KR101017930B1 - 경량화 알루미늄 휠의 제조방법 및 그 알루미늄 휠 - Google Patents
경량화 알루미늄 휠의 제조방법 및 그 알루미늄 휠 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 간단한 공정으로 기계적인 강도가 극대화되면서 중량이 저감되는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법 및 그 알루미늄 휠에 관한 것으로서, 탄소섬유가 평면상의 CFRP 직물지 형태로 직조되되, 휠의 특성에 따라 탄소섬유의 적층 배열을 결정하는 CFRP 적층배열 결정단계; CFRP 직물지를 재단하고 재단된 CFRP직물지를 다단으로 적층하여 일체로 형성하는 CFRP 재단 및 적층단계; 다단으로 적층된 CFRP 직물지를 고온 및 고압상태에서 경화시키는 CFRP 경화단계; 알루미늄휠과 상기 CFRP 경화단계에서 경화된 CFRP 성형체의 접착성을 향상시키도록 불순물을 제거하고 표면적을 증가시키는 표면처리단계; 알루미늄휠과 CFRP 성형체를 일체로 접합시키는 접합단계;를 거치는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 알루미늄과 CFRP의 이종 재질로 형성된 휠의 제작이 간편하게 이루어질 뿐만 아니라, 알루미늄휠의 전체적인 중량이 감소되어 차량의 연비 및 주행성능이 향상되고, 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 사고 발생시에 휠의 파손이 최소화되는 효과를 가지게 된다.
알루미늄휠, 경량화, CFRP
Description
본 발명은 자동차에 타이어를 고정하기 위해 이용되는 휠에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적인 강도가 우수하면서도 중량이 최소화되도록 한 경량화 알루미늄 휠의 제조방법 및 그 알루미늄 휠에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 바퀴는 공기나 질소가 충진되는 고무 재질의 타이어의 중앙부에 금속재의 휠을 결합하여 차축에 견고하게 결합되도록 하고 있는데, 특히 근래에는 디자인이 우수하고 중량이 낮아 차량의 연비가 향상되며, 냉각 효율이 우수한 알루미늄 휠이 각광받고 있는 실정이다.
이러한 알루미늄휠은 통상적으로 타이어가 결합되는 원통형의 림의 일측면 중앙부에 차축에 결합되는 허브를 형성하여 타이어가 차량에 견고하게 고정되도록 하고 있다.
또한, 차량의 부품 중 샤시 부품은 차량의 성능과 밀접한 관계를 갖고 있는데, 차량이 주행할 때 샤시 부품의 무게가 1kg 감소하면 자동차의 서스펜션에 걸리는 부하 하중은 통상적으로 15kg 정도 감소되는 효과가 발생함에 따라, 샤시 부품 의 중량을 줄이기 위한 다양한 연구 개발이 이루어지고 있다.
특히, 타이어가 결합되는 휠은 중량 감소를 위하여 스틸 재질에서 알루미늄 재질로 재질의 변화가 빠르게 이루어지고 있으며, 재질 변화에 따른 강도 저하를 방지하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있는 실정이지만, 알루미늄 재질 자체의 한계로 인해 구조 및 형상의 변경 만으로는 중량 저감에 한계가 발생하게 되고, 과도한 중량 저감은 기계적인 강도를 유발시킴에 따라 획기적인 중량 감소가 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 간단한 공정으로 기계적인 강도가 극대화되면서 중량이 저감되는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 하중이 가해지는 방향에 관계없이 CFRP 성형체의 지지 강도가 견고하게 형성되도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 CFRP 직물지를 다단으로 적층할 때 CFRP 직물지에 쳐짐이 발생되거나 끝단의 올이 풀리는 것이 방지되도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 CFRP 성형체의 두께가 균일하게 형성됨과 동시에 기계적인 강도가 균일하게 형성되도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 알루미늄휠과 CFRP 성형체의 접착력이 향상되도록 함에 있다.
한편, 본 발명의 목적은 간단한 구조로 제작이 간편하면서도 기계적인 강도가 극대화되고 중량이 저감되는 경량화 알루미늄 휠을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소섬유가 평면상의 CFRP 직물지 형태로 직조되되, 휠의 특성에 따라 탄소섬유의 적층 배열을 결정하는 CFRP 적층배열 결정단계; CFRP 직물지를 재단하고 재단된 CFRP직물지를 다단으로 적층하여 일체로 형성하는 CFRP 재단 및 적층단계; 다단으로 적층된 CFRP 직물지를 고온 및 고압상태에서 경화시키는 CFRP 경화단계; 알루미늄휠과 상기 CFRP 경화단계에서 경화된 CFRP 성형체의 접착성을 향상시키도록 불순물을 제거하고 표면적을 증가시키는 표면처리단계; 알루미늄휠과 CFRP 성형체를 일체로 접합시키는 접합단계;를 거치는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CFRP 적층배열 결정단계;는 탄소섬유가 각각 0°및 90°방향으로 엇갈리게 직조된 제1직물지와, 탄소섬유가 상기 제1직물지와 45°위상차를 가지면서 엇갈리게 직조된 제2직물지가 순차적으로 교번되어 적층되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CFRP 적층단계;는 원통형의 성형 금형의 외측에 다수의 CFRP 직물지를 순차적으로 감아 다단으로 적층된 일체의 원통형으로 성형되도록 하되, 상기 CFRP직물지의 일측 끝단과 타측 끝단이 서로 겹쳐지도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CFRP직물지의 겹쳐진 면이 중심을 기준으로 각각 다른 위치에 배치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 표면 처리 단계;는 상기 알루미늄휠의 표면을 부식시켜 미세 흠집을 생성하고, 상기 CFRP 성형체의 표면에 연마재를 이용하여 미세 흠집을 생성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 알루미늄으로 형성되고 원통형의 림의 일측면 중앙부에 허브가 형성되어 차량의 타이어가 차량에 결합되도록 하는 알루미늄휠에 있어서, 상기 림의 일측면에 탄소섬유가 평면 형태의 CFRP 직물지로 형성되어 다단으로 적층 결합된 원통형의 CFRP 성형체가 일체로 부착된 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명은 CFRP 적층배열 결정단계와, CFRP 재단 및 적층단계, CFRP 경화단계, 표면처리단계, 접합단계를 거치는 간단한 공정으로 기계적인 강도가 극대화되면서 중량이 저감되는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법을 제공함으로서, 알루미늄과 CFRP의 이종 재질로 형성된 휠의 제작이 간편하게 이루어질 뿐만 아니라, 알루미늄휠의 전체적인 중량이 감소되어 차량의 연비 및 주행성능이 향상되고, 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 사고 발생시에 휠의 파손이 최소화되는 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 탄소섬유가 각각 다른 방향으로 배치된 제1직물지와 제2직물지가 순차적으로 적층되도록 하여 하중이 가해지는 방향에 관계없이 CFRP 성형체의 지지 강도가 견고하게 형성되도록 함으로서, 사고가 발생될 때 충격 방향에 관계 없이 휠이 상시 우수한 강도를 가지게 되어 운전자 및 탑승자가 상해를 입는 것을 줄이는 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 CFRP 직물지의 끝단이 겹쳐진 상태로 다단으로 적층되도록 하여 CFRP 직물지를 다단으로 적층할 때 CFRP 직물지에 쳐짐이 발생되거나 끝단의 올이 풀리는 것이 방지되도록 함으로서, 제작 과정에서 발생되는 불량을 줄일 수 있는 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 CFRP 직물지의 겹쳐진 면이 각각 다른 위치에 배치되도록 하여 CFRP 성형체의 두께가 균일하게 형성됨과 동시에 기계적인 강도가 균일하게 형성되도록 함으로서, CFRP 성형체의 외관이 미려하게 형성될 뿐만 아니라, 불특정한 방향에서 가해지는 충격 및 하중에서 견고한 지지력을 갖는 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 알루미늄휠의 표면 및 CFRP 성형체의 표면에 흠집을 형성하여 알루미늄휠과 CFRP 성형체의 접착력이 향상되도록 함으로서, 알루미늄휠과 CFRP 성형체 사이가 벌어지거나 파손되는 것을 줄일 수 있는 효과를 가지게 된다.
한편, 본 발명은 간단한 구조로 제작이 간편하면서도 기계적인 강도가 극대화되고 중량이 저감되는 경량화 알루미늄 휠을 제공함으로서, 알루미늄휠의 전체적인 중량이 감소되어 차량의 연비 및 주행성능이 향상되면서도, 사고 발생시에 휠의 파손이 최소화되는 효과를 가지게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 경량화 알루미늄 휠의 제조 단계를 보인 블럭도로서, 도시된 것과 같이 본 발명은 탄소섬유(11)가 직조된 CFRP직물지의 적층 배열을 결정하는 CFRP 적층배열 결정단계(S1)와, CFRP직물지를 재단하고 다단으로 적층하여 일체의 원통형으로 형성하는 CFRP 재단 및 적층단계(S2)와, 다단으로 적층된 CFRP 직물지를 경화시키는 CFRP 경화단계(S3)와, 알루미늄휠과 CFRP 성형체의 접촉면에 흠집을 형성하고 불순물을 제거하는 표면처리단계(S4) 및 알루미늄휠과 CFRP 성형체를 일체로 접합시키는 접합단계(S5)를 거쳐 경량화된 알루미늄휠이 제조되도록 한 것이다.
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic, 탄소섬유 강화 플라스틱)는 복합재료의 일종으로서 탄소섬유를 에폭시나 폴리아미드 등의 매트릭스 성형하여 제작되는 것으로서, 철과 비교할 때 약 20%의 중량을 가지면서도 강성이 매우 우수한 특성을 가짐에 따라, 각종 건축 구조재를 비롯하여 최첨단 항공기나 군함 등 저중량 고강도를 요하는 다양한 용도로 이용되고 있다.
상기 CFRP 적층배열 결정단계(S1)는 도 2에서 보인 것과 같이 여러 가닥의 탄소섬유(11)가 서로 직교되는 방향으로 교차되면서 평면 형태의 CFRP 직물지를 형성하도록 하되, 다수의 CFRP 직물지를 다단으로 적층시킬 때 상기 탄소섬유(11)의 배치 각도를 조절하여 다수의 CFRP 직물지가 적층되어 CFRP 성형체를 형성할 때의 강도가 극대화되도록 한다.
이때, 상기 CFRP 직물지를 형성하는 탄소섬유(11)의 배치 각도는 각각 0°와 90°방향으로 직교되면서 탄소섬유(11)가 직조되는 제1직물지(10a)와, 상기 제1직물지(10a)를 형성하는 탄소섬유(11)의 직조 방향과 각각 45°의 위상차를 갖는 제2직물지(10b)로 형성되도록 하고, 상기 제1직물지(10a)와 제2직물지(10b)가 순차적으로 교번되어 적층되도록 함으로써, 하중이 가해지는 방향에 관계없이 CFRP 성형체의 지지 강도가 견고하게 형성되도록 한다.
또한, 상기 제1직물지(10a)와 제2직물지(10b)는 각각 순차적으로 하나씩 번갈아가면서 적층되도록 하는 것도 무방하나, 알루미늄 휠의 특성에 따라 제1직물지가(10a) 연속으로 2매 적층된 후 제2직물지(10b)가 다시 연속으로 2매 적층되도록 하는 등의 다른 적층 순서로 적층되도록 하는 것도 무방하다.
상기 CFRP 재단 및 적층단계(S2)는 상술한 것과 같이 탄소섬유를 평면 형상의 CFRP 직물지로 직조한 후 휠의 형상과 대응되게 재단하고, 재단된 CFRP 직물지를 상기 CFRP 적층배열 결정단계(S1)에서 결정된 것과 같은 순서로 원통형의 성형금형(1)의 외측에 적층하여 일체의 원통형으로 형성되도록 한다.
이때, 도 3에서 보인 것과 같이 통상적으로 허브가 형성되는 휠의 외측부의 직경이 반대측의 직경 보다 작게 형성되는 특성에 따라 CFRP 성형체(20)가 원통형으로 형성되어 림의 내측면에 부착되도록 하기 위하여, CFRP 직물지를 재단할 때 전체적으로 원호형의 평판 형태로 재단하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 것과 같이 원호형으로 재단된 CFRP 직물지를 적층할 때에는 휠의 림 형상과 대응되게 형성된 원통형의 성형금형(1)의 외측에 제1직물지(10a)와 제2직물지(10b)로 구성된 CFRP 직물지를 감아 전체적으로 원통형으로 형성되도록 하되, CFRP 직물지의 일측 끝단이 타측 끝단의 상면에 5mm내외의 길이로 겹쳐지게 부착되는 결합부(12)가 형성되도록 하고, 에폭시 등의 통상의 바인더를 이용하여 고정함으로써, CFRP 직물지의 끝단에서 탄소섬유의 올이 풀려나오거나, CFRP 직물지에 처짐이 발생되는 것이 방지되도록 하는 것이 바람직하다.
더불어, CFRP 직물지는 최적의 강도와 중량 저감 효과를 얻기 위하여 약 17매가 적층되어 일체로 성형되도록 하는 것이 바람직하나, 휠의 용도 및 형상에 따라 CFRP 직물지의 수를 증감하여 사용하는 것도 무방하며, 상기와 같이 CFRP 직물지의 일측 끝단과 타측 끝단이 겹쳐지는 결합부(12)는 중심을 기준으로 일정 각도 간격으로 이격되어 배치되도록 함으로써, CFRP 성형체(20)가 전체적으로 균일한 두께를 갖도록 함과 동시에, 균일한 강도를 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 CFRP 경화단계(S3)는 CFRP 성형체(20)의 기계적인 강도를 향상시키기 위하여 바인더로 사용되는 통상의 에폭시나 폴리아미드 등의 수지를 경화시키는 단계로서, 원통형의 CFRP 성형체(20)가 최고의 강도를 갖도록 하기 위하여 통상의 오토클레이브의 내부에서 고압 및 고온 조건을 가하여 경화되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 표면처리단계(S4)는 별도로 제작된 알루미늄휠과 상술한 것과 같은 단계를 거쳐 제작된 CFRP 성형체(20)의 접착성을 향상시키기 위하여 알루미늄휠 및 CFRP 성형체(20)를 세척하고 건조한 후 각각의 접착면에 미세 흠집을 형성하여 접착제와의 접촉 면적이 극대화되도록 한다.
이때, 통상적인 기계 가공에 의해 제작되는 알루미늄휠의 외측면에 부착된 기름찌꺼기 및 알루미늄 분말 등이 완전히 세척되도도록 한 후, 알루미늄휠을 신속한 부식이 발생되는 산성용액 등을 접촉시켜 알루미늄휠의 표면에 부식에 의한 다수의 미세 흠집이 발생되도록 하며, 알루미늄휠에 접착되는 CFRP 성형체(20)의 표면에는 통상의 연마천 등을 이용하여 물리적인 미세 흠집이 발생되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 접합단계(S5)는 도 4에서 보인 것과 같이 상술한 표면처리단계(S4)를 거쳐 미세 흠집이 생성된 알루미늄휠(2)과 CFRP 성형체(20)를 일체로 접착하는 단계로서, 통상의 합성수지제 접착제를 알루미늄휠과 CFRP 성형체(20)의 접착면에 각 각 도포한 후 접착시키는 것이 바람직하며, 사용되는 접착제의 특성에 따라 고온조건 또는 고압조건 등을 추가적으로 가하여 견고한 접착이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 별도로 알루미늄휠을 단조가공 또는 주조가공 등의 통상의 기계 가공 공법을 거쳐 제작한 후, 알루미늄휠의 림에 원통형의 CFRP 성형체(20)를 접착하여 일체로 고정함으로써, 알루미늄과 CFRP의 이종 재질로 형성된 휠의 제작이 간편하게 이루어질 뿐만 아니라, 알루미늄휠의 전체적인 중량이 감소되어 차량의 연비 및 주행성능이 향상되고, 차량의 연료 사용량을 줄여 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 강도가 향상되어 사고 발생시에 휠의 파손이 최소화되고 이에 따른 운전자의 보호 효과 까지도 가질 수 있게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 경량화 휠 제조단계를 보인 블럭도.
도 2는 본 발명의 CFRP 직물지의 확대도
도 3은 본 발명에 따른 CFRP 직물지의 적층단계를 보인 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 접합단계를 보인 분해사시도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 성형금형 2 : 알루미늄휠
10a : 제1직물지 10b : 제2직물지
11 : 탄소섬유 12 : 결합부
20 : CFRP 성형체
Claims (9)
- 탄소섬유가 평면상의 CFRP 직물지 형태로 직조되되, 휠의 특성에 따라 탄소섬유의 적층 배열을 결정하는 CFRP 적층배열 결정단계(S1);CFRP 직물지를 재단하고 재단된 CFRP직물지를 다단으로 적층하여 일체로 형성하는 CFRP 재단 및 적층단계(S2);다단으로 적층된 CFRP 직물지를 고온 및 고압상태에서 경화시키는 CFRP 경화단계(S3);알루미늄휠과 상기 CFRP 경화단계(S3)에서 경화된 CFRP 성형체의 접착성을 향상시키도록 불순물을 제거하고 표면적을 증가시키는 표면처리단계(S4);알루미늄휠과 CFRP 성형체를 일체로 접합시키는 접합단계(S5);를 거치는 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 CFRP 적층배열 결정단계(S1);는탄소섬유가 각각 0°및 90°방향으로 엇갈리게 직조된 제1직물지와, 탄소섬유가 상기 제1직물지와 45°위상차를 가지면서 엇갈리게 직조된 제2직물지가 순차적으로 교번되어 적층되도록 하는 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 CFRP 적층단계;는원통형의 성형 금형의 외측에 다수의 CFRP 직물지를 순차적으로 감아 다단으로 적층된 일체의 원통형으로 성형되도록 하되, 상기 CFRP직물지의 일측 끝단과 타측 끝단이 서로 겹쳐지도록 하는 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 CFRP직물지의 겹쳐진 면이 중심을 기준으로 각각 다른 위치에 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 표면 처리 단계;는상기 알루미늄휠의 표면을 부식시켜 미세 흠집을 생성하고, 상기 CFRP 성형체(20)의 표면에 연마재를 이용하여 미세 흠집을 생성하는 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠의 제조방법.
- 알루미늄으로 형성되고 원통형의 림의 일측면 중앙부에 허브가 형성되어 차량의 타이어가 차량에 결합되도록 하는 알루미늄휠에 있어서,상기 림의 일측면에 탄소섬유가 평면 형태의 CFRP 직물지로 직조되어 다단으 로 적층 결합된 원통형의 CFRP 성형체가 일체로 부착된 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠.
- 제 6항에 있어서,상기 CFRP 성형체;는상기 탄소섬유가 각각 0°및 90°방향으로 엇갈리게 직조된 제1직물지와, 탄소섬유가 상기 제1직물지와 45°위상차를 가지면서 엇갈리게 직조된 제2직물지가 순차적으로 교번되어 적층된 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠.
- 제 6항에 있어서,상기 CFRP 성형체;는상기 CFRP 직물지의 일측 끝단이 타측 끝단의 상부측에 겹쳐지게 결합되는 결합부가 형성된 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠.
- 제 7항에 있어서,상기 결합부는 상기 CFRP 직물지의 적층 순서에 따라 일정 각도 간격으로 이격되어 각각 다른 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 경량화 알루미늄 휠.
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