KR20150093761A

KR20150093761A - 베어링

Info

Publication number: KR20150093761A
Application number: KR1020157017915A
Authority: KR
Inventors: 데틀레프 코르츠
Original assignee: 칼 프로이덴베르크 카게
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-08-18
Also published as: JP2016505416A; CN104822963A; WO2014086447A1; EP2929209A1; US20150316120A1; EP2929209B1; CN104822963B; DE102012023616B4; DE102012023616A1

Abstract

본 발명은 제1 커버 플레이트(2) 및 제2 커버 플레이트(3)를 포함하는 베어링(1, 1', 1'', 1''')과 관련이 있으며, 이때 상기 제1 커버 플레이트(2)와 제2 커버 플레이트(3) 사이에는 탄성 중합체 층(4)이 배치되어 있다. 본 발명의 과제는, 베어링이 비용 저렴하게 제조된 후에 긴 수명을 갖도록 서두에 언급된 유형의 베어링을 설계 및 개선하는 것이다. 상기 베어링은 상기 탄성 중합체 층(4)에 강화 스레드들(5)이 할당되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

베어링 {BEARING}

본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따른 베어링과 관련이 있다.

선행 기술에는 이미 탄성 중합체 내의 강화재로서 로빙(roving) 형태의 연속 섬유(continuous fiber)를 사용하는 것이 공지되어 있다. 상기 연속 섬유는 예를 들어 V-벨트의 보강재(strength support)로서 또는 호스, 타이어 및 공압식 벨로우즈(pneumatic spring bellows)의 섬유 조직으로서 이용된다.

그 밖에 선행 기술에는 다층 스프링으로서 설계된 베어링이 공지되어 있다. 이와 같은 다층 스프링은 고무-금속-구조를 갖는다. 유럽 특허 출원서 EP 2 360 388 A는 언급된 유형의 다층 스프링을 공지한다.

"FASERVERSTAERKTE ELASTOMERLAGER - Konzeption und Bemessung"[섬유 강화된 탄성 중합체 베어링 - 디자인 및 치수]; 2010년 8월, 오스트리아 빈, Ulrich Gerhaher의 간행물에는 건축 베어링이 공지되어 있다.

지금까지 공지된 베어링의 다층 구조는 비용집약적인데, 그 이유는 다수의 판금(metal sheet)이 제조되어야 하기 때문이다. 또한, 상기 베어링은 가공시에도 비용집약적인데, 그 이유는 상기 판금이 세척되고 코팅되어야 하기 때문이다. 또한, 상기 판금은 다이 내로 삽입되어야 한다.

판금 및 탄성 중합체 층들을 포함하는 이러한 베어링의 제조는 공정 기술(process technology) 관점에서 통제하기가 어렵다. 탄성 중합체 분사시 판금은 다이 내에서 구부러질 수 있다.

특히 베어링을 탈형(demold)하기 위해서는 상대적으로 고가의 다이가 분리되어야만 한다. 또한, 경우에 따라서는 중앙 보어(central bore)를 탈형하기 위해 소위 붕괴 코어(collapsing core)가 제공되어야 한다.

공지된 베어링에서 탄성 중합체에 대한 하중은 매우 불균일할 수 있다. 탄성 중합체는 외측 에지에서 강하게 연장될 수 있다. 하중 하에서의 스프링 상수(spring constant)의 증가, 즉 베어링에 대한 누진율(progessivity)은 탄성 중합체에서 허용되는 연장 정도에 의해 제한된다. 댐핑(damping)은 일반적으로 사용되는 탄성 중합체에서 달성 가능한 손실각(loss angle)에 의해 제한되어 있다.

본 발명의 과제는, 베어링이 비용 저렴하게 제조된 후에 긴 수명을 갖도록, 서두에 언급된 유형의 베어링을 설계 및 개선하는 것이다.

본 발명은 특허 청구항 1의 특징들에 의해 전술된 과제를 해결한다.

본 발명에 따라 우선 공지된 베어링이 제조에 있어서 상대적으로 비싸다는 사실이 확인되었다. 추가로 탄성 중합체 층의 변형이 판금에 의해 개별 지점에서만 집중적으로 방지되는 것이 아니라, 오히려 강화 스레드들(reinforcing threads)에 의해 전체 표면에서 "분산적으로" 방지될 수 있다는 사실이 확인되었다.

탄성 중합체 층의 변형은 현저히 덜 실패함으로써, 결과적으로 탄성 중합체에서 판금 단부에는 국부적인 집중 연장이 일어나지 않는다. 중간 판금의 제조 및 가공은 완전히 생략된다. 2개의 커버 플레이트 사이의 전체 구조물의 높이는 작은 전단 강도(shear stiffness)를 보완하기 위해 이용될 수 있다. 공지된 베어링의 경우, 중간 판금들의 두께가 이와 같은 유용한 높이를 감소시킨다.

강화 스레드들을 사용함으로써 제조용 다이의 구조가 훨씬 단순하고 비용 저렴하게 선택될 수 있다. 예를 들어 다이는 실린더 형태일 수 있고 분리할 필요도 없다.

이러한 점에 있어서, 베어링이 비용 저렴하게 제조된 후에 긴 수명을 갖도록 상기 베어링이 설계될 수 있다.

다음에서 서두에 언급된 과제가 해결된다.

베어링은 서로 직교하는 2개의 방향으로 2개의 강도값을 가질 수 있으며, 이때 상기 강도값들은 최대(up to) 15000의 계수만큼 차이가 난다. 이와 같은 숫자 범위의 하한은 전혀 차이가 나지 않음을 나타내는 0.2의 계수이다. 바람직하게 2개의 직교 방향으로 매우 차이 나는 강도값들은 판금 대신 강화 스레드들을 사용함으로써 달성 가능하며, 고무 스프링 및 고무 베어링에서 강도비를 설정하기 위해 "형상 계수(form factor)"를 고려하는 통상적인 사상에서 비롯된 선행 기술로부터 전향한다.

강화 스레드들은 탄성 중합체 층을 감싸거나 둘러쌀 수 있거나, 혹은 상기 탄성 중합체 층의 반경 방향으로 외측 영역에 매립될 수 있다. 베어링의 압축 강도는 대체로 탄성 계수 및 탄성 중합체 층의 둘레에 있는 강화 스레드들의 양에 의해 결정된다. 강화 스레드들의 재료 및 양을 선택함으로써 구조에 따른 매우 상이한 강도값들이 설정될 수 있고, 또한 상기 강화 스레드의 상이한 강도 성능이 설정될 수 있다.

예를 들어 재료로 E = 1,500-3,000 N/mm²의 나일론, E = 53,000 N/mm²의 아라미드 또는 E = 85,000 N/mm²의 폴리에틸렌이 선택될 수 있다. 또한, 재료로 금속, 특히 강철이 사용될 수 있는데, 그 이유는 금속들이 높은 탄성 계수를 갖기 때문이다.

강화 스레드들은 적어도 부분적으로 베어링의 종축에 대하여 90°와는 다른 각도로 기울어진 평면 내에서 연장형성될 수 있다. 기울어진 강화 스레드들에 의해 베어링의 전단 강도는 증가할 수 있다. 따라서 베어링의 규정된 전단 강도를 필요 하는 새로운 이용 분야들이 개발될 수 있다. 예를 들어 베어링은 철도 차량에서 1차 지지 장치(primary spring)로서 사용될 수 있다.

강화 스레드들은 로빙을 형성하거나 로빙 내에 배치될 수 있다. 로빙을 정렬함으로써 베어링의 횡 방향 강도값이 의도한 대로 설정될 수 있다. 바람직하게 둘레 방향으로 정확하게 정렬되지 않은 로빙에 의해서 횡 방향 강도값이 설정될 수 있고 베어링은 철도 차량에서의 1차 지지에 사용될 수 있다. 로빙은 예컨대, 연속하는 강화 스레드들이 고무와 함께 압연(rolling)됨으로써 제조될 수 있다.

또한, 맞춤형(tailored) 로빙을 사용하는 것도 고려할 수 있는데, 이때 고무 내에 강화 스레드들이 삽입되어 있다. 강화 스레드들은 중첩되거나 혹은 중첩되지 않으면서 탄성 중합체 층의 외측 둘레면을 2번 또는 그 이상 둘러쌀 수 있다. 그럼으로써, 강화 스레드들이 서로 인접하여 놓이는 상황이 방지되고, 강화 스레드들 사이에서 탄성 중합체 층의 탄성 중합체가 부풀어 오르는(bulging out) 상황이 방지된다.

로빙은 평행하게 배치된 소위 강화 스레드 로빙의 다수개의 층으로 이루어질 수 있다. 개별 층들은 강화 스레드의 배향(orientation)에 있어서 서로 상이할 수 있다. 강화 스레드의 배향은 생산 방향에 대한 각도로 정렬될 수 있다. 이 경우, 상기 생산 방향은 0°위치이다.

강화 스레드들이 예컨대 0° 및 90°로 정렬된 이중 층 구조의 소위 2축성 로빙이 존재한다. 또한, 강화 스레드들이 +45°/-45°로 정렬된 경우도 존재한다.

또한, 90°, -45°, 0°, +45°의 배향을 갖는 다층 구조의 소위 다축성 로빙도 존재하며, 이때 본 출원서에는 사층 구조(four-layer formation)가 제시되어 있다.

통상적으로 층들이 처음에는 서로 연결되어 있지 않다. 가공 가능성을 향상시키기 위해서 이와 같은 층들은 서로 짜일 수 있다. 직선으로 놓이고 주름이 잡히지 않은 섬유들은 매우 큰 하중을 수용할 수 있다. 그러나 섬유 조직 내에서 섬유들은 로빙과는 다르게 주름이 잡혀있다.

이미 탄성 중합체가 삽입된 로빙은 신속하게 가공될 수 있지만, 강화 스레드들 또는 강화 스레드 로빙이 유한한 길이를 갖는다는 단점이 있다. 따라서 이러한 로빙의 경우, 탄성 중합체 층을 두번 이상 감싸야한다.

강화 스레드들은 연속 스레드 또는 연속 섬유로서 형성될 수 있다. 그럼으로써 강화 스레드들은 문제없이 탄성 중합체 층상에 감길 수 있다. 연속 스레드 또는 연속 섬유는 예컨대 탄성 중합체 층의 외측 둘레면을 중심으로 100번 감길 수 있다. 강화 스레드들은 바람직하게, 특히 기울어진 배치 상태로 서로 긴밀하게 놓인다. 그러나 강화 스레드들 사이에 강화 스레드 간격을 유지하는 것도 고려할 수 있다. 그러나 어떤 경우에서도 강화 스레드들 사이에서 탄성 중합체가 부풀어 오르지 않도록 주의해야 한다. 이와 같은 이유으로 부직포, 바람직하게는 얇은 부직포를 강화 스레드들과 탄성 중합체 사이에 놓는 것을 고려할 수 있다.

탄성 중합체 층은 내부에 기체 및/또는 액체로 충전되어 있는 리세스를 포함할 수 있다. 바람직하게 베어링 중심의 유체 충전제로 인해 고가의 탄성 중합체를 쓰지 않아도 된다. 경화 시간(vulcanization time)은 현저히 단축되는데, 그 이유는 블록 형상의 탄성 중합체 층이 내부로부터 가열될 수도 있기 때문이다. 액체에 대해 대안적인 혹은 추가적인 기체 충전제에 의해서는 광범위하게 매우 진보적인 특성(progressive characteristic)이 형성될 수 있다.

리세스 내에는 노즐 및/또는 스로틀을 통해 서로 유동 연결(flow-connect) 가능한 기체 공간 및 액체 공간이 형성될 수 있다. 하나 또는 다수의 기체 공간 및 액체 공간을 노즐 및/또는 스로틀에 의해 분리함으로써 베어링은 추가로 수직 방향으로 댐퍼 기능을 수행할 수 있다.

기본적으로 본 출원서에 기술된 베어링은 2개의 방향으로의 큰 강도차를 가지고 모든 고무-금속-부품 대신에 사용될 수 있다.

이와 관련하여 특히, 예를 들어 철도 차량의 2차 지지 시스템에서 사용되는 것과 같은 다수의 판금 층을 갖는 다층 스프링이 포함된다. 또한, 베어링은 건물 및 다리를 지지하기 위한 건축 베어링으로서 사용될 수 있다. 베어링은 철도 차량용 1차 지지 장치로서 또는 2차 지지 장치로서 사용될 수 있거나, 혹은 1차 지지 장치 내에서 또는 2차 지지 장치 내에서 사용될 수 있고, 건축 베어링으로서 또는 다리 베어링으로서 사용될 수 있다.

고형 스프링으로서 설계된 베어링에 대한 분석적이고 간소화된 관점에서 다음의 수식:

이 적용되고, 이때 C_D = 압축 강도, C_s = 전단 강도, d = 강화 스레드 외피의 평균 두께, D = 스프링의 직경, E_F = 강화 스레드의 인장 탄성 계수 및 G = 탄성 중합체의 전단 탄성 계수이다.

유체로 충전된 중공 스프링(hollow spring)으로서 형성된 베어링에 대한 분석적이고 간소화된 관점에서 다음의 수식:

이 적용되고, 이때 D_i = 중공 스프링의 내경(보어)이다.

현실적인 강도비

는

d/D = 0.00025, E_F = 1,000 N/mm² 및 G = 1.5 N/mm²인 얇은 개별 강화 스레드 층의 보어가 없는 고형 스프링에 대하여

= 0.2

에서, d/D = 0.033, D_i/D = 0.75, E_F = 210,000 N/mm² 및 G = 1 N/mm²인 두꺼운 강화 스레드 층의 유체로 충전된 스프링에 대하여

= 15,000

까지의 범위에 있다.

최소 전단 강도값들은 완전한 접선 방향 와인딩에 상응하는 0°의 강화 스레드 각도에 의해 달성된다.

최대 45° 만큼 강화 스레드가 기울어짐으로써 베어링의 횡 방향 강도값이 의도한 대로 설정될 수 있다. 바람직하게 0° 내지 15°의 범위에서는 압축 강도가 단지 약간만 변경되면서 다른 횡 방향 강도값들이 달성된다.

일반적으로 강화 스레드들은 작은 강화 스레드 간격을 두고 서로 긴밀하게 감기거나, 또는 작은 강화 스레드 간격을 갖는 로빙이 이용된다.

바람직하게 강화 스레드 간격의 값은 강화 스레드 직경보다 작은 값에서 강화 스레드 직경의 4배에 이르는 값까지의 범위 내에 있다.

강화 스레드 직경의 4배보다 큰 강화 스레드 간격의 경우, 베어링의 수직 최대 하중에 따라 강화 스레드들 사이에서 경우에 따라 탄성 중합체가 불안정하게 부풀어 오를 위험이 증가한다.

십자형으로 기울어진 강화 스레드들을 갖는 베어링의 경우, 강화 스레드 간격은 더 크게 선택될 수 있는데, 바람직하게 15°의 기울기에서 강화 스레드 직경의 6배까지, 그리고 45°의 기울기에서 강화 스레드 직경의 10배까지 선택될 수 있다.

디자인에서 기인하는 더 큰 강화 스레드 간격의 경우에, 말하자면 대부분 특히 연성의 스프링의 경우에 탄성 중합체가 부풀어 오르는 상황에 대하여, 강화 스레드 층 아래에 바람직하게 동일한 재료 또는 상대적으로 더 작은 탄성 계수를 갖는 재료로 이루어진 부직포가 놓일 수 있으며, 상기 부직포는 상대적으로 더 큰 강화 스레드 간격에서도 탄성 중합체가 부풀어 오르는 것을 방지한다. 일반적으로 0.1 내지 0.5 mm 두께의 부직포가 이용된다.

강화 스레드들로는 바람직하게 플라스틱 섬유가 사용된다. 내화성 적용예로는 바람직하게 아라미드 섬유 또는 금속 섬유가 사용된다.

또한, 매우 큰 강도비를 형성하기 위해서는 탄소 섬유 및 금속 섬유, 바람직하게 강섬유가 사용될 수 있다.

침하(settling)가 적게 일어나도록 하기 위해서는 바람직하게 강섬유가 이용된다.

본 출원서에 기술된 베어링은 건축 기계 및 농업 기계에서 사용될 수 있다. 본 발명의 베어링은 엔진 베어링으로서 사용될 수 있는데, 그 이유는 상기 베어링이 적은 중량을 갖고 내식성을 갖도록 구현될 수 있기 때문이다.

본 베어링은 건축 베어링으로서 사용될 수 있는데, 그 이유는 상기 베어링이 단순한 구조를 갖고 비용 저렴하게 제조될 수 있기 때문이다. 바람직하게 침하가 적게 일어나도록, 강섬유가 사용될 수 있다.

본 베어링은 진동 롤러을 지지하기 위해 사용될 수 있는데, 그 이유는 높은 강도비가 설정 가능하고 비용 저렴한 제조가 가능하기 때문이다.

풍력 발전 적용예로는 엔진-기어 지지용 베어링을 사용할 수 있는데, 그 이유는 토크 지지(torque support), 큰 강도와 적은 중량 및 특히 내화용 커버링으로서 아라미드 섬유 또는 강섬유에 의한 내식성 구현이 가능하기 때문이다.

본 베어링은 선상 적용예로서 또는 열 병합 발전 설비에서 대형 엔진용 엔진 베어링으로 사용될 수 있다. 바람직하게 토크 지지, 적은 중량 및 특히 내화용 커버링으로서 아라미드 섬유 또는 강섬유에 의한 내식성 구현이 달성될 수 있다.

산업적으로는, 유동 보상(play compensation)에 의한 파이프 지지를 위해, 그리고 열팽창을 보상하기 위해 압축기 지지용 베어링이 사용될 수 있다. 상기 베어링은 높은 강도비를 갖고 비용 저렴하다.

도 1은 기체 및 액체로 충전된 베어링을 도시하고,
도 2는 기체 공간과 액체 공간 사이에 노즐이 배치되어 있는 기체 및 액체로 충전된 베어링을 도시하며,
도 3은 액체 공간을 갖는 베어링이 외부 유압 축압기와 연결되어 있는 장치를 도시하고,
도 4는 압력하에 기체 및 액체로 충전된 추가의 베어링을 도시한다.

도 1은 제1 커버 플레이트(2) 및 제2 커버 플레이트(3)를 포함하는 베어링(1)을 도시하고, 이때 상기 제1 커버 플레이트(2)와 제2 커버 플레이트(3) 사이에는 탄성 중합체 층(4)이 배치되어 있다. 상기 탄성 중합체 층(4)에는 강화 스레드들(5)이 할당되어 있다. 상기 베어링(1)은 서로 직교하는 2개의 방향으로 2개의 강도값을 갖고, 이때 상기 강도값들은 최대 15000의 계수만큼 차이가 난다.

상기 강화 스레드들(5)은 상기 탄성 중합체 층(4)을 감싸고 둘러싼다. 상기 강화 스레드들(5)은 상기 탄성 중합체 층(4)의 외측 둘레면에서 연장형성되고, 이때 이와 같은 탄성 중합체 층은 샌드위치 형태로 상기 커버 플레이트들(2, 3) 사이에 수용되어 있다. 이러한 점에 있어서, 강화 스레드들(5)은 탄성 중합체 층(4)의 부분이 아니라, 오히려 상기 탄성 중합체 층(4)의 재료와 다른 재료로 제조되었다.

상기 탄성 중합체 층(4)은 내부에 기체(7) 및 액체(8)로 충전되어 있는 리세스(6)를 포함한다.

도 2는 리세스(6) 내에 기체 공간(7a) 및 액체 공간(8a)이 형성되어 있는 베어링(1')을 도시하며, 상기 기체 공간 및 액체 공간은 노즐(9)을 통해 서로 유동 연결 가능하다.

도 3은 외부 유압 축압기(10) 및 액체(8)로 충전된 리세스(6)가 제공된 베어링(1'')을 포함하는 장치를 도시하며, 이때 상기 리세스(6)는 상기 외부 유압 축압기(10)와 유동 연결되어 있다.

도 4는 내압하에 있는 베어링(1''')을 도시한다. 상기 내압은 제조시 설정되었다. 이와 같은 상황은 상기 베어링(1''')의 특성을 변경시킬 추가 가능성을 제시한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 베어링(1, 1', 1'', 1''')은 통상적으로 2개의 커버 플레이트 사이에 다수의 판금 및 탄성 중합체 층이 배치되어 있는 다층 스프링을 대체할 수 있다.

Claims

제1 커버 플레이트(cover plate)(2) 및 제2 커버 플레이트(3)를 포함하고, 상기 제1 커버 플레이트(2)와 제2 커버 플레이트(3) 사이에 탄성 중합체 층(4)이 배치되어 있는, 베어링(1, 1', 1'', 1''')으로서,
상기 탄성 중합체 층(4)에는 강화 스레드들(reinforcing threads)(5)이 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항에 있어서,
서로 직교하는 2개의 방향으로 2개의 강도값을 갖고, 이때 상기 강도값들은 최대 15000의 계수만큼 차이가 나는 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 강화 스레드들(5)은 상기 탄성 중합체 층(4)을 감싸거나 둘러쌀 수 있거나, 또는 상기 탄성 중합체 층(4)의 반경 방향으로 외측 영역에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 스레드들(5)은 적어도 부분적으로, 베어링(1, 1', 1'')의 종축에 대하여 90°와는 다른 각도로 기울어진 평면 내에서 연장형성되는(run) 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 스레드들(5)은 로빙(roving)을 형성하거나 로빙 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강화 스레드들(5)은 연속 스레드 또는 연속 섬유로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄성 중합체 층(4)은 기체(7) 및/또는 액체(8)로 충전되어 있는 리세스(6)를 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링.
제7 항에 있어서,
상기 리세스(6) 내에는 기체 공간(7a) 및 액체 공간(8a)이 형성되어 있고, 상기 기체 공간 및 액체 공간은 노즐(10) 및/또는 스로틀을 통해 서로 유동 연결(flow-connect) 가능한 것을 특징으로 하는 베어링.
제1 항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 베어링(1, 1', 1'', 1''')의 스프링으로서의 용도.