KR20100005744A - 자동차 현가장치용 범프 스토퍼 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 현가장치용 범프 스토퍼 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 소재 및 형상을 개선하여 성형 공정의 단순화 및 원가 절감이 가능하면서도 진동 및 충격 흡수 성능과 내구성능을 모두 만족하는 범프 스토퍼 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에서는 고가의 폴리우레탄을 사용하는 대신 저가의 열가소성 엘라스토머(TPE) 소재를 사용하여 벨로우즈 형상으로 중공 성형하여 제조함으로써, 종래에 비해 성형 공정의 단순화 및 원가 절감이 가능하면서도 진동 및 충격 흡수 성능과 내구성능을 모두 만족하는 범프 스토퍼를 제공할 수 있게 된다.

현가장치, 쇽 업소버, 범프 스토퍼, 열가소성 엘라스토머, TPE, 벨로우즈

Description

자동차 현가장치용 범프 스토퍼 및 그 제조방법{Bump stopper for vehicle's suspension system and method for manufacturing the same}

본 발명은 자동차 현가장치용 범프 스토퍼 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 현가장치의 쇽 업소버 어셈블리에서 차량의 휠로부터 발생한 충격 및 진동이 쇽 업소버를 통해 차체에 전달되는 것을 방지하기 위하여 쇽 업소버 상부에 설치되는 범프 스토퍼 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 현가장치의 쇽 업소버(shock absorber)는 차축과 차체 사이에 설치되어 차량의 주행시에 차축이 노면으로부터 받는 진동이나 충격을 흡수하여 승차감을 향상시키는 방진, 완충장치로서, 그 내부는 가스 및 오일 등의 충진물이 채워져 감쇠력을 증대시킬 수 있도록 마련되는데, 통상적으로 오일이 충진된 유압식 쇽 업소버가 많이 사용된다.

이러한 쇽 업소버는 차체에 피스톤 로드가 연결되고 차축에 실린더가 연결되어지되, 피스톤 로드에 연결된 피스톤이 실린더 내에서 왕복 운동 가능하게 설치되 고, 그 피스톤이 실린더 내의 유체의 흐름을 제어하는 밸브구조로 형성되어, 그 밸브구조에 의한 실린더 내의 유체 흐름 제어를 통해, 노면으로부터 차체로 전해지는 진동 또는 충격을 흡수 완화시켜 주게 된다.

그리고, 통상의 쇽 업소버는 외부의 이물질이 피스톤 로드를 통해 실린더 내로 침투하는 것을 막도록 피스톤 로드 및 실린더의 일부를 둘러싸는 더스트 커버를 추가로 구비한다.

한편, 상기와 같은 쇽 업소버의 상단에는 서스펜션(suspension)이 가동범위의 한계에 가깝게 휘었을 때 작용하여 차량의 휠(wheel)로부터의 충격이 차체에 직접 전달되지 않도록 충격 및 진동을 흡수할 수 있도록 고무나 우레탄 재질의 범프 스토퍼(bump stopper)가 장착된다.

이하, 첨부한 도 1과 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 자동차 현가장치에서 쇽 업소버 어셈블리의 장착상태를 도시한 사시도이고, 도 2는 쇽 업소버 어셈블리의 주요 구성을 도시한 분해사시도이다.

대개 자동차의 쇽 업소버 어셈블리(10)는 차체에 체결되는 인슐레이터(strut insulator)(11)와, 길이방향으로 상하 왕복 운동하는 피스톤 로드(12a)를 가지면서 충격 및 진동을 흡수하는 쇽 업소버(12)와, 상기 인슐레이터(11)와 쇽 업소버(12)에 일체로 고정된 스프링 시트(12b) 사이에 설치되는 코일 스프링(13)과, 상기 피스톤 로드(12a)의 상단에 체결되어 피스톤 로드에 이물질이 침투하는 것을 방지하는 더스트 커버(dust cover)(14)와, 우레탄 고무로 형성되어 차량의 휠로부터 발생한 충격 및 진동이 상기 쇽 업소버(12)를 통해 차체에 전달되는 것을 방지하기 위 한 범프 스토퍼(bump stopper)(15)를 주된 구성으로 한다.

여기서, 더스트 커버(14)는 하단부에 설치되어 이물질의 유입을 방지하는 캡(14a)을 포함하여 구성되는데, 길이방향으로 접혀질 수 있는 주름관 구조로 구성되어 쇽 업소버(12)의 인장과 압축 작동시에 전체 길이가 가변될 수 있게 되어 있다.

즉, 피스톤 로드(12a)의 압축 행정시(범프시)에는 더스트 커버(14)가 수축되는 한편, 피스톤 로드(12a)의 인장 행정시(리바운드시)에는 더스트 커버(14)가 신축성이 있으므로 피스톤 로드가 외부에 노출되지 않도록 더스트 커버도 신장되어 피스톤 로드를 수용하게 된다.

또한 범프 스토퍼(15)는 우레탄 러버의 탄성을 이용하여 자동차의 주행시에 타이어에서 발생하는 충격 및 진동이 차체로 전달되는 것을 최소화하기 위한 것으로, 차체에 쇽 업소버(12)를 통해 입력되는 대하중을 감쇄시키기 위해 설치되는 것이다.

이와 같이 범프 스토퍼는 대하중을 감쇄시켜 승차자의 안락감을 제공하는 주 역할을 수행하고 있으므로 범프 스토퍼 자체의 에너지 흡수력이 대단히 커야 할 필요가 있으며, 또한 장기간 주행시에 입력 하중에 의한 압축 변형 피로에 견디어 차량의 내구성능을 유지해야 한다.

종래기술에서 범프 스토퍼의 재질로는 천연고무(Natural Rubber, NR)와 우레탄(polyurethane, PU) 고무가 있는데, 특히 우레탄 고무의 경우 가격은 고가이지만 발포 후 사용하므로 에너지 흡수가 뛰어난 특징이 있다.

앞서 설명한 바와 같이 종래에 사용되고 있는 범프 스토퍼의 재질은 천연고무와 우레탄 발포 고무의 2가지 종류이나, 순고무 재질의 범프 스토퍼의 경우 가격은 저렴하지만 스프링 특성과 내구성능을 동시에 만족시키기 어려운 재질로서 저급의 차종에서 승차감의 손실을 감수하여 사용하고 있다.

반면, 우레탄 발포 고무의 경우 에너지 흡수력이 뛰어나서 압축 변형 특성이 우수하며(고충격 흡수), 그 내구성능도 우수하여 현재 대부분의 차종에 적용되고 있다.

그러나, 우레탄 발포 고무는 범프 스토퍼로 사용 가능한 등급(grade)이 한정되어 있고, 그 원료 가격이 매우 비싸기 때문에 차량 원가를 상승시키는 단점이 있다.

또한 수분 및 모래 등의 이물질에 의한 가수 분해 마모 현상이 발생하므로 이를 보완하기 위해 범프 스토퍼 위에 더스트 커버를 반드시 장착하여 사용하여야 하며, 이에 추가로 원가 상승이 발생하는 문제점을 가진다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 소재 및 형상을 개선하여 성형 공정의 단순화 및 원가 절감이 가능하면서도 진동 및 충격 흡수 성능과 내구성능을 모두 만족하는 범프 스토퍼 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 디카르복실레이트-디올(Dicarboxylate-Diol) 중합체 50 ~ 60 wt%와 글리콜(Glycol) 중합체 40 ~ 50 wt%로 이루어진 열가소성 엘라스토머(TPE)를 재질로 하여 성형 제작된 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼를 제공한다.

바람직하게는, 상기 열가소성 엘라스토머를 재질로 하여 주름진 외관 형상으로 산과 골의 반복된 형태를 가지는 중공의 벨로우즈(bellows) 형상으로 성형된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 벨로우즈 형상에서 산 부위의 곡률이 골 부위의 곡률에 대해 1 ~ 2배인 것을 특징으로 한다.

또한 글리콜의 분자량이 1000 ~ 2000인 것을 특징으로 한다.

또한 40 ~ 70 쇼어(Shore) D 경도를 가지는 열가소성 엘라스토머 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은, 디카르복실레이트-디올(Dicarboxylate-Diol) 중합체 50 ~ 60 wt%와 글리콜(Glycol) 중합체 40 ~ 50 wt%로 이루어진 열가소성 엘라스토머(TPE)를 압축 중공 성형(press blow molding)의 방법으로 성형하여, 주름진 외관 형상으로서 산과 골의 반복된 형태를 가지는 중공의 벨로우즈(bellows) 형상으로 제작하는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼의 제조방법을 제공한다.

여기서, 바람직하게는, 글리콜의 분자량이 1000 ~ 2000인 열가소성 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 열가소성 엘라스토머의 용융점도를 5 ~ 20g/10min로 하여 성형하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 자동차 현가장치용 범프 스토퍼 및 그 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

1) 종래의 범프 스토퍼 재질로서 고가의 폴리우레탄을 사용하는 대신 저가의 열가소성 엘라스토머(Thermoplastic Elastomer, 이하 TPE라 함)를 재질로 사용하여 성형 공정의 단순화 및 원가 절감이 가능하다. 또한 종래의 범프 스토퍼의 주변 부품, 즉 더스트 커버 및 컵 홀더(cup holder) 등의 삭제가 가능하여 차량의 원가 절감에 크게 기여한다.

2) 벨로우즈(bellows) 형상으로 제작되므로 쇽 업소버 어셈블리에 적용하는 경우 고충격 흡수가 가능하며, 차량의 NVH(소음과 진동) 성능을 향상시켜 준다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차 현가장치의 쇽 업소버 어셈블리에서 차량의 휠로부터 발생한 충격 및 진동이 쇽 업소버를 통해 차체에 전달되는 것을 방지하기 위하여 쇽 업소버 상부에 설치되는 범프 스토퍼 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 범프 스토퍼 재질로서 고가의 폴리우레탄을 사용하는 대신 저가의 열가소성 엘라스토머(Thermoplastic Elastomer, 이하 TPE라 함)를 재질로 사용하여 성형 공정의 단순화 및 원가 절감을 도모하고자 한 점에 주된 특징이 있는 것이다.

또한 본 발명의 범프 스토퍼는 중공의 벨로우즈(bellows) 형상으로 제작하여 고충격 흡수가 가능하도록 구성한 점에 주된 특징이 있는 것이다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 TPE 범프 스토퍼의 형상과 종래기술에 따른 우레탄 범프 스토퍼의 형상을 비교하여 나타낸 도면으로, 우선 본 발명의 범프 러버는 고가의 우레탄 발포 고무가 사용되는 대신 차량에서 요구되는 NVH(소음과 진동) 성능과 장기간의 내구성능을 만족할 수 있도록 TPE를 재질로 하여 제작된다.

TPE는 사용 원료에 따라 폴리스티렌계, 폴리올레핀계, 폴리우레탄계 및 폴리에스테르계 등으로 나누어지나, 본 발명에서는 유연성이 우수하여 반복적인 내굴곡 피로성능이 우수한 폴리에스테르계 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다.

이때, TPE는 DMT(dimethylterephtalate) 혹은 TPA(terephthalic acid)와 BD(Butanediol)를 HD(Hexanediol), PTMG(polytetramethyleneglycol), PMMAG(polymethylpentamethylene adipateglycol) 등과 공중합한 것이다.

특히, 본 발명의 범프 스토퍼는 기계적 물성을 지배하는 하드 세그먼트(hard segment)인 디카르복실레이트-디올(Dicarboxylate-Diol) 중합체가 50 ~ 60 wt%이고 유연성을 부여하기 위한 소프트 세그먼트(soft segment)인 글리콜(Glycol) 중합체가 40 ~ 50 wt%인 TPE를 사용하여 제조될 수 있으며, 이때 우수한 탄성과 변형 회복성을 가질 수 있도록 글리콜(Glycol)의 분자량은 100 ~ 2000인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 글리콜(Glycol)의 분자량이 1000 미만인 경우에는 요구되는 기계적 물성의 발현이 어려우며, 2000을 초과하는 것은 상업적인 제조가 어려워 양산화가 곤란한 문제점이 있다.

또한 상기 글리콜 중합체의 함량이 40wt% 미만인 경우에 내굴곡 피로성능의 저하로 본 발명에서 달성하고자 하는 범프 스토퍼의 성능을 만족시키기가 어려운 반면, 50wt%를 초과하여 함유할 경우에는 재료의 과도한 경도 상승으로 인해 요구되는 소프트(soft)한 스프링 특성을 만족시키지 못하는 문제점이 있다.

본 발명에서 제시하는 상기의 함량 조성비를 가지는 TPE 재료는 내굴곡 피로성능이 우수함과 동시에 내마모성 및 내환경성도 우수하여, 대하중의 충격을 흡수하기 위한 범프 스토퍼에 알맞은 특성을 나타내게 된다.

또한 본 발명에서 사용되는 TPE는 40 ~ 70 쇼어(Shore) D의 경도를 갖는 것 이 바람직하나, 기본적으로 발포 우레탄 대비 딱딱한 특성을 가지므로 소프트한 스프링 특성을 얻기 위해서는 차량에서 요구되는 하중-변위 곡선에 맞도록 형상 설계가 최적화되어져야 한다.

이를 기술적으로 달성하기 위하여, 본 발명의 TPE 범프 스토퍼는 주름진 외관 형상으로 산과 골의 반복된 형태를 가지는 중공의 벨로우즈(bellows) 형상으로 제작되는 것이 바람직하며, 이를 통해 반복적인 굽힘에 의해 응력 집중이 최소화될 수 있도록 해야 한다.

또한 상기와 같이 소프트한 스프링 특성과 반복 압축에 대한 내구성을 동시에 갖도록 하기 위해서는 벨로우즈 형상의 산 부위(도 3 참조)의 곡률이 골 부위의 곡률에 대해 1 ~ 2배 사이의 비율을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 그 비율이 1배 미만인 경우에는 제조 공정상 성형이 곤란하며, 2배를 초과하는 경우에는 산 부위에 응력이 집중되어 내구성능이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

또한 상기와 같이 벨로우즈 형상의 성형을 효율적으로 하기 위해서는 압축 중공 성형(press blow molding)을 실시하여야 하는데, 기존 우레탄 성형을 위한 반응 사출 공법에 비해 매우 단순하기 때문에 추가의 원가절감이 가능하며, 동시에 품질의 안정화를 추구할 수 있는 장점이 있고, 제품의 두께 조절이 용이한 장점이 있다.

상기와 같은 중공 성형을 위해서는 용융점도가 5g/10min ~ 20g/10min의 재료를 사용하여야 한다.

만약 용융점도를 5g/10min 미만으로 하는 경우에는 압출 게이트(gate)에서의 토출 및 블로우에 의한 성형이 불가한 반면, 20g/10min을 초과하는 용융점도로 제작하는 경우에는 요구되는 두께의 형성이 불가한 문제가 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

하기의 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 및 실험예

하드 세그먼트 재료인 디카르복실레이트-디올 중합체와 소프트 세그먼트 재료인 글리콜 중합체로 이루어진 TPE를 재질로 사용하여 범프 스토퍼를 제조하되, 사용되는 글리콜 중합체의 분자량과 함량을 아래의 표 1과 같이 달리한 재질을 사용하여 범프 스토퍼를 제조하였으며, 제조된 각 범프 스토퍼에 대해 평가를 실시하였다.

하기 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예1과 실시예2, 실시예3은 분자량이 2000인 글리콜을 사용하였고, 이때 글리콜의 함량은 전체 100wt%에 대해 각각 40wt%, 50wt%, 50wt%로 하였다.

또한 제조된 실시예1과 실시예2, 실시예3의 범프 스토퍼는 벨로우즈 형상으로 제조하되, 산과 골의 곡률비를 각각 2, 1, 2로 하여 제조하였다.

반면, 비교예1, 비교예2, 비교예3은 각각 분자량이 500, 1000, 2000인 글리 콜을 사용하였고, 이때 글리콜의 함량은 전체 100wt%에 대해 각각 50wt%, 30wt%, 50wt%로 하였다.

또한 제조된 비교예1과 비교예2, 비교예3의 범프 스토퍼는 벨로우즈 형상으로 제조하되, 산과 골의 곡률비를 모두 2로 하여 제조하였다.

한편, 상기와 같이 제조된 각 범프 스토퍼에 대해 상하 압축 하중 1000kg를 가했을 때의 변위를 측정하였으며, 이와 함께 내구강도를 측정하였는바, 그 결과를 살펴보면, 비교예1, 비교예2의 경우 변위량 및 소프트한 수준이 과도하여 실차 적용에는 어려움이 있는 것으로 확인하였고, 내구강도 면에서도 크게 떨어지는 것으로 나타났다.

또한 비교예3의 경우 내구강도는 우수하나 지나치게 딱딱한 특성을 가짐을 알 수 있다. 이 경우 실차 장착시에 소프트한 스프링 특성을 제공하지 못하고 충격 흡수 성능이 좋지 못하여 진동 및 충격이 차체에 상당량 전달되는 문제점이 있게 된다.

반면, 본 발명의 실시예1, 2, 3의 경우에는 하중에 대한 변위량, 진동 및 충격 흡수 성능, 내구강도 면에서 자동차용 현가장치의 범프 스토퍼로서 만족할 만한 성능을 나타내는 것으로 확인하였다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 고가의 폴리우레탄을 사용하는 대신 저가의 열가소성 엘라스토머(TPE)를 사용하여 중공 성형(press blow molding)의 방법으로 벨로우즈 형상의 범프 스토퍼를 제조함으로써, 성형 공정의 단순화 및 원가 절감이 가능해지며, 진동 및 충격 흡수 성능과 내구성능을 모두 만족하는 범프 스토퍼를 제조할 수 있게 된다.

도 1은 자동차 현가장치에서 쇽 업소버 어셈블리의 장착상태를 도시한 사시도,

도 2는 쇽 업소버 어셈블리의 주요 구성을 도시한 분해사시도,

도 3은 본 발명에 따른 TPE 범프 스토퍼의 형상과 종래기술에 따른 우레탄 범프 스토퍼의 형상을 비교하여 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 쇽 업소버 어셈블리 11 : 인슐레이터

12 : 쇽 업소버 13 : 코일 스프링

14 : 더스트 커버 15 : 범프 스토퍼

Claims (8)

1. 디카르복실레이트-디올(Dicarboxylate-Diol) 중합체 50 ~ 60 wt%와 글리콜(Glycol) 중합체 40 ~ 50 wt%로 이루어진 열가소성 엘라스토머(TPE)를 재질로 하여 성형 제작된 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 열가소성 엘라스토머를 재질로 하여 주름진 외관 형상으로 산과 골의 반복된 형태를 가지는 중공의 벨로우즈(bellows) 형상으로 성형된 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 벨로우즈 형상에서 산 부위의 곡률이 골 부위의 곡률에 대해 1 ~ 2배인 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼.
4. 청구항 1에 있어서,

   글리콜의 분자량이 1000 ~ 2000인 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범 프 스토퍼.
5. 청구항 1에 있어서,

   40 ~ 70 쇼어(Shore) D 경도를 가지는 열가소성 엘라스토머 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼.
6. 디카르복실레이트-디올(Dicarboxylate-Diol) 중합체 50 ~ 60 wt%와 글리콜(Glycol) 중합체 40 ~ 50 wt%로 이루어진 열가소성 엘라스토머(TPE)를 압축 중공 성형(press blow molding)의 방법으로 성형하여, 주름진 외관 형상으로서 산과 골의 반복된 형태를 가지는 중공의 벨로우즈(bellows) 형상으로 제작하는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   글리콜의 분자량이 1000 ~ 2000인 열가소성 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼의 제조방법.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,

   상기 열가소성 엘라스토머의 용융점도를 5 ~ 20g/10min로 하여 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차 현가장치용 범프 스토퍼의 제조방법.

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