KR20170031926A - 하이브리드 프로펠러 샤프트 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 프로펠러 샤프트 및 이의 제조 방법은 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 강성이 높은 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하여 고유 진동수를 높이며 제조가 용이하여 생산성을 향상시킨다.

Description

하이브리드 프로펠러 샤프트 및 이의 제조 방법{Hybrid Propeller Shaft and Method for Manufacturing Thereof}
본 발명은 프로펠러 샤프트에 관한 것으로서, 자동차의 엔진 동력을 전달하기 위한 자동차바퀴의 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 강성이 높은 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하여 고유 진동수를 높이며 제조가 용이하여 생산성을 향상시키는 하이브리드 프로펠러 샤프트 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 프로펠러 샤프트는 변속기의 출력을 구동축에 전달하는 것으로 변속기와 구동축 사이에 후륜 구동 및 4륜 구동 승용차, 소형트럭과 같은 후륜 구동 자동차에서 엔진의 동력을 전달하기 위해 사용된다.
기존의 스틸 프로펠러 샤프트(Steel Propeller Shaft)는 금속 자체의 비강성(Specific Stiffness)에 제한이 있기 때문에 굽힘 방향의 공진으로 인한 소음 및 파손을 방지하기 위해서 두 축으로 제작하여 고유 진동수를 높였다.
하지만 프로펠러 샤프트를 두 축으로 제조하는 경우 두 축을 연결하기 위한 중간부의 요크(York)와 중심 지지 베어링, 방진 감쇠용 고무 등 많은 부품으로 인한 무게의 증가와 비용 발생이 불가피하다.
또한, 프로펠러 샤프트는 연결 부위에서 발생하는 소음과 진동을 제어하는데 많은 노력과 비용이 발생하게 된다. 이와 비교하여 탄소섬유 복합재료 등 고강성 복합재료로 프로펠러 샤프트를 제조하게 되면 높은 비강성으로 인해 프로펠러 샤프트를 한 축으로 제조할 수 있게 된다.
이러한 고강성 복합재료로 구성된 프로펠러 샤프트는 두 축일 때 필요했던 부품들이 필요하지 않게 되어 무게 감소와 비용 절감의 효과가 있다. 하지만 고강성 복합재료로 구성된 프로펠러 샤프트는 금속과 달리 외부의 충격에 취약하다는 단점과 기존 스틸 대비 높은 제작 비용으로 복합재료 프로펠러 샤프트의 상용화에 걸림돌이었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 자동차의 엔진 동력을 전달하기 위한 자동차바퀴의 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 강성이 높은 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하여 고유 진동수를 높이며 제조가 용이하여 생산성을 향상시키는 하이브리드 프로펠러 샤프트 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트는,
엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및
알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성된 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 포함하며, 섬유강화 복합재료는 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트는,
엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및
알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성된 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 포함하며, 섬유강화 복합재료는 알루미늄 합금 파이프의 내주면에서 소정의 이격 거리를 두고 여러 부분에 나누어 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트는,
엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및
알루미늄 합금 파이프의 내주면의 전체 면적에 형성된 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법은,
탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 멘드렐(Mendrel)의 외주면에 감는 단계;
멘드렐에 감은 섬유강화 복합재료를 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프의 내부에 삽입하는 단계; 및
멘드렐을 돌려가면서 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 강성이 높은 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하여 고유 진동수를 높이며 제조가 용이하여 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 강성이 높은 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 내주면 중심부에 집중시킴으로써 동일한 양의 복합재료로 더 높은 고유 진동수를 갖는 프로펠러 샤프트를 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 기존의 프로펠러 샤프트에 비해서 제조 공정이 용이하고 구조물의 동적 성능이 높아지며 무게 감소와 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멘드렐을 이용하여 알루미늄 합금 파이프에 프리프레그를 삽입하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1, 2, 3 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4, 5, 6 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트를 나타낸 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멘드렐을 이용하여 알루미늄 합금 파이프에 프리프레그를 삽입하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트(100)의 제조 방법은 복합재료인 프리프레그(Prepreq)(130)를 멘드렐(Mendrel)(120)의 외주면에 감는 단계(S100)와, 멘드렐(120)에 감은 프리프레그(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내부에 삽입하는 단계(S102)와, 멘드렐(120)을 돌려가면서 프리프레그(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 적층시키는 단계(S104)를 포함한다.
알루미늄 합금 파이프(110)는 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 샤프트를 나타낸다. 여기서, 회전축은 자동차의 바퀴 등을 포함하여 엔진 동력을 전달할 수 있는 장치이면 어떠한 수단도 가능하다.
프리프레그(130)는 수지와 탄소섬유를 미리 일정한 비율로 함침시켜 놓은 시트 형태의 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료이다.
프리프레그 성형법은 섬유강화 복합재료(130)를 필름 형태로 가공하여 경화되지 않은 상태로 만들어져 나온 프리프레그(130)를 이용하여 제조하는 공정이다.
본 발명은 스틸보다 가볍고 토크 전달 능력이 좋은 알루미늄 합금과 섬유강화 복합재료(130)를 함께 사용하여 하이브리드 프로펠러 샤프트(100)를 제조한다.
알루미늄 합금 파이프(110)는 토크를 전달하는 역할을 수행하고 알루미늄 합금 파이프(110)의 내부에 적층된 프리프레그(130)는 축 방향의 강성을 높여주어 프로펠러 샤프트의 고유 진동수를 높이는 역할을 한다.
또한, 알루미늄 합금 파이프(110)는 외부의 충격으로부터 보호하여 신뢰성 있는 프로펠러 샤프트의 제작이 가능해진다.
가경화 상태인 복합재료 프리프레그(130)를 적층하여 경화하여 제조한다.
하이브리드 프로펠러 샤프트(100)는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내부에 강성이 높은 탄소섬유가 강화된 섬유강화 복합재료(130)가 적층되어 고유 진동수를 높이는 역할을 하게 된다.
도 3은 본 발명의 제1, 2, 3 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트의 일례를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제4, 5, 6 실시예에 따른 하이브리드 프로펠러 샤프트를 나타낸 단면도이다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 실시예는 멘드렐(120)을 돌려가면서 프리프레그(130)의 적층시 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면의 전체 면적에 적층시킨다.
도 3의 (b) 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 실시예는 멘드렐(120)을 돌려가면서 프리프레그(130)의 적층시 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 굽힘(Bending)이 집중되는 파이프 길이 방향의 중심부에 적층시킨다.
본 발명의 제2 실시예는 외부의 알루미늄 합금 파이프(110)보다 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 적층된 프리프레그(130)의 길이가 더 짧게 하여 구성된다.
프로펠러 샤프트는 양 끝단 부분이 단순지지(Simply Supported) 경계 조건인 경우, 프로펠러 샤프트의 고유 진동수는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낸다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 강성,
Figure pat00003
는 관성 모멘트,
Figure pat00004
는 단위 길이당 질량,
Figure pat00005
는 전체 길이를 나타낸다.
전술한 [수학식 1]에 의하면, 고유 진동수는 강성이 높을수록 질량이 작을수록 증가하며 이는 동일 강성일 때 질량이 작은 경우 고유 진동수가 더 높음을 의미한다.
본 발명의 하이브리드 프로펠러 샤프트(100)는 1차 진동 모드에서 양 끝단 부분에 적층된 복합재료(130)가 강성에 영향을 크게 미치지 않기 때문에 이 부분을 제거하면 프로펠러 샤프트의 전체 질량이 줄어들어 고유 진동수가 증가한다.
또한, 제거된 부분의 섬유강화 복합재료(프리프레그)(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부에 적층하게 되면 고유 진동수가 더욱 증가하게 된다.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 비교하여 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부에에 섬유강화 복합재료(130)를 적층하는 경우 적층시 압력을 인가해야 하는 면적이 줄어들어 더욱 용이하게 적층할 수 있다.
도 3의 (b) 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 실시예는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부에 섬유강화 복합재료(130)를 집중적으로 적층한 프로펠러 샤프트를 나타낸 것이다.
제2 실시예는 섬유강화 복합재료(130)가 알루미늄 합금 파이프(110)의 길이보다 짧게 형성한다. 이러한 제2 실시예는 멘드렐(120)에 감은 프리프레그(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내부에 삽입한 후, 멘드렐(120)을 돌려가면서 프리프레그(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 적층시키는 경우, 프리프레그의 길이가 짧아질수록 적층 공정이 용이해지고 생산 및 상용화에 장점으로 작용한다.
본 발명은 동일한 무게의 프리프레그(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 적층하는 경우, 제1 실시예와 같이, 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면의 전체 면적에 균일하게 적층한 것과 비교하여 적층 면적을 반으로 줄이고 섬유강화 복합재료(130)의 적층 두께를 두 배로 증가하여 파이프 길이 방향의 중심부에 적층시킬 수 있다.
도 3의 (c)와 같이, 제3 실시예는 밸런싱(Balancing) 등의 목적으로 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면의 전체 면적에 복합재료(130)를 적층해야 할 필요성이 있는 경우, 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에서 소정의 이격 거리를 두고 여러 부분으로 나누어 프리프레그(130)를 적층 및 제조할 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 제4 실시예는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 섬유강화 복합재료(130)를 적층할 때 섬유강화 복합재료(130)가 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부로 갈수록 적층 두께를 두꺼워지도록 적층된다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제5 실시예는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 섬유강화 복합재료(130)를 적층할 때 섬유강화 복합재료(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 길이보다 짧게 하여 적층하는 경우, 섬유강화 복합재료(130)가 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부로 갈수록 단계적으로 두꺼워지도록 적층된다.
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제6 실시예는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부에 프리프레그(130)를 적층하고, 적층된 프리프레그(130)을 기준으로 양쪽에 프리프레그(130)가 적층되지 않은 부분을 진동이 감쇠되는 재료(Damping Material)로 처리하여 진동 감쇠층(140)을 형성함으로써 진동 및 소음을 줄일 수도 있다.
이와 같은 하이브리드 프로펠러 샤프트(100)는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부에 복합재료(130)를 적층하거나 소정의 이격 거리를 두고 여러 부분에 나누어 복합재료(130)를 적층하는 경우 프로펠러 샤프트의 제조도 용이할 뿐만 아니라 고유 진동수도 향상될 수 있기 때문에 더욱 신뢰성 있는 프로펠러 샤프트를 더 낮은 제조 단가로 제조될 수 있다. 즉, 제6 실시예는 진동 감쇠층(140)이 구비된 프로펠러 샤프트인 것이다.
본 발명의 프로펠러 샤프트는 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면에 복합재료 프리프레그(130)를 적층하여 경화하거나 제조된 복합재료 프리프레그(130)를 삽입하여 접착하는 방법 등 다양하게 제조될 수 있다.
미리 제조된 복합재료 프리프레그(130)를 삽입하여 접착하는 방법은 알루미늄 합금 파이프(110)를 미리 가열하여 열팽창시킨 후 복합재료 프리프레그(130)와 접착을 할 수 있다.
이러한 하이브리드 프로펠러 샤프트(100)의 제조 방법은 생산 시간의 단축 및 알루미늄의 수축으로 인해 접착 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 하이브리드 프로펠러 샤프트(100)의 제조 과정에서 기존의 공정보다 삽입, 접착 또는 적층해야 하는 프리프레그(130)의 길이가 짧아 제조가 용이해지고 프리프레그(130)를 알루미늄 합금 파이프(110)의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부에 집중시킴으로써 동일한 양의 프리프레그(130)로 더 높은 고유 진동수를 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 하이브리드 프로펠러 샤프트
110: 알루미늄 합금 파이프
120: 멘드렐
130: 프리프레그, 섬유강화 복합재료
140: 진동 감쇠층

Claims (11)

  1. 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성된 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 포함하며, 상기 섬유강화 복합재료는 상기 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료는 알루미늄 합금 파이프의 내주면 중에서 굽힘(Bending)이 집중되는 파이프 길이 방향의 중심부에 적층하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료는 알루미늄 합금 파이프의 내주면에서 파이프 길이 방향의 중심부로 갈수록 적층 두께를 두꺼워지도록 적층하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에서 상기 섬유강화 복합재료가 형성된 부분을 기준으로 양쪽에 상기 섬유강화 복합재료가 형성하지 않은 부분을 진동이 감쇠되는 재료로 처리한 진동 감쇠층을 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트.
  5. 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성된 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 포함하며, 상기 섬유강화 복합재료는 상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에서 소정의 이격 거리를 두고 여러 부분에 나누어 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트.
  6. 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프; 및
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면의 전체 면적에 형성된 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트.
  7. 탄소섬유를 강화한 섬유강화 복합재료를 멘드렐(Mendrel)의 외주면에 감는 단계;
    상기 멘드렐에 감은 섬유강화 복합재료를 엔진 동력을 전달하는 회전축에 결합되는 알루미늄 합금 파이프의 내부에 삽입하는 단계; 및
    상기 멘드렐을 돌려가면서 상기 섬유강화 복합재료를 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성시키는 단계는,
    상기 섬유강화 복합재료를 상기 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성시키는 단계는,
    상기 섬유강화 복합재료를 상기 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하여 상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면 중에서 굽힘(Bending)이 집중되는 파이프 길이 방향의 중심부에 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성시키는 단계는,
    상기 섬유강화 복합재료를 상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면의 전체 면적에 균일하게 적층하지 않고 적층 면적을 반으로 줄이고 적층 두께를 2배로 증가하여 파이프 길이 방향의 중심부에 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면에 형성시키는 단계는,
    상기 섬유강화 복합재료를 상기 알루미늄 합금 파이프의 길이보다 짧게 형성하고 상기 알루미늄 합금 파이프의 내주면 중에서 파이프 길이 방향의 중심부로 갈수록 적층 두께를 두꺼워지도록 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 프로펠러 샤프트의 제조 방법.
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