KR100655860B1

KR100655860B1 - 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트

Info

Publication number: KR100655860B1
Application number: KR1020050098240A
Authority: KR
Inventors: 김성수; 정경
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2006-12-13

Abstract

본 발명은 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트는 조향 핸들 축과 연동되어 조향력을 랙바로 전달하는 피니언 샤프트에 있어서, 상기 피니언 샤프트의 기어부에는 코팅층이 피복되어 있고, 상기 코팅층은 Cr이 0.2~0.5 μm의 두께를 갖도록 상기 피니언 샤프트에 접하여 피복된 제1 피복층과, CrN이 1.8~2.2μm의 두께를 갖도록 피복된 제2 피복층과, Cr이 0.2~0.5μm의 두께를 갖도록 피복된 제3 피복층과, WC/C가 1.5~2μm의 두께를 갖도록 피복된 제4 피복층을 포함하고, 상기 제1 피복층, 제2 피복층, 제 3 피복층, 제4 피복층은 순서대로 피복되는 것을 특징으로 한다.

피니언 샤프트, 코팅, 조향 장치, 스티어링

Description

조향 장치의 코팅 피니언 샤프트{Coating pinion shaft of Steering apparatus}

도 1은 종래 기술에 따른 자동차 조향 장치의 차실측 부분을 도시한 사시도.

도 2는 도 1의 원 A 부분에 일부를 절개한 요부 확대도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 제조하는 제조 시스템을 나타낸 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300…피니언 샤프트 310…몸통부

320…나선형 기어부 330…나사부

340…코팅층

본 발명은 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트에 관한 것이다.

일반적인 조향 장치는 유압 작동기 및 전동기 등을 조향 보조력의 발생원으로 하는 유압식 동력 조향 장치 및 전동식 파워 조향 장치 등이 일반적이다. 종래 기술에 따른 조향 장치는 조향 차륜에 연결된 입력축과 조향 핸들에 작동적으로 연결되는 출력축을 토션 바를 통해 동축 상에 연결하고, 조향 핸들에 조향 토크가 가해진 경우, 이에 수반된 토션 바의 비틀림에 따라 입력축과 출력축 간에 상대 각 변위가 발생하도록 되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 자동차 조향 장치의 차실측 부분을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 원 A 부분에 일부를 절개한 요부 확대도이다.

도 1을 참조하면, 자동차의 조향 장치는 스티어링 휠, 이에 연결되는 조향 샤프트, 상기 조향 샤프트를 외부에서 커버하면서 지지하는 칼럼 튜브와 상기 조향 샤프트에 연결되어 비틀림 회전력을 전달하는 유니버셜 조인트 혹은 아이엠에쓰(IMS)와, 상기 유니버셜 조인트 혹은 아이엠에쓰에 의하여 제공되는 회전력을 전달하여 주는 피니언 샤프트, 상기 피니언 샤프트에 연결되어 좌, 우측 조향력을 전달 받는 랙바로 이루어져 상기 랙바와 연결된 타이 로드(tie rod)를 통해 조향 바퀴를 움직여 자동차를 조향하게 된다.

종래 기술에 따른 조향 장치는 스티어링 휠로부터 전달되는 회전력을 전달하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 기어 박스(10)의 조향 샤프트(11) 하단에 피니 언 기어(12)를 설치하고, 상기 피니언 기어(12)는 좌, 우로 움직이는 동력을 전달하는 랙바(14)에 형성된 랙 기어(13)를 맞물려 설치된다.

이와 같이 상기 랙 및 피니언 타입의 조향 장치 이외에도 종래 기술에 따른 피니언 기어를 이용한 조향 장치는 종래의 피니언 제조 기술에 따라 합금강(SCM 440/445 or SCM 415/420)을 냉간단조, 열처리(Quenching and Tempering), 외경선각, 치절 가공(Hobbing or Shaping), 고주파 열처리(혹은 침탄열처리), 치 교정, 외경 연마, 내경 가공, 토션 바(Torsion bar) 압입 후 조립하여 제조된다.

이러한 종래의 제조 공정에서 피니언 샤프트의 기어부 가공은 높은 정밀도 및 가공의 난이성으로 인해 많은 제조 비용을 발생한다. 또한, 상기 피니언 샤프트의 기어부 가공은 가공 후 잔류 응력으로 인하여 고주파 열처리 공정에서 치 형상의 변형을 필연적으로 수반하기 때문에 치 교정 공정을 거쳐야만 한다. 또한, 상기 피니언 샤프트의 기어부 가공은 상기 치 표면의 산화 피막 발생으로 인해 치 조도가 상승하여 작동 초기 편마모 발생에 따른 노이즈(Noise)가 발생하고, 조향 장치의 감도 특성에 나쁜 영향을 준다.

최근 이러한 문제를 해결하기 위해 고급차종에 적용되는 일부 사양의 경우에는 표면 조도 향상을 위하여 고주파 열처리 후 치 표면을 다시 한번 정밀 연마 가공하는 스캐빙(Scabbing) 공법을 적용하기도 하나 이 공정은 설비 비용 및 제작 비용이 너무 많이 드는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 고경도, 저 마찰 계수의 특성을 갖는 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 이용하여 초기 편마모 저하에 따른 노이즈 감소, 회전 토크 특성의 향상, 운전 중의 조향 특성 상승시킬 수 있는 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트를 제공할 것이다.

상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 조향 핸들 축과 연동되어 조향력을 랙바로 전달하는 피니언 샤프트에 있어서, 상기 피니언 샤프트의 기어부에는 코팅층이 피복되어 있고, 상기 코팅층은 Cr이 0.2~0.5 μm의 두께를 갖도록 상기 피니언 샤프트에 접하여 피복된 제1 피복층과, CrN이 1.8~2.2μm의 두께를 갖도록 피복된 제2 피복층과, Cr이 0.2~0.5μm의 두께를 갖도록 피복된 제3 피복층과, WC/C가 1.5~2μm의 두께를 갖도록 피복된 제4 피복층을 포함하고, 상기 제1 피복층, 제2 피복층, 제 3 피복층, 제4 피복층은 순서대로 피복되는 것을 특징으로 하는 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트를 제공한다.

바람직한 실시예에서 상기 피니언 샤프트의 기어부는 치 단조 공법을 통하여 나선형 기어로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 코팅층은 물리적 기상 증착 코팅 공법으로 피복되는 것을 특징으로 한다.

이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 나타낸 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 피니언 샤프트(300)는 토션 바의 스플라인부가 압입되는 몸통부(310), 저 비용의 치 단조 장치를 통해 성형된 피니언 샤프트의 기어부(320) 및 랙 및 피니언 하우징에 고정시키기 위한 나사부(330)로 구분된다.

상기 피니언 샤프트(300)는 보론이 극미량(중량 퍼센트 0.1Wt% 이하) 첨가된 탄소강을 원소재로 랙바에 치합되기 위한 치가 치 단조 공정을 통해 나선형(helical)의 기어부(320)로 형성된다. 또한, 상기 피니언 샤프트(300)는 소성 가공을 통한 모재 경도 증가를 위한 2단으로 구성된 펀치를 통해 몸통부(310)가 성형된다. 이때 상기 피니언 샤프트(300)는 잔류 응력으로 인해 치 변형을 수반되지 않는 250μ 이하에서 물리적 기상 증착(PVD) 코팅 장치를 이용하여 적어도 상기 피니언 샤프트(300)의 나선형 기어부(320)에 고경도, 내마모성 윤활 특성이 우수한 코팅층 (340)이 피복된다.

상기 피니언 샤프트(300)에 피복된 코팅층(340)은 상기 피니언 샤프트(300)에 접하는 베이스(base) 피복층과 상기 랙바에 접하는 표면 피복층을 포함하는 복수 개의 층으로 다층 코팅된다. 상기 복수 개의 층으로 다층 코팅되는 코팅층(340)은 상기 물리적 기상 증착(PVD) 코팅 장치를 이용하여 상기 피니언 샤프트에 접하는 베이스에 내마모 및 내식 특성이 우수한 금속 산화물계(CrN, TiN, TiCN 등) 소재가 코팅된다. 또한, 상기 코팅층(340)은 랙바와 접하게 될 표면에 마찰 계수가 작은 윤활 카본계(WC/C, DLC 등) 소재가 코팅됨으로써 본 발명에 따른 4~5 μm 두께로 상기 피니언 샤프트(300)의 나선형 기어부에 형성될 수 있다.

상기 피니언 샤프트(300)의 상기 코팅층(340)은 Cr이 0.2~0.5 μm의 두께를 갖도록 상기 피니언 샤프트(300)에 접하여 피복된 제1 피복층, CrN이 1.8~2.2μm의 두께를 갖도록 피복된 제2 피복층, Cr이 0.2~0.5μm의 두께를 갖도록 피복된 제3 피복층 및 WC/C가 1.5~2μm의 두께를 갖도록 피복된 제4 피복층을 포함하여 상기 제1 피복층, 제2 피복층, 제3 피복층, 제4 피복층은 순서대로 피복된다. 상기 피복층들로 형성되어 4~5 μm의 두께를 갖는 코팅층(340)은 상기 피니언 샤프트(300)와 랙바(미도시) 사이의 발생할 수 있는 공차를 줄여 피니언 샤프트(300)에 적정한 윤활 효과를 제공할 수 있다.

바람직하게는 상기 제4 피복층의 경우, 탄소 원자의 농도 구배에 따라 점진적으로 WC 층에서 다양의 탄소를 포함한 층으로 탄소 농도의 구배를 보일 수 있다.

이와 같은 상기 코팅층(340)이 피복된 피니언 샤프트(300)의 제조는 제조 공 정을 단순화하여 제조 비용을 절감시키고, 나선형의 기어부(320)의 표면 조도 및 경도를 향상시켜 초기 편마모 저하에 따른 노이즈(Noise)를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 코팅층(340)이 피복된 피니언 샤프트(300)는 회전 토크 특성을 향상시키고 마찰 계수 저하시켜 운전자로 하여금 운전 중의 조향감을 상승시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 제조하는 제조 시스템을 나타낸 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 제조하는 제조 시스템(400)은 절단 장치(401), 어닐링(annealing) 장치, 치 단조 장치(405), 외경 가공 장치(407), 물리적 기상 증착(PVD) 코팅 장치(409), 내경 가공 장치(411), 조립 장치(413) 및 세척 장치(415)를 포함한다.

상기 절단 장치(401)는 본 발명에 따른 상기 코팅층이 피복된 피니언 샤프트의 제작을 위해 먼저 상기 피니언 샤프트에 원소재인 보론이 미량 첨가된 탄소강을 절단한다.

상기 절단 장치(401)를 통해 절단된 보론이 미량 첨가된 탄소강은 어닐링(annealing) 장치(403)를 통해 인산아연과 스테아린산 소다를 반응시켜 충분히 확산할 수 있을 정도의 온도로 가열한 다음 서서히 냉각하여 형성된 인산염피막을 형성한다.

상기 어닐링 장치(403)를 통해 인산염피막(본데라이트)을 형성한 탄소강은 소성 가공을 통한 원소재의 경도 증가를 위한 2단으로 구성된 펀치를 이용하여 치 단조 장치(405) 통해 치 단조된 피니언 샤프트가 성형된다. 이때 상기 치 성형된 피니언 샤프트에는 치 단조 처리 후 스테아린산아연(보데루베) 피막이 잔존하는데, 상기 보데루베 피막은 적절한 탈지 혹은 세정 등의 처리 후 아주 미세한 알루미나 분말 등을 이용한 마이크로 블래스팅(Micro blasting) 처리를 이용하여 제거될 수 있다.

상기 치 단조 장치(405)를 통해 치 성형된 피니언 샤프트는 통상적인 외경 가공 장치(407)를 통해 피니언 샤프트의 외경이 연마되고, 상기 외경 가공 장치를 통해 가공된 피니언 샤프트는 물리적 기상 증착 코팅 장치(409)를 통해 레이어 디자인된 다중 코팅이 수행된다. 상술한 바와 같이, 상기 물리적 기상 증착 코팅 장치(409)는 피니언 샤프트에 접하는 베이스 피복층에 내마모 및 내식 특성이 우수한 금속 산화물계 코팅을 실시하고, 랙바에 접하는 표면 피복층에는 마찰 계수가 작고 윤활 카본계 특성이 양호한 물리적 기상 증착 코팅을 실시함으로써 4~5 μm의 두께의 코팅층을 형성할 수 있다.

상기 물리적 기상 증착 코팅 장치(409)를 통해 상기 코팅층을 형성한 피니언 샤프트는 통상적인 내경 가공 장치(411)를 통해 피니언 샤프트의 내경을 가공한다. 이후 상기 내경 가공 장치(411)를 통해 가공된 피니언 샤프트는 통상적인 조립 장치(413)를 통해 토션 바를 압입한 후 조립하고, 초음파를 이용한 세척 장치(415)를 통해 마무리하여 본 발명에 따른 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 제조할 수 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 제조 예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

본 발명에 의하면 고경도, 저 마찰 계수의 특성을 갖는 코팅층이 피복된 피니언 샤프트를 이용하여 초기 편마모 저하에 따른 노이즈 감소, 회전 토크 특성의 향상, 운전 중의 조향 특성 상승시킬 수 있는 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트를 제공할 수 있다.

Claims

조향 핸들 축과 연동되어 조향력을 랙바로 전달하는 피니언 샤프트에 있어서,

상기 피니언 샤프트의 기어부에는 코팅층이 피복되어 있고, 상기 코팅층은 Cr이 0.2~0.5 μm의 두께를 갖도록 상기 피니언 샤프트에 접하여 피복된 제1 피복층과, CrN이 1.8~2.2μm의 두께를 갖도록 피복된 제2 피복층과, Cr이 0.2~0.5μm의 두께를 갖도록 피복된 제3 피복층과, WC/C가 1.5~2μm의 두께를 갖도록 피복된 제4 피복층을 포함하고, 상기 제1 피복층, 제2 피복층, 제 3 피복층, 제4 피복층은 순서대로 피복되는 것을 특징으로 하는 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트.
제1항에 있어서,

상기 피니언 샤프트의 기어부는 치 단조 공법을 통하여 나선형 기어로 형성되는 것을 특징으로 하는 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트.
제1항에 있어서,

상기 코팅층은 물리적 기상 증착 코팅 공법으로 피복되는 것을 특징으로 하는 조향 장치의 코팅 피니언 샤프트.
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