KR102274744B1 - 볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 위한 열처리 방법 및 그에 의해 제조된 관형 샤프트 - Google Patents

볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 위한 열처리 방법 및 그에 의해 제조된 관형 샤프트 Download PDF

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Abstract

플런징을 위한 볼 스플라인 구조를 가지며 직경이 감소된 언더컷 영역을 가지는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 위한 열처리 방법에 따르면, 상기 언더컷 영역의 심부 경도가 HRC 35 내지 HRC 50의 범위에 속하는 값을 갖도록 침탄-오스템퍼링에 의해 처리된다.

Description

볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 위한 열처리 방법 및 그에 의해 제조된 관형 샤프트{Heat treatment method for tubular shaft for drive shaft having ball spline structure and tubular shaft manufactured by the same}
본 발명은 볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트를 구성하는 관형 샤프트의 열처리 방법에 관한 것이다.
차량의 동력 전달 계통에 사용되는 드라이브 샤프트는 양 단에 결합되는 등속조인트를 통해 회전 동력을 전달하는 장치이다. 볼 스플라인 구조를 적용하여 축방향 길이 변화가 가능하도록 구성되는 드라이브 샤프트가 사용되고 있다. 볼 스플라인 구조는 관형 샤프트(tubular shaft)와 이에 삽입되는 중실 샤프트(solid shaft)에 구현되며, 관형 샤프트의 내면에 형성되는 복수의 외측 그루브, 복수의 외측 그루브와 각각 쌍을 이루도록 중실 샤프트의 외면에 형성되는 복수의 내측 그루브, 그리고 쌍을 이루는 외측 그루브와 내측 그루브에 의해 형성되는 공간에 배치되는 복수의 볼(ball)을 포함한다. 한편으로 외측 그루브와 내측 그루브에 의해 형성되는 공간에 배치되는 볼에 의해 관형 샤프트와 중실 샤프트의 원주방향 상대 회전이 제한되어 회전 동력이 전달될 수 있으며 다른 한편으로는 볼의 구름 운동에 의해 관형 그루브와 중실 그루브의 길이방향 상대 이동, 즉 플런징(plunging)이 가능하다.
이러한 볼 스플라인 구조에 의한 플런징 기능을 갖는 드라이브 샤프트의 성능 개선을 위해 긴 플런징 거리 및 조인트의 고절각(high articulation angle) 성능이 요구되고 있다. 고절각을 달성하기 위한 방법으로 등속 조인트가 결합되는 관형 샤프트의 단부의 근처에 직경이 감소된 언더컷(undercut) 영역을 형성하는 방법이 있다. 절각을 위해 관형 샤프트가 등속 조인트의 아웃터 레이스(outer race)에 대해 상대 회전할 때 등속 조인트가 결합된 단부 근처의 영역이 아웃터 레이스의 개방측 단부에 접촉할 수 있으며, 최대 절각을 증가시키기 위해 아웃터 레이스가 접촉할 수 있는 단부 근처를 직경을 감소시킴으로써 최대 절각을 증가시키는 것이다.
최대 절각의 증대를 위해 형성되는 이와 같은 언더컷 영역은 드라이브 샤프트의 비틀림 강도를 떨어뜨리는 부작용을 갖는다. 따라서 요구되는 큰 절각을 확보하면서도 필요한 비틀림 강도의 확보를 위해서는 언더컷 영역에 대한 특별한 강도 보강이 필요하다.
일본 공개특허공보 특개평05-004128호 (공개일자: 1993.01.14)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 언더컷 영역의 강도 보강을 통해 요구되는 비틀림 강도를 확보할 수 있는 관형 샤프트의 열처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 플런징을 위한 볼 스플라인 구조를 가지며 직경이 감소된 언더컷 영역을 가지는 탄소 합금 재질 또는 크롬-몰리브덴 스틸 재질의 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 위한 열처리 방법에 따르면, 상기 언더컷 영역의 심부 경도가 HRC 35 내지 HRC 50의 범위에 속하는 값을 갖도록 침탄-오스템퍼링에 의해 처리된다.
특히 상기 심부 경도는 HRC 38 내지 HRC 48의 범위에 속하는 값을 가질 수 있다.
상기 침탄-오스템퍼링 처리는 상기 언더컷 영역이 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직을 모두 갖도록 이루어질 수 있다.
상기 언더컷 영역의 유효경화깊이는 표면으로부터 0.6 mm 내지 2.0 mm 사이의 값일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 드라이브 샤프트용 관형 샤프트는 상기한 열처리 방법 중 어느 하나에 의해 제조된다.
본 발명에 의하면, 관형 샤프트의 심부 경도의 관리를 통해 요구되는 비틀림 강도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 처리 방법에 의해 제조된 드라이브 샤프트를 보여준다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 3은 등속 조인트가 절각된 상태에서 등속 조인트의 아웃터 레이스와 드라이브 샤프트의 관형 샤프트의 상대 위치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법에 의해 제조된 관형 샤프트의 단면도이다.
도 5는 도 1의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법에 의해 얻어진 관형 샤프트의 단면에서의 경도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법에 의해 얻어진 관형 샤프트의 언더컷 영역의 심부 경도의 크기에 따른 비틀림 강도를 보여주는 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 드라이브 샤프트(10)와 그 양측 단에 각각 체결되어 있는 한 쌍의 등속 조인트(20)를 보여준다. 이물질 유입 방지 및 그리스 밀봉을 위한 부트(40)가 등속 조인트(20)와 드라이브 샤프트(10)에 체결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 드라이브 샤프트(10)는 관형 샤프트(tubular shaft)(11)와 중실 샤프트(solid shaft)(12)를 구비할 수 있다. 관형 샤프트(11)는 일측 단으로 개방된 수용 공간(111)을 구비하는 관 형태를 가질 수 있으며, 중실 샤프트(12)의 일측 단부가 관형 샤프트(11)의 수용 공간(111)에 플런징 기능을 위해 이동 가능하게 삽입된다.
등속 조인트(20)는 고정식 조인트인 제파(Rzeppa) 조인트일 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 아웃터 레이스(outer race)(21), 인너 레이스(inner race)(22), 토크 전달 볼(23) 및 볼 케이지(24)를 포함할 수 있다. 관형 샤프트(11)와 중실 샤프트(12)는 등속 조인트(20)의 인너 레이스(22)와 함께 회전하도록 인너 레이스(22)에 스플라인 결합될 수 있다. 관형 샤프트(11)의 단부에는 등속 조인트(20)의 인너 레이스(22)의 스플라인 결합을 위한 스플라인 구조(117)가 형성될 수 있다.
관형 샤프트(11)와 중실 샤프트(12)의 축방향 상대 거동, 즉 플런징 거동이 가능하도록 하기 위한 볼 스플라인 구조(13)가 구비된다. 볼 스플라인 구조(13)는 관형 샤프트(11)의 내면에 길이방향과 나란하게 형성되는 복수의 외측 그루브(131), 복수의 외측 그루브(131)와 각각 쌍을 이루도록 중실 샤프트(12)의 외면에 길이방향과 나란하게 형성되는 복수의 내측 그루브(132), 외측 그루브(131)와 내측 그루브(132)에 의해 형성되는 복수의 공간에 각각 배치되는 복수의 볼(133), 그리고 복수의 볼을 수용하는 볼 케이지(134)를 포함할 수 있다. 볼(133)이 외측 그루브(131)와 내측 그루브(132)에 의해 형성되는 공간에서 구름 운동을 함으로써 관형 샤프트(11)와 중실 샤프트(12)가 서로 가까워지거나 멀어지도록 이동하는 축방향 거동, 즉 플런징 거동을 할 수 있다.
등속 조인트(20)가 도 3에 도시된 바와 같이 최대한 절각된 상태, 즉 인너 레이스(22)와 결합된 드라이브 샤프트(10)가 아웃터 레이스(21)에 대해 최대한 꺾인 상태에 있을 경우, 관형 샤프트(11)의 외면과 아웃터 레이스(21)의 단부(211)의 접촉을 방지하기 위해 관형 샤프트(11)는 외면이 반경방향 내측으로 함몰되도록 형성되는 언더컷 영역(112)을 포함한다. 언더컷 영역(112)의 형성에 의해 등속 조인트(20)의 최대 절각이 증가될 수 있다.
도 4를 참조하면, 관형 샤프트(11)는 스템부(stem portion)(113), 및 볼 스플라인 구조(30)의 외측 그루브(131)과 형성되는 그루브 형성부(114)를 포함할 수 있다. 그루브 형성부(114)는 스템부(113)보다 큰 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 스템부(113)와 그루브 형성부(114)를 연결하는 경사 연결부(115)가 구비될 수 있다. 스템부(113)는 그루브 형성부(114)에 구비되는 수용 공간(111)에 연통되는 관통홀(116)을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 관형 샤프트(11)의 언더컷 영역(112)에 대한 표면경도, 유효경화깊이, 심부경도가 최적으로 관리되며, 나아가 제품의 인성을 증대하기 위한 베이나이트(Bainite) 조직이 생성되고 관리된다. 예를 들어 관형 샤프트(11)는 0.15 내지 0.25 중량%의 탄소를 함유하는 합금으로 형성될 수 있으며, 이와 같은 언더컷 영역(112)의 특성은 침탄-오스템퍼링(carburizing-austempering) 처리에 의해 얻어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 관형 샤프트의 언더컷 영역의 단면에서 깊이(반경방향 위치)에 따른 경도 프로파일을 보여주는 그래프이다. 도 5 및 도 6에서 “A”는 외측 표면, “C”는 내측 표면, “B”는 침탄 공정 중 침탄이 이루어지지 않은 심부 영역을 나타낸다. 예를 들어 “A” 및 “C”의 경도는 HRC 58 내지 62일 수 있으며, “B” 영역의 경도, 즉 심부 경도는 HRC 35 내지 50일 수 있다. 심부 경도는 침탄 공정과 오스템퍼링 공정으로 이루어지는 침탄-오스템퍼링 공정 중 침탄 공정에 의해 침탄이 이루어지지 않고 오스템퍼링 공정에 의해 경화가 이루어진 부품 심부의 영역의 경도를 의미한다. 온도, 유지시간, 교반 등 오스템퍼링 조건에 따라 부품 심부의 경도 값이 달라지며, 본 발명은 심부 경도 범위에 따른 강성 차이가 있다는 사실의 인지에 기초하여 심부 경도 값의 범위를 한정한다.
한편, 기준 경도는 침탄 경화층 내에서 경화 깊이의 기준으로 삼는 특정 경도, 즉 유효 경화 깊이에서의 경도일 수 있으며 예를 들어 HRC 55일 수 있다. 유효 경화 깊이는 외측 표면 및 내측 표면으로부터 언더컷 영역의 두께의 10 내지 15%에 해당하는 위치(Do, Di)일 수 있으며, 다른 한편으로는 표면으로부터 0.6 mm 내지 2.0 mm에 해당하는 위치일 수도 있다.
다음의 표 1은 세 개의 샘플(SPL1, SPL2, SPL3)에서 심부 경도에 따른 파단 강도를 평가한 결과를 보여준다. 세 개의 샘플은 크롬-몰리브덴 스틸로 관형 샤프트를 동일한 방식으로 제조하여 얻어졌다.
구분 비틀림 파단 강도
심부 경도
HRC 30 HRC 35 HRC 40 HRC 45 HRC 50 HRC 55
SPL 1 5,375 Nm 5,674 Nm 6,096 Nm 6,250 Nm 5,996 Nm 5,508 Nm
SPL 2 5,269 Nm 5,617 Nm 6,038 Nm 6,329 Nm 5,876 Nm 5,694 Nm
SPL 3 5,337 Nm 5,742 Nm 6,057 Nm 6,322 Nm 6,081 Nm 5,326 Nm
그리고 도 7은 심부 경도에 따른 비틀림 강도를 보여주는 그래프이며, 표 1의 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면 심부 경도가 HRC 30에서 HRC 45로 증가할 때 비틀림 강도는 점차로 증가하는 것으로 나타났고 심부 경도가 HRC 45를 넘으면 비틀림 강도는 점차로 감소하는 것으로 나타났다. 도 7의 결과로부터 심부 경도가 HRC 35 내지 HRC 50일 때 요구 비틀림 강도가 충족되는 것으로 나타났다. 한편, 심부 경도는 HRC 38 내지 HRC 48로 관리될 수도 있다.
다음의 표 2는 베이나이트 존재 여부에 따른 비틀림 파단 강도의 평가 결과를 보여준다. 세 개의 샘플은 크롬-몰리브덴 스틸로 관형 샤프트를 동일한 방식으로 제조하여 얻어졌으며, 침탄 열처리를 한 경우, 즉 베이나이트가 없는 경우와 침탄-오스템퍼링 열처리를 한 경우, 즉 베이나이트가 있는 경우에 대해 비틀림 파단 강도를 각각 측정하였다.
구분 비틀림 파단 강도
Bainite 없음 Bainite 있음
SPL 1 5,576 Nm 6,158 Nm
SPL 2 5,505 Nm 5,947 Nm
SPL 3 4,775 Nm 5,997 Nm
표 2의 세 개의 샘플(SPL1, SPL2, SPL3) 모두에서 베이나이트의 존재에 의해 더 큰 비틀림 파단 강도가 얻어지는 것으로 나타났다. 이는 침탄-오스템퍼링 열처리 결과 마르텐사이트(Martensite) 뿐만 아니라 베이나이트(Bainite)를 형성하는 것이 비틀림 강도를 증가시킨다는 것을 의미한다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
10: 드라이브 샤프트
11: 관형 샤프트
12: 중실 샤프트
20: 등속 조인트
112: 언더컷 영역
113: 스템부
114: 그루브 형성부

Claims (6)

  1. 플런징을 위한 볼 스플라인 구조를 가지며 직경이 감소된 언더컷 영역을 가지는 탄소 합금 재질 또는 크롬-몰리브덴 스틸 재질의 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 위한 열처리 방법으로서,
    상기 언더컷 영역의 심부 경도가 HRC 35 내지 HRC 50의 범위에 속하는 값을 갖고 상기 언더컷 영역의 표면 경도는 HRC 58 내지 HRC 62의 범위에 속하는 값을 갖도록 침탄-오스템퍼링에 의해 처리되고,
    상기 침탄-오스템퍼링 처리는 상기 언더컷 영역이 베이나이트 조직과 마르텐사이트 조직을 갖도록 이루어지고,
    상기 심부 경도는 HRC 38 내지 HRC 48의 범위에 속하는 값을 갖고,
    상기 언더컷 영역의 유효경화깊이는 표면으로부터 0.6 mm 내지 2.0 mm 사이의 값인
    열처리 방법.
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  5. 삭제
  6. 제1항에 따른 열처리 방법에 의해 얻어지는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트.
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