KR101588846B1 - 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품에 관한 것으로서 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계와; 상기 주축(1)과 일체로 되도록 탄소 섬유 강화 플라스틱을 이용해 고온 고압으로 튜브(2)를 성형하는 단계를 포함하는 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법을 통해서 금속재로 된 주축(1)에 탄소 섬유 강화 복합재로 된 튜브(2)가 일체로 된 자동차용 프로펠러 샤프트를 구성함으로써 중량을 크게 줄일 수 있게 되어 연비 향상에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 내환경성, 진동감쇄능력이 우수하기 때문에 소음, 진동, 충격 발생이 현저히 감소함으로써 고품질의 자동차 생산이 가능케 되는 효과가 있다.

Description

자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품{A propeller shaft for automobiles, and a manufacturing method of the product}

본 발명은 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품에 관한 것으로 더욱 상세하게는 튜브를 탄소 섬유 강화 복합재로 구성하여 금속재로 된 주축과 일체로 형성함으로써 중량을 감소시켜 연비 향상에 기여하고, 작동 중 소음, 진동, 충격 발생이 현저히 줄어들게 한 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품에 관한 것이다.

자동차용 프로펠러 샤프트(Propeller shaft)는 4륜 구동 방식 또는 프런트 엔진 리어 드라이브(FR: Front Engine Rear Drive)방식의 차량에 적용되는 부품으로서, 변속기와 구동축 사이에 설치되어 변속기의 출력을 구동륜의 구동축으로 전달하는 역할을 한다.

프로펠러 샤프트의 앞은 변속기의 출력축에 연결되고, 뒤는 차체와 스프링을 사이에 두고 프레임에 설치되는 뒷차축에 설치되기 때문에 프로펠러 샤프트는 차량의 주행 중 발생하는 노면으로부터의 충격이나 진동 등으로 인해 상·하 운동을 한다. 따라서 프로펠러 샤프트는 일정 길이와 각도로 설치할 수 없기 때문에 각도 변화에 대해서는 자재이음(Universal joint), 길이 변화에 대해서는 슬립이음(Slip joint)으로 대응한다.

한편, 프로펠러 샤프트는 강력한 비틀림을 받으면서 고속으로 회전하기 때문에 이를 견딜 수 있도록 속이 빈 강관을 이용하여 전체적으로 그 질량이 평행되게 제조된다.

상기와 같은 자동차용 프로펠러 샤프트는 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있으며 대표적인 예를 첨부도면 도 4를 통하여 그 구성을 살펴보면 다음과 같다.

종래 기술이 적용되는 자동차용 프로펠러 샤프트(1)는, 금속관체 형상의 프론트튜브(2)와 리어튜브(3)로 양분되고, 중앙부가 유니버설조인트(4)로 연결되도록 튜브(5)가 구비된다.

상기 리어튜브(3)의 끝단에는 러버커플링(Rubber Coupling, 6)이 결합 되고, 프론트튜브(2)의 선단에는 시브이조인트(Constant Velocity Joint, 7)를 결합하여 회전력을 손실 없이 전달하면서 진동이나 설치 경사각에 관계없이 전달할 수 있도록 구성된다.

상기 튜브(5)와 시브이조인트(7)의 결합은, 튜브(5)의 선측에 직경이 축소되게 형성하는 결합축(8)에 스플라인(9)을 형성하고, 시브이조인트(7)에 형성되는 스플라인(10)과 강제(압입)로 결합하여 쉽게 분리되는 현상을 방지할 수 있도록 하고 있다.

이상과 같이 구성되는 종래의 일반적인 자동차용 프로펠러 샤프트는 스틸 조관 파이프 형태로서, 주로 스틸재를 주로 사용하며 차종에 따라 차이가 있을 수 있으나 대략 2미터 내외의 길이로 형성되는 것이 일반적이다.

등록특허공보 제10-0452435호 공개특허공보 특2003-0087307호

상술한 바와 같은 종래 기술이 적용되는 자동차용 프로펠러 샤프트는, 튜브와 시브이조인트 및 유니버설조인트 등 주요부가 모두 금속재로 구성되기 때문에 전체 무게가 상당하여 차량의 경량화와 더불어 연비 향상을 위해 많은 연구 개발이 이루어지고 있는 최근의 자동차 산업의 발전 방향에 반하는 문제점이 있었다.

또한, 최근에는 자동차 소유가 늘어나면서 소비자들이 자동차의 안락감과 편안함을 점점 더 추구하는 경향이 커짐에 따라서 차종에 관계없이 우수한 승차감을 자동차 구매에 있어서 중요한 평가 기준으로 삼고 있어 자동차 제조 회사에서도 우수한 승차감의 확보를 위하여 자동차의 소음, 진동, 충격(Noise, vibration, and harshness : 'NVH'로 줄여서 불림.)을 줄이기 위해서 많은 노력을 기울이고 있는 실정이며, 이러한 NVH를 감소시키는 기술이 자동차 제조회사의 종합적인 기술 수준을 평가하는 중요한 요인으로 분류되고 있다.

위와 같은 자동차 산업의 발전 방향에도 불구하고, 종래의 프로펠러 샤프트는 무거운 중량으로 인하여 끊임없이 변동하는 엔진으로부터 고속 회전하면서 동력을 전달하는 과정에서 많은 충격과 진동이 발생하게 되고, 그로 인한 소음도 증가하게 되는데, 프로펠러 샤프트는 차체의 승객석 하부에 장착되어 구동되기 때문에 프로펠러 샤프트의 작동에 따른 충격과 진동 및 소음은 승객석의 승객에게 쉽게 전달됨으로써 자동차의 품질을 저하시키는 요인이 되고 있다.

또한, 프로펠러 샤프트를 구성하는 금속 재질로 이루어진 튜브의 경우 자동차의 충, 추돌이 발생할 경우 변형되거나 파손되면서 그 튜브가 차체나 엔진을 손상시키는 2차적 파손의 우려가 크고, 심할 경우에는 튜브가 차체를 통하여 승객석 내부로 침투하여 심각한 인명 피해가 발생하기도 하는 등의 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 근자에 들어서는 프로펠러 샤프트를 구성하는 튜브를 알루미늄 관체로 구성하고 시브이조인트, 유니버설조인트 및 러버커플링으로 연결하는 방식을 취하고 있으나, 이 역시 하기와 같은 문제점으로부터 자유롭지 못하게 된다.

즉, 튜브와 연결부위가 비틀림 강성에 가장 큰 영향을 받기 때문에 장기간 사용 시 균열이 발생 되어 회전력을 정상적으로 전달할 수 없게 되고, 특히 축 방향으로 결합 후, 용접을 함에 따라 고속회전시 비틀림 및 진동에 효과적으로 대응하지 못하여 축이 쉽게 구부러지는 변형의 우려가 있고, 기하학적 중심과 질량적 중심의 불일치로 인한 휠 링과 같은 굽힘 진동을 유발하게 되는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로 일정 길이만큼 다각형의 단면을 가진 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계와;

열경화성 수지를 함침한 탄소 섬유 다발을 파이프 형상으로 와인딩 성형한 후, 그 일단부에는 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 삽입하고, 타단부에는 다각형 맨드릴을 삽입한 후 고온 고압으로 프레스 성형하여 일단부가 주축(1)의 인서트부(103)와 일체로 되고, 타단부에는 다각형의 결합부(201)를 구비한 튜브(2)를 성형하는 단계를 포함하여 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법을 구성하고,

상기 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법을 통해서 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로 일정 길이만큼 다각형의 단면을 가진 인서트부(103)를 형성하여 차량 변속기의 출력축 방향으로 연결되는 금속재로 된 주축(1)과;

상기 주축(1)의 인서트부(103)를 전방 단부에 인서트 방식으로 일체로 형성하고, 후방 단부에는 다각형으로 된 결합부(201)를 형성한 탄소 섬유 강화 복합재로 된 튜브(2)를 포함하는 자동차용 프로펠러 샤프트를 구성함으로써 프로펠러 샤프트의 중량을 줄여 연비향상에 기여할 수 있고, 탄소 섬유 강화 복합재 소재가 가지는 높은 비강도, 비탄성률, 뛰어난 정적강도 우수한 기계적 성질에 의해 진동과 충격을 완화함으로써 자동차의 승차감 향상에 기여할 수 있게 한 목적을 달성할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품는 튜브를 탄소 섬유 강화 복합재로 구성하여 주축과 일체로 형성함으로써 중량을 크게 줄일 수 있게 되어 연비 향상에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 내환경성, 진동감쇄능력이 우수하기 때문에 소음, 진동, 충격 발생이 현저히 감소함으로써 고품질의 자동차 생산이 가능케 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품의 실시 예에 따른 프로펠러 샤프트의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품의 실시 예에 따른 주축의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품의 실시 예에 따른 프로펠러 샤프트의 단면도이다.
도 4는 종래 기술이 적용된 자동차용 프로펠러 샤프트를 도시한 구성도이다.

이하, 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품는 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계와; 상기 주축(1)과 일체로 되도록 탄소 섬유 강화 플라스틱을 이용해 튜브(2)를 성형하는 단계를 포함한다.

상기 금속재로 된 주축(1)은 탄소강, 니켈강, 니켈크롬강 등과 같은 특수강 또는 알루미늄 합금 소재로 제조하여 기계적 강도를 강화하면서 내식성, 내마멸성과 같은 기계적 성질을 향상시킨다.

상기 주축(1)을 성형할 때는 주축(1)의 일단부에는 차량 변속기의 주축(1)과 연결하거나, 축 이음을 위한 조인트와의 결합을 위하여 스플라인(101)을 형성하여 비틀림 강도를 확보하고, 타단부에는 튜브(2)와의 견고한 일체화를 위하여 환상의 걸림턱(102)을 형성하며, 상기 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로는 일정 길이만큼 다각형의 단면을 가진 인서트부(103)를 형성하는데, 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 된 튜브(2)와의 견고한 일체화를 위해서는 정사각 단면을 가진 인서트부(103)를 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 성형된 주축(1)은 탄소 섬유 강화 플라스틱을 이용해 튜브(2)를 성형하는 단계에서 주축(1)과 튜브(2)가 일체화된다.

즉, 열경화성 수지를 함침한 탄소 섬유 다발을 와인딩하여 파이프 형상으로 성형한 후, 탄소 섬유 성형 파이프의 일단부에 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 삽입하고, 타단부에는 다각형 맨드릴을 삽입한 후 고온 고압으로 프레스 성형함으로써 일단부가 주축(1)의 인서트부(103)와 일체로 되고, 타단부에는 다각형의 결합부(201)를 형성한 튜브(2)가 성형된다.

상기 탄소 섬유 다발을 와인딩하여 형성하는 튜브(2)의 길이나 지름은 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품에 의해 제조된 프로펠러 샤프트가 설치되는 차종에 따라서 달라질 수 있음을 미리 밝혀둔다.

또한, 상기 열경화성 수지는 불포화폴리에스테르, 에폭시, 페놀 등이 사용될 수 있으나 불포화폴리에스테르 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 무기충진제로는 실리카 또는 탄산칼슘을 사용할 수 있다.

상기와 같이 주축(1)와 일체로 성형된 튜브(2)의 타단부에 형성된 결합부(201)에는 사이 결합부(201)와 대응하는 결합수단을 가진 결합수단(301)를 가진 커플러(3)를 결합한다.

상기와 같이 결합부(201)를 형성한 튜브(2)와 결합수단(301)를 형성한 커플러(3)를 결합할 때에는 냉간 또는 열간 강제압입, 볼트, 리벳타입과 같은 기계적인 결합 또는 접착제를 이용한 결합 등 다양하게 실시할 수 있을 것이나, 응력집중 부위에 대한 내구성 및 피로특성을 향상시킬 수 있는 장점을 가지는 것으로 널리 알려진 열간 강제 압입 방식을 적용하는 것이 바람직할 것이다.

상기 커플러(3)는 본 발명의 기술 분야에서 프로펠러 샤프트가 설치되는 차종에 따라 다양한 구조와 형상으로 제작되므로 커플러(3)의 구조 및 형상 등에 관해서는 한정하지 않음을 미리 밝혀둔다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품에 따라 제조된 프로펠러 샤프트의 사용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1 내지 도 3과 같이 본 발명의 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법 및 그 제품에 의해 제조된 프로펠러 샤프트는 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로 일정 길이만큼 다각형의 단면을 가진 인서트부(103)를 형성하여 차량 변속기의 출력축 방향으로 연결되는 금속재로 된 주축(1)과; 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 전방 단부에 인서트 방식으로 일체로 형성하고, 후방 단부에는 다각형으로 된 결합부(201)를 형성한 탄소 섬유 강화 복합재로 된 튜브(2)를 구비한다.

상기 주축(1)은 탄소강, 니켈강, 니켈크롬강 등과 같은 특수강 또는 알루미늄 합금 소재로 제조하여 기계적 강도를 강화하면서 내식성, 내마멸성과 같은 기계적 성질을 가질 뿐만 아니라, 일단부에는 스플라인(101)을 형성하여 차량 변속기의 주축(1)과 직접 연결하거나, 축 이음을 위한 조인트와의 결합시에 충분한 비틀림 강도를 확보하여 변속기의 출력축을 통해 출력되는 끊임없이 변동하는 엔진의 고속 회전력을 자동차의 구동축에 전달할 수 있게 된다.

또한, 상기 주축(1)의 인서트부(103)는 필라멘트 와인딩 방식에 의해 성형된 튜브(2)의 일단부에 투입된 후 고온 고압의 프레스 성형에 의해 인서트 방식으로 일체로 형성됨으로써 주축(1)의 내측 단부에 형성된 걸림턱(102)에 의해 주축(1)이 튜브(2)에서 이탈하는 것을 방지하여 주축(1)과 튜브(2)의 결합이 견고하게 유지된다.

아울러, 상기 주축(1)의 인서트부(103)는 상기 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로 일정 길이만큼 다각형의 단면으로 형성되어 그 인서트부(103)가 튜브(2)의 일단부에 일체로 됨으로써 변속기의 출력축에서 출력되는 고속 회전력을 자동차의 구동축으로 전달할 때 발생하는 비틀림 모멘트에 의한 주축(1)과 튜브(2)의 인서트부(103) 분리를 방지하고, 변속기의 출력축을 통해 출력되는 엔진의 고속 회전력을 자동차의 구동축에 안정적으로 전달할 수 있게 된다.

한편, 상기 주축(1)과 일체로 되는 튜브(2)의 소재가 되는 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics)은 탄소 섬유로 만든 기재(基材)에 에폭시 수지나 불소 수지 등을 함침한 것을 적층하고, 가압하여 가열 고화하여 만드는데, 기계적 강도에 있어서는 쇠보다 강하고, 중량에 있어서는 경금속에 속하는 알루미늄보다 가벼우며, 높은 인장 강도와 낮은 열팽창률을 가진 특성 때문에 항공우주산업을 비롯하여 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야 등 첨단 기술 산업 분야에서 그 사용이 증가하고 있는 소재이다.

따라서 프로펠러 샤프트의 튜브(2)를 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱 소재를 이용하여 상기 주축(1)과 일체로 되도록 성형함으로써 프로펠러 샤프트의 경량화가 가능케 되어 자동차의 경량화에 기여함으로써 자동차 연비 향상에 도움이 되며, 탄소 섬유 강화 플라스틱 소재가 가지는 높은 비강도, 비탄성률, 뛰어난 정적강도와 피로특성 및 우수한 내마찰과 내마모 특성에 의하여 작동 과정에서 발생하는 소음, 진동, 충격이 현저히 줄어들기 때문에 자동차의 정숙성, 승차감 향상에 큰 도움이 된다.

한편, 상기 주축(1)을 전방 단부에 일체로 형성한 튜브(2)의 후방 단부에는 다각형으로 된 결합부(201)를 형성하여, 상기 결합부(201)와 대응하는 결합수단(301)를 가진 커플러(3)를 상기 결합부(201)에 끼워서 냉간 또는 열간 강제압입, 볼트, 리벳타입과 같은 기계적인 결합 또는 접착제를 이용한 결합 등으로 결합함으로써 자동차 변속기의 출력축과 연결되는 주축(1)의 스플라인(101)을 통해 입력된 동력을 커플러(3)를 통해 자동차의 구동륜과 연결되는 구동축에 손실 없이 전달할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시나 응용이 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시나 응용 예는 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

A: 프로펠러 샤프트 1: 주축
101: 스플라인 102: 걸림턱
103: 인서트부 2: 튜브
201: 결합부 3: 커플러

Claims (2)

1. 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로 일정 길이만큼 다각형의 단면을 가진 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계와;
   열경화성 수지를 함침한 탄소 섬유 다발을 파이프 형상으로 와인딩 성형한 후, 그 일단부에는 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 삽입하고, 타단부에는 다각형 맨드릴을 삽입한 후 고온 고압으로 프레스 성형하여 일단부가 주축(1)의 인서트부(103)와 일체로 되고, 타단부에는 다각형의 결합부(201)를 구비한 튜브(2)를 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러 샤프트의 제조방법.
   
2. 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 걸림턱(102)의 내측에서 스플라인(101) 방향으로 일정 길이만큼 다각형의 단면을 가진 인서트부(103)를 형성하여 차량 변속기의 출력축 방향으로 연결되는 금속재로 된 주축(1)과;
   상기 주축(1)의 인서트부(103)를 전방 단부에 인서트 방식으로 일체로 형성하고, 후방 단부에는 다각형으로 된 결합부(201)를 형성한 탄소 섬유 강화 복합재로 된 튜브(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러 샤프트.

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