KR101886505B1

KR101886505B1 - 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트

Info

Publication number: KR101886505B1
Application number: KR1020160111591A
Authority: KR
Inventors: 윤상재; 유성수; 최치훈; 박상윤; 이동준; 조정민
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-08-07
Also published as: US10422371B2; US20180058496A1; KR20180024767A

Abstract

본 발명은 프로펠러 샤프트의 위험회전수를 극대화시키는 동시에 경량화를 실현할 수 있도록 프리프레그 랩핑(Prepreg wrapping) 공법을 이용한 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층과, 이 CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층을 포함하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트를 제공하고자 한 것이다.

Description

자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트{Hybrid propeller shaft for vehicle}

본 발명은 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프로펠러 샤프트의 위험회전수를 극대화시키는 동시에 경량화를 실현할 수 있도록 프리프레그 랩핑(Prepreg wrapping) 공법을 이용한 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트에 관한 것이다.

최근 주행성능이 우수한 고성능차의 개발이 확대되는 추세에 있으며, 이러한 고성능차 모델들은 핸들링과 운동성능을 향상시키기 위해 대부분 후륜구동을 채택하고 있다.

상기 후륜구동을 위해서는 변속기에서 차동기어까지 동력을 전달하기 위한 프로펠러 샤프트가 필수적으로 필요하고, 이 프로펠러 샤프트에는 동력 전달 시 강한 회전력과 비틀림이 작용하기 때문에 이를 견딜 수 있는 재료 선정이 매우 중요하다.

더욱이, 고성능차의 프로펠러 샤프트는 일반 양산차에 비해 높은 회전수, 강한 비틀림 환경, 가혹한 주행 환경을 견딜 수 있으면서도 차량 응답성 및 회전 관성의 개선을 위한 경량화가 요구되므로, 고강성의 복합재료 프로펠러 샤프트가 적용되고 있다.

이와 같이, 상기 프로펠러 샤프트를 복합재료로 구성하기 위해서는 재료의 특성을 고려한 적층설계가 매우 중요한 바, 그 이유는 잘못된 적층설계로 인하여 위험 회전수에서의 공진현상 및 비틀림 강성 부족으로 부품의 고장을 야기할 수 있기 때문이다.

상기 위험회전수는 프로펠러 샤프트의 설계에 있어서 공진현상을 막기 위해 고려되는 가장 중요한 요소이며, 대개 고유진동수(Hz) × 60으로 계산된다.

그러나, 고유진동수는 길이의 제곱에 반비례하며, 프로펠러 샤프트 양단에 조립되는 요크부의 조립 조건에 따라 감소하는 경향을 보이므로 위험회전수를 극대화시키는데 한계가 있다.

한편, 종래의 복합재료 프로펠러 샤프트는 필라멘트 와인딩 공법을 기반으로 제조되고 있으며, 필라멘트 와인딩 공법의 경우 섬유의 최소 와인딩 각도에 한계(길이방향 기준 10˚이하)가 있기 때문에 고유진동수를 극대화할 수 있는 자유로운 적층 설계가 불가능한 단점이 있고, 또한 필라멘트 와인딩 공법을 이용한 프로펠러 샤프트 제조시 공법의 특성상 기포 및 결함 등이 쉽게 발생하여 프로펠러 샤프트의 성능을 저하시키는 원인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 탄소섬유 강화 플라스틱 재료를 프리프레그 랩핑(Prepreg wrapping) 공법을 이용하여 적층 구성하여, 프로펠러 샤프트의 고유진동수 및 위험회전수를 극대화시킬 수 있고, 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 자동차용 프로펠러 샤프트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층; 및 상기 CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 프로펠러 샤프트를 제공한다.

일 실시예로서, 상기 CFRP 튜브층은 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 외층으로 구성되고, 이때의 외층과 내층 간의 두께비는 70% : 30%로 정해지는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예로서, 상기 CFRP 튜브층은 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 외층으로 구성되고, 이때의 외층과 내층 간의 두께비는 70% : 30%로 정해지는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예로서, 상기 CFRP 튜브층은 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 제1외층과, 제1외층의 외면에 또 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 제2외층으로 구성되고, 이때의 제2외층과 제1외층과 내층 간의 두께비는 50% : 20% : 30%로 정해지는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예로서, 상기 CFRP 튜브층은 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP과 고강도 CFRP를 순차적으로 0°로 랩핑하여 형성된 제1외층 내지 제5외층으로 구성되고, 내층을 구성하는 고강도 CFRP의 두께는 전체의 30% 비율로 정해지고, 제2외층 및 제4외층을 구성하는 고강도 CFRP의 두께는 전체의 20% 비율로 정해지며, 나머지 제1,3,5외층을 구성하는 고탄성 CFRP의 두께도 전체의 50%로 정해지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보호층은 열가소성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱의 일종인 폴리페닐렌설파이트(PPS)를 섬유화하여 만든 직물층으로 구성된 것임을 특징으로 한다.

또한, 상기 CFRP 튜브층의 양단부에는 금속 요크가 스플라인 결합되며 압입 체결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CFRP 튜브층의 양단부에 압입되는 금속 요크의 압입력으로 인해 발생되는 튜브층의 파손이 방지될 수 있도록 상기 CFRP의 양단부에는 튜브 두께의 2배만큼 90°로 CFRP 랩핑이 더 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층과, CFRP 튜브층을 보호하는 보호층으로 구성된 프로펠러 샤프트를 제공함으로써, 프로펠러 샤프트의 고유진동수 및 위험회전수를 극대화시킬 수 있고, 경량화를 실현시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 프로펠러 샤프트를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 프로펠러 샤프트를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 프로펠러 샤프트를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 프로펠러 샤프트를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 프로펠러 샤프트에 금속 요크가 조립되는 것을 나타낸 도면,
도 6 내지 도 9는 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 물성 시험 결과를 나타낸 도면,
도 10 내지 도 12는 비교예에 따른 물성 시험 결과를 나타낸 도면,
도 13은 탄소섬유 적층각에 따른 프로펠러 샤프트의 고유진동수를 나타낸 그래프,
도 14는 탄소섬유 적층각에 따른 프로펠러 샤프트의 비틀림 강성을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 프로펠러 샤프트는 고유진동수 및 위험회전수를 극대화하기 위하여 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, 이하 CFRP로 칭함) 재료를 프리프레그 랩핑(Prepreg wrapping) 공법을 이용하여 2개 이상의 층으로 적층시킨 CFRP 튜브층과, CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층으로 구성된다.

이러한 본 발명의 프로펠러 샤프트는 전체 길이 1,200 mm, CFRP 튜브층의 외경 80mm, 두께 3mm 기준으로 적합하게 제조될 수 있다.

바람직하게는, 상기 CFRP 튜브층은 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 CFRP가 서로 다른 랩핑각을 가지는 2개 이상의 층으로 적층 구성된다.

더욱 바람직하게는, 상기 CFRP 튜브층은 외층과 내층 등 2개의 층이 적층 구성되되, 외층은 고유진동수를 높일 수 있도록 CFRP가 0°로 랩핑되고, 내층은 비틀림 강성을 높일 수 있도록 CFRP가 45°로 랩핑된다.

이때, 상기 프로펠러 샤프트의 설계에 있어서 가장 우선순위로 고려해야 하는 요소는 고유진동수에 있는 점을 감안하여, 첨부한 도 13에서 보듯이 CFRP의 랩핑방향과 튜브의 직경방향이 일치(0°)할 때, 즉 CFRP를 0°로 랩핑하여 튜브를 구성할 때, 가장 큰 고유진동수 값을 얻을 수 있다.

바람직하게는, 프로펠러 샤프트의 외층으로 갈수록 높은 굽힘 하중이 작용하기 때문에 CFRP 튜브층을 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 내층과 외층으로 적층 구성할 때, 내층보다는 외층에 0°방향으로 랩핑된 CFRP를 적용하는 것이 효과적이다.

또한, 상기 프로펠러 샤프트의 설계에 있어서 비틀림 강성 역시 중요한 요소인 점을 감안하여, 첨부한 도 14에서 보듯이 CFRP를 45°로 랩핑하여 튜브를 구성할 때, 가장 높은 비틀림 강성값을 얻을 수 있다.

여기서, 본 발명을 실시예를 통해 좀 더 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

제1실시예

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트의 제1실시예로서, 고탄성 CFRP를 이용하여 제조된 것을 나타낸 단면도이다.

도 1에서 보듯이, 본 발명의 제1실시예에 따른 프로펠러 샤프트는 외층(12)과 내층(14)을 포함하는 CFRP 튜브층(10)과, CFRP 튜브층(10)의 최외각층인 외층(12)에 성형되는 보호층(20)으로 구성되고, 상기 CFRP 튜브층(10)의 외층(12) 및 내층(14)이 각각 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 고탄성 CFRP 재료로 랩핑되어 상호 적층 구성된 점에 특징이 있다.

먼저, 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP를 45°로 랩핑하여 내층(14)을 형성한 후, 내층(14)의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 외층(12)을 형성함으로써, 외층(12)과 내층(14)이 상호 적층된 고탄성의 CFRP 튜브층(10)이 제조된다.

이에, 상기 CFRP 튜브층(10)의 외층(12)을 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 13을 참조로 설명한 바와 같이 고유진동수를 높일 수 있고, 또한 상기 내층(14)을 고탄성 CFRP를 45°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 14를 참조로 설명한 바와 같이 비틀림 강성을 높일 수 있다.

바람직하게는, 고탄성 CFRP가 0°로 랩핑된 외층(12)과 고탄성 CFRP가 45°로 랩핑된 내층(14) 간의 두께비는 70% : 30%로 정해진다.

위의 두께비를 70% : 30%로 정한 이유는 튜브 사이즈(예, 1,200 mm × 80mm × 3mm)를 기준으로 프로펠러 샤프트가 높은 구동 토크 환경에서 25 GPa 이상의 전단 탄성계수 값을 요구할 때, 고탄성 CFRP 만을 사용하여 탄성계수 값을 만족하면서 가장 높은 고유진동수를 낼 수 있는 두께비이기 때문이다.

이어서, 상기 CFRP 튜브층(10)의 최외각층인 외층(12)의 표면에 보호층(20)이 성형되어 감싸여진다.

이때, 상기 CFRP 튜브층(10)의 최외각층에 성형되는 보호층(20)은 내열성, 내화학성 내충격성이 뛰어난 열가소성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(예를 들어. 폴리페닐렌설파이트(PPS, Polyphenylene Sulfide))를 섬유화하여 만든 직물층으로 구성된다.

이에, 상기 보호층(20) 즉, PPS 직물층을 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형할 때, 열수축을 통해 CFRP 튜브층 내부 레진을 밖으로 배출시켜 섬유 함량을 높일 수 있고, 이로 인하여 치수 안정성 효과를 얻을 수 있으며, 성형 후에는 외부 충격 및 가혹한 주행 환경으로부터 CFRP 튜브층을 보호하는 역할을 하게 된다.

상기 보호층 즉, PPS 직물층을 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형하는 방법은 CFRP 튜브층를 성형하기 위해서 탄소섬유 프리프레그 층의 래핑이 끝나면, 그 외부를 테이핑 형태의(7~8cm 폭) PPS 직물을 이용하여 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 대각선으로 감아 올려 튜브 전체를 PPS 직물로 감싸게 된다.

한편, 상기 보호층 즉, PPS 직물층을 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형할 때, 열수축을 통해 CFRP 튜브층 내부 레진을 밖으로 배출시켜 섬유 함량을 높일 수 있는 의미는 다음과 같다.

CFRP 튜브를 성형하기 위해서는 PPS 직물층으로 감싸진 튜브를 오븐에 넣고 고온 경화시키게 되는데, 온도가 올라가면서 반경화 상태의 CFRP 튜브층을 이루는 탄소섬유 프리프레그의 레진은 유동성을 가지게 되고, PPS 직물은 소재 특성상 열수축 거동을 보이게 되며, 이때 열수축력을 통해 유동성을 가지는 레진을 짜내는 효과를 기대할 수 있다.

이에, 상기 레진이 대각선으로 감아 올린 PPS 직물층 틈새 사이로 빠져나와 배출되므로 레진이 필요 이상으로 CFRP 튜브층 내부에 남는 것을 억제하여, CFRP 튜브층에 섬유함량을 높일 수 있다.

참고로, 아래 표 1에서 보듯이 상기 고탄성 CFRP는 스틸, 알루미늄, 유리섬유 등에 비해 강성값(GPa) 즉, 탄성계수값이 월등히 큰 고탄성 탄소섬유로 강화된 것을 의미하고, 고강도 CFRP는 강도값(MPa)이 월등히 큰 고강도 탄소섬유로 강화 된 것을 의미한다.

	스틸	알루미늄	유리섬유	고강도 탄소섬유	고탄성 탄소섬유
강도값(MPa)	1300	570	3800	4900	2600
강성값(GPa)	210	70	75	240	640

한편, 상기 CFRP 튜브층(10)의 양끝단부(90°고강도 CFRP로 강화된 부위)에 첨부한 도 5에서 보듯이 세레이션을 갖는 금속요크(30)를 접착제를 이용하여 압입 접착함으로써, 본 발명의 제1실시예에 따른 프로펠러 샤프트가 완성된다.

제2실시예

첨부한 도 2은 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트의 제2실시예로서, 고강도 CFRP를 이용하여 제조된 것을 나타낸 단면도이다.

도 2에서 보듯이, 본 발명의 제2실시예에 따른 프로펠러 샤프트는 제1실시예와 동일한 적층 구성을 가지되, 고탄성 CFRP 대신에 고강도 CFRP를 사용한 점에 특징이 있다.

도 2에서 보듯이, 본 발명의 제2실시예에 따른 프로펠러 샤프트는 외층(12)과 내층(14)을 포함하는 CFRP 튜브층(10)과, CFRP 튜브층(10)의 최외각층인 외층(12)에 성형되는 보호층(20)으로 구성되고, 상기 CFRP 튜브층(10)의 외층(12) 및 내층(14)이 각각 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 고강도 CFRP 재료로 랩핑되어 상호 적층 구성된 점에 특징이 있다.

먼저, 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 내층(14)을 형성한 후, 내층(14)의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 외층(12)을 형성함으로써, 외층(12)과 내층(14)이 상호 적층된 고강도의 CFRP 튜브층(10)이 제조된다.

이에, 상기 CFRP 튜브층(10)의 외층(12)을 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 13을 참조로 설명한 바와 같이 고유진동수를 높일 수 있고, 또한 상기 내층(14)을 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 14를 참조로 설명한 바와 같이 비틀림 강성을 높일 수 있다.

바람직하게는, 고강도 CFRP가 0°로 랩핑된 외층(12)과 고강도 CFRP가 45°로 랩핑된 내층(14) 간의 두께비는 70% : 30%로 정해진다.

위의 두께비를 70% : 30%로 정한 이유는 튜브 사이즈(1,200 mm × 80mm × 3mm)를 기준으로 프로펠러 샤프트가 구동 토크 환경에서 10GPa 이상의 전단 탄성계수 값을 요구할 때, 고강도CFRP만을 사용하여 튜브를 성형시 전단 탄성계수 값을 만족하면서 가장 높은 고유진동수를 낼 수 있는 두께비를 나타내기 때문이다.

상기한 제1실시예에서 설명한 바와 같이, 상기 보호층(20)은 내열성, 내화학성 내충격성이 뛰어난 열가소성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(예를 들어. 폴리페닐렌설파이트(PPS, Polyphenylene Sulfide))를 섬유화하여 만든 직물층으로 구성된다.

마찬자기로, 상기 CFRP 튜브층(10)의 양끝단부(90°고강도 CFRP로 강화된 부위)에 첨부한 도 5에서 보듯이 세레이션을 갖는 금속요크(30)를 접착제를 이용하여 압입 접착함으로써, 본 발명의 제2실시예에 따른 프로펠러 샤프트가 완성된다.

제3실시예

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트의 제3실시예로서, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP를 이용하여 제조된 것을 나타낸 단면도이다.

도 3에서 보듯이, 본 발명의 제3실시예에 따른 프로펠러 샤프트는 제1 및 제2외층(12a,12b)과 내층(14)을 포함하는 CFRP 튜브층(10)과, CFRP 튜브층(10)의 최외각층인 제2외층(12b)에 성형되는 보호층(20)으로 구성된다.

이때, 상기 CFRP 튜브층(10)의 내층(14)은 고강도 CFRP로 랩핑되고, 제1외층(12a) 및 제2외층(12b)은 각각 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP로 랩핑되어 상호 적층 구성된다.

먼저, 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 내층(14)을 형성한 후, 내층(14)의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 제1외층(12a)을 형성한 다음, 제1외층(12a)의 외면에 또 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 제2외층(12b)을 형성함으로써, 내층(14)에 제1외층(12a) 및 제2외층(12b)이 차례로 적층된 CFRP 튜브층(10)이 제조된다.

이에, 상기 CFRP 튜브층(10)의 제1 및 제2외층(12a,12b)을 각각 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 13을 참조로 설명한 바와 같이 고유진동수를 높일 수 있고, 또한 상기 내층(14)을 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 14를 참조로 설명한 바와 같이 비틀림 강성을 높일 수 있다.

바람직하게는, 상기 고탄성 CFRP가 0°로 랩핑된 제2외층(12b)과, 고강도 CFRP가 0°로 랩핑된 제1외층(12a)과, 고강도 CFRP가 45°로 랩핑된 내층(14) 간의 두께비는 50% : 20% : 30%로 정해진다.

위의 두께비를 50% : 20% : 30%로 정한 이유는 튜브 사이즈(1,200 mm × 80mm × 3mm)를 기준으로 프로펠러 샤프트가 구동 토크 환경에서 10GPa 이상의 전단 탄성계수 값을 요구할 때, 고탄성과 고강도 CFRP를 함께 사용하여 전단 탄성계수 값을 만족하면서 높은 고유진동수를 낼 수 있는 두께비를 나타내기 때문이다.

마찬자기로, 상기 CFRP 튜브층(10)의 양끝단부(90°고강도 CFRP로 강화된 부위)에 첨부한 도 5에서 보듯이 세레이션을 갖는 금속요크(30)를 접착제를 이용하여 압입 접착함으로써, 본 발명의 제3실시예에 따른 프로펠러 샤프트가 완성된다.

제4실시예

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 프로펠러 샤프트의 제4실시예로서, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP를 이용하여 제조된 것을 나타낸 단면도이다.

도 4에서 보듯이, 본 발명의 제4실시예에 따른 프로펠러 샤프트는 3개 이상의 외층과 내층을 포함하는 CFRP 튜브층(10)과, CFRP 튜브층(10)의 최외각 외층에 성형되는 보호층(20)으로 구성된다.

바람직하게는, 상기 CFRP 튜브층(10)의 외층은 내층(14)의 표면으로부터 제1 내지 제5외층(12a~12e)이 차례로 적층 구성된다.

이때, 상기 CFRP 튜브층(10)의 내층(14)은 프리프레그 공법에 의하여 고강도 CFRP로 랩핑되고, 제1외층 내지 제5외층(12a~12e)도 프리프레그 공법에 의하여 고탄성 CFRP와 고강도 CFRP가 교번으로 랩핑되어 상호 적층 구성된다.

예를 들어, 제1외층(12a)은 고탄성 CFRP, 제2외층(12b)은 고강도 CFRP, 제3외층(12c)은 고탄성 CFRP, 제4외층(12d)은 고강도 CFRP, 제5외층(12e)은 고탄성 CFRP로 랩핑되어 상호 적층된다.

먼저, 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 내층(14)을 형성한 후, 내층(14)의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP과 고강도 CFRP를 순차적으로 0°로 랩핑하여 제1외층 내지 제5외층(12a~12e)을 형성함으로써, 내층(14)에 제1외층 내지 제5외층(12a~12b)이 차례로 적층된 CFRP 튜브층(10)이 제조된다.

이때, 튜브 전체 두께를 기준으로 고강도 CFRP를 45°로 랩핑한 내층(14)이 전체 두께의 30%, 고강도 CFRP를 0°로 랩핑시킨 제2외층(12b) 및 제 4외층(12d)이 20%, 나머지 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑시킨 제1,3,5외층(12a,12c,12e)이 50%를 정해지며, 그 이유는 튜브 사이즈(1,200 mm × 80mm × 3mm)를 기준으로 프로펠러 샤프트가 구동 토크 환경에서 10GPa 이상의 전단 탄성계수 값을 요구할 때, 고탄성 과 고강도 CFRP를 함께 사용하여 전단 탄성계수 값을 만족하면서 가장 높은 고유진동수를 낼 수 있는 두께비를 나타내기 때문이다.

이에, 상기 CFRP 튜브층(10)의 제1 내지 제5외층(12a~12e)을 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 13을 참조로 설명한 바와 같이 고유진동수를 높일 수 있고, 또한 상기 내층(14)을 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 구성함으로써, 상기에서 도 14를 참조로 설명한 바와 같이 비틀림 강성을 높일 수 있다.

마찬자기로, 상기 CFRP 튜브층(10)의 양끝단부(90°고강도 CFRP로 강화된 부위)에 첨부한 도 5에서 보듯이 세레이션을 갖는 금속요크(30)를 접착제를 이용하여 압입 접착함으로써, 본 발명의 제4실시예에 따른 프로펠러 샤프트가 완성된다.

시험예

상기한 제1 내지 제4실시예를 비롯하여 비교예 1 내지 4에 의하여 제조된 프로펠러 샤프트에 대하여 물성(인장탄성, 전단탄성, 밀도, 고유진동수, 비틀림 강성) 시험을 통상의 장비를 이용하여 실시하였다.

이때, 상기한 제1 내지 제4실시예에 따른 프로펠러 샤프트의 구성 중 보호층은 시험의 용이성을 위하여 제거한 채 물성 시험을 실시하였다.

비교예 1에 따른 프로펠러 샤프트는 내층을 스틸재로 적용하고, 제1외층을 0°로 랩핑된 유리섬유층으로 구성하는 동시에 제2외층을 0°로 랩핑된 고강도 CFRP로 적용하여 제작하였다.

비교예 2에 따른 프로펠러 샤프트는 내층을 알루미늄으로 적용하고, 제1외층을 0°로 랩핑된 유리섬유층으로 구성하는 동시에 제2외층을 0°로 랩핑된 고강도 CFRP로 적용하여 제작하였다.

비교예 3에 따른 프로펠러 샤프트는 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 15°로 와인딩하여 제작하였다.

이와 같은 제1 내지 제4실시예를 비롯하여 비교예 1 내지 3에 대한 시험 결과는 첨부한 도 6 내지 12에 도시된 바와 같다.

본 발명의 각 실시예에 따른 프로펠러 샤프트는 인장탄성을 비롯하여 고유진동수 및 비틀림 강성(도 6 내지 도 9의 표 참조)이 비교예 1 내지 3에 따른 프로펠러 샤프트의 인장탄성을 비롯한 고유진동수 및 비틀림 강성(도 10 내지 도 12의 표 참조)에 비하여 높음을 알 수 있었다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 적층 각도에 제한이 없는 프리프레그 랩핑 공법의 장점을 활용하여, 2개층 이상이 서로 다른 랩핑각도로 적층된 CFRP 튜브층과, CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층으로 구성되고, 고유진동수 및 비틀림 강성을 극대화할 수 있는 프로펠러 샤프트를 제공할 수 있다.

10 : CFRP 튜브층
12 : 외층
12a : 제1외층
12b : 제2외층
12c : 제3외층
12d : 제4외층
12e : 제5외층
14 : 내층
20 : 보호층
30 : 금속 요크

Claims

삭제
고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층;
상기 CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층;
을 포함하고,
상기 CFRP 튜브층은:
프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 외층으로 구성되며,
상기 고탄성 CFRP가 0°로 랩핑된 외층과 고탄성 CFRP가 45°로 랩핑된 내층 간의 두께비는 70% : 30%로 정해진 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.
삭제
고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층;
상기 CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층;
을 포함하고,
상기 CFRP 튜브층은:
프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 외층으로 구성되며,
상기 고강도 CFRP가 0°로 랩핑된 외층과 고강도 CFRP가 45°로 랩핑된 내층 간의 두께비는 70% : 30%로 정해진 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.
삭제
고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층;
상기 CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층;
을 포함하고,
상기 CFRP 튜브층은:
프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 동일한 재료인 고강도 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 제1외층과, 제1외층의 외면에 또 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP를 0°로 랩핑하여 형성된 제2외층으로 구성되며,
상기 고탄성 CFRP가 0°로 랩핑된 제2외층과, 고강도 CFRP가 0°로 랩핑된 제1외층과, 고강도 CFRP가 45°로 랩핑된 내층 간의 두께비는 50% : 20% : 30%로 정해진 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.
삭제
고강도 CFRP 또는 고탄성 CFRP, 고강도 CFRP 및 고탄성 CFRP가 프리프레그 랩핑 공법에 의하여 서로 다른 랩핑각을 가지면서 2개 이상의 층으로 적층된 CFRP 튜브층;
상기 CFRP 튜브층을 보호하기 위하여 CFRP 튜브층의 최외각층에 성형되는 보호층;
을 포함하고,
상기 CFRP 튜브층은:
프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고강도 CFRP를 45°로 랩핑하여 형성된 내층과, 내층의 외면에 다시 프리프레그 랩핑 공법을 이용하여 고탄성 CFRP과 고강도 CFRP를 순차적으로 0°로 랩핑하여 형성된 제1외층 내지 제5외층으로 구성되며,
상기 내층을 구성하는 고강도 CFRP는 전체 두께의 30%, 제2외층 및 제4외층을 구성하는 고강도 CFRP의 두께는 전체의 20% 비율로 정해지고, 나머지 제1,3,5외층을 구성하는 고탄성 CFRP의 두께도 전체의 50%로 정해진 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.
삭제
청구항 2,4,6,8 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 보호층은 열가소성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱의 일종인 폴리페닐렌설파이트(PPS)를 섬유화하여 만든 직물층으로 구성된 것임을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.
청구항 2,4,6,8 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 CFRP 튜브층의 양단부에는 금속 요크가 스플라인 결합되며 압입 체결되는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.
청구항 2,4,6,8 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 CFRP의 양단부에는 튜브 두께의 2배만큼 90°로 CFRP 랩핑이 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 프로펠러 샤프트.