KR0149711B1 - 스프링 요소내 내부능력 분포의 최적화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 차량의 지지 스프링으로서 사용되는 스프링 요소 특히 고강도 나선 스프링을 정형화 및 볼블라스팅하여 상기 나선 스프링의 바아횡단면 내 고유 응력의 분배를 최적화 하는 방법에 관한 것으로서, R_m≥ 1800N/㎟의 강도를 갖는 특히 나선 스프링의 수명을 더욱 개선하는 것을 목적으로 하며, 본 발명에 따르면 상기 나선 스프링을 바아횡단면에 관하여 예정된 강도프로파일을 갖도록 하여 상기 정형화 및 볼블라스팅 단계에 공급한다.

Description

스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법

제1도는 본 발명에 따른 방법을 도식적으로 나타낸 블록도이다

본 발명은, 차량의 지지 스프링으로서 사용되는 스프링 요소 특히 고강도 헬리컬스프링을 세팅 및 볼블라스팅하여 상기 헬리컬 스프링 바아 횡단면내 내부응력의 분포를 최적화하는 방법에 관한 것이다.

이와 관련하여 최적인 것으로 인정되고 있는 내부응력 분포는, 완성된 스프링의 최대부하를 받는 횡단면에서의 총 부하응력이 그 단면의 어느 위치에서도 압축항복점 내지는 인장항복점에 도달하지 아니하고, 표면에 인접한 가장자리 영역에서 200N/㎟의 임계 인장 응력값을 초과하지 아니하도록 하는 것이다.

종래기술에 따르면, 스프링 요소내 내부응력에 영향을 주는 방법으로서, 세팅 (setting) 및 볼블라스팅(ball blasting) 의 두 방법이 사용되고 있는데, 소정의 횡단면내에 이들 방법을 적용함으로써 내부응력 분포를 변화시킬 수 있다. 스프링의 세팅이라 함은, 일단 성형 및 열처리된 스프링에 초기 하중을 가하여 스프링의 종류 및 응력의 종류에 따라 그 스프링 단면의 일부분에서 스프링 재료의 항복점이 초과되도록 하는 소성가공을 말하는 것이다.

전체 횡단면에 대한 소성화된 횡단면의 비를 소성변형도 P 라 하는데, 이 소성변형에도 재료의 특성인 항복점과 관련하여 세팅 작업시 발생된 내부응력의 크기와 분포를 결정하게 된다.

세팅 과정에서 스프링 횡단면내에 소정의 강도구배 (strength gradient) 또는 온도구배를 미리 설정함으로 인한 항복점의 변화를 국소적으로 제한함으로써, 내부응력의 크기 및 그 분포를 최적으로 조절할 수 있다.

세팅에 있어서는 내부응력이, 전체 단면에 걸쳐 굽힘시의 단축 응력 또는 비틀림시의 2축 응력인가와 같은 응력의 종류에 따라, 그리고 인장 혹은 압축과 같은 응력방향에 따라 단면 전체에 걸쳐 방향성 변화를 받게 되지만, 볼블라스팅에 의해 영향을 받는 영역은 실질적으로 표면에 인접한 외측영역에만 국한되고, 따라서 스프링 종류나 응력 종류에 관계없이 바깥층에서 응력은 직교분포를 하게 된다.

미국특허 제 2 608 752 호에서는 판스프링을 예로 들어, 이 판스프링의 인장측에 응력을 가하고 (60% 내지 100% R_e) 볼블라스팅을 행하는 방법이 소개되어 있다. 이 방법은 실무에서 응력 블라스팅 이라고 알려져 있으며, 현재 판스프링 및 포물선 스프링에 대해 여러 가지의 개량된 방법들이 사용되고 있다.

판스프링의 응력 블라스팅을 위한 기계 및 장치와 몇가지 개량된 방법들이 미국특허 제 3 094 768 호 및 영국특허 제 959 801 호에 소개되어 있다.

상기 응력 블라스팅에 대한 대안으로서, 비교적 심한 형상변형의 문제를 수반하지 않으면서 동등한 효과를 얻을 수 있는 방법이 미국특허 제 3 205 556 호에 소개되어 있는데, 이에 따르면 판스프링에 하중을 가하지 아니하고 (즉 인장력을 가하지 아니하고) 고온 (150℃ 내지 350℃) 에서 볼블라스팅을 행한다. 이하에서 열블라스팅 이라 부르는 이 방법은 지금까지 실무에서 실시되지 못하였다. 그 이유로서 첫째, 응력 블라스팅 작업시 발생되는 심한 형상변형이 신기술 개발에 의한 굽힘공구를 적절히 사용함으로써 간단히 보상할 수 있고 다른 이유는, 열블라스팅의 수명연장 효과가 일반적으로 응력 블라스팅의 경우보다 현저히 낮기 때문이다.

전술한 종래기술들은 모두, 스프링 요소로서 판스프링만을 예로 들고 있고 실질적으로 단축 응력이 작용하는 경우에 관한 것이다.

사용수명을 개선하기 위해 상기 종래기술에서 언급하고 있는 사항, 특히 각 제조공정의 순서 및 내부응력 분포의 최적화에 관한 사항은 비틀림 응력을 받는 스프링 부재에는 그대로 적용될 수 없으며, 또한 실질적으로 2축 응력에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다.

또한, 열성형 스프링 (회쉬 호헨림부르크 아게, 1987년, 189면 내지 1991면) 에는, 헬리컬스프링에 대해 세팅 작업을 행하고 그 이후에 볼블라스팅을 행하는 방법이 알려져 있다.

본 발명은, 특히 R_m≥ 1800N/㎟ 의 강도를 갖는 헬리컬 스프링의 수명을 더욱 개선시킬 수 있는, 서두에 언급한 바와 같은 스프링 요소의 내부응력의 분포를 최적화하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 특허청구범위 제 1항의 특징부에 제시된 방법에 의해 이루어진다.

본 발명에 따른 방법의 유익하고 바람직한 실시예들은 특허청구범위 제 2 항 내지 제 7 항에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 방법의 이점은 특히, 최적화의 목적에 따라서 헬리컬 스프링의 수명을 증대시키거나 혹은 스프링 중량을 감소시킬 수 있다는 것이다.

이하, 도식적으로 나타낸 제 1 도를 참조하여 본 발명에 따른 방법을 더욱 상세히 설명한다.

본 방법은, 스프링 요소가 열간, 냉간 혹은 반열간에서 성형되었든간에 관계없이, 헬리컬 스프링은 경화, 뜨임 혹은 풀림과 같은 전처리 단계 (1) 로부터 잔존하는 잔류열을 보유한 상태에서 이송로 (3) 를 통해 세팅 프레스 (2) 로 공급되고, 헤릴컬 스프링은 이 세팅 프레스 (2) 에서 세팅 과정을 거친 직후에 이송로 (4) 를 통해 볼블라스팅부 (5) 로 이송되며, 여기서의 볼블라스팅부 (5) 는 이송로 (7) 를 통해 연결된 적어도 두 개의 상호 독립된 블라스팅실 (6, 8) 로 이루어져 있고, 세팅 프레스 (2) 바로 앞의 이송로 (3) 및 이 세팅 프레스와 볼블라스팅부 (5) 사이에 있는 이송로 (4) 는, 헬리컬스프링을 소정의 온도로 가열 혹은 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있다. 이 경우 결정적으로 중요한 점은, 여기서의 온도조절 방식에 따라, 이후의 제조 공정을 위해 미리 정해진 온도구배 또는 강도구배를 헬리컬 스프링 바아의 횡단면내에 발생시킬 수 있다는 것이다.

제 1 블라스팅실 (6) 에서의 볼블라스팅 처리는 일반적으로, 이어지는 제 2 블라스팅실 (8) 에서의 볼블라스팅 처리를 위한 헬리클스프링의 전처리 작업으로서 행하여지며, 제 2 블라스팅실 (8) 에는 헬리컬 스프링의 응력 블라스팅에 필요한 모든 장비가 구비되어 있다.

여기서 전처리 작업이란, 특히 볼블라스팅처리의 효과를 증대시키는 모든 조치를 의미한다.

제2 블라스팅실 (8) 에서의 볼블라스팅 처리가 종료되면, 헬리컬스프링은 이송로 (9) 를 통해 최종 완성부 (10) 로 공급된다.

블라스팅 매체의 가속도의 증대 및 / 또는 블라스팅 매체의 질량 특히 입자직경의 증대를 통해 블라스팅 에너지 (mV²/2)를 증대시키는 것과 같은 통상의 표준조치를 취하는 것 이외에, 스프링 요소를 특정 재료에 적합한 온도구배 또는 강도구배를 갖게 한 상태에서 이송로 (4) 를 통해 제 1 블라스팅실 (6) 로 이송시켜 블라스팅 처리를 할 수 있다.

여기서의 볼블라스팅은, 열블라스팅에 관한 것인 한, 응력블라스팅에 대한 대안으로서 미국특허 제 3 205 556 호에 소개되어 있는 것과는 달리, 응력블라스팅의 적절한 보완 및 전처리 조치로서, 응력 블라스팅에 의해 야기되는 스프링의 형상변형을 최소화하기 위해 채용되는 것이다.

헬리컬 스프링은 제 1 블라스팅실 (6) 에서의 볼블라스팅 처리가 끝난후 이송로 (7) 를 통해 제 2 블라스팅실 (8) 로 이송되며, 여기서 헬리컬 스프링은 정해진 길이로 예하중을 받게 되고, 이 예하중이 가해진 상태에서 볼블라스팅 처리를 받게 된다.

전체면에 걸쳐 가능한한 균일한 블라스팅 처리가 이루어지도록 하기 위하여, 헬리컬 스프링을 볼블라스팅의 핫-시이트 (Hot - Seat) 영역내에서 그 중심축선을 중심으로 회전 혹은 선회 운동시켜야 한다. 이 작업은 시간 의존적이고 주기적인 진행방식이나 연속적인 전행방식으로 이루어질 수 있다.

Claims (9)

1. 차량의 지지 스프링으로서 사용되는 스프링 요소, 특히 고강도 헬리컬스프링을 세팅 및 볼블라스팅하여 상기 헬리컬 스프링 바아 횡단면내 내부응력의 분포를 최적화하는 방법에 있어서, 상기 헬리컬 스프링을 바아 횡단면에 대하여 규정된 강도구배를 갖도록 한 상태에서 상기 세팅 및 볼블라스팅 단계에 공급하는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 바아 횡단면에 대해 규정된 강도구배를, 상기 세팅 내지는 볼블라스팅 이전에 소정의 가열 혹은 냉각으로 일시적으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 바아 횡단면에 대해 규정된 강도구배를, 상기 세팅 내지는 볼블라스팅 이전의 적절한 제조단계에 의해 영구적으로 발생시켜 실온에서 유지시키는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 세팅 이전의 상기 규정된 강도 구배를 상기 볼블라스팅 이전의 상기 규정된 강도구배와는 다르게 하는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 규정된 강도 구배를 바아의 전 길이에 걸쳐 거의 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 규정된 강도 구배를 바아의 전 길이에 따라 다르게 하는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
7. 제 1 항 내지 제 4 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 세팅 단계 및 볼블라스팅 단계 이후에 응력 블라스팅 단계가 이어지는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 세팅 단계 및 볼블라스팅 단계 이후에 응력 블라스팅 단계가 이어지는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 세팅 단계 및 볼블라스팅 단계 이후에 응력 블라스팅 단계가 이어지는 것을 특징으로 하는 스프링 요소내 내부응력 분포의 최적화 방법.