KR20090016805A - 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 스플라인이 조립될 원형의 주심축과 복합재료 샤프트를 감을 보조 심축을 준비하는 단계; 인볼루트 스플라인을 주심축의 양단에 결합하여, 인볼루트 스플라인의 외경면에 접착제를 발라주는 단계; 상기 인볼루트 스플라인 위에 발라진 접착제를 바른 상태에서, 상기 보조 심축과 접착제 위에 복합재료를 감아주되, 0.05~0.1㎛의 두께로 발라진 접착제 인볼루트 스플라인의 외경과 상기 보조심축의 외경에 일방향 섬유강화 복합재료를 감아주는 단계; 상기 일방향 섬유강화 복합재료 외경에 레진을 이용하여 직물형 섬유강화 복합재료를 감아주는 단계; 상기 직물형 섬유강화 복합재료의 외경에 레진을 이용하여 직물형 탄소섬유 복합재료를 감아주는 단계; 상기 접착제와 각 복합재료내의 레진을 경화시키는 단계; 상기 각 복합재료 및 인볼루트 스플라인에 압입되어 있던 주심축 및 보조심축을 빼내어 분리하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

복합재료, 드라이브샤프트, 스플라인, 접착제, 심축,

Description

복합재료 드라이브샤프트 제조 방법{Fabrication process of hybrid driveshaft based on composite materials}

본 발명은 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 복합재료를 이용하여 복합재료로 구성된 하이브리드 드라이브샤프트(Composite material based hybrid driveshaft)의 제조 공정에 관한 것으로, 샤프트의 내부는 길이 방향 및 굽힘 방향 강성을 확보하기 위하여 일방향 섬유강화 복합재료(Unidirectional glass fiber reinforced composite materials)를 사용하고, 샤프트의 중간부는 비틀림 방향 강성 및 강도를 확보하기 위하여 직물형 섬유강화 복합재료(Fabric glass fiber reinforced composite materials)를 사용하며, 샤프트의 외부는 생산작업 시의 업무 효율성을 위하여 직물형 탄소섬유 복합재료(Fabric carbon fiber reinforced composite materials)를 적용시킨 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법에 관한 것이다.

기계적 진동 및 소음 특성이 우수한 복합재료는 항공기 및 자동차 재료에 많 이 활용되고 있지만, 금속재료로 구성된 타 부품과의 결합 방법에 있어서 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 유니버설 조인트와 샤프트를 알루미늄 일체형으로 제작하여 일방향 복합재료를 감아 제작한 프로펠러 샤프트가 개발된 바 있고, 또 다른 예로 유니버설 조인트와 샤프트를 일체형 복합재료를 이용해 제작한 사례도 있다.

그러나, 조인트 부분의 기계적 성능과 복합재료 활용의 효율성을 고려해 볼 때 인볼루트 스플라인을 금속재료로 제작하고, 샤프트 부분을 복합재료를 사용하여 설계 및 제작하는 것이 유리하므로 복합재료와 금속재료의 접합부 설계 및 제작에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

복합재료를 이용하여 제품을 생산하는 방법은 다양하지만 자동화 공정을 위해서는 필라멘트 와인딩 기법을 적용하는 것이 제조원가에 있어 유리하다.

필라멘트 와인딩 기법은 원통형 복합재료 제품을 생산하는데 많이 활용되는 것으로 자동화가 가능하여 생산성이 우수하고 제조원가가 낮은 장점이 있다.

샤프트의 가장 안쪽에 감는 일방향 복합재료와 인볼루트 스플라인을 접합하는데 사용되는 접착제의 접합조건은 일반적으로 피접합물의 종류에 따라 달라지지만 열응력 발생을 최소화 할 수 있는 접합조건을 선정하여야 한다.

자동차의 엔진에서 발생된 구동력이 트랜스미션(Transmission)을 거쳐 휠에 전달되는 과정에 있어서 비틀림 작용을 통하여 구동력이 전달되므로 부품을 구성하고 있는 재료의 3차원 전단 물성의 특성이 매우 중요한 것으로 알려져 있는데, 진 동 및 소음 특성이 우수할 뿐만 아니라 설계 과정에 있어서도 배향 각도 조절을 통하여 부품의 기계적 특성을 조절할 수 있는 여지가 많은 복합재료가 많이 사용되지만 일방향 복합재료는 3차원 물성이 좋지 않은 데 비해 직물형 복합재료는 3차원 물성이 뛰어나 자동차의 구동력 전달 부품에 사용하면 유리하다.

뿐만 아니라, 접합부에 있어서도 3차원 전단 물성이 접합강도를 결정하므로 접합부의 두께 및 접합부 길이, 표면처리 공정을 잘 선택하여야 한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 일방향 섬유강화 복합재료, 직물형 섬유강화 복합재료, 직물형 탄소섬유 복합재료를 사용하여 하이브리드 드라이브샤프트를 제조하되, 샤프트는 복합재료를 사용하고, 그 양단의 조인트는 금속재료를 사용하며, 두 재료간 접합부를 접착제로 접합하여, 엔진으로부터 발생되는 구동력을 트랜스미션을 통하여 휠로 전달하는 역할을 하는 드라이브샤프트를 강철재료로 만들어진 드라이브샤프트에 비해 진동특성이 우수하고, 자동차의 연비 및 출력, 소음, 진동 특성을 향상시킬 수 있으며, 출력이 향상되는 우수한 성능의 복합재료 드라이브샤프트를 기계적 접합방법을 이용하지 않고 접착제를 이용하여 제조할 수 있도록 한 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 스플라인이 조립될 원형의 주심축과 복합재료 샤프트를 감을 보조 심축을 준비하는 단계; 인볼루트 스플라인을 주심축의 양단에 결합하여, 인볼루트 스플라인의 외경면에 접착제를 발라주는 단계; 상기 인볼루트 스플라인 위에 발라진 접착제를 바른 상태에서, 상기 보조 심축과 접착제 위에 복합재료를 감아주되, 0.05~0.1㎛의 두께로 발라진 접착제 인볼루트 스플라인의 외경과 상기 보조심축의 외경에 일방향 섬유강화 복합재료를 감아주는 단계; 상기 일방향 섬유강화 복합재료 외경에 레진을 이용하여 직물형 섬유강화 복합재료를 감아주는 단계; 상기 직물형 섬유강화 복합재료의 외경에 레진을 이용하여 직물형 탄소섬유 복합재료를 감아주는 단계; 상기 접착제와 각 복합재료내의 레진을 경화시키는 단계; 상기 각 복합재료 및 인볼루트 스플라인에 압입되어 있던 주심축 및 보조심축을 빼내어 분리하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 주심축과 보조심축 사이에 테프론 필름을 발라주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 접착제의 길이에 따른 접합강도의 변화를 고려하여, 접착제의 접합길이는 [접합길이≥ 구동토크 / 2π×스플라인 반경×접착제 전단강도]으로 정해지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과재 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

일방향 섬유강화 복합재료, 직물형 섬유강화 복합재료, 직물형 탄소섬유 복합재료를 사용하여 하이브리드 드라이브샤프트를 제조하되, 샤프트쪽은 복합재료를 적용하고, 그 양단의 조인트는 금속재료인 인볼루트 스플라인을 적용하며, 안쪽 복합재료 샤프트와 인볼루트 스플라인을 접합하기 위해 기계적 접합방법을 사용하지 않고 접착제를 이용하여 접합함으로써, 섬유강화 복합재료의 우수한 기계적 특성을 활용하여 소음 및 진동, 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 타 부품과 결합되는 부분은 금속재료인 인볼루트 스플라인을 사용하므로, 마모 문제나 강도 문제가 발생하지 않아 출력이 좋아지는 효과를 얻을 수 있고, 기존 재료에 비해 매우 가벼워지므로 연비 특성이 좋아질 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 드라이브샤프트 외에 자동차에서 구동력을 전달하는 프로펠러 샤프트도 추가로 개발할 수 있는 여건을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 구동력 전달 구조 부품 외에도 비틀림 강성 및 강도를 기반으로 하여 설계하는 부품의 설계에도 응용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 이하에서 사용되는 용어를 다음과 같이 정의한다.

1) 용어 '기계적 표면처리'는 사포 등을 이용하여 표면을 거칠게 만드는 것을 의미한다.

2) 용어 '화학적 표면처리'는 산(Acid)으로 구성된 화학 약품을 이용하여 피접합물의 접합표면을 미세하게 표면처리하는 것을 의미한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 복합재료 기반의 하이브리드 드라이브샤프트의 단품 형상을 나타낸 것으로, 복합재료 샤프트의 중심은 비어 있는 중공 형태이며, 양 끝단에는 인볼루트 스플라인이 고정되어 타 부품과 결합된다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 복합재료 드라이브샤프트의 단품으로부터 샤프트만 분리한 형상을 나타낸 것으로, 중앙부는 직경이 큰 중공형 샤프트이고, 그 양단은 금속재 스플라인이 접착제에 의하여 연결된다.

즉, CV 조인트가 장착되어 윤활용 오일을 포함할 수 있도록 중공형 샤프트의 양단은 직경이 조금 줄어드는 대신 금속재 스플라인부 즉, 인볼루트 스플라인이 하중을 분담하도록 되어 있다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 복합재료 드라이브샤프트의 중앙부 단면을 개략적으로 나타낸 것으로, 각기 다른 세 가지 복합재료로 구성된 하이브리드 복합재료 샤프트를 나타내고 있다.

즉, 가장 내측에 일방향 섬유강화 복합재료가 위치되고, 그 외경에 직물형 섬유강화 복합재료가 감겨서 위치되며,가장 외측에 직물형 탄소섬유 복합재료가 감겨서 위치된다.

첨부한 도 4는 복합재료 샤프트와 금속재 인볼루트 스플라인이 접착제로 접 합된 양 끝단을 나타내는 단면도로서, 심축에 금속재 스플라인 즉, 인볼루트 스플라인을 결합하고, 이 스플라인 원주면에 접착제를 0.05~0.1㎛의 두께로 바른 다음, 심축과 접착제 주위를 일방향 섬유강화 복합재료로 감아주고, 그 다음에 직물형 섬유강화 복합재료를 감아주며, 이어서 직물형 탄소섬유 복합재료를 감아주게 되어, 그 양단에는 인볼루트 스플라인의 양단이 노출된 상태가 된다.

상기 각 복합재료를 경화하는 공정 중, 접착제도 경화되면서 접합 공정도 동시에 수행된다.

본 발명에 사용된 일방향 및 직물형 섬유강화 복합재료, 접착제 등의 성분은 다음과 같다.

1) 일방향 탄소섬유 복합재료

- 제조사: SK Chemicals

- 제품명: USN150BX Prepreg (두께 - 0.144mm, 질량 224g/㎡)

- 구성비: 150 g/㎡(섬유), 36 g/㎡(수지)

- 섬유의 종류: 탄소섬유

- 수지의 종류: 에폭시 수지(Bisphenol A)

2) 일방향 유리섬유 복합재료

- 제조사: SK Chemicals

- 제품명: UGN150 Prepreg (두께 - 0.122mm, 질량 224g/㎡)

- 구성비: 150 g/㎡(섬유), 33 g/㎡(수지)

- 섬유의 종류: 유리섬유

- 수지의 종류: 에폭시 수지(Bisphenol A)

3) 직물형 유리섬유 복합재료

- 제조사: 한국화이바

- 제품명: HG181/RS1222 (두께 - 0.25mm, 질량 299g/㎡)

- 섬유의 종류: 유리섬유

- 수지의 종류: 에폭시 수지

4) 직물형 탄소섬유 복합재료

- 제품 종류: CFRP fabric with roving containing 12,000 filaments(160g/㎡)

- 성분별 특성: 181 g/㎡(섬유), 130 g/㎡(수지)

- 섬유의 종류: T800H 탄소섬유(Toray Industries Inc.)

- 수지의 종류: Biocompatible epoxy resin(MAN Ceramics Company)

5) 접착제

- 제조사: IPCO

- 제품 종류: IPCO 9923 에폭시 접착제(상온경화 2액형 에폭시 접착제)

- 비중: 1200 kg/㎥

- 인장강성: 1.3GPa, 인장강도: 45MPa, 프와송비: 0.41

여기서, 본 발명에 따른 복합재료 드라이브샤프트의 제조 방법을 첨부한 도 5를 참조로 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 드라이브샤프트 제작의 첫 번째 단계로서, 스플 라인이 조립될 원형의 주심축과 복합재료 샤프트를 감을 보조 심축을 준비하는 단계가 진행된다.

즉, 상기 주심축은 일정한 직경의 환봉으로 구비되고, 보조심축은 환봉의 중앙부 외경(복합재료 샤프트가 되는 부분)에 보다 큰 직경이 되도록 부착된다.

이때, 최종 드라이브 샤프트를 제조한 후, 주심축을 먼저 제거하고, 보조 심축을 쉽게 제거할 수 있도록 주심축과 보조심축 사이에 테프론 필름을 비롯한 이형제를 바른다.

두 번째 단계는 인볼루트 스플라인을 주심축의 양단에 결합하는 단계이다.

상기 인볼루트 스플라인이 주심축의 양단에 압입 체결되도록 한 다음, 인볼루트 스플라인의 외경면에 접착제를 발라 주어, 복합재료를 감을 때 움직이지 않도록 하여야 한다.

세 번째 단계는 인볼루트 스플라인 위에 발라진 접착제를 바른 상태에서, 상기 보조 심축과 접착제 위에 복합재료를 감는 단계이다.

즉, 상기 접착제를 인볼루트 스플라인 원주면에 0.05~0.1㎛의 두께로 바른 다음, 상기 접착제가 발라진 인볼루트 스플라인의 외경과 상기 보조심축의 외경에 일방향 섬유강화 복합재료를 감아주고, 이어서 일방향 섬유강화 복합재료 외경에 레진을 이용하여 직물형 섬유강화 복합재료를 감아주며, 그 외경에 레진을 이용하여 직물형 탄소섬유 복합재료를 차례로 감아주게 된다.

이때, 상기 인볼루트 스플라인의 양끝단은 외부로 노출된 상태가 된다.

한편, 접착제가 인볼루트 스플라인 주위에 일정하게 잘 분사되어야 하며, 복 합재료를 감을 때에도 주름이 생기지 않고 편평하게 감아서 샤프트가 회전할 때 중심이 잘 맞도록 주의해야 하며, 접착제를 바르고 난 후에 복합재료를 감을 때 약간의 장력을 가하여 주름이 생기지 않도록 하며, 필요에 따라 필라멘트 와인딩 자동화 공정에서 복합재료를 감을 때 적절한 크기의 장력을 제어하는 것이 중요하다.

네 번째 단계는 접착제와 복합재료를 경화시키는 단계이다.

접착제의 경화 싸이클과 복합재료의 레진 경화 싸이클이 일치하여야 접합강도에 문제가 생기지 않으므로, 복합재료의 레진과 비슷한 특성을 나타내는 접착제를 사용하는 것이 중요하다.

접착제와 복합재료 내 레진의 특성 차이 문제를 해결하고자 복합재료의 경화 중 흘러나오는 레진을 접착제로 사용하는 동시경화 접합 방법도 고려할 수 있다.

다섯 번째 단계는 드라이브 샤프트의 중앙부와 인볼루트 스플라인에 압입되어 있던 심축을 분리하는 단계이다.

주심축을 먼저 빼내고, 이어서 보조심축을 빼내게 되며, 이때 주심축과 보조 심축 사이에 기 삽입된 테프론 필름이나 이형제의 효과를 이용하여 각 심축을 쉽게 탈거할 수 있다.

바람직하기로는, 상기 심축을 분해한 후, 경화 중에 흘러나와 샤프트의 외면에 날카로운 모서리를 형성시키는 레진을 사포 및 마무리 공구를 이용하여 다듬어 응력 집중을 줄여준다.

한편, 샤프트의 적절한 접합길이를 결정하기 위한 방법으로서, 접착제의 접합길이에 따른 접합강도의 변화를 고려해야 한다.

첨부한 도 6은 상기 샤프트의 접합에 사용되는 접착제의 접합길이에 따른 접합강도의 변화를 나타내고 있는 바, 접합길이가 길어지면 단위면적당 접합강도가 낮아지기 때문에 도 6에 예시한 대로 접착제의 길이에 따른 접합강도의 변화를 고려하여 계산하여야 한다.

또한 샤프트에 전달되는 구동 토크를 견딜 수 있도록 제작하기 위하여 접착 단면적에 접착제 전단 강도와 반경을 곱한 값이 구동 토크보다 크게 접합부 길이를 결정한다.

즉, 아래와 같이 최소 접합길이를 계산하여 제작한다.

접합길이≥ 구동토크 / 2π×스플라인 반경×접착제 전단강도

본 발명에 적용된 접착제는 상기와 같이 금속재료 및 플라스틱재료(복합재료)의 접합에 유리한 종류로 접합부 전단강도가 우수한 제품을 사용하는 것이 바람직하며, 또한 상기 접착제는 일방향 및 직물형 섬유강화 복합재료에서 재료가 달라지더라도 사용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 복합재료 드라이브샤프트의 단품 형상을 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 복합재료 샤프트의 형상을 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 복합재료 샤프트의 도 2의 A-A선 단면을 나타내는 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 복합재료 샤프트의 접합부 단면으로서, 인볼루트 스플라인과 접착제, 복합재료 샤프트의 단면 구성을 보여주는 도 2의 B-B선 단면을 나타내는 개략도,

도 5는 본 발명에 따른 복합재료 드라이브샤프트의 제조공정을 설명하는 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 드라이브샤프트의 접합부 길이의 변화에 따른 접합강도의 변화를 보여주는 그래프.

Claims (3)

1. 인볼루트 스플라인이 조립될 원형의 주심축과 복합재료 샤프트를 감을 보조 심축을 준비하는 단계;

   인볼루트 스플라인을 주심축의 양단에 결합하여, 인볼루트 스플라인의 외경면에 접착제를 발라주는 단계;

   상기 인볼루트 스플라인 위에 발라진 접착제를 바른 상태에서, 상기 보조 심축과 접착제 위에 복합재료를 감아주되, 0.05~0.1㎛의 두께로 발라진 접착제 인볼루트 스플라인의 외경과 상기 보조심축의 외경에 일방향 섬유강화 복합재료를 감아주는 단계;

   상기 일방향 섬유강화 복합재료 외경에 레진을 이용하여 직물형 섬유강화 복합재료를 감아주는 단계;

   상기 직물형 섬유강화 복합재료의 외경에 레진을 이용하여 직물형 탄소섬유 복합재료를 감아주는 단계

   상기 접착제와 각 복합재료내의 레진을 경화시키는 단계;

   상기 각 복합재료 및 인볼루트 스플라인에 압입되어 있던 주심축 및 보조심축을 빼내어 분리하는 단계;

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 주심축과 보조심축 사이에 테프론 필름을 발라주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 접착제의 길이에 따른 접합강도의 변화를 고려하여, 접착제의 접합길이는 [접합길이≥ 구동토크 / 2π×스플라인 반경×접착제 전단강도]으로 정해지는 것을 특징으로 하는 복합재료 드라이브샤프트 제조 방법.

Images