KR100432991B1 - 복합재료 드라이브 샤프트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 구동력을 전달하는 기존의 금속 드라이브 샤프트의 금속 튜브(tube) 부분을 복합재료로 대체하여 금속 유니버셜 조인트와 결합되어서 된 복합재료 드라이브 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 복합재료 튜브의 내경과 같은 치수를 가지도록 외경을 (+)공차로 가공하여 제작된 금속 인서트 튜브를 냉각하는 단계와, 상기 냉각된 금속 인서트 튜브를 복합재료 튜브 내측에 냉각박음하는 단계와, 복합재료 튜브의 외경과 같은 치수를 가지도록 내경을(-)공차로 가공하여 제작된 금속 유니버셜 조인트를 가열하는 단계와, 상기 가열된 금속 유니버셜 조인트 내측에 상기 금속 인서트 튜브가 냉각박음된 복합재료 튜브를 열박음하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 복합재료 드라이브 샤프트를 그 특징으로 한다.

Description

복합재료 드라이브 샤프트 및 그 제조방법{MULTIPLE MATERIAL BASED DRIVE SHAFT AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 회전 구동력을 전달하는 기존의 금속 드라이브 샤프트의 금속 튜브(tube) 부분을 복합재료로 대체하여 금속 유니버셜 조인트와 결합되어서 된 복합재료 드라이브 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 종래에 고토크(high torpue) 전달시에 발생하는 문제점을 해결하고, 결합상태의 신뢰성 및 피로특성을 향상시키며, 결합 시 발생할 수 있는 편심 등을 방지하여, 복합재료 드라이브 샤프트의 구조적 성능을 극대화 시킬 수 있는 복합재료 드라이브 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

드라이브 샤프트는 엔진 또는 변속기로부터의 회전력을 구동축에 전달하는 것으로, 차량, 선박, 항공기와 같은 수송기계류에 광범위하게 사용된다.

기존의 드라이브 샤프트는 금속제로 이루어져 있었는데, 튜브 부분과 유니버셜 조인트 부분을 따로 제작한 후 압입 후 용접하여 제작하고 있으며 steel이나 알루미늄으로 제작된다. 기존의 금속재 드라이브 샤프트는 무게가 무거운 단점이 있으며, 횡방향 고유진동수가 낮기 때문에 2m 이상으로 제작하면 엔진의 최대 회전수내에서 공진을 일으켜 파괴되기 때문에 약 1m정도로 짧게 제작하여 두 개를 연결하여 사용하고 있다. 따라서 두 개의 샤프트를 연결하기 위한 유니버셜 조인트 부재가 추가적으로 필요하게 되며 이에 따라 무게와 소음이 더욱 증가하게 되는 문제가 있다.

이러한 금속의 드라이브 샤프트가 갖고 있는 문제를 해결하기 위하여 섬유강화 복합재료가 사용되기 시작하였는데 섬유강화 복합재료 샤프트는 기존의 금속보다 비강성 및 비강도가 뛰어나며 고유진동수가 높고 진동감쇠능력이 크기 때문에, 2m이상의 길이로 제작이 가능하다. 따라서 섬유강화 복합재료를 이용하여 드라이브 샤프트를 제작하는 경우 기존의 요크 부분을 생략할 수 있어 추가적인 경량화가 가능하며, 소음을 감소시킬 수 있는 이점이 있기 때문에 이미 선진국에서는 이와 같은 섬유강화 복합재료 드라이브 샤프트를 개발하여 경주용 자동차나 항공기 등에 특수한 목적으로 사용하고 있는 실정이다.

그러나 드라이브 샤프트는 튜브 부분의 양끝에서 엔진 또는 변속기의 출력축 및 구동축과 유니버셜 조인트(universal joint)를 사용하여 연결되는데 이러한 연결부위는 복합재료로 만들 수 없다. 따라서 기존의 복합재 드라이브 샤프트는 유니버셜 조인트 부분은 금속으로 제작하여 복합재료로 제작한 튜브 부분과 접착하여 제작하게 된다. 이와 같이 접착제로 연결하는 경우 접착상태의 신뢰성과 토크 전달능력 및 피로특성 등에서 문제가 발생한다. 즉, 접착제를 사용한 결합구조는 정적인 최대토크 전달량이 복합재 튜브의 강도에 비해 현저히 낮으며, 특히 접착부 선단에 집중되는 응력으로 인해 접착층 자체가 매우 낮은 피로강도를 갖게 되는 문제점이 있다. 또한 표면 준비에 많은 시간과 노력이 필요하고 일정한 공정 관리가 어려우며, 접착시 편심이 발생할 우려가 있고, 접착 후 검사도 용이하지 않기 때문에 신뢰성이 낮은 단점을 갖는다. 한편, 최대 토크 전달량이 큰 복합재 샤프트에 대해서는 핀, 볼트 등을 사용하는 기계적 체결방법도 간혹 사용되나, 중량 증가 및 홀가공에 의한 샤프트 자체의 피로특성 저하, 편심에 의한 소음, 진동 유발 등 더 많은 단점을 갖기 때문에 선호되는 방법은 아니다.

따라서, 기존의 복합재 드라이브 샤프트에 있어 가장 큰 기술적 난점은 복합재 튜브의 양 끝단에 금속재 조인트를 연결하는 문제이며, 이 연결 방법에 따라 복합재 드라이브 샤프트의 토크 전달능력 및 피로 한도가 제한되어, 복합재 드라이브 샤프트의 광범위한 사용을 막는 가장 큰 걸림돌이 되어 왔다.

본 발명은 복합재료 드라이브 샤프트의 상기와 같은 종래의 결점을 해결하기 위해 고안된 것으로써 결합부의 성능을 취약하게 하는 접착제에 의한 결합이나, 홀 가공과 핀, 볼트 등을 이용하는 기계적 체결방법을 일체 사용치 않고, 금속재 유니버셜 조인트를 복합재 튜브에 열박음하여 결합부에 잔류되는 높은 열응력에 의한 압착력과 이에 따른 마찰력에 의해 토크를 전달하는 결합 방법을 구현하며, 이때 복합재 튜브의 수축으로 인한 압착력의 저하를 방지하기 위한 수단으로 금속재 인서트를 냉각박음함으로써, 압착력과 이에 따른 마찰력에 의한 토크 전달능력을 극대화하여 결합상태의 신뢰성을 높이며, 결합부의 토크 전달능력 및 피로 특성을 혁신적으로 향상시키고, 결합시 발생할 수 있는 편심을 방지하는 복합재료 드라이브 샤프트 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것에 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 복합재료 튜브(101)와 금속 인서트 튜브(103)를 포함한 금속 유니버셜 조인트(102)를 결합한 단면도,

도2는 도1의 다른 실시예,

도3은 도2의 다른 실시예이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 복합재료 튜브

101a : 복합재료 튜브 끝단

101b, 101c : 복합재료 튜브 끝단의 챔퍼

102 : 금속 유니버셜 조인트

102a : 금속 유니버셜 조인트 단부

102b, 102c : 금속 유니버셜 조인트 끝단의 챔퍼

103 : 금속 인서트 튜브

103a, 103b : 금속 인서트 튜브 끝단의 챔퍼

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복합재료 튜브의 내경과 같은 치수를 가지도록 외경을 (+)공차로 가공하여 제작된 금속 인서트 튜브를 냉각하는 단계와,

상기 냉각된 금속 인서트 튜브를 복합재료 튜브 내측에 냉각박음하는 단계와,

복합재료 튜브의 외경과 같은 치수를 가지도록 내경을(-)공차로 가공하여 제작된 금속 유니버셜 조인트를 가열하는 단계와,

상기 가열된 금속 유니버셜 조인트 내측에 상기 금속 인서트 튜브가 냉각박음된 복합재료 튜브를 열박음하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트의 제조방법을 제공한다. 또한 본 발명은 금속 인서트 튜브가 냉각박음된 복합재료 튜브가 금속 유니버셜 조인트 내측에 열박음되어서 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트를 제공한다.

본 발명은 복합재료 튜브와 금속 유니버셜 조인트의 결합방법에 있어서, 결합부위의 복합재료 샤프트 내측에 외경이(+)공차로 가공된 금속 인서트 튜브를 냉각박음하고, 외측에 내경이 (-)공차로 가공된 금속 유니버셜 조인트를 열박음 함으로써, 냉각박음된 금속 인서트 튜브의 팽창과 열박음된 유니버셜 조인트의 수축을 통하여 복합재료 튜브와 유니버셜 조인트가 밀착결합 되게 함으로써, 열박음시 복합재 튜브의 반경방향 수축(radial shrinkage)을 방지하여 압착력을 극대화시키면서 접착제 및 기계적인 결합 없이 순수 마찰력만으로 고토크 전달능력을 실현시킨 것이 특징이다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 바람직한 실시예에 의하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 고안의 복합재료 튜브(101)와 금속 인서트 튜브(103)를 포함한 금속 유니버셜 조인트(102)를 결합한 단면도이고, 도2와 도3은 도1의 다른 실시예이다.

도시된 바와 같이 복합재료 튜브(101)를 필라멘트 와인딩(filament winding)으로 제작하고, 금속 인서트 튜브(103)는 복합재료 튜브의 내경과 같은 치수를 가지도록 외경을 (+)공차로 가공하여 제작하며, 금속 유니버셜 조인트(102)는 복합재료 튜브의 외경과 같은 치수를 가지도록 내경을 (-)공차로 제작한다. 이때 냉각박음에 의한 금속 인서트 튜브(103)의 팽창력 및 열박음에 의한 금속 유니버셜 조인트(102)의 수축력에 의해 유니버셜 조인트(102)와 복합재료 튜브(101) 사이에 작용하게 되는 접촉력과 마찰력이 최대 전달토크보다 커지도록 결합부의 축방향 결합길이 및 금속 인서트 튜브(103)의 냉각온도와 유니버셜 조인트(102)의 가열온도, 그리고 이들 금속 부재의 가공 공차를 결정한다.

상기와 같이 형성된 금속 인서트 튜브(103)를 냉각 후 복합재료 튜브에 냉각박음 한다. 이후 온도가 상승함에 따라 금속 인서트 튜브(103)는 복합재료 튜브의 내측에서 복합재료 튜브에 팽창력을 가하여 밀착결합이 이루어진다. 이와 같이 냉각박음된 금속 인서트 튜브(103)는 이후 유니버셜 조인트(102)를 열박음 할 때 복합재 튜브가 반경 방향으로 수축하여, 열박음 효과(수축력)를 약화시키는 것을 방지하는 역할을 한다.

이후 금속 유니버셜 조인트(102)를 가열한 후 복합재료 튜브(101)를 열박음 한다. 이때 복합재료 튜브(101) 결합부의 섬유 및 수지가 열에 의해 타는 것을 방지하기 위해 충분히 짧은 시간에 열박음을 끝내고 신속히 냉각수를 사용하여 금속 유니버셜 조인트(102)를 냉각한다. 이에 따라 금속 유니버셜 조인트(102)는 복합재료 튜브(101)의 외측에서 복합재료 튜브(101)에 수축력을 가하며 밀착 결합이 이루어진다.

제2도와 제3도는 본 고안의 다른 실시예를 도시한 것으로, 금속재 인서트 튜브(103)와 복합재료 튜브(101), 그리고 유니버셜 조인트(102)의 끝단을 모따기(제2도) 또는 곡률(제3도) 가공하여, 냉각박음과 열박음을 더욱 용이하게 하고, 조립 후 발생하는 결합부의 반경 방향 수축에 의해 결합부의 양 끝단에서 발생하는 국부적인 응력집중을 완화하는 것을 특징으로 하는 복합재 드라이브 샤프트 결합 구조이다.

본 발명에 의해 결합된 복합재료 샤프트는 기존의 접착제 또는 기계적 체결 방법에 의해 결합된 복합재료 샤프트에 비해 월등히 우수한 기계적 특성을 갖는다.

전술한 바와 같이 기존의 접착 방법에 의해 조립된 복합재료 샤프트의 경우, 접착층 자체가 낮은 강도와 결합부 양 끝단에서 접착층에 작용하는 높은 응력집중으로 인해 최대 토크 전달능력 및 피로 특성이 매우 제한되는 문제점이 있어 고토크 전달이 필요한 대형 복합재료 드라이브 샤프트의 제작이 불가능하다. 또한 유니버셜 조인트와 복합재료 튜브를 접착 조립할 때는 접착층을 위한 틈새가 필요하기 때문에 이로 인해 편심이 발생할 우려가 있다. 한편 핀 등을 사용한 기계적 체결방법의 경우 고토크 전달이 가능하나, 홀 등에 의해 피로 특성이 나빠지고, 중량이 증가하며, 홀과 핀 등에 의해 편심이 발생하기 쉬워 고속 회전하는 샤프트에 적용이 어려운 단점이 있다.

반면, 본 발명에 의해 결합된 복합재료 샤프트는, 금속재 유니버셜 조인트에 항복응력에 가까운 열잔류응력이 유발되도록 열박음하면, 일체의 응력집중이 없는 구조이므로, 복합재료 튜브 자체의 정적 강도 및 피로 강도에 준하는 고토크 전달능력을 갖는 결합부를 만들수 있다. 또한 결합을 위한 표면처리, 홀 가공 등의 추가 공정이 필요 없기 때문에 공정이 매우 간소화 되며, 조립시 편심의 원인이 근본적으로 제거되는 장점이 있다. 따라서, 본 고안에 의해 결합된 복합재료 샤프트는 기존 복합재료 샤프트에서 구현하지 못한 고토크 전달능력을 순수 마찰력만으로 가능하게 하였으며, 제작 공정의 단순화 및 접착상태의 신뢰성과 피로특성 등을 크게 개선하여 실용적으로 적용할 수 있게 하는 것이다.

Claims (5)

1. 복합재료 튜브의 내경과 같은 치수를 가지도록 외경을 (+)공차로 가공하여 제작된 금속 인서트 튜브를 냉각하는 단계와,

   상기 냉각된 금속 인서트 튜브를 복합재료 튜브 내측에 냉각박음하는 단계와,

   복합재료 튜브의 외경과 같은 치수를 가지도록 내경을(-)공차로 가공하여 제작된 금속 유니버셜 조인트를 가열하는 단계와,

   상기 가열된 금속 유니버셜 조인트 내측에 상기 금속 인서트 튜브가 냉각박음된 복합재료 튜브를 열박음하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열박음 단계에서 열박음된 샤프트를 강제 냉각하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트의 제조방법.
3. 삭제
4. 내측으로 금속 인서트 튜브가 냉각박음된 복합재료 튜브가 금속 유니버셜 조인트 내측에 열박음되어서 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트.
5. 제4항에 있어서,

   상기 금속 유니버셜 조인트, 금속 인서트 튜브, 복합재료 튜브는 그 끝단이 모따기 또는 곡률처리된 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브 샤프트.