면도들이다.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 공차 링의 다른 실시예의 측단면도이다.
도 3a, 3b, 및 3c는 본 발명에 따라 구성된 공차 링의 다른 실시예들의 측단면도들이다.
다른 도면들에서 동일 참조 부호의 사용은 유사하거나 동일한 물품을 가리킨다.
기능층들을 갖는 베어링 및 공차 링을 위한 시스템, 방법, 및 장치의 실시예들이 도 1 내지 도 3에 개시된다. 예를 들어, 도면들은 내부에 축을 가진 보어(25)를 갖는 외부 부품(23)을 포함하는 공차 링 조립체(21)를 도시한다. 내부 부품(27)은 외부 부품(23)의 보어(25)에 장착되고, 외부면(29)을 갖는다. 내부 부품(27)은 외부 부품(23)과 짝지어지고 서로 상대적으로 이동 가능하다.
베어링 또는 공차 링(31)은 내부 부품(27)과 외부 부품(23) 사이의 보어(25)에 위치된다. 베어링 또는 공차 링(31)은 다수의 파형들(38)(예를 들어, 도 1a에 세 개가 도시됨)을 갖고서 구성된다. 파형(38)의 피크(peak) 및 밸리(valley)는 내부 부품(27)과 외부 부품(23) 사이에서 파도형상을 이루고, 도시된 것처럼 내부 및 외부 부품의 표면들(25, 29)과 접촉한다.
공차 링(31)은 금속 물질로 형성된 환형 밴드(33), 환형 밴드(33)위 의 탄성중합체 층(35), 및 환형 밴드(33) 및 탄성중합체 층(35) 중 적어도 하나의 위의 저마찰 층(37)을 포함한다(도 13). 환형 밴드(33)는 스프링 강으로 형성될 수 있고, 저마찰 층(37)은 환형 밴드의 적어도 일측에 라미네이트될 수 있다.
저마찰 층(37)은 도 13에 도시된 것처럼, 탄성중합체 층(35)의 반대측 환형 밴드(33) 위에 위치될 수 있다. 저마찰 층(37)은 PTFE를 포함할 수 있고 접착제(glue 또는 adhesive)(39)를 이용하여 환형 밴드(33) 및 탄성중합체 층(35) 중 하나에 본딩될 수 있다. 탄성중합체 층은 예를 들어 니트릴 고무, 올레핀 탄성중합체, 폴리에테르-/폴리에스테르-탄성중합체, 에틸렌-프로필렌-탄성중합체, 에틸렌-아크릴 고무, 및 플루오로 탄성중합체 물질을 포함할 수 있다. 접착제(39)는 또한 환형 밴드(33)와 탄성중합체 층(35) 사이, 및 저마찰 층(37)과 환형 밴드 및/또는 탄성중합체 층 사이에 프라이머(primer)를 포함할 수 있다.
본원에서 개시된 실시예들은 종래의 해결 방안들에 대하여 중요한 이점들을 가진다. 예를 들어, 베어링 또는 공차 링과 탄성중합체 받침재(backing)의 조합은 더 부드러운(soft) 성능으로 공차 링의 설계를 개선한다. '부드러운(soft)' 이라는 용어는 변화가 덜한 낮은 레벨로 토크를 제공한다는 의미로 사용된다. NVH에 대해서는, 이들 물질들이 다른 성능 영역들을 약화시키지 않고서 공차 링에 의해 연결된 두 개의 짝지어진 부분들을 의미 있게 분리시킨다. 그 결과, 이들 설계들은 소음과 진동을 상당히 감소시킨다.
다른 예에서, 스프링 거동을 하는 금속 물질이 접착제 및/또는 프라이머로 코팅되고 탄성중합체 층과 결합되어 복합물질을 형성한다. 금속은, 예를 들어, 스테인리스 강, 탄소강, 또는 기타 탄성이 있는 금속들을 포함할 수 있다. 탄성중합체 물질은, 예를 들어, 니트릴 고무, 네오프렌 고무, 실리콘 고무, 올레핀 탄성중합체, 폴리에테르-/폴리에스테르-탄성중합체, 에틸렌-프로필렌-탄성중합체, 에틸렌-아크릴 고무 및/또는 플루오로 탄성중합체를 포함한다. 다른 실시예들에서, 공차 링은 내부 금속층과 외부 탄성중합체 층을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에서, 슬라이딩 또는 저마찰 층이 이 구조에 부가된다. 이들 설계들은 공차 보상 요소의 슬라이딩 속성들을 개선한다. 예를 들어, 저마찰 물질은 탄성중합체 층 위, 및/또는 심지어 탄성중합체 층과 반대측의 금속측 위에 PTFE를 포함할 수 있다. 탄성중합체 층과 같이, 저마찰 층은 접착제를 이용하여 공차 링(예를 들어, 금속층 또는 탄성중합체 층 중 어느 하나)에 본딩될 수도 있다.
또 다른 실시예들에서, 탄성 금속층은 저마찰 층에 라미네이트된다. 금속 표면은 이후 접착제 및/또는 프라이머로 코팅될 수 있고, 하나 이상의 탄성중합체 층과 조합되어 복합물질을 형성할 수 있다. 다른 조합들도 가능하다.
조성 및 제조방법 모두 종래의 슬라이딩 베어링과 다르고, 종래의 공차 링과도 다르다. 설명된 실시예들에, 몇 가지 다른 기능들이 제공된다. 이들 실시예들은 정의된 토크가 인가될 수 있고 추가적인 공차 보상을 가진 슬라이딩 베어링 또는 공차 링으로서 작용하고, 개선된 마찰 속성들을 가진 공차 링들로서 기능한다. 종래의 설계에 비하여, 공차 링의 실시예들은 향상된 슬라이딩 속성들을 갖고, 베어링의 실시예들은 향상된 스프링 및 조절 속성들을 갖는다.
이러한 복합 구조의 실시예들을 위한 일반적인 적용들은 간극이 없거나 간극이 감소된 적용들을 위한 슬라이딩 베어링을 제조하기 위하여, 혹은 낮은 유지력(retention force)을 갖는 공차 링을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 스프링 강으로 형성된 금속 코어는 스프링으로 작용하므로 저마찰 화합물이 코팅된 스프링 파형을 이용함으로써 베어링 표면과 예를 들어 샤프트 사이에서 공차를 조절할 수 있다.
저마찰 층은 샤프트의 기능측 또는 상대측에만 맞물릴 수 있다. 대안적으로, 저마찰 층은 양 부품들과 맞물릴 수 있고/있거나 짝지어진 부품들 사이에 필요한 유지력을 제공한다. 저마찰 층은 저마찰 물질의 고유한 낮은 마찰계수로 인하여 이러한 복합 구조가 슬라이딩 베어링으로서 기능하는 것을 가능하게 하거나 비교적 낮은 유지력을 제공한다.
공차 링은 스티어링 컬럼 잠금 기구들(steering column locking mechanism)과 같은 짝지어진 부품들 사이에 사용될 때, (예를 들어, 축 또는 회전의) 슬라이딩력을 조절할 수 있다. 공차 링은 일단 임계 토크 레벨에 도달하면 부품들 간 회전을 허용함으로써 과부하를 방지한다. 예를 들어, 스티어링 컬럼 에너지 흡수 시스템에서, 일단 축방향력에 도달하면, 공차 링은 축방향 슬라이딩이 발생하는 것을 가능하게 한다.
일반적으로, 낮은 강성(stiffness)을 가진 파형들은 낮은 토크 베어링을 생성하고 높은 강성의 파형들은 도어 힌지 적용들을 위한 것과 같은 높은 토크를 생성한다. 이들 성능 유형들은 스프링 특성들을 갖는 공차 링 파형들을 설계함으로써 달성될 수 있고, 상기 스프링 특성들은 올바른 레벨의 반경방향력을 생성하고, 이 반경방향력은 조립체의 마찰 특성들과 조합될 때, 원하는 슬라이딩력 레벨을 생성한다.
파형 스프링 특성들의 탄성/소성 성질은 조립체의 전형적인 치수 공차를 가로질러 받게 되는 힘 변동을 제한하기 위하여 사용된다. 이는 상당히 일관성 있는 슬라이딩력을 유지한다. 힘의 조작은 파형 기하, 물질 두께 및 경도의 설계에 의해 달성된다. 부품 치수의 공차에 대처하기 위해, 공차 링 파형들은 전형적으로는 파형들이 설치되는 간극에 대한 공차보다 더 큰 양만큼 압축되도록 설계된다.
(스티어링 컬럼 조정 기구들에서와 같은) 비교적 낮은 슬라이딩 또는 회전력 레벨이 요구되거나 공차 링이 피봇 부시처럼 작용하는 경우, 제한이 존재한다. 이들 적용들에서, 힘은 대개 너무 크고 반경방향 강성은 너무 낮다. 최대 힘을 제한하기 위해 공차 링 파형의 강성을 감소시키는 것이 가능하지만, 이는 조립체들에 낮은 반경방향 부하-전달능력을 초래할 수 있다. 심지어는 비교적 낮은 강성 파형들로도 생성된 슬라이딩력 레벨은 너무 높을 수 있다.
다른 실시예들에서, 저마찰 층은, 예를 들어, 폴리케톤, 폴리아라미드, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴레에테르설폰, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설폰, 폴리아미드이미드, 초고분자량 폴리에틸렌, 열가소성 플루오로폴리머, 폴리아미드, 폴리벤지미다졸, 또는 이들의 임의 조합과 같은 고분자를 함유한 물질들을 포함할 수 있다.
예에서, 열가소성 물질은 폴리케톤, 폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 설폰, 플루오로폴리머, 폴리벤지미다졸, 그 유도체, 또는 이들의 조합을 포함한다. 특별한 예에서, 열가소성 물질은 폴리케톤, 열가소성 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에테르 설폰, 폴리설폰, 폴리아미드이미드, 그 유도체, 또는 이들의 조합과 같은 고분자를 포함한다.
또 다른 예에서, 상기 물질은 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 케톤 케톤, 폴리에테르 케톤 에테르 케톤, 그 유도체, 또는 이들의 조합과 같은 폴리케톤을 포함한다. 예시적인 플루오로폴리머는 불화계(fluorinated) 에틸렌 프로필렌 (FEP), PTFE, 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF), 퍼플루오로알콕시 (PFA), 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드 (THV)의 3량체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 (PCTFE), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 공중합체 (ETFE), 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌 공중합체 (ECTFE), 또는 이들의 임의 조합을 포함한다. 추가적인 예에서, 상기 가소성 고분자는 초고분자량 폴리에틸렌일 수 있다.
(예를 들어, 오일 또는 그리스를 이용한) 슬라이딩 표면의 윤활은 강한 힘의 적용들에서 사용될 수 있다. 예시적인 고체 윤활제들은 몰리브덴 디설파이드, 텅스텐 디설파이드, 그래파이트, 그래핀(graphene), 팽창된 그래파이트, 질화붕소, 활석, 플루오르화 칼슘, 플루오르화 세륨, 또는 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 세라믹 또는 광물은 알루미나, 실리카, 이산화 티탄, 플루오르화 칼슘, 질화붕소, 운모, 규회석, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아, 카본블랙, 염료들, 또는 이들의 임의 조합을 포함한다.
저마찰 화합물계 외부면의 저 마찰/윤활 특성들과 공차 링-타입 코어의 스프링 특성들의 조합은 더 낮은 마찰 슬라이딩 인터페이스를 제공한다. 이러한 설계는 공차 링들이 슬라이딩 베어링 적용들을 위한 더 높은 토크 레벨에서 동작하고, 더 넓은 간극에 대하여, 종래의 공차 링으로 가능한 것 보다 더 높은 반경방향 하중 강도 및 더 낮은 슬라이딩력을 가지고 동작하도록 설계될 수 있다.
이러한 실시예들을 위한 적용들은, 예를 들어, 랩톱 컴퓨터 및 이동 전화기와 같은 휴대용 전자기기들을 위한 힌지 조립체들을 포함한다. 이들 적용들은 제품의 수명 대비 잘 정의된 토크에서 낮은 유지력을 제공하는 힌지 기구들을 요구한다.
전통적인 베어링들은 잘 정의된 초기 토크뿐만 아니라 낮은 유지력을 제공한다. 그러나, 본 발명으로, 마모가 적은 저마찰 층과 조합된 스프링 강 파형들의 스프링 조절 기능으로 인해 제품 수명에 대하여 토크 값이 비교적 일정하게 유지될 수 있다. 대조적으로, 전통적인 공차 링들은 강한 유지력을 제공하지만, 마찰이 심하다.
이러한 서면 설명은 이 기술에서 통상의 지식을 가진 자들이 본 발명을 고안하고 이용할 수 있도록 하는 예들을 사용하고, 이러한 예들은 최적 실시예를 포함한다. 본 발명의 특허가능 범위는 청구항에 의해 정의되고, 이 기술에서 통상의 지식을 가진 자들에게 생기는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들이 청구항의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소들을 가지거나, 청구항의 문자 그대로의 언어들과 실질적이지 않은 차이들을 가진 등가의 구조적 요소들을 포함한다면, 이러한 다른 예들은 청구항의 범위 이내인 것을 의도한다.

Claims (8)

  1. 보어를 갖는 외부 부품;
    상기 외부 부품과 짝지어져서 서로 상대적으로 이동할 수 있도록 상기 외부 부품의 보어 내에 장착된 내부 부품;
    상기 내부 부품과 상기 외부 부품 사이의 상기 보어 내에 위치되며, 상기 내부 부품 및 상기 외부 부품과 접촉하는 링;을 포함하고, 상기 링은,
    금속 물질로 형성된 환형 밴드;
    상기 환형 밴드 위에 있으며, 상기 외부 부품 및 상기 내부 부품 중 하나와 접촉하는 탄성중합체 층; 및
    상기 탄성중합체 층의 반대측에서 상기 환형 밴드 위에 있는 폴리머 층(polymeric layer);을 더 포함하는 조립체.
  2. 보어를 갖는 외부 부품;
    상기 외부 부품과 짝지어져서 서로 상대적으로 이동할 수 있도록 상기 외부 부품의 보어 내에 장착되고 외부면을 갖는 내부 부품;
    상기 내부 부품과 상기 외부 부품 사이의 상기 보어 내에 위치하고, 상기 외부 부품과 상기 내부 부품 사이에서 파형형상을 이루는 피크 및 밸리를 가진 다수의 파형들을 가지며, 상기 외부 부품의 보어 및 상기 내부 부품의 외부면과 각각 접촉하는 공차 링;을 포함하고, 상기 공차 링은,
    금속 물질로 형성된 환형 밴드;
    상기 환형 밴드 위의 탄성중합체 층; 및
    상기 탄성중합체 층의 반대측에서 상기 환형 밴드에 본딩(bond)되는 폴리머 층;을 더 포함하는 공차 링 조립체.
  3. 보어를 갖는 외부 부품;
    상기 외부 부품과 짝지어지고 서로 상대적으로 이동할 수 있도록 상기 외부 부품의 보어 내에 장착되고 외부면을 갖는 내부 부품;
    상기 내부 부품과 상기 외부 부품 사이의 상기 보어 내에 위치하고, 상기 외부 부품과 상기 내부 부품 사이에서 파형형상을 이루는 피크 및 밸리를 가진 다수의 파형들을 가지며, 상기 외부 부품의 보어 및 상기 내부 부품의 외부면과 각각 접촉하는 베어링;을 포함하고, 상기 베어링은,
    금속 물질로 형성된 환형 밴드;
    상기 환형 밴드 위의 탄성중합체 층;
    상기 탄성중합체 층의 반대측에서 상기 환형 밴드에 본딩되는 폴리머 층; 및
    상기 환형 밴드와 상기 탄성중합체 층 사이, 그리고 상기 폴리머 층과 상기 환형 밴드 사이에 있는 접착층들;을 더 포함하는 베어링 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 층은 상기 환형 밴드에 라미네이트 되는 조립체.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 밴드와 상기 탄성중합체 층 사이, 그리고 상기 폴리머 층과 상기 환형 밴드 사이에 접착층 또는 프라이머 층을 더 포함하는 조립체.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 밴드는 스프링 강으로 형성되고, 상기 폴리머 층은 PTFE를 포함하는 조립체.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 층은 상기 환형 밴드에 본딩되고, 상기 탄성중합체 층은 니트릴 고무, 올레핀 탄성중합체, 폴리에테르-/폴리에스테르-탄성중합체, 에틸렌-프로필렌-탄성중합체, 에틸렌-아크릴 고무 및 플루오로-탄성중합체 물질 중 하나를 포함하는 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 링은 베어링 및 공차 링 중 하나인 조립체.
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