KR102502976B1 - 차량용 복합재 휠 및 그 제조 방법 - Google Patents

차량용 복합재 휠 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 휠을 경량화 소재인 복합재로 구현 가능하도록 구조화된 구성부품으로 형성하고, 이들 구성부품을 복합재 섬유로 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)으로 보강할 수 있도록 한 차량용 복합재 휠 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

차량용 복합재 휠 및 그 제조 방법{COMPOSITE WHEEL FOR VEHICLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 경량화 소재인 복합재를 이용한 차량용 휠과 이 차량용 휠을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 휠은 차량의 중량을 지지하고 차량의 회전축에 연결되어 구동력과 제동력을 노면에 전달하기 위해 구성된다.
그리고 휠의 외주면에는 내부에 공기가 충전되고 탄성 재질로 형성되는 타이어가 결합된다. 타이어는 노면의 요철에 따른 휠의 충격 및 진동을 완화하고 노면과의 마찰에 의해 휠의 구동력과 제동력을 최종적으로 노면에 전달한다.
상기와 같은 구성의 차량용 휠은 타이어를 지지하는 림(rim)과 림을 허브에 지지하는 스포크(Spoke)로 구성된다. 휠의 분류 기준은 재료, 제조 방식, 구조, 디자인에 따라서 구분할 수 있다.
휠을 재질에 의하여 분류하면, 철(steel)로 만들어진 스틸 휠과 알루미늄 합금으로 만들어진 알루미늄 휠, 그리고 마그네슘 합금으로 만들어진 마그네슘 휠 등이 있다. 이러한 휠의 재질은 차량의 무게와 직결되는데, 최근에 개발되고 있는 하이브리드 자동차에서는 에너지효율 즉 연비 향상 측면에서 자동차의 경량화가 중요한 화두로 대두되고 있다. 따라서 강도는 유지하면서도 무게는 가벼운 자동차 휠의 필요성 역시 부각되고 있다.
이러한 필요성에 따라, 근래에는 강화섬유를 이용한 복합재 휠이 개발되고 있으며, 복합재 휠은 상술한 스틸 휠이나 알루미늄 휠 등과 비교하여 훨씬 가벼운 재질로서 그 강도는 기존과 유사하거나 더 향상된 값을 갖게 된다.
그러나 최근 개발된 복합재 휠은 금형 위에 림용 프리프레그(prepreg)와, 스포크용 프리프레그를 교차로 적층한 다음 경화시키는 형태로 제작되기 때문에 수작업에 의존하게 되어 공정속도가 매우 느리고, 제조 단가가 높은 단점이 있다.
따라서 자동화 생산을 통해 공정속도가 빠르고, 제조 단가를 낮출 수 있는 차량용 복합재 휠의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0106099호(공개일: 2010.10.01.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 차량용 휠을 경량화 소재인 복합재로 구현 가능하도록 구조화된 구성부품으로 형성하고, 이들 구성부품을 복합재 섬유로 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)으로 보강할 수 있도록 한 차량용 복합재 휠 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 차량용 복합재 휠은, 속 빈 원통형으로 형성되는 복합재 소재의 림; 상기 림의 일측 개구에 중심축선을 기준으로 복수 개가 방사상으로 배치되되, 일측이 상기 중심축선 상에 배치되어 휠 허브를 형성하고, 타측에는 상기 림의 내주면에 결합될 수 있도록 상기 림의 내주면과 평행한 방향으로 돌출된 걸림편이 구비되는 복합재 소재의 스포크; 및 상기 휠 허브의 외주면에 결합되는 구조보강용 링부재;를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 휠 허브는, 상기 스포크의 일측이 상기 림의 중심축선 상에 중첩되게 결합되어 소정의 지름과 깊이의 원형홈부 형상으로 형성되거나, 또는 별도의 구조물로 제작된 후 상기 스포크의 일측에 결합될 수 있다.
또한 상기 스포크는, 스티칭(Stiching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 상기 림과 일체로 결합될 수 있다.
또한 상기 스포크의 일측에는, 상기 링부재의 내주면에 밀착되는 제1절곡부; 및 상기 제1절곡부와의 사이에 상기 링부재 삽입공간을 마련해줌과 아울러, 상기 링부재의 외주면을 감싸 밀착될 수 있도록 상기 스포크의 양측으로 소정 길이 연장되는 제2절곡부;가 구비된 것을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제2절곡부의 양측 끝단은, 이웃하는 스포크의 제2절곡부 끝단과 맞닿도록 배치될 수 있다.
또한 상기 스포크의 타측에는, 상기 림의 개구 테두리를 따라 연장되어 방사상으로 배치된 복수의 스포크를 상기 림과 연결해주는 날개부재;가 구비된 것을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 휠 허브의 내부 바닥면에 결합되는 상부디스크; 및 상기 휠 허브의 저면에 결합되는 하부디스크;를 더 포함할 수 있다.
상기 차량용 복합재 휠의 제조 방법에 있어서, 속 빈 원통형으로 복합재 소재의 림을 형성하는 단계; 상기 림의 일측 개구에 중심축선을 기준으로 복합재 소재로 형성된 복수의 스포크를 방사상으로 배치한 후, 상기 림과 스포크를 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 결합하여 프리폼 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 프리폼 구조물을 금형에 삽입한 후 RTM(Resin Transfer Molding) 공정을 실시하여 완성품을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 림은, 브레이딩(Brading) 공정을 통해 제조될 수 있다.
또한 상기 프리폼 구조물은, 상기 금형에 삽입하기 전 상기 프리폼 구조물을 구성하는 섬유 적층체에 소정량의 레진을 분사하여 상기 프리폼 구조물의 형상을 유지할 수 있다.
다른 실시예에 따른 차량용 복합재 휠의 제조 방법에 있어서, 속 빈 원통형으로 복합재 소재의 림용 프리프레그를 적층하는 단계; 상기 림의 일측 개구에 중심축선을 기준으로 복합재 소재로 형성된 복수의 스포크를 방사상으로 배치한 후, 상기 림과 스포크를 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 결합하여 프리프레그를 적층하는 단계; 및 상기 림과 스포크가 일체로 결합된 프리프레그 적층 구조물을 금형에 삽입한 후 열성형 공정을 실시하여 완성품을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명은, 차량용 휠을 경량화 소재인 복합재로 구현 가능하도록 구조화된 구성부품으로 형성하고, 이들 구성부품을 복합재 섬유로 스티칭(Stitching)하거나 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)으로 보강함으로써, 종래 금속재 휠 대비 중량을 대폭 감소시킬 수 있다. 이에 따라 연비 절감 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 복합재 휠의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 차량용 복합재 휠의 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 스포크의 보강구조를 보여주는 분해사시도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 복합재 휠의 평면도,
도 5는 도 4의 I-I선 단면도,
도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 스포크를 제조하기 위한 전개도 및 접힘 공정을 통해 완성된 스포크 사시도,
도 7은 도 5의 'A' 부분 상세도,
도 8은 도 5의 'B' 부분 상세도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 복합재 휠의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량용 복합재 휠의 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 차량용 복합재 휠(100)은, 속 빈 원통형으로 형성되는 림(110)과, 상기 림(110)의 일측 개구(111)에 복수 개가 방사상으로 결합되는 스포크(120)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 림(110)은 차량용 복합재 휠(100)의 주된 몸체를 이루는 것으로, 이러한 림(110)은 브레이딩(Brading) 공정을 통해 속 빈 원통형으로 형성될 수 있다.
이 경우 상기 림(110)은 탄소섬유나 유리섬유를 포함한 복합재 소재로 형성될 수 있다. 복합재 소재는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 또한 다양한 소재와 적층구조를 통해 형성될 수 있음에 따라 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.
이러한 림(110)은 브레이딩 공정 시 금형 간 결합부위가 반지름 방향으로 집히는 부분(Seam line과 같은)이 발생할 수 있다. 이를 방지할 수 있도록 상기 림(110)의 섬유(Fiber) 볼륨 퍼센트를 기존(대략 55 ~ 66%)에 비해 하향 조정(대략 35 ~ 40%)할 수 있다. 이 경우 후술할 RTM(Resin Transfer Molding) 공정 시 레진의 볼륨이 커지게 되어 전체 무게가 증가할 수 있으나, 증가하는 무게는 제품 측면에서 수용 가능한 정도일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 스포크(120)는 림(110)의 일측 개구(111)에 중심축선을 기준으로 복수 개가 방사상으로 배치될 수 있다. 상기 복수의 스포크(120)는 방사상으로 배치된 후 스티칭(Stiching)(S)(도 5 참조) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning) 공정을 통해 림(110)과 일체로 결합될 수 있다. 이 경우 상기 스포크(120)는 림(110)과 동일한 복합재 소재로 이루어질 수 있다.
참고로, 스티칭(Stiching) 공정은 바늘로 복합재의 적층 구조를 관통하여 z-방향으로 결속시키는 방법이다. 이 스티칭 공정은 복합재의 z-방향 보강을 위해 고강도의 섬유를 사용하고, 제품의 크기에 크게 제한받지 않으며 생산성이 매우 높다는 장점이 있다.
또한 상기 금속 Z-피닝(Z-Pinning) 공정은 적층된 복합재의 두께 방향으로 금속핀을 삽입하여 상기 적층된 복합재를 묶는 기술이다. 즉 복합재를 해석하기 위한 좌표계의 설정 시 보통 Z 방향(두께 방향)으로 설정하기 때문에, 두께 방향으로 핀을 삽입한다는 의미에서 Z-피닝이라 칭한다.
도 3을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 상기 스포크(120)는 일측(120a)이 림(110)의 중심축선 상에 중첩되게 결합되어 소정지름과 깊이의 원형홈부 형상으로 휠 허브(121)가 형성될 수 있다. 휠 허브(121)는 차량용 휠(100)을 차축(미도시)에 장착할 수 있도록 마련되는 것으로, 휠 허브(121)의 중심축선에는 삽입공(122)이 관통 형성될 수 있다.
이 경우 본 발명에서는 상기 휠 허브(121)가 스포크(120)의 일측(120a)에 일체로 형성된 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하였으나, 다른 실시예로 상기 휠 허브(121)는 별도의 구조물로 제작된 후 상기 스포크(120)의 일측에 일체로 결합되는 경우로 변경 적용될 수 있다.
또한 상기 스포크(120)의 타측(120b)에는 림(110)의 내주면에 결합될 수 있도록 림(110)의 내주면과 평행한 방향으로 돌출되는 걸림편(123)이 구비될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 스포크(120)의 타측에는 림(110)의 개구 테두리를 따라 연장되어 방사상으로 배치되는 복수의 스포크(120)를 림(110)과 연결해주는 날개부재(124)가 구비될 수 있다. 날개부재(124)는 스포크(120)의 양측에 대칭으로 형성되거나, 일측에만 구성될 수 있다.
이러한 날개부재(124)가 구비된 스포크(120) 구조를 통해 림(110)의 강도와 림(110)과 스포크(120) 접합부의 강도를 보강해줄 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 휠 허브(121)의 외주면에는 구조보강용 링부재(125)가 결합될 수 있다. 구조보강용 링부재(125)는 림(110)이나 스포크(120)와 동일한 소재를 사용할 수 있다. 아울러 상기 링부재(125)가 휠 허브(121)의 외주면에 결합된 후 스티칭(S) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 고정될 수 있다.
구체적으로, 상기 휠 허브(121)를 구성하는 스포크(120)의 일측에는 링부재(125)의 내주면에 밀착되는 제1절곡부(121a)와, 상기 제1절곡부(121a)와의 사이에 링부재(125) 삽입공간을 마련해줌과 아울러 링부재(125)의 외주면을 감싸 밀착될 수 있도록 스포크(120)의 양측으로 소정 길이 연장되는 제2절곡부(121b)가 구비될 수 있다(도 3 참조).
이 경우 상기 제2절곡부(121b)의 양측 끝단은 이웃하는 스포크(120)의 제2절곡부(121b) 양측 끝단과 맞닿거나, 또는 중첩되게 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기와 같은 구조의 스포크(120)는 소재 손실을 최소화할 수 있도록 직사각형의 소재에 절취선과 접힘선을 형성(도 6의 (a) 참조)하는 방식으로 제조될 수 있다.
즉 절취선과 접힘선이 형성된 소재의 해당 선을 따라 절취 및 접힘 공정을 실시하게 되면(도 6의 (b) 참조), 최종적으로 본 발명에 따른 스포크(120)를 손쉽게 제조할 수 있다(도 6의 (c) 참조).
다시 도 5 및 도 7, 도 8을 참조하면, 상기 휠 허브(121)의 내부 바닥면에는 상부디스크(127)가 배치되고, 상기 휠 허브(121)의 저면에는 하부디스크(128)가 배치되어 스포크(120)의 구조를 보강해줄 수 있다.
일례로, 상기 상, 하부디스크(127)(128)는 림(110)과 스포크(120)가 일체로 결합된 프리폼 구조물 또는 프리프레그 적층 구조물을 금형(미도시) 내에 안착시킨 후, 휠 허브(121)의 내부 바닥면과 저면에 잘게 썬 단섬유(Chopped fiber)를 뿌려놓은 상태에서 RTM(Resin Transfer Molding) 공정 또는 열성형(오토클레이브 성형) 공정을 수행하는 방식으로 상기 상부디스크(127)와 하부디스크(128)를 형성할 수 있다.
다른 실시예로, 상기 상부디스크(127)와 하부디스크(128)는 휠 허브(121)와 대응되는 크기와 형상으로 장섬유 등을 이용하여 사전에 형성할 수 있으며, 이렇게 형성된 상, 하부디스크(127)(128)를 휠 허브(121)의 내부 바닥면과 저면에 배치한 후 스티칭(S) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 결합하는 방식으로 변경 적용할 수 있다.
이상과 같은 구조의 림(110)과 스포크(120)가 스티칭을 통해 일체로 결합된 구조물은 RTM(Resin Transfer Molding) 공정 또는 열성형 공정을 수행하기 전의 프리폼 또는 프리프레그 구조에 해당한다.
이 경우 상기 프리폼 구조물의 경우엔 금형에 삽입하기 섬유 적층체에 소정량의 레진을 분사해줌으로써 프리폼 구조물의 형상을 유지해줄 수 있다.
이러한 프리폼 구조물을 금형(미도시) 내에 안착시킨 후 에폭시 수지와 같은 액상 합성수지를 함침시키고 가압 가열하여 수지를 경화시키는 과정을 통해 차량용 복합재 휠(100) 완성품을 제조할 수 있다.
그러면, 이상과 같은 구성의 프리폼 또는 프리프레그 구조물을 이용한 차량용 복합재 휠(100)의 제조 과정에 대하여 설명해보기로 한다.
먼저, 브레이딩(Brading) 공정을 통해 속 빈 원통형으로 복합재 소재의 림(110)을 형성한다.
상기 림(110)의 일측 개구(111)에 중심축선을 기준으로 복합재 소재로 형성된 복수의 스포크(120)를 방사상으로 배치한다.
이 경우 스포크(120)의 일측(120a)에는 중심축선을 기준으로 원형홈부 형상의 휠 허브(121)가 형성되고, 스포크(120)의 타측(120a)에는 림(110)의 테두리에 걸림 배치됨과 아울러 림(110)의 내주면에 걸림편(123)이 면접되는 상태로 배치될 수 있다.
상기 림(110)과 스포크(120)가 접하는 부분은 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 결합 고정될 수 있으며, 이러한 과정을 통해 림(110)과 스포크(120)가 일체로 결합된 프리폼 또는 프리프레그 구조물을 형성할 수 있다.
그리고 스포크(120)의 구조를 보강할 수 있도록 휠 허브(121)의 외주면, 즉 제1절곡부(121a)와 제2절곡부(121b) 사이의 삽입공간에 링부재(125)를 결합하고, 휠 허브(121)의 내부 바닥면과 저면에 상, 하부디스크(127)(128)를 각각 형성한다.
그런 후, 상기 프리폼 또는 프리프레그 구조물을 금형 내에 삽입한 후 내부에 레진을 충진하여 RTM(Resin Transfer Molding) 공정 또는 열성형 공정을 실시하게 되면, 본 발명에서와 같은 기계적, 열적 물성이 뛰어난 차량용 복합재 휠(100) 제품이 완성된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.
100 : 차량용 복합재 휠 110 : 림
111 : 개구 120 : 스포크
120a : 일측 120b : 타측
121 : 휠 허브 121a : 제1절곡부
121b : 제2절곡부 122 : 삽입공
123 : 걸림편 124 : 날개부재
125 : 링부재 127 : 상부디스크
128 : 하부디스크 S : 스티칭

Claims (11)

  1. 속 빈 원통형으로 형성되는 복합재 소재의 림;
    상기 림의 일측 개구에 중심축선을 기준으로 복수 개가 방사상으로 배치되되, 일측이 상기 중심축선 상에 배치되어 휠 허브를 형성하고, 타측에는 상기 림의 내주면에 결합될 수 있도록 상기 림의 내주면과 평행한 방향으로 돌출된 걸림편이 구비되는 복합재 소재의 스포크; 및
    상기 휠 허브의 외주면에 결합되는 구조보강용 링부재;를 포함하되,
    상기 스포크의 일측에는,
    상기 링부재의 내주면에 밀착되는 제1절곡부; 및
    상기 제1절곡부와의 사이에 상기 링부재 삽입공간을 마련해줌과 아울러, 상기 링부재의 외주면을 감싸 밀착되는 제2절곡부;가 구비된 것을 포함하는 차량용 복합재 휠.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 휠 허브는,
    상기 스포크의 일측이 상기 림의 중심축선 상에 중첩되게 결합되어 소정의 지름과 깊이의 원형홈부 형상으로 형성되거나, 또는 별도의 구조물로 제작된 후 상기 스포크의 일측에 결합되는 것인 차량용 복합재 휠.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스포크는,
    스티칭(Stiching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 상기 림과 일체로 결합되는 것인 차량용 복합재 휠.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2절곡부는,
    상기 스포크의 양측으로 소정 길이 연장되는 것을 더 포함하는 차량용 복합재 휠.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2절곡부의 양측 끝단은,
    이웃하는 스포크의 제2절곡부 끝단과 맞닿도록 배치되는 것인 차량용 복합재 휠.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스포크의 타측에는,
    상기 림의 개구 테두리를 따라 연장되어 방사상으로 배치된 복수의 스포크를 상기 림과 연결해주는 날개부재;가 구비된 것을 더 포함하는 차량용 복합재 휠.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 휠 허브의 내부 바닥면에 결합되는 상부디스크; 및
    상기 휠 허브의 저면에 결합되는 하부디스크;를 더 포함하는 차량용 복합재 휠.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 차량용 복합재 휠의 제조 방법에 있어서,
    속 빈 원통형으로 복합재 소재의 림을 형성하는 단계;
    상기 림의 일측 개구에 중심축선을 기준으로 복합재 소재로 형성된 복수의 스포크를 방사상으로 배치한 후, 상기 림과 스포크를 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 결합하여 프리폼 구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 프리폼 구조물을 금형에 삽입한 후 RTM(Resin Transfer Molding) 공정을 실시하여 완성품을 제조하는 단계;를 포함하는 차량용 복합재 휠 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 림은,
    브레이딩(Brading) 공정을 통해 제조되는 것인 차량용 복합재 휠 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 프리폼 구조물은,
    상기 금형에 삽입하기 전 상기 프리폼 구조물을 구성하는 섬유 적층체에 소정량의 레진을 분사하여 상기 프리폼 구조물의 형상을 유지하는 것인 차량용 복합재 휠 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 차량용 복합재 휠의 제조 방법에 있어서,
    속 빈 원통형으로 복합재 소재의 림용 프리프레그를 적층하는 단계;
    상기 림의 일측 개구에 중심축선을 기준으로 복합재 소재로 형성된 복수의 스포크를 방사상으로 배치한 후, 상기 림과 스포크를 스티칭(Stitching) 또는 금속 Z-피닝(Z-Pinning)을 통해 일체로 결합하여 프리프레그를 적층하는 단계; 및
    상기 림과 스포크가 일체로 결합된 프리프레그 적층 구조물을 금형에 삽입한 후 열성형 공정을 실시하여 완성품을 제조하는 단계;를 포함하는 차량용 복합재 휠 제조 방법.
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