KR20160068272A - 차량용 복합재 휠의 체결구조 - Google Patents

차량용 복합재 휠의 체결구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 섀시인 휠 어셈블리에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 차량용 휠 어셈블리를 섬유강화 복합재 재질로 구성하고, 스포크부와 림부로 이루어진 복합재 휠의 연결부 구조를 단순화하여 자동화 제작이 가능한 차량용 복합재 휠의 체결구조에 관한 것이다.

Description

차량용 복합재 휠의 체결구조{Connecting Structure of Composite wheel for Motor Vehicle}
본 발명은 차량의 섀시인 휠 어셈블리에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 차량용 휠 어셈블리를 섬유강화 복합재 재질로 구성하고, 스포크부와 림부로 이루어진 복합재 휠의 연결부 구조를 단순화하여 자동화 제작이 가능한 차량용 복합재 휠의 체결구조에 관한 것이다.
일반적으로는 차량의 구동 바퀴를 휠이라고 칭하지만, 보다 구체적으로 분류하자면 휠(Wheel)과 타이어(Tire)로 구분된다.
휠은 차량의 중량을 모두 지지하고 차량의 회전축에 연결되어 구동력과 제동력을 노면에 전달하기 위해 구성되며, 타이어는 탄성 재질로 내부에 공기가 충전되고 휠을 감싸도록 이루어져 노면의 요철에 따른 휠의 충격 및 진동을 완화시키고 노면과의 마찰에 의해 휠의 구동력과 제동력을 최종적으로 노면에 전달한다.
상기와 같은 구성의 차량용 휠은 타이어를 지지하는 림(rim)과 림을 허브에 지지하는 스포크(Spoke)로 구성되어 있다. 휠의 분류 기준은 재료, 제조 방식, 구조, 디자인에 따라서 구분할 수 있다.
휠을 재질에 의하여 분류하면, 철(steel)로 만들어진 스틸 휠과 알루미늄 합금으로 만들어진 알루미늄 휠, 그리고 마그네슘 합금으로 만들어진 마그네슘 휠 등이 있다. 이러한 휠의 재질은 차량의 무게와 직결되는데, 최근에 개발되고 있는 하이브리드 자동차에서는 에너지효율 즉 연비 향상 측면에서 자동차의 경량화가 중요한 화두로 대두되고 있다. 따라서 강도는 유지하면서도 무게는 가벼운 자동차 휠의 필요성 역시 부각되고 있다.
이러한 필요성에 따라, 근래에는 강화섬유를 이용한 복합재 휠이 개발되고 있으며, 복합재 휠은 상술한 스틸 휠이나 알루미늄 휠 등과 비교하여 훨씬 가벼운 재질로서 그 강도는 기존과 유사하거나 더 향상된 값을 갖게 된다.
그러나 최근 개발된 복합재 휠은 금형 위에 림용 프리프레그(prepreg)와, 스포크용 프리프레그를 교차로 적층한 다음 경화시키는 형태로 제작되기 때문에 수작업에 의존하게 되어 공정속도가 매우 느리고, 제조 단가가 매우 높기 때문에 F-1(Formula one) 레이싱용 차량에 제한적으로 사용되고 있다.
따라서 자동화 생산을 통해 공정속도가 빠르고, 제조 단가를 낮춰 일반 자동차 시장이나, 그린카에 적용할 수 있는 차량용 복합재 휠의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2012-0101333호(2012.09.13.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복합재 림부와 복합재 또는 금속으로 이루어진 스포크부를 조립하여 형성된 복합재 휠을 제공하며, 특히 복합재 림부가 경화된 상태에서 림부와 스포크부를 간단히 조립할 수 있는 연결 구조를 통해 복합재 휠의 자동화 생산이 가능한 차량용 복합재 휠의 체결구조를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 복합재 휠의 체결구조는, 복수의 스포크를 구비한 스포크부와, 상기 스포크부와 결합되는 환형의 림부로 이루어진 차량용 휠에 있어서, 상기 스포크부 각각의 스포크 끝단에서 상기 림부를 향해 절곡되어 연장 형성되며, 상기 휠의 축 방향을 따라 형성된 웨지홈과, 상기 웨지홈 상에 형성된 체결홀을 포함하는, 제1 결합부; 상기 제1 결합부가 끼움 결합되도록, 상기 림부 둘레를 따라 복수 개 형성되는 제2 결합부; 및 상기 웨지홈에 결합되는 체결부재; 를 포함하며, 상기 제1 결합부는, 상기 체결부재 결합 시 상기 웨지홈의 원주 방향 폭이 증가한다.
또한, 상기 체결홀은, 상기 휠의 반경방향 외측으로 갈수록 직경이 작아지며, 상기 제1 결합부 또는 상기 제2 결합부는, 원주방향 폭이 상기 휠의 축 방향 내측으로 갈수록 증가하고, 상기 제1 결합부 또는 상기 제2 결합부는, 반경방향 두께가 상기 휠의 반경 방향 내측으로 갈수록 증가한다.
또한, 상기 웨지홈은, 원주방향 폭이 상기 휠의 반경방향 내측으로 갈수록 감소한다.
다른 실시 예로, 상기 제1 결합부의 끝단에는 상기 제1 결합부의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 지지블럭; 이 결합된다.
다른 실시 예로, 상기 복합재 휠은, 외주면이 상기 림부의 내주면에 끼움 결합되는 보조림; 을 포함하며, 상기 림과 보조림 사이에 상기 제1 결합부가 끼움 결합된다.
아울러, 상기 스포크부 또는 림부는, 프리프레그를 적층한 후 경화시킨 복합재로 이루어진다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 차량용 복합재 휠의 체결구조는, 기존의 스틸 휠이나 알루미늄 휠의 강도와 유사하거나 더 향상된 값을 유지하며, 무게를 감소시켜 차량의 경량화 효과가 탁월하며, 에너지 효율이 우수하고 차량 연비 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
특히 제조 공정을 단순화시켜 자동화 생산이 가능함에 따라 공정속도가 빨라지고, 제조 원가가 절감되어 일반 자동차 시장 및 그린카에 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 복합재 휠 개략적 전체사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 복합재 휠 개략적 분해사시도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 스포크와 림의 결합부 평면도
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 스포크와 림의 결합부 단면도
도 5는 본 발명의 다른 실시 예의 스포크부 분해사시도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예의 복합재 휠 개략적 분해사시도
복합재는 일예로 탄소섬유 복합재 또는 유리섬유 복합재 등이 있으며, 기존의 복합재 휠은 금형 위에 림용 프리프레그와 스포크용 프리프레그를 교차로 적층하여 경화시켜 조립하는 형태로 제작되었다. 따라서 정밀한 작업이 요구되기 때문에 수작업에 의존할 수밖에 없어 공정 시간이 길어지고, 제조비용이 매우 높은 단점이 있었다. 따라서 본 발명은 림을 복합재로 구성하고, 스포크를 복합재 또는 금속으로 구성하여 림을 적층 또는 경화시킨 후 이를 스포크부와 조립할 수 있는 연결부 구조를 제시함으로서 복합재 휠 제작 공정의 자동화가 가능한 차량용 복합재 휠을 제공하고자 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 복합재 휠(1000, 이하 휠)의 개략적 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 휠(1000)의 개략적 분해 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 휠(1000)은 스포크부(100), 림부(200) 및 체결부재(300)를 포함하여 구성된다.
특히 본 발명의 일실시 예에 따른 휠(1000)은 스포크부(100)의 스포크 끝단에서 림부(200)로 절곡되어 연장 형성된 제1 결합부(120)가 림부(200)의 제2 결합부(210)에 끼움 결합되며, 체결부재(300)를 통해 견고히 고정된다. 체결부재(300)는 통상의 나사산이 형성된 볼트가 적용될 수 있다.
이하 상기와 같은 구성의 본 발명의 일실시 예에 따른 휠(100)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 스포크부(100)는 중앙의 허브(110)와, 허브(110)를 중심으로 휠의 외측으로 연장 형성되는 복수 개의 스포크(115)와, 스포크(115)의 끝단에서 림부(200) 측으로 절곡되어 연장 형성되는 제1 결합부(120)를 포함하여 이루어진다.
허브(110)는 휠(1000)을 차량의 회전축에 연결시키기 위한 구성으로 도면에는 도시되지 않았지만, 볼트 연결구 등이 형성될 수 있다.
스포크(115)는 허브(110)에서 휠의 축 방향 외측으로 연장되어 허브(110)와 림부(200)를 연결하고 지지하기 위한 구성으로 복수 개가 허브(110)의 중심에서 방사상으로 형성될 수 있다. 도면상에는 스포크(115)가 4개인 4-스포크 휠이 도시되어 있으나, 3-스포크 휠 또는 5-스포크 휠 이상에서도 적용될 수 있음은 자명하다.
제1 결합부(120)는 스포크부(100)를 림부(200)에 결합시키기 위한 구성으로 스포크(115)의 끝단에서 림 측으로 절곡되어 형성될 수 있다. 제1 결합부(120) 상에는 휠의 축 방향을 따라 웨지홈(121)이 형성된다. 웨지홈(121)은 제1 결합부(120)의 반경방향 외측면에서 내측으로 함몰 형성된다. 웨지홈(121)의 원주방향 폭은 휠의 반경방향 내측으로 갈수록 감소하게 형성된다. 웨지홈(121) 상에는 상술된 체결부재(300)의 결합을 위한 체결홀(125)이 형성된다. 체결홀(125)의 내주면에는 암나사산이 형성되며, 체결홀(125)의 직경은 휠의 반경방향 외측으로 갈수록 감소하게 형성된다.(도 4 참조) 상기와 같은 구성을 통해 제1 결합부(120)는 체결부재(300) 결합 시 원주 방향 폭이 증가하도록 구성되어 제1 결합부(120)가 제2 결합부(210)에 끼움 결합된 상태에서 체결부재(300) 결합을 통해 더욱 견고하게 끼움 결합되도록 구성된다.
상기와 같은 구성의 스포크부(115)는 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 강화 섬유 재질의 복합재 또는 통상의 금속 재질로 이루어진다.
림부(200)는 크게 아우터림(201), 센터림(202), 이너림(203)으로 나뉘며 센터림(202) 상에 제1 결합부(120)가 끼움 결합되는 제2 결합부(210)를 포함하여 구성된다.
센터림(202)은 소정의 두께와 길이를 갖는 환형으로 이루어지며, 센터림(202)의 차량 외측에 아우터림(201)이 형성되고, 센터림(202)의 차량 내측에 이너림(203)이 형성될 수 있다. 상술된 스포크부(100)는 아우터림(201)의 내주면을 통해 센터림(202)으로 끼움 결합되며, 보다 상세하게는 제1 결합부(120)의 휠 외측면이 센터림(202)의 휠 내측면에 맞닿도록 결합될 수 있다. 따라서 센터림(202)의 둘레면에는 제1 결합부(120)에 대응되는 제2 결합부(210)가 형성되며, 제2 결합부(210)는 제1 결합부(120)의 수만큼 센터림(202)의 외주면에 방사상으로 형성된다. 제2 결합부(210)는 축 방향으로 따라 형성되며, 센터림(202)의 외주면 외측으로 돌출되어 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 림부(200)는 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 강화 섬유 재질의 복합재로 이루어지며, 프리프레그(prepreg)를 적층하여 가열 가압한 후 이를 경화시켜 형성될 수 있다. 프리프레그는 열경화성 수지계 또는 열가소성 수지계가 적용될 수 있다.
이때 본 발명의 휠(1000)은 스포크부(100)의 축 방향 외측으로의 이탈을 방지하기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다.
도 3에는, 본 발명의 일실시 예에 따른 스포크와 림의 제1 결합부(120)와 제2 결합부(210)의 결합평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제2 결합부(210)의 원주방향 폭은 휠의 축 방향 외측으로 갈수록 감소한다. 즉 제2 결합부의 내측 폭(W1)이 외측 폭(W2)보다 길게 형성될 수 있다, 따라서 제2 결합부(210) 상에 제1 결합부(120)가 결합되었을 때, 제1 결합부(120)가 축 방향 외측으로 이탈되는 것을 방지한다. 도면에는 도시하지 않았으나, 제1 결합부(120)의 원주방향 폭 역시 상기와 같은 취지로 축 방향 외측으로 갈수록 감소하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 휠(1000)은 스포크부(100)의 반경 방향 내측으로의 이탈을 방지하기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다.
도 4에는, 본 발명의 일실시 예에 따른 스포크와 림의 제1 결합부(120)와 제2 결합부(210)의 결합단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제2 결합부(210)의 반경방향 두께는 휠의 반경방향 내측으로 갈수록 감소한다. 즉 제2 결합부의 외측 두께(T1)가 내측 두께(T2)보다 길게 형성될 수 있다, 따라서 제2 결합부(210) 상에 제1 결합부(120)가 결합되었을 때, 제1 결합부(120)가 반경 방향 내측으로 이탈되는 것을 방지한다. 도면에는 도시하지 않았으나, 제1 결합부(120)의 반경 방향 두께 역시 상기와 같은 취지로 반경 방향 내측으로 갈수록 감소하도록 구성될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이 체결부재(300)가 체결홀(125)에 체결되기 전에는 제1 결합부(120)와 제2 결합부(210) 사이에 유격이 존재하여 스포크부(100)와 림부(200)의 체결이 용이하다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이 체결부재(300)가 내측으로 갈수록 직경이 좁아지는 체결홀(125)에 체결되면, 제1 결합부(120)의 원주방향 폭이 증가하여 제2 결합부(210)에 견고하게 고정될 수 있다.
도 5에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스포크부(100)의 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 스포크부(100)는 지지블럭(400) 및 지지블럭체결부재(410)를 더 포함하여 구성된다. 지지블럭(400)은 제1 결합부(120)의 끝단에 결합되며, 제1 결합부(120)의 단면적보다 큰 단면적을 갖도록 구성되어 지지블럭(400)이 제1 결합부(120)에 결합되었을 때 지지블럭(400)이 제2 결합부(210)와 단차를 이루도록 하여 제1 결합부(120)가 축 방향 외측으로 이탈되는 것을 방지한다. EK라서 지지블럭(400)은 스포크부(100)가 림부(200)에 결합된 상태에서 제1 결합부(120)에 체결될 수 있다.
제1 결합부(120)와 지지블럭(400)은 제1 결합부(120)에 형성된 지지블럭 체결홀(128)에 지지블럭체결부재(410)가 볼트 결합되어 고정될 수 있다.
도 6에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 휠(1000)의 분해사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 휠(1000)은 보조림(500)을 더 포함하여 구성된다. 보조림(500)은 환형으로 외주면이 림부(200)의 내주면에 끼움 결합되도록 구성된다. 특히 보조림(500)과 림부(200) 사이에 제1 결합부(120)가 위치되도록 하여 제1 결합부(120)가 반경방향 내측으로 이탈되는 것을 방지한다.
보조림(500)은 환형의 보조몸체(510)와 보조몸체(510) 상에 관통 형성되며, 체결홀(125)에 대응되는 보조체결홀(515)이 형성된다. 따라서 보조림(500)이 림부(200)에 끼워진 상태에서 체결부재(300)가 보조체결홀(515)을 관통하여 체결홀(125)에 볼트 결합되도록 구성된다.
상기와 같은 구조의 복합재 휠(1000)은 스포크부(100)와 림부(200)의 체결부 간소화를 통해 자동화 생산 가능함에 따라 일반적 자동차 시장에서도 비교적 저렴한 가격으로 복합재 휠이 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 차량용 복합재 휠
100 : 스포크부 110 : 허브
115 : 스포크 120 : 제1 결합부
121 : 웨지홈 125 : 체결홀
200 : 림부 201 : 아우터림
202 : 센터림 203 : 이너림
210 : 제2 결합부
300 : 체결부재
400 : 지지블럭
500 : 보조림 510 : 보조몸체
515 : 보조체결홀

Claims (8)

  1. 복수의 스포크를 구비한 스포크부와, 상기 스포크부와 결합되는 환형의 림부로 이루어진 차량용 휠에 있어서,
    상기 스포크부 각각의 스포크 끝단에서 상기 림부를 향해 절곡되어 연장 형성되며, 상기 휠의 축 방향을 따라 형성된 웨지홈과, 상기 웨지홈 상에 형성된 체결홀을 포함하는, 제1 결합부;
    상기 제1 결합부가 끼움 결합되도록, 상기 림부 둘레를 따라 복수 개 형성되는 제2 결합부; 및
    상기 웨지홈에 결합되는 체결부재; 를 포함하며,
    상기 제1 결합부는, 상기 체결부재 결합 시 상기 웨지홈의 원주 방향 폭이 증가하는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 체결홀은,
    상기 휠의 반경방향 외측으로 갈수록 직경이 작아지는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 결합부 또는 상기 제2 결합부는,
    원주방향 폭이 상기 휠의 축 방향 내측으로 갈수록 증가하는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 결합부 또는 상기 제2 결합부는,
    반경방향 두께가 상기 휠의 반경 방향 내측으로 갈수록 증가하는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 웨지홈은,
    원주방향 폭이 상기 휠의 반경방향 내측으로 갈수록 감소하는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 결합부의 끝단에는 상기 제1 결합부의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 지지블럭; 이 결합되는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 복합재 휠은,
    외주면이 상기 림부의 내주면에 끼움 결합되는 보조림; 을 포함하며,
    상기 림과 보조림 사이에 상기 제1 결합부가 끼움 결합되는, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스포크부 또는 림부는,
    프리프레그를 적층한 후 경화시킨 복합재로 이루어진, 차량용 복합재 휠의 체결구조.
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