KR20140091471A - 일체형 베어링 링들을 가진 경량의 허브 유닛 및 허브 유닛의 제조방법 - Google Patents

일체형 베어링 링들을 가진 경량의 허브 유닛 및 허브 유닛의 제조방법 Download PDF

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KR20140091471A
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bearing rings
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안토니오 올리비에리 다비데
스구오티 로라
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아크티에볼라게트 에스케이에프
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Abstract

허브 유닛(10)은, 소성가공을 위해 알루미늄 합금으로 제조되고 단일체로 형성되는 허브(20)를 가지고 축 방향으로 연장되는 원통형 부분(21)을 가지며, 반경방향의 플랜지(22)를 가지고, 두 개의 베어링 링(14,15)들이 상기 원통형 부분(21) 주위에서 축방향으로 정렬되어 장착되며, 상기 원통형 부분(21)의 축 방향 내측 변부(17)는 축방향 내측 베어링 링(14)에 대해 반경방향을 향해 소성변형된다.

Description

일체형 베어링 링들을 가진 경량의 허브 유닛 및 허브 유닛의 제조방법{LIGHTWEIGHT HUB UNIT WITH INTEGRATED BEARING RINGS AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURE}
본 발명은, 차량용 휠의 허브 베어링(hub bearing) 조립체를 위한 일체형 베어링 링(bearing ring)을 가진 경량 허브 유닛(hub unit)에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 유닛들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
차량용 휠을 조립하기 위해, 일반적으로 각각의 내부 및 외부 레이스웨이(raceway)들사이에 삽입되고 두 개의 열(double row)을 가진 구름 접촉(rolling contact)요소들을 가진 허브 베어링 조립체들이 이용된다. 반경방향으로 외측에 (radially outer)위치한 두 개의 레이스웨이들이 모두 동일한 외부 베어링 링(outer bearing ring)에 의해 제조된다. 내측에 위치한 두 개의 레이스웨이들이, 축방향으로 내부를 향해 연장되는 원통형 부분을 형성하는 강(steel) 재질의 허브에 대해 일체구조로 회전(integral in rotation)하는 두 개의 각각의 원형 강재질 몸체(steel bodies) 및, 상기 휠의 조립을 허용하고 반경방향으로 외부를 향하여 연장되는 플랜지에 의해 형성된다. 소위 3 세대의 허브 베어링 유닛들에 있어서, 강재질 허브는 외측(outboard side)의 열을 위한 내부 레이스웨이를 직접 형성한다. 그러나, 내측의 구름 접촉요소들의 열을 위한 내부 레이스웨이는, 허브에 의해 개별적으로 형성되고 소형의 내부링(inner ring)으로서 알려진 강재질의 링으로 제조되고 허브의 원통형 부분에 조립(fitted)된다. 소위 2 세대 허브 베어링 유닛들에 있어서, 내부 레이스웨이들은, 상기 허브의 원통형 부분에 축방향으로 정렬되어 조립된 두 개의 각 강재질 링들( 소형 내부 링들)에 의해 형성된다. 상기 허브의 원통형 부분은, 축방향 내측부에 위치한 내부링의 축방향 내측단부에 반경방향 표면위에 돌출하는 관형 단부를 가진다. 상기 관형 단부는, 반경방향으로 외측을 향해 전형적으로 궤도 롤 단조(orbital roll forming)에 의해 냉간 변형(cold deformation)을 겪는다. 따라서 축방향으로 제 2 링을 구속하고 축방향으로 전체 베어링 유닛에 예비인장을 주며 압연(rolled)되고 소성 변형되는 변부가 구해진다. 상기 궤도 롤 단조를 수행하는 기계들은, 성형 공구에 대해 일반적으로 100,000 뉴튼(N)보다 큰 매우 높은 하중을 가할 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상대적으로 덜 효율적인 기계들을 이용하지만 비용을 적게 요구하며 상기 궤도 롤 단조를 수행하기 위해 요구되는 하중을 감소시키는 것이다.
레이스웨이들은 구름 접촉의 헤르츠 응력(Hertzian stress)을 견딜 정도로 충분히 강해야 하는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 3 세대 허브 베어링 조립체내에서 허브는, 단지 레이스웨이 영역을 경화시키기 위해 인덕션(induction) 경화처리를 거치는 것이 필요하다. 상기 경화된 영역은, 너무 강하고 취성(brittle)을 가지지 말아야 하지만 소성과정을 위해 적합한 상태를 유지해야 하기 때문에, 롤 단조(rolled)되는 단부 부분까지 연장되지 말아야 한다. 그러므로 본 발명의 또 다른 목적은, 인덕션에 의해 종래기술에 따른 경화 열처리를 수행하기 위한 비용을 제거하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 허브 베어링 유닛의 전체 중량을 감소시키는 것이다. 자동차 산업에서, 연료소비와 배기가스의 감소와 관련한 요구가 증가되고 있다. 휠 및 특히 회전 질량의 전체 중량을 감소시키기 위해, 최근에 서로 다른 두 가지 재료로 제조되고 단일체(single piece)로 서로 연결되며 플랜지를 가진 회전 링(rotating flanged ring)을 포함한 허브베어링 조립체들이 제안되어 왔다. 상기 링들에서, 베어링을 위한 강(steel)과 같이 높은 강성(toughness)을 가진 제 1 재료로 제조된 관형 코어(core)는 상기 레이스웨이들을 형성하고, 경금속(light metal)과 같은 제 2 경량 재료는 상기 휠을 장착하기 위한 외부 플랜지를 포함한 링의 나머지 부분을 형성한다. 예를 들어 특허 공개 제 WO 2008/147284 호를 참고한다. 일부 경우들에서, 상기 강재질의 코어와 상대적으로 가벼운 플랜지사이의 결합은, 간섭을 가진 형상 커플링(form coupling)에 의해 형성된다. 상기 커플링은, 특히 수명이 연장되어 이용된 후에 항상 오래 지속(long lasting)되는 것이 아니다. 사실상, 강 및 알루미늄이 가지는 서로 다른 열팽창 계수들은 두 재료들을 서로 분리시키려는 경향을 가진다. 다른 경우에서, 상기 커플링은, 예를 들어 알루미늄 합금과 같은 경량 재료를 상기 관형 강 코어위에 몰딩(moulding)하거나 주조(casting)하여 구해진다. 상기 형태의 링들에 있어서 두 재료들사이의 이동을 회피하거나 제한하기 위하여, 두 개의 재료들은 복잡한 형상을 가진 연결 표면(interface surface)들을 가지며 연결되어, 두 재료들사이에서 조인트(joint)로서 거동하는 언더컷(undercut)을 발생시킨다. 상기 기술을 이용하여 링들을 생산하기 위한 비용은 다소 높다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 항의 특징들을 가진 허브 유닛을 구성하는 것을 제안한다. 또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 제 4 항에 정의된 제조방법을 제안한다. 또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 제 1 항 또는 제 1 항을 인용하는 청구항들에 의해 정의되는 허브 유닛을 포함한 차량용 휠을 위한 허브베어링 조립체를 제공하거나 또 다른 특징에 따라 제 4 항 또는 제 4 항을 인용하는 다른 청구항들에 따라 제조되는 허브유닛을 제공한다. 본 발명의 선호되는 실시예들이 종속항들에 정의된다.
본 발명의 선호되는 실시예들이 첨부된 도면들을 참고하여 상세하게 설명된다.
도 1은, 본 발명의 전형적인 실시예를 따라 일체구성되는 베어링 링들을 가진 허브 유닛의 축방향 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 유닛을 부분절단한 사시도.
도 3은 제조과정의 중간 단계동안 도 2의 허브 유닛을 도시한 축방향 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 허브유닛 다음에 제조과정에 있는 도 2의 허브 유닛을 도시한 축방향 단면도.
도 1 및 도 2를 참고할 때, 차량용 휠의 허브 베어링(hub bearing) 조립체를 위한 일체형 베어링 링(bearing ring)을 가진 경량 허브 유닛(hub unit)(10)이 도시된다. 상기 유닛(10)은, 중심 회전축(x)을 형성하고 상기 회전축(x) 주위에서 차량의 (도면에 도시되지 않은) 휠을 회전가능하게 장착하도록 설계된다. 상기 허브 베어링 조립체 전체는 본 명세서에서 도시되지 않는다. 공지된 것처럼, 허브 베어링 조립체는 또한, 이용시 (도면에 도시되지 않은) 차량 서스펜션의 직립체에 연결되는 정지식 외부링을 포함한다. 허브유닛(10)이 일부분이 되는 허브 베어링 조립체는, 각각의 내부 및 외부 레이스웨이(raceway)들사이에 삽입되는 이중 열의 구름 접촉요소들을 가진 형태의 허브베어링 조립체이다. 상기 목적을 위하여, 상기 허브유닛(10)은, 축방향으로 서로 떨어진 두 개의 반경방향 내부 레이스웨이(11,12)들을 가진다.
상세한 설명과 청구범위에서, 예를 들어 "반경방향", "축방향", "횡방향"과 같이 위치와 방향을 나타내는 용어들과 표현은, x 회전축을 기준으로 이해해야 한다. 다른 한편, "축방향 내부(axially inner)" (또는 내측(inboard)) 및 "축방향 외부(axially outer)" (또는 외측(outboard))와 같은 표현들은 차량에 장착된 상태(condition)을 기준으로 한다.
상기 유닛(10)은, 다음에 설명되는 이유에 의해 소성가공(plastic processing)을 위한 알루미늄 합금 또는 조립체 6000 (계열) 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 선호되는 내부 허브(20)를 포함한다.
상기 허브(20)는, 축방향으로 연장되는 원통형 부분(21) 및, 상기 원통형 부분(21)의 축방향 외측 단부(23)로부터 반경방향으로 외측을 향해 연장되는 플랜지(22)를 (도 3에서) 단일체로 형성한다.
상기 플랜지(22)는, 차량의 (도면에 도시되지 않은) 휠을 장착하기 위해 이용된다. 4개/ 5개의 구멍(24)들이 x축 주위에서 등각 거리를 이루며 상기 플랜지 내에 형성될 수 있다. 상기 구멍(24)들은, 예를 들어 상기 휠을 고정하기 위한 스크류와 같은 복수 개의 (도면에 도시되지 않은) 해당 고정요소들을 수용하기에 적합하다. 상기 플랜지는, 이용시 차량을 향하도록 설계되는 축방향 내부의 반경방향 표면(25) 및, (도면에 도시되지 않은) 브레이크 로터(brake rotor) 및/또는 차량의 휠을 위한 평평한 지지표면을 형성하는 축방향 외부의 반경방향 표면(26)을 가진다.
상기 원통형 부분(21)은, 축방향으로 나란히 배열되거나 서로 근접한 두 개의 반경방향 내부의 베어링 링(bearing ring)(14,15)들을 지지하기 위해 이용된다. 도시된 실시예에서, 상기 원통형 부분(21)은 관형 형상을 가지고 상기 실시예에서 축방향으로 연장되는 내부의 원통형 공동(cavity)(27)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 상기 내부 공동(27)은 전체 몸체를 통과한다. 다른 실시예에서, 조립되는 휠의 형태( 예를 들어, 구동 또는 피동)에 따라 상기 공동(27)은 밀폐될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 원통형 부분(21)은 내부가 충진되고 즉 공동(27)이 없다.
상기 원통형 부분(21)에 형성되고 관형 구조를 가진 축방향 내측 단부(28)가 도시된다. 상기 원통형 부분(21)은 반경방향 외측 원통형 표면(30)을 가진다. 상기 허브(20)는 또한, 휠의 센터링(centering)을 용이하게 하기 위하여 축방향 외측부로부터 돌출한 축방향 관형 꼬리 부분(tailpiece)(29)를 형성한다.
도 3에서 개략적으로 도시된 상기 허브(20)는 추가적인 기계가공 후에 수행되는 열간 또는 냉간 단조가공에 의해 구해진다. 일단 원하는 형태가 구해지면, 상기 허브는, 알루미늄 합금내부에서 재료의 기계적 성질을 개선하기 위해 열처리 사이클(thermal cycle) 선호적으로 T6 열처리 사이클을 겪게 된다.
도 4에 도시된 제 1 및 제 2 베어링 링(14,15)은 각각, 두 개의 열을 이루는 구름 요소(예를 들어 도면에 도시되지 않은 볼 또는 테이퍼 롤러(tapered roller))를 위한 반경방향 내부의 레이스웨이(12,13)들을 가진다. 다음에 베어링 링(14,15)들은 허브의 원통형 부분의 외부 원통형 표면(30)에 배열되고 제 1 축방향 외부의 내부링(15)을 상기 플랜지(22)의 축방향 내부 표면 또는 측부(25)에 대해 지지하도록 연결시킨다. 상기 베어링 링(14,15)들을 상기 허브에 원주방향으로 구속하는 작용을 추가로 개선하기 위해, 상기 베어링 링들은 반경방향 간섭(radial interference)을 가지며 상기 허브의 원통형 부분(21)의 외부 원통형 표면(30)상에 장착되는 것이 선호된다. 이러한 상태(도 4)에서 상기 축 방향 내부 원통형 단부(28)는, 축 방향으로 내부를 향하며 축방향으로 가장 내부에 위치한 제 2 링(14)에 의해 형성되는 단부 표면 또는 반경방향 표면(16)에 걸쳐서 적어도 부분적으로 축 방향을 향해 돌출한다.
다음에 상기 허브의 관형 단부(28)는, 반경 방향으로 외부를 향해 궤도 롤 단조(orbital roll forming)되어 냉간 변형되고 따라서 상기 허브(20)상에 축방향으로 예비하중을 가진(preloaded) 상태로 양쪽의 베어링 링(14,15)들을 축방향으로 구속하고 압연되며 소성변형(plastically deformed)된 변부(17)를 형성한다(도 1 및 도 2).
당업자들은, 본 명세서에서 생략되고 도시되지 않은 일련의 단계들이 본 발명을 이해하는 데 필요한 것이 아니기 때문에 상기 단계들 후에 상기 롤 단조 작업이 실제로 수행된다는 것을 알게 된다. 본 명세서에서는, 상기 궤도 롤 단조 작업이전에 제 1 내부 링(14) 주위에서 축방향으로 외측부 또는 외부 측면에서 구름 접촉요소의 열을 예비적으로 배열하고 다음에, 반경방향 외부 베어링 링을 반경방향 외부 베어링 링을 부착(apply)하며 다음에 축방향 내측부 또는 내부측면으로부터 구름 접촉요소들의 열을 삽입하는 것이 필요하다. 다음에 제 2 내부링(15)을 부착하고 마지막으로 궤도 롤 단조를 수행할 수 있다.
롤 단조된 변부(17)에 의해 상기 베어링 링(14,15)들은 축방향, 원주방향 및 회전방향으로 상기 허브(20)에 단단히 구속된 상태를 유지한다.
소성가공을 위해 알루미늄 합금내에서 상기 허브(20)를 형성하면, 상기 변부(17)의 외부표면은 다공구조(porous)를 가지지 않고 따라서 상기 변부(15)는 부식 특히 소위 크랙 부식(crack corrosion)을 갖지 않는다.
그룹 6000의 합금은, 기계공구들과 우수한 작업성을 가지고 경화 열처리(thermal hardening treatment)(T6 처리 또는 석출(precipitation))될 수 있고 상기 처리 후에 11 내지 12% 보다 작지 않은 잔류 연장 또는 연성 능력(ductility)을 유지하고 안티코로달(Anticorodal)이라는 상표로 알려진 알루미늄, 실리콘 및 마그네슘 합금들이다. 상기 특성에 의해 내구성을 가지고 단조된 변부(rolled edge)를 구할 수 있어서 유리하다. 특히 선호되는 합금의 예는 다음과 같은 합금 즉 6061, 6082이다.
알루미늄 합금내에서 변부의 롤 단조작업은 종래기술의 강재질 변부를 롤 단조하기 위해 요구되는 하중보다 훨씬 더 작은 하중을 요구하는 것으로 고려될 수 있다. 상기 롤 단조 작업동안 가해지는 축방향 하중은, 강에 비하여 알루미늄 합금의 열팽창이 더 크기 때문에 상기 내부 링(14,15)들에 대해 상기 변부(17)에 의해 가해지는 축 방향의 예비하중이 작업온도들에서 감소된다는 사실을 고려하여 조정될 수 있다.
알루미늄 합금으로 제조된 허브는, 중량, 배기가스 및 에너지 소비와 관련하여 장점을 가진다. 알루미늄으로 제조되고 관형 강재질의 인서트(insert)를 가진 허브 구성부품들을 위한 복잡한 형상조합이 요구되지 않는다.
본 발명은, 본 명세서에 설명되고 도시되며 상기 유닛의 예로서 고려될 수 있는 실시예들로 국한되지 않는다고 이해된다. 당업자들은, 첨부된 청구범위에 정의된 발명 및 청구범위와 동등한 권리의 범위내에서 예로서 도시된 실시예에서 설명된 요소들의 형상, 크기, 구조 및 기능적 세부사항들과 구성을 다양하게 변화시킬 수 있다는 것을 이해한다.
20.....허브,
21.....원통형 부분,
22.....플랜지,
14,15.....제 1 및 제 2 베어링 링
16.....단부면,
17.....축 방향 내측 단부 변부(17).

Claims (8)

  1. 단일체로 형성되는 허브(20),
    축 방향으로 연장되는 원통형 부분(21),
    상기 원통형 부분(21)의 축 방향 외측 단부(23)로부터 반경 방향으로 외측을 향해 연장되는 플랜지(22),
    상기 원통형 부분(21) 주위에서 축 방향으로 정렬되어 장착된 제 1 및 제 2 베어링 링(14,15)들을 포함하고, 상기 제 2 베어링 링(14)은 제 1 베어링 링에 대하여 축 방향으로 내측에 위치하고 축 방향으로 내부를 향하는 단부면(16)을 제공하며,
    상기 원통형 부분(21)은 제 2 베어링 링(14)의 단부 면(16)에 대해 반경방향으로 외측을 향해 소성변형되는 축 방향 내측 단부 변부(17)를 형성하는 일체구조의 베어링 링들을 가진 허브 유닛에 있어서,
    상기 허브(20)는 가공된(wrought) 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 허브 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 6000 계열(series) 합금인 것을 특징으로 하는 허브 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 6061 및 6082 합금들을 포함한 군으로부터 선택된 합금인 것을 특징으로 하는 허브 유닛.
  4. a) 가공된 알루미늄 합금의 단일체로 허브(20)를 단조가공하는 단계를 포함하고, 상기 허브는
    축방향으로 연장되고 축방향 내부 관형 단부(28)를 제공하는 원통형 부분(21)을 포함하고, 상기 원통형 부분(21)의 축방향 외측 단부(23)로부터 반경방향으로 외측을 향해 연장되는 플랜지(22)를 포함하며,
    b) 단조가공된 허브(20)를 경화 열처리하는 단계,
    c) 제 1 및 제 2 베어링 링(15,14)들을 상기 허브의 원통형 부분(21) 주위에서 축방향으로 정렬시켜서, 제 2 링(14)이 축방향으로 내측에 위치하고 축방향으로 내측을 향하는 단부면(16)을 제공하며 상기 축방향 내측 원통형 부분(21)의 관형 단부(28)가 적어도 부분적으로 상기 제 2 베어링 링의 단부면을 초과하여 돌출하는 단계를 포함하고,
    d) 상기 허브의 플랜지(22)를 향해 상기 제 1 및 제 2 베어링 링(15,14)들을 구속하고 축방향으로 예비하중을 형성하며 소성변형된 변부(17)를 형성하도록 상기 제 2 베어링 링(14)의 단부면(16)에 대해 상기 관형 단부(28)를 반경방향으로 외측을 향해 소성변형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체구조의 베어링 링들을 가진 허브를 제조하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단계 b)는 T6 열처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 허브를 제조하기 위한 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 단계 b)는 석출 경화단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 허브를 제조하기 위한 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 허브의 원통형 부분(21)은 반경방향 외측 원통형 표면(30)을 가지고, 단계 c)에서 상기 베어링 링(14,15)들은 반경방향 간섭을 가지며 상기 허브의 원통형 부분의 외부 원통형 표면(30)에 장착되는 것을 특징으로 하는 허브를 제조하기 위한 방법.
  8. 전항들 중 어느 한 항을 따르고 일체구조의 베어링 링들을 가진 허브를 포함하고 차량용 휠을 위한 허브 베어링 유닛.
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