WO2014046477A1 - 이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체 - Google Patents

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WO2014046477A1
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    • F16C2350/26—Excavators

Definitions

  • the present invention relates to a dual-structure bush and a bearing assembly having the same, which can be used for joints operating at low speed and high loads.
  • Construction machinery such as excavators, skid steer loaders, and the like, includes a number of joints, such as boom and arm connections, arm and bucket connections, and the like. Joints of such construction machinery are generally the case that the pin (pin) and the bush (bush) to the rocking motion in the lubricating environment by grease.
  • FIG. 2 is a front joint portion 10 of an excavator which is an example of a construction machine
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a conventional bush in the vertical direction with respect to the longitudinal direction of the pin in the joint portion 10 of the excavator.
  • the joint part 10 includes a pin 12 connecting two members requiring joint motion, and a bush 11 for reducing frictional resistance generated between the pin and the pin hole. Consists of The pin 12 and the bush 11 generally oscillate in a lubricating environment with grease.
  • the joint 10 may include a boss 13 of a housing supporting the pin and the bush and sealing means (not shown) to block contaminants. It includes.
  • This operating condition is a typical average value, in which the surface pressure during the operating condition may rise instantaneously according to the working load, and in particular, the instantaneous surface pressure may be more than three times the average value due to the uneven load during operation depending on the operating conditions.
  • the bush used under high speed and high surface pressure conditions requires excellent scuffing resistance and abrasion resistance.
  • various compositions and types of products have been developed and used.
  • the metal bush to form a groove (groove) or groove (dimple) on the inner circumferential surface of the metal rigid body to maximize the lubrication performance by the grease contained in the groove or groove;
  • a metal bush whose surface is coated with self-lubricating particles to maximize lubrication performance;
  • the construction machine front work machine is very unspecified and frequently changes in the direction and value of the load applied to each part due to the terrain, the working attitude of the equipment, the geology, etc., so that each part between the work causes bending, As a whole, unbalanced loads are generated and high loads are concentrated in the local area. This requires a high level of wear and impact resistance for all components, including bushes.
  • An object of the present invention is to provide a bush that can be applied to a joint portion that operates at low speed and high load, and can exhibit excellent elasticity, recoverability, lubrication characteristics, and load resistance.
  • the present invention provides a slide layer which contacts the inner circumferential surface so that the pin unit is rotatably supported; And a load supporting layer integrally stacked to surround the outer circumferential surface of the slide layer, the load supporting layer contacting and receiving the inner circumferential surface of the boss to support the radial load of the pin unit, wherein a thickness ratio of the slide layer to the load supporting layer is 0.15 to 0.67. And a bush having a dual structure formed of a polymer composite material.
  • the thickness ratio of the slide layer to the load bearing layer is preferably 0.25 to 0.5.
  • the present invention provides a bearing assembly having a bush of the double structure.
  • the present invention is a bush made of a polymer composite material, unlike the conventional metal-based bush, can exhibit excellent elasticity and recoverability under operating conditions of low speed and high load, it can be deformed upon application of a local load to uniformly distribute the load, Therefore, it is possible to prevent breakage due to abnormal wear and impact due to stress concentration, wear resistance and impact resistance can be improved, and life characteristics can be improved.
  • the present invention is integrally laminated so that the outer circumferential surface of the slide layer which contacts and accommodates the pin unit on the inner circumferential surface is integrally laminated so as to surround the load supporting layer that is contacted to the inner circumferential surface of the boss to support the radial load of the pin unit, By adjusting the range, it is possible to continuously exert excellent lubrication characteristics under the operation conditions of low speed and high loads and without periodic greasing.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a bush according to the present invention.
  • Figure 2 shows an example of a joint that can be applied to the bush in the excavator.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a dual-structure bush according to the present invention applied to the joint part disclosed in FIG. 2 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the pin.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing a dual-type bush in the longitudinal direction of the pin according to the present invention applied to the joint portion shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional bush applied to the joint portion shown in Figure 2 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the pin.
  • the present invention relates to a bush made of a polymer composite material, comprising: a slide layer which contacts and accommodates an inner circumferential surface of the pin unit so as to be rotatably supported, and is integrally laminated to surround the outer circumferential surface of the slide layer, It has a dual structure including a load supporting layer for supporting a radial load, characterized in that the thickness ratio thereof is adjusted to a specific range.
  • the present inventors When the bush is manufactured by using a polymer composite material including a polymer matrix, a fibrous substrate, and self-lubricating particles, the present inventors maintain high elasticity and load while operating at low speed and high load, unlike conventional metal bushes or porous sintered bushes. It was found that it can be easily recovered when not applied.
  • the bush made of the polymer composite material can continuously maintain a low coefficient of friction due to self-lubricating particles, it is possible to maintain an excellent lubrication environment without periodic greasing unlike the conventional bush.
  • the bush made of the polymer composite material is in constant contact with the pin unit, and inevitably gradually wears out during relative movement. Therefore, the thickness of the bush should be thick.
  • the bush made of the polymer composite material has excellent friction characteristics, but has a low load resistance compared to the thickness, and thus does not exhibit the effect of the conventional metal bush.
  • a layer made of a polymer composite material including a polymer matrix and a fiber substrate on an outer circumferential surface of a layer made of a polymer composite material containing a polymer matrix, a fiber substrate, and self-lubricating particles (hereinafter, referred to as a 'slide layer')
  • the thickness ratio of the slide layer to the load support layer is adjusted to a specific range.
  • the double-structured bush according to the present invention includes the load supporting layer formed integrally with the slide layer, thereby having excellent load resistance under operating conditions of low speed and high load, and having excellent lubrication characteristics without periodic greasing. This can be maintained continuously.
  • the thickness ratio of the slide layer to the load bearing layer in the range of about 0.15 to 0.67, preferably in the range of about 0.25 to 0.5, more preferably in the range of about 0.25 to 0.36, unlike the conventional metal bush, low speed high load Excellent elasticity and resilience can be exhibited under the operating conditions of the present invention, so that it is deformed upon application of a local load, thereby uniformly distributing the load, thus preventing abnormal abrasion and breakage caused by stress concentration, thereby preventing wear and tear resistance. Impact properties can be improved, and life characteristics can be improved.
  • the seizure cycle can be further improved to about 250,000 cycles or more.
  • Bush 100 is made of a polymer composite material, is applied to the front joint of the construction machine to support the load and implement the swinging motion.
  • the bush 100 has a space for accommodating the pin unit 200 therein, and moves relative to the pin unit. As shown in FIGS. 1 to 4, the bushing layer 101 and the load supporting layer 102 are moved. Include.
  • the slide layer 101 is accommodated in contact with the inner peripheral surface so that the pin unit 200 can be rotatably supported.
  • the slide layer 101 is a first polymer matrix; Self-lubricative material; And a first polymer composite material comprising a first fiber substrate. Since the slide layer exhibits excellent elasticity and recoverability, and can maintain excellent lubrication characteristics without periodic feeding, the low frictional properties can be maintained so that the pin unit 101 contacted with the inner circumferential surface can rotate smoothly. Can be.
  • the mixing ratio of the first polymer matrix, the self-lubricating particles, and the first fiber substrate is not particularly limited, and may be, for example, 20 to 22:20 to 55:23 to 30 weight ratio.
  • Examples of the first polymer matrix are not particularly limited, and may include an epoxy polymer, a polyurethane polymer, a polyamide polymer, a polyalphaolefin polymer, a vinyl polymer, an acrylic polymer, a polyacetal polymer, a polyether polymer, and a poly Ester polymers, polyether sulfone polymers, polysulfide polymers, polyimide polymers, polypeptide polymers, polyketone polymers, polyolefin polymers, polyimide polymers, vinylidene polymers, and copolymers thereof. These may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • the curing rate is increased during manufacturing of the bush, so productivity may be improved, and thermal stability and chemical stability of the bush may be improved.
  • the polymer matrices of both layers are diffused or covalently bonded at the interface between the slide layer and the load bearing layer, without using an adhesive or the like.
  • the following load bearing layer can be more easily integrated into the slide layer.
  • the curing conditions are similar, so that each layer does not need to be cured separately, and thus the working speed can be improved.
  • the first polymer composite material includes self-lubricative particles.
  • Self-lubricating particles are solid particles with low frictional resistance even without a lubricant, which can give bushes low frictional properties at all times and prevent the inner circumferential surface of the slide layer from abrasion or burning during pin and relative movement. have.
  • Non-limiting examples of such self-lubricating particles include Graphite, Graphite fluoride, MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , NbS 2 , NbSe 2 , TaS, TaSe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , TiTe 2 , CeF 3 , Ba (OH) 2 , CdCl 2 , CoCl 2 , ZrCl 2 , PbCl 2 , PbI 2 , BN, Ag 2 SO 4 , Borax (Na 2 B 4 O 7 ), Talc [Mg 3 (OH) 2 Si 2 O 10 ], Mica [KAl 2 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 ], ZnS, SnS 2 , FeS, CaF 2 , LiF, Zn 2 P 2 O 7 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , Fe 2 P 2 O 7 , Ca (OH) 2 , Mg (OH) 2 , Zn
  • the first polymer composite material includes a first fiber base material.
  • the strength of the slide layer can be improved.
  • Such first fiber substrates include yarns, woven fabrics, knitting, and braids.
  • the thickness of the slide layer in the bush production through filament winding method is used. Since it can be easily adjusted, workability can be improved.
  • the slide layer is formed in a uniform thickness and shape, so that the slide layer is uniform throughout. May have strength.
  • the material (fiber) of the first fiber base is not particularly limited, and non-limiting examples include vegetable fibers such as cotton and hemp; Animal fibers such as wool, silk, etc .; Regenerated fibers such as rayon and the like; Synthetic fibers such as polyester, acrylic, nylon, polyurethane, and the like;
  • inorganic fibers such as glass fibers and carbon fibers, metal fibers and the like, which may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • inorganic fibers such as glass fibers and carbon fibers, metal fibers and the like, which may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • the moisture content is low, so that pores in the bush are not formed during the subsequent curing, and the thermal stability is also excellent.
  • the strength and thermal stability of the final bush can be improved.
  • the first polymer composite material may further include additives such as an initiator, a diluent, and the like to further improve the physical properties of the slide layer, as necessary, within the range of not impairing the lubrication characteristics of the slide layer. .
  • the initiator is appropriately selected according to the type of the first polymer matrix, for example, Benzo phenone initiator, thioxantone initiator, a-hydroxyketone initiator, a-amino ketone initiator, benzyl dimethyl ketal (BDK) ), phenyl glyoxylate type, acyl phosphine oxide type, etc., but is not limited thereto.
  • the diluents include Butyl Glycidyl Ether (BGE), Phenyl Glycidyl Ether (PGE), Aliphatic Glycidyl Ether (C12-C14), Modifide-Tert-Carboxylic Dlycidyl Ester, DiButylPhthalate (DBP), DiOctylPhthalate (DOP), Nonyl-Phenol, etc. There is, but is not limited to this.
  • an extremely small amount of additives such as an antifoaming agent, a viscosity adjusting agent, a wetting agent, a glossing agent, and the like may be included.
  • the content of the initiator, diluent and other additives is not particularly limited, and may be about 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the first polymer matrix, respectively.
  • the bush 100 includes a load supporting layer 102 integrally stacked on the slide layer 101 so as to surround the outer circumferential surface of the slide layer 101.
  • the load supporting layer 102 may be in contact with the inner circumferential surface of the boss 300 to support the radial load of the pin unit 200.
  • the load supporting layer 102 is formed of the second polymer composite material including the second polymer matrix and the second fiber substrate, not only the load resistance of the slide layer can be compensated, but also the pin unit when contact is received on the inner circumferential surface of the boss. Even by the uneven load may be excellent in elasticity and recovery, wear resistance and impact resistance can be improved, and further life characteristics can be improved.
  • the mixing ratio of the second polymer matrix and the second fiber substrate is not particularly limited, and may be, for example, 20 to 21.5: 78.5 to 80 weight ratio.
  • Non-limiting examples of the second polymer matrix include an epoxy polymer, a polyurethane polymer, a polyamide polymer, a polyalphaolefin polymer, a vinyl polymer, an acrylic polymer, a polyacetal polymer, a polyether polymer, and a polyester Polymers, polyether sulfone polymers, polysulfide polymers, polyimide polymers, polypeptide polymers, polyketone polymers, polyolefin polymers, polyimide polymers, vinylidene polymers, and copolymers thereof. It may be used alone or in combination of two or more.
  • the curing rate is increased during manufacturing of the bush, so productivity may be improved, and thermal stability and chemical stability of the bush may be improved.
  • the second polymer matrix of the load support layer is introduced into the surface of the slide layer at the interface between the slide layer and the load support layer.
  • the second polymer composite material includes a second fiber substrate.
  • the second fibrous substrate improves the strength of the load bearing layer to compensate for the load resistance of the slide layer.
  • Such second fiber substrates include yarns, woven fabrics, knitting, braids, and the like, like the first fiber substrates.
  • the workability can be improved because the thickness of the load supporting layer can be easily adjusted during the manufacture of the bush through the filament winding method, and the fabric can be knitted even when the fabric is wound on the mandrel or the slide layer.
  • shear deformation is not easy and is formed in the same thickness and shape, so that the load supporting layer can have a uniform strength as a whole.
  • the second fiber base material (fiber) is not particularly limited, and non-limiting examples include vegetable fibers such as cotton and hemp; Animal fibers such as wool, silk, etc .; Regenerated fibers such as rayon and the like; Synthetic fibers such as polyester, acrylic, nylon, polyurethane, and the like;
  • inorganic fibers such as glass fibers and carbon fibers, metal fibers and the like, which may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • inorganic fibers such as glass fibers and carbon fibers, metal fibers and the like, which may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • the moisture content is low, so that pores in the bush are not formed during the subsequent curing, and the thermal stability is also excellent.
  • the strength and thermal stability of the final bush can be improved.
  • the second polymer composite material in addition to the above-described components, in order to further improve the physical properties of the load support layer, if necessary, within the range that does not impair the characteristics such as the load resistance of the load support layer, additives such as initiators, dispersants, antifoaming agents, etc. It may further include.
  • the initiator is appropriately selected according to the type of the second polymer matrix, for example, Benzo phenone initiator, thioxantone initiator, a-hydroxyketone initiator, a-amino ketone initiator, benzyl dimethyl ketal (BDK) ), phenyl glyoxylate type, acyl phosphine oxide type, etc., but is not limited thereto.
  • the content of such an initiator is not particularly limited and may be about 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the second polymer matrix.
  • the dual-structure bush made of the polymer composite material according to the present invention has a seizure cycle of about 180,000 cycles or more (preferably about 250,000 cycles or more), and a wear rate of about 1.5 to 5 ⁇ m / 10,000 cycles, while the limit surface pressure Since it is about 6.5 kg / mm 2 or more, it can be used under conditions of a surface pressure of about 2 to 6 kgf / mm 2 and a sliding speed of about 0.25 to 5 cm / sec.
  • the double-structured bush according to the present invention can be manufactured through various methods.
  • the dual structure bush comprises the steps of forming a first polymer composite material comprising a first polymer matrix, self-lubricating particles, and a first fiber substrate; Forming a second polymer composite material comprising a second polymer matrix and a second fiber substrate; Winding the first polymeric composite material on a mandrel to form a slide layer of a desired thickness; Winding the second polymer composite material wound on the first polymer composite material such that a load bearing layer having a desired thickness is formed; And it can be produced through a method comprising the step of curing the wound first polymer composite material and the second polymer composite material. After the curing step, it may further comprise the step of cutting according to the shape of the final bush. Further, after the hardening step, the method may further include machining the inner circumferential surface of the slide layer of the final bush and / or the outer circumferential surface of the load supporting layer.
  • the dual structure bush may include forming a first polymer composite material comprising a first polymer matrix, self-lubricating particles, and a first fiber substrate; Forming a second polymer composite material comprising a second polymer matrix and a second fiber substrate; Winding the first polymeric composite material on a mandrel to form a slide layer of a desired thickness; Curing the first polymer composite material wound on the mandrel to form a slide layer; Winding the second polymer composite material onto the slide layer to form a load bearing layer of a desired thickness; And curing the wound second polymer composite material to form a load bearing layer.
  • the method may further include cutting according to the shape of the final bush.
  • the method may further include machining the inner circumferential surface of the slide layer of the final bush and / or the outer circumferential surface of the load supporting layer.
  • a first polymer composite material including a first polymer matrix, self-lubricating particles, and a first fiber substrate is formed (S100).
  • the step S100 is a step of forming a resin composition by adding self-lubricating particles to the first polymer matrix; Weaving the first fibrous substrate using fibers; And impregnating the woven first fiber substrate into the resin composition.
  • the type of fiber, the thickness of the yarn, etc. it is appropriate to adjust the type of fiber, the thickness of the yarn, etc. according to the strength, elastic modulus, fatigue life, thickness, etc. of the final slide layer.
  • a second polymer composite material including the second polymer matrix and the second fiber base material is formed (S200).
  • the step S200 is a step of weaving a second fiber substrate using the fiber; And impregnating the woven second fibrous substrate into the second polymer matrix.
  • the type of fiber, the thickness of the yarn, and the like are appropriately adjusted in consideration of the thickness, strength, elastic modulus, fatigue life, and the like of the final load supporting layer.
  • step S100 the first polymer composite material formed in step S100 is wound around the mandrel to form a slide layer 101 (S300).
  • the number of times of winding the first polymer composite material on the mandrel and the winding angle are adjusted so that the thickness ratio of the slide layer to the load supporting layer is 0.15 to 0.67.
  • the said curing temperature and time are not specifically limited, It is preferable to adjust, taking into consideration the kind of initiator, the kind of 1st polymer matrix, the kind of 1st fiber base material, the thickness of the 1st polymer composite material, and the number of windings.
  • the first polymer composite material may be cured by heating at about 130 ° C. to 150 ° C. for about 10 to 30 minutes. At this time, by semi-curing at room temperature for about one day and then post-curing at the temperature conditions, it is possible to minimize the shrinkage of the slide layer formed during curing, and improve the strength.
  • the second polymer composite material formed in step S200 is wound around the slide layer formed in step S300 to form a load supporting layer (S400).
  • the number of layers (layers) of the first polymer composite material wound so that the ratio of the thickness of the slide layer to the load supporting layer is 0.15 to 0.67
  • the number of times of winding the second polymer composite material to the slide layer one layer Adjust above
  • the winding angle when the second high polymer composite material is wound is adjusted in consideration of the desired strength of the load supporting layer.
  • the wound first polymer composite material and the second polymer composite material are cured (S500). Thereby, a double-structured bush made of a polymer composite material including a slide layer 101 and a load bearing layer 102 integrally laminated on the outer circumferential surface of the slide layer is obtained.
  • the curing temperature and time are not particularly limited, and similarly to the first polymer composite material, the kind of initiator, the kind of first and second polymer matrices, the kind of first and second fiber substrates, and the first and second polymer composites It is preferable to adjust in consideration of the thickness of the material and the number of turns.
  • the first polymer composite material and the second polymer composite material may be cured by heating at about 130 to 150 ° C. for about 10 to 30 minutes.
  • the second polymer composite material is cured by adjusting the curing temperature and time so that the slide layer which is already cured and formed is not deteriorated.
  • the bush obtained after the step S500 can be cut according to the desired length.
  • the inner circumferential surface of the slide layer of the bush obtained after the step S500 may be machined to an appropriate tolerance level, so that the pin unit 200 may be smoothly rotated.
  • the outer circumferential surface of the load supporting layer of the bush may be machined to an appropriate tolerance level, and the bush of the present invention may be pressed into the inner circumferential surface of the boss 300 and then fixed to prevent rotation between operations.
  • the present invention provides a bearing assembly (not shown) having a bush 200 of the dual structure described above.
  • the bearing assembly for example, the pin unit 200 may be inserted into an inner circumferential surface of the bush 200 having a dual structure.
  • the fabric woven with polyester fibers was impregnated into a resin composition containing epoxy resin, graphite, and poly tetrafluoro ethylene particles to obtain a first polymer composite material, which was then mandrel (diameter: 71 mm). It wound around the surface of) and formed the slide layer of thickness 1mm. Subsequently, the fabric woven with glass fibers was impregnated with an epoxy resin to obtain a second polymer composite material, which was then wound on a slide layer formed on the mandrel surface to form a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm, followed by heat curing. A double structured bush (inner diameter: 71 mm, outer diameter: 86 mm, length: 60 mm) was obtained.
  • Example 2 Except that in Example 1, a slide layer having a thickness of 1.5 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 6 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 2 Except that in Example 1, a slide layer having a thickness of 2 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 5.5 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 2 Except that in Example 1, a slide layer having a thickness of 2.5 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 5 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 1 except that a slide layer having a thickness of 3 mm is formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 4.5 mm is formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • a bush made of structural carbon steel whose surface was subjected to salt bathing and MoS 2 soft coating was used as Comparative Example 1.
  • Example 1 except that a slide layer having a thickness of 0.5 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 7 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 2 Except that in Example 1, a slide layer having a thickness of 3.5 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 4 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 2 Except that in Example 1, a slide layer having a thickness of 4 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 3.5 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 1 except that the slide layer having a thickness of 4.5 mm is formed instead of the slide layer having a thickness of 1 mm, and the load supporting layer having a thickness of 3 mm is formed instead of the load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • Example 2 Except that in Example 1, a slide layer having a thickness of 5 mm was formed instead of a slide layer having a thickness of 1 mm, and a load supporting layer having a thickness of 2.5 mm was formed instead of a load supporting layer having a thickness of 6.5 mm. The same was done to obtain a bush of dual structure.
  • the seizure cycle Infinite repetitive tests under inert atmosphere, 90 ° rocking angle, 1 m / min rocking speed and 1 ⁇ 21 ton infinitely repeated load conditions, the first cycle with a friction coefficient of 0.35 or more was defined as the seizure cycle. .
  • the wear rate per 10,000 cycles was calculated by dividing it by the seizure cycle.
  • Friction coefficient by increasing the load by 3 ton by setting the number of repetitions of each step to 200 cycles without applying the load to the bush under the conditions of inactive lubricant, swing angle of 90 ° and swing speed of 1 m / min. The load until just before being 0.35 or more was measured.
  • the bushes of Examples 1 to 5 had a seizure cycle of more than 180,000 cycles higher than those of Comparative Example 1 (conventional metal bushes), a significantly lower wear rate, and similar or more. High limit surface pressure was shown.
  • the bush of Examples 1-5 had a low wear rate compared with the bush of the comparative example 2 (porous sintered compact bush).
  • the bushes of Examples 1 to 5 in which the thickness ratio of the slide layer to the load supporting layer was adjusted to 0.15 to 0.67 have comparative examples 3 to 7 in which the thickness ratio of the slide layer to the load supporting layer is outside the range of 0.15 to 0.67.
  • the seizure cycle and the critical surface pressure were higher than those of the bush, and the wear rate was lower.
  • the bushes of Examples 2 to 4 in which the thickness ratio of the slide layer to the load supporting layer was adjusted to 0.25 to 0.5 had excellent lubricating characteristics with a seizure cycle of 250,000 cycles or more, and a wear rate of 1.5 to 2 ⁇ m / 10,000 cycles. The wear was negligibly low.
  • the bush according to the present invention has a significantly lower wear rate than the conventional bush, which has excellent life characteristics, and can withstand high loads due to its high limit surface pressure, and the seizure cycle is 180,000 cycles or more, preferably 250,000 cycles or more. Lubricating properties were also excellent.

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Description

이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체
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 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.
** 도면 부호의 설명 **
10: 관절부, 11: 종래 부시,
12, 200: 핀, 13, 300: 보스
100: 본 발명의 부시, 101: 슬라이드층,
102: 하중 지지층
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 매트릭스, 자기 윤활성 입자 및 제1 섬유 기재의 혼합 비율은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 20 ~ 22 : 20 ~ 55 : 23 ~ 30 중량비율일 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 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 매트릭스 및 제2 섬유 기재의 혼합 비율은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 20 ~ 21.5 : 78.5 ~ 80 중량비율일 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, Ts는 슬라이드층의 두께이고, Tb는 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.
표 1
Ts(mm) Tb(mm) Ts/Tb Ts+Tb(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(Tb)에 대한 슬라이딩층의 두께(Ts)의 비율이 0.25 내지 0.50로 조절된 본 발명에 따른 부시는 고한계면압의 중대형 굴삭기용 부시로도 사용될 수 있을 정도로 마모율이 현저하게 낮았다.

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 포함하되,
    상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.15 내지 0.67 이고,
    고분자 복합 재료로 형성된 이중 구조의 부시.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하중 지지층에 대한 슬라이드층의 두께 비율이 0.25 내지 0.5인 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.
PCT/KR2013/008436 2012-09-20 2013-09-17 이중 구조의 부시 및 이를 구비하는 베어링 조립체 Ceased WO2014046477A1 (ko)

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