KR102259617B1 - 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휠바디의 중량 8 내지 10kg, 15인치 사이즈, 하중점 변위 6 내지 7 mm, Stiffness 1700 내지 1900 Kgf/mm로 형성되는 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠에 있어서, 스틸 재질의 휠 바디와, 상기 휠 바디 내측의 환형돌출부와 환형테두리부 사이에 동일한 각도 간격으로 배치되는 4개의 볼트홀들과, 상기 볼트홀의 외측에 동일한 각도 간격으로 배치되는 5개의 스포크들을 포함하며, 상기 스포크들은 내구 성능(CFT 및 RFT) 판정 기준 2*10^6 사이클을 만족하도록 캘리퍼와 대면하고 있는 부위에서 림에 가까워질수록 외부로 돌출되도록 양의 기울기를 갖도록 형성되는 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠을 제공한다.

Description

스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠 {STYLED WHEEL WITH IMPROVED DURABILITY OF SPOKES}
본 발명은 스타일드 휠에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 스포크의 구조를 개선하여 휠의 내구성을 향상시킬 수 있는 내구 성능이 향상된 스타일드 휠에 관한 것이다.
차량용 휠은 대략 원통형의 형태를 가지며, 타이어가 장착된 차량용 휠은 자동차에서 발생하는 구동력과 제동을 노면에 전달하고, 타이어와 차축(axle) 사이에서 하중을 지지하며 회전하게 된다.
스틸(steel) 휠은 안정된 소재 수급과 대량 생산이 가능한 생산 공정 때문에 경제적이고 품질이 균일한 제품으로 평가되고 있지만, 중량이 무겁고 스타일이 투박한 단점이 있다. 반면에 알루미늄 휠은 자동차 스타일의 고급화와 다양성이 크게 부각되면서 미려한 형상을 가질 수 있다는 장점과 경량화할 수 있다는 장점이 있지만 가격이 높다는 단점이 있다.
최근에는 이 두 종류 휠의 장점을 결합한 형태로서 큰 윈도우부가 형성된 철재의 디스크부재를 갖는 알루미늄 휠과 유사한 외관을 갖는 스타일드 스틸 휠(styled steel wheel, 이하 '스타일드 휠'이라 함)이 대두되고 있다.
하지만, 종래 스타일드 휠은 제조 사양 때문에 캘리퍼와 휠사이의 간격(A)이 협소하고 설계 자유도가 낮아 내구 성능에 제약이 있다는 문제점이 있었다(도면 1 참조).
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 스포크의 구조를 개선하여 설계 자유도를 높이고 내구 성능을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다.
대한민국 특허출원 제10-2015-7014939호 대한민국 특허출원 제10-2010-7008097호
본 발명은 상기와 같은 종래의 기술을 개선한 것으로서 스포크의 구조를 개선하여 내구성이 향상된 스타일드 휠을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 휠바디의 중량 8 내지 10kg, 15인치 사이즈, 하중점 변위 6 내지 7 mm, Stiffness 1700 내지 1900 Kgf/mm로 형성되는 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠에 있어서, 스틸 재질의 휠 바디와, 상기 휠 바디 내측의 환형돌출부와 환형테두리부 사이에 동일한 각도 간격으로 배치되는 4개의 볼트홀들과, 상기 볼트홀의 외측에 동일한 각도 간격으로 배치되는 5개의 스포크들을 포함하며, 상기 스포크들은 내구 성능(CFT 및 RFT) 판정 기준 2*10^6 사이클을 만족하도록 캘리퍼와 대면하고 있는 부위에서 림에 가까워질수록 외부로 돌출되도록 양의 기울기를 갖도록 형성되는 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 스포크들은 상기 림에 인접한 구간에서 상기 기울기가 더 큰 2차 꺾임 구간을 포함한다.
본 발명에 따른 스타일드 휠에 의하면 스포크의 각도를 변경하여 휠과 캘리퍼 간의 간극을 확보함으로써 설계 자유도를 증대시켜 휠의 내구 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 스타일드 휠의 캘리퍼-휠 간극을 나타내는 단면도.
도 2는 스타일드 휠의 내구 성능에 영향을 미치는 설계 인자들을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스포크 구조가 변경된 스타일드 휠의 개념도.
도 4는 도 3에 도시된 스타일드 휠의 캘리퍼-휠의 간극을 나타내는 개념도.
도 5는 스포크 구조 변경에 따른 휠의 내구성능 변화를 나타낸 개념도.
도 6은 벤트홀 강성포밍 스타일드 휠의 내구 강도 해석을 위한 부위별 구분을 나타내는 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스포크 2단 꺾임 구조가 반영된 스타일드 휠의 개념도.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 2는 스타일드 휠의 내구 성능에 영향을 미치는 설계 인자들을 도시한 개념도이다.
스타일드 휠의 내구 성능을 증가시키는 설계 인자들은 다수가 존재한다. 그 중 대표적인 인자들은 도 1에 도시되 바와 같이 스포크의 R1값(A), 스포크 각도(B), 리브의 각도(C), 벤트홀 엣지부의 거리(C1), 해트(Hat)의 높이(D), 벤트홀 크기(E), 벤트홀 간 거리(F) 등이 있다.
하지만, 설계 상 필수조건과 소재 성형성의 한계 때문에 이러한 설계 인자들만으로는 휠의 내구 성능을 개선하기 어렵다는 문제점이 존재한다.
이에 본 발명은 스포크의 구조 변경을 통해 휠의 안전성을 해치지 않으면서 내구성을 향상시킬 수 있는 스타일드 휠을 개시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스포크 구조가 변경된 스타일드 휠의 개면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 스타일드 휠의 캘리퍼-휠의 간극을 나타내는 개념도이과, 도 5는 스포크 구조 변경에 따른 휠의 내구성능 변화를 나타낸 개념도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면 스포크가 플러스 각도를 갖도록 휠의 구조를 변경한 것을 확인할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 스타일드 휠에서는 휠의 바깥쪽으로 갈수록 스포크가 외부로 돌출되어 플러스 기울기를 갖는다.
본 발명에서 스포크의 기울어진 각도는 바람직하게는 5도 내지 7도인 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 이러한 구조에 의하면 디스크 캘리퍼와 휠 사이의 간극이 넓어져(B) 설계 자유도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 다만, 이러한 구조에 따르면 휠의 내구 성능이 낮아져 안전성이 떨어질 수 있는 바 엄격한 내구 해석을 통해 내구 성능을 향상시킬 수 있는 방안을 찾아야 한다.
본 발명에서는 수많은 실험을 통해 스포크의 기울어진 각도가 플러스(5도 내지 7도)가 될 경우 내구 성능이 오히려 향상되어 설계 자유도와 안전성을 함께 확보할 수 있다는 것을 확인하였다.
구체적으로, 도 5를 참조하면 스포크의 각도가 마이너스일 경우 스포크의 내구지수는 1.18, 스포크의 각도가 0일 경우 내구지수는 1.11인데 반해 스포크의 각도를 플러스로 변경한 경우 내구지수가 1.35로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 스포크의 각도를 마이너스에서 0까지 증가시킬 때 스포크의 내구지수가 감소하다가 스포크의 각도가 플러스가 될 경우 내구지수가 1.35까지 증가하는 것을 확인할 수 있다.
보다 정확한 분석을 위해 내구 해석을 위한 경계 조건과 해석 결과를 확인해 본다.
도 6을 참조하면, 내구 성능 해석을 위해 다음과 같이 6개 영역으로 나누어 해석 수명, 내구 지수 등의 데이터를 수집하였다.
A : 볼트홀(bolt hole), B : OPAD, C : 해트(HAT), D : 리브(RIB), E : 벤트홀(vent hole), F : 림(RIM)
표 1 및 표 2는 본 발명에 따른 스포크(양의 각도)와 0의 각도를 갖는 스포크(비교예1)를 비교한 내구 피로해석(CFT, RFT)을 나타내는 데이터이고, 표 3 및 표 4는 본 발명에 따른 스포크(양의 각도)와 마이너스(-) 각도를 갖는 스포크(비교예2)를 비교한 내구 피로해석(CFT, RFT)을 데이터이고, 표 5 및 표 6은 본 발명에 따른 스포크(양의 각도)에 2단 꺾임 구조를 반영하였을 때 스포크(다른 실시예) 내구 피로해석(CFT, RFT)을 데이터이다.
표 1 내지 표 6에서 case01(실시예)은 표시한 것은 본 발명에 따른 플러스 각도 스포크의 데이터이고, case01-01(비교예1)은 스포크의 각도가 마이너스(-6도)일 때의 데이터, case01-02(비교예2)는 스포크의 각도가 0일 때의 데이터이고, case01-03(실시예2)은 림 인접부에 스포크의 꺾임 구조를 추가하였을 때의 데이터이다.
표 1 내지 표 4에서 판정기준은 내구성 문제(균열 등)가 발생하기까지 최소 반복 테스트 횟수를 의미한다.
CFT 및 RFT 해석을 모두 만족시키기 위해서는 2*10^6의 판정기준을 넘어야 한다.
보다 구체적으로, CFT의 판정기준은 2*10^5, RFT의 판정기준은 2*10^6 이지만, 해석수명이 2*10^5 이상 2*10^6 미만인 경우 CFT 해석 결과는 얻을 수 있지만 RFT 해석을 진행하는게 불가능해진다. 즉, 스타일드 휠의 성능 테스트를 진행하기 위해서는 CFT 및 RFT의 판정기준 중 높은 쪽인 2*10^6 을 넘어야 함을 알 수 있다.
CFT 해석을 보면, 본 발명에 따른 양의 각도를 갖는 스포크의 VENT 부위 수명은 1.51*10^7 싸이클, HAT 부위 수명은 3.45*10^6 싸이클, OPAD는 무한대, RIB 부위는 2.12*10^7 싸이클, WELD의 수명은 7.38*10^6인 것으로 확인된다. 즉, 본 발명에 따른 양의 각도를 갖는 스포크의 경우 CFT 및 RFT 해석결과 판정기준을 모두 만족시키는 것을 확인할 수 있다.
표 1 내지 표 4에 개시된 비교예들을 확인해 본다.
case01-01(비교예 1)의 경우 다른 해석결과는 모두 판정 기준을 만족시키지만, HAT 부위의 해석수명이 9.36*10^5으로 판정기준을 만족시키지 못한다. 즉, 스포크가 마이너스의 각도를 갖는 경우에는 HAT 부위가 파손되어 WELD 부위에 대한 테스트를 진행할 수 없게 되어 재설계를 하여야 한다.
case01-02(비교예 2)의 경우 다른 해석결과는 모두 판정 기준을 만족시키지만, HAT 부위의 해석수명이 5*10^5으로 판정기준을 만족시키지 못한다. 즉, 스포크가 0의 각도를 갖는 경우에는 HAT 부위가 파손되어 WELD 부위에 대한 테스트를 진행할 수 없게 되어 재설계를 하여야 한다.
Figure 112020091088316-pat00001
Figure 112020091088316-pat00002
Figure 112020091088316-pat00003
Figure 112020091088316-pat00004
아래 표 5 및 표 6을 참고하면, case01-03(실험예2)에 따르면, VENT 부위, HAT 부위의 CFT 및 RFT가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 실험데이터에 따르면 상기 림에 인접한 구간에서 스포크의 기울기가 더 큰 2차 꺾임 구간을 포함하는 경우 스타일드 휠의 내구성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112021030256250-pat00015
Figure 112020091088316-pat00006
이러한 내구 성능 테스트들을 진행한 휠의 사양은 아래 표 7에 나타내었다.
다시 말해, 상기 데이터는 휠 사이즈 15인치, 해석 중량 8.82 내지 8.85 Kg의 휠을 이용하여 실험한 결과이다.
실험 결과 하중점 변위가 다소 증가하고 Stiffness 도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 112020091088316-pat00007
상기에서 살펴본 본 발명에 따른 스타일드 휠에 의하면 스포크의 각도를 변경하여 휠과 캘리퍼 간의 간극을 확보함으로써 설계 자유도를 증대시켜 휠의 내구 성능을 향상시킬 수 있는 등 종래 기술에 비해 향상된 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (2)

  1. 스틸 재질의 휠 바디;
    상기 휠 바디 내측의 환형돌출부와 환형테두리부 사이에 동일한 각도 간격으로 배치되는 4개의 볼트홀들; 및
    상기 볼트홀의 외측에 동일한 각도 간격으로 배치되는 5개의 스포크들을 포함하며,
    상기 스포크들은 휠바디의 중량 8 내지 10kg 이고, 15인치 사이즈이며, 하중점 변위 6 내지 7 mm이며, Stiffness 1700 내지 1900 Kgf/mm로 형성되고, 캘리퍼와 대면하고 있는 부위에서 림에 가까워질수록 외부로 돌출되도록 5도 내지 7도의 양의 기울기를 갖도록 형성되어 내구 성능(CFT 및 RFT) 판정 기준 2*10^6 사이클을 만족하는 것을 특징으로 하는 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스포크들은,
    상기 림에 인접한 구간에서 상기 기울기가 더 큰 2차 꺾임 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 스포크 내구 성능 강화 스타일드 휠.
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