KR20100026003A - Manufacturing method for hybrid steering column shaft of vehicle with composite materials - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a vehicle hybrid steering column shaft is provided, which can improve the gas mileage and output using the material with superior rigidity and intensity. CONSTITUTION: A manufacturing method of a vehicle hybrid steering column shaft comprises: a step of forming the inner shaft(10a) by laminating unidirectional fiber-reinforced composites outside the mandrel for forming a hollow; a step of deciding the alignment angle of the unidirectional fiber-reinforced composites; a step of forming the exterior shaft(10b) by laminating the fabrics reinforced composite outside the inner shaft; a step of deciding the alignment angle of the fabrics reinforced composite; a step of joining composites; and a step of separating the mandrel from the composites and removing them if each composite is hardened.

Description

자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법{Manufacturing method for hybrid steering column shaft of vehicle with composite materials}Manufacturing method for hybrid steering column shaft of vehicle with composite materials

본 발명은 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료를 사용하여 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트를 제조함으로써, 강철재료로 만든 스티어링 칼럼 샤프트에 비해 무게가 가볍고 스티어링 시 조작하기 편리하며 사용재료의 효율성이 우수한 성능을 가질 수 있도록 한 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a hybrid steering column shaft for an automobile, and more particularly, by manufacturing a hollow hybrid steering column shaft using a unidirectional fiber-reinforced composite material and a fabric-type fiber-reinforced composite material, a steering made of steel material The present invention relates to a method for manufacturing a hybrid steering column shaft for an automobile, which is lighter in weight than a column shaft, is convenient to operate during steering, and has excellent performance in using materials.

현재, 항공기 분야에서는 기계적 특성이 우수한 일방향 섬유강화 복합재료를 많이 사용하고 있고, 최근 자동차 분야에서도 활용도를 높이고 있으나, 직물형 섬유강화 복합재료에 관해서는 자동차 외장재에 응용하기 위해 기본적인 물성 연구와 성형 가능성에 관한 연구를 진행하고 있는 데 그치고 있다.Currently, the aviation field uses many one-way fiber-reinforced composites with excellent mechanical properties, and has recently been increasing its utilization in the automotive field, but the basic physical properties research and forming possibilities for textile-reinforced composites are applied to automotive exterior materials. We are only doing research on.

그 동안 알려진 연구 성과를 볼 때, 직물형 섬유강화 복합재료의 3차원 물성 특성은 일방향 섬유강화 복합재료에 비해 매우 뛰어나 앞으로 자동차 부품에 있어서 외장 부품뿐 아니라, 하중을 지지 및 전달하는 부품에까지 사용이 확대될 전망이다.Based on the known research results, the three-dimensional properties of fabric-reinforced composites are much higher than those of unidirectional fiber-reinforced composites, which makes it possible to use them not only in exterior parts but also in supporting and transferring loads. It is expected to expand.

속이 비어 있는 중공형 샤프트의 경우 비틀림 하중의 전달 메커니즘을 고려할 때 속이 꽉 찬 구조에 비해 재료의 효율성이 높을 뿐 아니라, 굽힘 하중을 받는 구조에 있어서도 효율성이 뛰어나 많은 자동차 부품에서 활용되고 있다.Hollow hollow shafts are used in many automotive parts because of their high efficiency in bending load-bearing structures as well as higher efficiency of materials compared to solid structures when considering torsional load transfer mechanisms.

자동차의 조향장치에 있어서 운전자가 스티어링 휠을 통하여 방향 전환을 할경우, 휠을 통해 전달된 비틀림 하중이 스티어링 칼럼 샤프트를 통해 기어장치에 전달된 후 타이로드를 거쳐 자동차 바퀴에 전달되는 과정에 있어서 비틀림 작용을 통하여 방향이 전환되므로, 부품을 구성하고 있는 재료의 3차원 전단 물성의 특성이 매우 중요한 것으로 알려져 있다.In the steering device of the vehicle, when the driver changes direction through the steering wheel, the torsional load transmitted through the wheel is transmitted to the gear unit through the steering column shaft and then to the vehicle wheel through the tie rod to the torsion in the process. Since the direction is changed through the action, it is known that the characteristics of the three-dimensional shear properties of the material constituting the part is very important.

따라서, 무게가 가볍고 진동 및 소음 특성이 우수하여 엔진 및 차체에서 전달되는 진동이 스티어링 휠까지 전달되지 않도록 하며, 진동 절연성이 우수하고 제조 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 비틀림 하중 전달 부품에 사용하면 유리하다. Therefore, it is light in weight and has excellent vibration and noise characteristics so that vibrations transmitted from the engine and the body are not transmitted to the steering wheel, and the vibration insulation is excellent and the mechanical properties of the parts can be adjusted by adjusting the orientation angle even in the manufacturing process. A lot of room for composite materials is used, but one-way composites have poor three-dimensional properties, while fabric-type composites have excellent three-dimensional properties, which is advantageous for torsional load transmission parts of automobiles.

이에, 비강성, 비강도를 비롯한 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 소음 및 진동특성이 우수하고 3차원 물성이 뛰어난 직물형 섬유강화 복합재료를 스티어링 휠로부터 기어장치까지 비틀림 하중을 전달하는 기능을 하는 스티어링 칼럼 샤프트 에 응용하는 방법을 제시하고자 한다. Therefore, the steering function of transferring the torsional load from the steering wheel to the gear device is not only excellent in mechanical properties including rigidity, specific strength, but also excellent in noise and vibration characteristics and excellent in three-dimensional physical properties. We present a method of application to the column shaft.

기존에 복합재료를 이용한 비틀림 하중 전달에 관한 연구 및 생산 이력은 복합재료를 이용한 프로펠러 샤프트에 관한 연구 및 응용이 있었으나, 중공형 스티어링 칼럼 샤프트의 복합재료화 연구는 전무한 상태이다.Previously, the research and production history of torsional load transfer using composite materials have been studied and applied to propeller shafts using composite materials, but there are no studies on the composite materials of hollow steering column shafts.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 비강성, 비강도를 비롯한 기계적 특성이 우수할 뿐 아니라 소음, 진동 특성, 3차원 기계적 물성이 우수한 직물형 섬유강화 복합재료를 비틀림 하중을 전달하는 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조에 이용하는 것으로서, 내부는 맨드럴을 이용하여 중공부로 형성하고, 중간부는 길이 방향의 강성과 강도를 보강하기 위해 일방향 섬유강화 복합재료를 사용하고, 외부는 비틀림 강성 및 강도를 확보하기 위해 3차원 물성이 우수한 직물형 섬유강화 복합재료를 사용하여 자동차의 비틀림 하중 전달 부품에 가볍고 강성 및 강도가 우수한 재료를 이용함으로써, 연비 및 출력을 향상시킬 수 있도록 한 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, not only excellent mechanical properties, including non-stiffness, specific strength, but also torsional load of the fabric-type fiber reinforced composite material excellent in noise, vibration characteristics, three-dimensional mechanical properties It is used to manufacture the hollow hybrid steering column shaft to transmit, the inner part is formed into a hollow part using the mandrel, the middle part uses a one-way fiber-reinforced composite material to reinforce the longitudinal stiffness and strength, the outer torsion For automobiles that can improve fuel efficiency and power by using light, rigid and strong materials for torsional load transmitting parts of automobiles by using textile fiber reinforced composites with excellent three-dimensional properties to secure rigidity and strength To provide a method for manufacturing a hybrid steering column shaft have.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a hybrid steering column shaft for a vehicle,

중공부를 형성하기 위한 맨드럴의 외부에 일방향 섬유강화 복합재료를 적층하여 내부 샤프트를 형성하는 단계와; 상기 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도를 결정하는 단계와; 상기 내부 샤프트의 외부에 직물형 섬유강화 복합재료를 적층하여 외부 샤프트를 형성하는 단계와; 상기 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도를 결정하는 단계와; 상기 각 층별 복합재료를 상호 접합하는 단계와; 상기 각 층별 복합재료가 경화되면 상기 맨드럴을 복합재료로부터 분리시켜 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법을 제공한다.Stacking a one-way fiber-reinforced composite material on the outside of the mandrel for forming the hollow portion to form an inner shaft; Determining an orientation angle of the unidirectional fiber reinforced composite material; Stacking the fabric-type fiber reinforced composite material on the outside of the inner shaft to form an outer shaft; Determining an orientation angle of the fabric-type fiber reinforced composite material; Bonding the composite materials for each layer to each other; It provides a method for producing a hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that it comprises a; when the composite material for each layer is cured to separate and remove the mandrel from the composite material.

또한, 상기 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료의 사용비율을 결정하는 단계와, 내경을 결정하는 단계를 더 포함하여 비틀림 강성을 확보하는 것을 특징으로 하며,In addition, determining the usage ratio of the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material, characterized in that to ensure the torsional rigidity further comprising the step of determining the inner diameter,

바람직하게, 상기 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료는 프리프레그 성형법을 이용하여 맨드럴의 외부에 감기는 것을 특징으로 한다.Preferably, the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-like fiber-reinforced composite material is characterized in that it is wound on the outside of the mandrel using a prepreg molding method.

더욱 바람직하게, 상기 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도는 0°~ 15°인 것을 특징으로 하며,More preferably, the orientation angle of the unidirectional fiber-reinforced composite material is characterized in that 0 ° ~ 15 °,

또한 바람직하게, 상기 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도는 45°∼ 75°인 것을 특징으로 한다.Also preferably, the orientation angle of the fabric-type fiber-reinforced composite material is 45 ° to 75 °.

바람직하게, 상기 각 층별 복합재료의 접합 및 경화공정은 동시경화 접합방법을 이용하는 것을 특징으로 하며,Preferably, the bonding and curing process of the composite material for each layer is characterized in that using a co-cure bonding method,

또한 바람직하게, 상기 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료가 경화된 후 제거하기 용이하도록 상기 맨드럴은 길이방향으로 경사지게 둘 이상으로 분리되는 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material is characterized in that the mandrel is formed in a cylindrical shape that is separated into two or more inclined in the longitudinal direction to facilitate removal.

그리고 바람직하게, 상기 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료가 경화된 후 제거하기 용이하도록 상기 맨드럴의 외주면에 프리프레그를 감싸는 것을 특징으로 한다.And preferably, the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material is characterized in that the prepreg is wrapped around the outer peripheral surface of the mandrel to facilitate removal.

바람직하게, 상기 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료는 6기압 이상, 80℃ 이상에서 3시간 이상 경화하는 것을 특징으로 하며,Preferably, the one-way fiber-reinforced composite material and fabric-type fiber-reinforced composite material is characterized in that the curing at least 6 atm, 80 ℃ or more for 3 hours or more,

더욱 바람직하게, 상기 내부 샤프트와 외부 샤프트의 경화 공정 중 흘러나와 외면에 날카로운 모서리를 형성시키는 레진을 최종 경화 및 접합 후에 사포 및 마무리 공구를 이용하여 다듬어 응력 집중을 감소시키는 것을 특징으로 한다.More preferably, the resin flowing out during the hardening process of the inner shaft and the outer shaft to form sharp edges on the outer surface is trimmed using sandpaper and finishing tools after final curing and bonding to reduce stress concentration.

본 발명에 따른 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조방법에 의해, 길이 방향의 물성이 우수한 일방향 섬유강화 복합재료와 3차원 물성이 우수한 직물형 섬유강화 복합재료를 하이브리드 구조로 제작함으로써, 비강성 및 비강도 특성이 우수해져 기존 재료에 비해 중량이 감소되며 연비 향상에 기여할 것이고 플라스틱 복합재료 고유의 우수한 소음, 진동 특성이 향상되어 차체로부터 스티어링 휠로 전달되는 진동이 감쇄되어 상품성이 좋아지는 효과를 얻을 수 있다.In the method of manufacturing a hybrid steering column shaft for automobiles according to the present invention, by producing a hybrid structure of a one-way fiber-reinforced composite material excellent in the longitudinal direction and a fabric-type fiber-reinforced composite material excellent in three-dimensional properties, non-rigidity and nasal cavity Its excellent properties reduce weight compared to existing materials and contribute to improved fuel efficiency, and the excellent noise and vibration characteristics of plastic composite materials are improved, so that vibrations transmitted from the vehicle body to the steering wheel can be attenuated, resulting in improved merchandise.

또한, 복합재료에 사용되는 배향각도 및 샤프트 내경의 크기를 조절함으로써 진동특성, 비틀림 강성 및 강도 특성을 조절할 수 있는 장점이 있다. In addition, there is an advantage that can control the vibration characteristics, torsional rigidity and strength characteristics by adjusting the size of the orientation angle and the shaft inner diameter used in the composite material.

또한, 본 발명을 기반으로 스티어링 칼럼 샤프트 외에 자동차에서 비틀림 하중을 전달하는 각종 부품도 추가로 개발할 수 있는 여건을 제공할 수 있다.In addition, on the basis of the present invention it can provide a condition to further develop various components for transmitting a torsional load in the vehicle in addition to the steering column shaft.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 본 발명의 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. In the description of the present invention, overlapping descriptions of the same parts as in the prior art may be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 자동차의 스티어링 휠로부터 발생되는 비틀림 하중을 기어 장치로 전달하는 역할을 하는 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 경량화 제조방법으로, 섬유방향 강성 및 강도가 우수한 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료(10b)를 사용함으로써 경량화 제조하여, 자동차의 연비를 향상시키고 차체로부터 스티어링 휠로 전달되는 진동을 감소시키도록 한다.The present invention is a lightweight manufacturing method of the steering column shaft 10, which serves to transmit the torsional load generated from the steering wheel of the vehicle to the gear device, unidirectional fiber reinforced composite material and fabric-type fiber reinforced with excellent fiber direction rigidity and strength The use of the composite material 10b makes it lightweight, thereby improving fuel economy of the vehicle and reducing vibrations transmitted from the vehicle body to the steering wheel.

먼저, 이하에서 사용되는 용어를 다음과 같이 정의한다.First, the terms used below are defined as follows.

1) 용어 '하이브리드'는 스티어링 칼럼 샤프트를 구성하고 있는 재료가 한 종류가 아닌 여러 종류라는 것을 의미한다.1) The term 'hybrid' means that the material constituting the steering column shaft is not one but several.

2) 용어 '동시경화'는 두 가지 이상의 재료가 접합될 때 접합공정과 경화공정이 동시에 수행된다는 것을 의미한다.2) The term 'simultaneous curing' means that when two or more materials are joined, the bonding process and the curing process are performed simultaneously.

3) 용어 '배향각도'는 복합재료 내에 함유된 섬유의 배향방향을 가리키는 것으로서, 기준좌표에 대해 경사진 각도를 표시하는 용어이다.3) The term 'orientation angle' refers to the orientation direction of the fibers contained in the composite material, and indicates the angle of inclination with respect to the reference coordinate.

4) 용어 '중공형'은 샤프트 내부를 속이 빈 구조를 가리키는 용어이다.4) The term 'hollow' refers to a hollow structure in the shaft.

5) 용어 '프리프레그 성형법'은 섬유강화 복합재료를 얇은 필름 형태로 가공하여 경화되지 않은 상태로 만들어져 나온 프리프레그를 이용하여 성형하는 공정을 의미한다.5) The term 'prepreg molding method' refers to a process of forming a fiber-reinforced composite material using a prepreg made of a thin film, which is made uncured.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 스티어링 칼럼 샤프트의 구조를 설명하는 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 횡단면을 도시한 개략도이다.1 is a schematic view illustrating the structure of a steering column shaft according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of a hollow hybrid steering column shaft according to the present invention.

본 발명에 따른 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 일방향 섬유강화 복합재료를 사용하여 일정한 두께의 내부 샤프트(10a)를 형성하고, 외부에 직물형 섬유강화 복합재료를 사용하여 일정한 두께의 외부 샤프트(10b)를 적층 형성하며, 상기 내부 샤프트(10a)의 중앙에 중공부를 형성하여 튜브 형태로 제조된다.Hollow hybrid steering column shaft 10 according to the present invention, as shown in Figure 2, to form an inner shaft (10a) of a constant thickness by using a one-way fiber-reinforced composite material therein, fabric-type fiber reinforced on the outside Using a composite material to form a laminated outer shaft (10b) of a constant thickness, by forming a hollow in the center of the inner shaft (10a) is manufactured in the form of a tube.

상기 중공부를 형성하여 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 내부를 속이 빈 형태로 제조하기 위해 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료가 접합 경화된 후 분리 가능한 맨드럴(12)을 사용한다.In order to form the hollow part and to manufacture the inside of the steering column shaft 10 in a hollow form, the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-like fiber-reinforced composite material are bonded and cured, and a detachable mandrel 12 is used.

도 8은 본 발명에 이용되는 맨드럴을 도시한 개략도로서, 상기 맨드럴(12)은 본 발명에 따른 스티어링 칼럼 샤프트의 중공부에 대응되는 원통형으로 마련되고, 스티어링 칼럼 샤프트(10)를 경화한 후에 내부의 맨드럴을 분리하기 용이하도록 하 기 위하여 축 방향(길이 방향)에 경사지게 상부 맨드럴(12a)과 하부 맨드럴(12b)로 분리 형성된다. 8 is a schematic view showing the mandrel used in the present invention, wherein the mandrel 12 is provided in a cylindrical shape corresponding to the hollow part of the steering column shaft according to the present invention, and the hardened steering column shaft 10 Later, the upper mandrel 12a and the lower mandrel 12b are formed to be inclined in the axial direction (length direction) so as to easily separate the inner mandrel.

상부 맨드럴(12a)과 하부 맨드럴(12b) 사이에는 그리이스를 칠하여 분리하기 용이하도록 하는 것이 바람직하다.It is preferable to apply grease between the upper mandrel 12a and the lower mandrel 12b to facilitate separation.

본 발명은 상기 맨드럴(12)의 외주면에 프리프레그(예;테프론 필름)를 감싸서 일방향 섬유강화 복합재료로 형성된 내부 샤프트(10a)와 맨드럴(12)이 분리되기 용이하도록 한다.The present invention wraps the prepreg (eg, Teflon film) on the outer circumferential surface of the mandrel 12 to facilitate separation of the inner shaft 10a and the mandrel 12 formed of a one-way fiber reinforced composite material.

바람직하게, 상기 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 안쪽에 사용하는 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도는 길이방향의 강성 및 강도를 확보하면서 열응력 감소 및 3차원 물성을 향상시킬 수 있도록 0°~ 15°가 되도록 한다.Preferably, the angle of orientation of the unidirectional fiber-reinforced composite material used inside the steering column shaft 10 is 0 ° to 15 ° to ensure thermal stress reduction and three-dimensional physical properties while ensuring rigidity and strength in the longitudinal direction. To be

또한, 상기 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 내부의 일방향 섬유강화 복합재료 및 외부의 직물형 섬유강화 복합재료의 레진(Resin)으로 사용되는 재료는 동일한 것을 사용하여 층간 접합력을 향상시키고 층간 발생할 열응력을 감소시킨다.In addition, the material used as the resin of the one-way fiber-reinforced composite material inside the steering column shaft 10 and the outer fabric-type fiber-reinforced composite material is the same to improve the interlayer bond strength and to generate thermal stress between layers. Decrease.

또한, 상기 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도는 비틀림 강도를 확보하기 위해 45°~75°로 하는 것이 바람직하다.In addition, the orientation angle of the woven fiber-reinforced composite material of the steering column shaft 10 is preferably set to 45 ° ~ 75 ° to secure the torsional strength.

도 7은 본 발명에 따른 스티어링 칼럼 샤프트의 내경에 따른 비틀림 강성을 나타내는 그래프로서, 상기 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 내경의 크기는 도 7을 참조하여 강철재료 스티어링 칼럼 샤프트의 강성과 동일하게 결정할 수 있다.7 is a graph showing the torsional rigidity according to the inner diameter of the steering column shaft according to the present invention, the size of the inner diameter of the steering column shaft 10 can be determined to be the same as the rigidity of the steel material steering column shaft with reference to FIG. have.

그리고, 상기 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 내부와 외부를 구성하는 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료의 사용 비율은 스 티어링 칼럼 샤프트의 강성 및 강도를 고려하여 결정할 수 있다.In addition, the use ratio of the unidirectional fiber reinforced composite material and the woven fiber reinforced composite material constituting the inside and the outside of the hollow hybrid steering column shaft 10 may be determined in consideration of the stiffness and the strength of the steering column shaft.

즉, 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료의 사용비율을 조정하여 본 발명에 따른 스티어링 칼럼 샤프트의 강성 및 강도를 조절할 수 있다.That is, the stiffness and strength of the steering column shaft according to the present invention can be adjusted by adjusting the use ratio of the one-way fiber reinforced composite material and the fabric-type fiber reinforced composite material.

또한, 상기 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 층간 접합공정은 접착제를 사용하지 않고 접합공정을 간단히 수행할 수 있는 동시경화 접합방법을 사용한다.In addition, the interlayer bonding process of the steering column shaft 10 uses a co-curing bonding method that can easily perform the bonding process without using an adhesive.

바람직하게, 상기 스티어링 칼럼 샤프트(10)를 최종 경화 및 접합한 후에는 경화 공정 중 흘러나와 샤프트의 외면에 날카로운 모서리를 형성시키는 레진을 사포 및 마무리 공구를 이용하여 다듬어 응력 집중을 줄여준다.Preferably, after the final hardening and bonding of the steering column shaft 10, the resin flowing out during the hardening process to form sharp edges on the outer surface of the shaft is trimmed using sandpaper and finishing tools to reduce stress concentration.

이하, 본 발명을 실시 예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

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.The following examples are only intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the examples.

실시예Example 및  And 실험예Experimental Example

본 발명에 사용된 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료를 구성하고 있는 섬유와 수지의 성분 및 제조방법은 다음과 같다. The components and manufacturing method of the fiber and resin constituting the unidirectional fiber-reinforced composite material and woven fiber-reinforced composite material used in the present invention are as follows.

1) 일방향 섬유강화 복합재료1) One-way fiber reinforced composite material

- 제품명: USN150BX Prepreg (두께 - 0.144mm, 질량 224g/m2)-Product Name: USN150BX Prepreg (Thickness-0.144mm, Mass 224g / m 2 )

- 구성비: 150 g/m2(섬유), 36 g/m2(수지)Composition ratio: 150 g / m 2 (fiber), 36 g / m 2 (resin)

- 섬유의 종류: 탄소섬유-Type of fiber: carbon fiber

- 수지의 종류: 에폭시 수지(Bisphenol A)-Type of resin: epoxy resin (Bisphenol A)

2) 직물형 섬유강화 복합재료2) Fabric-type fiber reinforced composite material

- 제품명: HG181/RS1222 (두께 - 0.25mm, 질량 299g/m2)-Product Name: HG181 / RS1222 (Thickness-0.25mm, Mass 299g / m 2 )

- 섬유의 종류: 유리섬유-Type of fiber: glass fiber

- 수지의 종류: 에폭시 수지(Bisphenol A)-Type of resin: epoxy resin (Bisphenol A)

복합재료 샤프트의 비틀림 강도를 측정하기 위하여 IUTM(Instron Universal Testing Machine)과 MTS(Materials Testing Systems)를 사용하였다. (접합강도 [Pa] = 최대 load [N] / 조인트 접합면의 단면적 [m2])Instron Universal Testing Machine (ITUTM) and Materials Testing Systems (MTS) were used to measure the torsional strength of the composite shaft. (Bond strength [Pa] = maximum load [N] / cross-sectional area of the joint joint [m 2 ])

본 발명의 실시예로서, 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 제조를 위하여 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료의 비틀림 전단 강성을 향상시킬 수 있는 방법을 알아본다. As an embodiment of the present invention, a method for improving the torsional shear stiffness of the unidirectional fiber-reinforced composite material and the woven fiber-reinforced composite material for the manufacture of the hollow hybrid steering column shaft 10 will be described.

중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 비틀림 강성을 향상시키기 위한 방법으로서, 샤프트 내부에 사용되는 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도 결정방법과, 샤프트 외부에 사용되는 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도 결정방법과, 샤프트의 내경 크기와 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료의 사용비율을 고려한다.A method for improving the torsional rigidity of the hollow hybrid steering column shaft 10, the method of determining the orientation angle of the unidirectional fiber-reinforced composite material used inside the shaft, and the orientation angle of the fabric-type fiber reinforced composite material used outside the shaft The determination method and the inner diameter size of the shaft and the ratio of use of unidirectional fiber reinforced composite material and woven fiber reinforced composite material are considered.

상기 내부 샤프트를 형성하는 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도는 다음과 같이 결정할 수 있다. The orientation angle of the unidirectional fiber reinforced composite material forming the inner shaft may be determined as follows.

도 3은 본 발명에 따른 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도에 따른 강성의 변화 예를 보여주는 그래프로서, El, Et, Glt는 각각 섬유방향의 강성, 섬유에 수직방향의 강성, 평면 전단강성을 나타내며, 도 4는 본 발명에 따른 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도에 따른 전단강성의 변화 예를 보여주는 그래프이다. 3 is a graph showing an example of the change in the stiffness according to the orientation angle of the unidirectional fiber-reinforced composite material according to the present invention, E l , E t , G lt is the stiffness in the fiber direction, the stiffness in the direction perpendicular to the fiber, the plane shear 4 is a graph showing a change in shear stiffness according to the orientation angle of the unidirectional fiber-reinforced composite material according to the present invention.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트의 길이방향 강성을 보강하려면 적층각도가 0°에 가까운 것이 좋고 비틀림 강성을 확보하기 위해서 0도에 가까운 것이 좋다. 그러므로 길이방향 강성뿐 아니라 비틀림 강성을 확보할 수 있는 배향각도의 범위는 0°~15°로 하는 것이 바람직하다.As shown in Figures 3 and 4, to reinforce the longitudinal stiffness of the shaft, it is preferable that the lamination angle is close to 0 ° and close to 0 degree to secure the torsional rigidity. Therefore, it is preferable that the range of the orientation angle that can secure not only the longitudinal rigidity but also the torsional rigidity is 0 ° to 15 °.

상기 외부 샤프트를 형성하는 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도 결정방법은 다음과 같다.Method for determining the orientation angle of the fabric-type fiber-reinforced composite material forming the outer shaft is as follows.

도 5는 본 발명에 따른 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도에 따른 강성의 변화 예를 보여주는 그래프로서, 배향각도가 증가할수록 강성이 떨어지는데, 스티어링 칼럼 샤프트(10)의 제조에 있어서 비틀림 강성 및 강도는 길이방향 강성의 제조와 상관이 없으므로, 도 5에 나타난 결과를 고려할 필요는 없다. 5 is a graph showing an example of the change in the stiffness according to the orientation angle of the fabric-type fiber-reinforced composite material according to the present invention, the rigidity decreases as the orientation angle is increased, the torsional stiffness and strength in the manufacture of the steering column shaft 10 Is independent of the preparation of the longitudinal stiffness, it is not necessary to consider the results shown in FIG.

그러나, 도 6은 본 발명에 따른 직물형 섬유강화 복합재료의 두께에 따른 비틀림 하중 지지능력의 변화 예를 보여주는 그래프로서, 이 그래프를 살펴보면 섬유의 배향각도가 증가할수록 비틀림 강도가 증가함을 알 수 있고, 특히 45°~75°의 범위에서 결정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.However, Figure 6 is a graph showing an example of the change of the torsional load carrying capacity according to the thickness of the fabric-type fiber-reinforced composite material according to the present invention, looking at this graph it can be seen that the torsional strength increases as the orientation angle of the fiber increases In particular, it can be seen that it is preferable to determine in the range of 45 ° to 75 °.

도 7은 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료의 비틀림 강 성을 고려하여 본 발명에 따른 스티어링 칼럼 샤프트의 내경에 따른 비틀림 강성을 산출하여 도시한 그래프로서, 스티어링 칼럼 샤프트의 내경 크기를 조절하여 설계하고자 하는 비틀림 강성을 갖는 스티어링 칼럼 샤프트를 제조 가능함을 알 수 있다.7 is a graph showing the torsional rigidity according to the inner diameter of the steering column shaft according to the present invention in consideration of the torsional rigidity of the unidirectional fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material. It can be seen that it is possible to manufacture a steering column shaft having a torsional rigidity to be designed by adjusting.

도 9는 본 발명에 적용되는 맨드럴의 원주방향으로 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료를 감는 방법과 감은 후 형상을 도시한 도면으로서, 스티어링 칼럼 샤프트의 동시경화 접합단계에서 맨드럴 길이에 맞게 재단한 프리프레그(일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료)를 상기 맨드럴의 원주방향으로 내부의 일방향 섬유강화 복합재료와 외부의 직물형 섬유강화 복합재료의 순으로 감아 적층 접합한다.FIG. 9 is a view illustrating a method of winding a one-way fiber-reinforced composite material and a fabric-type fiber-reinforced composite material in the circumferential direction of the mandrel and a shape after winding the mandrel in the co-cured bonding step of the steering column shaft. Prepreg (unidirectional fiber-reinforced composite material and textile fiber-reinforced composite material) cut to length is wound in the circumferential direction of the mandrel in the order of the internal one-way fiber-reinforced composite material and the external textile-reinforced composite material Bond.

도 10은 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 경화 및 접합 공정에 사용되는 경화 싸이클을 나타낸 그래프로서, 경화 및 접합공정이 수행되는 오토클레이브 내부의 압력은 6기압 이상으로 하여야 하며 80℃ 이상 고온에서 3시간 이상 경화하는 것이 바람직함을 알 수 있다.10 is a graph showing a curing cycle used in the hardening and joining process of the hybrid steering column shaft. The pressure inside the autoclave where the hardening and joining process is performed should be at least 6 atm and hardened at a temperature higher than 80 ° C. for at least 3 hours. It can be seen that it is preferable to.

한편, 본 발명에 따른 방법은 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료에서 그 재료가 달라지더라도 사용 가능하다. 예를 들면, 일방향 및 직물형 유리섬유 복합재료와 탄소섬유 복합재료를 혼합하여 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트를 제조할 경우에도 상기한 방법에 따라 제조하면 우수한 성능을 얻을 수 있다.On the other hand, the method according to the present invention can be used even if the materials are different in unidirectional fiber-reinforced composite material and woven fiber-reinforced composite material. For example, even when the hollow hybrid steering column shaft is manufactured by mixing the unidirectional and woven glass fiber composite material and the carbon fiber composite material, excellent performance can be obtained by manufacturing according to the above-described method.

도 1은 본 발명에 따른 스티어링 칼럼 샤프트의 구조를 설명하는 개략도,1 is a schematic diagram illustrating the structure of a steering column shaft according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 중공형 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 구성을 보여주는 개략도,2 is a schematic view showing the configuration of a hollow hybrid steering column shaft according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도에 따른 강성의 변화 예를 보여주는 그래프,3 is a graph showing an example of the change in rigidity according to the orientation angle of the unidirectional fiber-reinforced composite material according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따른 일방향 섬유강화 복합재료 샤프트의 내경의 크기에 따른 비틀림 강성의 변화 예를 보여주는 그래프,4 is a graph showing an example of the change in torsional rigidity according to the size of the inner diameter of the unidirectional fiber-reinforced composite shaft according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도에 따른 강성의 변화 예를 보여주는 그래프,5 is a graph showing an example of the change in rigidity according to the orientation angle of the fabric-type fiber-reinforced composite material according to the present invention,

도 6은 본 발명에 따른 직물형 섬유강화 복합재료 샤프트의 내경의 크기에 따른 비틀림 강성의 변화 예를 보여주는 그래프,6 is a graph showing an example of a change in torsional rigidity according to the size of the inner diameter of the fabric-type fiber-reinforced composite shaft according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 내경의 크기에 따른 비틀림 강성을 나타내는 그래프,7 is a graph showing the torsional rigidity according to the size of the inner diameter of the hybrid steering column shaft according to the present invention,

도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조에 사용되는 맨드럴을 나타내는 사시도,8 is a perspective view showing a mandrel used in the manufacture of a hybrid steering column shaft according to the present invention;

도 9는 본 발명에 따른 맨드럴과 그 외주면에 감기는 프리프레그를 나타내는 단면도,9 is a cross-sectional view showing a prepreg wound on the mandrel and its outer circumferential surface according to the present invention;

도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조에 사용되는 동시경화 접합방법의 경화 싸이클을 설명하는 그래프.10 is a graph illustrating a curing cycle of the co-curing joining method used in the manufacture of a hybrid steering column shaft according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 스티어링 칼럼 샤프트 10a : 내부 샤프트10: steering column shaft 10a: inner shaft

10b : 외부 샤프트 12 : 맨드럴10b: outer shaft 12: mandrel

Claims (10)

자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법에 있어서,In the method of manufacturing a hybrid steering column shaft for an automobile, 중공부를 형성하기 위한 맨드럴의 외부에 일방향 섬유강화 복합재료를 적층하여 내부 샤프트를 형성하는 단계와;Stacking a one-way fiber-reinforced composite material on the outside of the mandrel for forming the hollow portion to form an inner shaft; 상기 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도를 결정하는 단계와;Determining an orientation angle of the unidirectional fiber reinforced composite material; 상기 내부 샤프트의 외부에 직물형 섬유강화 복합재료를 적층하여 외부 샤프트를 형성하는 단계와;Stacking the fabric-type fiber reinforced composite material on the outside of the inner shaft to form an outer shaft; 상기 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도를 결정하는 단계와;Determining an orientation angle of the fabric-type fiber reinforced composite material; 상기 각 층별 복합재료를 상호 접합하는 단계와;Bonding the composite materials for each layer to each other; 상기 각 층별 복합재료가 경화되면 상기 맨드럴을 복합재료로부터 분리시켜 제거하는 단계;Removing the mandrel from the composite material when the composite material for each layer is cured; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.Method for producing a hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that comprises a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료의 사용비율을 결정하는 단계와, 내경을 결정하는 단계를 더 포함하여 비틀림 강성을 확보하는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.The method of manufacturing a hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that to secure the torsional rigidity further comprising the step of determining the use ratio of the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material, and determining the inner diameter. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료는 프리프레그 성형법을 이용하여 맨드럴의 외부에 감기는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.The one-way fiber-reinforced composite material and fabric-type fiber-reinforced composite material is wound around the outside of the mandrel using a prepreg molding method of the hybrid steering column shaft for a vehicle. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 일방향 섬유강화 복합재료의 배향각도는 0°~ 15°인 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.Method for producing a hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that the orientation angle of the one-way fiber-reinforced composite material is 0 ° ~ 15 °. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 직물형 섬유강화 복합재료의 배향각도는 45°∼ 75°인 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.Method for producing a hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that the orientation angle of the fabric-type fiber-reinforced composite material is 45 ° to 75 °. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 각 층별 복합재료의 접합 및 경화공정은 동시경화 접합방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.The method of manufacturing a hybrid steering column shaft for automobiles, characterized in that the bonding and curing of the composite material for each layer is performed using a co-curing bonding method. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료가 경화된 후 제거하기 용이하도록 상기 맨드럴은 길이방향으로 경사지게 둘 이상으로 분리되는 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.Manufacturing of the hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that the mandrel is formed in a cylindrical shape that is separated into two or more inclined in the longitudinal direction so that the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material is easy to remove after curing. Way. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,The method according to claim 1 or 7, 상기 일방향 섬유강화 복합재료와 직물형 섬유강화 복합재료가 경화된 후 제거하기 용이하도록 상기 맨드럴의 외주면에 프리프레그를 감싸는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.And a prepreg wrapped around the outer circumferential surface of the mandrel for easy removal after the one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material are cured. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,The method according to claim 1 or 6, 상기 일방향 섬유강화 복합재료 및 직물형 섬유강화 복합재료는 6기압 이상, 80℃ 이상에서 3시간 이상 경화하는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.The one-way fiber-reinforced composite material and the fabric-type fiber-reinforced composite material is a method of manufacturing a hybrid steering column shaft for a vehicle, characterized in that hardening at least 6 atm, at least 80 ℃ 3 hours. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 내부 샤프트와 외부 샤프트의 경화 공정 중 흘러나와 외면에 날카로운 모서리를 형성시키는 레진을 최종 경화 및 접합 후에 사포 및 마무리 공구를 이용하여 다듬어 응력 집중을 감소시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 하이브리드 스티어링 칼럼 샤프트의 제조 방법.The hybrid steering column shaft for automobiles, characterized in that the resin flows out during the hardening process of the inner shaft and the outer shaft to form sharp edges on the outer surface, and is then trimmed using sandpaper and finishing tools after final curing and bonding. Manufacturing method.
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KR20120047713A (en) * 2010-11-04 2012-05-14 현대자동차주식회사 Propeller shaft for vehicle and manufacturing method thereof
KR20140123236A (en) * 2013-04-12 2014-10-22 코오롱인더스트리 주식회사 Impact beam for car door

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