KR100452435B1 - 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 스틸재 2피스(piece) 프로펠러샤프트 및 알루미늄 일체형 프로펠러샤프트와는 달리, 고강도 스프레이포밍재를 압출 인발하여 제작된 튜브와 열간단조법으로 제조된 알루미늄 요크를 마찰 압접법으로 일체가 되게 제조하여, 경량화를 실현함과 함께 부품수를 절감할 수 있고, 진동 소음의 개선 및 내구강도를 증대시킬 수 있도록 한 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 용탕상태의 알루미늄 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여 스프레이 포밍재를 만드는 단계(단계 1); 상기 스프레이 포밍재를 압출, 인발하여 프로펠러샤프트의 튜브를 제작하는 단계(단계 2); 일반적인 알루미늄단조공법의 조건으로, 마찰압접용 알루미늄 단조 요크를 제작하는 단계(단계 3); 상기 튜브와 요크를 마찰 압접하여, 일체형 프로펠러샤프트로 제작하는 단계(단계 4)로 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법을 제공한다.

Description

자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법{Method for manufacturing one-piece type propeller shaft of vehicle}

본 발명은 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 스틸재 2피스(piece) 프로펠러샤프트 및 알루미늄 일체형 프로펠러샤프트와는 달리, 고강도 스프레이포밍재를 압출 인발하여 제작된 튜브와 열간단조법으로 제조된 알루미늄 요크를 마찰 압접법으로 일체가 되게 제조하여, 경량화를 실현함과 함께 부품수를 절감할 수 있고, 진동 소음의 개선 및 내구강도를 증대시킬 수 있도록 한 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 자동차용 프로펠러샤프트는 4륜구동방식 또는 프런트 엔진 리어 드라이브(FR:Front engine Rear drive)방식의 차량에 적용되는 부품으로서, 트랜스미션으로부터 뒷차축까지 연결되어, 앞쪽에 있는 엔진의 회전력을 트랜스미션을 거쳐 뒤차축으로 전달하는 역할을 한다.

종래의 자동차 프로펠러샤프트는 스틸재로 적용이 되어 있는데, 그 구조는첨부한 도 6에 도시한 바와 같다.

종래의 2피스 프로펠러샤프트(50)는 스틸 조관 파이프 형태의 튜브(50a)와, 이 튜브의 양단에 일체로 용접되는 요크(50b)로 구성되는 바, 상기 튜브는 스틸 조관 파이프를 사용하므로 그 무게가 무겁고, 그에따라 길이가 1M 이상일 경우 자중에 의한 처짐 현상이 발생하여 진동 및 소음 파손의 우려가 있다.

따라서, 첨부한 도 6에서 보는 바와 같이 종래의 프로펠러샤프트는 2피스화 하여 사용하게 되고, 그에따라 부품의 수가 많아지면서 무게가 더 무거워지고, 가격도 비싸게 된다.

상기 요크는 일반 스틸 단조품으로 제작한 것으로서, 튜브와 요크의 접합은 CO₂용접으로 일체가 되게 접합하게 된다.

전술한 바와 같이, 기존의 스틸재 2피스 프로펠러샤프트는 부품의 수가 많고 무거워, 차량의 진동 및 소음을 유발하는 부품중의 하나로서, 이러한 단점을 극복하고자 외국 타사에서는 알루미늄 재질의 A6061튜브를 이용, 또는 알루미늄+탄소섬유복합재료 튜브를 이용한 일체형 프로펠러사프트가 사용중에 있다.

그러나, 일반적인 알루미늄 재질의 A6061튜브는 강성이 떨어지고, 알루미늄+탄소섬유복합재료 튜브는 가격이 고가이며 제품 제조 방법에 복잡한 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, Si18중량%, Cu 4.5중량%, Mn 0.6중량%, Al 나머지 중량%의 합금으로 이루어진 스프레이포밍재를 압출, 인발하여, 기존의 일반 알루미늄에 비해 강성이 더 높고 물성이 우수한 튜브로 제조하고, 알루미늄 단조품으로 이용하여 경량화를 실현함과 함께 강도를 높인 요크를 제조하여, 상기 튜브와 요크를 일반 용융용접이 아닌 마찰압점으로 접합하여서 서로 일체가 되도록 한 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적의 달성으로, 기존의 스틸재 2피스 프로펠러샤프트를 일체형으로 제조가 가능하고, 외국사에서 양산중인 일체형 알루미늄 프로펠러샤프트에 비해 컴팩트하게 설계가 가능하며, 고강성을 갖는 잇점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 방법으로 제조된 자동차용 일체형 프로펠러샤프트를 나타내는 정면도,

도 2는 본 발명의 방법으로 제조된 자동차용 일체형 프로펠러샤프트의 튜브를 나타내는 정면도,

도 3은 본 발명의 방법으로 제조된 자동차용 일체형 프로펠러샤프트의 요크를 나타내는 정면도,

도 4는 본 발명의 방법으로 제조된 자동차용 일체형 프로펠러샤프트의 장착상태를 보여주는 정면도,

도 5는 본 발명의 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법에 이용되는 스프레이 포밍재의 제조 장치를 보여주는 개략도,

도 6은 기존의 2피스 프로펠러샤프트를 나타내는 정면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 일체형 프로펠러 샤프트 12 : 튜브

14 : 요크 16 : 스프레이 포밍재

20 : 챔버 22 : 적재판

24 : 배출공 26 : 아토마이져

28 : 용탕주입공간 30 : 저장탱크

32 : 이베퍼레이터 50 : 2피스 프로펠러샤프트

50a : 튜브 50b : 요크

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은:

용탕상태의 알루미늄 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여 스프레이 포밍재를 만드는 단계(단계 1); 상기 스프레이 포밍재를 압출, 인발하여 프로펠러샤프트의 튜브를 제작하는 단계(단계 2); 일반적인 알루미늄단조공법의 조건으로, 마찰압접용 알루미늄 단조 요크를 제작하는 단계(단계 3); 상기 튜브와 요크를 마찰 압접하여, 일체형 프로펠러샤프트로 제작하는 단계(단계 4)로 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 스프레이 포밍재는 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mn 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 알루미늄 합금을 이용하여 만들어진 것을특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 최종 제작된 프로펠러샤프트에 대하여 내구시험을 실시하는 단계(단계4)가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 각 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같고, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명에 사용되는 튜브의 재질은 우수한 물성을 가지면서 압출/인발이 가능한 알루미늄 합금을 이용하는 바, 고강도 난가공성소재를 조가 가능하여, 여러시험을 거쳐 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mn 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 알루미늄 합금을 튜브의 재질로 선택하였다.

단계 1에서는 프로펠러샤프트의 튜브를 제조하기 위하여 상기 알루미늄 합금을 이용한 스프레이 포밍재를 성형하는 단계로서, 그 성형 장치의 일례를 첨부한 도 5를 참조로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 5에 도시한 바와 같이, 스프레이 포밍재를 성형하기 위한 장치의 일구현예를 살펴보면, 상하로 이송 가능한 적재판(22)이 내설되고, 하부에는 배출공(24)이 형성된 소정 체적의 챔버(20)와, 상기 적재판(22)상으로 용탕을 분사시킬 수 있도록 상기 챔버(20)상에 설치되는 아토마이져(Atomizer)(26)와, 상기 아토마이져(26)상에 설치되는 용탕주입공간(28)과, 상기 아토마이져(26)의 분사부와 연결되고 고압의 불활성가스(예를들어, 액체 질소)가 저장된 저장탱크(30)와, 상기 아토마이져와 저장탱크 사이의 연결라인에 설치되는 이베퍼레이터(32)로 구성된다.

부가적으로, 상기 챔버(20)에는 내부를 관찰하는 CCD카메라(34)가 부착되어 있고, 소정의 위치에는 전체 장치의 작동 및 제어를 위하여 콘트롤유니트(36)와 모니터(38)가 설치되어 있다.

따라서, Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mn 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 알루미늄 합금을 용융시켜 용탕 상태로 만든 후, 상기 장치의 용탕주입공간(28)으로 주입한다.

다음으로, 주입된 용탕을 일종의 분사수단인 상기 아토마이져(26)를 통하여 챔버(20)내로 분사시키되, 분사시점에서 용탕을 급속냉각시켜 분사시킨다.

즉, 상기 저장탱크(30)에 저장되어 있는 액체질소가 이베퍼레이터(32)에 의하여 기체화되어, 아토마이져(26)의 분사부로 제공됨에 따라, 챔버(20)내로 분사되는 용탕이 급속냉각되면서 분사되어진다.

다음으로, 분무된 용탕의 액적들이 완전히 응고되지 않은 상태로 배행하다가 적재판(22)에 도달한 후, 응고가 완료되고, 내부에 잔존하는 불활성가스는 상기 챔버(20) 하부의 배출공(24)으로 빠져나가게 된다.

계속해서, 상기 적재판(22)에 용탕이 응고된 채로 계속 쌓이게 되면, 상기 적재판은 레일을 따라 하강 이송을 하게 되고, 소정의 높이로 쌓이게 되면 챔버로부터 분리해낸다.

결과적으로, 분리된 응고 상태의 알루미늄 용탕은 본 발명에 사용되는 스프레이 포밍재(16)가 되고, Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mn 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 스프레이 포밍재의 물성은 다음의 표 1과 같다.

단계 2는 상기와 같이 제조된 스프레이 포밍재를 압출/인발하여, 프로펠러샤프트의 튜브를 성형하는 공정으로서, 상기 스프레이 포밍재를 빌렛(billet)형태로 가공후, 2200t 압출기를 이용하여 압출하여, 첨부한 도 2에 도시한 바와 같이 직경 90mm 두께 2mm의 관상튜브(12)를 제조하고, 그 후 인발공정을 통해 치수교정을 하여, 튜브의 진직도, 진원도, 두께공차를 규정된 범위를 만족시키도록 한다.

단계 3에서는 마찰압접이 가능하도록 설계된 요크를 알루미늄 단조공법으로 제조한다.

단조조건은 일반적인 알루미늄단조공법의 조건을 사용하였다. 재질은 알루미늄 단조에 널리 사용되는 a6061-T6재를 사용하는 것이 바람직하고, 이때 제조되는 마찰 압접용 요크(14)는 도 3에 도시한 바와 같다.

단계 4에서 단계 1 내지 3을 통하여 제조된 튜브와 요크를 마찰압접으로 접합하여, 도 1 또는 도 4에 도시한 바와 같은 일체형 프로펠러샤프트(10)를 만든다.

한편, 상기 스프레이 포밍재는 일반 용융용접이 불가능한 재질로서, 그 이유는 용융용접을 위해 가열 및 압출시 작아졌던 내부 기공이 가열과 함께 다시 나타나 용접부의 강도를 크게 떨어뜨리기 때문이다.

따라서, 마찰압접을 하게 되면, 일반 용융용접과 달리 고상압접이 되므로 일반 용융용접에서 문제가 되는 용입량이라든지 용접열영향부가 생기지 않게 된다.

그에따라, 프로펠러샤프트의 내구시험시 용접열영향부에서 파괴되는 현상은 없어지고 강도가 향상되게 된다. 용접부 강도는 일반 용융용접시 용접부 및 용접열영향부에서 파단되나, 마찰압접품의 용접 내구시험시는 모재에서 파단이 일어나 접합부의 강도가 모재보다 우수함을 알 수 있었다.

마지막으로, 단계 5에서는 제작된 알루미늄 스프레이 포밍재의 튜브와, 알루미늄 단조품인 요크가 일체로 마찰압접된 본 발명의 일체형 프로펠러샤프트에 대한 내구시험 단계이다.

그 시험 결과는 다음의 표 2에 나타낸 바와 같다.

상기 내구시험은 정적파단강도 측정과 피로내구시험을 실시한 것으로서, 실시결과 기존의 2피스 스틸재 프로펠러샤프트 및 일반 알루미늄 프로펠러샤프트에 비해, 본 발명의 프로펠러샤프트가 고강도의 정적파단강도를 갖는 것으로 판명되었고, 결과적으로 본 발명의 프로펠러샤프트가 우수한 강성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법에 의하면, 고강도 스프레이포밍재 튜브와 알루미늄 단조요크를 사용하여 마찰압접을 통해 일체형 프로펠러샤프트를 제작함으로써, 기존에 사용되던 스틸 2피스 프로펠러샤프트 또는 알루미늄+탄소섬유복합재료 튜브를 이용한 일체형 프로펠러사프트에 비하여, 경량화 및 고강도화를 이룰 수 있고, 기존 양산품에 비해 부품수 절감의 효과를 얻을 수 있다. 특히, 기존 스틸품 대비 경량화는 50% 정도가 이루어짐으로써, 차량의 진동 소음을 줄일 수 있다.

Claims (3)

1. 용탕상태의 알루미늄 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여 스프레이 포밍재를 만드는 단계;

   상기 스프레이 포밍재를 압출, 인발하여 프로펠러샤프트의 튜브를 제작하는 단계;

   일반적인 알루미늄단조공법의 조건으로, 마찰압접용 알루미늄 단조 요크를 제작하는 단계;

   상기 튜브와 요크를 마찰 압접하여, 일체형 프로펠러샤프트로 제작하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스프레이 포밍재는 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mn 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 알루미늄 합금을 이용하여 만들어진 것을 특징으로 하는 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 최종 제작된 프로펠러샤프트에 대하여 내구시험을 실시하는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 자동차용 일체형 프로펠러샤프트 제조 방법.