KR101836650B1 - C-mdps 하우징 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 C-MDPS 하우징은, 메인 하우징, 하우징 커버, 모터 하우징, 모터 커버, 컬럼 하우징을 포함하는 C-MDPS 하우징으로서, 상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은 모두 마그네슘 합금 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

C-MDPS 하우징 {HOUSING FOR C-MDPS}

본 발명은 C-MDPS 하우징에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 조향장치에 적용되는 C-MDPS 하우징에 관한 것이다.

종래에는 차량 조향을 위해 유압식 구조를 사용하였지만, 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향 특성과 고속 운행시에는 무겁고 안정적인 조향 특성을 각각 나타낼 수 있도록 운행 조건에 따라 ECU에서 모터를 구동시키는 전동식 조향장치(Motor Driven Power Steering; MDPS)의 적용이 점차 증가되고 있는 추세이다.

또한, 최근 차량 경량화 추세에 따라 특수강 소재 대신 알루미늄 합금 소재를 적용한 부품이 증가되고 있다. 알루미늄 하우징이 적용된 C-MDPS(Column mount MDPS)의 경우, 특수강 소재에 비해 경량화 가능한 장점이 있지만 차량 충돌 사고 발생시 소재의 연신율이 낮아 운전자에게 상해를 입힐 위험이 존재하며, 소재 중량 자체가 가볍기 때문에 주행 중 MDPS에서 발생되는 진동이 운전자에 그대로 전달되어 감성품질 저하의 원인이 된다.

특히, 조타력을 보조하기 위해 장착되는 모터 및 그 하우징 등의 추가 구조물의 적용에 따라 조향장치의 중량 배분이 불균일해지고, 결과적으로 NVH 특성이 악화되는 문제가 발생하였다.

이렇게 점점 더 엄격해지는 연비규제 및 경량화 추세 속에서, 종래의 알루미늄 소재보다도 더 경량화시킬 수 있고, 진동 특성이 개선된 C-MDPS용 하우징이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 경량화되고 진동 특성이 우수한 C-MDPS 하우징을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 C-MDPS 하우징은, 메인 하우징, 하우징 커버, 모터 하우징, 모터 커버, 컬럼 하우징을 포함하는 C-MDPS 하우징으로서, 상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은 모두 마그네슘 합금 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 마그네슘 합금은, 중량%로, Al: 8.3~9.7%, Zn: 0.35~1.0%, Mn: 0.15~0.5%, Si: 0.1% 이하, Cu: 0.03% 이하, Fe: 0.005% 이하, Ni: 0.002% 이하, 잔부 Mg를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은, Zn-Ni 도금된 볼트로 체결되는 것을 특징으로 한다.

상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은, 고압 다이캐스팅으로 주조된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 C-MDPS 하우징에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래의 알루미늄-스틸 재질의 C-MDPS 하우징에 비해 경량화가 가능하다.

둘째, 댐핑 성능 향상을 통해 진동, 소음 특성이 개선될 수 있다.

도 1은 C-MDPS 하우징의 모습을 나타낸 도면,
도 2는 종래 및 본 발명에 따른 C-MDPS 하우징을 온습도 평가 시험하여 표면 부식의 발생 여부를 확인하는 사진,
도 3 및 도 4는 메인 하우징의 주조방안,
도 5 및 도 6은 컬럼 하우징의 주조방안,
도 7은 하우징 커버 및 모터 커버의 주조방안이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 C-MDPS 하우징에 대하여 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, C-MDPS 하우징은 메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 모터 하우징(3), 모터 커버(4), 컬럼 하우징(5)을 포함하여 구성되어 있다.

메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 컬럼 하우징(5)은 자동차의 스티어링 휠에 연결된 스티어링 컬럼이 삽입되는 구성이고, 모터 하우징(3) 및 모터 커버(4)는 컬럼의 회전을 보조하는 모터가 내부에 수용되어 있는 구성이다.

모터는 ECU(6)로부터 신호를 전송받아 컬럼의 회전을 보조하게 된다.

이러한 C-MDPS의 구조 자체는 종래와 유사하므로 여기에서는 더 자세한 설명을 생략한다.

종래에는 메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 모터 커버(4), 컬럼 하우징(5)에 ADC12 재질의 알루미늄 합금을 사용하고, 모터 하우징(3)에 EGI 강판을 사용하였다.

ADC12는, 중량%로, Si: 9.6~12.0%, Cu: 1.5~3.5%, Fe: 1.3% 이하, Zn: 1.0% 이하, Mn: 0.5% 이하, Ni: 0.5% 이하, Mg: 0.3% 이하, Sn: 0.3% 이하, 잔부 Al으로 구성된 알루미늄 합금이고, EGI 강판은, 중량%로, C: 0.12% 이하, Mn: 0.5% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 잔부 Fe로 구성된 전기아연도금강판이다.

이렇게 알루미늄 합금과 강판을 혼합하여 사용함으로써, 어느 정도의 경량화를 달성하면서 강도를 유지할 수 있게 된다.

그러나, EGI 강판은 철계 금속의 특성상 비교적 무거운 재질이고, ADC12 알루미늄 합금은 소재 연신율이 낮아 충돌 사고 발생시 에어백 전개를 방해하거나 운전자에게 직접 돌출되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

또한, 알루미늄계와 철계 합금이 공존하여 갈바닉 부식이 발생할 수 있는 위험이 상존하였다.

이러한 문제를 해결할 수 있도록, 본 발명에서는 메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 모터 커버(4), 컬럼 하우징(5)을 모두 마그네슘 합금 재질로 제조하였다.

마그네슘은 알루미늄에 비해 더 가볍고, 댐핑 특성이 우수하여 진동 및 소음을 저감시키는 효과가 뛰어나다. 또한 연신율이 우수하여 충돌 사고 발생시 상해 위험을 감소시킬 수 있다.

메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 모터 커버(4), 컬럼 하우징(5)에 적용되는 마그네슘 합금을 보다 자세히 살펴보면, 중량%로, Al: 8.3~9.7%, Zn: 0.35~1.0%, Mn: 0.15~0.5%, Si: 0.1% 이하, Cu: 0.03% 이하, Fe: 0.005% 이하, Ni: 0.002% 이하, 잔부 Mg를 포함하게 된다.

주요 성분들의 첨가 이유에 대해 살펴보면 다음과 같다.

Al: 알루미늄은 합금의 강도를 향상시키기 위해 첨가하는 주요 원소로서, 첨가량이 8.3% 미만이면 요구되는 강도를 얻을 수 없고, 첨가량이 9.7%를 초과하면 제품 성형시 열간 크랙이 발생하는 문제가 있기 때문에 첨가량을 8.3~9.7%로 한정한다.

Zn: 아연은 알루미늄과 함께 합금 강도를 향상시키기 위한 원소로서, 첨가량이 0.4% 미만일 경우 요구되는 강도를 얻을 수 없고, 첨가량이 1.0%를 초과할 경우 주조시 응고 수축이 과다하게 되어 열간 크랙이 발생할 수 있기 때문에 첨가량을 0.4~1.0%로 한정한다.

Mn: 마그네슘은 내식성 향상 원소로서, Mg-Al 또는 Mg-Al-Zn계 합금에서 Fe 또는 중금속 원소와 결합하여 내식성 측면에서 무해한 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 내식성 향상을 위하여 최소한 0.15% 이상의 첨가가 필요하지만, 고용 한도가 작기 때문에 1.5%를 초과하여 첨가하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

Si: 실리콘은 주조시 유동성을 향상시키고, 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. 이를 위해서는 소량의 첨가로도 원하는 효과를 얻을 수 있지만, 과도하게 첨가될 경우 강도 및 경도가 지나치게 상승하여 절삭성이 저하되고, 취성이 증가할 수 있다. 따라서, 그 함량은 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cu: 구리는 고용강화에 의한 강도, 경도 향상에 효과적인 원소이다. 다만 강도 향상은 실리콘의 첨가로도 유사한 효과를 낼 수 있고, 구리를 과다 첨가시 내식성에 악영향을 미치므로 0.03% 이하의 미량을 첨가하는 것이 바람직하다.

Fe: 철은 결정립을 미세화시키고, 수축 균열 및 금형 소착을 방지하는 효과가 있는 원소이다. 철을 별도로 첨가하지는 않지만, 합금 잉곳 제조시 불순물 형태로 혼입되게 된다. 철의 첨가량이 많을 경우 금속간 화합물 형성을 통한 기계적 물성(피로/충격특성) 저하를 야기할 수 있으므로 0.005% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

Ni: 니켈 역시 철과 비슷하게 잉곳 제조시 불순물 형태로 혼입된다. 니켈의 첨가량이 과다할 경우 주조 흐름성을 저해하므로, 0.002%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

목차	부품명	비교예		실시예
		재질	중량(g)	중량(g)
1	메인 하우징	ADC12	966	603
2	하우징 커버	ADC12	307	199
3	모터 하우징	EGI	416	265
4	모터 커버	ADC12	210	131
5	컬럼 하우징	ADC12	397	255

종래 기술에 따른 ADC12 알루미늄 합금과 EGI 강판을 사용하여 제조된 C-MDPS 하우징 비교예와, 본 발명에 따른 마그네슘 합금을 사용하여 제조된 C-MDPS 하우징 실시예의 중량을 비교한 결과가 표 1에 나타나 있다.

비교예의 경우, Si: 11.0%, Cu: 2.5%, Fe: 0.8%, Zn: 0.5%, Mn: 0.3%, Ni: 0.4%, Mg: 0.3%, Sn: 0.2%, 잔부 Al으로 구성된 ADC12 알루미늄 합금 잉곳과, C: 0.1%, Mn: 0.4%, P: 0.02%, S: 0.01%, 잔부 Fe로 구성된 EGI 강판을 사용하여 제조되었다.

실시예의 경우, 메인 하우징은 Al: 9.27%, Zn: 0.76%, Mn: 0.32%, Si: 0.73%, Cu: 0.01%, Fe: 0.003%, Ni: 0.001%, 잔부 Mg, 하우징 커버는 Al: 9.13%, Zn: 0.85%, Mn: 0.27%, Si: 0.82%, Cu: 0.02%, Fe: 0.002%, Ni: 0.001%, 잔부 Mg, 모터 하우징은 Al: 9.19%, Zn: 0.91%, Mn: 0.38%, Si: 0.85%, Cu: 0.01%, Fe: 0.003%, Ni: 0.001%, 잔부 Mg, 모터 커버는 Al: 9.35%, Zn: 0.84%, Mn: 0.36%, Si: 0.86%, Cu: 0.01%, Fe: 0.004%, Ni: 0.001%, 잔부 Mg, 컬럼 하우징은 Al: 9.24%, Zn: 0.79%, Mn: 0.32%, Si: 0.79%, Cu: 0.02%, Fe: 0.003%, Ni: 0.001%, 잔부 Mg로 구성된 마그네슘 합금으로 각각 제조되었다.

상용 ADC12와 EGI의 세부 조성과 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 조성에 따라 달라질 수는 있지만, 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예의 경우 비교예에 비해 모든 부품에서 중량이 감소하여, 전체적으로 약 800g 이상의 경량화 효과가 있는 것으로 나타났다.

또한, ADC12와 EGI라는 이종 재질이 혼합되어 있는 종래 제품과 달리, 재질이 마그네슘 합금으로 일원화되어 있는 본 발명에 따르면 갈바닉 부식이 원천적으로 차단되어 내식성의 향상을 기대할 수 있다.

내식성 시험 방법 중 하나인 온습도 평가 시험법을 통해 시험해본 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, 기존사양(종래의 ADC12-EGI)과 개발사양(본 발명에 따른 마그네슘 합금)으로 제조된 C-MDPS 하우징 공히 표면 부식 없이 안정된 상태를 유지하는 것을 알 수 있었다.

이때 온습도 평가 시험법은, 온도 -50~100℃, 상대습도 50~95% 조건에서 제품을 반복 작동시키면서 부식 발생 여부를 판단하는 시험이다.

평가 항목	래틀 [소음: dBA / 진동: dB]			작동소음(모터) [dBA]
	운전석 소음	요크 진동	랙부시 진동	1.0rps	1.5rps	2.0rps
비교예	5435	116.8	117	39.2	37.7	44.5
실시예	53	116.3	116.9	36.6	37.4	43.4
개선도(%)	29.21	10.87	2.28	45.05	6.67	22.38

상술한 비교예와 실시예에 따라 제조된 C-MDPS 작동시 위치별 래틀 소음 및 진동, 모터에서 발생하는 소음에 대한 측정 결과가 표 2에 나타나 있다.

비교예는 ADC12 알루미늄 합금과 EGI 강판으로 제조된 하우징을 사용한 종래의 C-MDPS 양산품을 실차에 장착한 후 측정하였고, 실시예는 본 발명에 따른 마그네슘 합금 재질의 하우징을 사용한 C-MDPS를 실차에 장착한 후 측정하였다.

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 하우징을 사용할 경우, 종래의 제품에 비해 여러 위치에서 발생하는 소음 및 진동이 감소되어 보다 정숙한 작동이 가능한 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금 재질로 제조된 C-MDPS의 경우, 메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 모터 커버(4), 컬럼 하우징(5) 각각을 연결시키기 위해 Zn-Ni 도금된 볼트를 이용하는 것이 바람직하다.

볼트에는 비교적 좁은 면적에 큰 하중이 가해지는 경우가 있으므로, 일반적인 철제 볼트를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 다만, 이러한 볼트와 마그네슘 합금 사이의 이종 결합에 의해 갈바닉 부식이 발생할 우려가 있으므로, 볼트의 표면에 Zn-Ni 도금층을 형성시켜, 마그네슘 합금과 철의 직접적인 접촉을 방지하는 것이다.

즉, 마그네슘과 아연-니켈 사이의 반응성은 마그네슘과 철 사이의 반응성에 비해 높지 않은바, 갈바닉 부식의 발생을 최소화할 수 있게 된다.

메인 하우징(1), 하우징 커버(2), 모터 커버(4), 컬럼 하우징(5) 각각은 고압 다이캐스팅을 이용한 주조 방법으로 제조하는 것이 바람직하다. 생산성 향상을 위해서는 주조 생산이 가장 효율적이고, 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 경우 주조성이 우수하여 주조 결합의 발생이 적다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금을 이용하여 주조할 때, 제품 내부의 기공, 수축공 등의 결함을 제어하기 위해 주조방안을 개선할 수도 있다. 이러한 개선은 주로 용탕의 고립 방지, 충진 불균형, 과열 해소 등을 위한 것으로서, 도 3 내지 7에 각 부품별 주조방안이 도시되어 있다.

도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 메인 하우징(1)은 용탕 투입시 충진 불균일을 해소하기 위해 런너 면적을 확대하도록 변경(1a)하고, 런너를 통해 투입되는 용탕 중 최초로 투입되는 선탕을 별도로 고립시킬 수 있는 포켓을 형성(1b)시켜 선탕이 주조품으로 유입되는 것을 방지한다.

또한 최종 충진부 및 최종 응고부에 코어핀 설치(1c, 1e), 탭부에 스팟 설치(1d) 등을 통해 냉각을 보조하고, 진공 벤트를 설치(1c)하여 공기를 배출시키게 된다.

도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 컬럼 하우징(5)은 용탕 투입시 런너 단면적을 확대(5a)하여 최초 용탕의 유입을 원활하게 하고, 공기 고립이 예상되는 위치에 오버플로우 및 진공 벤트를 설치(5b)하며, 기존에 존재하던 오버플로우의 크기를 확대(5c)하여 선탕의 고립을 유도하고, 최종 응고부에 코어핀을 설치(5d)하고 게이트부에 슬라이드 코어핀을 설치(5e)하여 과열을 방지한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 하우징 커버(2)와 모터 커버(4)는 동시에 주조하게 되는데, 최종 충진부에 오버플로우를 각각 설치(2a, 4a)하여 불충분한 충진을 방지하게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 메인 하우징 2: 하우징 커버
3: 모터 하우징 4: 모터 커버
5: 컬럼 하우징 6: ECU

Claims (4)

1. 메인 하우징, 하우징 커버, 모터 하우징, 모터 커버, 컬럼 하우징을 포함하는 C-MDPS 하우징으로서,
   상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은 모두 중량%로, Al: 8.3~9.7%, Zn: 0.35~1.0%, Mn: 0.15~0.5%, Si: 0.1% 이하, Cu: 0.03% 이하, Fe: 0.005% 이하, Ni: 0.002% 이하, 잔부 Mg를 포함하는 마그네슘 합금 재질로 형성되고,
   상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은 Zn-Ni 도금된 볼트로 체결되는 것을 특징으로 하는, C-MDPS 하우징.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 메인 하우징, 상기 하우징 커버, 상기 모터 하우징, 상기 모터 커버, 상기 컬럼 하우징은, 고압 다이캐스팅으로 주조된 것을 특징으로 하는, C-MDPS 하우징.

Images