KR101704038B1 - 자동차용 프로펠러샤프트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 프로펠러샤프트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프로펠러샤프트를 제조함에 있어서 경량화 효과를 높이기 위해 탄소섬유 강화 복합재의 튜브 및 알루미늄재의 요크를 사용하되 그에 따른 전위차 부식을 방지할 수 있도록 유리섬유를 혼용하여 튜브를 성형하는 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 열경화성 수지를 함침시킨 유리섬유 다발을 맨드릴 양끝단에 와인딩하여 요크 압입부를 포함한 튜브 양끝단을 성형하는 제1성형단계; 열경화성 수지를 함침시킨 탄소섬유 다발을 상기 맨드릴 전체에 걸쳐 와인딩하여 상기 제1성형단계에서 성형한 튜브 양끝단 위에 파이프 구조의 튜브 성형물을 성형하는 제2성형단계; 상기 제1성형단계와 제2성형단계를 통해 성형한 튜브 성형물을 열경화하는 열경화단계; 를 포함하여 알루미늄 재질의 요크가 압입될 시 전위차 부식이 방지된 튜브를 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러샤프트의 제조방법을 제공한다.

Description

자동차용 프로펠러샤프트 및 그 제조방법{Propeller shaft for vehicle and manufacturing method thereof}

본 발명은 자동차용 프로펠러샤프트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프로펠러샤프트를 제조함에 있어서 경량화 효과를 높이기 위해 탄소섬유 강화 복합재의 튜브 및 알루미늄재의 요크를 사용하되 그에 따른 전위차 부식을 방지할 수 있도록 유리섬유를 혼용하여 튜브를 성형하는 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 후륜 구동 자동차에는 변속기의 토크를 종감속장치로 전달하는 프로펠러샤프트가 차체의 길이방향으로 설치된다.

상기 프로펠러샤프트는 도 1에 도시된 바와 같이 파이프 형상의 프로펠러샤프트 튜브(이하, 튜브라고 함)(1)와 튜브(1)의 양끝단에 압입되어 조립되는 요크(2)류를 포함하여 구성된다.

기존에는 스틸 재질의 프로펠러샤프트를 경량화하기 위하여 고강도 저비중 소재인 탄소섬유 복합소재의 튜브를 대체하여 적용하는데, 이를 위해 필라멘트 와인딩 공법 등을 이용하여 튜브를 제작한 후 금속 재질의 요크를 튜브의 양끝단에 압입하여 조립하는 방식을 사용한다.

상기 필라멘트 와인딩 공법은 비교적 생산성이 높은 공법으로, 성형하고자 하는 적용 부위에 따라 원하는 섬유각도로 와인딩이 가능하기 때문에 샤프트류 제작 시 널리 사용되고 있다.

필라멘트 와인딩 공법을 이용한 탄소섬유 복합재 튜브의 제조공정을 설명하면, 여러 다발의 탄소섬유를 에폭시와 같은 열경화성 수지에 침적시키면서 스틸 맨드릴 위에 감아서 튜브를 성형한 후, 오븐에서의 열경화 과정을 통해 고강도의 튜브를 제조 완료한다.

이러한 탄소섬유 복합재 튜브를 적용한 프로펠러샤프트는 웨이트 밸런싱을 위한 공간 확보와 압입부위로 인해 스틸재를 이용하여 금속 요크를 제작하게 되는데, 이 경우 프로펠러샤프트의 중량이 증대되어 경량화 효과가 저하되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 알루미늄 재료를 이용하여 요크를 제조한 바 있으나, 알루미늄 재질 요크의 경우 튜브 끝단에 압입하는 과정에서 접촉하는 되는 튜브 재료, 즉 탄소섬유와의 전위차 부식이 발생하게 되고 이로 인해 파손 문제가 초래되는 단점이 있다.

또한, 탄소섬유의 경우 소재 특성상 충격에 다소 취약하기 때문에 프로펠러샤프트 등의 부품에 적용하여 사용할 경우 외부 충격에 의한 내충격성이 부족하여 파손 가능성이 다분한 단점을 가진다.

도 2는 기존 탄소섬유 복합재 튜브를 적용한 프로펠러샤프트의 구조를 도시한 도면으로, 스틸재 요크(2)의 압입부(튜브에 압입되는 부분)에 세레이션 구조를 형성하고 이를 탄소섬유 복합재 튜브(1)의 안쪽에 압입하여 서로 물리는 구조로 조립하며, 이를 통해 비틀림 강도를 확보할 수 있도록 하고 있다.

그러나, 단순히 세레이션된 스틸재 요크(2)를 탄소섬유 강화 복합재 튜브(1)에 압입하여 차량에 장착하는 경우 차량 정면충돌 발생시 파손거동을 제어하기 어려운 문제가 있어서, 도 2의 점선에 표시한 부위와 같이 튜브(1) 끝단부의 섬유 적층각도를 서로 직각이 되도록 하여, 정면 충돌 시 수직 적층부(탄소섬유가 서로 직각이 되도록 적층된 부분)에서 전단력에 의한 파손이 발생하고 튜브 끝단부의 쐐기 효과에 의해 그 균열이 튜브 길이 방향으로 진전되도록 유도하는 구조를 적용한 바 있다.

그러나, 상기와 같이 수직 적층부를 적용하여 제조한 프로펠러샤프트는 튜브(1)와 요크(2) 간의 전위차 부식문제의 발생 가능성이 높아서 요크류에 스틸 재료만 사용하고 있으며, 경량화 효과를 높이기 위해 요크류에 알루미늄 재질을 사용하는 경우 전위차 부식으로 인한 파손 현상이 발생하게 된다.

그리고, 상기 튜브(1)는 파이프 형상을 가지므로 비교적 외부 충격에는 강건한 구조이지만, 탄소섬유의 특성상 다소 취성적이기 때문에 충격에 의한 파손 우려를 가질 수 밖에 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 요크 압입부를 포함한 튜브의 양끝단을 유리섬유를 와인딩하여 일차적으로 성형하고, 그 위에 탄소섬유를 와인딩하여 튜브를 성형함으로써, 알루미늄 재질의 요크를 튜브 내측에 압입하여 조립할 시 발생하게 되는 전위차 부식을 방지하고 경량화 효과를 증대할 수 있는 자동차용 프로펠러샤프트 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 튜브 최외각면에 유리섬유 매트를 한 층 이상 적층 성형하여 내충격성을 증대하여 제조할 수 있는 자동차용 프로펠러샤프트 및 그 제조방법을 제공하는데도 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 열경화성 수지를 함침시킨 유리섬유 다발을 맨드릴 양끝단에 와인딩하여 요크 압입부를 포함한 튜브 양끝단을 성형하는 제1성형단계; 열경화성 수지를 함침시킨 탄소섬유 다발을 상기 맨드릴 전체에 걸쳐 와인딩하여 상기 제1성형단계에서 성형한 튜브 양끝단 위에 파이프 구조의 튜브 성형물을 성형하는 제2성형단계; 상기 제1성형단계와 제2성형단계를 통해 성형한 튜브 성형물을 열경화하는 열경화단계; 를 포함하여 알루미늄 재질의 요크가 압입될 시 전위차 부식이 방지된 튜브를 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러샤프트의 제조방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 열경화단계 전에, 튜브 성형물의 최외각면에 유리섬유 매트를 한 층 이상 감싸서 적층하는 단계를 더 포함한다.

또한 바람직하게, 상기 유리섬유 다발은 인장강도(TS) 1.5 ~ 2.5GPa, 비중 2.0 ~ 3.0 인 유리섬유 재료를 사용한다.

본 발명에 따른 제조방법에 의하면 탄소섬유 강화 복합재의 튜브를 사용하여 프로펠러샤프트를 제조할 시 알루미늄재 요크의 적용이 가능하게 되어 추가적인 경량화 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 탄소섬유 강화 복합재의 튜브 제조시 기존 공정을 활용하여 제조 가능하므로 별도 추가적인 공정비용이 발생하지 않는 장점이 있다.

또한, 유리섬유 매트를 이용하여 표피층을 성형함에 따라 내충격성이 증대되어 외부 충격에 대해 보다 우수한 부품을 제조할 수 있다.

도 1은 후륜 구동 자동차에 적용되고 있는 프로펠러샤프트의 구조를 도시한 예시도
도 2는 기존 탄소섬유 복합재 튜브를 적용한 프로펠러샤프트의 요부 구조를 도시한 도면
도 3은 기존 자동차용 프로펠러샤프트의 제조공정을 나타낸 순서도
도 4는 본 발명에 따른 자동차용 프로펠러샤프트의 제조공정을 순서도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 프로펠러샤프트의 요부 구조를 도시한 도면

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 자동차용 프로펠러샤프트의 제조방법에 관한 것으로, 프로펠러샤프트의 경량화를 위해 튜브 재질을 비강도가 가장 우수한 탄소섬유 강화 복합재로 대체하여 제조하는데 있어서, 탄소섬유 강화 복합재의 튜브와 금속소재 요크류 간에 발생할 수 있는 전위차 부식 문제를 제거하고 탄소섬유 강화 복합재가 가지는 내충격성 문제를 보완하기 위하여 유리섬유를 혼용하여 튜브를 제조한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

주지된 바와 같이, 후륜구동 자동차에 설치되는 프로펠러샤프트는 튜브(1)와 튜브(1)의 양끝단에 압입되어 조립되는 요크(2)류를 포함하여 구성된다.

본 발명에서는 프로펠러샤프트의 제조시 경량화 효과를 증대하기 위해 탄소섬유 강화 복합재의 튜브(1)와 알루미늄재의 요크(2)류를 적용할 수 있도록 상기 튜브 성형시 유리섬유를 혼용하여 제조한다.

상기 유리섬유는 튜브(1)의 좌우 양끝단에서 압입되는 요크(2)와 접촉하게 되는 요크 압입부의 내주면을 형성하여, 탄소섬유 강화 복합재의 튜브(1)와 알루미늄재의 요크(2) 간의 전위차 부식을 방지하는 역할을 한다.

이를 위하여, 먼저 요크 압입부를 포함하는 튜브 양끝단을 유리섬유를 이용하여 성형하고 그 위에 탄소섬유를 이용하여 파이프 구조의 튜브 성형물을 성형하여, 도 5와 같이 좌우 양끝단의 내주면에 유리섬유를 적층한 구조의 튜브(1)로 성형하게 된다.

상기와 같은 튜브를 제조하기 위해, 먼저 유리섬유 다발들에 열경화성 수지를 함침시킨 다음, 이 유리섬유 다발을 스틸 맨드릴의 양끝단 위에 원하는 각도로 와인딩하면서 적층하여 요크 압입부를 포함한 튜브 양끝단을 일차적으로 성형한다.

계속해서, 탄소섬유 다발들에 열경화성 수지를 함침시킨 다음, 이 탄소섬유 다발을 상기 스틸 맨드릴 전체에 걸쳐 원하는 각도로 와인딩하여 일차적으로 성형한 유리섬유 소재의 튜브 양끝단 위에 파이프 구조의 튜브 성형물을 성형한다.

여기서, 상기 스틸 맨드릴은 유리섬유 또는 탄소섬유 다발을 와인딩하여 파이프 구조의 튜브를 성형할 수 있는 형상으로 마련된 것을 이용한다.

그리고, 상기 유리섬유 다발을 스틸 맨드릴의 양끝단에 와인딩하는데 있어서 스틸 맨드릴의 양끝단에서 내측 방향으로 점차 두께가 얇아지도록 와인딩하여, 최종 제조된 튜브의 양끝단이 도 5와 같은 구조를 가지도록 한다.

또한, 외부 충격에 대한 내충격성을 확보하기 위해, 열경화 공정을 진행하기 전에, 상기 튜브 성형물의 최외각면에 유리섬유 매트를 감싸는 공정을 추가할 수 있다.

상기 유리섬유 매트는 유리섬유로 이루어진 매트 타입으로 마련된 것으로, 튜브 성형물의 외주면에 한 층 이상으로 적층되어 튜브(1)의 표피층을 형성하게 된다.

상기와 같은 모든 성형 공정이 완료되면 성형 완료한 튜브 성형물을 오븐에 투입하여 경화시키는 열경화 공정을 진행한다.

상기 열경화 공정을 통해, 2단계에 걸쳐 성형한 유리섬유 소재의 튜브 양끝단 부분과 탄소섬유 소재의 튜브 성형물이 일체로 접합되고 표피층에 유리섬유 매트 또한 튜브 성형물 표면에 일체로 접합되어 고정됨과 동시에, 단단하게 경화되어 고강도의 튜브를 완성하게 된다.

본 발명에서 탄소섬유 재료는 인장강도(TS) 4.2GPa, 비중 1.7 인 것을 사용하며, 필라멘트 와인딩 공법을 적용함에 의해 0~90°의 원하는 섬유각도로 와인딩 가능하나, 바람직하게 맨드릴에 대해 0~20°의 와인딩 각도로 감도록 한다.

유리섬유 재료의 경우 인장강도(TS) 1.5 ~ 2.5 GPa, 비중 2.0 ~ 3.0 인 것을 사용하며, 바람직하게는 인장강도(TS) 1.9GPa, 비중 2.6 인 것을 사용한다.

유리섬유 다발은 맨드릴에 대한 섬유 와인딩 각도를 90°로 하여 이후 공정에서 와인딩되는 탄소섬유 다발과 거의 직각을 이루도록 한다.

상기 범위를 벗어난 인장강도 및 비중의 유리섬유를 사용하는 경우 가격이나 성형성 측면에서 문제가 있을 수 있으므로 바람직하지 않다.

그리고, 열경화성 수지로는 에폭시 수지 등을 사용하며, 에폭시 수지로는 예컨대 비스페놀 A를 사용할 수 있다.

열경화성 수지를 함침시킨 탄소섬유 다발은 탄소섬유 50~60% 부피비, 열경화성 수지 40~50% 부피비(즉, 탄소섬유와 열경화성 수지의 부피비가 50~60:40~50) 인 것을 사용하며, 열경화성 수지를 함침시킨 유리섬유 다발은 유리섬유 50~60% 부피비, 열경화성 수지 40~50% 부피비 인 것을 사용한다.

아울러, 상기 탄소섬유 다발과 유리섬유 다발은 맨드릴에 대한 와인딩 시 서로 다른 각도로 와인딩한다.

즉, 튜브 성형시 유리섬유 재질의 튜브 양끝단과 탄소섬유 재질의 튜브 성형물 간에 섬유 와인딩 각도를 다르게 하며, 바람직하게는 탄소섬유 다발의 와인딩 시 유리섬유 다발의 와인딩 각도에 대해 직각을 이루도록 와인딩하여, 제조 완료한 튜브 양끝단의 섬유 적층각도(유리섬유와 탄소섬유가 이루는 섬유 적층각도)를 서로 직각이 되도록 함으로써, 차량 정면충돌 발생시 탄소섬유와 유리섬유가 서로 직각을 이룬 양끝단 부분에서 전단력에 의한 파손이 발생하고 튜브 끝단부의 쐐기 효과에 의해 그 균열이 튜브 길이 방향으로 진전되도록 유도하는 구조를 가지도록 한다.

한편, 요크(2)의 경우 압입부(튜브에 압입되는 부분)에 기존과 같이 세레이션 구조를 성형하여 튜브(1)의 안쪽에 압입하여 서로 물리는 구조로 성형하여 비틀림 강도를 확보하도록 제조한다.

본 발명에 의하면 알루미늄 재질의 요크(2)를 탄소섬유 강화 복합재의 튜브(1) 내측에 압입하여 조립할 시 요크 압입부를 포함한 튜브 양끝단을 이루고 있는 유리섬유가 요크(2)와 접촉하게 되므로 튜브(1)와 요크(2) 간 전위차 부식을 방지할 수 있으며, 따라서 경량화 효과를 높인 프로펠러샤프트를 제조할 수 있다.

1 : 튜브
2 : 요크

Claims (4)

1. 열경화성 수지를 함침시킨 유리섬유 다발을 맨드릴 양끝단에 와인딩하여 요크 압입부를 포함한 튜브 양끝단을 성형하는 제1성형단계;
   열경화성 수지를 함침시킨 탄소섬유 다발을 상기 맨드릴 전체에 걸쳐 와인딩하여 상기 제1성형단계에서 성형한 튜브 양끝단 위에 파이프 구조의 튜브 성형물을 성형하는 제2성형단계;
   상기 제1성형단계와 제2성형단계를 통해 성형한 튜브 성형물을 열경화하는 열경화단계;
   상기 튜브 성형물의 요크 압입부에 알루미늄 재질의 요크를 압입하여 조립하는 단계;
   를 통하여, 상기 튜브 성형물의 유리섬유가 알루미늄 재질의 요크와 접촉하는 적층 구조에 의거 전위차 부식을 방지할 수 있도록 하고,
   상기 유리섬유 다발은 인장강도(TS) 1.5 ~ 2.5 GPa, 비중 2.0 ~ 3.0 인 유리섬유 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러샤프트의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열경화단계 전에, 튜브 성형물의 최외각면에 유리섬유 매트를 한 층 이상 감싸서 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러샤프트의 제조방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1 또는 2 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되어, 튜브 성형물의 요크 압입부가 내경으로부터 외경방향으로 유리섬유와 탄소섬유와 유리섬유의 순서로 적층 구성되어, 상기 튜브 성형물의 유리섬유가 알루미늄 재질의 요크와 접촉하는 적층 구조에 의거 전위차 부식을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러샤프트.

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