KR102208732B1 - 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법 - Google Patents

지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법 Download PDF

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박경우
황영일
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호서대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보자력이 낮추어 센싱 감도를 향상시킨 콜렉터 링을 제공함으로써 토크센서의 성능을 향상시킨 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 차량의 전동식 조향장치를 구성하는 토크센서에 포함되어 핸들의 조향각도 및 조향력을 감지하는 콜렉터 링에 있어서, 상기 콜렉터 링은, 니켈을 35~80% 포함한 니켈-철 합금인 퍼멀로이(permalloy)를 소재로 하여 형성되되, 퍼멀로이 소재를 통해 제조된 이후 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 수소열처리와, 질소가열로의 내부 온도를 720 ~ 780℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 질소열처리를 순차적으로 진행한 후 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법{Collector ring of torque sensor for intelligent electric steering and manufacturing method}
본 발명은 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보자력이 낮추어 센싱 감도를 향상시킨 콜렉터 링을 제공함으로써 토크센서의 성능을 향상시킨 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 조향장치는 차량에 설치되어 차량의 방향을 제어하는데 사용되는 것으로, 모터의 위치에 따라 크게 세 가지 타입으로 구분된다.
세 가지 타입 중 하나로서 모터가 스티어링 휠 쪽에 연결되는 ‘C-TYPE’이 있는데, 구조가 단순하고 모터가 엔진룸 근처에 위치하지 않아 내구성 및 공간 확보가 유리한 장점이 있다. 다만 바퀴와의 거리가 멀고 그 사이에 다양한 장치들이 배치되기 때문에 최적의 응답성을 보장하기 어려운 단점이 있다. 또한 큰 힘을 견딜 수 없기 때문에 중형 또는 대형차와 같이 차량 자체의 무게가 많이 나가는 차에는 사용이 어려운 단점이 있다.
다른 타입의 조향장치로서 바퀴 쪽에 연결돼 모터의 구동력을 직접적으로 전달하는 ‘R-TYPE’은 그만큼 효율과 출력이 우수해 조향 성능을 크게 높일 수 있다. 하지만 엔진룸 근처에 모터가 위치하기 때문에 공간 활용이 불리한 단점이 있다. 따라서 주로 중형 또는 대형차 또는 스포츠 유틸리치(UV)에 적용된다.
또 다른 타입의 조향장치로 모터가 스티어링 휠과 바퀴 사이쯤에 연결되는 ‘P-TYPE’은 상기 ‘C-TYPE’과 ‘R-TYPE’의 장점을 조합한 형태이다.
이러한 조향장치는 자율주행기술 구현에서 전자제어장치(ECU)의 명령을 실행하기 위한 필수적인 장치이며, 종래 유압식 조향장치가 운전자가 스티어링 휠을 돌리면 그 방향에 맞추어 오일펌프가 오일을 높은 압력으로 보내며 유압으로 스티어링 휠을 돌리는데 힘을 가해주는 것이다. 이러한 종래 유압식 조향장치는 전자 장비 없이 기계적으로 움직이고 출시된지 오래된 기술이기 때문에 완성도가 높은 기술이다. 그러나 오일 저장통, 오일을 보내는 이송관, 오일을 펌핑하는 펌프, 밸브 등 필요한 부품이 많고 구조가 복잡하며, 이로 인해 정비의 난이도가 높은 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하고자 제안된 기술이 전동유압식 파워 스티어링(EHP)인데, 가장 큰 기술적인 특징은 별도의 모터로 유압펌프를 가동시키는 기술이다. 전동유압식 파워 스티어링의 가장 큰 장점은 유압식펌프의 위치를 자유롭게 배치할 수 있고 이로 인해 정비의 난이도가 낮아지는 장점이 있으나 차량이 모터 때문에 무거워지고 유압식에 복잡한 구조를 거의 대부분 그대로 사용하기 때문에 소형차보다는 무게 증가에 별 영향이 없는 대형차에 사용되었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 기술이 전동식 조향장치(MDP : motor driven power teering)이다. 전동식 조향장치는 모터에서 바로 힘을 전달하기 때문에 상기 유압식에 비해 구조가 단순하기 때문에 차량의 경량화가 가능하고 연비를 증가시킬 수 있고 동시에 정비의 난이도도 낮아지는 장점이 있다.
이러한 전동식 조향장치의 구조는 스티어링 구동용 전동기류, 조향 토크센서, 제어용 ECU 등을 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 조향 토크센서는 입력단과 출력단 사이에 있는 토션바의 비틀림을 감지하는 것으로, 운전자가 핸들을 돌리는 힘과 방향을 감지하는 것이다. 즉, 통상적인 변위센서와 동일한 것인데 자동차 업계에서는 토크센서로 지칭하기 때문에 이하의 설명에서도 토크센서라고 지칭한다.
전동식 조향장치에서 토크센서는 조향각과 조향력을 감지하는 핵심부품으로써 특히 조향각과 조향력을 민감하게 측정할 수 있는 센싱감도를 향상시키는 것이 매우 중요하다.
토크센서에서 조향각과 조향력을 감지하는 부품으로 출력단에 구비되는 콜렉터 링이 있는데, 상기 콜렉터 링은 보자력(保磁力)이 적어야 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
그러나 종래의 콜렉터 링은 주로 실리콘 강판을 소재로 하여 형성하기 때문에 보자력에 의한 센싱 감도가 낮아질 수 밖에 없어 새로운 소재로 제조하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 콜렉터 링이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1203875호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 센싱 감도를 향상시킨 콜렉터 링을 제공하되, 상기 콜렉터 링을 보자력을 낮출 수 있는 퍼멀로이를 소재로 하여 제조하고 제조된 콜렉터 링을 수소열처리와 질소열처리를 통해 표면 열처리를 처리하여 보자력을 낮추어 센싱 감도를 높이고 내구성을 높인 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 먼저 차량의 전동식 조향장치를 구성하는 토크센서에 포함되어 핸들의 조향각도 및 조향력을 감지하는 콜렉터 링에 있어서,
상기 콜렉터 링은,
니켈을 35~80% 포함한 니켈-철 합금인 퍼멀로이(permalloy)를 소재로 하여 형성되되,
퍼멀로이 소재를 통해 제조된 이후 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 수소열처리와, 질소가열로의 내부 온도를 720 ~ 780℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 질소열처리를 순차적으로 진행한 후 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수소열처리는,
퍼멀로이 소재로 제조된 콜렉터 링이 투입되는 수소가열로를 통해 이루어지되,
상기 수소가열로는,
열원을 통해 6시간(hour) 동안 가열하여 내부 온도가 1050 ~ 1100℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하고, 가열된 수소가열로의 내부 온도가 1050 ~ 1100℃로 4시간(hour)동안 유지시키면서 콜렉터 링의 표면을 열처리하고,
수소가열로의 내부 온도를 3시간(hour) 동안 720 ~ 750℃가 되도록 냉각시키고, 이후 수소가열로의 내부 온도를 7시간(hour) 동안 실온이 되도록 강제 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소열처리는,
상기 수소열처리를 통과한 퍼멀로이 소재로 제조된 콜렉터 링이 투입되는 질소가열로를 통해 이루어지되,
상기 질소가열로는,
열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하고, 가열된 질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하면서 콜렉터 링의 표면을 열처리하고,
질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링의 제조방법은, 설계된 규격에 따라 재단 또는 절단하여 콜렉트 링을 제조하는 제조단계;
상기 제조단계를 통해 제조된 콜렉트 링을 수소가열로에 투입하여 열처리하는 수소열처리단계;
상기 수소열처리단계를 통과한 콜렉트 링을 질소가열로에 투입하여 열처리하는 질소열처리단계;를 포함하고,
상기 수소열처리단계는,
수소가열로를 6시간(hour) 동안 가열시켜 내부 온도를 1050 ~ 1100℃범위를 가지도록 상승시키는 수소로히팅단계와,
가열된 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내에서 4시간(hour) 유지시키는 수소로유지단계와,
수소가열로의 내부 온도가 720 ~ 750℃가 되도록 3시간(hour) 범위내에서 냉각시키는 수소로자연냉각단계와,
수소가열로의 내부 온도가 실온이 되도록 7시간(hour) 범위내에서 강제 냉각시키는 수소로강제냉각단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소열처리단계는,
열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하는 질소로히팅단계와,
질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하는 질소로유지단계와,
질소의 투입을 차단한 상태에서 질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 질소로자연냉각단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명은 보자력이 낮아 센싱 감도를 향상시킴으로써 토션바의 각도 및 회전하는 힘을 민감하게 감지할 수 있고, 수소열처리와 질소열처리 단계를 거치면서 표면의 강도를 향상시켜 내구성을 높인 효과가 있다.
특히 퍼멀로이를 소재로 하여 콜렉터 링을 제조함에 있어 열처리의 과정이 가장 어려운 공정인데, 본 발명에서는 열처리 과정을 수소열처리와 질소열처리 과정으로 분할하여 진행하고 각각의 열처리 과정에서 상호 다른 열처리조건을 통해 콜렉터 링을 열처리함으로써 퍼멀로이 소재에 의해 제조된 콜렉터 링의 보자력을 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링을 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링의 제조방법을 도시한 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링의 제조방법에서 수소열처리 과정을 도시한 예시도.
도 4는 도 3에 따른 수소열처리 과정에서 온도 변화를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링의 제조방법에서 질소열처리 과정을 도시한 예시도.
도 6은 도 5에 따른 질소열처리 과정에서 온도 변화를 도시한 그래프.
이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 및 그 제조방법의 바람직한 구현예를 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 중앙이 빈 링 형상으로 이루어지고 일측에 한 쌍의 결합단자가 구비된다.
이러한 콜렉터 링(1)의 형상 및 결합단자의 위치, 그리고 개수는 토크센서에서 요구하는 형태에 따라 변경 가능한 것으로 도시된 형태에 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명의 상기 콜렉터 링(1)은 니켈을 35~80% 포함한 니켈-철 합금인 퍼멀로이(permalloy)를 소재로 하여 형성되되, 퍼멀로이 소재를 통해 제조된 이후 최고온도 1050 ~ 1100℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 수소열처리와, 720 ~ 780℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 질소열처리를 순차적으로 진행한 후 형성된다.
여기서 퍼멀로이는 상술한 바와 같이 니켈(nickel)과 철(iron)을 혼합한 합금으로써, 낮은 보자력과 고투자율의 특성을 갖고, 자기차폐 효과가 높고, 미세한 압력(자계)대비 출력(자화)가 큰 특징이 있다.
이러한 퍼멀로이는 열처리 됨으로써 자기적 성질, 기계적 성질이 제어되는 것으로, 고투자율을 이끌어 내기 위한 자성가열냉각과 가공성을 높이기 위한 왜곡제거 가열냉각을 한다.
자성가열냉각은 자구(자화의 단위인 원자의 자기모멘트의 방향이 모인 소구역)의 움직임에 방해가 되는 것을 제거하고 외부자계에 의한 자벽의 이동, 자구의 회전을 용이하게 하며, 연자성의 향상 특히 고투자율을 이끌어내기 위한 필수적인 처리이다.
또 상기 왜곡제거 가열냉각은 재결정 온도이상의 가열로 재결정하는 것에 의해 가공이력, 열이력에 의한 잔류응력을 제거하고 기계가공 및 소성가공을 용이하게 처리하기 위한 것으로, 자성가열냉각에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 이루어진다.
본 발명에서는 상기 자성가열냉각을 수소가열로를 통해 수소열처리하며, 왜곡제거 가열냉각은 질소가열로를 통해 질소열처리한다.
상기 수소열처리와 질소열처리를 좀 더 상세히 살펴보면, 먼저 수소열처리는 퍼멀로이 소재를 통해 제조된 콜렉터 링을 수소가열로로 투입한다.
이후, 수소가열로는 열원을 통해 내부 온도를 상승시키되, 열원을 통해 6시간(hour) 동안 가열하여 내부 온도가 1050 ~ 1100℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하고, 가열된 수소가열로의 내부 온도가 1050 ~ 1100℃로 4시간(hour)동안 유지시키면서 콜렉터 링의 표면을 열처리한다.
상기 수소열처리를 통해 외부자계에 의한 자벽의 이동, 자구의 회전을 용이하게 하며, 연자성을 향상시키고 특히 고투자율을 특성을 가지는 콜렉터 링을 형성할 수 있다.
특히, 열원을 통해 수소가열로의 내부 온도를 가열시키고 가열된 온도를 유지하는 과정 즉, 풀림열처리(Annealing)과정은 퍼멀로이를 소재로 제조된 콜렉터 링이 응력이 집결되는 과정이다.
상기 풀림열처리 과정 이후에 자연냉각 및 강제냉각을 통해 수소가열로의 온도를 낮추는데, 여기서 자연냉각의 진행시간과 온도 범위를 제한하여 급격한 온도 변화에 의해 콜렉터 링의 표면이 파손되는 것을 방지한다.
그리고 퍼멀로이를 구성하는 니켈의 함유량에 따라서 가열온도 및 유지온도를 상술한 온도범위 내에서 조절하는데 일 예로 니켈의 함유량이 최대치인 80%인 경우 가열온도 및 유지온도도 범위 내의 최고 온도인 1100℃ 이내로 유지되도록 한다.
이후 수소가열로의 내부 온도를 3시간(hour) 범위내에서 720 ~ 750℃가 되도록 냉각시키고, 이후 수소가열로의 내부 온도를 7시간(hour) 범위내에서 실온이 되도록 강제 냉각시키는 냉각과정이 이루어진다.
먼저 자연냉각 과정은 수소가열로의 히팅을 중지한 후 수소가열로 내부 온도가 720 ~ 750℃되도록 서서히 자연 냉각시키는 과정으로서 이를 위해 수소가열로의 도어 또는 환풍구 등을 개방하여 외부 공기가 수소가열로의 내부로 유입되고 수소가열로 내부의 고온 공기는 외부로 배출되도록 하는 자연 냉각을 통해 이루어진다.
이러한 자연냉각은 열처리 과정에서 고온에 장시간 노출된 콜렉터 링이 급격한 온도 변화에 따른 표면 손괴를 방지하기 위한 것이며, 외부 온도 또는 수소가열로의 내부 온도 변화에 따라 공기를 순환시킬 수 있는 순환팬을 설치 및 가동시켜 냉각 효율을 높일 수 있다.
다음으로 강제 냉각과정은 수소가열로의 내부 온도를 실온이 될 때까지 냉각시키기 위한 것으로, 여기서 강제 냉각과정을 위한 시간은 최대 7시간 이내로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 7시간을 초과하면서 냉각팬을 가동시켜 강제 냉각을 진행하게 되면 열처리 된 콜렉터 링의 표면 경화가 발생할 수 있기 때문이다.
상기 수소가열로 및 후술하는 질소가열로는 각각 열처리 가열로(加熱爐)로서 각각의 가열로에서 가열시 수소 또는 질소를 함유하는 혼합 기체를 가열로 내부에 투입하여 배치된 콜렉터 링을 열처리하는 것이다.
이러한 가열로의 구조 및 가열로 내부의 분위기를 감지하는 센서, 그리고 센서를 통해 감지된 분위기에 따라 온도 제어 및 수소 또는 질소가 혼합된 혼합기체의 공급을 제어하는 제어부의 구조 및 동작관계는 공지의 것이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 질소열처리는 수소열처리를 거친 콜렉터 링을 질소가열로에 투입하여 질소열처리를 진행하는 것이다.
여기서 상기 질소가열로는 콜렉터 링이 투입된 후 열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하고, 가열된 질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하면서 콜렉터 링의 표면을 열처리하고, 질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시킨다.
상기 질소가열로에 콜렉터 링을 투입한 후 90분 동안 질소가열로를 가열하여 질소가열로 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열한다.
이후 질소가열로의 내부 온도를 750 ~ 780℃범위 내에서 2시간 동안 유지하고 동시에 질소가 혼합된 혼합기체를 질소가열로의 내부로 투입하여 콜렉터 링의 표면을 열처리한다.
상기의 과정 즉, 질소가열로를 통한 풀림열처리가 진행되면 콜렉터 링은 가공이력, 열이력에 의한 잔류응력이 제거됨으로써 전체적으로 균일한 특성을 가진 콜렉터 링을 형성할 수 있고, 이를 통해 균일한 보자력을 갖는 콜렉터 링을 통해 센싱 감도의 설정 및 제어를 특정할 수 있기 때문에 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 것이다.
이후 질소가열로의 도어를 개방하고 냉각팬을 통해 질소가열로의 내부 공기와 외부 공기를 순환시켜 질소가열로의 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시켜 질소열처리 과정이 종료된다.
상기와 같이 이루어진 콜렉터 링은 수소열처리와 질소열처리 과정을 통과하면서 보자력을 낮추고 내구성을 향상시킴으로써 센싱 감도를 높이고 수명 기간을 연장시킨 콜렉터 링을 제공할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링의 제조방법(S1)은, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 설계된 규격에 따라 재단 또는 절단하여 콜렉트 링을 제조하는 제조단계(S10); 상기 제조단계를 통해 제조된 콜렉트 링을 수소가열로에 투입하여 열처리하는 수소열처리단계(S20); 상기 수소열처리단계(S20)를 통과한 콜렉트 링을 질소가열로에 투입하여 열처리하는 질소열처리단계(S30);를 포함하고, 상기 수소열처리단계(S20)는, 수소가열로를 6시간(hour) 동안 가열시켜 내부 온도를 1050 ~ 1100℃범위를 가지도록 상승시키는 수소로히팅단계(S21)와, 가열된 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내에서 4시간(hour) 유지시키는 수소로유지단계(S22)와, 수소가열로의 내부 온도를 3시간(hour) 동안 720 ~ 750℃가 되도록 냉각시키는 수소로자연냉각단계(S23)와, 수소가열로의 내부 온도를 7시간(hour) 동안 실온이 되도록 강제 냉각시키는 수소로강제냉각단계(S24)를 포함하고,
이때, 상기 질소열처리단계(S30)는, 열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하는 질소로히팅단계(S31)와, 질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하는 질소로유지단계(S32)와, 질소의 투입을 차단한 상태에서 질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 질소로자연냉각단계(S33)를 포함한다.
먼저, 상기 콜렉터 링을 제조하는 제조단계(S10)는 설계된 규격에 따라 재단, 절단, 프레싱, 절곡 등의 다양한 제조방법 및 제조공구를 통해서 콜렉터 링을 제조하는 단계이다.
다음 수소열처리단계(S20)는 제조된 콜렉터 링을 수소가열로에 투입하여 열처리하는 단계로서, 수소가열로를 6시간(hour) 동안 가열시켜 내부 온도를 1050 ~ 1100℃범위를 가지도록 상승시키는 수소로히팅단계(S21)와, 가열된 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내에서 4시간(hour) 유지시키는 수소로유지단계(S22)와, 수소가열로의 내부 온도가 720 ~ 750℃가 되도록 3시간(hour)범위내에서 냉각시키는 수소로자연냉각단계(S23)와, 수소가열로의 내부 온도를 실온이 되도록 7시간(hour) 범위내에서 강제 냉각시키는 수소로강제냉각단계(S24)를 포함한다.
상기 수소로히팅단계(S21)는 열원을 통해 수소가열로를 가열시키되 6시간 동안 가열하여 수소가열로의 내부 온도가 1050 ~ 1100℃범위를 가지도록 상승시키는 단계이다.
여기서 수소로히팅단계(S21)는 제조된 콜렉터 링에 대한 최초 열처리 단계이기 때문에 급격한 온도 변화에 의해 콜렉터 링이 손상되는 것을 방지하기 위하여 가열하는 시간을 6시간으로 천천히 가열하는 것이다.
이때 가열하는 시간이 6시간 미만인 경우에는 상술한 바와 같이 수소가열로 내부 온도가 급격하게 변화하기 때문에 콜렉터 링이 손상되는 문제가 있고, 가열하는 시간이 6시간을 초과하여 목표 온도에 도달하는 경우 장시간 가열에 따른 수소가열로의 손상 및 열원의 비효율성 등의 문제가 있다.
다음으로 수소로유지단계(S22)는 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내에서 4시간(hour) 유지시키는 단계로서, 콜렉터 링을 열처리하며 동시에 수소가열로 내부에 수소가 혼합된 혼합기체를 투입한다.
여기서 수소가열로 내부로 수소가 혼합된 혼합기체를 투입하는 공정은 수소가열로 내부의 공기 중에 포함된 수소비율을 감지하는 센서와, 상기 센서의 감지값에 따라 수소가 혼합된 혼합기체를 수소가열로 내부로 공급하는 제어부 및 혼합기체를 공급하기 위한 공급부 등을 통해 이루어지는 것으로 센서, 제어부 및 공급부 등의 구조는 공지의 것이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
다음 수소로자연냉각단계(S23)는 수소가열로의 내부 온도를 720 ~ 750℃가 되도록 3시간 범위내에서 자연 냉각시키는 단계이다.
상기 수소로자연냉각단계를 통해 수소가열로의 내부 온도를 낮추는데, 여기서 3시간 범위로 제한하는 것은 3시간 미만인 경우 급격한 온도 변화에 따라 콜렉터 링이 손상되는 문제점이 있고, 3시간을 초과하는 경우 냉각 효과가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
다음 수소로강제냉각단계(S24)는 수소가열로의 내부 온도를 실온이 되도록 7시간 범위내에서 강제 냉각시키는 단계로서, 냉각팬 또는 송풍팬 등과 같은 냉각수단을 통해 수소가열로의 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 것이다.
여기서 7시간 범위내에서 강제 냉각시키는 것은 7시간 미만으로 냉각이 진행되는 경우 온도 변화에 따른 콜렉터 링의 손상이 발생할 수 있고, 7시간 초관로 냉각이 진행되는 경우 열처리 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같이 이루어지는 수소열처리단계(S20)에 따른 온도변화를 도 4에 그래프 형태로 도시하였다.
그리고, 상기 질소열처리단계(S30)는, 열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하는 질소로히팅단계(S31)와, 질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하는 질소로유지단계(S32)와, 질소의 투입을 차단한 상태에서 질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 질소로자연냉각단계(S33)를 포함한다.
상기 질소로히팅단계(S31)는 수소열처리 단계를 통과하면서 1차 열처리된 콜렉터 링을 2차로 열처리하는 단계로서 질소가열로의 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하되 90분(min) 동안 가열한다.
이때 질소로히팅단계는 1차로 수소열처리된 콜렉터 링을 2차로 질소열처리하는 단계이기 때문에 수소열처리단계에 비해 상대적으로 짧은 시간에 급격한 온도 변화가 발생하여도 콜렉터 링의 손상이 발생하지 않고, 오히려 급격한 온도 변화를 통해 콜렉터 링의 잔류응력을 제거할 수 있는 것이다.
다음으로 질소가열로의 내부 온도가 750 ~ 780℃ 범위내에서 2시간 동안 유지시키는 질소로유지단계(S32)는 750 ~ 780℃ 범위내에서 콜렉터 링을 노출시켜 열처리를 진행하면서 동시에 질소가열로 내부로 질소가 혼합된 혼합기체를 공급하여 콜렉터 링을 질소로 열처리한다.
이를 통해 콜렉터 링 전체가 균일한 특성을 가지도록 형성할 수 있는데, 2시간 미만 또는 초과하는 경우 콜렉터 링 일부가 그 이외의 부위에 대비할 때 다른 특성을 나타내는 문제점이 있다.
또한, 온도를 750 ~ 780℃ 범위내로 제한함으로써 수소열처리에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 열처리가 이루어지면서도 투입되는 질소가 혼합된 혼합기체와 콜렉터 링의 반응효율이 높은 범위이다.
그리고 상술한 바와 같이 질소열처리단계는 왜곡제거 가열냉각 과정이기 때문에 자성가열냉각(수소열처리)에 비해 상대적으로 낮은 온도인 750 ~ 780℃ 범위에서 이루어진다.
상기 질소로유지단계(S32)에서 유지되는 온도가 750℃미만 이거나 780℃를 초과하는 경우 질소가 혼합된 혼합기체와 콜렉터 링의 반응효율이 낮은 문제점이 있고, 이는 콜렉터 링 전체가 균일한 특성을 갖지 못하는 문제점이 있다.
다음으로 질소로자연냉각단계(S33)는 질소의 투입을 중단하고 질소가열로의 도어를 개방한 후 냉각팬 또는 송풍팬을 통해 질소가열로 내부 온도를 낮추는 단계이다.
상기 질소열처리단계(S30)의 온도 변화를 도 6에 그래프로 도시하였다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1 : 콜렉터 링
S10 : 제조단계
S20 : 수소열처리단계
S30 : 질소열처리단계
S21 : 수소로히팅단계
S22 : 수소로유지단계
S23 : 수소로자연냉각단계
S24 : 수소로강제냉각단계
S31 : 질소로히팅단계
S32 : 질소로유지단계
S33 : 질소로자연냉각단계

Claims (5)

  1. 차량의 전동식 조향장치를 구성하는 토크센서에 포함되어 핸들의 조향각도 및 조향력을 감지하는 콜렉터 링에 있어서,
    상기 콜렉터 링은,
    니켈을 35~80% 포함한 니켈-철 합금인 퍼멀로이(permalloy)를 소재로 하여 형성되되,
    퍼멀로이 소재를 통해 제조된 이후 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 수소열처리와, 질소가열로의 내부 온도를 720 ~ 780℃ 범위내로 유지하는 유지구간을 갖는 질소열처리를 순차적으로 진행한 후 형성된 것을 특징으로 하는 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 수소열처리는,
    퍼멀로이 소재로 제조된 콜렉터 링이 투입되는 수소가열로를 통해 이루어지되,
    상기 수소가열로는,
    열원을 통해 6시간(hour) 동안 가열하여 내부 온도가 1050 ~ 1100℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하고, 가열된 수소가열로의 내부 온도가 1050 ~ 1100℃로 4시간(hour)동안 유지시키면서 콜렉터 링의 표면을 열처리하고,
    수소가열로의 내부 온도가 720 ~ 750℃가 되도록 3시간(hour) 범위내에서 냉각시키고, 이후 수소가열로의 내부 온도가 실온이 되도록 7시간(hour) 범위내에서 강제 냉각시키는 것을 특징으로 하는 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 질소열처리는,
    상기 수소열처리를 통과한 퍼멀로이 소재로 제조된 콜렉터 링이 투입되는 질소가열로를 통해 이루어지되,
    상기 질소가열로는,
    열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 750 ~ 780℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하고, 가열된 질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하면서 콜렉터 링의 표면을 열처리하고,
    질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 것을 특징으로 하는 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항으로 이루어지는 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 제조방법(S1)에 있어서,
    설계된 규격에 따라 재단 또는 절단하여 콜렉트 링을 제조하는 제조단계(S10);
    상기 제조단계를 통해 제조된 콜렉트 링을 수소가열로에 투입하여 열처리하는 수소열처리단계(S20);
    상기 수소열처리단계(S20)를 통과한 콜렉트 링을 질소가열로에 투입하여 열처리하는 질소열처리단계(S30);를 포함하고,
    상기 수소열처리단계(S20)는,
    수소가열로를 6시간(hour) 동안 가열시켜 내부 온도를 1050 ~ 1100℃범위를 가지도록 상승시키는 수소로히팅단계(S21)와,
    가열된 수소가열로의 내부 온도를 1050 ~ 1100℃ 범위내에서 4시간(hour) 유지시키는 수소로유지단계(S22)와,
    수소가열로의 내부 온도가 720 ~ 750℃가 되도록 3시간(hour) 범위내에서 냉각시키는 수소로자연냉각단계(S23)와,
    수소가열로의 내부 온도가 실온이 되도록 7시간(hour) 범위내에서 강제 냉각시키는 수소로강제냉각단계(S24)를 포함한 것을 특징으로 하는 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 질소열처리단계(S30)는,
    열원을 통해 90분(min) 동안 가열하여 내부 온도가 820 ~ 850℃ 범위내의 온도를 가지도록 가열하는 질소로히팅단계(S31)와,
    질소가열로 내부 온도를 750 ~ 780℃로 2시간(hour)동안 유지하는 질소로유지단계(S32)와,
    질소의 투입을 차단한 상태에서 질소가열로의 도어를 개방하고, 냉각팬을 통해 공기를 순환시켜 질소가열로 내부 온도를 실온이 되도록 냉각시키는 질소로자연냉각단계(S33)를 포함한 것을 특징으로 하는 지능형 전동식 조향장치용 토크센서의 콜렉터 링 제조방법.
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