KR101405732B1 - 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국부보강을 통해 스프링 상수 향상과 영구변형 감소를 도모할 수 있는 중공 주름형 복합재 스프링에 관한 것이다.
본 발명은 분할 구조의 주름형 복합재 스프링의 응력집중 부위를 국부보강하여 영구변형을 줄이고, 스프링 상수 향상 효과를 가질 수 있는 새로운 형태의 분할 구조의 주름형 복합재 스프링 구조를 구현함으로써, 선형적 스프링 특성을 유지하면서 스프링 상수를 향상시킬 수 있으며, 브레이딩과 필라멘트 와인딩 공법을 동시에 적용하는 우수한 생산성으로 연속공정화가 가능한 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링을 제공한다.

Description

자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링{Hollow type corrugated composite spring for vehicle suspension}

본 발명은 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 국부보강을 통해 스프링 상수 향상과 영구변형 감소를 도모할 수 있는 중공 주름형 복합재 스프링에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 현가장치에 사용되는 리프스프링이나 코일스프링 등과 같은 스프링은 주로 금속 재질로 제작된다.

그러나, 금속 재질의 스프링은 부식에 따른 치핑(Chipping) 저항성 저하 문제 및 차량 경량화 이슈로 인하여, 고분자 복합재로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

그 중에서 리프스프링은 형상이 판상으로 단순하기 때문에 이미 복합재로 대체되어 적용되고 있으나, 코일형 스프링은 코일 형상은 그대로 두고 단순히 소재만을 금속에서 플라스틱 복합재로 대체할 경우, 금속과 플라스틱 복합재의 절대적인 강성 차이로 인하여, 자동차 서스펜션에 적용할 수 있는 수준의 스프링 상수를 구현하는데 어려움이 있다.

물론, 상기 코일형 스프링의 경우, 코일 형상을 그대로 유지하면서 선경 및 폭 확대와 더불어 고강성 소재를 적용함으로써, 어느 정도의 스프링 상수 구현은 가능하지만, 무게 및 재료비 상승으로 인하여 현재까지 고강성 소재를 적용한 코일형 스프링의 대량 양산 적용 사례는 없는 것으로 알려져 있다.

이에, 고강성 소재를 이용한 금속 코일형 스프링을 대체하고자, 코일형, 물결형, 주름형 등 다양한 형상의 플라스틱 복합재 스프링이 활발히 연구되고 있으며, 그 중에서 주름형은 폐단면 구조로 스프링 상수 구현이 가장 유리한 형태이다.

이러한 주름형 플라스틱 복합재 스프링에 대한 기술은 미국특허 US 4,235,427에 개시되어 있으나, 자동차 서스펜션에 적용 가능한 수준의 스프링 상수 구현을 위해서는 고강성 소재로 폐단면 형상을 제조하여야 하기 때문에 성형공정이 난해하고, 또한 생산성이 낮아 대량생산이 어렵다는 문제가 있다.

더욱이, 고분자 재질의 고강성화를 위해서는 연속 섬유 강화 소재를 적용해야 하는데, 구조적으로 단면적 변화가 급격한 형상이기 때문에 이에 따른 물성 차이가 발생할 수 있는 문제가 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 브레이딩(Braiding) 공정을 기반으로 주름 형상의 프리폼을 제조시에, 오목한 부분과 볼록한 부분의 섬유부피분율과 배향각을 동일하게 하는 방법으로 제조한 분할형 스프링 구조가 본 출원인에 의해 제시된 바 있다.

하지만, 이와 같은 분할형 스프링 구조는 기존 비분할 스프링 구조에 비해 단면적 변화에 따른 물성 변화가 없어 스프링 특성이 선형성이고, 경량화에 유리한 장점은 있지만, 분할 구조로 인하여 분할된 부위에 응력 집중 현상이 발생하여 복합재 스프링의 영구 변형이 심화되고, 이로 인한 내구성 저하 문제가 발생할 수 있는 문제가 있다.

도 1은 단층 구조와 단일 재질로 형성된 주름형 복합재 스프링으로서, 미국특허 US 4,235,427에 개시되어 있다.

이와 같은 구조의 주름형 복합재 스프링은 폐단면 구조로서 블로우 몰딩을 응용하여 주름형 플라스틱 복합재 스프링을 제조하는 공법으로 제조할 수 있으나, 적용가능한 소재가 순수 열가소성 수지나, 보강재가 일정량 이하로 함유된 플라스틱 복합재로 제한적이기 때문에 자동차에 적용가능한 수준의 스프링 상수 구현이나 내구성 확보에 어려움이 있고, 단일 소재로만 제조가 가능하기 때문에 진동 및 소음에 대한 충분한 절연성능 확보가 어려워 NVH(Noise, Vibration, and Harshness) 특성 확보가 용이하지 않은 문제가 있다.

차량에 적용 가능한 수준의 스프링 상수 및 내구성 확보를 위해서는 고강도 섬유강화 복합재를 기반으로 제작하여야 하는데, 종래 기술에서는 단면적 변화에 따른 물성 차이를 수반하게 되어 균일한 변형 및 물성 구현이 어렵다는 문제가 있다.

Hand lay-up 등의 공정으로 제조할 수는 있으나, 공정 시간 과다로 인한 비용상승, 단면적 변화 형상 구현에 따른 소재 과다 손실 등으로 경제성 확보가 어려워지는 문제가 있다.

미국특허에 개시되어 있는 주름형 스프링 구조는 연속 생산이 어렵고, 스프링 특성이 비선형적인 문제가 있는데, 이를 해결하기 위한 구조 및 공법으로서, 도 2에 도시한 바와 같이, 중공 형상의 맨드렐 위에 원형-사각 브레이딩을 교차로 3차원 직조를 하고, 이와 같이 직조된 프리폼에 수지를 함침시킨 후 경화시키면, 도 2와 같이 열가소성 탄성체(100)를 기반으로 그 표면에 분할형의 고강도 유리섬유(110)를 조합한 분할 구조의 주름형 복합재 스프링 제조가 가능하게 된다.

이와 같은 분할 구조의 주름형 복합재 스프링은 비분할 주름형 복합재 스프링에서 보이는 단면적 변화 및 물성 차이에 따른 좌굴 현상이 발생하지만, 분하라 구조에서는 이러한 좌굴 현상이 해소되고, 스프링의 선형 특성이 발휘되고, 연속공정화가 가능하여 획기적인 생산성 향상을 이룰 수 있는 장점이 있다.

하지만, 분할된 부분의 응력 집중 현상이 발생하여 영구변형이 심화되고, 잉로 인한 내구성 저하 문제가 있어 이에 대한 해결이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 분할 구조의 주름형 복합재 스프링의 응력집중 부위를 국부보강하여 영구변형을 줄이고, 스프링 상수 향상 효과를 가질 수 있는 새로운 형태의 분할 구조의 주름형 복합재 스프링 구조를 구현함으로써, 선형적 스프링 특성을 유지하면서 스프링 상수를 향상시킬 수 있으며, 브레이딩과 필라멘트 와인딩 공법을 동시에 적용하는 우수한 생산성으로 연속공정화가 가능한 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 중공 주름형 복합재 스프링은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 중공 주름형 복합재 스프링은 플라스틱 복합재로 제작한 스프링으로서, 기본적으로 중공의 주름 형태로 이루어진 맨드렐과, 상기 맨드렐의 바깥면에 적층되는 4분할 또는 8분할 등 다분할 구조의 주름 형태로 이루어진 분할 복합재를 포함하는 형태로 이루어지는 한편, 특히 분할 복합재에는 주름의 볼록한 부분을 원주방향으로 연결하는 국부보강재가 구비되어, 스프링 특성을 선형적으로 유지하면서 스프링 상수를 높일 수 있는 특징이 있다.

여기서, 상기 중공 주름형 복합재 스프링의 맨드렐은 내부의 고경도 재질을 사이에 두고 외곽에 탄성 재질이 적층되어 있는 3중 구조로 이루어질 수 있으며, 이때의 국부보강재의 폭은 7.5∼25mm 로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 분할 복합재와 국부보강재는 유리섬유 평직에 에폭시 수지가 25∼35중량% 함침된 소재로 제조할 수 있다.

또한, 상기 분할 복합재와 국부보강재의 성형방법은 분할 복합재를 브레이딩 공법으로 직조하면서 국부보강재를 필라멘트 와인딩 공법으로 성형하는 방법을 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 본 발명에서 제시하는 국부보강 개념이 적용된 분할 구조의 중공 주름형 스프링은 스프링 특성을 선형적으로 유지하면서 스프링 상수를 향상시킬 수 있다.

둘째, 압축에 따른 응력 집중이 일반 분할 구조 대비 응력이 분산될 수 있어, 이는 영구변형 감소와 내구성 증가로 이어질 수 있고, 따라서 우수한 내구성을 지닌 중공 주름형 복합재 스프링을 제공할 수 있다.

셋째, 분할 구조에 최외곽 부위를 국부보강하는 구조는 분할 구조를 브레이딩으로 직조하면서 필라멘트 와인딩을 함께 구현할 수 있어, 생산이 용이할 뿐만 아니라, 연속공정화가 가능하다.

이로 인하여, 원가 경쟁력이 있는 우수한 성능의 중공 주름형 복합재 스프링을 제공할 수 있다.

도 1은 종래 비분할 주름형 복합재 스프링을 나타내는 개략도
도 2는 종래 분할 주름형 복합재 스프링을 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링의 맨드렐을 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링의 분할 복합재를 나타내는 개략도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링의 제작과정을 나타내는 개략도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링에 대한 압축시험을 나타내는 개략도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링에 대한 스프링 특성 변화를 나타내는 개략도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링에 대한 응력 분산 효과를 나타내는 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링의 맨드렐을 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링의 분할 복합재를 나타내는 개략도이다.

도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 중공 주름형 복합재 스프링은 국부보강 개념이 적용된 분할 구조의 중공 주름형 스프링으로서, 맨드렐(10)과 분할 복합재(11)의 조합으로 이루어지며, 특히 분할 복합재(11)의 최외곽에 국부보강재(12)가 구비됨으로써, 스프링 특성을 선형적으로 유지하면서 스프링 상수를 높일 수 있는 특징을 갖는다.

이를 위하여, 중공의 주름 형태로 이루어진 맨드렐(10)과 상기 맨드렐(10)의 바깥면에 적층되는 분할 구조의 주름 형태로 이루어진 분할 복합재(11)가 마련된다.

상기 맨드렐(10)은 열가소성 탄성체를 함유한 들어간 복합재로서, 주름압출성형(Corrugated extrusion) 공법이나, 다중재질쾌속조형기(Multi-materials Rrpid Prototype)를 활용하여 탄성체 맨드렐을 제작할 수 있다.

이러한 맨드렐(10)의 복원력 및 형상 유지 기능을 확보하기 위해, 외곽에는 TPE, TPO 등과 같은 탄성재질, 내부에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등과 같은 고경도 재질을 적층한 3중 샌드위치 구조, 예를 들면 내부의 고경도 재질(13)을 사이에 두고 외곽에 탄성 재질(14)이 적층되어 있는 3중 구조로 제작할 수 있다.

상기 맨드렐(10)의 두께는 1mm 정도로 전체 일정하게 제작될 수 있으며, 탄성 재질은 경도 Shore A 95 수준을 적용할 수 있고, 고경도 재질은 Shore D 60 수준을 적용할 수 있다.

그리고, 이렇게 제작한 맨드렐의 중량은 약 318g 정도가 된다.

상기 분할 복합재(11)는 원주방향으로의 분할 구조를 가지는 주름 형태로 이루어지고, 각각의 분할된 띠 부분은 맨드렐의 주름 형태를 따라 상하 길이방향으로 이어지면서 그 바깥면에 적층된다.

이렇게 주름 형태를 이루면서 상하 길이방향으로 길게 배치되는 각각의 분할된 띠 모양의 부분은 원주방향을 따라 등간격을 유지하면서 나란한 배치 구조를 이룰 수 있게 된다.

이때의 분할 복합재(11)는 4분할 구조나 8분할 구조 등과 같이 다분할 구조로 이루어질 수 있게 된다.

예를 들면, 도 4의 (a)에서는 8분할 구조로 이루어진 분할 복합재(11)의 형태를 보여주고 있다.

특히, 상기 분할 복합재(11)에는 이 분할 복합재 주름의 볼록한 부분을 원주방향으로 연결하는 국부보강재(12)가 구비된다.

즉, 주름 형태의 띠 모양을 취하면서 분할되어 있는 각 분할된 부분의 서로 같은 높이에서 이웃하는 볼록한 부분이 국부보강재(12)에 의해 연결되고, 이에 따라 각각의 분할된 띠 모양의 부분은 원주방향으로 돌아가면서 연결되는 국부보강재(12)에 의해 일체를 이루게 된다.

이러한 국부보강재(12)의 연결 형태는 분할 복합재(11)가 가지는 각 단의 볼록한 부분에 모두 적용될 수 있게 된다.

여기서, 상기 국부보강재(12)의 경우 다양한 폭을 가질 수 있게 되는데, 예를 들면 국부보강재(12)의 폭은 7.5∼25mm 정도의 범위 내에서 이루어질 수 있게 되며, 이때의 국부보강 폭은 약 15mm 정도가 가장 바람직하다

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 주름형 복합재 스프링의 제작과정을 나타내는 개략도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 여기서는 유리섬유 기반 8분할 구조의 복합재 스프링을 제작하는 예를 보여준다.

맨드렐(10) 위에 에폭시 수지가 함침된 프리프레그를 적층하고, 이후에 약 160℃의 온도와 90분 정도의 시간, 또는 약 180℃의 온도와 60분 정도의 시간에서 경화하는 방식으로 제작할 수 있다.

이때의 적용된 소재는 유리섬유 평직(Plain weave)에 에폭시 수지가 25∼35중량%, 바람직하게는 33중량% 함침된 소재를 사용할 수 있다.

비교 평가를 위해 탄소섬유 기반의 8분할 구조를 제작하였으며, 이때의 소재는 MRC 12K의 평직을 사용하였으며, 수지 함침량은 약 40중량% 이었다.

그리고, 적층은 1차 길이방향으로 띠 형태의 적층 후에 2차로 원주방향으로 오목한 부분을 약 0.23mm 정도 적층하는 형식으로 분할 복합재(11)를 맨드렐(10)측에 고정하였다.

또한, 국부보강을 위해 8분할 구조를 위에서 언급한 형태로 제작한 후, 도 5와 같이 주름의 최외각 부분을 약 0.46mm 원주방향으로 추가 적층하는 방법으로 국부보강이 이루어진 복합재 스프링을 제작하였다.

도 6에 도시한 바와 같이, 위와 같은 방법으로 제작한 중공 주름형 복합재 스프링은 100mm를 3회 반복 압축한 후에 압축 전/후의 길이를 비교하는 방식으로 영구변형을 측정하였고, 길이 측정은 3회 압축 이후에 바로 실시하였다.

이와 같이 시험한 결과 유리섬유 기반 8분할 구조의 영구변형은 0.6%이고, 탄소섬유 기반의 8분할 구조는 2%, 유리섬유 기반의 8분할 구조에 국부보강 구조를 적용한 중공 주름형 복합재 스프링은 0.0%로 나타났다.

탄소섬유 기반 구조는 높은 수지 함량으로 인하여 레진 리치(Resin rich) 부위에서 영구변형이 심화된 것이 비교적 높은 영구변형율을 보이는 요인이라 보여지고, 국부보강 구조는 일반 분할 구조에 비해 영구변형 감소의 효과가 있는 것이라 할 수 있다.

이와 같은 영구변형 감소는 내구성 증가로 이어질 수 있어, 우수한 내구성을 지닌 중공 주름형 복합재 스프링을 제공할 수 있다.

도 7의 (a)는 4분할 구조의 중공 주름형 스프링 형상이고, (b)는 주름의 최외곽 부위를 원주방향으로 국부보강한 구조의 형상을 나타내고 있다.

이와 같이 국부보강하는 효과는 도 7의 그래프에서 볼 수 있듯이, 스프링 특성은 선형성을 유지하면서 스프링 상수 향상 효과를 구현할 수 있는 장점이 있다.

이와 달리, 기존의 비분할 구조의 중공 주름형 스프링은 고강성 고분자 복합재로 성형이 매우 어렵고, 스프링 특성 또한 비선형을 나타내는 문제가 있다.

하지만, 분할 구조에 최외곽 부위를 국부보강하는 구조는 분할 구조를 브레이딩으로 직조하면서 필라멘트 와인딩을 함께 구현할 수 있어, 즉 분할 복합재(11)와 국부보강재(12)의 성형시 분할 복합재를 브레이딩 공법으로 직조하면서 국부보강재를 필라멘트 와인딩 공법으로 성형할 수 있어, 생산이 용이하고, 분할 구조 생산 대비 생산성 저하가 없다는 장점이 있다.

이를 정리하면, 본 발명에서 제공하는 국부보강 개념이 적용된 분할 구조의 중공 주름형 복합재 스프링은 스프링 특성을 선형적으로 유지하면서 스프링 상수를 향상시킬 수 있으며, 우수한 생산성으로 연속공정화가 가능하다.

이로 인하여 원가 경쟁력 있는 우수한 성능의 중공 주름형 복합재 스프링을 제공할 수 있게 된다.

본 발명에서 제공하는 국부보강 구조는 선형적인 스프링 특성을 유지하면서 스프링 상수 향상 효과 이외에 응력분산 효과를 발현할 수 있는데, 도 8에서 볼 수 있듯이, 일반 분할 구조에서는 분할된 최외곽 부위에 응력 집중이 심화되는 현상을 볼 수 있다.

이는 소재의 강성이 높아질수록 심해지는 것을 볼 수 있는데, 도 8의 (a)와 (b)를 비교하면 명확해진다.

(a)는 유리섬유 기반의 복합재 물성을 적용한 구조해석 결과이고, (b)는 인장강성이 (a)의 약 두배인 탄소섬유 기반의 복합재 물성 기반으로 해석한 것이다.

이에 비해 본 발명에서 제공하는 구조인 (c)는 도면에서 볼 수 있듯이 압축에 따른 응력 집중이 일반 분할 구조 대비 응력이 분산되는 것을 확인할 수 있다.

이는 응력 분산에 의한 영구변형 감소와 내구성 증가로 이어질 수 있어 우수한 내구성을 지닌 중공 주름형 복합재 스프링을 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 분할 구조의 주름형 복합재 스프링의 응력 집중 부위를 국부보강 함으로써, 영구변형을 줄일 수 있고, 스프링 상수 향상의 효과를 얻을 수 있는 우수한 품질의 중공 주름형 복합재 스프링을 제공한다.

10 : 맨드렐 11 : 분할 복합재
12 : 국부보강재 13 : 고경도 재질
14 : 탄성 재질

Claims (6)

1. 플라스틱 복합재로 제작한 스프링으로서,
   중공의 주름 형태로 이루어진 맨드렐(10)과, 상기 맨드렐(10)의 바깥면에 적층되는 분할 구조의 주름 형태로 이루어진 분할 복합재(11)를 포함하며,
   상기 분할 복합재(11)에는 주름의 볼록한 부분을 원주방향으로 연결하는 국부보강재(12)가 구비되어, 스프링 특성이 선형적으로 유지되면서 스프링 상수를 높일 수 있도록 되어 있고,
   상기 분할 복합재(11)와 국부보강재(12)의 성형시 분할 복합재(11)를 브레이딩 공법으로 직조하면서 국부보강재(12)를 필라멘트 와인딩 공법으로 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 맨드렐(10)은 내부의 고경도 재질을 사이에 두고 외곽에 탄성 재질(14)이 적층되어 있는 3중 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 분할 복합재(11)는 4분할 구조나 8분할 구조와 같은 다분할 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 분할 복합재(11)와 국부보강재(12)는 유리섬유 평직에 에폭시 수지가 25∼35중량% 함침된 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 국부보강재(12)의 폭은 7.5∼25mm 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치의 중공 주름형 복합재 스프링.
   
6. 삭제

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