KR101645630B1 - 자동차용 cfrp 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 변속기를 통해 출력되는 동력을 구동축으로 전달하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계(S1)와; 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 프런트튜브(2)를 성형하는 단계(S2)와; 주축(1)과 프런트튜브(2)를 일체로 형성하는 단계(S3)와; 프런트튜브(2)의 말단부에 제1다각결합부(202)를 성형하는 단계(S4); 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 리어튜브(3)를 성형하는 단계(S5)와; 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 리어튜브(3)의 말단부에 커플러결합부(301)를 일체로 성형하는 단계(S6)와; 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 일체로 결합하는 단계(S7)를 포함하여 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법을 구성하고, 그러한 제조방법을 통해 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트를 제조함으로써 프로펠러 샤프트를 경량화하여 자동차의 연비를 향상시킴과 동시에 동력 전달 과정에서의 소음, 진동, 충격을 저감시켜 자동차의 정숙성 및 승차감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법{CFRP propeller shaft, and a manufacturing method for an automobile}

본 발명은 자동차의 변속기를 통해 출력되는 동력을 구동축으로 전달하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전체를 탄소 섬유 강화 복합재로 형성한 후, 양분하여 조립식으로 구성함으로써 경량화와 더불어 고속의 높은 회전력 전달 성능을 향상시킬 수 있게 한 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법에 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, 엔진에서 변속기를 거친 동력을 구동축을 통해 타이어로 전달하는 역할을 한다.

즉, 프로펠러 샤프트의 일단부는 변속기의 출력축과 연결되고, 타단부는 구동축이 연결되는 종감속기어와 연결되는데, 엔진과 변속기는 프레임에 설치되고 차축은 섀시 스프링에 설치되어 주행 시 노면의 충격이나 적재하중에 따라 상하로 움직이기 때문에, 엔진의 동력을 종감속기어로 원활하게 전달하기 위해서는 주행 중 충격과 적재량에 따른 차고 변화에 의해서 전후 상하로 유동성을 가지면서 길이와 각도 변화에 대응할 수 있어야 한다.

따라서 프로펠러 샤프트의 일단부는 자재이음(Universal joint)을 통해서 각도 변화에 대응하고, 타단부는 슬립이음(Slip joint)을 통해서 길이 변화에 대응하게 된다.

한편, 프로펠러 샤프트는 엔진의 토크를 받으면서 고속으로 회전하기 때문에 비틀림 진동을 일으키기 쉽고, 회전 중심점이 맞지 않을 경우 소음과 진동이 발생하면서 결국은 파괴현상이 일어나므로 상용회전속도에서는 공명이 일어나지 않게 함과 동시에 강력한 비틀림을 받으면서 고속으로 회전하는 것을 견딜 수 있도록 속이 빈 크롬 니켈, 크롬 몰리브덴 강을 사용하여 전체적으로 그 질량이 평행하게 제조하였다.

또한, 차체의 길이에 따라서 프로펠러 샤프트의 길이가 길어지는 경우에는 프로펠러 샤프트를 두 개로 분할 형성하여 유니버설조인트를 이용해 연결하기도 하는데, 이러한 자동차용 프로펠러 샤프트의 대표적인 예를 첨부도면 도 6을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

종래 기술이 적용되는 자동차용 프로펠러 샤프트(1)는, 금속 관체 형상의 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)로 양분되어, 중앙부가 유니버설조인트(4)로 연결되는 튜브(5)로 구성된다.

그리하여 튜브(5)의 선단부의 직경이 축소되게 형성하는 결합축(8)에는 스플라인(9)을 형성하여, 시브이조인트(7)에 형성되는 스플라인(10)과 압입하여 결합하고, 튜브(5)의 말단부에는 러버커플링(6)을 이용하여 종감속기어와 결합함으로써 자동차의 엔진에서 변속기를 통해 출력되는 동력을 회전력 손실 없이 구동축을 통해 타이어로 전달하게 된다.

이러한 종래의 일반적인 자동차용 프로펠러 샤프트는 주로 스틸(강, steel)을 사용하여 제조하며 차종에 따라 차이가 있을 수 있으나 대략 2미터 내외의 길이로 형성되는 것이 일반적이다.

그런데 이상과 같은 종래의 프로펠러 샤프트는 스틸 조관 파이프를 사용하여 제조하기 때문에 그 무게가 무겁고, 스틸 조관 파이프를 이용하여 1미터 이상의 길이로 형성하는 경우에는 자중에 의한 처짐 현상이 발생하여 진동 및 소음 파손의 우려가 증가하기 때문에 첨부도면 도 6과 같이 양분하여 제조함으로써 양분된 튜브의 결합에 필요한 부품의 수가 증가하고, 그에 따라서 무게가 증가할 뿐만 아니라 가격도 비싸지는 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 문제점을 해소하기 위한 프로펠러 샤프트에 관한 기술은 기존에도 다양하게 제안된 바 있는데, 대표적인 종래 기술을 살펴보면 다음과 같다.

대한민국 등록특허공보 제10-0452435호에는 용탕 상태의 알루미늄 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여 스프레이 포밍재를 만드는 단계; 상기 스프레이 포밍재를 압출, 인발하여 프로펠러 샤프트의 튜브를 제작하는 단계; 일반적인 알루미늄 단조공법의 조건으로, 마찰압접용 알루미늄 단조 요크를 제작하는 단계; 상기 튜브와 요크를 마찰 압접하여, 일체형 프로펠러 샤프트로 제작하는 단계를 포함하여 기술적 특징을 구성함으로써 고강도 스프레이포밍재 튜브와 알루미늄 단조 요크를 사용하여 마찰압접을 통해 일체형 프로펠러 샤프트를 제작하여 경량화 및 고강도화를 이룰 수 있고, 기존 양산품에 비해 부품 수 절감의 효과를 가진 자동차용 일체형 프로펠러 샤프트 제조 방법이 게시되어 있다.

또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0551850호에는 Si 18중량%, Cu 4.5중량%, Mg 0.6중량%, Al 나머지 중량%로 이루어진 합금을 고압의 불활성가스를 이용하여 급속 냉각시키며 분무하여 분무된 액적들이 응고된 스프레이 포밍재를 만드는 단계와, 상기 스프레이 포밍재를 압출/인발하여 프로펠러 샤프트의 튜브를 제작하는 단계와, 용탕 단조법을 이용하여 스웨이즈드 용탕 단조 알루미늄 요크를 제작하는 단계와, 상기 튜브와 요크를 마찰압접하여 일체형의 알루미늄 프로펠러 샤프트로 제작하는 단계로 이루어지는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러 샤프트의 제조 방법에 있어서, 상기 튜브는 두께 2mm, 직경 120mm로 제작된 것을 기술적 특징으로 구성함으로써 레이아웃이 복잡한 차량의 장착자리면에도 용이하게 장착이 가능하고, 요크의 직경이 줄어듦에 따라 무게가 줄어들어 경량화에 유리하며, 진동 소음 성능을 개선할 수 있는 장점을 제공할 뿐만 아니라, 기존의 스틸 또는 알루미늄 프로펠러 샤프트에 비하여 우수한 내구성을 제공하는 스웨이즈드 용탕 단조 요크를 이용한 일체형 알루미늄 프로펠러 샤프트의 제조 방법이 게시되어 있다.

등록특허공보 제10-0452435호(2004. 10. 01.) 등록특허공보 제10-0551850호(2006. 02. 06.)

상기와 같이 알루미늄을 사용하여 프로펠러 샤프트를 제조하는 종래 기술은 경량화에 따른 장점을 가진 반면에 장시간 사용시에 주요 연결 부위가 비틀림 강성을 견디지 못하고 균열이 발생 되어 회전력을 정상적으로 전달하지 못할 뿐만 아니라, 고속 회전시 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.

특히, 알루미늄을 사용하여 프로펠러 샤프트를 제조하는 경우에 동일한 강도 대비 스틸에 비하여 경량화와 더불어 부식에 강해 쉽게 녹슬지 않는 장점을 가진데 반해, 피로한계점이라는 치명적 단점을 가지고 있기 때문에 장시간 사용으로 인하여 피로가 누적되면 휘어짐보다 부러짐이 발생할 가능성이 크며, 탄성이 적기 때문에 프로펠러 샤프트가 고속 회전하는 과정에서 발생하는 진동과 충격이 차체에 그대로 전달됨으로써 우수한 승차감 확보가 어려운 단점이 있다.

따라서 경량화와 더불어 고속 회전과 높은 토크를 전달하는 과정에서 발생하는 진동과 충격을 저감시킴으로써 우수한 내구성과 승차감을 동시에 달성할 수 있는 강도와 탄성이 뛰어난 자동차용 프로펠러 샤프트 제조 방법의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 스플라인(101) 내측에서 걸림턱(102) 방향으로 다각형 단면을 가진 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계(S1)와;

탄소섬유강화복합재료를 이용하여 자동차용 프로펠러 샤프트의 선단부 외형을 가지는 프런트튜브(2)를 성형하는 단계(S2)와;

상기 프런트튜브(2)의 선단부에 형성된 원형 단면을 가지는 조인트연결부(201) 내부에 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 삽입한 후, 고온 고압으로 프레스 성형하여 주축(1)과 프런트튜브(2)를 일체로 형성하는 단계(S3)와;

상기 프런트튜브(2)의 말단부에 다각형의 단면 형상을 가지는 제1다각결합부(202)를 성형하는 단계(S4)와;

탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 제1다각결합부(202)와 결합이 이루어지도록 다각형의 단면 형상을 가지는 제2다각결합부(302)를 구비한 리어튜브(3)를 성형하는 단계(S5)와;

탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 리어튜브(3)의 말단부에 커플러결합부(301)를 일체로 성형하는 단계(S6)와;

상기 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202)를 상기 리어튜브(3)의 제2다각결합부(302)에 압입하여 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 일체로 결합하는 단계(S7)를 포함하여 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법을 구성하고,

상기 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법을 통해 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 스플라인(101) 내측에서 걸림턱(102) 방향으로 다각형 단면을 가진 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)과;

탄소섬유강화복합재료로 성형하되, 선단부에는 상기 주축(1)이 내부에 삽입되어 고온 고압의 프레스 성형에 의해 일체로 되는 조인트연결부(201)를 형성하고, 말단부에는 다각형의 종단면 형상을 가지는 제1다각결합부(202)를 형성한 프런트튜브(2)와;

탄소섬유강화복합재료로 성형하되, 선단부에는 상기 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202)가 끼워져 결합되는 제2다각결합부(302)를 형성하고, 말단부에는 사형으로 배치된 다수의 통공(301a)을 구비한 커플러결합부(301)를 형성한 리어튜브(3)를 포함하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트를 구성함으로써 자동차용 프로펠러 샤프트를 경량화하여 자동차의 연비를 향상시킴과 동시에 동력 전달 과정에서의 소음, 진동, 충격을 저감시켜 자동차의 정숙성 및 승차감을 향상시킬 수 있게 한 목적을 달성할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 및 그 제조 방법은 변속기 출력축과의 결합을 위하여 스플라인을 형성한 금속 주축을 탄소섬유강화복합재료를 사용한 튜브와 일체로 성형함으로써 변속기에서 출력되는 고속 회전과 높은 토크의 출력을 구동축에 효과적으로 전달할 수 있는 이점이 있다.

또한, 변속기 출력축과의 연결에 필요한 주축의 성형을 위한 금속 사용은 최소화하고, 변속기의 출력축에서 구동축으로 동력을 전달하는 튜브는 금속과 비교할 때 경량이면서 고강도, 고탄성을 지닌 탄소섬유강화복합재료를 사용함으로써 프로펠러 샤프트의 경량화를 통해 자동차의 연비 절감이 가능케 되며, 동력을 전달하는 과정에서 소음, 진동, 충격이 현저히 줄어들기 때문에 자동차의 정숙성 및 승차감을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

아울러, 차종에 따라서 튜브의 길이가 긴 경우에는 튜브를 2개로 분할 형성한 후, 별도의 결합부재 없이 분할 형성된 튜브를 압입 방식으로 신속하고 간편하게 견고하게 일체화할 수 있도록 함으로써 다양한 길이의 프로펠러 샤프트 제조가 용이하여 다양한 차종에 활용 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조 방법의 실시 예에 따른 절차도.
도 2는 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트의 실시 예에 따른 사시도.
도 3은 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트의 실시 예에 따른 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트의 실시 예에 따른 주축의 사시도.
도 5는 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트의 실시 예에 따른 단면도.
도 6은 종래 기술이 적용된 자동차용 프로펠러 샤프트의 반 단면도.

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

본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법은 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계(S1)와; 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 자동차용 프로펠러 샤프트의 선단부 외형을 가지는 프런트튜브(2)를 성형하는 단계(S2)와; 상기 주축(1)과 프런트튜브(2)를 일체로 형성하는 단계(S3)와; 상기 프런트튜브(2)의 말단부에 제1다각결합부(202)를 성형하는 단계(S4)와; 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 제2다각결합부(302)를 구비한 리어튜브(3)를 성형하는 단계(S5)와; 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 리어튜브(3)의 말단부에 커플러결합부(301)를 일체로 성형하는 단계(S6)와; 상기 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 일체로 결합하는 단계(S7)를 포함하여 구성한다.

상기 주축(1)을 성형하는 단계(S1)에서 주축(1)은 금속으로 성형하되, 내식성과, 내마멸성 및 기계적 강도가 우수한 탄소강, 니켈강, 니켈크롬강 또는 알루미늄 합금을 사용하여 성형하는 것이 바람직하다.

상기 주축(1)을 성형할 때는 주축(1)의 선단부에는 차량 변속기의 출력축과 연결하거나, 축 이음을 위한 시브이조인트와의 결합을 위하여 스플라인(101)을 형성하여 비틀림 강도를 확보하고, 말단부에는 프런트튜브(2)와의 견고한 일체화를 위하여 환상의 걸림턱(102)을 형성한다.

또한, 상기 스플라인(101)과 걸림턱(102) 사이에는 탄소섬유강화복합재료로 된 프런트튜브(2)의 선단부에 형성된 조인트연결부(201)와 견고한 일체화를 위하여 사각 단면을 가진 인서트부(103)를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 프런트튜브(2)를 형성하는 단계(S2)에서 프런트튜브(2)는 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 자동차용 프로펠러 샤프트의 선단부 외형을 가지게 형성한다.

즉, 상기 프런트튜브(2)를 성형하는 단계(S2)는 자동차용 프로펠러 샤프트의 선단부 외형을 가지는 맨드릴에 탄소섬유강화복합재료를 소정 두께로 감아서 경화시킨 후, 맨드릴을 제거하여 성형한다.

이때, 프런트튜브(2) 선단부에는 시브이조인트와 결합이 이루어지는 관체로 된 조인트연결부(201)를 형성하는데, 조인트연결부(201)의 길이나 외경은 프로펠러 샤프트가 사용되는 차종에 따라서 달라질 수 있으므로 한정하지 아니한다.

상기 주축(1)과 프런트튜브(2)를 일체로 형성하는 단계(S3)는 상기 프런트튜브(2)의 선단부에 형성된 원형 단면을 가지는 조인트연결부(201) 내부에 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 삽입한 후, 고온 고압으로 프레스 성형함으로써 내주면 단면 형상이 원형이던 조인트연결부(201)가 상기 주축(1)의 걸림턱(102)과 사각 단면을 가진 인서트부(103)의 외표면에 밀착되게 완전히 감싸지면서 주축(1)과 프런트튜브(2)가 일체화된다.

따라서 주축(1)을 통해서 프런트튜브(2)로 고속 회전과 높은 토크가 전달되더라도 주축(1)과 프런트튜브(2)가 분리되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 고속 회전과 높은 토크가 안정적으로 전달된다.

상기 프런트튜브(2)의 말단부에 제1다각결합부(202)를 성형하는 단계( S4 )는 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 파이프 형상으로 와인딩 성형된 프런트튜브(2)의 말단부에 다각형 단면 형상을 가지는 맨드릴을 삽입한 후, 고온 고압으로 프레스 성형한다.

이때, 상기 제1다각결합부(202)의 다각 형상은 사각, 오각, 육각, 팔각 등으로 형성할 수 있으나, 프레스 성형 과정에서의 제1다각결합부(202)의 균열이나 파손 등 손상 방지 및 성형 후 구조적 안정성 등을 고려할 때, 제1다각결합부(202)의 단면 형상은 팔각으로 형성하는 것이 가장 바람직하다.

상기 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 제2다각결합부(302)를 구비한 리어튜브(3)를 성형하는 단계(S5)는 선단부가 상기 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202) 형상에 대응하는 다각형 단면을 가지며, 말단부는 원형 단면 형상을 가진 맨드릴에 탄소섬유강화복합재료를 소정 두께로 감아서 경화시킨 후, 맨드릴을 제거하여 성형한다.

이때, 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202)와, 리어튜브(3)의 제2다각결합부(302)의 결합이 원활하게 이루어질 수 있도록 제1다각결합부(202)의 외표면은 내측에서 외측으로 갈수록 외경이 축소되게 경사면을 형성하고, 상기 제2다각결합부(302)의 내면은 상기 제1다각결합부(202)의 경사면에 대응하게 형성함으로써 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)의 결합하게 이루어질 뿐만 아니라, 결합 후 고속 회전과 높은 토크의 전달이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

상기 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 리어튜브(3)의 말단부에 커플러결합부(301)를 일체로 성형하는 단계(S6)는 탄소섬유강화복합재료를 소정 두께로 감아서 파이프 형태로 성형한 리어튜브(3)의 말단부를 커플러결합부(301)의 형상을 가진 몰드에 삽입한 후, 상기 몰드에 탄소섬유강화복합재료를 적층 성형한 후 경화시켜 파이프 형태로 성형한 리어튜브(3)의 말단부와 일체로 되게 형성하고, 경화가 완료된 커플러결합부(301)에 다수의 통공(301a)을 천공한다.

상기 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 일체로 결합하는 단계(S7)는 프런트튜브(2)의 말단부에 형성된 제1다각결합부(202)를 리어튜브(3)의 선단부에 형성된 제2다각결합부(302) 내부에 압입하여 결합함으로써 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)가 일체로 된다.

한편, 상기 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)의 소재가 되는 탄소섬유강화복합재료(carbonfiberreinforced composite material)는 탄소섬유를 강화 섬유로 사용한 복합재료로서, 탄소섬유는 비강도, 비탄성, 내열성과 같은 물성이 다른 종류의 섬유에 비해서 월등하게 우수하고, 경량이면서 고강도, 고탄성 복합체를 만들 수 있으며, 강화된 탄소섬유강화복합재료는 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 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트의 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 상기 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 주축(1)과 일체로 되도록 성형함으로써 프로펠러 샤프트의 경량화가 가능케 되어 자동차의 경량화에 기여함으로써 자동차 연비 향상에 도움이 되며, 탄소섬유강화복합재료가 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 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 탄소섬유강화복합재료로 제조함에 있어서, 생산성과 완제품의 중량을 고려하여 탄소섬유를 열경화성 수지를 함침시킨 다음 맨드릴에 원하는 각도로 와인딩하여 성형하는 탄소섬유강화플라스틱을 사용하는 것이 바람직할 것이나 이에 한정하는 것은 아님을 미리 밝혀둔다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조 방법에 의해 제조된 본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조 방법에 의해 제조된 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트의 일단부에 형성된 스플라인(101)은 축 이음을 위한 조인트와 결합하여 변속기와 연결되고, 타단부에 형성된 커플러결합부(301)에는 러버커플러를 결합하여 구동축으로 동력을 전달하는 종감속기어와 연결 설치함으로써 자동차의 앞 부분에 위치한 엔진에서 변속기로 출력되는 동력을 구동축을 통해 자동차의 후륜으로 전달하게 되는데 이러한 동력 전달 과정은 주지의 사실이므로 구체적인 설명을 생략한다.

상기 스플라인(101)은 프런트튜브(2)의 선단부에 일체로 형성된 금속으로 된 주축(1)의 선단부에 형성됨으로써 변속기의 출력축에서 출력되는 고속 회전력을 자동차의 구동축으로 안정적으로 전달할 수 있게 된다.

아울러, 프런트튜브(2)와 일체로 된 주축(1)의 내측 단부에 형성된 환상의 걸림턱(102)과, 주축(1)의 스플라인(101)과 걸림턱(102) 사이에 형성된 다각형 단면을 가지는 인서트부(103)가 프런트튜브(2)와 일체로 됨으로써 이종 재료 간의 이질감을 최소화하여 변속기의 고속 회전력을 구동축으로 전달할 때, 발생하는 비틀림 모멘트에 의한 주축(1)과 프런트튜브(2)의 분리를 방지하여 엔진의 고속 회전력을 자동차의 구동축에 안정적으로 전달할 수 있게 된다.

또한, 분할 형성된 프런트튜브(2)의 말단부와 리어튜브(3)의 선단부에는 제1다각결합부(202)와, 상기 제1다각결합부(202)에 대응하는 제2다각결합부(302)를 암수 형태로 형성함으로써 별도의 결합부재 없이 2개의 튜브(2, 3)를 압입 방식으로 신속하고 간편하게 견고하게 일체화할 수 있게 되어 충분한 비틀림 강도를 보장함과 동시에 차종에 따른 다양한 제작 길이에 대응할 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: 프런트튜브
201: 조인트연결부 202: 제1다각결합부
3: 리어튜브 301: 커플러결합부
301a: 통공 302: 제2다각결합부

Claims (6)

1. 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 스플라인(101) 내측에서 걸림턱(102) 방향으로 다각형 단면을 가진 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)을 성형하는 단계(S1)와;
   탄소섬유강화복합재료를 이용하여 자동차용 프로펠러 샤프트의 선단부 외형을 가지는 프런트튜브(2)를 성형하는 단계(S2)와;
   상기 프런트튜브(2)의 선단부에 형성된 원형 단면을 가지는 조인트연결부(201) 내부에 상기 주축(1)의 인서트부(103)를 삽입한 후, 고온 고압으로 프레스 성형하여 주축(1)과 프런트튜브(2)를 일체로 형성하는 단계(S3)와;
   상기 프런트튜브(2)의 말단부에 다각형의 단면 형상을 가지는 제1다각결합부(202)를 성형하는 단계(S4)와;
   탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 제1다각결합부(202)와 결합이 이루어지도록 다각형의 단면 형상을 가지는 제2다각결합부(302)를 구비한 리어튜브(3)를 성형하는 단계(S5)와;
   탄소섬유강화복합재료를 이용하여 상기 리어튜브(3)의 말단부에 커플러결합부(301)를 일체로 성형하는 단계(S6)와;
   상기 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202)를 상기 리어튜브(3)의 제2다각결합부(302)에 압입하여 프런트튜브(2)와 리어튜브(3)를 일체로 결합하는 단계(S7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법.
2. 제1항에 있어서;
   상기 프런트튜브(2)를 성형하는 단계(S2)는 자동차용 프로펠러 샤프트의 선단부 외형을 가지는 맨드릴에 탄소섬유강화복합재료를 소정 두께로 감아서 경화시킨 후, 맨드릴을 제거하여 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서;
   상기 프런트튜브(2)의 말단부에 제1다각결합부(202)를 성형하는 단계(S4)는 탄소섬유강화복합재료를 이용하여 파이프 형상으로 와인딩 성형된 프런트튜브(2)의 말단부에 다각형 단면 형상을 가지는 맨드릴을 삽입한 후, 고온 고압으로 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서;
   상기 리어튜브(3)를 성형하는 단계(S5)는 선단부가 상기 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202) 형상에 대응하는 다각형 단면을 가지며, 말단부는 원형 단면 형상을 가진 맨드릴에 탄소섬유강화복합재료를 소정 두께로 감아서 경화시킨 후, 맨드릴을 제거하여 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서;
   상기 리어튜브(3)의 말단부에 커플러결합부(301)를 일체로 성형하는 단계(S6)는 탄소섬유강화복합재료를 소정 두께로 감아서 파이프 형태로 성형한 리어튜브(3)의 말단부를 커플러결합부(301)의 형상을 가진 몰드에 삽입한 후, 상기 몰드에 탄소섬유강화복합재료를 적층 성형한 후 경화시켜 파이프 형태로 성형한 리어튜브(3)의 말단부와 일체로 되게 형성하고, 경화가 완료된 커플러결합부(301)에 다수의 통공(301a)을 천공하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트 제조방법.
   
6. 일단부에는 스플라인(101)을 형성하고, 타단부에는 걸림턱(102)을 형성하며, 스플라인(101) 내측에서 걸림턱(102) 방향으로 다각형 단면을 가진 인서트부(103)를 형성한 금속재로 된 주축(1)과;
   탄소섬유강화복합재료로 성형하되, 선단부에는 상기 주축(1)이 내부에 삽입되어 고온 고압의 프레스 성형에 의해 일체로 되는 조인트연결부(201)를 형성하고, 말단부에는 다각형의 종단면 형상을 가지는 제1다각결합부(202)를 형성한 프런트튜브(2)와;
   탄소섬유강화복합재료로 성형하되, 선단부에는 상기 프런트튜브(2)의 제1다각결합부(202)가 끼워져 결합되는 제2다각결합부(302)를 형성하고, 말단부에는 사형으로 배치된 다수의 통공(301a)을 구비한 커플러결합부(301)를 형성한 리어튜브(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러 샤프트.

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