KR20140022485A - 지그재그형 스프링 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원하는 강도, 탄성계수, 피로 수명 등에 따라 적절한 섬유강화복합재료를 선택하고 스프링의 폭, 주름의 개수와 높이 등을 용이하게 조절하여 연속적으로 스프링을 제조할 수 있는 방법과 이에 의해 제조된 스프링에 관한 것이다.

Description

지그재그형 스프링 및 이의 제조방법{ZIGZAG-TYPE SPRING, AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 지그재그형 스프링, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 스프링(spring)은 물체의 탄성변형(彈性變形)을 이용해서 에너지를 흡수·축적시켜 완충 등의 작용을 하게 하는 기계 요소로서, 용수철이라고도 한다. 이러한 스프링은 모양(형상)과 재료에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 구체적으로, 스프링은 재료에 따라 금속 스프링과 비금속 스프링으로 분류될 수 있으며, 상기 금속 스프링으로는 강재(steel) 스프링, 비철 스프링이 있으며, 상기 비금속 스프링으로는 고무 스프링, 공기 스프링, 액체 스프링, 섬유강화복합재료 스프링 등이 있다. 한편, 스프링은 모양에 따라 압축코일 스프링, 인장코일스프링, 원추형 코일 스프링, 장고형 코일 스프링, 드럽형 코일 스프링, 판 스프링, 태엽 스프링, 비틀림코일 스프링, 와셔 스프링 등으로 분류될 수 있다.

이렇게 다양한 스프링은 가정용 장난감에서부터 자동차, 항공 산업에 이르기까지 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 특히, 자동차에서 스프링은 자동차의 무게를 지탱하면서 타이어를 통해 전달되는 노면으로부터의 충격을 최초로 흡수하는 부분으로, 그 자체가 바운드를 반복함에 따라 충격을 완화시킨다. 따라서, 자동차에 사용되는 스프링은 금속 스프링이 가장 많이 이용되고 있다.

다만, 최근 고유가로 인해 자동차 및 운송용 장비의 경량화가 도모되고 있다. 이에 스프링도 마찬가지로 금속에서 섬유강화복합재료로 대체하려는 시도가 이루어지고 있고, 최근 아우디(Audi)에서 유리섬유 강화 플라스틱(glass-fiber reinforced plastic)을 이용하여 FRP 코일 스프링(fiber reinforced plastic coil plastic)을 개발하였다(도 5 참조). 그러나, 이러한 FRP 코일 스프링은 구조상의 문제점으로 인해 연속적인 공정으로 생산하기 어려우며, 현재 배치식(batch)으로 생산되고 있어 생산성이 떨어진다. 또한, 스프링 제조 공정을 자동화로 하기 어렵고, 생산 단가도 높다.

본 발명은 원하는 강도, 탄성계수, 피로 수명 등에 따라 적절한 섬유강화복합재료를 선택하고 스프링의 폭, 주름의 개수와 높이 등을 용이하게 조절하여 연속적으로 스프링을 제조할 수 있는 방법과 이에 의해 제조된 스프링을 제공하고자 한다.

본 발명은 직물 또는 다축경편물을, 비닐에스테르 수지 또는 폴리에스테르를 포함하는 수지 조성물에 함침시켜 프리프레그 시트(prepreg sheet)를 형성하는 단계; 상기 프리프레그 시트에, 시트의 길이방향으로 연장되는 복수개의 주름부를 시트의 폭방향을 따라 형성하여 스프링 프리폼 시트를 얻는 단계; 상기 스프링 프리폼 시트를 경화시키는 단계; 및 상기 경화된 스프링 프리폼 시트를 상기 시트의 길이방향과 수직으로 절단하는 단계를 포함하는 지그재그형 스프링의 제조방법을 제공한다.

또, 본 발명은 전술한 제조방법에 의해 제조된 지그재그형 스프링을 제공한다.

본 발명의 지그재그형 스프링 제조방법은 연속적으로 스프링을 대량 생산할 수 있고, 또한 스프링 생산시 자동차의 완충장치에 따라 스프링의 폭, 주름의 개수와 높이를 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 상기 제조방법에 의해 제조된 지그재그형 스프링은 섬유강화복합재료로 형성되어 있고, 또한 섬유부피분율이 약 60 % 이상으로 높기 때문에, 기계적 물성이 향상될 수 있으며, 또한 가벼울 뿐만 아니라 고강도이며, 내약품성이나 내부식성이 우수하다.

도 1은 본 발명에 따른 지그재그형 스프링의 연속 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지그재그형 스프링을 연속적으로 제조하는 공정의 일례를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 지그재그형 스프링의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 지그재그형 스프링 복수개를 자동차 완충장치에 배열한 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 종래 아우디에서 제조한 FRP 코일 스프링 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 지그재그형 스프링의 연속 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그형 스프링의 연속 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도 1를 참조하면, 먼저 직물 또는 다축경편물(10)을, 비닐에스테르 수지 또는 폴리에스테르를 포함하는 수지 조성물(20)에 함침시켜 프리프레그 시트(prepreg sheet)(30)를 형성한다(S100).

본 발명에서는 강화재로서 직물 또는 다축경편물을 사용한다. 상기 직물(또는 다축경편물)은 원하는 방향으로 섬유를 직선적으로 배열할 수 있어 섬유의 강도를 유지하기 쉽고, 또한 쉽게 변형되지 않기 때문에, 고강도의 지그재그형 스프링을 얻을 수 있다. 게다가, 직물 및 다축경편물은 폭이 약 1 m 이상으로 용이하게 직조될 수 있기 때문에, 대량 생산에 유리하다.

상기 직물(woven fabric)은 경사(날실)와 위사(씨실)가 서로 아래, 위로 교차하여 직조된 일정 넓이를 가진 평면 구조체로서, 직포라고도 한다. 상기 직물은 경사와 위사의 교차 방법에 따라 다양한 패턴을 갖는다. 본 발명에서는 당 업계에 알려진 방법에 따라 직물을 직조하되, 최종 지그재그형 스프링의 강도, 탄성계수, 피로 수명 등에 따라 원사(경사, 위사)의 굵기, 경사와 위사의 교차 방법, 직물의 폭 등을 조절하여 직물을 직조할 수 있다.

또, 상기 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)은 강화시키려는 실들을 여러 각도로 놓고 매우 가는 실이 경편으로 엮는 방법으로 만들어진 편성물로서, 고리를 만드는 실은 강도 및 강성에 거의 영향을 미치지 않으며 설계에 의하여 0도, 90도, 45도, 60도 등의 여러 각도로 배열될 수 있으며, 이를 가는 실이 엮어서 형성된다. 이러한 다축경편물은 강도 내지 강성의 보강을 위하여 0도, 90도 이외의 실들을 추가적으로 사용하여 직조될 수 있기 때문에, 직물보다 원하는 방향으로 스프링의 강도 및 강성을 더 향상시킬 수 있다.

상기 다축경편물은 강도 및 강성을 위해 사용되는 실이 straight하게 놓여 있기 때문에 신축성이 부족하나, 강도 및 강성은 높다. 본 발명에서는 당 업계에 알려진 방법에 따라 다축경편물을 직조할 수 있다. 다만, 다축경편물의 직조시, 원사의 굵기, 원사의 각도, 다축경편물의 폭 등을 조절하여 최종 지그재그형 스프링의 강도, 탄성계수, 피로 수명 등을 제어할 수 있다.

상기 직물 및 다축경편물의 원사 성분(섬유)의 예로는 특별히 제한되지 않으나, 유리섬유, 탄소섬유 등의 무기 섬유일 경우, 수분함수율이 낮기 때문에, 추후 경화시 스프링 내 기공(pore)이 형성되지 않으며, 또한 열적 안정성도 우수하다. 따라서, 무기섬유로 된 실(yarn)로 직조된 직물 및 다축경편물을 사용할 경우, 최종 지그재그형 스프링의 강도 및 열적 안정성이 향상될 수 있다.

이와 같은 직물 또는 다축경편물(10)이 수지 조성물(20)을 수용하는 수지 조성물 함침조(200)를 통과하면, 직물 또는 다축경편물의 틈새(실과 실 사이의 공간)에 수지 조성물이 침투하여 틈새를 충진함으로써, 프리프레그 시트(30)을 얻는다.

상기 수지 조성물(20)은 비닐에스테르 수지 또는 폴리에스테르를 포함한다. 상기 비닐에스테르 수지 또는 폴리에스테르를 포함할 경우, 스프링의 제조시 경화속도가 빨라 생산성이 향상되며, 또한 스프링의 열적 안정성, 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다.

상기 수지 조성물은 스프링의 다른 물성을 향상시키기 위해서 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제로는 염료, 안료, UV 차단제, 산화방지제, 탈크 등의 충진제 등이 있는데, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 사용될 수 있다. 이들 첨가제는 당해 기술분야에서 공지된 함량으로 조성물에 첨가될 수 있으며, 예컨대 비닐에스테르 수지 및/또는 폴리에스테르 100 중량부를 기준으로 약 0.01 내지 10 중량부일 수 있다.

다음으로, 전술한 바와 같이 프리프레그 시트(30)에, 시트의 길이방향으로 연장되는 주름부(41)를 시트의 폭방향을 따라 적어도 1개 형성하여 스프링 프리폼 시트(40)를 얻는다(S200). 이때, 상기 S200 단계는 자동차의 완충장치에 따라 상기 주름부(41) 개수 및 상기 주름부(41)의 높이(h)를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 S100 단계에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 프리프레그 시트(30)에 시트의 길이방향으로 연장되는 주름부(41)를 시트의 폭방향을 따라 적어도 1개(바람직하게는 복수개) 형성할 수 있는 예비성형유닛(300)을 이용한다.

상기 예비성형유닛(300)은 성형유닛(400)에 의해 가열하여 성형하기 전에 프리프레그 시트(30)를 1차적으로 변형시켜 프리프레그 시트(30)에 대략적으로 주름부를 복수개 형성함으로써, 성형유닛(400)에 의해 경화시 발생하는 과중한 경화 잔류 응력을 감소시킬 수 있으며, 또한 과잉 수지(excess resin)를 제거할 수 있다.

상기 예비성형시 온도는 특별히 한정되지 않으며, 직물(또는 다축경편물)의 원사 성분(섬유), 직물(또는 다축경편물)의 두께, 수지 조성물의 성분 등을 고려하여 적절하게 조절하며, 예를 들어 하기 S300 단계의 경화 온도보다 낮게 조절할 수 있다.

상기 주름부(41) 개수 및 상기 주름부(41)의 높이는 직물(또는 다축경편물)의 폭 및 두께를 고려하여 자동차의 완충장치에 따라 조절할 수 있다.

이후, 상기 S200 단계에서 형성된 스프링 프리폼 시트(40)를 경화하기 시작한다(S300).

상기 S300 단계는 상기 예비성형유닛(300)의 형상에 대응되면서, 스프링 프리폼 시트를 가열하여 수지 조성물을 경화시킬 수 있는 성형유닛(400)을 이용한다.

상기 경화 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않고, 직물(또는 다축경편물)의 원사 성분(섬유), 직물(또는 다축경편물)의 두께, 수지 조성물의 성분, 성형 유닛의 크기 등을 고려하여 조절하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 약 100 내지 150 ℃의 온도하에서 약 10 내지 20분 정도 상기 스프링 프리폼 시트(40)을 가열하면, 직물 또는 다축경편물에 함침된 수지 조성물을 경화시킬 수 있다.

마지막으로, 상기 경화된 스프링 프리폼 시트(50)를 상기 시트의 길이방향과 수직으로(즉, 시트의 폭방향으로) 절단한다(S400). 이로써, 도 3에 도시된 지그재그형 스프링(60)을 얻을 수 있다.

상기 경화 스프링 프리폼 시트(50)는 당 업계에서 알려진 절단유닛(500)을 이용하여 절단될 수 있다. 상기 절단유닛(500)의 예로는 고성능 다이아몬드 톱 등이 있다.

상기 경화 스프링 프리폼 시트(50)의 절단 길이는 특별히 제한되지 않으며, 자동차 완충장치에 따라 조절하며, 상기 경화 스프링 프리폼 시트(50)의 절단 길이에 따라 스프링의 폭이 결정된다.

전술한 방법에 의해서 연속적으로 제조된 지그재그형 스프링(60)은 도 4에 도시된 바와 같이, 자동차 완충장치의 둘레에 복수개가 배열됨으로써, 자동차의 무게를 지탱하면서 타이어를 통해 전달되는 노면으로부터의 충격을 흡수하여 충격을 완화시킬 수 있다. 이때, 상기 스프링의 개수 및 스프링들 간의 이격 거리는 스프링의 폭, 주름부의 개수 등을 고려하여 원하는 강도, 탄성계수, 피로 수명 등에 따라 조절할 수 있다.

10: 직물 또는 다축경편물, 20: 수지 조성물,
30: 프리프레그 시트, 40: 스프링 프리폼 시트,
41: 주름부, 50: 경화 스프링 프리폼 시트,
60: 지그재그형 스프링,
100: 크릴(creel), 200: 수지조성물 함침조,
300: 예비성형유닛, 400: 성형유닛,
500: 절단유닛, 600: 완충장치,
A-A': 시트의 길이방향, B-B': 시트의 폭방향

Claims (3)

1. 직물 또는 다축경편물(multi-axial warp knitted fabric)을, 비닐에스테르 수지 또는 폴리에스테르를 포함하는 수지 조성물에 함침시켜 프리프레그 시트(prepreg sheet)를 형성하는 단계;
   상기 프리프레그 시트에, 시트의 길이방향으로 연장되는 복수개의 주름부를 시트의 폭방향을 따라 형성하여 스프링 프리폼 시트를 얻는 단계;
   상기 스프링 프리폼 시트를 경화시키는 단계; 및
   상기 경화된 스프링 프리폼 시트를 상기 시트의 길이방향과 수직으로 절단하는 단계
   를 포함하는 지그재그형 스프링의 연속 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스프링 프리폼 형성 단계는
   완충장치에 따라 상기 주름부 개수, 및 상기 주름부의 높이를 조절하는 단계를 포함하는 것이 특징이 지그재그형 스프링의 연속 제조방법.
3. 제1항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 지그재그형 스프링.

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