KR20100099579A

KR20100099579A - 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물 및 이를 사용한 차량용 감속기어

Info

Publication number: KR20100099579A
Application number: KR1020090018136A
Authority: KR
Inventors: 김성수; 하동헌
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-13

Abstract

본 발명은 5 ~ 15㎛의 직경과 100 ~ 900㎛의 길이를 가진 침상 탄소섬유를 10 ~ 30 중량% 정도 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물과 이를 사용한 차량용 감속기어에 관한 것으로, 이에 의하면 온도 및 수분흡습에 대한 치수안정성과 마찰특성 등을 포함한 여러 기계적 물성이 우수하게 되면서 부품이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 된다.

Description

탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물 및 이를 사용한 차량용 감속기어 {CARBON FIBER REINFORCED POLYAMIDE RESIN COMPOSITION AND REDUCTION GEAR FOR VEHICLES USING THE SAME}

본 발명은 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물 및 이를 사용한 차량용 감속기어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 침상(針狀)의 탄소섬유를 보강함으로써, 기계적 물성 특히 내구성 및 마찰특성이 우수하여 상대 부품을 마모시키지 않으면서 부품이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 하는 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물 및 이를 사용한 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 감속기어와 같은 차량용 감속기어에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 장착되는 파워 스티어링(power steering) 장치 중에는 모터에 의해 조향력이 조절되는 전동식 파워 스티어링 장치가 있으며, 이것은 차속 센서 및 조향 토크 센서 등과 같은 각종 센서에서 감지된 차량의 운행 조건에 따라 전자 제어 장치에서 모터를 정밀하게 구동하고, 모터에서 발생한 토크가 감속기어를 거쳐 조향컬럼에 전달되어서 이 조향컬럼에 연결된 조향휠을 조작하는 운전자의 조향을 돕게 된다.

이에 따라, 저속 주행시에는 가볍고 편안한 조향 상태를 제공하고, 고속 주행시에는 무겁고 안정적인 조향 상태를 제공하며, 돌발적인 비상 상황에서는 이에 대처하여 급속한 조향 운전이 가능하도록 하는 등 운전자에게 최적의 조향 조건을 유지할 수 있도록 하는 조향 성능을 제공한다.

이러한 전동식 파워 스티어링 장치는 장착되는 위치에 따라 여러 가지 종류로 나눠질 수 있는데, 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치는 운전석의 조향휠과 차량 하부의 기어박스를 연결하는 조향축을 차체에 고정하기 위한 조향컬럼 부위에다 모터를 구비한 파워 스티어링 장치를 설치하여, 운전자가 조작하는 조향휠의 회전력이 파워 스티어링 장치에 의해서 기어박스에 전달될 수 있도록 하는 장치이다.

도 1은 통상 사용되는 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 구비된 웜감속기의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

이러한 웜감속기는 중간부에 웜(102)이 형성된 강(鋼)과 같은 금속 재질의 웜샤프트(104)가 구비되고, 웜샤프트(104)의 양단에는 웜베어링(106)이 각각 설치되어 웜샤프트(104)를 지지하며, 웜샤프트(104)와 모터축(108)이 연결되어 모터(110)의 구동에 의해 웜샤프트(104)가 회전하는 구조로 되어 있다.

웜샤프트(104)의 중간부에 형성된 웜(102)과 이물림될 수 있도록 웜(102)의 외경 일측에는 예컨대 플라스틱 재질로 된 웜휠(114)이 구비되며, 웜휠(114)은 운전자가 조작하는 조향휠(미도시)의 회전력을 전달하는 조향축(112)에 장착되어, 모터(110)의 구동에 의한 웜샤프트(104)의 회전력이 조향축(112)에 전달되게 된다. 웜기어 방식으로 이물림되는 이들 웜휠(114)과 웜샤프트(104)는 외부로부터의 보호 를 위해 하우징(116)의 내부에 장착되어 있다.

차량의 운행 조건에 따라 차량에 구비된 전자 제어 장치(미도시)가 모터(110)의 구동을 제어하고 모터(110)의 구동에 의한 웜샤프트(104)의 회전력이 운전자가 조작하는 조향휠의 회전력에 부가되어 조향축(112)에 전달됨으로써 운전자의 조향 운전 상태를 부드럽고 안정적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기와 같은 웜감속기는 모터의 회전수를 감속하여 조향축에 전달하는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 플라스틱 재질로 된 기어와 금속 재질로 된 기어가 쌍으로 구성될 수 있다.

상기 플라스틱 재질로는, 내피로성과 치수안정성 또는 제조 비용을 고려하여, 보강재를 함유하지 않은 MC(Monomer Casting) 나일론이나, 유리섬유와 같은 섬유 보강재를 배합한 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 등이 사용되고 있다. 통상, 시중에서는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 등에다 10㎛ 또는 13㎛ 정도의 직경을 가진 침상의 유리섬유가 함유되어 있는 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물을 구입할 수 있다.

그러나, 전술한 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물은 수분흡습으로 인한 치수안정성이 떨어지고 고온에서는 치수변형량이 크게 되어서, 고온다습한 지역(예컨대 중동, 아프리카 등)에서는 기어치의 변형 또는 팽창에 의한 회전토크가 증가되어 웜감속기는 물론 전동식 파워 스티어링 장치 전체의 성능이 저하되는 큰 문제점이 있었다.

또한, 기어치의 마모에 의한 백래쉬(backlash)의 증가로 인하여 진동 및 래 틀 노이즈(rattle noise)가 일어나게 되며, 특히 오프로드(off-road) 상에서는 이러한 진동 및 래틀 노이즈가 차량의 실내에까지 전달되어 운전자에게 불쾌감을 야기시키는 문제점도 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 온도 및 수분흡습에 대한 치수안정성과 마찰특성 등을 포함한 여러 기계적 물성이 우수하면서 부품이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 하는 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 이러한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물을 사용한 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 감속기어와 같은 차량용 감속기어를 제공하는 것이 목적이다.

이들 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물에 있어서, 상기 탄소섬유는 5 ~ 15㎛의 직경과 100 ~ 900㎛의 길이를 가진 침상 탄소섬유이고, 이 침상 탄소섬유가 10 ~ 30 중량%로 보강되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 플라스틱 재질로 된 수지부를 포함한 차량용 감속기어에 있어서, 상기 수지부는 폴리아미드 수지를 베이스로 하고서 5 ~ 15㎛의 직경과 100 ~ 900㎛의 길이를 가진 침상 탄소섬유가 보강된 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 이루어지고, 상기 침상 탄소섬유는 10 ~ 30 중량%로 보강되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 부품이 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되며, 특히 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 웜감속기에 적용되는 경우에 별도의 유격보상장치가 필요 없게 되어 전체 장치의 제조비용 및 공급가격을 떨어뜨릴 수 있게 됨과 더불어, 파워 스티어링의 성능 과 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 도시되고 전술한 바와 같이, 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 장착되는 웜감속기는, 중간부에 웜(102)이 형성된 강(鋼)과 같은 금속 재질의 웜샤프트(104)가 구비되고, 이 웜샤프트(104)의 중간부에 형성된 웜(102)과 이물림될 수 있도록 웜(102)의 외경 일측에는 예컨대 플라스틱 재질로 된 웜휠(114)이 구비된다. 이러한 웜휠(114)은 금속 재질로 된 보스의 원주면에다, 외주면에 기어치가 형성된 수지부가 일체로 구성되어 있는데, 이 수지부는 폴리아미드 수지를 베이스(base)로 하고서 탄소섬유를 강화제로 첨가한 조성물로 형성되게 된다.

특히, 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물은, 5 ~ 15㎛의 직경과 100 ~ 900㎛의 길이를 가진 침상 탄소섬유를 10 ~ 30 중량%만큼 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 이루어진다. 도 2의 사진에는 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물에 사용되는 침상 탄소섬유의 한 예가 나타나 있다. 여기서, 상기 폴리아미드 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 중 하나가 사용될 수 있다.

아래의 표 1은, 본 발명의 한 실시예에 따라 폴리아미드 66을 베이스로 하고서 200 ~ 300㎛의 길이 및 10 ~ 15㎛의 직경을 가진 침상 탄소섬유를 20 중량%로 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물과, 종래기술에 따라 폴리아미드 66을 베이스로 하고서 250 ~ 300㎛의 길이 및 25 ~ 30㎛의 직경을 가진 침상 유리섬유를 25 중량%로 보강한 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물 각각의 물성을 평가하며 비교하여 나타내고 있다.

구분	PA 66+CF 20%(침상 탄소섬유)	PA 66+GF 25%(침상 유리섬유)
경도(HRM)	100	97
비중	1.221	1.335
인장강도(kgf/cm²)	1886	1745
신율(%)	3.2	3.7
굴곡강도(kgf/cm²)	2628	2413
녹는점(℃)	260.5	259.3
열팽창계수(X10^-4/℃)	5.8	4.7
모듈러스(25℃,X10⁸)	7.1	6.0

그 결과, 본 발명의 침상 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물이 종래의 침상 유리섬유를 보강한 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물에 비해, 경도와 인장강도, 굴곡강도, 모듈러스 등에서 우수하다는 것을 알 수 있다.

이러한 침상 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠은, 종래에 비해 강도 면에서 월등히 개선됨으로써 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜과 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 된다.

또한, 도 3은 본 발명에 따라 침상 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠과, 종래기술에 따라 침상 유리섬유를 보강한 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠 각각의 내구횟수별 백래쉬량을 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 웜감속기에 적용되는 경우에 본 발명의 침상 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠의 기어치는 종래의 침상 유리섬유를 보강한 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠의 기어치에 비하여, 수지 팽창에 따른 회전토크의 증가가 거의 없어 백래쉬가 현저히 감소되게 되고 이에 따라 진동 및 래틀 노이즈가 대폭 줄어들게 되어서, 파워 스티어링의 성능과 내구성을 크게 향상시키게 됨은 물론, 별도의 유격보상장치가 필요 없게 되어 장치 전체의 제조비용 및 공급가격을 떨어뜨릴 수 있게 됨으로써 장치 전체의 신뢰성 및 상품성을 향상시키는 효과가 있게 되는 것이다.

한편, 상기 침상 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠의 수지부는, 상기 침상 탄소섬유의 일부, 예컨대 약 10% 정도가 침상 유리섬유로 치환된 폴리아미드 수지 조성물로 구성될 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서는 주로 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 장착되는 웜감속기의 웜휠에 본 발명이 적용된 실시예에 대해 기술하였지만, 이에 한정되지 않고 평기어나 헬리컬기어, 베벨기어 또는 하이포이드기어 등과 같이 다양한 형태의 감속기어에도 적용될 수 있음은 물론이다.

따라서, 본 명세서에 개시된 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물에 사용되는 침상 탄소섬유의 한 예를 나타낸 사진이다.

도 3은 본 발명에 따라 침상 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠과, 종래기술에 따라 침상 유리섬유를 보강한 유리섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 구성된 웜휠 각각의 내구횟수별 백래쉬량을 나타낸 그래프이다.

Claims

탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물에 있어서,

상기 탄소섬유는 5 ~ 15㎛의 직경과 100 ~ 900㎛의 길이를 가진 침상 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기 침상 탄소섬유는 10 ~ 30 중량%로 보강되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리아미드 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 중 하나인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물.
플라스틱 재질로 된 수지부를 포함한 차량용 감속기어에 있어서,

상기 수지부는 폴리아미드 수지를 베이스로 하고서 5 ~ 15㎛의 직경과 100 ~ 900㎛의 길이를 가진 침상 탄소섬유가 보강된 탄소섬유 강화 폴리아미드 수지 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 감속기어.
제4항에 있어서, 상기 침상 탄소섬유는 10 ~ 30 중량%로 보강되는 것을 특징으로 하는 차량용 감속기어.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 폴리아미드 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 중 하나인 것을 특징으로 하는 차량용 감속기어.
제4항에 있어서, 상기 침상 탄소섬유의 일부는 침상 유리섬유로 치환될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 감속기어.