KR102279051B1

KR102279051B1 - 탄소복합소재 샤프트

Info

Publication number: KR102279051B1
Application number: KR1020210016094A
Authority: KR
Inventors: 김강규; 김상연
Original assignee: 김강규
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2021-07-16

Abstract

본 발명은 무게를 줄이면서 열변이 특성이 개선된 새로운 구조의 탄소복합소재 샤프트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 샤프트는 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(11)가 형성된 샤프트본체(10)와, 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(20)으로 구성되고, 상기 보강봉(20)은 접착제에 의해 상기 공간부(11)의 내부에 고정됨으로, 전체가 금속재로 구성된 종래의 샤프트에 비해 20~25%의 무게 감소효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 강도가 향상되고, 샤프트의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

Description

탄소복합소재 샤프트{carbon composite shaft}

본 발명은 무게를 줄이면서 열변이 특성이 개선된 새로운 구조의 탄소복합소재 샤프트에 관한 것이다.

일반적으로, 기계의 동력을 전달하는데 사용되는 샤프트는 구동모터에 의해 고속으로 회전되는 특징이 있다.

도 1은 이러한 샤프트의 일예를 도시한 것으로, 중앙부에는 확경부가 형성되고, 전후 양단에는 결합부가 형성된다.

이때, 이러한 샤프트는 강도가 높은 금속재로 구성되어, 충분한 강도를 확보할 수 있도록 구성된다.

그런데, 이러한 샤프트는 전체가 금속재로 구성됨으로, 무게가 많이 나가고 온도변화에 따른 팽창률이 큰 문제점이 발생되었다.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 되었다.

등록특허 10-0428375호,

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무게를 줄이면서 열변이 특성이 개선된 새로운 구조의 탄소복합소재 샤프트를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(11)가 형성된 샤프트본체(10)와, 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(20)을 포함하며, 상기 보강봉(20)은 접착제에 의해 상기 공간부(11)의 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 샤프트가 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 보강봉(20)은 탄소재질의 축부재(21)의 둘레면에 탄소섬유(22)를 권취하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 샤프트가 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 샤프트본체(10)에 형성된 공간부(11)는 전단부는 막히고 후단부는 개방되도록 구성되며, 샤프트본체(10)의 전단부 중앙부에는 상기 공간부(11)에 연결되는 연통공(12)이 형성되고, 상기 공간부(11)의 후단부에 나사결합되는 캡(13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 샤프트가 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 공간부(11)의 후단부 내주면에는 상기 보강봉(20)의 후단부의 위치에 대응되도록 링형상의 오목홈(14)이 형성되어, 상기 공간부(11)의 내부에 접착제를 주입할 때, 접착제가 상기 오목홈(14)의 내부에 임시로 저장되도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 샤프트가 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 탄소복합소재 샤프트는 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)에 상기 보강봉(20)을 삽입하는 단계와, 상기 공간부(11)의 내부에 접착제를 주입하여 접착제가 보강봉(20)에 스며들어 보강봉(20)을 경화시킴과 동시에 보강봉(20)이 공간부(11)의 내부에 고정되도록 하고 여분의 접착제는 상기 연통공(12)을 통해 공간부(11)의 외측으로 배출되도록 하는 단계와, 상기 공간부(11)의 후단부에 상기 캡(13)을 나사결합하는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 샤프트가 제공된다.

본 발명에 따른 샤프트는 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(11)가 형성된 샤프트본체(10)와, 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(20)으로 구성되고, 상기 보강봉(20)은 접착제에 의해 상기 공간부(11)의 내부에 고정됨으로, 전체가 금속재로 구성된 종래의 샤프트에 비해 20~25%의 무게 감소효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 강도가 향상되고, 샤프트의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 샤프트의 일예를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 샤프트를 도시한 측단면도,
도 3은 본 발명에 따른 샤프트의 분해상태를 도시한 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 샤프트의 보강봉의 제조방법을 도시한 참고도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 샤프트의 제조방법을 도시한 참고도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 탄소복합소재 샤프트를 도시한 것으로, 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(11)가 형성된 샤프트본체(10)와, 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(20)으로 구성된다.

이를 자세히 설명하면 상기 샤프트본체(10)는 막힌 전단부와 후단 개방부를 포함하고, 내부에는 후단 개방부로부터 막힌 전단부까지 이어진 공간부(11)가 형성된다.

상기 공간부(11)는 내경이 일정한 원형 구멍형태로 구성된다.

이때, 상기 샤프트본체(10)의 막힌 전단부 중앙에는 상기 공간부(11)와 연결되는 연통공(12)이 형성되고, 상기 공간부(11)의 후단 부근 금속재질의 캡(13)이 나사결합된다.

또한, 상기 공간부(11)의 후단 부근 내주면에는 상기 보강봉(20)이 상기 공간부(11O)에 완전히 삽입된 상태에서 상기 보강봉(20)의 후단과 만나는 링형상의 오목홈(14)이 형성된다.

상기 보강봉(20)은 탄소재질의 축부재(21)의 둘레면에 탄소섬유(22)를 권취하여 구성된다. 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 상기 보강봉(20)이 상기 공간부(11)에 완전히 삽입된 상태에서, 상기 보강봉(20)의 전단부가 상기 연통공(12)을 막되, 상기 연통공(12)의 중앙이 상기 보강봉(20)의 축부재(21)에 의해 덮이고 상기 연통공(12)의 외곽은 탄소섬유(22)에 의해 덮인다.

상기 축부재(21)는 펄트루젼 탄소복합재 막대나 인발성형 탄소복합재 막대를 이용한다.

상기 탄소섬유(22)는 PAN based 탄소섬유나, Pitch based 탄소섬유를 이용한다.

이러한 탄소섬유(22)는 상기 샤프트에 부여하고자 하는 성질에 따라 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.

따라서, 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 축부재(21)를 척 등에 고정하여 샤프트를 일정한 속도로 회전시키면서, 탄소섬유(22)가 샤프트의 둘레면에 일정한 두께로 감기도록 함으로써 상기 보강봉(20)을 생산할 수 있다.

이때, 상기 보강봉(20)의 외경은 상기 공간부(11)의 내경에 대응되도록 조절된다.

그리고, 상기 보강봉(20)은 접착제 특히, 에폭시 레진에 의해 경화됨과 동시에 상기 공간부(11)의 내부에 고정된다.

이러한 샤프트의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

우선, 상기 샤프트본체(10)와 보강봉(20)을 제조한다.

그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 샤프트 공간부(11)의 내부에 상기 보강봉(20)을 삽입한다.

그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, 주입기(30)를 이용하여 상기 공간부(11)의 내부로 충분한 양의 접착제를 주입한다.

이와 같이 공간부(11)에 접착제를 주입하면, 접착제는 하측으로 흘러내리면서 보강봉(20)의 탄소섬유(22)에 흡수되면서 보강봉(20) 전체가 접착제에 함침되는 효과를 얻게 된다.

이때, 상기 공간부(11)의 후단 부근 내주면에는 상기 오목홈(14)이 형성됨으로, 상기 오목홈(14)의 내부로 접착제가 주입되도록 공간부(11)의 내부로 충분한 양의 접착제를 공급하면, 접착제의 일부가 상기 오목홈(14)의 내부에 임시로 저장된 후 천천히 상기 보강봉(20)으로 공급되어, 보강봉(20)에 접착제가 충분히 공급되지 못하게 되는 것을 방지한다.

또한, 상기 공간부(11)의 내부로 주입된 접착제 중에서 여분의 접착제는, 도 6에 화살표로 도시한 바와 같이, 상기 탄소섬유(22)를 거친 후, 상기 축부재(21)에 의해 중앙이 막힌 상기 연통공(12)의 외곽을 통해 상기 공간부(11)의 외측으로 배출된다.

그리고, 상기 공간부(11)의 후단부에 상기 캡(13)을 나사결합하여 공간부(11)의 후단부를 밀폐한다.

그리고, 시간이 경과되면 상기 접착제가 경화되어, 보강봉(20)을 보강하고, 보강봉(20)이 공간부(11)의 내부에 고정되도록 함으로서, 완성된 샤프트에 강도와 탄성을 부여함과 동시에 완성된 샤프트가 적절한 열변이 특성을 갖도록 한다.

이와 같이 구성된 샤프트는 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(11)가 형성된 샤프트본체(10)와, 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(20)으로 구성되고, 상기 보강봉(20)은 접착제에 의해 상기 공간부(11)의 내부에 고정됨으로, 전체가 금속재로 구성된 종래의 샤프트에 비해 20~25%의 무게 감소효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 강도가 향상되고, 샤프트의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

10. 샤프트본체 20. 보강봉

Claims

금속재질의 봉형상으로 구성되되, 막힌 전단부와 후단 개방부를 포함하고, 내부에는 후단 개방부로부터 막힌 전단부까지 이어진 공간부(11)가 형성된 샤프트본체(10)와,
상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(20)을 포함하며,
상기 보강봉(20)은 접착제에 의해 상기 공간부(11)의 내부에 고정되며,
샤프트본체(10)의 막힌 전단부의 중앙에는 상기 공간부(11)에 연결되는 연통공(12)이 형성되고,
상기 공간부(11)의 후단 개방부에 나사결합되는 캡(13)을 더 포함하며,
상기 공간부(11)의 후단 부근 내주면에는 상기 보강봉(20)이 상기 공간부(11)에 완전히 삽입된 상태에서 상기 보강봉(20)의 후단과 만나는 링형상의 오목홈(14)이 형성되고,
상기 보강봉(20)은, 상기 연통공(12)의 단면 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 탄소재질의 축부재(21)의 둘레면에 탄소섬유(22)를 권취하여 구성되며,
상기 보강봉(20)이 상기 공간부(11)에 완전히 삽입된 상태에서, 상기 보강봉(20)의 전단부가 상기 연통공(12)을 막되, 상기 연통공(12)의 중앙이 상기 보강봉(20)의 축부재(21)에 의해 덮이고, 상기 연통공(12)의 외곽은 탄소섬유(22)에 의해 덮이며,
상기 오목홈(14)은, 상기 공간부(11)의 내부에 접착제를 주입할 때, 접착제가 상기 오목홈(14)의 내부에 임시로 저장되도록 구성되고, 상기 공간부(11)의 내부로 주입된 접착제 중에서 여분의 접착제가 상기 탄소섬유(22)를 거친 후, 상기 축부재(21)에 의해 중앙이 막힌 상기 연통공(12)의 외곽을 통해 상기 공간부(11)의 외측으로 배출됨으로써, 상기 공간부(11) 내에서 경화된 접착제가 상기 보강봉(20)을 상기 공간부(11)의 내부에 고정하는 것을 특징으로 하는, 탄소복합소재 샤프트.
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제 1항에 있어서,
상기 탄소복합소재 샤프트는 상기 샤프트본체(10)의 공간부(11)에 상기 보강봉(20)을 삽입하는 단계와,
상기 공간부(11)의 내부에 접착제를 주입하여 접착제가 보강봉(20)에 스며들어 보강봉(20)을 경화시킴과 동시에 보강봉(20)이 공간부(11)의 내부에 고정되도록 하고 여분의 접착제는 상기 연통공(12)을 통해 공간부(11)의 외측으로 배출되도록 하는 단계와,
상기 공간부(11)의 후단부에 상기 캡(13)을 나사결합하는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 샤프트.