Carbon-phenolic woven composite materials are employed in heavy-duty bearings due to their inherent self lubricating properties and thermal stability. In this thesis, a hybrid composite hemispherical bearing (CHB) composed of carbon-phenolic composite and aluminum back-up for the suspension of high mobility tracked vehicles, is developed. In order to reduce the damage generated during machining of the spherical surface of CHB, a near net-shape molding process was used. The thermal residual stresses in the composite and aluminum generated during molding process were calculated by finite element analysis with respect to the fiber types and material stacking sequences. From the calculated data and tested results for CHB, it was found that the developed CHB performed better than the conventional carbon-PEEK CHB.
Since the through thickness compressive strength (TTCS) is important for the heavy-duty bearing, in this thesis, the effects of lay-up angles and specimen thickness of woven composites on TTCS were investigated for the efficient design of carbon-phenolic woven composite bearings. From the experiments and FEM analysis, it was found that the TTCS of the carbon-phenolic woven composite is much dependent on the stacking sequence rather than composite thickness because different stacking sequence produced much different interlaminar stresses.
The friction and wear characteristics of carbon fiber phenolic composites are important because carbon fiber phenolic composites are increasingly employed in journal bearing materials. Since the friction and wear characteristics of phenolic composites have been mainly investigated under dry sliding conditions, in this thesis, the wear characteristics of the carbon fiber phenolic composites were experimentally investigated both under the dry sliding and oil-lubrication conditions. Nano-size particles were mixed in the surface layers of the composite specimens to improve the wear characteristics of the carbon fiber phenolic composites. From the observation of morphology of failed composite, a wear stage of carbon-phenolic composite was proposed.
궤도차량의 현수장치의 중량이 증가할수록 궤도차량의 주행저항이 커지기 때문에 기동성이 저하되고, 연료소모율이 높아지게 된다. 따라서 현수장치의 경량화와 장착공간 축소가 요구되며, 이에 따라 로드 암(road arm)과 충격흡수 장치가 결합된 암내장형 유기압 현수장치 (ISU, In-Arm Suspension Unit)가 개발되고 있다. 복합재료 구면 베어링은 ISU 내부에서 커넥팅 로드 (connecting rod)로부터의 압축하중을 피스톤에 전달하여, 회전운동을 선형 반복운동으로 전환하는 목적으로 사용된다. 커넥팅 로드와 구면 베어링은 볼-소켓 조인트 (ball and socket joint) 형상으로 결합되므로, 커넥팅 로드의 압축하중이 구면 베어링에 작용될 때에는 압축력과 함께 회전 운동에 의한 구면 베어링의 마모가 발생하게 된다. 이러한 구면 베어링은 350 MPa 이상의 높은 압축하중에 견디면서도 자기 윤활 특성 (self-lubricating)이 요구되므로, 사용가능 재료가 제한되게 된다.
기존의 구면 베어링은 주로 탄소섬유강화/PEEK (Polyetherehterketone) 복합재료 적층판을 기계가공하여 제작하므로, 기계가공 면에 잔류하는 가공 균열로 인해, 요구 수명을 만족시키지 못하고 갑작스럽게 파괴되는 문제가 있었다. 본 논문에서는 공리설계적 관점에서 접근하여, 구면베어링의 Functional Requirement를 만족시키는 설계는 금속과 탄소섬유 강화복합재료를 동시에 사용하는 하이브리드 복합재료 구조임을 발견하였으며, 하이브리드 복합재료 구면 베어링 시제를 제작하고, 자체 제작한 구면 베어링 전용 마모수명 시험기를 이용한 시험을 통해, 본 연구에서 개발된 구면 베어링이 기존 제품에 비해 우수한 정적강도와 피로/마모 수명을 가짐을 확인하였다.
전술한 바와 같이 탄소섬유/페놀 직물 복합재료는 ISU에서는 고하중 지지 구면베어링용 소재로 사용되므로 큰 두께방향 압축강도 (TTCS, Through Thickness Compressive Strength)가 요구된다. ISU용 구면베어링 이외에도 선박용 주축 베어링 등의 소재로도 사용되고 있는 탄소섬유/페놀 직물 복합재료에 있어서 가장 중요한 물성 중의 하나가 TTCS이므로, 본 논문에서는 탄소섬유/페놀 직물 복합재료에 있어서 탄소섬유의 종류와 형상, 적층각 등이 TTCS에 미치는 영향을 조사하였다. 다양한 시편에 대한 TTCS 측정결과, 유한요소해석 및 미세조직관찰을 통하여, 탄소섬유/페놀 직물 복합재료의 TTCS는 탄소섬유의 종류, 적층각도에 따라서 크게 달라지며, 두께에 의한 영향은 크지 않음을 발견하였다. 또한 적층각도에 따라서 탄소섬유/페놀 직물 복합재료의 TTCS가 변하는 이유는, 적층각도에 따라서 층간 전단응력이 크게 달라지기 때문임을 밝혔다.
구면베어링용 소재로 사용되는 탄소/페놀 복합재료의 마모특성을 향상시키기 위하여, 세 종류의 복합재료, 즉 카본블랙과 PEEK 파우더가 혼입된 탄소/페놀 복합재료, 카본블랙만 혼입된 재료, 및 입자를 혼입되지 않은 재료에 대해서 건조 상태와 오일 윤활 상태에서의 마모특성을 연구하였다. 상기 세 가지 재료에 대하여, 마찰조건 별로 마찰시간과 마찰계수의 관계를 관찰한 결과, 건조상태에서는 카본블랙만을 혼입한 재료가 가장 낮은 마찰계수를 나타낸 반면, 오일 윤활 상태에서는 카본블랙과 PEEK powder가 동시에 혼입된 재료가 가장 낮은 마찰계수를 나타내었다. 이러한 관찰결과를 바탕으로 카본블랙과 PEEK powder가 동시에 혼입된 재료에, 고온 진공 상태에서 오일을 함침시켜 마찰시험을 수행한 결과 건조상태와 오일윤활 상태의 마찰시험 모두에서 낮은 마찰계수를 나타냄을 관찰하였다. 본 논문에서는 이러한 연구결과를 바탕으로, 나노 입자가 혼입된 탄소/페놀 복합재료를 구면베어링에 적용하여, 기존 구면베어링보다 우수한 내구수명을 갖는 베어링을 개발하였다.
