KR101999277B1 - 자동차용 cfrp 프로펠러샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로펠러샤프트 전체의 경량화가 가능하면서 회전력 전달에 지장이 없게 되므로 자동차 전체 무게를 줄여 연비향상에 기여할 수 있고, 복합소재가 가지는 높은 비강도, 비탄성률, 뛰어난 정적강도와 피로특성 및 우수한 내마찰과 내마모 특성에 의하여 우수한 내구성을 유지할 수 있으면서 진동과 충격을 흡수하여 쾌적한 승차감을 유지할 수 있도록 한 것으로서;
소정의 길이로 구비되는 관체 형상의 샤프트와, 상기 샤프트의 양측에 연결되는 튜브요크로 구성되는 자동차용 프로펠러샤프트에 있어서;
상기 샤프트를 CFRP(복합소재, Carbon Fiber Reinforced Plastics)재질로 구성하고, 샤프트 양측에 일체로 다각형상의 샤프트접합관을 형성하여 샤프트접합관의 외경이 금속재질의 튜브요크에 다각형상으로 형성되는 요크접합관의 내경에 삽입되어 접착제로 접합하여 구성하는 것이 특징이다.

Description

자동차용 CFRP 프로펠러샤프트{CFRP PROPELLER SHAFTS FOR VEHICLE}

본 발명은 자동차용 CFRP 프로펠러샤프트에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 금속재질의 튜브요크와 중공관체 형상의 CFRP튜브로 이원화 한 후 결합하여 자동차용 프로펠러샤프트를 완성할 수 있도록 한 신규한 CFRP 프로펠러샤프트의 제공에 관한 것이다.

자동차용 프로펠러 샤프트(Propeller shaft)는 4륜 구동 방식 또는 프런트 엔진 리어 드라이브(FR: FrontEngine 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.

이러한 프로펠러 샤프트는 강력한 비틀림을 받으면서 고속으로 회전하기 때문에 이를 견딜 수 있도록 속이 빈 강관을 이용하여 전체적으로 그 질량이 평행되게 제조되는 데, 근자에 들어서는 튜브와 시브이조인트 및 유니버설조인트등 주요부가 모두 금속재로 구성되기 때문에 전체 무게가 상당하여 차량의 경량화와 더불어 연비 향상을 위해 복합소재를 사용하는 경향이 크다.

복합소재를 사용하는 경우 금속재질와 복합소재(CFRP)간 결합이 중요하게 작용하는 데, 선행기술의 내용을 문헌을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

문헌 1은, 중공 형상의 코어 샤프트(10); 상기 코어 샤프트(10)의 양측에 연결되는 결합 샤프트(20); 및 상기 코어 샤프트(10)와 상기 결합 샤프트(20)의 외주면을 둘러싸는 형태로 결합되는 샤프트 커버(30);를 포함하며,

상기 샤프트 커버(30)는 상기 결합 샤프트(20)의 외주면 상에 형성된 체결 돌기(24)에 결속되며, 상기 결합 샤프트(20)는, 샤프트 세레이션부(21), 상기 샤프트 세레이션부(21)의 일측으로부터 축방향을 따라 연장되는 샤프트 헤드(22), 상기 샤프트 헤드(22)에 축방향을 따라 연장되는 코어 결합체(25), 및 상기 샤프트 헤드(22)의 외주면 상에 결합되는 체결 돌기(24)를 포함하는 구성이다.

문헌 2는, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 파이프의 보강을 위해 상기 CFRP 파이프와 금속 파이프를 억지 끼워맞춤식으로 결합시키는 장치에 있어서,

상기 CFRP 파이프 또는 상기 금속 파이프 중 적어도 하나를 지지하고 있으며, 결합이 이루어지는 작업 위치로 이동시킬 수 있는 지지이동수단; 상기 금속 파이프의 일단에 결합된 펌프 연결수단에 의해 상기 금속 파이프와 연통되게 연결되는 진공펌프; 및 상기 금속 파이프의 내부와 상기 CFRP 파이프의 내부가 연통되도록 상기 금속 파이프의 타단에 상기 CFRP 파이프의 일단이 설정 깊이 삽입되면, 상기 CFRP 파이프의 타단에 밀착되어 상기 CFRP 파이프 내부를 외부와 차폐시키는 차폐수단을 포함하며, 상기 진공펌프가 상기 금속 파이프와 연통되게 연결된 상기 CFRP 파이프 내부를 진공 흡입하여 수축시켜 상기 금속 파이프의 내부로 상기 CFRP 파이프의 삽입을 보조하게 하고 있다.

(문헌 1) 특허 제 10 - 1523617 - 0000 호 (문헌 2) 특허 제 10 - 1564613 - 0000 호

상기와 같은 선행기술에서 문헌 1은 코어샤프트 외면에 결합되는 샤프트커버를 CFRP재질로 구성하고, 결합샤프트와 코어샤프트 및 샤프트커버의 결합을 스플라인홈과 체결돌기에 의하여 이루어지도록 하고 있다.

이러한 선행기술의 경우에는 코어샤프의 외부에 CFRP재질의 샤프크커버를 결합하고, 다시 양측에 결합샤프트를 결합하는 복잡한 구조를 가지기 때문에 제조원가가 상승하는 것은 물론, 제조의 용이성을 가지지 못하면서 제조에 많은 시간이 소요되는 단점과 더불어 경량화의 목적을 달성하는 것이 불가능하게 되는 최대의 문제점이 발생하게 된다.

문헌 2는, 금속파이프와 CFRP파이를 결합하기 위한 장치의 제공에 관한 것이고, CFRP와 조인트 등의 연결에 관한 내용은 없으나, 내용과 도면상 파악되는 바로는 금속파이프와 CFRP파이프가 양분된 형태의 구성으로 확인되므로 이 역시 경량화의 목적에 근접하지 못하고 있음을 확인할 수 있어 문헌 1의 근본적인 문제와 동일한 문제로부터 자유롭지 못하고 있는 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 프로펠러 샤프트를 구성하는 튜브를 CFRP재질로 구성하고 양측에 금속재질의 요크를 플랜지와 볼트 및 너트 등을 이용하여 결합하는 방식을 취하고 있는 경향이 있으나, CFRP튜브와 요크의 연결(결합)부위가 비틀림 강성에 가장 큰 영향을 받기 때문에 장기간 사용 시 균열이 발생 되어 회전력을 정상적으로 전달할 수 없게 되고, 고속회전시 비틀림 및 진동에 효과적으로 대응하지 못하여 쉽게 변형되거나 기하학적 중심과 질량적 중심의 불일치로 인한 휠 링과 같은 굽힘 진동을 유발하게 되는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 소정의 길이로 구비되는 관체 형상의 샤프트와, 상기 샤프트의 양측에 연결되는 튜브요크로 구성되는 자동차용 프로펠러샤프트에 있어서;

상기 샤프트를 CFRP(복합소재, Carbon Fiber Reinforced Plastics)재질로 구성하고, 샤프트 양측에 일체로 다각형상의 샤프트접합관을 형성하여 샤프트접합관의 외경이 금속재질의 튜브요크에 다각형상으로 형성되는 요크접합관의 내경에 삽입되어 접착제로 접합하여 구성함으로서;

프로펠러샤프트 전체의 경량화가 가능하면서 회전력 전달에 지장이 없게 되므로 자동차 전체 무게를 줄여 연비향상에 기여할 수 있고, 복합소재가 가지는 높은 비강도, 비탄성률, 뛰어난 정적강도와 피로특성 및 우수한 내마찰과 내마모 특성에 의하여 우수한 내구성을 유지할 수 있으면서 진동과 충격을 흡수하여 쾌적한 승차감을 유지할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 요크튜브와 CFRP튜브의 새로운 결합방법을 제시하고 그 방법으로 얻어진 프로펠러샤프트를 제공함으로서 제조의 용이성과 제조비용을 절감하여 대외적인 경쟁력을 높일 수 있는 효과를 가진다.

요크튜브와 CFRP튜브의 결합으로 프로펠러샤프트의 경량화를 가능하게하여 자동차 전체 경량화와 연비절감에 기여할 수 있는 것은 물론, 결합력의 증대로 고속회전과 비틀림에 대한 내구성을 향상시켜 수명을 길게하면서 품질을 높이는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명인 튜브요크와 CFRP튜브가 결합된 상태의 CFRP 프로펠러샤프트의 사시도.
도 2는 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 분해 상태의 사시도.
도 3은 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 A - A선을 따라서 취한 단면도.
도 4는 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 B - B선을 따라서 취한 단면도.
도 5는 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 다른 결합상태를 도시한 단면 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명인 튜브요크와 CFRP튜브가 결합된 상태의 CFRP 프로펠러샤프트의 사시도, 도 2는 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 분해 상태의 사시도, 도 3은 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 A - A선을 따라서 취한 단면도, 도 4는 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 B - B선을 따라서 취한 단면도, 도 5는 본 발명인 CFRP 프로펠러샤프트의 튜브요크와 CFRP튜브의 다른 결합상태를 도시한 단면 구성도로서 함께 설명한다.

통상적인 자동차용 프로펠러샤프트(100)는 소정의 길이로 구비되는 관체 형상의 샤프트(101)와, 상기 샤프트의 양측에 연결되는 튜브요크(102)로 구성되어진다.

본 발명에서는 상기 샤프트(101)를 CFRP(복합소재, Carbon Fiber Reinforced Plastics)재질로 구성하고, 상기 CFRP재질의 샤프트(101) 양측에는 금속재질의 튜브요크(102)를 접합하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기 튜브요크(102)를 구성하는 조인트(103)의 후방에 일체로 형성되는 요크접합관(105)에 CFRP재질의 샤프트(101) 양측에 일체로 형성되는 샤프트접합관(106)을 접합하여 동력전달에 지장이 없으면서 경량화가 가능하도록 한다.

상기 요크접합관(105)의 외경에 샤프트접합관(106)의 내경이 접합되도록 할 경우에는 회전력 발생시 비틀림 토크에 의하여 샤프트접합관(106)이 파손되거나 쉽게 변형되어 동력전달이 용이하지 못하기 때문에 바람직하지 않고, 요크접합관(105)의 내경(107)에 샤프트결합관(106)의 외경(108)에 삽입되어 접합되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 요크접합관(105)의 내경(107)과 샤프트접합관(106)의 외경(108)은 동력전달의 용이성을 가질 수 있도록 다각형상을 가지도록 하는 것이 좋은 데, 삼각형상의 경우 동력전달성은 좋을 수 있으나 샤프트접합관(106)과 일체로의 성형의 어려움이 있고, 팔각형 이상의 다각형일 경우에는 성형은 유리할 수 있으나 접합면적의 축소로 인한 동력전달 효율성이 의문시되므로 사각형에서 팔각형 사이가 가장 적합하다.

상기 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106)에 형성되는 다각형을 이루는 각각의 면(109)과 면(109) 사이의 연결부는 각형으로 구성하지 않고 라운드(R)를 가지도록 형성하여 샤프트접합관(106)의 성형을 용이하게 하면서 접합후 동력전달시 각형에 의하여 샤프트접합관(106)의 각형부에 하중과 응력이 집중되지 않고 분산시켜 손상과 변형을 방지할 수 있도록 하는 것이 좋다.

상기 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106)의 접합길이(L)는 30㎜ ±5㎜가 바람직한데, 30㎜ 이하의 길이를 가질 경우에는 접합력이 취약하여 동력전달 과정에서 발생하는 비틀림에 대한 내성이 취약하여 동력전달 효율성이 저하되고, 30㎜ 이상의 길이를 가질 경우에는 접합력을 증대할 수 있으나 불필요하게 긴 길이를 가짐으로서 무게 증가로 인하여 경량화에 배치되고 원가 상승의 원인이 되므로 좋지 않다.

상기 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106)은 치수오차 없이 긴밀한 결합(접합)이 이루어지게 할 경우에는 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106)을 접합하는 데 사용하는 접착제가 균일하게 분포되지 못하는 결과를 초래하므로 접착제가 충분하게 분포될 수 있도록 5/100의 공차를 유지하여 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106) 사이의 공극에 접착제(110)가 침투하여 접착성을 증대시킬 수 있도록 한다.

상기 샤프트접합관(106)의 내경부에는 동력전달시 요크접합관(105)과 함께 회전하는 과정에서 회전력이 샤프트접합관(106)으로 전달되어 비틀림에 의한 변형이나 손상을 방지할 수 있도록 샤프트접합관(106)의 내경형상과 동일한 형상의 보강재(115)를 더 내장하여도 된다.

상기 보강재(115)는 경량재질이면서 쉽게 변형되지 않는 것이 좋으며, 샤프트접합관(106) 내경에 삽입하는 형태는 물론, 요크접합관(105)에서 일체로 형성하는 등 다양한 형태로 구성하는 것이 가능할 것이다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 자동차용 CFRP 프로펠러샤프트(100)의 사용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기술이 적용된 자동차용 CFRP 프로펠러샤프트(100)는, 자동차의 앞부분에 엔진이 있어 후륜으로 구동하게 되는 FR 자동차의 경우에는 트랜스미션으로부터 파이널 드라이브까지 동력을 전달하여야 하는데 사용하게 된다.

자동차용 프로펠러샤프트(100)를 구성하는 샤프트(101)를 CFRP(복합소재, Carbon Fiber Reinforced Plastics)재질로 구성하고, 상기 샤프트(101)의 양측에 금속재질의 튜브요크(102)를 접합하여 구성함으로서 얻을 수 있는 장점에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

샤프트(101)를 CFRP(복합소재, Carbon Fiber Reinforced Plastics)재질로 구성하여 엔진의 동력을 손실 없이 전달할 수 있는 기본적인 목적을 충실하게 달성하면서 가볍기 때문에 프로펠러샤프트(100) 전체의 경량화가 가능하게 된다.

이와 같이 프로펠러샤프트(100) 전체의 경량화가 가능하면서 회전력 전달에 지장이 없게 되므로 결국에는 자동차 전체 무게를 줄여 연비향상에 기여할 수 있게 되는 것은 물론, 복합소재가 가지는 높은 비강도, 비탄성률, 뛰어난 정적강도와 피로특성 및 우수한 내마찰과 내마모 특성에 의하여 금속재질로 샤프트를 구성하였을 때와 비교하여도 대동소이하거나 또는 더 우수한 내구성을 유지할 수 있는 장점을 가지게 된다.

그리고, 자동차를 주행하는 과정에서 발생하는 진동과 충격을 전달받더라도 경량체로 구성되어 진동과 충격이 더 심화되는 현상을 방지하게 되므로 쾌적한 승차감을 유지할 수 있는 등 다양한 장점을 가지는 발명이다.

100; 자동차용 CFRP 프로펠러샤프트
101; 샤프트
102; 튜브요크
105; 요크접합관
106; 샤프트접합관
110; 접착제
115; 보강재

Claims (3)

1. 관체 형상의 샤프트(101)와, 상기 샤프트의 양측에 연결되는 튜브요크(102)로 구성되는 자동차용 프로펠러샤프트(100)의 샤프트(101)를 CFRP(복합소재, Carbon Fiber Reinforced Plastics)재질로 구성하고, 샤프트(101) 양측에 일체로 다각형상의 샤프트접합관(106)을 형성하여 샤프트접합관(106)의 외경(108)이 금속재질의 튜브요크(102)에 다각형상으로 형성되는 요크접합관(105)의 내경(107)에 삽입되어 접착제(110)로 접합하여 구성함에 있어서;
   상기 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106)의 접합길이(L)는 30㎜ ±5㎜이고, 상기 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106)은 치수오차는 5/100의 공차를 유지하여 요크접합관(105)과 샤프트접합관(106) 사이의 공극에 접착제(110)가 침투하여 접착성을 증대시키도록 하고;
   상기 샤프트접합관(106)의 내경부에는 동력전달시 비틀림에 의한 변형이나 손상을 방지할 수 있도록 샤프트접합관(106)의 내경형상과 동일한 형상의 보강재(115)를 더 내장하는 것을 특징으로 하는 자동차용 CFRP 프로펠러샤프트.
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