KR20110073518A - 벽 두께가 길이 방향으로 가변하는 비틀림-축 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크로스-빔 부재와 두 개의 트레일링 암을 포함하는 비틀림-축에 관한 것이고, 각각의 트레일링 암은 크로스-빔 부재의 두 개의 이음영역 중 하나에서 크로스-빔 부재와 견고하게 결합되거나 상기 두 개의 이음영역 중 하나에 통합되어 연장한다. 상기 크로스-빔 부재는 관형 블랭크로부터 성형되고 비틀림 탄성을 가지는 중심영역과 비틀림 강성을 가지는 두 개의 이음영역을 가진다. 크로스-빔 부재는 비틀림 탄성을 가지는 중심영역에서 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 크로스-빔 부재의 길이를 따라서 길이방향으로 가변하는 벽 두께를 가진다.

Description

벽 두께가 길이 방향으로 가변하는 비틀림-축{TWIST- AXLE WITH LONGITUDINALLY-VARYING WALL THICKNESS}
본 발명은 개괄적으로 서스펜션(suspension)과 섀시(chassis) 구조에 사용되는 관부품(tubular component)에 대한 것이며, 본 발명은 특히 차량의 관 모양의 비틀림 축에 적용된다.
차량에서, 비틀림-축 또는 비틀림-빔은 종종 리어 서스펜션 구조(rear suspension structure)로 사용된다. 비틀림-축은 로드 휠과 차량의 프레임을 연결하는 두 개의 트레일링 암(trailing arm) 및 상기 트레일링 암을 연결하여 통합체를 형성하는 크로스-빔 부재(cross-beam member)를 포함한다. 각각의 트레일링 암은 차량의 프레임에 피봇(pivot)할 수 있도록 연결된다. 휠이 평평하지 않은 면에 접하거나 차량이 회전하는 경우와 같이, 상기 로드휠들이 상기 차량의 프레임에 대하여 상이하게 이동하는 경우, 상기 상이한 이동은 상기 트레일링 암들의 피봇 정도를 다르게 함으로써, 상기 크로스-빔 부재에 비틀림(twist)를 야기한다. 크로스-빔 부재의 내재적인 토션 강성 또는 저항은 상이하게 이동한 휠에 대하여 복원력을 제공한다.
승차감과 차량의 조정성 (즉 핸들링)을 위하여 비틀림-축은 일반적으로 비틀림 강성을 위한 준수 요건을 충족할 필요가 있다. 비틀림 강성을 준수한다는 것은, 비틀림-축이 특정 범위 내의 비틀림 강성을 가진다는 것을 의미한다. 한편, 비틀림-축은 부하 지지 부품이다. 또한, 비틀림-축은 선형 부하 예를 들어 차량의 정하중 및 차량의 움직임에 따라 발생하는 동하중을 지지하기 위하여 충분한 강도를 가지도록 설계되어야 한다.
비틀림 또는 롤 강성과 부하 지지 요구 모두를 만족시키는 비틀림-축을 위한 많은 제안들이 있었다. 예를 들어, 비틀림-축을 별개의 토션 바와 통합하는 제안이 있었다. 본 설계에서 상기 토션 바는 요구되는 토션 강성 또는 저항을 제공한다. 일부 설계, 예를 들어, 국제 공보 제WO 2006/096980호에서는 크로스-빔 부재에 용접된 토션 부재가 상기 토션 바 대신에 요구되는 토션 저항을 제공한다. 별도의 부품들이 별개의 설계 요건을 충족시킨다. 그러나 이러한 제안은, 추가적인 제조 및 재료 비용을 요구한다. 또한 미국 특허 6,616,157호 및 미국 특허 6,487,886호에 개시된 바와 같이, 관형 블랭크(tubular blank)로 크로스-빔을 제조하는 방법도 제안되었다. 이러한 크로스-빔은 전체적으로 토션 강성 요구를 달성하기 위하여 높은 토션 강성을 가지는 두 개의 전이부(transition section) 사이에 낮은 토션 강성을 가지는 중앙부를 구비한다. 상기 중앙부는 낮은 토션 강도를 가지도록 U 형상, V 형상 또는 별 형상이고, 단면 형상이 이중 벽을 가진다. 그러나, 이러한 크로스-빔 부재에 비틀림력이 가해지면, 상기 중앙부와 단부 사이에 위치하는 전이부에 응력이 집중되는 경향이 있다. 미국 특허 제6,758,921호에 개시된 바와 같이, 크랙(crack)을 방지하기 위하여 상기 전이부가 요구되는 물리적 속성을 가지도록 상기 전이부를 선택적으로 열처리하는 제안이 있었다. 그러나 이러한 접근은, 추가적인 제조 단계를 야기하고 또한 추가적인 열 처리 장비를 요구한다.
본 발명의 목적은 상기 언급한 적어도 하나의 단점을 완화하거나 제거하는 것이다.
본 발명은 비틀림-축(twist-axle)에서 사용되는 크로스-빔 부재 및 상기 크로스-빔 부재의 제조 방법에 적용된다. 본 발명의 전반적인 양상은 가변하는 벽 두께를 가지는 크로스-빔과 관련되고, 벽 두께는 요구되는 국부 응력 요건(local stress requirement) 및 전체 비틀림 강성 요건(overall torsional stiffness requirement)을 충적하기 위하여 크로스-빔 부재의 길이방향을 따라서 변한다.
일 실시예에서, 크로스-빔 부재(cross-beam member)는 두 개의 이음영역 및 상기 두 개의 이음영역 사이에 중앙 중심부를 포함한다. 상기 중심부는 비틀림 탄성을 가지고 상기 이음영역은 비틀림 강성을 가진다. 상기 이음영역에서 트레일링 암(trailing arm)이 상기 크로스-빔 부재에 견고하게 고정되거나 연결된다. 상기 관형(tubular) 크로스-빔 부재는 비틀림 탄성을 가지는 중심영역에서 비틀림 강성을 가지는 이음영역으로 길이방향을 따라 가변하는 벽 두께를 가진다. 본 발명의 일 특징은 이음영역의 적어도 일부의 벽 두께가 중심부보다 두꺼운 것이다. 본 발명의 다른 특징은, 벽 두께가 비틀림 탄성을 가지는 중심영역에서 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 상기 크로스-빔 부재를 따라서 점진적으로 변하는 것이다.
다른 실시예에서, 크로스-빔 부재가 가변하는 벽 두께를 가지고, 크로스-빔 부재가 포함된 비틀림-축이 제공된다. 상기 크로스-빔 부재는 일체형 부품이고 관형 블랭크로부터 성형된다. 상기 크로스-빔 부재는 비틀림 탄성을 가지는 중심 부분과 두 개의 비틀림 강성을 가지는 이음 영역을 포함한다. 상기 크로스-빔 부재의 벽 두께는 상기 비틀림 탄성을 가지는 중심영역에서 상기 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 크로스-빔 부재의 길이를 따라서 길이방향으로 변한다. 본 실시예의 특징은 크로스-빔 부재가 실질적으로 U-형상을 가지고 각각 통합 형성된 두 개의 트레일링 암을 포함하고, 상기 트레일링 암은 상기 일 이음영역에서 중심부에 의하여 정의되는 방향을 가로지르는 방향으로 연장하는 것이다. 각각의 트레일링 암의 종부는 상기 종부에 휠이 결합되도록 형성된다. 본 발명의 다른 특징은 비틀림-축이 크로스-빔 부재의 대향하는 단부에 견고하게 고정되는 두 개의 트레일링 암을 포함하는 것이다. 트레일링 암의 일 단부는 차량의 프레임에 연결되도록 형성되고 트레일링 암의 다른 단부는 휠이 연결되도록 형성된다.
다른 양상과 관련하여, 본 발명은 다양한 조합과 상기 개시된 양상의 서브셋을 제공한다.
본 발명은 상기 언급한 적어도 하나의 단점을 완화하거나 제거하는 비틀림-축을 제공한다.
본 발명의 전술한 또는 다른 양상을 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다. 이는 설명을 위한 것이므로 도면에 의하여 제한되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림-빔 부재를 포함하는 비틀림-축의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 비틀림-축에 사용되는 크로스-빔 부재의 사시도를 도시한다.
도 3은 도 2의 라인 3-3에 따른 크로스-빔 부재의 단면도를 도시한다.
도 4는 도 2의 라인 4-4에 따른 크로스-빔 부재의 단면도를 도시한다.
도 5는 도 2의 라인 5-5에 따른 크로스-빔 부재의 단면도를 도시한다.
도 6은 도 2의 라인 6-6에 따른 크로스-빔 부재의 단면도를 도시한다.
도 7A는 도 2에 도시된 크로스-빔 부재를 제조하기 위한 관형 블랭크의 길이방향 도면도를 도시한다.
도 7B는 도 7A에 도시된 관형 블랭크를 형성하기 위한 동일한 두께의 벽을 가지는 초기 관형 블랭크를 도시한다.
도 7C는 도 7A에 도시된 관형 블랭크로부터 형성된 부분적으로 평평한 관형 블랭크를 도시한다.
도 8A는 벽 두께의 길이방향 형상의 일 예를 도시한다(절반이 도시된 것이며, 나머지 절반은 도시된 이미지에 대칭된다).
도 8B는 도 2에 도시된 크로스-빔 부재가 세 개의 설계영역으로 구분된 전이부를 가질 때, 길이방향 벽 두께의 다른 예를 도시한다(절반이 도시된 것이며, 나머지 절반은 도시된 이미지에 대칭된다).
도 8C는 도 2에 도시된 크로스-빔 부재가 경사진 벽 두께를 가지는 전이부를 가질 때, 길이방향 벽 두께의 또 다른 예를 도시한다(절반이 도시된 것이며, 나머지 절반은 도시된 이미지에 대칭된다).
도 8D는 크로스-빔 부재 전체의 절반에 걸쳐서 벽 두께가 경사지는 경우의 길이방향 형상의 또 다른 예를 도시한다(절반이 도시된 것이며, 나머지 절반은 도시된 이미지에 대칭된다).
도 9A는 도 2에 도시된 크로스-빔 부재의 다른 실시예의 평면도를 도시한다.
도 9B는 도 9A에 도시된 크로스-빔 부재의 길이방향 벽 두께 형상을 도시한다.
도 9C는 도 9A에 도시된 크로스-빔 부재를 생산하는 공정 단계를 도시한다.
이하의 설명과 그 실시예들은 본 발명의 사상에 대한 특정 실시예 또는 특정 실시예들로서 제공된다. 이러한 실시예들은 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 동일한 구성은 명세서 및 도면 전반에 걸쳐서 각각 동일한 도면 부호로 표시된다.
도 1은 서스펜션 구조 특히 리어 서스펜션 구조에 적용되는 비틀림-축(100)을 도시한다. 상기 비틀림-축(100)은 크로스-빔 부재(102)를 포함한다. 상기 크로스-빔 부재는 실질적으로 가늘고 긴 형상이며, 마주보는 두 개의 끝단(104)를 포함한다. 상기 비틀림-축(100)은 통상 두 개의 측면 트레일링 암(106)을 포함한다.
각각의 트레일링 암(106)은 도 1에 도시된 제1 끝단(108) 및 제2 끝단(1100)을 포함한다. 상기 제1 끝단(108)는 차량의 프레임(미도시)에 예를 들어, 이음부품(112)을 통하여 피봇식으로 연결된다. 각각의 상기 트레일링 암(106)은 로드 휠(road wheel)(미도시)을 지지하기 위하여 상기 제2 끝단(110)에 근접하여 고정되는 휠 마운트(114)를 포함한다. 서스펜션 구성 또는 다른 기구를 지지하기 위한 스프링시트(spring seat)(116) 또는 다른 지지 구조도 상기 트레일링 암(116) 및/또는 상기 크로스-빔 부재(102)에 고정될 수 있다. 각각의 상기 트레일링 암(106)은 용접, 볼팅(bolting), 또는 다른 적절한 수단을 통하여 상기 크로스-빔 부재(102)에 움직이지 않게 고정된다. 상기 트레일링 암을 상기 크로스-빔 부재(102)에 연결하는 영역을 이음영역(118)이라 하고, 이 경우에 이음영역(118)은 상기 크로스-빔 부재(102)의 끝단(104)에 위치한다.
차량이 평평하지 않은 도로 면을 이동하면, 차량의 휠이 도로 면을 따라서 상하로 움직이게 된다. 차량의 다른 측면에 위치한 휠들의 상하 이동 정도가 상이하게 되면, 휠들의 동일하지 않은 수직 방향 이동에 의하여 상기 두 개의 트레임링 암(106)이 서로 다른 각도로 피봇(pivot)하게 된다. 상기 크로스-빔 부재(102)의 각각의 끝단(104)이 상기 트레일링 암(106)에 고정되어 있기 때문에, 상기 크로스-빔 부재(102)의 마주보는 양 끝단에서 상기 트레일링 암(106)이 서로 다른 정도로 피봇하게 되면 상기 마주보는 끝단을 서로 다른 정도로 회전시키게 되므로 상기 크로스-빔 부재(102)가 비를리게 된다. 상기 비틀림에 대해서 상기 크로스-빔 부재는 내재하는 토션 강성에 따라서 복원력을 제공한다. 유사하게 차량이 회전하면, 상기 차량의 스프링 중량의 중심에 작용하는 원심력은 차량의 무게를 일 측면에서 다른 측면으로 이동시키게 되고 따라서 상기 크로스-빔 부재의 토션 저항에 의하여 트레일링 암들의 동일하지 않은 회전을 야기한다. 상기 크로스-빔 부재가 충분히 비틈림에 대하여 강하면서 우수한 승차감과 도로와 타이어의 우수한 접촉을 위하여 비틈림에 대하여 너무 강하지 않아야 우수한 조정성(good controllability)을 제공할 수 있다.
도 2 내지 도 6은 크로스-빔 부재(102)의 예를 독립적으로 도시하고, 상기 크로스-빔 부재(102)의 몇 개의 선택된 지점에서의 횡단면을 도시한다. 언급한 바와 같이, 상기 크로스-빔 부재(102)는 실질적으로 가늘고 긴 형성이며 길이방향을 정의하는 두 개의 마주보는 끝단(104)을 포함한다. 상기 크로스-빔 부재(102)는 중앙부 예를 들어, 중심부(202) 및 두 개의 단부영역을 포함한다. 각각의 단부영역은 상기 마주보는 끝단(104)의 일 단에 형성되는 단부(204)와 상기 단부(204)와 상기 중심부(202) 사이에 형성되는 전이부(206)를 포함한다. 상기 중심부(202)는 비틀림에 대하여 탄력적이며 요구되는 토션 저항을 제공한다. 본 실시예에서의 상기 단부(204)는 상기 이음영역(118)이고 비틈림에 대하여 강하다(stiff). 상기 전이부(206)는 토션에 대하여 탄력적인 중심부로부터 토션에 대하여 강한 단부로의 전이를 제공한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 상기 크로스-빔 부재(112)는 바람직하게는 관형 블랭크로부터 형성되며, 상기 중심부(202), 상기 전이부(206) 및 상기 단부(204)는 일체로 구성된다. 상기 단부(204)은 바람직하게는 트레일링 암(106)의 측면에 고정된다.
상기 크로스-빔 부재(102)의 횡단면 즉, 길이 방향을 가로지르는 단면의 형상은 상기 크로스-빔 부재의 길이에 따라서 변한다. 상기 중심부(202)의 횡단면은 실질적으로 개방된 프로파일(profile) 즉, 적어도 두 개의 다리를 가지고, 다리는 조인되어 있거나 적어도 하나의 단부가 연결되어 있으며, 다리는 개구된 프로파일을 형성하기 위하여 다른 단부가 서로 이격하도록 길이방향에 대하여 횡으로 연장한다. 실질적으로 개구된 형상의 몇 예들은 일반적으로 U-형상, C-형상, X-형상, 또는 대체적으로 별-모양의 형상을 포함한다. 이러한 실질적으로 개구된 프로파일은 상기 크로스-빔 부재에 가해진 토크에 의하여 발생하는 길이방향으로의 다리에 대한 비틀림 및 굽힘은 상기 토크가 제거되었을 때, 다리가 탄성적으로 형상을 변형하고 이어서 스프링 복원할 수 있도록 함으로써, 상기 중심부(202)에 탄성을 제공한다. 예를 들어, 실질적으로 횡방향으로 개구된 프로파일을 가지는 중심부의 길이, 단면의 모양 또는 크로스-빔 부재의 중심부에서의 벽 두께를 조절함으로써 이러한 중심부의 비틀림 탄성 또는 강성을 조절할 수 있다. 비틀림에 대하여 탄성을 가지는 중심부를 제공하는데 적합한 어떤 횡단면 프로파일도 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 상기 크로스-빔 부재의 단면 프로파일(210)은 실질적으로 U-모양을 가진다. 상기 U-형상의 횡 단면 프로파일(210)은 두 개의 다리(212)와 상기 다리들을 이어주는 중심 연결부(214)를 포함한다. 중심부(202)에서의 횡 단면 프로파일은 평평한 고리 형상을 가진다. 이러한 프로파일은 관형 블랭크의 일 영역을 평평하고 평평한 영역을 U-형상으로 성형함으로써 획득될 수 있다. 이는 두 개의 단계로 이루어지는 공정 즉, 평평하게 하는 단계와 형상을 만드는 단계로 이루어질 수 있고, 결합된 하나의 단계로 이루어지는 성형 공정일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 단부(204)는 원형, 타원 또는 다른 비원형 형상을 가지는 종단면을 가진다. 이러한 형상은 상기 단부를 측면 트레일링 암에 고정하는데 적합하다. 이러한 횡단면은 언급한 바와 같이, 이음영역인 단부에도 비틀림 강성을 제공한다. 상기 전이부(206)의 횡단면 형상은 중심부(202)의 형상에서 단부(204)의 형상으로 변한다. 도 5는 일 예를 도시한다. 바람직하게 이러한 변화는 연속적이고 점진적이다. 상기 크로스-빔 부재가 대향하는 끝단(104)에 작용되는 대향하는 비틀림력에 의하여 비틀리게 되면, 전이부는 비틀림력을 중심부로 전달한다. 부드러운 전이는, 중심부가 단부에서 발생하여 전이부를 통하여 전달되는 비틀림력에 의하여 비틀리는 경우에, 전이부에서의 응력 집중을 피하는데 도움이 된다.
전이부의 단면 모양은 중심부의 단면 모양 예를 들어, U-모양 또는 V-모양에서 단부의 끝단 단면 모양 예를 들어 타원 모양으로 전이한다. 전이부가 부분적으로 길이방향을 가로질러서 내부로 가압되어 있기 때문에, 전이부의 모양 변화는 전이부에 어느 정도의 비틀림 탄성을 제공한다. 전이부는 전이부의 단면 모양의 변화 때문에 단부 근방보다 중심부 근방보다 더 비틀림에 대하여 탄력적이다. 전이부의 단면 모양 및 단면 모양의 길이방향으로의 변화는 예를 들어 중심부를 가압하고 성형하는 동안 단부를 움직이지 않게 고정하는 성형 공정에 의하여 결정되거나 전이 영역을 위하여 설계된 다이(die) 성형에 의하여 결정되고, 이는 비틀림 탄성도 및 전이 영역에서의 변화를 보다 정밀하게 제어할 수 있도록 한다. 후술할 것처럼 전이부의 벽 두께 및 벽 두께의 길이방향 변화도 비틀림 탄성도 및 비틀림 탄성도의 변화에 영향을 미친다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 크로스-빔 부재(102)는 도 2의 대표 길이방향 프로파일(222)에 도시된 바와 같이 바람직하게는 길이에 따라 가변하는 벽 두께(t)를 가진다. 크로스-빔 부재(102)의 예에서의 벽 두께는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 대체적으로 외주를 따라 균일하고, 도 2에 도시된 바와 같이 크로스-빔 부재를 따라서 길이방향으로 가변한다. 통상, 상기 길이방향 프로파일(222)은 실질적으로 대칭적이다. 즉, 크로스-빔 부재의 벽 두께는 크로스-빔 부재의 중심에서 어느 끝단으로 이동하더라도 동일하게 변한다. 그러나. 예를 들어, 비-대칭적인 모양 또는 부하 조건을 수용하여야 하는 경우에, 비-대칭 적인 길이방향 프로파일도 고려된다.
도 2는 벽 두께의 길이방향 변화 즉, 크로스-빔 부재(102)의 길이를 따라서 종방향으로 벽 두께가 변하는 것의 일 예를 도시한다. 도 2에 도시된 상기 중심부(202)는 가장 얇은 벽 즉, 두께가 가장 얇은 벽으로 이루어진다. 크로스-빔 부재의 벽 두께는 상기 전이부(206)에서 더 두꺼워진다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 벽 두께(t)는, 상기 전체 길이방향 프로파일(222)에 도시된 바와 같이, 일 구간에서 다음 구간으로 연속적으로 전이한다. 전이부에서의 횡 단면 프로파일의 연속적인 변이와 유사하게, 벽 두께가 다음 벽 두께로 연속적으로 변이하거나 일 구간에서의 벽 두께가 다음 구간의 벽 두께로 연속적으로 변이하는 것도 특히 비 연속적으로 변이하는 영역에서 국부적으로 응력이 집중하는 것을 방지하는데 도움이 된다.
전술한 바와 같이, 상기 크로스-빔 부재는 비틀림 강성도의 준수 요구를 충족하여야만 한다. 크로스-빔 부재는 또한 부하를 지지하는 구성요소이며 비틀림, 급힘, 전단 및 축방향 부하에 의하여 발생하는 응력 레벨(level)을 견딜 수 있도록 요구되는 강도를 가져야만 한다. 언급한 바와 같이, 전이부는 대향하는 끝단에 가해진 비틀림 힘을 중심부로 전달한다.
단면 모양의 변화는, 크로스-빔 부재가 비틀리게 되면, 전이부에 응력 집중을 유발할 수 있다. 내구력은 반복되는 비틀림에 의하여 야기되는 높은 응력에 의하여 전이부에 잠재적으로 발생하는 크랙에 영향을 받는 경향이 있으며 이는 고려되어야 하는 또 다른 문제이다. 고려될 수 있는 것처럼, 두꺼운 두께는 특정 구조의 응력을 줄일 수는 있지만 또한 비례적으로 강성도를 증가시킨다. 낮은 강성도와 최고 허용 응력 요구를 절충하도록 크로스-빔 부재에 동일한 벽 두께를 적용하는 대신에, 벽 두께 및 크로스-빔 부재의 길이를 따라서 가변하는 벽 두께가 “조정(tune)”된다. 다시 말해, 벽 두께 및 벽 두께의 종방향 변화는 설계 요건 예를 들어 전체 부하 지지 및 비틀림 강성 요건 그리고 예상되는 국부 응력 집중에 따라서 조절된다. 벽 두께의 변화는 국부 응력 집중을 견딜 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 벽 두께는 큰 응력 집중이 예상되는 영역에서 두껍고 큰 응력 집중이 예상되지 않는 영역에서는 얇다. 벽 두께는 영역이 요구되는 준수 요건을 위하여 더 얇아질 수 있다. 벽 두께의 변하는 국부 응력 집중을 최소화하도록 선택됨으로써 더 균등하게 국부 응력을 분산할 수 있다. 특히 극도의 부하 조건 하의 균등하게 분산된 국부 응력은 높은 응력 구간에서 낮은 응력 집중은 조기 고장을 방지하므로 구성 부품의 사용 기한을 연장하는데 도움이 된다.
후술되는 바와 같이, 크로스-빔 부재의 중심부, 전이부 및 단부 중 하나는 “조절”될 수 있고, 설계 요건 예를 들어, 국부 응력 분산, 전체 비틀림 강성 준수 등을 충족하면서 크로스-빔 부재의 길이를 따라서 질량 분산을 최적화하기 위하여 크로스-빔 부재의 중심부, 전이부 및 단부 중 하나는 조절된다. 예를 들어, 부하 지지 요건이 요구되는 경우에, 중심부는 전이부, 단부, 전이부 및 단부의 벽 두께보다 두꺼운 벽 두께로 이루어지거나 중심부는 다른 구간 중 하나와 거의 같은 벽 두께로 이루어질 수 있다. 유사하게, 다른 구간도 요건에 따라서 더 두껍거나 더 얇은 벽 두께로 이루어질 수 있다. 임의의 두 개의 구간 예를 들어, 단부 및 전이부는 또한 동일한 벽 두께를 가질 수 있다. 크로스-빔 부재를 중심부, 두 개의 전이부 및 두 개의 단부로 나누고, 각각의 구간이 대체적으로 동일한 벽 두께를 가지는 것으로 다루는 것은 단지 설명의 편의를 위한 것이다. 바람직하게는 또는 필요에 따라 상기 구간들 중 어느 구간은 구간내에서 가변하는 벽 두께를 가지는 서브구간으로 나누어질 수 있다.
일반적으로 크로스-빔 부재의 벽 두께는 요건에 따라서 길이방향으로 가변한다. 예를 들어, 각각의 구간 자체는 가변하는 벽 두께를 가질 수 있다. 각각의 구간 및 각각의 구간 내부의 벽 두께의 변화는 조절될 수 있다. 즉, 예상되는 국부 응력, 추가적인 요인 조건 예를 들어, 비틀림 강성도, 부하 지지 요건, 물질 선택, 크로스-빔 부재의 전체 크기와 각 구간의 길이, 내구성 요건에 따라서 조절될 수 있다. 도 2에 도시된 길이방향 프로파일은 일 실시예일 뿐이다. 크로스-빔 부재가 도 2에 도시된 모양에 제한되지 않고 다른 모양을 가지는 것도 고려될 수 있다. 크로스-빔 부재의 모양 변경은 국부 응력 분산 및 전체 비틀림 강성과 부하 지지 능력의 차이를 만들 수 있고, 이는 또한 벽 두께의 길이방향 변화의 차이를 만들 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 가변하는 벽 두께를 가지는 크로스-빔 부재는 이하에서 설명될 도 7에 도시된 바와 같이, 가변하는 내부 지름과 일정한 외부 지름을 가지는 관형 블랭크(700)로부터 성형될 수 있다. 가변하는 벽 두께를 가지는 상기 관형 블랭크(700) 자체는 어떤 적적한 기법 예를 들어, 전체 내용이 본 발명에 통합된 국제 출원 PCT/CA2002/00464에 개시된 기법에 의하여 성형될 수 있다. 간단하게, 균일한 외벽 두께 및 가변하는 벽 두께를 가지는 관형 블랭크(700)는 냉간 성형 공정을 통하여 왕복하는 맨드릴(mandrel) 및 다이 조립체를 사용하여 일정한 벽 두께를 가지는 초기 튜브(720)로부터 성형된다. 상기 다이는 상기 관형 블랭크(700)의 외부 지름에 대응하는 개구를 가지는 다이 공동(die cavity)을 포함한다. 상기 맨드릴은 상이한 지름 또는 경사진 구간을 포함한다. 상기 관형 블랭크를 냉간 성형하는 경우, 상기 맨드릴은 상기 튜브 내부에 위치하고, 상기 다이의 개구 내부로 또는 밖으로 선택적으로 이동하거나 상기 다이 개구부에 위치하는 상이한 지름을 가진 구간을 선택적으로 이동한다. 상기 다이 개구부는 초기 튜브의 초기 외부 지름보다 작은 크기를 가진다. 상기 초기 튜브(720)는 상기 다이 개구부로 인입된다(draw). 상기 초기 튜브가 상기 다이 개구부를 통하여 가압됨에 따라, 가공된 튜브의 외부 지름은 다이 개구부의 크기로 감소한다. 다이를 통과하는 튜브의 벽은 맨드릴과 다이 개구부에 의하여 원하는 위치에서 압축하게 되므로, 벽 두께가 상기 다이 개구부에 위치한 맨드릴과 다이 개구부 자체의 구간 사이의 갭(gap)에 의하여 정의되는 두께로 제한된다. 상기 맨드릴이 상기 다이 개구부로부터 제거되는 경우, 이러한 압축이 가해지지 않고 벽 두께는 상기 맨드릴에 의하여 영향을 받지 않는다. 상기 튜브가 상기 다이 개구부로 인입됨에 따라, 상기 다이 개구부 에서 상기 맨드릴이 상기 다이 개구부 안과 밖으로 선택적으로 이동하거나 상이한 지름을 가지는 맨드릴 구간이 선택적으로 위치함에 따라 가변하는 벽 두께를 가지는 관형 블랭크가 획득된다. 관형 블랭크가 원하는 길이 또는 설계된 길이에 이른 후에 상기 튜브는 잘려지거나 또는 초기 튜브로부터 제공되게 된다.
예를 들어, 초기 튜브(720)가 상기 다이 개구부로 처음 인입되면, 상기 다이 개구부에 위치한 맨드릴의 구간은 요구되는 벽 두께를 가지는 단부를 성형하기 위하여 맨드릴 지름과 다이 개구부의 지름 사이의 차이가 단부의 두께보다 두 배가 되도록 하는 지름을 가진다. 요구되는 단부의 길이가 성형된 후에는, 맨드릴의 다른 부분이 점진적으로 전이부를 형성하기 위하여 다이 개구부 내로 이동한다. 맨드릴의 다른 부분의 지름과 다이 개구부의 지름 사이의 차이는 전이부의 벽 두께의 두 배이다. 맨드릴의 위치 조정이 점진적이기 때문에, 야기되는 벽 두께 변화 즉, 단부의 벽 두께에서 전이부의 벽 두께로의 전이도 연속적이게 된다. 전이부의 요구되는 길이가 성형된 후에는 맨드릴의 또 다른 부분이 다이 개구부 내로 점진적으로 이동한다. 다이 개구부의 지름과 맨드릴의 또 다른 부분의 지름 사이의 차이는 중심부 벽 두께의 두배이다. 중심부가 성형된 후에는 맨드릴이 제2 전이부를 성형하기 위하여 다시 위치를 바꾸게 되고, 이후 제2 단부를 형성하기 위하여 또 다시 위치를 바꾸게 된다. 그리고 상기 튜브는 크로스-빔 부재의 벽 두께 에 상응하는 가변하는 벽 두께를 가지는 관형 블랭크를 획득하기 위하여 절단된다.
가변하는 벽 두께의 관형 블랭크가 균일한 벽 두께를 가지는 초기 관형 블랭크로부터 냉간 성형되게 되면, 냉간 성형 공정은 종종 변형된 영역에 응력을 야기함으로써 냉간 성형된 관형 블랭크가 이후 가공을 하기에 너무 단단하거나 깨어지게 쉽게 된다. 바람직하게는, 냉간 성형된 관형 블랭크의 응력은 관형 블랭크가 크로스-빔 부재로 더 성형되기 전에 완화되어야 한다.
후술되는 바와 같이, 도 7에 도시된 관형 블랭크(700)가 균일한 외부 지름을 가지지만, 이는 단지 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다. 특히, 고정된 다이 개구부를 가지는 다이 셋(die set)을 사용하여 관형 블랭크를 제조하는 방식의 편의성 때문이다. 다른 종류의 다이 셋 및 다른 가공 기법이 관형 블랭크(700)를 제조하기 위하여 채택될 수 있다. 그러므로 관형 블랭크는 내부 지름의 변화, 외부 지름의 변화 또는 내부 및 외부 지름의 변화의 조합에 의하여 가변하는 벽 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 7A에 도시된 관형 블랭크는 상기 관형 블랭크(700)의 길이에 따라 변하는 내부 튜브 지름(710) 및 균일한 외부 지름(712)를 가진다. 내부 및 외부 지름 사이의 거리가 벽 두께이다. 관형 블랭크의 길이를 따라서 차이가 변하기 때문에 상기 벽 두께도 따라서 변한다. 도 7A에 도시된 일 예처럼, 관형 블랭크의 벽 두께의 변화에 따른 관형 블랭크로부터 성형되는 크로스-빔 부재의 벽 두께 변화는 내부 지름은 가변하는 반면에 외부 지름은 대체로 일정하기 때문이다. 또한 관형 블랭크의 길이를 따라서 내부 튜브 지름(710)은 일정하고 상기 외부 지름(712)의 가변하는 것도 가능하다. 벽 두께의 변화는 이 경우에 외부 지름의 단독 변화 때문이다. 내부 및 외부 지름 모두가 관형 블랭크의 길이를 따라서 가변할 수 있고, 이는 관형 블랭크를 따라서 벽 두께의 변화에 기여하게 됨으로써, 크로스-빔 부재의 벽 두께가 변화하게 되는 것은 자명하다.
도 7A는 도 2에 도시된 크로스-빔 부재의 벽 두께에 상응하는 벽 두께(702)의 길이방향 프로파일을 가지는 관형 블랭크(702)의 일 예를 도시한다. 도 7A에 도시된 관형 블랭크는 상기 단부(204)에 상응하는 대향하는 두 개의 단부영역(706), 상기 단부영역(706) 사이에 형성된 두 개의 중간의 전이영역(708) 및 상기 전이영역(708) 사이에 형성된 중심영역(704)을 포함한다. 상기 전이영역(708)은 상기 전이부(206)에 상응하고, 상기 중심영역(704)는 상기 중심부(202)에 상응한다. 기타 이하에서 설명되는 성형 공정에 의하여 발생하는 벽 두께의 가능한 작은 변화 외에, 단부영역의 벽 두께는 필수적으로 크로스-빔 부재의 상기 단부(204)와 동일하고, 전이영역(708)의 벽 두께는 필수적으로 상기 전이부(206)의 벽 두께와 동일하고, 중심영역(704)의 벽 두께는 필수적으로 상기 크로스-빔 부재의 중심부의 벽 두께와 동일하다. 이러한 관형 블랭크(700)가 획득된 이후에, 상기 관형 블랭크는 크로스-빔 부재를 획득하기 위하여 예를 들어 압축 성형으로 가공된다.
크로스-빔 부재(102)를 성형하기 위하여, 상기 관형 블랭크(700)는 먼저 중간의 상당한 부분이 평탄화 되고, 다음 상기 중심영역(704)은 U-형상의 횡단면 프로파일로 변형될 수 있다. 상기 U-모양 프로파일로 상기 중심영역(704)를 성형하는 것은 예를 들어, 두 단계 공정으로 이루어질 수 있다. 두 단계 공정에서, 첫번째 단계는 도 7C에 도시된 바와 같이, 중심영역, 중심영역의 넓은 부분, 전이부에 이웃하는 중심영역 및 전이영역에 근접하는 부분을 평평하게 하는 것이다. 부분적으로 평평해진 관형 블랭크(730)의 평평해진 부분(732)은 이후 상기 U-모양 횡단면 프로파일을 형성하기 위하여 구부려진다. 물론, 이러한 두 단계, 즉 평탄화 및 굽힘은 또한 결합된 하나의 단계로 이루어진 공정으로 실행될 수 있다. 예를 들어, 관형 블랭크(700)는 길이방향으로 U-모양의 표면을 가지는 성형 다이에 위치할 수 있고, 이때, 상기 관형 블랭크(700)의 일정 부위는 상기 성형 다이의 U-모양의 표면에 부응하도록 동시에 평탄화되고 변형될 수 있다. 상기 중심영역(704)이 변형됨에 따라, 예를 들어, 성형 다이에 의하여 형상을 갖추고 가압되고 굽혀짐에 따라 중간, 전이영역(708)은 변형된 상기 중심부위(704)에 가해진 힘에 의하여 변형된다. 상기 크로스-빔 부재의 단면 프로파일은 바람직하게는 일 단부에서 전이부와 중심부를 거쳐서 다른 단부로 연속적으로 변화한다. 벽 두께의 길이방향 프로파일(222) 및 중심영역에서 대체적으로 U-모양에서 점진적으로 단부 근처에서 평평한 타원 모양으로 변이하는 단면 프로파일을 가지는 크로스-빔 부재(102)은 관형 블랭크로부터 성형될 수 있다.
언급한 바와 같이, 일반적으로 단부, 전이부 및 중심부 중 어느 구간도 동일한 벽 두께를 가질 필요가 없다. 단부, 전이부 및 중심부 중 어떤 구간도 설계 요건을 충족하기 위하여 상이한 벽 두께를 가질 수 있다. 도 8A는 전이부가 두 영역으로 구분된 크로스-빔 부재를 나타내는 길이방향 프로파일의 일 예를 도시하고, 상기 단부에 인접하는 영역은 두꺼운 벽 두께를 가지는 반면에 다른 영역의 벽 두께는 얇다. 도 8B는 다른 예를 도시하고, 본 예에 상기 전이부(206)는 새 개의 존(zoen) 즉, 존 1, 존 2, 존 3으로 구분되고, 존 1은 상기 단부(204)에 인접하고, 존 3은 상기 중심부(202)에 인접한다. 존 2는 존 1과 존 2 사이에 성형된다. 이러한 존 각각은 설계 요건에 따라 조절되는 벽 두께로 조절될 수 있고 이러한 존은 설계 존으로 언급된다. 일 예로서, 존 1에서의 벽 두께는 존 3의 벽 두께보다 두꺼운 존 2의 벽 두께보다 두꺼울 수 있고, 존 3의 벽 두께는 중심부의 벽 두께보다 대신에 두꺼울 수 있다. 다른 예로서, 존 3은 가장 얇은 벽 두께를 가지고 존 2는 가장 두꺼운 벽 두께를 가지고 중심부는 존 2와 존 3의 벽 두께의 사이의 벽 두께를 가질 수 있다. 물론 특정 설계 요건 및 특정 상이한 차량의 제약에 따라서, 각각의 구간 내에 상이한 설계 존의 수를 가지거나, 상기 설계 존 내에서 벽 두께를 상이하게 분배하거나, 중심부와 단부의 벽 두께에 대한 벽 두께 값의 분배 또한 가능하다. 도 8C는 벽 두께의 변화의 다른 예를 도시한다. 단부(204)의 벽 두께는 중심부(202)의 벽 두께보다 두껍다. 상기 단부(204) 및 상기 중심부(202) 사이의 상기 전이부(206)이 경사지는 벽 두께 즉, 상기 전이부에서의 벽 두께가 중심부 방향으로 연속적으로 감소하는 벽 두께를 가질 수 있다. 도 8D는 또 다른 예를 제공하며, 여기서는 벽 두께가 모든 세 개의 구간 즉, 단부(204), 전이부(206) 및 중심부(202)에서 중심으로 향할수록 연속적으로 감소한다.
도 9A는 비틀림-축(100 ')의 다른 실시예를 도시한다. 실질적으로 일직선인 크로스-빔 부재 대신에, 비틀림-축 100’은 대체적으로 U-모양의 크로스-빔 부재 102’를 포함한다. 상기 U-모양의 크로스-빔 부재 102’는 대체적으로 일직선인 중심부(202) 및 두 개의 전이부(206)를 포함하며, 두 개의 전이부(206)는 U자형 다리를 형성하는 두 개의 통합된 트레일링 암(120)을 구비한다. 각각의 통합된 트레일링 암(120)은 상기 U-모양의 크로스-빔 부재(102’)의 이음영역(118’)에서 연장한다. 각각의 통합된 트레일링 암(120)은 종부(terminal end)(122)를 포함하며, 휠이 상기 종부(122)에 연결될 수 있으며, 상기 종부(122)는 휠이 고정되는 휠 마운트(wheel mount)(114)를 포함한다. 상기 중심부(202), 상기 전이부(206), 상기 이음영역(118’) 및 상기 통합 형성된 트레일링 암(120)을 포함하는 상기 U-모양의 크로스-빔 부재(102’)는 단일체로 이루어지고, 이하에서 설명되는 바와 같이 하나의 관형 블랭크로부터 성형된다. 상기 중심부(202), 상기 전이부(206), 상기 이음영역(118’)의 대체적인 모양 및 횡방향 단면 프로파일은 비틀림-축(100)의 직선 크로스-빔 부재(102)의 대체적인 모양 및 횡방향 단면 프로파일과 실직적으로 동일하며, 상기 이음영역(118)에서의 굽힘이 상이하므로, 여기서는 상세하게 다루지 않는다.
상기 비틀림-축 100’은 또한 한 쌍의 사이드 암(124)을 포함하며, 상기 사이드 암(124)은 도 2에 도시된 비틀림-축(100)의 트레일링 암(06)의 전단부에 대응된다. 각각의 사이드 암(124)은 상기 크로스-빔 부재(102’)의 이음영역에 고정되는 일 단부를 포함한다. 고정은 예를 들어, 용접, 볼팅, 다른 적절한 수단으로 이루어질 수 있다. 도 9A에 도시된 일 예에서, 사이드 암(124)는 스프링 시트(116)에 용접되고, 상기 이음영역(118’)의 크로스-빔 부재(102’)에 용접된다. 각각의 상기 사이드 암(124)는 차량의 프레임에 예를 들어, 이음 피팅(112)을 통하여 연결되는 다른 단부를 포함한다. 상기 사이드 암(124)은 관형이거나 스탬프(stamp)될 수 있다. 상기 사이드 암(124)는 개방되거나 닫힌 단면 형상을 가질 수 있다.
상기 크로스-빔 부재(102’)는 길이를 따라서 가변하는 벽 두께를 포함한다. 벽 두께의 변화는 중심부에 비틀림 탄성을 제공하고, 이음영역에 비틀림 강성을 제공한다. 적어도, 통합적으로 형성된 트레일링 암(106)이 성형된 각각의 이음영역(18’)의 일 영역은 비틀림에 대하여 강하다. 벽 두께는 전체적으로 일 종부(122)에서 다른 종부(122)로 크로스-빔 부재를 따라서 부드럽게 변화한다.
도 9B는 크로스-빔 부재(102’)의 벽 두께의 길이방향 프로파일의 일 예를 도시한다(절반이 도시된 것이며, 나머지 절반은 도시된 이미지에 대칭된다). 벽 두께는 근사적으로 상기 통합된 트레일링 암(120)에서 근사적으로 2.7mm이고, 상기 이음영역(108’)에서 근사적으로 3.4mm로 두꺼워진다. 본 예에서는 상기 중심부(202)에서의 벽 두께는 근사적으로 1.7mm로 가장 얇다. 도 9B에 도시된 상기 크로스-빔 부재(102’)의 예에서는 또한 각각의 이음영역(118’) 및 상기 중심부(202) 사이에 형성되는 전이부(206)를 포함한다. 본 예에서 상기 전이부(206)는 이음영역의 벽 두께와 중심부의 벽 두께 사이의 벽 두께를 가지고, 근사적으로 2.3mm이다. 본 예에서의 상대적인 벽 두께 및 다른 영역에서의 벽 두께 값은 단지 설명의 위한 것일 뿐이고 특정 설계 요건 및 상이한 특정 차량의 제약에 따라서 달라질 수 있음은 자명하다.
크로스-빔 부재(102’)를 성형하기 위하여, 일반적으로 연속하는 단계가 요구된다. 도 9C는 크로스-빔 부재(102’)를 성형하기 위한 몇 선택적인 단계를 포함하는 공정 단계를 도시한다. 공정(900)은 가변하는 벽 두께를 가지는 관형 블랭크(700)의 가공으로 시작한다(단계 910). 가변하는 벽 두께의 관형 블랭크를 성형하는 세부 사항은 크로스-빔 부재(102)의 성형과 관련하여 제공되었고, 여기서는 반복하여 설명하지 않겠다. 상기 관형 블랭크(700)는 도 9B에 도시된 일 예와 같은 크로스-빔 부재(102’)의 벽 두께에 상응하는 벽 두께의 길이방향 프로파일을 가진다. 상기 관형 블랭크(700)는 현저한 변형이 예상되는 영역 예를 들어, 중심부에 대응하는 영역 및 크로스-빔 부재의 이음영역에 대응하는 영역의 응력을 완화한다(단계 912). 다음은 선택적인 단계로, 선-굽힘(pre-bend) 단계(914)에서는 응력이 완화된 관형 블랭크를 이음영역에서 굽어서 응력이 완화된 관형 블랭크 “U” 형상이 되도록 한다. 다음으로 실질적으로 일직선인 크로스-빔 부재(102)를 성형하는 앞서 설명된 방법으로 중심부가 실질적으로 횡 방향으로 개구된 프로파일을 형성하도록 가공하며(단계 916) 여기서는 중복 설명하지 않는다. 다음, 단계 918에서는 통합된 트레일링 암(120)이 형성된다. 본 단계에서 형성된 상기 통합된 트레일링 암(120)은 또한 필요에 따라 크기가 부여될 수 있다. 선택적으로 또한 마지막 단계로, 높은 강도가 요구되거나 선호되는 영역 예를 들어, 이음영역 또는 전이영역에 열처리 및 담금질을 할 수 있고(단계 920) 이러한 영역에 쇼트피닝(shot peening)이 더 수행될 수 있다(단계 922). 편리하게 또는 선호에 따라 열처리 및 담금질이 상기 전체 크로스-빔 부재(102’)에 수행될 수 있다. 또한, 부분 또는 전체 면의 쇼트피닝이 고려될 수 있다. 쇼트피닝은 또한 상기 관형 크로스-빔 부재(102’)의 내부면, 외부면 또는 내부면 또는 내부면과 외부면 모두에 적용될 수 있다.
언급한 바와 같이, 상기 설명 몇 단계는 선택적이다. 예를 들어, 특정 응용 또는 제품 요건에 따라서, 열처리 및 담금질(단계 920) 및 바로 이어지는 쇼트 피닝(단계 922)은 불필요할 수 있다. 또한, 후술되는 바와 같이, 몇 단계는 도시되고 설명된 순서를 반드시 따라야 하는 것은 아닐 수 있다. 예를 들어, 열처리 및 담금질(단계 920)과 이어지는 쇼트 피닝 단계 922는 또한 설계 요건에 따라서 선-굽힘 단계(단계 914) 이전에 다시 수행될 수 있다.
특정 부하 요건 및 비틀림 강성 요건을 위하여 벽 두께가 재료 선택에 영향을 받는다는 점이 고려되어야 한다. 크로스-빔 부재를 위하여 적절한 일 재료는 HSLA 강, 예를 들어, HSLA80F 강 (YS 80ksi, UTS 95ksi, 20% 균일연신율) 이다. HSLA 강은 크로스-빔 부재가 형성된 이후에 이어지는 담금질 및 탬퍼(temper) 조작 없이도 전형적인 응용에 부합하는 요구되는 높은 강도를 제공하기 때문에 일반적으로 선호된다. HSLA 강이 선호되기는 하지만 다른 재료도 사용될 수 있다. 예를 들어, 열처리를 피하는 것이 선호될 수 있지만, 무게를 감소시키고 특히 낮은 강성도를 만족시키기 위하여 높은 강도를 가지고 열처리가 필요한 다른 재료가 사용될 수 있다. 이러한 재료의 예가 붕소 강(boron steel)이다. 붕소 강은 현저히 높은 강도 때문에 HSLA 보다 부하 요건을 쉽게 충족할 수 있고 낮은 무게 또는 축이 낮은 강성을 가진다. 크로스-빔 부재는 붕소 강 예를 들어, Mn22B5 강으로 이루어질 수 있다. 그러나, 전이부의 열처리는 요구되는 항복점을 달성하도록 열처리된 영역을 경화하기 위하여 일반적으로 요구된다. 전이부는 중심부가 U-형상 단면 프로파일로 형성되기 전 또는 후에 열처리 될 수 있다. 열처리는 또한 임의의 특정 영역에 높은 강도가 요구되는 경우에 고려된다. 이러한 일 예는 U-형상 크로스-빔 부재를 성형에 대한 설명과 관련하여 앞서 제공되었다.
본 발명의 다양한 실시예가 지금까지 상세하게 설명되었다. 본 기술의 당업자는 본발명의 범위 내에서 다양한 변형, 치환, 변경을 할 수 있다. 상기 설명한 최적 모드(best mode)의 변경 및 그에 대한 추가는 본 발명의 본질, 사상 또는 범위로부터 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명은 상기 상세 내용뿐 만 아니라 첨부된 도면에 의하여 제한되지 않는다.
100: 비틀림-축 102: 크로스-빔 부재
106: 트레일링 암 202: 중심부
204: 단부 206: 전이부

Claims (30)

  1. 차량의 비틀림-축(twist-axle)에 사용되는 일체형으로 이루어진 관형 크로스-빔 부재(cross-beam member)에 있어서, 두 개의 트레일림 암(trailing arm)이 상기 비틀림-축에 제공되고, 상기 크로스-빔 부재는 일체화된 축을 형성하기 위하여 상기 트레일링 암 사이에서 연장하고, 상기 트레일링 암이 상기 크로스-빔 부재의 두 개의 이음영역에 연결되며,
    상기 크로스-빔 부재는 상기 두 개의 이음영역 사이에 형성된 중심부를 포함하며, 상기 중심부는 비틀림 탄성(elastic)을 가지고, 각각의 상기 이음영역은 상기 각각의 트레일링 암을 연결하는 상기 이음영역의 적어도 일부의 근(近 )부에서 비틀림 강성(stiff)을 가지고, 상기 크로스-빔 부재는 외주를 따라서 실질적으로 일정한 벽 두께를 가지고 종방향으로 상기 비틀림 탄성을 가지는 중심부에서 상기 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 갈수록 가변하는 벽 두께를 가지는
    크로스-빔 부재.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 크로스-빔 부재의 상기 벽 두께는 상기 비틀림 탄성을 가지는 구간(section)에서 상기 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 연속적으로 변하는
    크로스-빔 부재.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 이음영역의 적어도 일부의 상기 벽 두께는 상기 중심부의 벽 두께보다 두꺼운
    크로스-빔 부재.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 이음영역의 적어도 일부의 상기 벽 두께는 상기 중심부의 벽 두께보다 얇은
    크로스-빔 부재.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 중심부는 비름림 탄성을 가지기 위하여 횡방향으로 실질적으로 개구된 프로파일(profile)을 가지는
    크로스-빔 부재.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 크로스-빔 부재는 두 개의 대향하는 끝단(end)을 포함하고, 각각의 상기 이음영역이 상기 끝단 중 하나에 형성되고, 각각의 상기 이음영역은 각각의 상기 크로스-빔 부재의 상기 대향하는 끝단에 형성된 단부(end section) 및 상기 단부와 상기 중심부 사이에 형성된 전이부(transition section)를 포함하고, 상기 단부는 비틀림 강성을 가지는
    크로스-빔 부재.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 크로스-빔 부재는 횡방향 단면 프로파일을 포함하고, 상기 횡방향 단면 프로파일은 실질적으로 상기 중심부에서 U-형상 또는 V 형상을 가지며 상기 실질적인 U-형상 또는 V-형상으로부터 상기 단부의 종단면으로 상기 전이부에서 연속적으로 변이하는
    크로스-빔 부재.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 벽 두께는 상기 중심부, 상기 전이부 및 상기 단부 중 적어도 하나에서 변하는
    크로스-빔 부재.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 벽 두께는 상기 전이부에서 상기 중심부보다 두꺼운
    크로스-빔 부재.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 벽 두께는 상기 전이부에서 상기 중심부보다 얇은
    크로스-빔 부재.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 벽 두께는 상기 전이부에서 상기 단부보다 두꺼운
    크로스-빔 부재.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 벽 두께는 상기 전이부에서 상기 단부보다 얇은
    크로스-빔 부재.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 크로스-빔 부재는 실질적으로 U-형상을 가지고 각각 통합 형성된 상기 두 개의 트레일링 암을 포함하며, 상기 트레일링 암은 상기 일 이음영역에서 상기 이음영역들에 의하여 정의되는 길이방향을 가로지르는 방향으로 연장하는
    크로스-빔 부재.
  14. 제13 항에 있어서,
    각각의 상기 통합된 트레일링 암은 종부를 포함하고, 상기 종부는 상기 종부에 휠(wheel)이 연결되도록 형성된
    크로스-빔 부재.
  15. 차량의 비틀림-축에 사용되는 일체형으로 이루어진 관형 크로스-빔 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 크로스-빔 부재는 길이방향으로 형성된 두 개의 이음영역 및 상기 이음영역 사이에 형성된 중심부를 포함하고, 상기 중심부는 비틀림 탄성을 가지고 횡방향으로 실질적으로 개구된 프로파일을 가지고, 상기 이음영역은 상기 이음영역의 적어도 일부에 비틈림 강성을 가지고, 상기 크로스-빔 부재는 외주를 따라서 실질적으로 일정한 벽 두께를 가지고 종방향으로 상기 비틀림 탄성을 가지는 중심부에서 상기 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 갈수록 가변하는 벽 두께를 가지는 상기 크로스-빔 부재의 제조 방법은:
    a) 가변하는 벽 두께의 관형 블랭크(tubular blank)를 획득하기 위하여 일정한 벽 두께를 가지는 초기 관형 블랭크를 냉간 성형하되, 상기 관형 블랭크는 상기 중심부에 상응하는 중심영역을 가지고, 상기 관형 블랭크의 상기 가변하는 벽 두께는 상기 크로스-빔 부재의 벽 두께에 상응하는, 냉간 성형 단계; 및
    b) 상기 크로스-빔 부재를 획득하기 위하여 상기 관형 블랭크의 상기 중심영역이 횡방향으로 실질적으로 개구된 프로파일을 가지도록 변형하는 단계를 포함하는 크로스-빔 부재 제조 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    a) 단계는 상기 중심부에서 상기 이음영역으로 벽 두께의 점진적 변화를 제공하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 크로스-빔 부재는 두 개의 대향하는 끝단을 포함하고, 각각의 상기 이음영역은 상기 대향하는 끝단 중 하나에 형성되고, 상기 크로스-빔 부재는 상기 크로스-빔 부재의 상기 대향하는 끝단에 각각 형성된 단부 및 상기 단부와 상기 중심부 사이에 형성된 전이부를 포함하고,
    b) 단계는
    각각의 상기 단부의 끝 단면 프로파일이 변하지 않도록 유지하고 상기 크로스-빔 부재의 횡방향 단면 프로파일이 각각의 상기 전이부에서 점진적으로 변하게 하면서 상기 중심부를 성형하는 단계를 더 포함하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 크로스-빔 부재는 상기 크로스-빔 부재의 길이를 따라서 길이방향으로 가변하는 횡방향 단면 프로파일을 가지고, 상기 횡방향 단면은 상기 중심부에서 U-형상 또는 V-형상을 가지고,
    b) 단계는
    부분적으로 평평한 관형 블랭크를 획득하기 위하여 상기 중심부에 상응하는 상기 중심영역을 평탄(flattening)하게 하는 단계; 및
    상기 U-형상 또는 V-형상의 횡방향 프로파일을 형성하기 위하여 상기 평탄화된 영역을 굽히는 단계;를 포함하며,
    상기 크로스-빔 부재의 상기 횡방향 단면 프로파일은 상기 중심부의 상기 U-형상 또는 V-형상에서 상기 이음영역의 끝 단면 프로파일로 연속적으로 변하게 하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    a) 단계는
    균일한 벽 두께 및 초기 외부 지름을 가지는 초기 관형 블랭크를 제공하는 단계;
    맨드릴(mandrel) 및 다이 조립체(die assembly)에 상기 초기 관형 블랭크를 인입(drawing)하는 단계를 포함하되, 상기 맨드릴 및 상기 다이 조립체는 상기 초기 외부 지름보다 좁은 다이 개구부가 구비된 다이를 포함하고, 맨드릴은 영역에 따라 다른 지름을 가지고,
    상기 맨드릴은 가변하는 벽 두께를 가지는 상기 관형 블랭크를 획득하기 위하여 상기 초기 관형 블랭크가 상기 다이 개구부로 인입됨에 따라 상기 다이 개구부에 선택적으로 위치하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  20. 제15 항에 있어서
    b) 단계 전에 가변하는 벽 두께를 가지는 상기 관형 블랭크의 응력을 완화하는 단계를 더 포함하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  21. 제15 항에 있어서,
    상기 크로스-바 부재는 실질적으로 U-형상을 가지고 각각 통합 형성된 두 개의 트레일링 암을 포함하며, 상기 트레일링 암은 상기 일 이음영역에서 상기 이음영역들에 의하여 정의되는 길이방향을 가로지르는 방향으로 연장하고, 상기 제조 방벙은
    c) 상기 통합된 트레일링 암을 형성하기 위하여 각각의 상기 이음영역에서 상기 크로스-빔 부재를 굽히는 단계를 포함하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    b1) b) 단계 이전에, U-형상의 선-변형(pre-deformed) 관형 블랭크를 획득하기 위하여 상기 관형 블랭크를 선-굽힘하는 단계를 포함하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  23. 제21 항에 있어서,
    d) c) 단계에 이어서 또는 b) 단계 이전에 상기 크로스-빔 부재에 열처리 및 담금질을 하는 단계를 포함하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 열처리 및 담금질은 상기 이음영역에 수행되는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  25. 제23 항에 있어서,
    e) d) 단계에 이어 즉시, 상기 크로스-빔 부재에 쇼트 피닝(shot peening)을 수행하는 단계를 포함하는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 쇼트 피닝은 상기 이음영역에 수행되는
    크로스-빔 부재 제조 방법.
  27. 차량용 비틀림-축에 있어서,
    상기 차량의 프레임에 장착되는 제1 단부를 각각 포함하는 두 개의 트레일링 암;
    일체형으로 이루어진 관형 크로스-빔 부재를 포함하되,
    상기 크로스-빔 부재는 일체화된 축을 형성하기 위하여 상기 트레일링 암 사이에서 연장하고 상기 크로스-빔 부재의 두 개의 이음영역과 상기 트레일링 암이 연결되며,
    상기 관형 크로스-빔 부재는 상기 이음영역 사이에 형성되는 중심부를 더 포함하며, 상기 중심부는 비틀림 탄성을 가지고 상기 각각의 이음영역은 상기 각각의 트레일링 암을 연결하는 상기 이음영역의 적어도 일부의 근부에서 비틀림 강성을 가지고, 상기 관형 크로스-빔 부재는 외주를 따라서 실질적으로 일정한 벽 두께를 가지고 종방향으로 상기 비틀림 탄성을 가지는 중심부에서 상기 비틀림 강성을 가지는 각각의 이음영역으로 갈수록 가변하는 벽 두께를 가지는
    비틀림-축.
  28. 제27 항에 있어서,
    각각의 상기 트레일링 암은 상기 트레일링 암에 휠이 연결되도록 제2 단부를 포함하는
    비틀림-축.
  29. 제27 항에 있어서,
    상기 크로스-빔 부재는 실질적으로 U-형상을 가지고 각각 통합 형성된 두 개의 트레일링 암을 더 포함하며 상기 트레일링 암은 상기 일 이음영역에서 상기 이음영역들에 의하여 정의되는 길이방향을 가로지는 방향으로 연장하는
    비틀림-축.
  30. 제29 항에 있어서,
    각각의 상기 통합된 트레일링 암은 종부를 포함하고, 상기 종부는 상기 종부에 휠이 연결되도록 형성된
    비틀림-축.
KR1020117008606A 2008-10-17 2009-10-15 벽 두께가 길이 방향으로 가변하는 비틀림-축 KR101263122B1 (ko)

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