KR102333584B1 - 랙 가공 방법과 상기 방법에 따라 가공된 랙 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 랙을 가공하는 방법과 상기 방법에 의해 가공된 예를 들어 차량의 조향 랙 등의 랙(1)에 관한 것이다. 상기 방법에서는 랙의 경화 및/또는 직선화 교정 후에 존재하며 인장 및 압축 응력의 카오틱한 내부 응력 분포를 가지는 응력 패턴을, 기능적으로 조합된 가공 공정의 일련의 단계들에서 의도적으로 도입된 인장 응력이 없는 내부 압축 응력 및 지배적으로 균일한 응력 분포 또는 응력 평면을 가지도록 적어도 기어 톱니(2)의 영역이 사전 응력을 받게 함으로써 강도와 재질의 사용과 또한 랙의 직경을 구조의 변화 없이 최적화하는 응력 패턴으로 변환한다.

Description

랙 가공 방법과 상기 방법에 따라 가공된 랙
본 발명은 예를 들어 소위 조향 랙(steering rack)과 같이 차량의 조향 시스템에 사용될 랙을 가공하는 방법과 이 방법에 따라 가공된 랙에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다른 시스템들의 랙에도 적용 가능하다.
이러한 랙들은 주로 봉강(bar steel)으로 제조되고, 제 길이의 소위 단품short piece)으로의 절단, 한 섹션(section)에의 이빨의 형성(placing), 경화(hardening), 직선화 교정(straightening), 단부의 단부 가공, 연마, 마감, 균열 시험, 세척 공정들 중의 적어도 하나를 포함하여 조향 시스템 또는 다른 시스템에 설치될 랙을 제공한다.
자동차 제조에 있어서는, 연비 및 안전의 관점에서의 낮은 중량과 향상된 피로 강도와 함께 랙 제품 내의 대체로 균일한 응력 분포가 각 설치 부품뿐 아니라 조향 랙에도 필요하다.
이 기술분야에서의 경험에 따르면, 압축 및 인장 응력의 불리하고 불확실한 프로파일(profile)이 이빨의 설치 후, 그리고 랙의 경화와 직선화 교정 후에 기어 이빨에 존재한다. 실무자들은 이 효과를 또한 "카오틱(chaotic)"한 응력 프로파일이라고 지칭하는데, 이하 본 발명의 맥락에서 문헌들을 참조한다.
DE 102012100279 A1 및 DE 102014105780 A1는 조향 랙들을 개시하는데, 이들은 설치 전의 변형과 열처리 또는 기어 절삭과 직선 교정 등의 공정 후에 대체로 균일한 응력 분포를 가진다고 추정된다. 이러한 랙들은
- 균일한 경화 영역을 달성하기 위한 유도 경화(induction hardening)에 맞춰진 장치로 가공되거나
- 직선 교정 공정 동안 파라미터 설정(parameterization)을 겪게 된다.
랙 제품에서의 균일한 응력 분포에 현재 필요한 파라미터는 이에 따라 충족될 수 없다.
일반적인 랙들을 가공하는 다른 해법들은 다음에 보이는 응력 상태의 제어의 문제에 관련된다:
DE 69312807 T2는 원통형 봉강을 평탄면을 가지는 반(semi) 원통형의 부품으로 밀링(milling)하고 평탄부가 그 표면에 랙을 형성하도록 추가적으로 밀링함으로써 자동차에 사용될 조향 랙을 제조하는 전통적 방법을 개시한다. 이러한 랙은 그 무거운 중량과 높은 원가 때문에 현재의 요구치들을 충족하지 못한다. 특히 불리한 것은 조향 랙 표면의 일부의 밀링이 미세구조(microstructure)를 파괴하는 것이다.
더 간단하고 저렴하게 랙을 제조하는 데, 더 작은 벽 두께를 가지는 관(tube)들이 사용되었으나 강도의 문제를 야기하였다. 이러한 문제는 JP 2247020에 의해 해결되었다고 추정된다.
이에 따라, DE 69312807 T2에 의하면, 랙들이 다음에 의해 상당한 기술적 복잡성을 가지고 제조되었는데
- 첫 단계에서, 압력을 인가하여 랙이 형성될 섹션(section)을 제조하고,
- 두 번째 단계에서, 관을 랙과 상보적 관계를 가지는 툴들 사이에 장착하여, 반원형 단면을 가지는 맨드렐(mandrel)을 금속관의 보어(bore)에 밀어 넣으며,
- 추가적 단계에서, 코어 바(core bar)를 금속관의 일단에 삽입하고, 관의 벽 두께를 감소시키기 위해 압출기(extruder)를 사용하여 코어 바 둘레의 관을 밀어낸다.
DE 112006000619 B4는 기어 이빨과 그 길이의 대부분에 걸쳐 일정한 외경과 일정한 벽 두께를 가지는 축을 귀하는 차량의 랙 및 피니언(rack and pinion) 조향 시스템의 조향 랙을 개시한다. 이 목적으로, 가공 공정은 관형 부품(tubular part)의 단조(forging) 공정을 포함하는데, 여기서 관형 부품의 제1 영역의 보어에 긴 부품(elongated part)이 삽입된다. 단조 공정은 제1 영역에 기어 이빨을 형성함으로써 긴 부품을 관형 부품 내에 고정한다. 단조 공정 전에, 제1 영역의 외경이 축의 일정한 외경보다 더 작고 제1 영역의 벽 두께가 축의 일정한 벽 두께보다 더 커지도록 관형 부품 상에 성형(molding) 공정을 수행한다. 제1 부분이 단접(鍛接; kneading) 공정에서 축방향으로 압축되는데, 단접 공정에 앞서 긴 부재가 관형 부재의 보어로 삽입된다. 제1 영역이 긴 부품에 단접된다. 단접 공정 동안, 제1 부분이 폐기 가능하고 재사용 가능한 단접 스핀들(kneading spindle) 상에 단접됨으로써 성형 공정에 의해 관형 부품의 길이에 걸쳐 외경이 감소된다.
외경의 축소가 가능함에도, 이 개시내용의 기술적 수행은 상당한 기술적 원가를 요구한다.
전체적으로, 이 해법들은 당업자들에게 "카오틱"한, 즉 불리한 응력 상태의 문제를 기술적으로 유용한 방식으로 해결할 지침을 제공하지 못한다.
"전력 조향 시스템의 조향 봉의 유도 경화(Inductive hardening of steering rods for electric power steering systems)"라는 문서에서는 제품의 피로 수명과 마모 특성 상의 요구가 증가될지라도 중량 때문에 부품의 크기와 중량의 증가는 허용되지 않는다고 보고되었다. 그러므로 랙의 위치들의 유도 경화와 이에 따른 고품질의 유도 열처리 개시 재질은 이 요건들을 충족시킬 수 있어야 한다(저자 산업기사(Dipl.-industrial engineer), Dirk M. Schibisch, 공학사(Dipl.-Ing.) Martin Br
Figure 112019053565929-pct00001
cking, 국제전기가열학회(elektrow
Figure 112019053565929-pct00002
rme international) 3-2013).
DE 102012107501 A1은 조향 기어의 랙의 변형에 의한 응력 피크(stress peak)와 단면 변화를 방지하는 다른 해법을 기재하고 있다. 이에 따라, 랙과 구동 조향 피니언은 랙의 압력 부품에 사전 응력(pre-stress)을 산출하도록 배치된다. 더 낮은 잡음을 생성하는 점에서 댐핑(damping) 특성이 이에 따라 향상되지만, 당업자가 (이로부터) 제품의 균일한 응력 분포를 구현할 수 있는 지침을 얻을 수 없다.
예를 들어 EP 1 640 467 B1 등의 다른 문헌들은 당업자에게 미세구조의 변화에 의해 조향 랙 등의 랙의 강도 요건들을 향상시킬 수 있다고 제안하였다. 이에 따라 이들은 그 재질의 미세구조 내에 0.50 내지 0.60 중량%의 탄소와, 0.05 내지 0.5 중량%의 규소와, 0.2 내지 1.5 중량%의 망간과, 0.0005 내지 0.003 중량%의 붕소와, 0.005 내지 0.05 중량%의 티타늄과, 0.0005 내지 0.1 중량%의 알루미늄 및 0.002 내지 0.2 중량%의 질소와, 그리고 철과 부수적인 불순물들로 형성된 잔여물을 가진다. 랙을 위한 이와 같은 강봉은 전형적으로 퀀칭 및 템퍼링(quenched and tempered)되어 강봉의 적어도 한 섹션에 어떤 깊이로 템퍼링된 베이나이트 구조(bainitic structure)와 템퍼링된 말텐사이트 구조(martensitic structure)를 구비한다. 이러한 구조들은 랙의 직경의 의도적인 최소화의 전제조건이다. 그러나 직경의 최소화를 통한 이러한 중량 절감 가능성은 미세구조의 어떤 변화 없이 응력 피크를 가지는 기어 이빨의 "카오틱"한 응력 프로파일의 문제를 해결하기 위해 기어 이빨을 추가하고 난 뒤에는 완전히 이용될 수 없다.
AT 515352 A1(DE 102014225995 A1)은 기어 이빨을 가지는 소결 부품(sintered component)을 기재하고 있는데, 이는 이빨 뿌리(tooth root)와 이빨 측부(tooth flank)를 가지는 이빨들을 포함한다. 모든 이빨들과 기어 이빨의 이빨 뿌리는 플라즈마 질화(plasma-nitrided) 또는 플라즈마 질탄화(plasma-nitrocarburized) 층을 가지며 이빨 뿌리들은 DIN 3990에 따라 적어도 200 MPa의 영구 이빨 뿌리 강도를 가진다. 이 소결 부품을 제조하는 방법은 분말 압축(powder pressing), 소결 및 경화의 단계들을 포함한다. 이러한 소결 부품이라도 높은 이빨 뿌리 강도가 달성될 수 있지만, 이빨 측부는 200 MPa 내지 1500 MPa 범위의 압축 고유 응력의 최대값을 가질 수 있어, 소결 부품의 피로 강도의 추가적 향상이 달성될 수 있으며, 뿌리의 영역에서의 균열 발생(cracking)의 위험이 감소될 수 있어, 이 소결 부품이 직선 기어 이빨 또는 나선 기어 이빨을 가지는 랙을 구현할 수 있지만, 당업자는 일반적 랙을 가공할 때의 응력 상태의 문제를 해결할 어떤 암시(suggestion)도 얻을 수 없다. 거기에 개시된 기술은 예를 들어 공정 관련 왜곡의 방지를 위해 소결 부품을 경화시키는 플라즈마 질화 또는 플라즈마 질탄화에 집중하고 있다.
중요 부품(critical part)에 불리한 고유 인장 응력을 제거하거나 유리한 압축 응력을 도입하도록 숏 피닝(shot peening) 또는 전술한 유도 어닐링(annealing) 등의 기계적 및 열적 수단에 의해 제품 표면이 재가공될 수 있음이 당업자에게 알려져 있다. 이와 같이 고유 응력 또는 응결(solidification) 등 표면 근처의 재질 상태가 조정될 수 있다. 숏 피닝이 제품의 표면 강도를 향상시키는 데 주로 사용된다.
US 2006/0048867 A1은 가스 빔(gas beam)에 의한 처리 동안 표면을 방사성으로(radiographically) 조사함으로써 경화된 강의 고유 응력으로 야기된 응력 균열을 상쇄함으로써 선택적 또는 원하는 고유 응력으로 형성할 것을 제안하였다. 그러나 이 교시 내용은 미세구조에 기술적으로 도입된 변화에 기반하고 있다.
DE 102013218413 A1은 용접 직전에 트레일링 아암(trailing arm)과 토션 바(torsion bar)를 120 내지 150℃로 예열하는 것을 개시하는데, 트레일링 아암과 토션 바는 용접 후 숏 피닝을 거치게 된다. 숏 피닝은 사용 동안의 내구성을 향상시키는 것으로 추정된다.
US 6,544,360 B1은 DE 102013218413 A1에 따른 자동차 스프링을 제조하는 표면 처리 공정을 개시하는데, 이에 따라 처리된 표면은 표면에서의 원하는 고유 압축 응력의 당성을 위해 자동차 스프링이 가열되어 숏 피닝으로 처리되었을 때 더 우수한 응력 프로파일을 나타낸다. 이에 따라 다음 방법 단계들을 특징으로 하는 자동차 안정 장치(stabilizer) 등 금속 부품의 숏 피닝 방법이 제안된다.
- 금속 부품을 제공하여 금속 부품을 블래스팅 시스템(blasting system)에 투입하는 단계로, 여기서 금속 부품이 블래스팅 공정 전에 가열되는 단계와,
- 규정 가능한 세정 빔 속도로 세정(cleaning)하는 단계와, 그리고
- 규정 가능한 숏 피닝 빔 속도로 후속 숏 피닝하는 단계로
여기서 숏 피닝 빔 속도는 세정 빔 속도보다 더 크다. 블래스팅이 속도로 제어되므로, 응결의 크기가 항상 규정 가능하지는 못하다.
전문가의 관점에서, 경화될 제품 내의 불균일한 경화 영역과 불균일한 응력들은 위에 인용한 DE 102012100279 A1에 따른 점진적 경화로 작게 유지될 수 있다고 첨언할 수 있다. 유도기(inductor)의 단면 형상을 경화될 랙의 단면 형상에 맞추면 비 경화 영역과 평탄한 접촉면을 가지는 경화 영역을 산출할 수 있다. 이 평탄한 접촉면은 제품 내에 군일한 응력 분포를 야기함으로써 랙이 높은 기계적 안정성을 얻을 수 있지만, 이는 비교적 높은 원가를 수반한다.
이에 따라 양 방법들의 조합 역시 기어 이빨 내에 응력 피크를 가지는 "카오틱"한 고유 응력의 문제를 적절히 또는 완전히 해결할 수 없다.
반면, DE 10140444 A1은 이빨 뿌리 영역에서의 이빨 측부의 (부하) 수용 용량을 향상시킬 수 있도록 이빨 붙이 부품의 동적 부하 용량을 증가시키는 후속적인 숏 피닝을 거부한다.
본 발명에서 해결될 문제와 다른 기껏해야 개별적 해법이 될 접근방법과 목표들을 가지는 이들 대책들을 평가해도, 당업자는 한 뒤 조향 랙의 제조에서 기존에 언급된 "카오틱"한 응력 분포를 목표하는 또는 규정 가능한 방식으로 제어할 어떤 암시를 얻지 못한다. 특히 블래스팅 처리가 제어 불가능하다면, 당업자는 심지어 숏 피닝을 포함하는 블래스팅 처리로 달성 가능한 결과가 제품에 유용한 효과를 줄 수 있는지도 확신하지 못한다.
예를 들어 DE 19500078 A1에 기재된 바와 같은 다른 분야에서의 방법의 고찰들 역시 해법을 제공하지 못한다. 이 방법은 숏 피닝에 의한 냉간 변형(cold deformation)에 의한 부품의 소정의 파단점(breaking point)들의 영역에서 상대적 파단 토크의 감소에 관련된다. 여기서 절곡 또는 비틀림을 받는 부품이 단면 천이부(cross sectional transition)에서 응력 피크를 가진다고 가정되지만, 이는 재질 측면에서의 적절한 대책 없는 파단을 야기할 수 있어, 이 고찰은 본 발명에서 고려되는 랙에 적용될 수 없을 것이다.
허용 가능하거나 원하는 응력 분포가 정상적 작업 공정의 범위에서 제어된 기술이 될 수 없으므로 당업자는 더 복잡한 고찰들이 필요하다고 인식하고 있다. 이는 종래 단순한 사후 처리로 고찰되던 숏 피닝을 랙을 제조하는 작업 공정들에 성공적으로 통합하거나 위에 분석된 대책들 또는 다른 대책들과 조합하기 위해 창조적인 고찰들을 필요로 한다. 종래기술의 분석은 또한 조향 랙의 제조 실무에서 얻어진 경험이 단순히 연산으로 결정되는 기술로 대체될 수 없음을 나타낸다. 또한 "시행착오법(trial and error)"의 점진적 대책이 요구된다.
Neuber에 의한 초기의 문헌(공학의 연구(Research in Engineering), Vol. 29 (1963))이 정확한 응력 함수가 복잡한 연산 방법으로 얻어질 수 있는 랙 내의 응력 분포에 대해 개시했는데, 이는 임의의 프로파일과 임의의 외력 인가를 가지는 랙 내의 응력 분포에 대한 새로운 연산의 토대를 유도할 수 있다. 그러나 현실적 응용을 위한 새로운 연산 토대를 추구하는 당업자가 이에 따른 해법을 발견하지는 못하였다.
전술한 종래기술의 해법들을 시험한 결과, 랙의 경화와 직선화 교정 이후에 기어 이빨 내에 존재하는 특히 불리한 인장 응력 등의 불리하고 규정 불가능하고 불균일한 "카오틱"한 응력 상태를 방지하도록 조합할 수 있는 해법은 없다. 이에 따라 나중의 균열 또는 파손을 방지하는 데 필요한 질량과 재질의 최적화는 쉽게 구현될 수 없다.
이에 따라,
- 대체적으로 균일한 응역 분포를 가지고 미세구조의 변화 없이 랙 직경과 이에 따른 기어 이빨의 포락원주 직경(enveloping circle diameter)을 최소화함으로써 중량 절감의 요건을 충족하고,
- 랙의 피로 강도의 저하와 균열 또는 파손의 형성의 단점을 방지하며, 그리고
- 직경 최소화의 가능성을 생성하는
새로운 해법이 발견되어야 한다.
본 발명의 목적은 가공 공정의 조합된 시퀀스(sequence)에서의 부분적으로 알려진 기술과 공정을 통한 랙의 경화 및/또는 직선화 교정 후에 존재하는 인장 및 압축 응력의 카오틱 고유 응력 프로파일을 가지는 응력계(stress system)를 각 강제 부품의 미세구조의 변화 또는 파괴 없이 강도와 재질의 사용뿐 아니라 랙의 직경까지 최적화하는 응력계로 변환하는 것이다.
이 맥락에서,
- 당업계에 알려지고 예를 들어 US 2006/0048867 A1에 따라 특별히 적용된 X선 시험 및/또는
- (예를 들어 DE　102013218413 A1, DE　102011 055104 B4, DE　10140444 A1 등에서 전술한 바와 같이) 종래에는 압축 응력을 도입하여 금속 부품 내의 균열 형성을 방지하기 위해 기술적 대기 시간 이후에 사후 처리 또는 적용되는 것으로 간주되었던 주지의 숏 피닝이
공정들의 연속적인 시퀀스에 통합될 뿐 아니라 제품 내의 응력의 더 균일한 분포라는 기능적으로 조합된 새로운 효과를 가지고 선택적으로 사용되어야 한다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1과 종속항 2 내지 17항에 따른 방법과, 이 방법으로 후속적으로 처리된 청구항 18 내지 20에 따른 랙에 의해 달성된다.
경화(hardening) 후에 또는 경화 및 직선화 교정(straightening) 후에 적어도 기어 이빨(gear teeth)의 영역에 인장 응력과 압축 응력의 "카오틱(chaotic)" 고유 응력 프로파일(inherent stress profile)이 초기에 존재하는 금속 재질로 제조되는 랙을 가공하는 이 방법의 발명적 원리는 고유 응력 프로파일이 기능적으로 조합된 가공 시퀀스의 일련의 단계들에 의해 미세구조(microstructure)에 변화를 야기하지 않고 허용 가능한 고유 응력 프로파일로 변환함으로써 적어도 기어 이빨의 영역이 인장 응력 없이 규정 및 도입된 고유 압축 응력을 받아 고유 압축 응력과 거의 균일한 응력 분포의 허용 가능한 고유 응력 프로파일 또는 응력 평면(stress plane)을 가지는 응력 값을 가지는 물리계(physical system)가 기어 이빨의 영역에 존재하게 되는 것이다.
앞에 평가한 AT 515352 A1(DE 102014225995 A1)과 비교하면, 기어 이빨을 가지는 소결 부품에 대한 이 기술에 의하면 고유 압축 응력의 최대값이 소결 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있는 반면, 응력 상태의 제어는 본 발명에 따라 강재의 미세구조의 변경 없이 달성되므로, 본 발명의 기술은 원리나 질적으로 이와 다르다.
이 목적을 위해, 경화 또는 경화 및 직선화 교정 후에 적어도 한 랙의 기어 이빨의 선택된 섹션에 발생되는 축방향의 인장 응력과 횡 방향의 압축 응력을 나타내는 축방향 및 횡방향 응력들의 측정값(measured value)이 본 발명에 따라 동일한 파라미터들로 가공될 각 로트(lot) 또는 계열(series)의 기술적 준비의 문맥에서 로트들 또는 계열들의 랙들의 기준 프로파일(reference profile) 또는 이론적으로 가정된 응력 프로파일로서 "카오틱"한 응력 프로파일의 정의에 사용된다.
이 방법은 짧은 단봉으로 절단, 섹션에의 이빨 형성(applying), 경화, 직선화 교정, 단부면의 마감 전에, 연마, 마감, 균열 시험 및 세정 등의 기본적 공정에 이어 이 명세서에서 "카오틱"으로 지칭되는 응력계를 정상적으로 가지는 일반적(generic) 랙을 고려한다. 당업자는 기어 이빨의 형성(application)과 경화 후의 이빨붙이 랙에서 그 정도(extent)를 판단, 즉 고유 응력들의 X선 회절(diffraction) 측정에 의해 비파괴적으로 측정할 수 있으려면 인장 및 압축 응력이 지배적이라는 것을 인식해왔다. 고유 응력들은 적어도 기어 이빨의 섹션의 적어도 하나의 표면 근처 층(near-surface layer)에서 축방향 및 횡방향으로 < 100 μm의 깊이까지 측정된다.
방사선 측정 응력은 고유 응력의 결과로 결정격자(crystalline lattice)의 격자 팽창(lattice expansion)의 결정에 의해 측정되므로, 측정은 좌표계에 따라 수행되는데, 여기서 응력들은 다축(multiaxial) 응력 상태로 결정된다.
이빨붙이 영역은 제품 또는 재질 상에 다음 기준(criteria)을 포함하여 회절계 등의 X선 장치의 특별한 설정을 필요로 한다.
- 조사될(irradiated) 영역의 선택과, 그리고
- 간섭 라인(interference line)들, 각도 범위, 경사(tilting) 등 측정 위치에 관련된 측정의 결정.
결과적으로, 고유 응력의 X선 회절 측정을 위해서는, 축방향과 횡방향으로 존재하는 압축 및 인장 응력들을 축방향 및 횡방향 응력의 측정값들로 검출할 수 있도록 하기 위해 기어 이빨의 선택된(경계층; boundary layer) 섹션들이 결정된다.
US 2006/0048867 A1에 관련하여 언급한 바와 같이, 제품의 X선 회절 측정이 일반적으로 알려졌지만, 본 발명에서의 랙들에 대해, 미세구조의 변화 없이 원하는 대체로 균일한 응력 분포에 대한 유용한 결과를 궁극적으로 달성하기 위해, 이어지는 측정에 대해 첫 번째 가공 단계가 제공되는 것은 당업자의 정상적 행동 너머라는 것을 강조해야 할 것이다. 본 발명에 따라 목표한 균일한 응력 분포는 미세구조의 변화 없이 이뤄질 뿐 아니라 (US 2006/0048867 A에 따른 추가적 가스 빔 처리 등의) 추가적 수단이 없이 이뤄진다. 이에 따라 본 발명에 따라 특별히 구성된 X선 회절 측정이 시너지 효과를 가지는 기술적 공정에 통합된다.
현재의 "카오틱"한 응력계에서 관찰되는 압축 및 인장 응력들이 이제 측정 및 검출 가능하므로, 인장 응력의 응력 피크가 이론적으로 결정 및 가정될 수 있는데, 이는 가공 공정에 기능적으로 통합될 수 있다. 반면 단일한 "대표적 샘플"이 가정, 즉 로트들 또는 계열들의 각 랙의 "카오틱"한 응력계의 측정을 수행할 필요가 없으므로 기술적 의미를 가진다. 예를 들어, ±　< 2.0 MPa x 103, 적어도 ± 0.5 MPa x 103의 범위에서 측정된 인장 응력 및 압축 응력이 응력 피크 또는 진폭(amplitude)으로 정의될 수 있다.
본 발명에 따른 첫 번째 기술적 단계에서의 이 측정이 특별한 기술적 특성을 이미 특징짓는데, 즉 기어 이빨에 원하는 미세구조의 변화 없이 균일한 응력 분포에 관해 이는 기능적으로 기반한 가공 공정에서 처음에 확인된 기술수준을 넘어서는 것이다.
이에 따라, 전술한 인장 응력의 응력 피크가 예를 들어 <10s의 짧은 시간 동안 수행될 수 있는 유리구슬(glass-bead) 빔(beam) 등의 숏 피닝에 의해 표면 근처(near surface) 고유 압축 응력을 도입함으로써 제거, 완화(smoothed), 또는 감소된다.
이와는 달리, 인장 응력의 응력 피크는 응력제거(열처리)(stress relieving) 등의 유도 가열(inductive heating)에 의해 제거, 완화 또는 감소될 수 있는데, 가열은 120 내지 160℃의 범위에서 수행될 수 있고, 각 응력 상태들에 따른 값은 가열 전과 가열 후에 검출될 수 있다.
이 유도 완화(inductive relaxation)는 기어 이빨의 종류에 따라 수행될 수 있는데, 여기서 고정(constant) 또는 가변(variable) 기어 이빨이나 재질의 특성이 고려될 수 있다.
숏 피닝 또는 유도 가열로 응력 피크 또는 진폭이 제거, 완화 또는 감소된 후에는, 기어 이빨의 영역이 후속적인 강선(steel wire) 숏 블래스팅(또는 그릿(grit) 블래스팅 및 강재 숏 피닝(steel shot peening))을 통해 인장 응력이 없이 규정 값의 도입된 고유 압축 응력의 사전 응력(pre-stress)을 받게 되어, 원하는 또는 허용 가능한 교유 응력 프로파일이 달성된다.
이를 위해, 고유 압축 응력의 특별한 소정 값이 ± p1 범위의 빔 압력(beam pressure)에 의해 도입된다.
이 절단 강선(cut steel wire) 블래스팅 적용의 발명적 특징은 이전에 측정된 값에 따라 압축 응력이 의도적으로 규정되어 이전의 응력 피크 또는 진폭의 제거, 완화 또는 감소와 기능적 시너지를 가지고 적용된다는 것이다. 이와 동시에, 블래스팅 공정에 의해 야기되는 변형은 규정된 샘플에서 알멘 강도 측정(이하 알멘 시험으로도 지칭함)에 의한 측정된 강도로 압축 응력을 결정함으로써 결정 및 제어된다. 무엇보다도, 블래스팅 재질의 경도와 형상, 입사각, 블래스팅 재질의 운동 에너지와 어떤 장애(obstruction)들이 고려된다. 이와 같이 알멘 시험이 본 발명에 따른 가공 공정의 일련의 단계들에 기능적으로 조합된 기술적으로 통합된 요소가 된다. 그러므로 단일한 랙이 알멘 시험 샘플로서 소정의 지속기간 또는 소정 수의 로트들과 계열들에 대해 규정된 샘플을 대표할 수 있다.
본 발명에 따른 가공 공정에서 이 공정 단계들의 유효하게 밀접한 연결과 상호 지원하는 조합 덕분에, 미세구조의 물리적 응력계에서 검출된 응력 피크가 압축 고유 응력 형태의 기어 이빨의 사전 응력이 기어 이빨의 특정 섹션에 존재하는 놀라운 효과로 균일한 응력 평면 또는 응력 분포로 변환된다.
본 발명에 의하면, 고정(constant) 기어 이빨에 비해 가변(variable) 기어 이빨의 불리한 특징이 가변 기어 이빨에 대해 본 발명에 따른 방법으로 다른 이빨 반경과 이빨 측부들의 다른 각도를 검출 및 포괄함으로써 감안될 수 있다. 이와 같이, 인장 응력 및 압축 응력의 원래의 고유 응력 프로파일이 기어 이빨의 종류 또는 랙의 재질의 특성을 감안하여 허용 가능한 고유 응력 프로파일로 변환될 수 있다.
특히 다른 것에 비해 상당한 차축 부하(axle load)를 가지는 차량의 조향 랙으로서의 랙의 크기와 직경도 이에 따라 최적화될 수 있다.
본 발명의 방법은 >　-0.6 MPa x 103 내지 <2.0 MPa x 103 범위의 기어 이빨 내의 고유 압축 응력의 값을 허용하는데, 이 값은 궁극적으로 이 방법에 따라 가공된 랙의 양적으로 신규한 특성이다.
이에 따라 본 발명에 따른 방법으로 제조된 랙은 기어 뿌리의 섹션에서
a) 기어 이빨에 도입된 압축 응력,
b) 균일한 응력 분포/평면을 형성하는 물리적 응력계, 그리고
c) 기어 이빨의 모든 차원의(in the dimensions) 고유 압축 응력에 의해 변환된 초기 응력을 가지는데,
이 특성들은 조향 랙에 신규한, 기능적으로 균일하게 조합된 품질을 부여한다. 그러므로 랙 직경 및 이에 따른 기어 이빨의 포락원주 직경(enveloping circle diameter)의 최소화에 의한 중량 절감의 증가하는 요구가 충족될 수 있고, 직경을 최소화함에도 피로 강도가 향상될 수 있으며, 자동차 조향 랙으로서 차량에 대한 더 큰 차축 부하에 대한 요구도 충족할 수 있고, 기술적 원가도 낮게 유지할 수 있다.
도면에서
도 1은 본 발명에 따라 가공될 랙(1)의 평면도인데,
· 핀(1.1)로부터 시작하여 5번째 이빨까지로 정의되는 기어 이빨(2)의 섹션(2.2)과,
· 측정 범위 중심으로 정의되는 기어 이빨(2)의 섹션(2.3)과, 그리고
· 축(1.2)으로부터 시작하여 5번째 이빨까지로 정의되는 기어 이빨(2)의 섹션(2.4)으로 분할되는 측정 범위를 가지며,
그리고 도시의 목적상 강조되었으며, 인장 응력(σ+)이 축방향(x)으로 측정되고 압축 응력(σ-)이 횡방향(y)으로 측정되는, 기어 이빨(2)의 이들 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들의 상세(A)를
가지는 조향 랙으로 도시되어 있고;
도 2a는 경화 및 직선화 교정 이후의 도 1에 따른 기어 이빨(2)의 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 측정된 응력 프로파일(σ)의 도표로, 도 1의 랙(1)에서의 인장 응력(σ+)의 응력 피크(σ+peak)와 압축 응력(σ-)의 응력 피크(σ-peak)가 식별되어, 기준 응력 프로파일(σ)과 동일한 파라미터들을 가지는 본 발명에 따라 가공될 로트들 또는 계열들 또는 동일한 파라미터를 가지는 이론적으로 가정된 응력 프로파일(σ)을 가지는 로트들 또는 계열들의 랙(1)들에 대한 랙(1)의 선택된 샘플의 지정된 "σ - profile(응력 프로파일)"의 기반으로 사용되고;
도 2b는 인장 응력(σ+)의 응력 피크(σ+peak)의 본 발명 제거 또는 완화(이하 "응력 피크 완화(stress peak smoothing)"로 지칭함) 이후의 도 1에 따른 기어 이빨(2)의 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 측정된 "σ-profile"의 도표이며;
도 2c는 본 발명에 따른 가공 공정 이후의 도 1에 따른 랙(1)의 기어 이빨(2) 내의 압축 응력(σ-)의 허용 가능한 또는 소정의 응력 프로파일(σperm)의 도표로, 이에 의해 도 2a에 따른 "σ-profile"이 허용 가능하지만 지정되지 않은(not designated) 응력 프로파일(σperm)로 변환되었으며 기어 이빨(2)의 영역은 여기서 화살표로 상징적으로 표시된 바와 같이 의도적으로 도입된 사전 응력을 가져 인장 응력(σ+)이 없는 지정되지 않은 고유 압축 응력(σ-E)을 가지는데, 이에 따르면
· "공정 I(Process I)"로 지시된 첫 단계에서, 기능적으로 조합된 일련의 가공 단계의 숏 피닝에 의해 표면 근처(near-surface)에 지정되지 않은 고유 압축 응력(σ-E)을 도입함으로써 도 1의 인장 응력(σ+)의 지정되지 않은 응력 피크(σ+peak)를 의도적으로 완화, 감소 또는 제거하고, 그리고
· "공정 II(Process II)"로 지시된 두 번째 단계에서, 숏 피닝 또는 유도 가열에 이어진 본 발명에 따른 기능적으로 조합된 일련의 가공 공정 단계들의 결과로 이들 응력 피크(σ+peak)가 지정된 "가공 응력 프로파일(σ-specification)"에 따른 후속적인 강선 숏 블래스팅에 의해 허용 가능한 고유 응력(σperm)으로 제거, 완화 또는 감소되었으며;
도 3은 숏 피닝 또는 응력제거(열처리)(stress relieving)되어 가공 공정에서 다른 빔 압력, 즉 블록도에서 I, II, III으로 지시된 바와 같이 강재 숏 블래스팅(steel shot blasting)됨에 따라 도입된, 도 1의 기어 이빨(2)에서 얻어진 고유 압축 응력(σ-E)의 측정값들의 세 막대 그래프들;
도 4는 도 1에 따른 이빨붙이 랙(1)의 기어 이빨(2)의 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들에서 달성된 상세 응력 값들의 도표로 표시한 개관;
도 5는 유리구슬로 블래스팅할 때 피해야 할, 불리한 이빨 기부의 "도달 실패(failure-to-reach)의 개략도.
이하 본 발명의 예시적 실시예들이 더 상세히 설명된다.
본 발명에 따라 가공될 도 1에 따른 랙(1)의 재현 가능성(reproducibility)이 더 잘 이해되도록 도 2a, 도 2b, 도 2c에 따른 기술적 조건의 결과가 도 3에 따르고, 필수적 데이터가 될 수 있는 도 4에 따른 데이터가 예로 보인다.
도 1에서, 랙(1)이 기부(basis)로 사용되는데, 핀(1.1)과 축(1.2) 사이에 비절삭 성형(non-cutting shaping)과 경화(hardening)와 직선화 교정(straightening) 이후에 본 발명에 따라 가공될 제한된 길이와 직경(2.5)의 단부면(end face; 1.3)으로 형성된(introduced) 이빨(2.1)을 가지는 기어 이빨(2)을 가진다.
처음 분석된 문제점, 즉
- 랙(1)의 경화와 직선화 교정 후에 불리하고 규정 불가능 또는 불균일한 응력 상태(이하 "카오틱(chaotic)"으로 지칭함)가 기어 이빨(2) 내에 존재하는데, 이는 도 2a에 도시된 바와 같이 기어 이빨(2) 내에 특히 불리한 인장 응력(σ+)과 그 응력 피크(σ-peak)를 포함하는 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 응력 프로파일(σ)을 가지며, 그리고
- 랙(1)의 균열 또는 파단을 방지하면서 외부적으로 규정된 필수 데이터, 질량과 재질 사용의 최적화가 필요하다.
이를 고려하여 랙(1)은
- 대체로 균일한 응력 분포를 가지며 미세구조의 변화 없이 랙 직경 및 이에 따른 기어 이빨의 포락원주 직경(envelope diameter)을 최소화함으로써 중량 절감의 요건을 충족시키고,
- 랙의 피로 강도의 저하나 균열(cracks or fractures) 형성의 단점을 방지하며, 그리고
- 직경 최소화의 모든 가능성을 제공하도록
처리되어야 한다.
이하에서는 다음 기호들로 계속 지시할 것이다:
- σ+ 인장 응력(tensile stress),
- σ- 압축 응력(compressive stress),
- σ-E 압축 고유 응력(compressive inherent stress),
- σ (고유) 응력 프로파일로서 역시 "카오틱(chaotic)"한 응력 프로파일(stress profile), 그리고
- σperm 허용 가능한, 원하는, 소정 또는 달성된 (고유) 응력 프로파일.
본 발명에 따르면, 가공 공정의 단계들의 기능적으로 조합된 시퀀스(sequence)에서, 원하는 파라미터들을 만족시키기에는 불리하던 (고유 응력 프로파일(σ)이 미세구조의 변화 없이 허용 가능한 (고유) 응력 프로파일(σperm)로 변환되는데, 여기서 (적어도) 기어 이빨(2)의 영역이 인장 응력(σ+) 없이 규정되어 도입된 고유 압축 응력(σ-E)의 사전 응력(pre-stress)을 받게 되어, 가공의 결과 대체로 균일한 응력 분포 또는 응력 평면의 고유 압축 응력(σ-E)과 허용 가능한 (고유) 응력 프로파일(σperm)을 가지는 물리계(physical system)가 기어 이빨(2)의 영역에 존재하게 된다.
본 발명에 따른 가공 방법은 이빨(2.1)을 가지는 기어 이빨(2)에는 반드시, 즉 측정하건 안 하건 또는 검출되건 안 되건 도 2a에 따른 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 "카오틱"한 (고유) 응력 프로파일(σ)이 존재한다는 사실에 기반하고 있다. 본 발명의 맥락에서, 이 상태는 랙(1)의 샘플 상에 다음과 같이 시험 및 규정된다. 본 발명의 중요한 특성으로, 그리고 이 통합된 단계들로 가공될 도 1에 따른 랙(1)의 준(quasi) 기술적 준비로, 이빨(2.1)을 가지는 기어 이빨(2)의 섹션(= 기어 이빨(2)의 길이)은 각각 다음으로 분할된다
- 핀(1.1)에서 시작하여 5번째 이빨(2.1)까지의 측정범위로서의 섹션(2.2),
- 중심 측정 범위로서의 섹션(2.3),
- 축(1.2)으로부터 시작하여 5번째 이빨까지의 측정 범위로서의 섹션(2.4).
이를 위해 기어 이빨(2)의 강조된 상세 A는
- 축방향(x)으로 인장 응력(σ+)의 측정을 위한, 그리고
- 횡방향(y)으로 압축 응력(σ-)의 측정을 위한
상징적 벡터 화살표를 보인다.
본 발명 가공을 위해 준비된 이 기술 체계(technological system)를 기반으로, 축방향(x)으로의 기어 이빨(2)의 인장 응력(σ+)과 횡방향(y)으로의 압축 응력(σ-)이 X선 회절 측정(X-ray diffraction measurement)에 의해 선택된(표면 근처; near surface) 영역에서 검출되어 측정값으로 기록된다.
제품의 X선 회절 측정은 일반적으로 알려졌지만, 본 발명 랙(1)의 경우 미세구조의 변화 없이 대체로 균일한 응력 분포와 유용한 결과를 궁극적으로 얻기 위해 당업자에게 기대되는 행위 너머의 제1 기술적 접근에 대해 이미 개발 및 시험되었음을 강조해야 할 것이다. X선 회절 측정은 결정격자(crystalline lattice) 내의 고유 응력의 결과인 격자 팽창(lattice expansion)의 결정으로 수행되므로, 측정이 규정된 좌표계 내에서 수행됨으로써 응력들이 다축 응력 상태로부터 결정될 수 있다.
기어 이빨(2)은 랙(1) 상에 예를 들어 회절계(diffractometer) 등의 X선 장치의 특별한 조정을 요구하므로 다음 기준들이 준수되어야 하는데:
- 조사될(irradiated) 영역의 선택, 그리고
- 간섭 라인(interference line)들, 각도 범위, 경사(tilting) 등 측정 위치에 관련된 측정의 결정.
이에 따라 이 기술적 준비 단계에 대해, 고유 응력의 X선 회절 측정에 선택될 기어 이빨(2)의 (표면 근처 층의) 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들이 결정되어야 한다. 이에 의해, 경화 및 직선화 교정 후의 기어 이빨(2) 내의 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 현재의 응력 프로파일(σ+)이 인장 응력(σ+)의 응력 피크(σ+peak)와 압축 응력(σ-)의 응력 피크(σ-peak)와 함께 축방향(x) 및 횡방향(y)으로 결정되어 측정값으로 기록된다.
본 발명에 따른 이 접근 방법은 랙(1)의 선택된 샘플의 "카오틱"한 응력 프로파일(σ)이 이후, 규정된 기준 응력 프로파일(σ) 또는 동일한 파라미터들로 가공될 랙의 로트(lot)들 또는 계열(series)들의 이론적으로 가정된 응력 프로파일(σ)로 실무상 사용될 수 있는 이점을 가진다.
도 2a는 기준(reference) 응력 프로파일(σ) 또는 동일한 파라미터들을 가지는 로트들 또는 계열들에 대해 이론적으로 가정된 응력 프로파일(σ)을 도표 형태로 보이는데, 이로부터 경화 및 직선화 교정 후의 기어 이빨의 응력 프로파일(σ)과 인장 응력(σ+) 및 압축 응력(σ-)을 [MPa] x 103 크기의 값으로 인장 응력(σ+)의 응력 피크(σ+peak)와 압축 응력(σ-)의 응력 피크(σ-peak)와 함께 도 1에 도시된 비교 랙(comparison rack; 1)에 대해 수집할 수 있다. 랙(1)의 선택된 샘플로부터 얻어진 이 응력계는 이후 본 발명에 따라 제조될 동일한 파라미터들을 가지는 랙(1)의 로트들 또는 계열들에 [MPa] x 103 크기의 인장 응력(σ+) 및 압축 응력(σ-)의 값을 가지는 기준 응력 프로파일 또는 이론적으로 가정된 응력 프로파일(σ)로 사용될 수 있다.
도 2b는 (본 발명) 방법에 대해 기능적으로 조합된 가공 공정의 일련의 단계들 내에 인장 응력(σ+)의 응력 피크 또는 진폭(amplitude)(σ+peak)이 존재하는 방식을 개략적으로 도시한다. 이에 따라 [MPa] x 103 크기의 값을 가지는 인장 응력(σ+)의 응력 피크 또는 진폭(amplitude)(σ+peak)이 규정되어 도 2c에 공정 I로 지시된 응력 피크 완화(stress peak smoothing)로 지칭되는 첫 단계(stage)에 따라 제거될 수 있다.
기능적으로 조합된 일련의 가공 공정 단계들은 인장 응력(σ+)의 응력 피크(σ+peak)가, 제1 스테이지 및 이후에 더 상세히 설명될 도 2c에 따라 화살표로 상징적으로 지시된 바와 같은 유리구슬(glass bead)의 블래스팅(blasting) 등의 숏 피닝(shot peening)에 의한 표면 근처 고유 압축 응력(σ-E)의 도입에 의해 완화, 감소, 제거되는 것을 포함한다. 숏 피닝은 < 10s의 짧은 시간 동안 수행될 수 있다. 유리구슬에 의한 블래스팅에 있어서, 도 5에 개략적으로 도시한 바와 같은 이빨 뿌리의 불리한 "도달 실패(failure-to-reach)"를 방지하기 위해 블래스팅 재질의 구(sphere)는 기어 이빨(2)의 이빨 뿌리에서 각 이빨 뿌리 반경이 조사될 수 있는 크기가 되어야 한다.
이와는 달리, 인장 응력(σ+)의 응력 피크(σ+peak)(그리고 가능하기로 압축 응력(σ-)의 응력 피크(σ-peak))는 응력제거(열처리)(stress relieving) 등의 유도 가열(inductive heating)에 의해 제거, 완화 또는 감소될 수 있다. 가열은 120 내지 160 ℃로 이뤄지고, 가열 전후에 응력 값이 측정될 수 있다.
그러므로 (처음 본 발명에 따른 방법의 기술적 중간 단계로서의) 도 2b에 따른 숏 피닝 또는 응력제거(열처리) 후에는 응력 피크(σ+peak)가 없는 (고유) 응력 프로파일(σ)이 얻어진다.
본 발명에 따르면, 인장 응력(σ+)이 없는 규정된 고유 압축 응력(σ-E)을 가지는 사전 응력이 기어 이빨(2)의 영역에 도입되어, 이후 (고유) 압축 응력(σ-E)과 대체로 균일한 응력 분포 또는 응력 평면을 가지는 허용 가능한 (고유) 응력 프로파일(σperm)이 기어 이빨(2)의 영역에 존재하게 된다. 이를 위해, 숏 피닝 또는 유도 가열에 의해 응력 피크(σ+peak) 또는 진폭들을 제거, 완화, 또는 제거하고 나면, 후속적인 빔 압력(p1)의 강선 숏 블래스팅, 특히 도 2c에 따른 제2 단계 II에 의해, 즉 본 발명에 따른 기능적으로 조합된 일력의 가공 단계들의 결과로 (가능하기로 필수 데이터에 따라 달성되어야 할) 허용 가능한 고유 응력 프로파일(σperm)이 달성된다. 이와 같이 인장 응력(σ+) 없이 의도적으로 도입된 압축 고유 응력(σ-E)을 가지는 사전 응력이 도 2c에 σ 가공으로 도시한 k와 같이 기어 이빨(2)의 영역에 존재하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 가공 공정에 의해, 즉 숏 피닝 또는 응력제거(열처리)와 예를 들어 블록도 I에서 p1, 블록도 II에서 0.5 ×p1, 블록도 III에서 1.4 × p1의 빔 압력의 강선 숏 블래스팅에 의해 계획적으로 도입된, 처리된 랙(1)에 대한 원하는 압축 고유 응력(σ-E) 및 이에 따른 허용 가능한 또는 필수 데이터에 따라 얻어진 고유 응력 프로파일(σperm))의 값을 도시한다.
여기서 강화 빔(strengthening beam)으로서의 강선 공정은 품질을 보장하기 위해 (적용 가능하다면 선행하는 페인트 시험(paint test)와 함께) 가공 공정에 통합된 "알멘 시험(Almen test)" 이후 도입될 고유 압축 응력(σ-E)의 특정한 값에 대해 제어될 수 있다. 빔이 작동되는 동안, 작동 압력이 제어되어 랙(1)은 준(quasi) "알멘 시험" 후 시험 표본으로 얻어질 수 있는데, 여기서(도 4 참조) 본 발명과 연계된 단계들의 결과를 다음 값들, a1 = 축방향 응력_시작(axial stress beginning), a2 = 횡방향 응력_시작(transverse stress beginning), b1 = 축방향 응력_중앙(axial stress center), b2 = 횡방향 응력_중앙(transverse stress center), c1 = 축방향 응력_종단(axial stress end), c2 = 횡방향 응력_종단(transverse stress end)으로 나타내어, 기어 이빨(2)의 섹션(2.1, 2.2, 2.3)들에 허용 가능한 응력 평면 또는 응력 분포가 존재한다.
기어 이빨(2)의 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들에서 예를 들어 >-0.6　MPa x 103 내지 <-2.0 MPa x 103 범위의 고유 압축 응력(σ-E)의 값이 가능하므로 본 발명은 랙(1)의 구조적 개발에 관해 다음이 가능하다:
랙(1)의 종래의 가공에 있어서, 설계자는 공통적으로 그 단면 거동과 랙 부하, 소정의 로드 경우에 대한 절곡선(bending line), 그리고 해당 탄성계수와 원하는 파로 수명을 달성하기 위한 동적 피로 시험을 연구했다. 설계자는 예를 들어 기어 이빨(2) 영역에서 28 mm의 이빨붙이 봉 직경(D)을 결정하였다. 고유 압축 응력(σ-E) 또는 표면 근처 응력(σ)의 크기와 방향은 무시할 수 있다고 하더라도 기어 이빨(2) 내의 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 부정적인 "카오틱"한 응력 프로파일(σ)(도 2a 참조)은 불리하게 남아있다.
이제 본 발명의 교시를 수용한 당업자라면 다음에 의해 랙(1)의 구조적 최적화를 유리하게 심화시킬 수 있다.
- 이빨 뿌리에서의 이빨의 단면적과 (이빨 뿌리 반경과 해당 노치 효과(notch effect)를 포함한) 섹션 모듈(2.1), 이빨 폭, 이빨 뿌리 평면 또는 표면 등의 피로 강도와 사용 수명에 중요한 인자들의 조사,
- 추가적으로 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 고유 응력 프로파일(σ)을 가변(variable) 기어 이빨(2 ivar) 또는 고정(constant) 기어 이빨(2 iconstant)의 함수로서, 또는 랙(1)의 재질 특성의 함수로서 허용 가능한 고유 응력 프로파일(σperm)로 변환,
- (예를 들어 표면 밑 0.02 mm 등) 표면 근처 고유 압축 응력(σ-E)의 의도적 도입으로 인장 응력(σ+)을 제거하고 랙(1)의 직경(D)을 예를 들어 26 mm로 최소화, 그리고
- 차량의 조향 랙 등의 랙(1)의 직경(D)의 치수 설정(dimensioning)을 최적화한다고 하더라도 차량의 동일한 차축 부하(를 유지).
이는 본 발명에 따른 방법이 >-0.6 MPa x 103 내지 <-2.0　MPa x 103 범위의 압축 고유 응력(σ-E)의 값을 허용하는 랙(1)을 제공하기 때문에 가능하다.
도 4는 원래 미세구조의 물리적 응력계에 불리하게 작용하던 응력비율(stress ratio)이 위에 규정된 값(a1, a2; b1, b2; c1, c2)들을 가지는 본 발명에 연계된 단계들의 결과, 어떻게 다음 섹션들에서 허용 가능한 응력 평면 또는 응력 분포로 변화되었는지를 보인다. 기어 이빨(2)의
- 2.2, 핀(1.1)로부터 시작하여 5번째 이빨 상에서 측정
- 2.3, 측정 범위 중심에서
- 2.4, 축(1.2)으로부터 시작하여 5번째 이빨 상에서 측정. 이에 따라, 외부 필수 데이터 등의 디폴트값이 달성된 실제값과 비교되어 충족되었는지 확인, 즉 유해한 인장 응력(σ+)이 없는 고유 압축 응력(σ-E)으로부터의 유용한 사전 응력이 기어 이빨(2)에 존재하는지 확인될 수 있다.
산업상 이용가능성(Industrial Applicability)
본 발명은 비교적 낮은 원가로 기술적으로 적용되어 랙 직경을 최소화함으로써 랙의 중량 절감의 요구를 충족시킬 수 있다. 랙의 내구성이 충족되고, 기어 이빨의 균열 또는 파단이 방지된다. 특히 자동차 조향 시스템에서, 차량의 더 높은 차축 부하의 요구도 구현될 수 있다.
1 = 랙(rack)
1.1 = 핀(pin)
1.2 = 축(shaft)
1.3 = 앞쪽(단부)(front side)
2 = 기어 이빨(gear teeth)
2.1 = 이빨(tooth)
2.2 = 핀(1.1)으로부터 시작되는 측정 범위로서의 기어 이빨(2)의 섹션(section of the gear teeth 2 as a measuring range starting from the pin 1.1)
2.3 = 측정 범위 중심으로서의 기어 이빨의 섹션(section of the gear teeth as measuring range center)
2.4 = 축(1.2)로부터 시작되는 측정 범위로서의 기어 이빨(2)의 섹션(section of the gear teeth 2 as a measuring range starting from the shaft 1.2)
2.5 = 랙(1)의 직경(diameter of the rack 1)
x = 축방향(axial direction)
y = 횡방향(transverse direction)
σ = 응력 프로파일, 달리 말해 "카오틱"한 (고유) 응력 프로파일(stress profile, also "chaotic" (inherent) stress profile)
σperm = 허용 가능한, 원하는, 규정된 (고유) 응력 프로파일, 달리 말해 "가공 응력 프로파일"(permissible, desired, defined (inherent) stress profile, also referred to as "σ-specification")
σ+ = 인장 응력(tensile stress)
σ- = 압축 응력(compressive stress)
σ-E = 압축 고유 응력(compressive inherent stress)
σ+peak = 인장 응력의 응력 피크 또는 진폭(Stress peak or amplitude of tensile stresses)
σ+x = 축방향 응력(axial stress)
σ+y = 횡방향 응력(transverse stress)
ivar = 가변 기어 이빨(variable gear teeth)
iconstant = 고정 기어 이빨(constant gear teeth)
± p1 = 가변 빔 압력(variable beam pressure)
a1 = 축방향 응력_시작(axial stress value beginning)
a2 = 횡방향 응력_시작(transverse stress value beginning)
b1 = 축방향 응력_중앙(axial stress value middle)
b2 = 횡방향 응력_중앙(transverse stress value center)
c1 = 축방향 응력_종단(axial stress value end)
c2 = 횡방향 응력_종단(transverse stress value end)

Claims (20)

  1. 금속 재질로 구성된 랙(rack)(1)을 가공하는 방법에 있어서,
    경화 또는 경화 및 직선화 교정 후 적어도 기어 톱니(gear teeth)(2)의 영역에서 처음에 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)의 "카오틱(chaotic)"한 고유(inherent) 응력 프로파일(σ)이 존재하고, 상기 고유 응력 프로파일(σ)이 기능적으로 조합된 가공 공정의 일련의 단계들에서 미세구조의 변화 없이 허용 가능한 고유 응력 프로파일(σperm)로 변환되어, 적어도 상기 기어 톱니(2)의 상기 영역이 인장 응력(σ+)이 없이 규정되어 도입된 고유 압축 응력(σ-E)들을 가지는 사전 응력(pre-stress)을 받음으로써, 더 균일한 응력 분포 또는 더 균일한 응력 평면의 고유 압축 응력(σ-E)과 상기 허용 가능한 고유 응력 프로파일(σperm)의 응력 값들을 가지는 물리계(physical system)가 상기 기어 톱니(2)의 상기 영역에 존재하고,
    a) 숏 피닝(shot peening)에 의해 상기 기어 톱니(2)의 표면 근처 고유 압축 응력(σ-E)을 도입함으로써 또는 유도 가열에 의해, 현재 인장 응력(σ+)들의 응력 피크(σ+peak)들 또는 진폭들이 의도적으로 제거, 완화 또는 감소되고,
    b) 상기 숏 피닝 또는 상기 유도 가열로 상기 응력 피크(σ+peak)들 또는 진폭들을 제거, 완화, 또는 감소시키고 난 뒤, 상기 허용 가능한 고유 응력 프로파일이 얻어지도록 상기 기어 톱니(2)의 상기 영역이 후속적인 강선 숏 블래스팅, 강재 숏 블래스팅 또는 강재 숏 피닝에 의해 인장 응력(σ+)들이 없는 상기 규정된 고유 압축 응력(σ-E)들을 가지는 상기 사전 응력을 얻게 되는, 랙의 가공 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 경화 또는 경화 및 직선화 교정 후, 상기 기어 톱니(2)의 적어도 하나의 랙(1)의 선택 가능한 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들에서, 축방향 응력(σ+x)들과 횡방향 응력(σ-y)들의 측정된 값들의 형태의 축방향(x)의 인장 응력(σ+)과 횡방향(y)의 압축 응력(σ-)이 가공될 동일한 파라미터들을 가지는 랙(1)들의 로트(lot)들에 대한 기준 응력 프로파일로서 상기 "카오틱"한 고유 응력 프로파일(σ)을 규정하는 데 사용되는, 랙의 가공 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 고유 응력 프로파일(σ)이 상기 기어 톱니(2)의 상기 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들의 적어도 하나의 표면 근처 층에서 X선 회절 측정에 의해 상기 축방향(x) 및 상기 횡방향(y)으로 측정되는, 랙의 가공 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 축방향 응력(σ+x)들과 상기 횡방향 응력(σ-y)들이 100 μm 미만의 규정된 깊이까지 측정되는, 랙의 가공 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 경화 또는 경화 및 직선화 교정 후에, -2.0MPa×103 내지 2.0MPa×103의 범위의 인장 응력(σ+)과 압축 응력(σ-)이 상기 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들에서 측정되며, 그 중에서 적어도 -0.5MPa×103 내지 0.5MPa×103의 범위가 규정된 응력 피크(σ+peak)들 또는 진폭들인, 랙의 가공 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 숏 피닝이 10s 미만 동안 짧게 수행되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 가열이 120 내지 160 ℃의 범위에서 이뤄지고, 가열 전과 가열 후에 각 응력 상태들에 따른 응력 값들이 측정되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 고유 압축 응력(σ-E)들의 예정된 값들이 가변 빔 압력에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  9. 제2 항에 있어서,
    -0.6MPa×103 내지 2.0MPa×103의 범위의 고유 압축 응력(σ-E)들의 값들이 상기 섹션(2.2, 2.3, 2.4)들 내에 존재하는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 규정되어 도입된 고유 압축 응력(σ-E)들이 알멘 강도 측정(Almen intensity measurement)에 의해 측정된 강도로 제어 및 검출되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 알멘 강도 측정에 따른 상기 응력 프로파일(σ)이 가공될 동일한 파라미터들을 가지는 랙(1)들의 로트들에 대한 기준 응력 프로파일로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    인장 응력(σ+)들과 압축 응력(σ-)들의 상기 고유 응력 프로파일(σ)이 기어 톱니(2)의 종류(가변 기어 톱니 또는 고정 기어 톱니) 또는 상기 랙(1)의 재질의 특성에 좌우되는 허용 가능한 고유 응력 프로파일(σperm)로 변환되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  13. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 랙(1)의 직경(D)의 치수 설정이, 다른 차량의 동일한 차축 부하들에 비교하여 최적화되는 것을 특징으로 하는, 랙의 가공 방법.
  14. 제1 항 또는 제2 항에 따라 가공된 랙(1)에 있어서,
    -0.6MPa×103 내지 -2.0MPa×103의 범위의 고유 압축 응력(σ-E)들의 값들이 상기 기어 톱니(2) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는, 랙.
  15. 제2 항에 따라 가공된 랙(1)으로,
    상기 카오틱한 응력 프로파일(σ)을 규정하기 위해 축방향 응력(σ+x)들과 횡방향 응력(σ-y)들의 상기 측정된 값들을 동일한 파라미터들로 가공될 랙들(1)의 로트들에 대한 기준 응력 프로파일을 가지는 샘플로서 사용하는 것을 특징으로 하는, 랙.
  16. 제2 항에 따라 가공된 랙(1)으로,
    -0.6MPa×103 내지 -2.0MPa×103의 범위의 고유 압축 응력(σ-E)들의 상기 측정된 값들을 동일한 파라미터들로 가공될 랙(1)들의 로트들에 대한 샘플로서 사용하는 것을 특징으로 하는, 랙.
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