KR20200006855A

KR20200006855A - 유무기 복합소재 및 이를 이용한 r-eps 벨트풀리

Info

Publication number: KR20200006855A
Application number: KR1020180080733A
Authority: KR
Inventors: 김남일; 문동준; 심창업; 이정석; 신문봉; 정재혁
Original assignee: (주)에나인더스트리; 한국게이츠(주)
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-01-21
Also published as: KR102113748B1

Abstract

본 발명은 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리에 있어서, 기존의 스틸(steel) 재질이 아닌 유무기 복합소재를 적용한 벨트풀리에 관한 것으로, 본 발명의 유무기 복합소재는 PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드). 유리 섬유(Glass fiber) 및 아라미드 섬유(Aramid fiber)를 포함한다.

Description

유무기 복합소재 및 이를 이용한 R-EPS 벨트풀리{ORGANIC-INORGANIC COMPOSITE AND R-EPS BELT PULLEY USING THE SAME}

본 발명은 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리에 있어서, 기존의 스틸(steel) 재질이 아닌 유무기 복합소재를 적용한 벨트풀리에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에는 조향상태의 안정성을 보장하기 위해 파워 스티어링 시스템이 적용되고 있는데, 이중에 전동식 파워 스티어링(EPS; Electric Power Steering)은 모터로부터 구동력을 전달받아 조타력을 조절하는 장치이다.

즉, 전동식 파워 스티어링은 차속센서 및 조향토크센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 ECU에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 비상상황에서는 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하게 된다.

이러한 전동식 파워 스티어링 시스템은 모터의 설치 위치에 따라 컬럼 구동방식(C-EPS)과, 피니온 구동방식(P-EPS) 및 랙 구동방식(R-EPS)으로 나뉘게 된다.

한편, 도 1은 종래의 랙 타입 전동식 파워 스티어링 장치(1)를 도시한 도면으로, 하우징(10)과, 핸들의 조향 조작에 따라 휠을 조향하는 스티어링 링크기구(20)와, 핸들의 조타력을 보조하기 위한 벨트풀리(30) 및 상기 벨트풀리(30)를 구동시키는 회전 액추에이터(40)로 구성된다.

도 2는 도 1의 벨트풀리(30)를 발췌하여 도시한 도면으로, 벨트풀리(30)는 회전 액추에이터(40)와 스티어링 링크기구(20)의 랙 기어 사이에 배치된다. 따라서, 회전 액추에이터(40)의 구동시 회전 액추에이터(40)의 동력이 벨트풀리(30)를 통해 스티어링 링크기구(20)에 부가되게 된다. 이때, 벨트풀리(30)의 구동풀리(31)와 종동풀리(32)의 기어비에 의해 모터의 동력이 감속됨으로써 핸들의 조타력이 조절되게 된다.

한편, 구동풀리는 내구성 향상을 위해 스틸 소재로 이루어질 수 있는데, 이는 벨트풀리의 무게를 증가시켜 핸들의 방향 전환시 조타력을 저하시키는 문제가 있었다. 또한, 구동풀리의 무게 증가에 따라, 벨트풀리의 회전시 벨트와 구동풀리의 마찰음이 커지는 문제가 있었다.

아울러, 구동풀리는 회전시 벨트의 이탈을 방지하기 위해 구동풀리의 양측에 구동풀리의 둘레면과 수직된 방향으로 돌출된 이탈 방지부를 각각 구비하도록 형성되는데, 이로 인해 벨트의 양 측면이 마모되어 벨트의 수명이 감소되는 문제가 있었다.

등록특허공보 제10-0284345(2001.03.02 공고)

본 발명의 목적은, 벨트풀리를 수지 소재로 형성하여 벨트풀리를 경량화 함으로써, 차량의 조타력을 향상시키는 전동식 파워 스티어링 장치의 벨트풀리를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드). 유리 섬유(Glass fiber) 및 아라미드 섬유(Aramid fiber)를 포함하는 유무기 복합소재를 제공하는 것을 본 발명의 일 측면으로 한다.

상기 세라믹섬유(Ceramic micro fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)을 더 포함한다.

또한, 본 발명은 내부에 차량의 핸들 축이 삽입 연결된 피니언 기어; 일측에는 상기 피니언 기어와 치합되는 랙 기어가 형성되고, 타측에는 스크류가 형성된 스티어링 링크부재; 상기 스크류 축에 삽입 연결된 종동풀리와, 상기 종동풀리와 벨트에 의해 연결된 구동풀리로 이루어진 벨트풀리; 및 상기 구동풀리의 내륜에 회전 축이 삽입되어 상기 구동풀리를 회전 구동시키는 회전 액추에이터;를 포함하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치에 있어서, 상기 벨트풀리는 유무기 복합 소재로 형성되며, 내부에 관통공이 형성된 원기둥 형상으로 이루어지고, 상기 유무기복합소재는 PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드). 유리 섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramidfiber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리를 제공하는 것을 본 발명의 다른 측면으로 한다.

상기 유무기 복합소재는 세라믹섬유(Ceramic micro fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)을 더 포함한다.

상기 벨트풀리는 상기 몸체부의 일측에 형성되고 상기 종동풀리의 둘레면과 수직된 방향으로 돌출된 이탈방지부를 구비한다.

또한, 본 발명은 (1) PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드), 유리 섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramidfiber)를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 혼합물을 260 내지 280℃에서 170 내지 260 rpm의 스크류로 압출시키는 단계를 포함하는 유무기 복합소재 제조 방법을 본 발명의 또 다른 측면으로 한다.

상기 (1) 단계의 혼합물은 세라믹섬유(Ceramic micro fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 벨트풀리를 수지 소재로 형성하여 경량화를 구현함과 동시에, 차량의 운전시 핸들의 조타력을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 랙 타입 전동식 파워 스티어링(R-EPS) 장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 있어서, 벨트풀리를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 벨트풀리 중 종동풀리의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 도 3의 벨트풀리 중 구동풀리의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 6을 본 발명의 종동풀리의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 종동풀리의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 구동풀리의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 구동풀리의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 유무기 복합소재의 파단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 유무기 복합소재의 열중량 분석 결과를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 유무기 복합소재의 인장강도 결과를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 유무기 복합소재의 굴곡탄성율 결과를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 유무기 복합소재의 충격강도 결과를 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 유무기 복합소재의 마찰계수 측정 결과를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 유무기 복합소재를 종동풀리(볼너트 풀리)에 적용하여 강성 시험 수행결과를 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 유무기 복합소재를 구동풀리(모터 풀리)에 적용하여 강성 시험 수행결과를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 유무기 복합소재를 종동풀리(볼너트 풀리)에 적용하여플렌지 파손 시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 유무기 복합소재를 구동풀리(모터 풀리)에 적용하여플렌지 파손 시험을 수행한 결과를 도시한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치는(R-EPS, 100)는 회전 액추에이터의 동력에 의해 차량의 주행속도에 따라 핸들의 조타력을 주차 또는 저속시 가볍게 해주고, 고속시 무겁게 하여 고속 주행 안정성을 제공함과 아울러 비상시 급속한 조향이 이루어지도록 함으로써 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하기 위해 사용된다.

도 3을 참조하면, 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치는(100)는 피니언 기어(110)와, 스티어링 링크부재(120)와, 벨트풀리(130) 및 회전 액추에이터(140)를 포함한다.

피니언 기어(110)는 회전 운동을 수평 운동으로 바꾸거나, 수평 운동을 회전 운동으로 바꾸어주는 기어 장치로, 내부에 차량의 핸들 축이 삽입되어 핸들과 연결된다.

스티어링 링크부재(120)의 일측에는 피니언 기어(110)와 치합되는 랙 기어(121)가 형성되고, 타측에는 스크류(122)가 형성된다. 이처럼, 스티어링 링크부재(120)의 피니언 기어(110)에 랙 기어(121)가 치합됨으로써, 랙 기어(121)가 전후로 이동하게 되면 차량의 핸들이 피니언 기어(110)에 의해 좌우로 회전하게 된다.

벨트풀리(130)는 스크류(122) 축에 삽입 연결된 종동풀리(131)와, 종동풀리(131)와 벨트(133)에 의해 연결된 구동풀리(132)로 이루어질 수 있다. 여기서, 스티어링 링크부재(120)와, 벨트풀리(130)는 하우징(150)을 구비하여 그 내부에 삽입될 수 있는데, 이는 외부로부터 유입되는 이물질을 차단하고 작업자의 안전을 도모하기 위함이다.

도 4는 종동풀리(131)의 도면으로서, 도 4를 참조하면, 종동풀리(131)는 수지 소재로 형성될 수 있다. 이처럼, 종동풀리(131)가 수지 소재로 형성됨에 따라, 그 무게가 종래의 스틸 소재로 형성된 종동풀리의 무게보다 약 1/4로 감소될 수 있다. 이와 같이, 종동풀리(131)가 경량화 됨에 따라, 종래의 스틸 소재로 형성된 종동풀리를 사용하였을 때보다 차량의 운전시 핸들의 조타력이 향상되게 된다.

종동풀리(131)는 내부에 관통공이 형성된 원기둥 형상의 몸체부(131a)와, 몸체부(131a)의 일측에 형성되고 종동풀리(131)의 둘레면과 수직된 방향으로 돌출된 이탈 방지부(131b)로 이루어질 수 있다.

이때, 몸체부(131a)의 외륜에는 일측으로 경사각이 형성된 다수의 벨트 홈(131c)들이 이격되어 형성될 수도 있는데, 이는 벨트(133)가 종동풀리(131)의 경사진 벨트 홈(131c)들을 따라 회전할 수 있도록 하기 위함이다.

이때, 종동풀리(131)의 타측에는 하우징(150)이 배치될 수 있는데, 이는 종동풀리(131)의 회전시 벨트(133)가 이탈 방지부(131b)와 하우징(150) 사이에 배치되어 벨트(133)가 종동풀리(131)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위함이다.

이에 따라, 종동풀리(131)의 일측은 이탈 방지부(131b)에 의해 막혀 있고, 타측은 하우징(150)에 의해 막혀 있으므로, 종동풀리(131)의 일측에만 이탈 방지부(131b)를 구비하여도 벨트(133)가 외부로 이탈하지 않게 된다. 이때, 벨트 홈(131c)들의 경사각은 하우징(150)에서 이탈 방지부(131b)가 구비된 방향으로 약 5˚로 형성됨이 바람직하나, 이는 실시자의 필요에 따라 달라질 수 있다.

도 5는 구동풀리(132)의 도면으로서, 도 5를 참조하면, 구동풀리(132)는 수지 소재로 형성되며, 내부에 관통공이 형성된 원기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 이처럼, 구동풀리(132)가 수지 소재로 형성됨에 따라, 그 무게가 종래의 스틸 소재로 형성된 구동풀리의 무게보다 약 1/4로 감소될 수 있다. 이와 같이, 구동풀리(132)가 경량화 됨에 따라, 종래의 스틸 소재로 형성된 구동풀리를 사용하였을 때보다 차량의 운전시 핸들의 조타력이 향상되게 된다.

구동풀리(132)의 외륜에는 일측으로 경사각이 형성된 다수의 벨트 홈(132a)들이 이격되어 형성될 수도 있는데, 이는 벨트(133)가 구동풀리(132)의 경사진 벨트 홈(132a)들을 따라 회전할 수 있도록 하기 위함이다.

이때, 구동풀리(132)의 일측에는 회전 액추에이터(140)가 결합될 수 있는데, 이는 구동풀리(132)의 회전시 벨트(133)가 구동풀리(132)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위함이다.

예를 들어, 구동풀리(132)의 일측 방향으로 벨트 홈(132a)이 형성되게 되면, 벨트(133)가 구동풀리(132)의 일측 방향을 따라 회전 이동하게 되는데, 이렇게 되면 벨트(133)가 구동풀리(132)의 일측으로 치우치게 되어 이탈할 수 있기 때문이다. 따라서, 구동풀리(132)의 일측에 회전 액추에이터(140)를 위치시키게 되면 벨트(133)의 측면이 회전 액추에이터(133)에 지지되어 구동풀리(132)로부터 이탈하지 않게 된다.

이때, 벨트 홈(132a)들의 경사각은 약 5˚로 형성됨이 바람직하나, 이는 실시자의 필요에 따라 달라질 수 있다.

종동풀리(131) 및 구동풀리(132)의 소재로서 수지는 페놀(Phenol), 폴리프탈아미드(PPA, Polypthalamide), 폴리페닐렌 설파이드(PPS:Polyphenylene sulfide)중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.

페놀(Phenol)로 이루어진 수지는 분해온도가 높은 분자구조를 갖고 있기 때문에 고내열, 고내구성이 뛰어나고, 가공성, 치수 안정성, 전기 절연성 및 내산성 등이 우수하며, 고온에서도 강성을 유지할 수 있는 장점이 있다.

폴리프탈아미드(PPA, Polypthalamide)로 이루어진 수지는 분자 주쇄 중에 방향족 구조를 가지고 있기 때문에 고강도, 고강성, 고내열, 치수 안정성 등에 우수하며, 내충격성이 강하고 고온에서도 강성을 유지할 수 있는 장점이 있다.

폴리페닐렌 설파이드(PPS:Polyphenylene sulfide)는 치수 안정성이 가장 뛰어난 열가소성 수지 중 하나로, 고내열, 고강도, 가공성이 우수하고, 수분 흡수율이 거의 없어 내화학성이 우수한 장점이 있다.

회전 액추에이터(140)의 회전 축은 구동풀리(132)의 내륜에 삽입되어 구동풀리(132)를 회전 구동시킨다. 따라서, 회전 액추에이터(140)가 좌우로 회전 구동하게 되면, 구동풀리(132)의 동력이 벨트(133)를 통해 스티어링 링크부재(120)로 부가된다. 이때, 회전 액추에이터(140)는 운전자가 핸들을 좌우로 회전시키게 되면, 차량에 내장된 조향토크센서에 의해 동작하게 되며, ECU 에서 회전 액추에이터(140)의 동력을 제어하게 된다.

이에 따라, 운전자가 핸들을 회전시키게 되면, 차량에 내장된 조향토크센서에 의해 회전 액추에이터(140)가 동작하게 되며, 회전 액추에이터(140)의 회전 축에 연결된 구동풀리(132)가 함께 회전하게 된다. 이처럼 구동풀리(132)가 회전하게 되면, 구동풀리(132)와 벨트(133)에 의해 연결된 종동풀리(131) 또한 함께 회전하게 되고, 종동풀리(131)의 내륜에 삽입된 스크류(122)가 회전하며 스티어링 링크부재(120)를 전방 또는 후방으로 이동시키게 된다. 이에 따라, 스티어링 링크부재(120)의 일측에 형성된 랙 기어(121)가 회전하며 전방 또는 후방으로 이동하게 되고, 랙 기어(121)와 치합된 피니언 기어(110) 또한 회전하게 되어 피니언 기어(110)와 연결된 핸들의 조타력을 조절하게 되는 것이다.

전술한 바와 같이, 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치는(100)는 엔진동력을 사용하지 않고 모터를 통해 스티어링 장치를 제어하게 되므로, 연비효율이 향상된다.

또한, 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)를 수지 소재로 형성하여 그 무게를 스틸 소재로 형성된 종동풀리의 무게보다 약1/4로 감소시킴으로써, 차량의 운전시 핸들의 조타력을 향상시키게 된다.

또한, 종래에는 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)의 몸체부(131a, 132a)를 스틸 소재로 형성하고, 하우징(150)을 수지 소재로 형성함으로써, 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)의 성형시 하우징(150)과 몸체부(131a, 132a)를 각각 사출 성형한 후, 하우징(150)에 몸체부(131a, 132a)를 인서트 해야 하므로 작업 공정이 번거로웠는데, 본 발명은 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)의 전체 부위를 수지 소재로 형성하여 한번의 사출 공정만으로 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)를 제작할 수 있게 되어 작업공수가 줄어들게 된다.

또한, 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)를 수지 소재로 형성하여 종래 각각의 종동풀리 및 구동풀리 무게보다 약1/4로 감소시킴으로써, 종동풀리(131) 및 구동풀리(132)의 회전 구동시 벨트(133)와의 마찰음이 저하되게 된다.

아울러, 종동풀리(131)의 몸체부(131a) 외륜에 경사각이 형성된 다수의 벨트 홈(131c)들을 구비하여, 종동풀리(131)의 일측에만 이탈 방지부(131b)를 형성함으로써 종동풀리(131)의 무게를 더욱 감소시키고, 벨트(133) 측면부의 마모를 줄일 수 있게 된다.

또한, 구동풀리(132)의 외륜에 경사각이 형성된 다수의 벨트 홈(132a)들을 구비하여, 구동풀리(132)의 양측에 형성된 이탈 방지부(131b)를 제거함으로써 구동풀리(132)의 무게를 더욱 감소시키고, 벨트(133) 측면부의 마모를 줄일 수 있게 된다.

도 6 및 도 7은 종동풀리의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 종동풀리(231)는 몸체부(131a)의 내부에 스틸 소재의 지지부(131d)를 더 구비할 수도 있다. 이때, 지지부(131d)는 관통공이 형성된 원기둥 형상으로 이루어져, 종동풀리(231)의 내부에 삽입되어 결합될 수 있다.

이처럼, 스틸 소재의 지지부(131d)가 수지 소재의 종동풀리(231) 내부에 삽입됨에 따라 종동풀리(231)의 회전시 몸체부(131a)의 내륜이 스티어링 링크부재(120)에 의해 쉽게 마모되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 도 7을 참조하면, 종동풀리(331)는 지지부(131d)의 일측에 지지부(131d)의 둘레면과 수직된 방향으로 돌출된 이탈 방지부(131e)를 더 구비할 수도 있다. 이때, 지지부(131d)에 형성된 이탈 방지부(131e)는 몸체부(131a)의 이탈 방지부(131b)와 대응되게 형성되고, 지지부(131d)가 몸체부(131a)에 삽입 되었을 때 몸체부(131a)의 이탈 방지부(131b)와 대향하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 이탈 방지부(131b, 131e)들은 몸체부(131a)의 양측에 각각 배치되게 된다.

이처럼, 이탈 방지부(131b, 131e)들이 몸체부(131a)의 양측에 각각 배치됨에 따라 종동풀리(331)의 회전시 벨트(133)의 양 측면이 이탈 방지부(131b, 131e) 사이에 지지되어 벨트(133)의 이탈을 보다 안정적으로 방지할 수 있게 된다.

도 8 및 도 9은 구동풀리의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 구동풀리(232)는 내부에 스틸 소재의 지지부(132b)를 더 구비할 수도 있다. 이때, 지지부(132b)는 관통공이 형성된 원기둥 형상으로 이루어져, 구동풀리(232)의 관통공 내부에 삽입되어 결합될 수 있다.

이처럼, 스틸 소재의 지지부(132b)가 수지 소재의 구동풀리(232) 내부에 삽입됨에 따라 구동풀리(232)의 회전시 구동풀리의(232) 내륜이 스티어링 링크부재(120)에 의해 쉽게 마모되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 도 9를 참조하면, 구동풀리(332)는 구동풀리(332)의 일측에 구동풀리(332)의 둘레면과 수직된 방향으로 돌출된 이탈 방지부(132c)를 더 구비할 수도 있다. 이때, 회전 액추에이터(140)는 구동풀리(332)의 타측에 배치되어 이탈 방지부(132c)와 대향되게 배치될 수 있는데, 이는 구동풀리(332)가 회전할 때 벨트(133)가 회전 액추에이터(140)와 이탈 방지부(132c) 사이에 지지되어 벨트(133)의 이탈을 보다 안정적으로 방지하기 위함이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

제조예. 유무기 복합소재 조성비

본 발명의 유무기 복합소재를 제조하기 위한, 원재료의 조성비(배합비)를 하기의 표 1에서와 같이 준비한다.

구분	조성비
시료 1	PPS 75 wt% + GF 20 wt% + AF 5 wt%
시료 2	PPS 70 wt% + GF 20 wt% + AF 5 wt% + CB 5 wt%
시료 3	PPS 70 wt% + GF 20 wt% + AF 10 wt%
시료 4	PPS 65 wt% + GF 30 wt% + AF 5 wt%
시료 5	PPS 70 wt% + GF 20 wt% + AF 5 wt% + 세라믹 5 wt%
시료 6	PPS 60 wt% + GF 30 wt% + AF 5 wt% + CB 5 wt%

상기 표 1에서, PPS는 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylensulfied), GF는 유리섬유(Glss Fiber), AF는 아라미드 섬유(Aramid Fiber), 세라믹은 세라믹 섬유(Ceramic micro Fiber), CB는 카본블랙(Carbon Black)을 의미한다.

실시예. 유무기 복합소재의 제조

상기 제조예에서 준비된 시료 1 내지 6에 대하여, 압출기를 이용하여 복합소재를 제조한다.

복합소재의 제조 시, 하기의 표 2에 기재된 압출기의 실린더 온도 조건, 스크류(screw)의 속도, 원재료의 공급(Feeder)속도에 따라 복합소재를 제조하였다.(하기 표 2의 원재료 공급속도에서, Main은 PPS의 공급속도이며, Second는 AF, 미네랄 및/또는 CB의 공급속도이며, Side는 GF의 공급속도이다.)

한편, 실시예 5의 경우, 압출조건을 1차와 2차의 연속공정에 의하여 수행한다.

구분	원재료	압출조건
		온도	screw속도		원재료 공급(Feeder) 속도
		온도	screw속도		Main	Second	side
실시예 1	시료 1	260~280 ℃	170 rpm		17 Hz	3.5 Hz	4.1 Hz
실시예 2	시료 2	260~280 ℃	300 rpm		6.2 rpm	12.5 Hz	3 Hz
실시예 3	시료 3	260~280 ℃	170 rpm		17 Hz	9.5 Hz	4.1 Hz
실시예 4	시료 4	260~280 ℃	250 rpm		2.7 rpm	10 Hz	1.3 Hz
실시예 5	시료 5	260~280 ℃	1차	170 rpm	17 Hz	3.5 Hz	4.1 Hz
실시예 5	시료 5	260~280 ℃	2차	170 rpm	8 Hz	1.1 Hz	-
실시예 6	시료 6	260~280 ℃	250 rpm		2.7 rpm	10 Hz	1.3 Hz

실험예 1. 파단면 확인(SEM)

본 발명의 유무기 복합소재의 계면 상용성을 확인하고자, 상기 실시예에서 제조된 유무기 복합소재의 파단면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 확인하였으며, 확인결과를 도 10((a): 실시예 1, (b): 실시예 2, (c): 실시예 3, (d): 실시예 4, (e): 실시예 5, (f): 실시예 6)에 도시하였다.

도 10을 참조하면, 유리 섬유(GF)와 아라미드 섬유(AF)는 PPS 매트릭스와 우수한 상용성으로 인하여 섬유 표면에 남아 있는 것을 확인할 수 있으며, 배향 및 분산도가 일정 정도 이상 확보된 것을 알 수 있다.

실험예 2. 열중량 분석(TGA)

상기 실시예에서 제조된 유무기 복합소재와, 비교예로서 순수한 PPS 수지에 대하여 열중량 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 11에 도시하였다.

도 11을 참조하면, 실시예에서 제조된 유무기 복합소재의 무기섬유 함량은 비교예인 순수 PPS 수지의 잔량과 대비하여, 20 내지 30 wt%이상 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 유무기 복합소재 제조시 초기 투입했던 유리섬유 및 무기술 등이 압출 후에도 유지되고 있으며, 균일한 혼합이 이루어졌음을 알 수 있다.

실험예 3. 기계적 물성 평가

상기 실시예에서 제조된 유무기 복합소재의 인장강도(ASTM D638), 굴곡탄성율(ASTM D790) 및 충격강도(ASTM D256) 시험을 수행하였으며, 수행결과를 도 12(인장강도), 도 13(굴곡탄성율) 및 도 14(충격강도)에 도시하였다.

도 12를 참조하면, 인장강도가 순수 PPS 수지(55 MPa)보다 향상된 것을 확인할 수 있으며, 도 13을 참조하면 굴곡탄성률이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는, 본 발명의 유무기 복합소재에서 유리섬유의 분산에 따른 보강 효과인 것으로 추정되며, 유리섬유가 외부에서 가해지는 하중의 상당부분을 흡수하여 강화효율이 향상되었을 것으로 사료된다.

한편, 도 12에서, 아라미드 섬유의 함량을 5 wt%에서 10 wt%(실시예 3)으로 향상시키면 인장강도가 감소한다. 또한, 카본블랙(실시예 2, 실시예 6)과 세라믹 섬유(실시예 5)을 추가하였을 경우에도 인장강도 값은 감소한다.

도 13에서, 굴곡탄성율의 경우, 유리 섬유 이외에 필러(아라미드 섬유, 카본블랙) 추가함에 따가 감소하는 경향을 보인다.(실시예 2, 실시예 5, 실시예 6) 실시예 1, 실시예 4 및 실시예 6의 굴곡탄성율은 모두 10 GPa 이상을 보인다.

도 14에서, 충격강도의 값이 향상된 것을 확인할 수 있으며, 특히, 실시예1, 실시예 2 및 실시예 4는 5.0 KJ/m² 이상의 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.

실험예 4. 마찰 특성 평가

상기 실시예에서 제조된 유무기 복합소재(실시예 1, 실시예 2, 실시예 6) 및 추가 조성비에 따른 실시예 7(PPS 53 wt% + GF 40 wt% + AF 5 wt% + CB 2 wt%)을 풀리(Pulley)에 적용한 시편을 마찰 및 마모 특성을 시험하였다. 시편을 시험장비 상하부에 장착한 후, 일정 하중(50 N) 하에서 왕복운동 시켜 마찰계수 및 마모량을 확인하였으며, 마찰계수의 결과를 도 15에 도시하고, 마모량의 결과치를 하기 표 3에 정리하였다.

시험편	상부무게(g)		마모량 (%)	하부부무게(g)		마모량 (%)
시험편	시험전	시험후	마모량 (%)	시험전	시험후	마모량 (%)
실시예 1 (PPS 75 wt%/GF 20 wt%/AF 5 wt%)	0.427	0.425	0.375	10.467	10.465	0.021
실시예 2 (PPS 70 wt%/GF 20 wt%/AF 5 wt%/CB 5 wt%)	0.417	0.416	0.240	10.047	10.046	0.012
실시예 6 (PPS 60 wt%/GF 30 wt%/AF 5 wt%/CB 5 wt%)	0.416	0.415	0.360	10.187	10.185	0.025
추가 실시예 (PPS 53 wt%/GF 40 wt%/AF 5 wt%/CB 2 wt%)	0.442	0.440	0.407	11.211	11.208	0.027

도 15를 참조하면, 실시예 1과 실시예 2를 대비하면, 카본블랙(CB)의 존재유무에 따라 마찰계수가 0.36에서 0.26으로 감소하였응며, 이는 카본블랙의 우수한 윤활특성에 기인한 것으로 사료된다. 한편, 유리섬유의 함량에 비례하여 마찰계수는 증가하였으며, 이는 마찰 시험 시작 이후 유리섬유가 풀리 표면으로 드러남으로서 마찰계수가 상승한 것으로 판단된다. 유리섬유 함량이 높은 복합재료의 마찰계수가 상대적으로 높으므로 마찰 마모 실험 시 시편에 가해지는 응력이 클 것으로 예상된다.

표 3을 참조하면, 유리섬유 분유리 증가함에 따라 마모량이 상대적으로 높은 경향을 보인다. 유리섬유는 아마미드 섬유에 비해 마모성질이 낮아지나, 가격이 저렴하고 강화효율이 우수한 장점이 있다. 따라서, 아라미드 섬유와 유리 섬유를 함께 사용함으로써, 하이브리드화에 의한 고강성 내마모 복합소재를 제조할 수 있다.

적용례. 시제품 제작

상기 실시예 1 내지 6에서 제조된 유무기 복합소재를 이용하여, 본 발명의 도 4에 도시된 종동풀리로서 볼 너트 풀리(Ball Nut Pulley) 및 본 발명의 도 5에 도시된 구동풀리로서 모터 풀리(Motor Pulley)를 제작하였다.

실험예 5. 강도 평가 분석

상기 적용례에서 제조된 시제품인 볼너트 풀리와 모터 풀리에 대하여 하기 표 4의 조건으로 강성 시험 및 Flang 파손 시험을 수행하였으며, 그 결과를 각각 도 16(볼너트 풀리 강성 시험), 도 17(모터 풀리 강성 시험), 도 18(볼너트 풀리 플렌지 파손 시험) 및 도 19(모터 풀리 플랜지 파손 시험)에 도시하였다.

시험 장비	: 만능 재료 시험기
시험 조건	: 설정 하중(5,000 kgf), 시험 속도(20 mm/min)
시험 방법	: 지그에 제품 고정 후 시험 조건 값으로 힘을 가함

도 16 및 도 17을 참조하면, 강성 시험에서 각각의 시제품에 필요한 기준 값(볼너트 풀리: 1,500 N, 모터풀리: 30,000 N)을 충족하는 것을 확인할 수 있다.

도 18 및 도 19를 참조하면, Flang 파손 시험에서 각각의 시제품에 필요한 기준값(볼너트 풀리: 40,000 N, 모터풀리: 400 N)을 충족하는 것을 확인할 수 있다.(도 18의 경우, 최대 측정 범위의 값이 50,000 N으로, 최대 측정 값에서 볼너트 풀리(시제품)이 파손되지 않았다.)

실험예 6. 진동소음 시험 평가

상기 적용례에서 제조된 시제품인 볼너트 풀리와 모터 풀리에 대하여 하기 표 5의 조건으로 진동소음 시험 평가를 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 6에 정리하였다.

시험 장비	: 진동 소음 시험기
시험 조건	: 모터 RPM - 400 내지 2500, 속도측정 - 축력방향
시험 방법	: 볼너트 풀리, 모터 풀리의 가속도 센서를 부착하여 실 구동 상사 조건상의 가속도 및 음압(진동소음) 측정

구분	시험결과(dB)
실시예 1	- 14.1
실시예 2	- 20.2
실시예 3	- 13.1
실시예 4	- 17.3
실시예 5	- 11.9
실시예 6	- 16.7

표 5를 참조하면, 모든 실시예에 따른 유무기 복합소재를 적용한 시세품에서 우수한 소음저감효과가 있음을 확인하였으며, 실시예 2, 실시예 4 및 실시예 6의 순서로 우수한 것을 확인할 수 있다.

실험예 7. 내구 수명 시험 평가

상기 적용례에서 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 5의 유무기 복합소재를 이용하여 제작된 모터 풀리 시제품에 대하여 하기 표 7의 조건 하에서 내구 수명 평가시험을 수행하였으며, 수행결과를 하기 표 8에 정리하였다.

시험 장비	: MCR(Multi Cycle Rig) 내구 시험기
시험 조건	: 모터 풀리(Torque: 6 Nm, 900 RPM)
시험 조건	: 정방향 및 역방향 15회전

구분	Cycle
실시예 2	4,500,000
실시예 3	4,500,000
실시예 5	5,500,000

실험예 8. 열변형온도(HDR)

상기 실시예 2에서 제조된 유무기 복합소재에 대하여 열변형온도(HDT)(ASTM D648) 평가를 수행하였으며, 수행 결과 257 ℃ 값을 확인하였다.

실험예 9. 경량성 평가

상기 적용례에서 실시예 2의 유무기 복합소재로 제조된 시제품인 볼너트 풀리와 모터 풀리를 각각 5개 제작한 후, 기존의 steel 제질로 제작된 볼 너트 풀리와 모터 풀리와 대비함으로써, 하기 표 9에 따라 경량성을 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 10에 정리하였다.

시험 방법	: 기존 스틸 제품 대비 경량화
	: 전자저울을 이요한 스틸 제품 중량과 본 발명의 적용례에 따른 시제품 중량 비교를 통한 경량화 % 산출
	: 경량화(%) = ((기존 스틸 제품 무게 - 유무기 복합소재 시제품)/기존 스틸 제품 무게) × 100

	Ball Nut Pulley 중량(g)	Motor Pulley 중량(g)	중량합계(g)	경량화(%)
기존 제품(steel)	247.08	83.76	330.84	-
시제품 1	138.70	59.19	197.89	40.19
시제품 2	138.39	59.29	197.68	40.25
시제품 3	138.68	59.33	198.01	40.15
시제품 4	138.63	59.37	198	40.15
시제품 5	137.55	59.23	196.78	40.52
평균				40.25

표 10을 참조하면, 기존 steel 재질의 제품에 비하여 약 40% 이상 경량화되었음을 확인할 수 있다.

실험예 10. 슬립 토크

상기 실험예 9에서 제작된 시제품 1 내지 4에 대하여 하기 표 11에 따라 슬립토크 시험 평가를 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 12에 정리하였다.

시험 장비	: 토크렌치
시험 방법	: 시제품에 샤프트 핀을 삽입하여 전용시험 지크 장착 후 토크테스터를 이용하여 슬립토크 측정

	시제품 1	시제품 2	시제품 3	시제품 4	평균
슬립토크	45.3 N·m	51.2 N·m	41.6 N·m	45.7 N·m	45.9 N·m

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

100 : 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치
110 : 피니언 기어
120 : 스티어링 링크부재
121 : 랙 기어 122 : 스크류
130 : 벨트풀리
131 : 종동풀리 132 : 구동풀리
133 : 벨트
140 : 회전 액추에이터
150 : 하우징

Claims

PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드). 유리 섬유(Glass fiber) 및 아라미드 섬유(Aramid Fiber)를 포함하는 유무기 복합소재.
제 1 항에 있어서,
세라믹섬유(Ceramic micro fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유무기 복합소재.
내부에 차량의 핸들 축이 삽입 연결된 피니언 기어;
일측에는 상기 피니언 기어와 치합되는 랙 기어가 형성되고, 타측에는 스크류가 형성된 스티어링 링크부재;
상기 스크류 축에 삽입 연결된 종동풀리와, 상기 종동풀리와 벨트에 의해 연결된 구동풀리로 이루어진 벨트풀리; 및
상기 구동풀리의 내륜에 회전 축이 삽입되어 상기 구동풀리를 회전 구동시키는 회전 액추에이터;를 포함하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치에 있어서,
상기 벨트풀리는 유무기 복합 소재로 형성되며, 내부에 관통공이 형성된 원기둥 형상으로 이루어지고,
상기 유무기복합소재는 PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드). 유리 섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramid Fiber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리.
제 3 항에 있어서,
상기 유무기 복합소재는 세라믹섬유(Ceramic micro fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 벨트풀리는 상기 몸체부의 일측에 형성되고 상기 종동풀리의 둘레면과 수직된 방향으로 돌출된 이탈방지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리.
(1) PPS(Polyphenylensufide, 폴리페닐렌설파이드), 유리 섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramid Fiber)를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
(2) 상기 혼합물을 260 내지 280℃에서 170 내지 260 rpm의 스크류로 압출시키는 단계를 포함하는 유무기 복합소재 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 (1) 단계의 혼합물은 세라믹섬유(Ceramic micro fiber) 또는 카본블랙(Carbon black)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 랙타입 전동식 파워 스티어링 장치용 벨트풀리의 유무기 복합소재 제조 방법.