KR20180070483A - 무조인트 연속 저널 베어링 - Google Patents

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KR20180070483A
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bearing
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무랄리크리슈나 랑하라즈한
카타야낫트 사비오 세바스티안
소우비크 매트
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

본원에는 샤프트(110)용 저널 베어링(120)이 개시되어 있다. 상기 저널 베어링(120)은, 샤프트(110)를 수용하기 위한 보어(124)를 획정하는 내부면(122)과, 외부면(128)을 구비하는 무조인트 연속체를 포함한다. 보어 축(126)에 수직한 무조인트 연속체의 단면(150)이 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)를 포함한다. 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)의 각각은, 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180) 중에서 이웃하는 각도 섹터들 각각과는 다른 미세 구조 또는 다른 조성 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

무조인트 연속 저널 베어링{JOINTLESS CONTINUOUS JOURNAL BEARINGS}
본원은 일반적으로 저널 베어링에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 무조인트 연속체를 구비하고 보어 축에 수직한 단면에서 적어도 3개의 각도 섹터를 구비하는 저널 베어링에 관한 것이다.
엔진 용례에서, 저널 베어링은 엔진의 샤프트를 저널링하는 데 널리 사용되고 있다. 일반적으로, 저널 베어링은 고강도 재료로 제조되고, 하나 이상의 코팅을 구비할 수 있다. 예를 들어, 통상의 저널 베어링은 아치형 강철 백킹을 구비하며, 하나 이상의 코팅을 형성하도록 상기 강철 백킹에는 하나 이상의 보다 연질 또는 경질의 재료의 층이 도포되어 있다. 상기 강철 백킹은 저널 베어링에 구조적 강성 및 하중 지지 성능을 제공한다. 상기 코팅은 마찰, 마모, 부식, 피로, 포착 및 캐비테이션을 감소시키는 데 도움을 준다. 상기 코팅은 추가적인 기능성, 예를 들어 윤활, 열 분산, 허용 매립성, 하중 지지를 위한 강도, 및 저널 베어링에 대한 순응성 등을 제공할 수 있다. 경우에 따라, 적절한 코팅을 설계하는 중에, 저널 베어링의 최적의 작동을 확보하기 위해 하나 이상의 기능성이 손상될 수 있다. 예를 들어, 작동 중에 샤프트와 접촉하는 저널 베어링의 코팅의 층이, 그 매립성을 증가시키지만, 내마모성에 대해서는 손상되도록 설계될 수 있다.
현재 알려진 저널 베어링을 마련하기 위한 방법은 복수의 제조 및 조립/통합 단계를 포함한다. 종래의 저널 베어링의 대부분은, 함께 완전한 원을 형성하는 2개의 반체를 갖는 분할 베어링이다. 이러한 분할 베어링의 소기의 기능성 중 하나 이상은, 적절한 고강도 재료(예를 들어, 강철)의 선택을 통해, 및/또는 사용되는 재료의 미세 구조를 변경하는 것을 통해 달성될 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링, 전기화학적 증착, 무전해 도금 및 분사 등과 같은 기술을 이용함으로써, 상기 저널 베어링의 상기 2개의 반체의 강철 백킹 상에 다층 코팅이 형성될 수 있다. 제조하기 쉬운 저널 베어링을 구비하는 것과, 저널 베어링의 소기의 기능성의 수행에 맞춰진 섹션들을 구비하는 것이 바람직하다.
일 양태에서는, 샤프트용 저널 베어링이 개시된다. 상기 저널 베어링은, 샤프트를 수용하기 위한 보어를 획정하는 내부면과, 외부면을 구비하는 무조인트 연속체를 포함한다. 보어 축에 수직한 무조인트 연속체의 단면은 적어도 3개의 각도 섹터를 포함한다. 상기 적어도 3개의 각도 섹터의 각각은, 적어도 3개의 각도 섹터 중에서 이웃하는 각도 섹터들 각각과는 다른 미세 구조 또는 다른 조성 중 적어도 하나를 포함한다.
본원의 여러 특징, 양태 및 이점은, 도면 전반에 걸쳐 유사한 부분들에 유사한 부호들이 표시된, 첨부 도면을 참조로 하여 이하의 상세한 설명을 읽으면 보다 잘 이해될 것이다. 달리 명시되어 있지 않다면, 본원에 제공된 도면들은 본원의 주요 특징부들만을 예시하고 있는 것으로 여겨진다. 이러한 주요 특징부들은, 본 발명의 하나 이상의 실시형태들을 포함하는 매우 다양한 시스템에 적용 가능한 것으로 고려된다. 이에 따라, 도면은 본 발명을 실시하기 위해 요구되는 당업자에게 알려진 모든 종래의 특징부들을 포함하고 있는 것으로 여겨지지 않는다.
도 1은 본원의 일부 실시형태들에 따른 저널 베어링과 샤프트를 포함하는 시스템의 중심선 축에서의 단면의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 저널 베어링의 보어 축에 수직한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 저널 베어링의 2개의 각도 섹터의 교차부를 보여주는 보어 축에 수직한 개략적인 단면도의 일부분이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시형태들에 따른 저널 베어링의 보어 축과 샤프트에 수직한 개략적인 단면도이다.
이하의 상세한 설명과 뒤이은 청구범위에서, 단수 형태(원문에서의 정관사와 부정관사)는, 별도로 문맥에서 명확히 지시하고 있지 않으면, 복수의 지시 대상을 포함한다. 본원에서 발명의 상세한 설명 및 청구범위의 전반에 걸쳐 사용되고 있는 바와 같이, 근사적인 표현은, 관련이 있는 기본적 기능의 변화를 초래하지 않는 일 없이, 허용 가능하게 변경될 수 있는, 임의의 양적 표현을 한정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, 용어 "약"에 의해 한정되는 값이, 명시된 바로 그 값에 국한되지 않을 수 있고, 의도하는 기능에 영향을 주지 않으면서, 명시된 값과 다른 값들을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 예에서, 근사적인 표현은 값을 측정하는 기구의 정확도에 대응할 수 있다.
보호 대상을 보다 간단명료하게 설명하기 위해, 특정 실시형태와 관련하여 달리 구체적으로 표시되어 있지 않다면, 이하의 상세한 설명과 첨부된 청구범위의 전반에 걸쳐 사용되고 있는 특정 용어에 관하여, 다음과 같이 정의한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "무조인트 연소체"는 조인트 및/또는 틈새가 없는 단일체를 지칭한다. 무조인트 몸체는 제조 중에 모놀리식 단일 부재로서 형성된다. 이에 의해, 무조인트 몸체에는, 몸체의 개개의 거시적 구성 요소를 마련한 후에 형성되는 조인트가 없다. 다시 말하자면, 무조인트 몸체는, 우선 거시적 구성 요소들을 마련한 후, 이들 구성 요소들을 임의의 물리적, 화학적 및/또는 기계적 수단을 이용해 연결하는 것에 의해 형성되지 않는다. 연속체는 몸체에 틈새 또는 틈이 없다. 연속체는, 작동 중에 단일체로서 기능하도록 함께 배치되는 2 이상의 부분을 갖는 비연속체와 대조된다. 용어 "각도 섹터(angular sector)"는, 단면도에서 보아, 무조인트 연속체의 두 반경, 내부면 및 외부면 내에 에워싸여 있는 무조인트 연속체의 단면에서의 일부분을 지칭한다. 상기 각도 섹터는 그 각도 스팬에 관하여 규정되고 나타내어진다. 용어 각도 섹터의 "각도 스팬"은, 각도 섹터의 내부면의 원호에 대하는 각도를 나타낸다. 구체적으로, 각도 섹터의 각도 스팬은, 각도 섹터의 내부면의 둘레의 원호에 대하는 중심각이다. 다시 말하자면, 각도 스팬은 일반적으로 각도 섹터의 두 반경 사이의 각도를 나타낸다.
본원의 일 양태는 특정 구성을 갖는 저널 베어링에 관한 것이다. 본원의 일부 실시형태는 샤프트용 저널 베어링을 개시한다. 상기 저널 베어링은, 내부면과 외부면을 구비하는 무조인트 연속체를 포함한다. 상기 내부면은 샤프트를 수용하기 위한 보어를 획정한다. 보어 축에 수직한 무조인트 연속체의 단면은 적어도 3개의 각도 섹터를 포함한다. 일부 실시형태에서, 보어 축에 수직한 무조인트 연속체의 단면은, 3개 내지 60개 범위의 임의의 개수의 각도 섹터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 보어 축에 수직한 무조인트 연속체의 단면은 4개, 5개, 10개, 25개, 또는 40개의 각도 섹터를 포함할 수 있다. 상기 적어도 3개의 각도 섹터의 각각은, 적어도 3개의 각도 섹터 중에서 이웃하는 각도 섹터들 각각과는 다른 미세 구조 또는 다른 조성 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시형태에서, 저널 베어링은 적층 가공 방법에 의해 제조된다. 적층 가공 방법에서는, 재료를 한 층씩 첨가함으로써 3차원 물체가 만들어진다. 스프레이 코팅에 의해 물체를 제조하는 것은, 적층 가공의 비제한적인 예이다. 이는, 어느 한 거시적 구성 요소를 다른 구성 요소에 결합함으로써 3차원 물체를 형성하는 종래의 방법과 대조된다. 이에 국한되는 것은 아니지만, 금속, 합금, 플라스틱 및 복합 재료 등과 같은 다양한 서로 다른 재료가, 적층 가공에 사용될 수 있다. 적층 가공은, 종래의 제조 방법을 통해서는 내재적인 한계로 인하여 달성하기 어려운, 매우 복잡한 구조가 필요한 분야에서, 매우 바람직한 것이다. 적층 가공에 의한 저널 베어링의 제조는, 예를 들어 저널 베어링의 구성 요소에 불균일한 미세 구조를 포함시키는 것 등과 같은, 확장된 설계 공간을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 시스템(100)의 축방향 단면을 개략적으로 보여주는 도면이다. 상기 시스템(100)은 샤프트(110)와 상기 샤프트(110)용 저널 베어링(120)을 포함한다. 상기 저널 베어링은, 샤프트(110)를 수용하기 위한 보어(124)를 획정하는 내부면(122)을 구비한다. 상기 보어는 중심선 보어 축(126)을 갖는다. 상기 저널 베어링은 외부면(128)을 구비한다. 상기 저널 베어링(120)과 상기 샤프트(110)가 상기 시스템(100)의 작동 중에 쌍을 이루어 작동하도록, 상기 저널 베어링(120)은 상기 샤프트(110)에 작동식으로 연결되어 있다. 시스템(100)의 작동 중에 쌍을 이루어 작동하는 상기 저널 베어링(120)과 상기 샤프트(110)는, 상기 저널 베어링(120)과 상기 샤프트(110) 사이에 임의의 물리적 결합의 존재를 필요로 하지 않거나 나타내지 않는다. 저널 베어링(120)의 무조인트 연속체는, 제1 단부(132)와 제2 단부(134)를 구비하고, 저널 베어링의 길이 L1이 제1 단부(132)와 제2 단부(134) 사이의 최단 거리로서 획정된다. 저널 베어링(120)은, 시스템(100)의 작동 중에 샤프트(110)를 지지하고, 샤프트(110)가 저널 베어링(120)의 내부에서 자유롭게 회전 또는 진동하는 데 기여하며, 저널 베어링(120)이 장착되는 고정 구조물에 반경방향 하중을 전달한다.
도 2는 보어 축(126)에 수직한 방향에 있어서 저널 베어링(120)의 무조인트 연속체의 단면(150)을 보여준다. 저널 베어링의 무조인트 연속체의 단면(150)에는 내부면(122), 외부면(128) 및 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)가 도시되어 있는데, 각도 섹터 각각은 내부면(122)과 외부면(128)의 두 반경과 각각의 원호에 의해 획정되는 것이다. 예를 들어, 각도 섹터(160)는, 반경(153)과 반경(154)의 사이에서, 내부면(122) 및 외부면(128)의 반경(153, 154) 및 원호에 의해 획정된 무조인트 연속체의 영역이다. 유사하게, 각도 섹터(170)는 반경(155)과 반경(156)의 사이에서, 내부면(122) 및 외부면(128)의 반경(155, 156) 및 원호에 의해 획정된 영역이고; 각도 섹터(180)는 반경(157)과 반경(152)의 사이에서, 내부면(122) 및 외부면(128)의 반경(157, 152) 및 원호에 의해 획정된 영역이다. 각도 섹터(160)는 α의 각도 스팬을 갖고, 각도 섹터(170)는 β의 각도 스팬을 가지며, 각도 섹터(180)는 δ의 각도 스팬을 갖는데, 이들 각도 스팬은, 내부면(122)의 각각의 원호에 대하는 각도[즉, 반경(153, 154, 155, 156, 157, 152)로부터 선택된 각각의 반경의 쌍 사이의 중심각]이다. 서로 다른 각도 섹터의 각도 스팬은 순전히 각도 섹터의 기능성에 기초하여 설계될 수 있고, 축대칭으로 되도록 설계될 필요는 없다. 단면을 따른 저널 베어링의 폭 "W1"이, 단면에 있어서 저널 베어링(120)의 무조인트 연속체의 외부면(128)에 있는 정반대의 두 지점 사이의 최단 거리이다. 단면(150)을 따른 각도 섹터의 폭 "W2"이, 단면에 있어서 무조인트 연속체의 내부면(122)과 외부면(128)의 사이의 최단 거리일 수 있다.
도 2의 실례에서, 각도 섹터(170)와 각도 섹터(180)는 각도 섹터(160)에 이웃한다. 유사한 방식으로, 각도 섹터(170)는 각도 섹터(160) 및 각도 섹터(180)를 이웃하는 각도 섹터로서 구비하고, 각도 섹터(160) 및 각도 섹터(170)는 각도 섹터(180)에 이웃한다. 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)의 각각은, 적어도 3개의 각도 섹터 중에서 이웃하는 각도 섹터들 각각과는 다른 미세 구조 또는 다른 조성 중 적어도 하나를 포함한다. 따라서, 일부 실시형태에서, 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)를 갖는 도 2에 도시된 실시형태에서는, 각도 섹터(160, 170, 180) 각각은, 미세 구조, 조성, 또는 미세 구조와 조성의 조합이 다른 두 각도 섹터와 다르다.
일부 실시형태에서, 각도 섹터들(160, 170, 또는 180) 중의 적어도 2개는 무조인트 연속체의 길이 L1(도 1에 도시)을 따라 연장된다. 따라서, 일부 실시형태에서, 길이 L1에 있어서 임의의 거리에서의 단면이 적어도 3개의 각도 섹터 중의 적어도 2개를 구비할 것이다. 일부 실시형태에서, 단면(150)은 도 1에 도시된 저널 베어링(120)의 연속체의 제1 단부(132)와 제2 단부(134) 사이의 임의의 거리 L2에 있는 것일 수 있다.
무조인트 연속체는, 보어 축에 수직한 모든 단면에서 적어도 3개의 각도 섹터를 가질 필요는 없다. 그러나, 무조인트 연속체는 보어 축에 수직한 단면들 중의 적어도 하나에서 적어도 3개의 각도 섹터를 포함한다. 일부 실시형태에서, 무조인트 연속체는, 보어 축에 수직한 모든 단면에서 적어도 3개의 각도 섹터를 포함한다. 일부 실시형태에서, 도 1에 도시된 제1 단부(130)로부터의 단면의 거리 L2는, 저널 베어링(120)의 연속체의 길이 L1의 적어도 10%이다. 특정 실시형태에서, 단면의 거리 L2는 길이 L1의 절반이며, 이에 따라 저널 베어링(120)의 무조인트 연속체의 중앙에서의 단면을 획정한다. 특정 실시형태에서, 길이 L1에 있어서 임의의 거리에서의 단면(150)이 적어도 3개의 각도 섹터 모두를 구비할 것이다.
저널 베어링의 무조인트 연속체는, 예를 들어 홈, 구멍 및/또는 로브 등과 같은 선택적인 구조적 변형들을 더 포함할 수 있는 임의의 외부 및/또는 내부 형상을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 저널 베어링은, 예를 들어 불연속적인 개별 경사 패드를 형성할 수 있는, 홈, 구멍 및/또는 로브의 연장부 등과 같은, 무조인트 연속체에 대한 임의의 추가적인 외부의 및/또는 내부의 구조적 연장부를 구비할 수 있다. 일부 실시형태에서, 무조인트 연속체는 원통형 외부면과 원통형 내부면을 구비한다. 일부 실시형태에서, 무조인트 연속체는 원형 또는 타원형 보어를 갖는 무조인트 연속 원통체이다. 따라서, 원통체의 내부면은 샤프트와 저널 베어링의 조합의 작동성에 도움을 주는 원형 보어 또는 타원형 보어를 획정할 수 있다.
단면(150)의 적어도 3개의 각도 섹터는, 적어도 3개의 각도 섹터의 기능성을 향상시키며 저널 베어링의 전반적인 성능을 향상시키는 임의의 각도 스팬을 가질 수 있다. 특정 각도 섹터의 각도 스팬이 클수록, 해당 각도 섹터와 관련된 기능성이 향상될 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 3개의 각도 섹터 각각은 적어도 5°의 각도 스팬을 포함한다.
일부 실시형태에서, 무조인트 연속체의 길이를 따라서의, 각도 섹터의 수는 보어 축에 수직한 서로 다른 단면들에서 다를 수 있다. 일부 실시형태에서, 각도 섹터 각각의 기능성에 따라, 특정 각도 섹터의 각도 스팬이, 보어 축에 수직한 서로 단면들에서 변화될 수 있다. 일부 실시형태에서, 특정 각도 섹터의 각도 스팬이, 무조인트 연속체의 길이를 따라 연속적으로 변화될 수 있다. 일부 실시형태에서, 특정 각도 섹터의 각도 스팬이, 무조인트 연속체의 길이의 전반에 걸쳐 연속적으로 변화될 수 있다. 비제한적인 예에서, 각도 섹터의 각도 스팬이, 중앙 단면에서부터 제1 단부(132) 및 제2 단부(134)를 향해감에 따라 연속적으로 감소된다. 다른 비제한적인 예에서, 각도 섹터의 각도 스팬이, 제1 단부(132)에서부터 제2 단부(134)를 향해감에 따라 연속적으로 감소된다. 일부 실시형태에서, 고정 저널 베어링의 저부에 대한 각도 섹터의 위치가, 연속체의 길이 L1을 따른 서로 다른 단면들에서 서로 다를 수 있다. 일부 실시형태에서, 각도 섹터의 위치는, 중앙 단면에서부터 제1 단부(132) 및/또는 제2 단부(134)를 향해가면서 측정될 때, 연속적인 단면들에서 연속적으로 기울어져 있다. 다른 비제한적인 예에서, 각도 섹터의 위치는, 제1 단부(132)에서부터 제2 단부(134)를 향해가면서 측정될 때, 연속적인 단면들에서 연속적으로 기울어져 있다.
단면(150)의 적어도 3개의 각도 섹터는 서로 인접해 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 각도 섹터를 구비하는 일부 실시형태에서, 3개의 각도 섹터는 그 교차부에서 서로 블렌딩되어 있다. 3개보다 많은 각도 섹터를 구비하는 실시형태에서, 각각의 각도 섹터는 그 교차부(190)에서 이웃하는 두 각도 섹터와 블렌딩되어 있다. 따라서, 임의의 두 각도 섹터의 교차부(190)는, 각도 섹터들의 경계를 정하는 임의의 특정 경계 또는 조인트를 교차부(190) 내에 갖지 않으면서 확산된 상태이다. 또한, 교차부(190)에서의 이웃하는 각도 섹터들의 블렌딩의 결과, 이웃하는 두 각도 섹터들을 갖는 모놀리식 무조인트 연속체가 얻어진다. 상기 모놀리식 구조는, 구조적으로 별개인 구성요소를 포함하는 것이 아니라, 이웃하는 섹터들 각각의 기능적으로 구별 가능한 양태들이 블렌딩을 통해 모두 혼합되는 것을 보장한다. 교차부(190)에서의 이웃하는 각도 섹터들의 블렌딩의 결과, 각도 섹터들의 교차부(190)를 작동 중에 갈라지거나 파손되기 쉬운 취약 지점들로 만드는 일이 없는, 연속적이고 강한 저널 베어링(120)을 보장한다.
각도 섹터들은 교차부(190)에서 다양한 방식으로 서로 블렌딩될 수 있다. 일부 실시형태에서, 교차부는, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 각도 스팬을 따라 미세 구조의 단계적 변화 또는 조성의 단계적 변화 중의 적어도 하나를 포함한다. 도 3은, 반경(156)과 반경(157)의 사이에서 각도 섹터(170)로부터 각도 섹터(180)로 이동할 때, 교차부(194)에서 각도 섹터(170)의 재료의 밀도가 점차적으로 감소하고 각도 섹터(180)의 재료의 밀도가 점차적으로 증가하도록, 단계적으로 형성된 두 각도 섹터(170, 180)의 교차부(194)를 도시한다. 예를 들어, 제1 각도 섹터가 이웃하는 제2 각도 섹터와 조성이 다른 경우, 제1 각도 섹터와 이웃하는 제2 각도 섹터의 교차부는 조성의 단계적 변화를 가질 수 있다. 조성의 단계적 변화는, 각도 스팬을 따라, 교차부의 조성을 제1 각도 섹터의 조성으로부터 제2 각도 섹터의 조성으로 점차적으로 변화시킴으로써 형성될 수 있다. 다른 예에서, 이웃하는 두 각도 섹터들이 미세 구조가 서로 다른 경우, 그 교차부에는 각도 스팬을 따라서 미세 구조의 변화가 있을 수 있다. 임의의 두 각도 섹터 사이의 미세 구조 차이의 비제한적 예로는, 입자 크기, 입자 형상, 입자간 경계, 또는 다공성의 차이 등이 있다. 일부 실시형태에서, 임의의 두 각도 섹터의 교차부(190)는 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 1°의 한정된 각도 스팬 γ에 걸쳐 있다.
본원에 개시된 저널 베어링에서의 각도 섹터들의 연속적인 교차부는, 저널 베어링으로서 기능하도록 서로 접촉하거나 또는 기계적으로 연결되는 종래의 분할 베어링의 2개의 반체와 대조가 된다. 각도 섹터들의 연속적인 교차부는, 저널 베어링의 매크로 구조의 완전성을 손상시키는 일 없이 또는 저널 베어링에 미세 구조 및 조성의 급격한 변화를 도입하는 일 없이, 어느 한 각도 섹터와 다른 각도 섹터의 사이에 매끄러운 특성 변화를 갖는 것이 특히 유익하다.
저널 베어링의 여러 각도 섹터들은, 기능을 위해 요구될 수 있는, 또는 종래의 저널 베어링과 비교하여 향상된 저널 베어링의 성능에 유리한, 여러 기능성에 적합하도록 설계될 수 있다. 저널 베어링의 기능성의 비제한적인 예로는, 하중 지지성, 내마모성, 내부식성, 내침식성, 스커핑 저항성, 고착(seizure) 저항성, 캐비테이션 저항성, 열 분산성, 윤활제 저장성, 작동 동안 샤프트 표면으로의 윤활제의 확산성, 윤활제에의 작은 외부 입자의 매립성, 및 예를 들어 온도, 마모, 저널 베어링과 샤프트 사이에서의 윤활의 양 등과 같은 여러 파라미터의 측정치 등이 있다.
저널 베어링의 하중 지지 성능은, 저널 베어링이 견딜 수 있는 사이클링 응력의 최대값이다. 저널 베어링은, 작동 동안의 샤프트의 다수의 사이클 이후에도 높은 하중 지지 성능을 갖는 것이 바람직하다. 예시적인 실시형태에서, 저널 베어링에 인가되는 사이클링 응력은, 저널 베어링을 채용하는 내연 기관에서 발생되는 관성력 및 연소의 결과이다. 작동 중에, 저널 베어링에 걸리는 하중이 저널 베어링의 피로 강도를 초과하는 경우, 피로 균열이 저널 베어링에서 발생할 수 있다. 이러한 피로 균열은 표면 아래에서 발생될 수 있고, 표면으로 확산되어, 저널 베어링의 재료가 벗겨지게 될 수 있다.
저널 베어링의 내마모성은, 윤활제에 연마성 외부 입자가 존재하고 저널 베어링과 샤프트 재료의 사이에 간헐적이고 직접적인 접촉이 있는 조건하에 있음에도 불구하고, 저널 베어링의 치수 안정성을 유지할 수 있는 저널 베어링의 재료의 능력이다. 매립성은, 예를 들어 윤활유 안에서 순환하는 먼지, 파편, 티끌 및 연마성 잔류물 등과 같은 작은 외부 입자를 포착하고, 이러한 입자를 저널 베어링의 내부면 아래에 포획할 수 있는 저널 베어링의 재료의 능력이다. 저널 베어링의 재료의 매립성이 좋지 않으면, 샤프트 및 저널 베어링의 표면에서 마모가 가속화되고 스크래치가 생기며, 그 결과 더 나아가 고착이 야기될 수 있다.
시스템의 작동시, 샤프트와 저널 베어링 사이의 미끄럼 마찰은 일반적으로, 접찰면들 사이에 윤활제를 추가하는 것을 통해 감소된다. 엔진 베어링은 일반적으로, 베어링의 표면에 모터 오일이 계속해서 충분한 양으로 공급될 때, 모터 오일에 의해 윤활된다. 윤활 마찰은, 베어링 및 저널의 표면들 사이에 가압된 윤활제의 박막(유체 역학적 또는 압착 막)이 존재하는 것을 특징으로 한다. 일반적으로, 대부분의 공학 용례는 유체 역학적 저널 베어링을 구비한다. 유체 역학적 저널 베어링에서는, 상대적으로 하중이 낮은 상태에서 회전 속도가 높으면, 접찰면들 사이에 있는 윤활제의 막이 안정적인 것을 특징으로 하는 유체 역학적 마찰이 초래된다. 유체 역학적 윤활에서는, 접찰면들 사이에 접촉이 일어나지 않는다. 윤활제의 막은, 편심 저널과 베어링 사이에 있는 수렴 갭을 통해 압착된 윤활제에 의해 발생되는 유체 역학적 압력으로 인하여, 베어링과 샤프트의 표면을 서로 떨어져 있게 한다. 윤활제의 막은 저널 베어링과 샤프트의 접촉면들에 연속적으로 공급될 수 있고, 이에 따라 저널 베어링이 윤활제 저장성 및/또는 윤활제 연속 공급성을 갖는 것이 바람직하며, 작동 중에 샤프트와 저널 베어링의 접촉면들에 소요량의 윤활제를 공급하는 설계 및 프로세스를 갖는 것이 바람직하다.
작동 중에, 예를 들어 저널 베어링과 샤프트 사이의 마찰의 결과로, 저널 베어링에 발생되는 열은, 시스템의 평형 작동 조건이 단기간에 달성되도록, 효과적으로 분산되어야 한다. 또한, 고열 조건으로 인한 윤활제의 열화가 효과적으로 제어되도록, 발생되는 평균 또는 평형 온도를 제한하는 것이 바람직하다.
일부 실시형태에서는, 저널 베어링의 적어도 3개의 각도 섹터는, 하중 지지 섹터, 열 분산 섹터, 및 윤활제 저장 섹터를 포함한다. 따라서, 일부 실시형태에서, 저널 베어링(120)은 적어도 하나의 하중 지지 섹터, 적어도 하나의 열 분산 섹터, 및 적어도 하나의 윤활제 저장 섹터를 구비한다. 다른 각도 섹터들의 비제한적인 예는, 외부 입자를 매립할 수 있게 하도록 특별히 개발된 하나 이상의 매립성 각도 섹터, 즉 외부 입자를 포획하도록 특별히 구성된 포켓을 구비하는 포착 섹터를 포함한다.
일반적으로, 현재 입수 가능한 저널 베어링에서, 저널 베어링의 하중 지지 기능성은, 예를 들어 강철 등과 같은 고강도 재료를, 저널 베어링의 적어도 하반부를 구성하는 데 사용함으로써 달성된다. 베어링의 복수의 부품을 서로 다른 재료를 이용하여 구성하는 것과 연관된 어려움으로 인해, 현재 입수 가능한 저널 베어링은, 하반부 중에서 국한된 각도 스팬에서만 하중 지지 능력을 필요로 할 수 있는 경우라도, 고강도 재료를 적어도 하반부의 주요 구성요소로서 포함한다. 본원의 일부 실시형태에서는, 다른 각도 섹터들이 고강도 하중 지지 재료를 포함할 필요 없이, 적어도 3개의 각도 섹터 중 오로지 적어도 하나의 각도 섹터만이, 저널 베어링의 하중 지지 능력을 달성하기 위해 구성될 수 있다. 이러한 구성은, 저널 베어링의 수명 및 성능의 향상에 도움을 준다.
적어도 3개의 각도 섹터는, 적어도 3개의 각도 섹터 각각의 기능성 요건에 가장 적합한 임의의 재료 또는 임의의 재료의 조합에 의해 구성될 수 있다. 예를 들어, 하중 지지 섹터는 높은 피로 강도를 갖는 재료에 의해 구성될 수 있다. 예를 들어, 열 분산 섹터 또는 윤활제 저장 섹터 등과 같은 임의의 인접한 각도 섹터는, 각각의 각도 섹터의 개별적인 기능성에 적합한, 상기 하중 지지 섹터와는 완전히 다른 재료에 의해 구성될 수 있다. 예를 들어, 하중 지지 섹터는 고강도강 또는 임의의 고강도 합금을 이용하여 구성될 수 있고, 열 분산 섹터는 구리로 구성될 수 있으며, 윤활제 저장 섹터는 윤활제를 저장 및 공급하기 위해 구성된 세공(細孔) 또는 미세 채널을 갖는 폴리머로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 하중 지지 섹터는 금속, 합금, 세라믹, 복합 재료, 또는 전술한 재료들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 중실형의 구조이다. 하중 지지 섹터의 재료에 대한 비제한적인 예로는 철 또는 고피로강도강 등이 있다.
일부 실시형태에서, 저널 베어링의 하중 지지 섹터는, 샤프트에 있어서 최대 하중이 걸릴 것으로 예상되는 위치에 있다. 작동 중에 샤프트에 있어서 최대 하중이 걸릴 것으로 예상되는 위치는, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트의 힘(F)의 방향에 위치될 수 있다. 샤프트의 아이들 회전 속도 또는 낮은 회전 속도 조건 동안에, 샤프트의 힘의 방향은 중력의 방향(즉, 도 4의 하단 B)에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 시스템(100)의 작동 중에, 힘의 방향은 고정 저널 베어링의 하단 B보다 약간 벗어난 위치에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 하중 지지 섹터는, 저널 베어링의 하단 지점으로부터 ±30° 스팬 내에 있다. 하중 지지 섹터의 소기의 각도 스팬은, 시스템(100)의 작동 중에 예상되는 샤프트의 힘의 방향의 변화에 좌우된다. 일부 실시형태에서, 하중 지지 섹터의 각도 스팬은 60° 미만이다. 특정 실시형태에서, 하중 지지 섹터의 각도 스팬은 약 15° 내지 약 40°의 범위이다.
일부 실시형태에서, 하중 지지 섹터의 피로 강도는 하중 지지 섹터의 전반에 걸쳐 균일할 수 있다. 하중 지지 섹터의 경도는, 하중 지지 섹터의 내측 부분 및 외측 부분과 비교하여, 샤프트와 물리적으로 접촉하게 되는 표면에서 최대인 것이 바람직하다. 따라서, 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 하중 지지 섹터는, 하중 지지 섹터의 경도가 저널 베어링의 내부면에서 최대가 되도록 구성되어 있다. 일부 실시형태에서, 하중 지지 섹터의 경도는 하중 지지 섹터의 반경방향을 따라 감소된다.
저널 베어링의 열 분산 섹터는, 열이 저널 베어링의 내부면에서부터 외부면으로 분산되도록 임의의 고열전도성 재료를 포함할 수 있다. 열 분산 섹터의 고열전도성 재료에 대한 비제한적인 예로는 구리, 알루미늄, 은, 금, 또는 흑연 등이 있다.
일부 실시형태에서, 저널 베어링의 열 분산 섹터는 고열전도성 재료를 포함한다. 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 열 분산 섹터는, 고열전도성 금속 채널의 네트워크를 포함하는 중실형 구조, 소형 전열관을 포함하는 중실형 구조, 또는 전술한 구조들의 임의의 조합을 포함한다. 따라서, 일부 실시형태에서, 열 분산 섹터는 주로 고열전도성 중실형 구조로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 열 분산 섹터는 저열전도성 또는 고열전도성 재료의 중실형 구조를 포함하고, 이 중실형 구조에 매립될 수 있는 고열전도성 금속 채널의 네트워크를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 중실형 구조를 갖는 열 분산 섹터는, 저널 베어링의 내부면에서 발생되는 열의 신속한 분산을 돕는 소형 전열관을 포함하도록 설계될 수 있다. 무조인트 연속 저널 베어링에서 달성되는 열 분산은, 주철 본체를 구비하는 종래의 베어링에서 달성되는 열 분산보다 비교적 높다. 고열전도성 재료는 100 W/m-K보다 큰 열전도성을 가질 수 있다.
저널 베어링의 윤활제 저장 섹터는, 저널 베어링의 내부면과 저널 베어링에 닿는 샤프트의 표면에 분산되도록 윤활제를 보유할 수 있는, 다공성 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터는, 윤활제 저장소로부터의 윤활제가 소기의 방식 및 양으로 내부면에 배치될 수 있도록, 윤활제 저장소를 저널 베어링의 내부면에 연결하는 세공 또는 미세 채널을 더 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터는, 복수의 세공의 부피 백분율이 윤활제 저장 섹터의 반경방향을 따라 증가되도록, 복수의 세공을 포함하는 다공성 구조이다. 따라서, 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터에서의 세공의 수는 반경방향을 따라 증가될 수 있다. 일부 실시형태에서, 세공 크기는 윤활제 저장 섹터의 반경방향을 따라 증대될 수 있다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터의 반경방향 외측 부분이 반경방향 내측 부분과 비교하여 보다 많은 수의 세공 및/또는 보다 큰 세공 크기를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터의 반경방향 내측 부분에서의 세공의 크기 및 개수는, 윤활제 저장 섹터의 반경방향 외측 부분에 저장되어 있는 윤활제의 양과 분산 방식을 제어한다. 일부 실시형태에서, 상기 외측 부분의 복수의 세공은, 윤활제를 샤프트와 저널 베어링의 계면에 전달하도록 미세 채널에 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터는 저널 베어링의 무조인트 연속체의 전체 길이 L1에 걸쳐 있지 않을 수 있다.
일부 실시형태에서, 윤활제는, 예를 들어 미세 채널의 모세관 작용 등과 같은 표면 에너지 기반 메커니즘을 이용하여, 작동 중에 샤프트와 저널 베어링의 접촉면들에 공급될 수 있다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터의 기능은 중력에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 저장소로부터의 윤활제의 분산은 부분적으로, 중력에 의해 제어될 수 있을 뿐만 아니라 윤활제 저장 섹터에서의 세공의 크기, 분포 및 체적분율 중의 하나 이상에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터는 저널 베어링의 상측 부분에 배치된다. 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 윤활제 저장 섹터를 힘의 방향과는 반대의 방향으로 위치시켜, 윤활제 저장 섹터를 하중 지지 섹터와는 반대의 방향으로 배치한다.
저널 베어링의 무조인트 연속체에 여러 각도 섹터를 형성하는 것은, 적층 가공을 이용하여 달성될 수 있다. 저널 베어링의 무조인트 연속체는, 저널 베어링의 임의의 특정 방향으로 층 단위로 배치함으로써 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 무조인트 연속체는, 보어 축의 방향으로 구축하도록 층들을 배치함으로써 세로방향으로 구성될 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에서, 저널 베어링의 무조인트 연속체는, 보어 축에 수직한 방향으로 구축하도록 층들을 배치함으로써 가로방향으로 구성될 수 있다.
저널 베어링의 무조인트 연속체를 세로방향으로 구성하는 것의 비제한적인 예에서, 정확하게 획정된 위치들에서 2개 이상의 각도 섹터들의 재료를 이용하여, 2개 이상의 각도 섹터를 갖는 베이스 층이 성층될 수 있다. 각도 섹터들과 각도 섹터들의 교차부는, 각도 섹터들에 대해서는 특정 재료들을 성층하고, 교차부에 대해서는 특정 재료들의 혼합물을 소기의 비율로 교차부에 성층함으로써 제어될 수 있다. 다음 층에서 요구되는 각도 섹터들의 수에 따라, 재료를 추가하여 각도 섹터들의 수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 층이 3개 이상의 각도 섹터를 구비한다면, 이 3개 이상의 각도 섹터에 대응하는 3개 이상의 재료가 소정 방식으로 성층될 수 있다. 다양한 재료, 이들 재료의 조성의 세부 사항, 미세 구조의 세부 사항 및 일관성 및 위치의 세부 사항은, 작동 중의 저널 베어링의 요건에 기초하여 사전 결정되어, 제조 중에 따라야 하는 소프트웨어 명령 형태로 저장될 수 있다.
각도 섹터들은 각도 섹터의 영역의 전반에 걸쳐 균일할 수 있거나, 또는 각도 섹터들 내에 매크로 구조, 미세 구조, 또는 조성의 불균일성을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 각도 섹터들은 반경방향에서, 둘레방향에서, 또는 반경방향과 둘레방향 모두에서 불균일하다. 각도 섹터의 매크로 구조, 미세 구조, 또는 조성의 불균일성은, 저널 베어링의 성능 및 수명을 향상시키기 위해 도입될 수 있다. 적층 가공 방법은 매크로 구조, 미세 구조, 및/또는 조성의 불균일성을 형성함에 있어서 특히 유리하다. 매크로 구조, 미세 구조 및 조성의 불균일성은, 재료를 서로 다른 수평 지점 및 수직 지점에 성층되도록 설계함으로써 용이하게 달성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 각도 섹터들 중의 적어도 하나는, 적어도 하나의 각도 섹터의 반경방향을 따라 불균일 구역을 포함한다. 작동시의 각도 섹터들의 요건에 따라, 불균일성은 점진적일 수 있거나 또는 급진적일 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 하중 지지 섹터의 경도는 각도 섹터의 반경방향을 따라 감소될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 하중 지지 섹터의 재료의 밀도 및/또는 강도는 하중 지지 섹터의 반경방향을 따라 감소될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 저널 베어링의 내측 접촉면에서 및/또는 하중 지지 섹터에서부터 발생된 열을 전달하도록, 열 분산 섹터가 고열전도성 재료의 전열관 또는 미세 채널을 포함할 수 있다. 상기한 고열전도성 재료의 전열관 또는 미세 채널은, 열 분산 섹터의 둘레를 따라서 열 분산 섹터의 거시적 외관에 변화를 줄 수 있다. 또 다른 예시적인 실시형태에서는, 윤활제 저장 섹터의 내측 부분에 존재하는 미세 채널에 연결된 윤활제 저장 섹터의 외측 부분에 있어서 세공의 부피 백분율이 더 높은 상태로, 윤활제 저장 섹터에 세공들이 마련되어 있다. 윤활제 저장 섹터는, 샤프트와 저널 베어링의 접촉면에 윤활제를 전달하기 위해 저널 베어링의 내부면에 통하는 미세 채널을 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 저널 베어링의 적어도 3개의 각도 섹터들 중의 적어도 하나는, 특정 각도 섹터의 주요 기능과는 관련되지 않을 수 있지만, 저널 베어링의 성능에 도움을 주거나 또는 향상시킬 수 있는, 하나 이상의 다른 구역을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 각도 섹터는, 입자 매립성을 가능하게 하도록 특별히 개발된 구역들, 외부 입자를 포획하도록 특별히 구성된 포켓들, 베어링의 온도 및/또는 건전도 상태를 모니터링하는 열전쌍, 베어링과 샤프트의 표면들의 마모 상태를 모니터링하는 마모 센서, 또는 전술한 것들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 저널 베어링의 각도 섹터들 중의 적어도 하나는 센서, 프로브, 냉각 핀, 또는 전술한 것들의 임의의 조합을 포함한다.
하중 지지 섹터, 열 분산 섹터 및 윤활제 저장 섹터의 기능성을 고려하여, 작동 중에 샤프트의 하중이 걸리는 위치들에, 하중 지지 섹터가 있는 것이 바람직하다. 따라서, 하중 지지 섹터의 각도 스팬은, 열 분산 섹터 및 윤활제 저장 섹터의 보다 큰 각도 스팬에 맞춰 제한되도록 설계될 수 있다.
일부 실시형태에서는, 작동 중에 예상되는 열의 발생과, 열 분산 섹터의 재료 및 구성에 따라, 열 분산 섹터는 하중 지지 섹터보다 각도 스팬이 큰 것이 바람직할 수 있다. 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬이 클수록, 윤활제의 저장량을 늘리고 더 나아가 효율적으로 윤활제를 내부면에 분산하는 데 도움이 된다. 따라서, 일부 실시형태에서는, 저널 베어링의 다른 각도 섹터들의 기능성을 손상시키지 않으면서, 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬을 최대화하는 것이 바람직하다. 따라서, 일부 실시형태에서는, 하중 지지 섹터의 각도 스팬이 열 분산 섹터의 각도 스팬 또는 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬 중의 적어도 하나보다 작다. 또한, 특정 실시형태에서는, 하중 지지 섹터의 각도 스팬은 열 분산 섹터의 각도 스팬보다 작고, 열 분산 섹터의 각도 스팬은 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬보다 작다. 일부 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬은 90°보다 크다. 특정 실시형태에서, 윤활제 저장 섹터는 120°보다 큰 각도 스팬을 갖는다.
하중 지지 섹터, 열 분산 섹터 및 윤활제 저장 섹터의 기능성에 따라, 그리고 더 나아가 작동 중에 예상되는 상기 기능성들의 요건에 따라, 저널 베어링은 2개 이상의 하중 지지 섹터, 2개 이상의 열 분산 섹터, 및/또는 2개 이상의 윤활제 저장 섹터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)의 작동 중에, 하단으로부터 측정한 각도 35°에서 그리고 325°에서, 하중 지지 요건이 더 큰 것으로 예상되는 경우, 이들 각도 구역을 망라하는 듀얼 하중 지지 섹터는 하단 구역의 임의의 다른 바람직한 각도 섹터를 갖는 것으로 구성될 수 있다. 하중 지지 섹터들에서의 마찰로 인하여 고열이 발생하는 다른 비제한적인 예에서는, 한 쌍의 열 분산 섹터가 하중 지지 섹터의 양측에 구성될 수 있다. 또 다른 비제한적인 예에서, 복수의 윤활제 저장 섹터는, 시스템(100)의 윤활 요건을 충족시키지만, 각 위치에서 보다 작은 각도 스팬을 커버하는 서로 다른 각도로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 모든 하중 지지 섹터들의 합계 각도 스팬은, 모든 열 분산 섹터들의 합계 각도 스팬보다 작고, 모든 열 분산 섹터들의 합계 각도 스팬은, 모든 윤활제 저장 섹터들의 합계 각도 스팬보다 작다.
특정 실시형태에서, 저널 베어링의 적어도 3개의 각도 섹터는 적어도 2개의 열 분산 섹터를 포함하고, 적어도 2개의 열 분산 섹터의 합계 각도 스팬은 약 25° 내지 약 180°의 범위이다. 저널 베어링에 2개의 열 분산 섹터를 구비하는 특정 실시형태에서, 하중 지지 섹터는 샤프트의 힘의 반경방향을 따라 위치하도록 구성되고, 윤활제 저장 섹터는 하중 지지 섹터의 반대편에 위치하도록 구성되며, 적어도 2개의 열 분산 섹터는 양측에서 하중 지지 섹터 및 윤활제 저장 섹터 양자 모두에 이웃하도록 구성되어 있다.
일 양태에서는, 샤프트용 저널 베어링이 개시된다. 상기 저널 베어링은, 샤프트를 수용하기 위한 보어를 획정하는 내부면과, 외부면을 구비하는 무조인트 연속 원통체를 포함한다. 보어 축에 수직한 무조인트 연속체의 단면은 4개의 각도 섹터를 포함한다. 상기 4개의 각도 섹터는, 하중 지지 섹터, 2개의 열 분산 섹터, 및 윤활제 저장 섹터를 포함한다. 이들 각도 섹터 각각은 무조인트 연속 원통체의 길이를 따라 연장된다. 하중 지지 섹터는 샤프트의 힘의 반경방향을 따라 위치해 있고, 윤활제 저장 섹터는 하중 지지 섹터의 반대편에 위치해 있으며, 2개의 열 분산 섹터는 양측에서 하중 지지 섹터와 윤활제 저장 섹터에 이웃하고 있다. 하중 지지 섹터와 윤활제 저장 섹터는, 이웃하는 열 분산 섹터들 각각과, 상이한 미세 구조 또는 상이한 조성 중의 적어도 하나를 포함한다. 또한, 하중 지지 섹터의 각도 스팬은 약 15° 내지 약 40°의 범위이고, 2개의 열 분산 섹터의 합계 각도 스팬은 약 25° 내지 약 180°의 범위이며, 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬은 90°보다 크다. 이러한 양태는 도 4의 예를 이용하여 이하에 더 기술된다.
상기 저널 베어링(220)은, 샤프트(210)를 수용하기 위한 보어(240)를 획정하는 내부면(222)과, 외부면(224)을 구비하는 무조인트 연속 원통체를 포함한다. 보어 축에 수직한 무조인트 연속체의 단면은 4개의 각도 섹터를 포함한다. 상기 4개의 각도 섹터는, 하중 지지 섹터(232), 2개의 열 분산 섹터(234, 236), 및 윤활제 저장 섹터(238)를 포함하고, 이들 섹터 각각은 무조인트 연속 원통체의 길이를 따라 연장된다. 하중 지지 섹터(232)는 샤프트의 힘의 반경방향을 따라 위치해 있다. 윤활제 저장 섹터(238)는 하중 지지 섹터의 반대편에 위치해 있고, 2개의 열 분산 섹터(234, 236)는 양측에서 하중 지지 섹터(232)와 윤활제 저장 섹터(238)에 이웃하고 있다. 하중 지지 섹터(232)와 윤활제 저장 섹터(238)는, 이웃하는 열 분산 섹터(234, 236)들 각각과, 상이한 미세 구조 또는 상이한 조성 중의 적어도 하나를 포함한다. 또한, 하중 지지 섹터의 각도 스팬은 약 15° 내지 약 40°의 범위이고, 2개의 열 분산 섹터의 합계 각도 스팬은 약 25° 내지 약 180°의 범위이며, 윤활제 저장 섹터의 각도 스팬은 90°보다 크다. 예시된 도 4에서는, 하단 B로부터 그리고 샤프트의 회전 방향(R)으로 측정한 경우에, 하중 지지 섹터(232)는 약 350° (도 4에서 ε로 표시됨) 내지 약 30° (도 4에서 θ로 표시됨)의 범위에 걸쳐 있다. 저널 베어링은 각도 섹터들 중의 하나에, 도 4에 예시된 예에서는 윤활제 저장 섹터(238)에 매립된 센서(270)를 더 포함한다. 센서(270)의 비제한적인 예로는 온도 센서와 마모 측정 센서 등이 있다.
유익하게는, 본원은, 저널 베어링의 서로 다른 위치에서 서로 다른 재료를 조합하여, 저널 베어링의 설계 공간을 향상시키고 저널 베어링의 기능성을 향상시키며, 더 나아가 복수의 제조 및 조립 단계들의 효율적인 감소를 보장함으로써, 수명이 긴 고성능의 저널 베어링을 제공한다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시형태들, 예를 들어 저널 베어링의 무조인트 연속체의 단면에서의 각도 섹터들 등과, 관련하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 이와 같이 개시된 실시형태들에 국한되지 않는 것으로 쉽게 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 지금까지는 기술되지 않았지만, 본 발명의 정신 및 범위에 상응하는 임의의 수의 변형예, 변경예, 대체예, 또는 등가의 배치 구성을 포함하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 각도 섹터들의 반경방향 경계는, 본원에 기술된 각도 섹터들의 기능성에 영향을 미치는 일 없이, 만곡된 또는 불규칙적인 방식으로 제조될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시형태들이 기술되었지만, 본 발명의 양태들은 기술된 실시형태들 중의 일부만을 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해 제한되는 것으로 여겨져서는 안 된다.

Claims (19)

  1. 샤프트(110)용 저널 베어링(120)으로서:
    샤프트(110)를 수용하기 위한 보어(124)를 획정하는 내부면(122)과, 외부면(128)을 포함하는 무조인트 연속체
    를 포함하고, 보어 축(126)에 수직한 무조인트 연속체의 단면(150)이 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)를 포함하며,
    적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)의 각각은, 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180) 중에서 이웃하는 각도 섹터들 각각과는 다른 미세 구조 또는 다른 조성 중 적어도 하나를 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  2. 제1항에 있어서, 각도 섹터들(160, 170, 180) 중의 적어도 2개는 무조인트 연속체의 길이(L1)를 따라 연장되는 것인 저널 베어링(120).
  3. 제1항에 있어서, 상기 무조인트 연속체는 원형 또는 타원형 보어(124)를 갖는 무조인트 연속 원통체인 것인 저널 베어링(120).
  4. 제1항에 있어서, 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180) 각각은 적어도 5°의 각도 스팬을 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  5. 제1항에 있어서, 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)는 그 교차부(190)에서 서로 블렌딩되어 있는 것인 저널 베어링(120).
  6. 제5항에 있어서, 상기 교차부(190)는, 각도 스팬을 따라 미세 구조의 단계적 변화 또는 조성의 단계적 변화 중의 적어도 하나를 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  7. 제1항에 있어서, 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)는, 하중 지지 섹터(160), 열 분산 섹터(170), 및 윤활제 저장 섹터(180)를 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  8. 제7항에 있어서, 상기 하중 지지 섹터(160)는 금속, 합금, 세라믹, 복합 재료, 또는 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 중실형의 구조인 것인 저널 베어링(120).
  9. 제7항에 있어서, 상기 하중 지지 섹터(160)의 경도가 하중 지지 섹터(160)의 반경방향을 따라 감소되는 것인 저널 베어링(120).
  10. 제7항에 있어서, 상기 열 분산 섹터(170)는 고열전도성 재료를 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  11. 제7항에 있어서, 상기 윤활제 저장 섹터(180)는 복수의 세공을 포함하는 다공성 구조이고, 상기 복수의 세공의 부피 백분율이 상기 윤활제 저장 섹터(180)의 반경방향을 따라 증가되는 것인 저널 베어링(120).
  12. 제7항에 있어서, 상기 하중 지지 섹터(160)의 각도 스팬이 상기 열 분산 섹터(170)의 각도 스팬 또는 윤활제 저장 섹터(180)의 각도 스팬 중의 적어도 하나보다 작은 것인 저널 베어링(120).
  13. 제12항에 있어서, 상기 하중 지지 섹터(160)의 각도 스팬은 약 15° 내지 약 40°의 범위인 것인 저널 베어링(120).
  14. 제12항에 있어서, 상기 윤활제 저장 섹터(180)의 각도 스팬은 90°보다 큰 것인 저널 베어링(120).
  15. 제12항에 있어서, 적어도 3개의 각도 섹터(160, 170, 180)는 적어도 2개의 열 분산 섹터를 포함하고, 상기 적어도 2개의 열 분산 섹터의 합계 각도 스팬은 약 25° 내지 약 180°의 범위인 것인 저널 베어링(120).
  16. 제15항에 있어서, 상기 하중 지지 섹터는 샤프트의 힘의 반경방향을 따라 위치해 있고, 상기 윤활제 저장 섹터는 상기 하중 지지 섹터의 반대편에 위치해 있으며, 상기 적어도 2개의 열 분산 섹터는 양측에서 상기 하중 지지 섹터와 상기 윤활제 저장 섹터에 이웃하고 있는 것인 저널 베어링(120).
  17. 제1항에 있어서, 각도 섹터들(160, 170, 180) 중의 적어도 하나는, 적어도 하나의 각도 섹터의 반경방향을 따라 불균일 구역을 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  18. 제1항에 있어서, 각도 섹터들(160, 170, 180) 중의 적어도 하나는 센서, 프로브, 냉각 핀, 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것인 저널 베어링(120).
  19. 샤프트(210)용 저널 베어링(220)으로서:
    샤프트(210)를 수용하기 위한 보어(240)를 획정하는 내부면(222)과, 외부면(224)을 포함하는 무조인트 연속 원통체
    를 포함하고, 상기 무조인트 연속 원통체의 보어 축에 수직한 단면이 4개의 각도 섹터(232, 234, 236, 238)를 포함하며, 상기 4개의 각도 섹터는, 하중 지지 섹터(232), 2개의 열 분산 섹터(234, 236), 및 윤활제 저장 섹터(238)를 포함하고, 이들 섹터 각각은 무조인트 연속 원통체의 길이를 따라 연장되는 것이며,
    상기 하중 지지 섹터(232)는 샤프트(210)의 힘(F)의 반경방향을 따라 위치해 있고, 상기 윤활제 저장 섹터(238)는 상기 하중 지지 섹터(232)의 반대편에 위치해 있으며, 상기 2개의 열 분산 섹터(234, 236)는 양측에서 상기 하중 지지 섹터(232)와 상기 윤활제 저장 섹터(238)에 이웃하고 있고,
    상기 하중 지지 섹터(232)와 상기 윤활제 저장 섹터(238)는, 이웃하는 열 분산 섹터(234, 236)들 각각과, 상이한 미세 구조 또는 상이한 조성 중의 적어도 하나를 포함하며,
    상기 하중 지지 섹터(232)의 각도 스팬은 약 15° 내지 약 40°의 범위이고, 상기 2개의 열 분산 섹터(234, 236)의 합계 각도 스팬은 약 25° 내지 약 180°의 범위이며, 상기 윤활제 저장 섹터(238)의 각도 스팬은 90°보다 큰 것인 저널 베어링(220).
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