KR20200090434A - 휠 베어링 허브 제조 방법 및 휠 베어링 허브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휠 베어링 허브의 스틸부 외측 형상에 대응하는 상부 금형 및 하부 금형 간에 배치시킨 스틸 소재를 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형에 의해 가압하고, 상기 스틸부 내측 형상에 대응하는 펀치에 의해 상기 스틸 소재를 가압하는 1차 단조 단계, 상기 1차 단조 단계에 의한 상기 스틸부 상면에 접착제를 도포하는 단계, 상기 접착제를 도포하는 단계에 의해 형성된 접착층부 상에 알루미늄 프리폼을 적층하는 단계 및 상기 알루미늄 프리폼을 상기 휠 베어링 허브의 알루미늄부 형상에 대응하는 펀치에 의해 가압하는 2차 단조 단계를 포함하는 휠 베어링 허브 제조 방법으로서, 본 발명에 의하면, 휠 베어링을 구성하는 휠 베어링 허브를 형상 변경 및 강성 저하 없이 경량화할 수 있다.
Description
본 발명은 드라이브 샤프트를 통해 전달되는 회전력을 휠에 전달시키기 위한 휠 베어링의 허브를 제조하는 방법 및 그 휠 베어링 허브에 관한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 차량의 구동력은 파워트레인(PT)에서 발생한 구동력이 드라이브 샤프트(20)를 통해 전달된다.
그리고, 그 드라이브 샤프트(20)와 자동차 휠(W)에 결합됨으로써, 드라이브 샤프트(20)를 통해 전달되는 회전력을 휠(W)에 전달시키기 위한 것이 휠 베어링(10)이다.
휠 베어링(10)은 차체에 지지되어 고정되는 외륜체(11)와, 외륜체(11)의 내주면에 볼(13)을 사이에 두고 결합되는 허브(12), 차체 하중을 견디며 원활한 회전을 위해 복열로 장착되는 볼(13), 그리고 허브(12)의 외면 일 측에 결합되고, 외륜체(11)와 허브(12) 외주면 사이에 볼(13)에 가해지는 예압을 조절하는 내륜체(14)로 구성된다.
그리고, 도 3은 허브(12)를 별도 도시한 것으로서, 이를 함께 참조하면, 허브(12)는 허브 목부(12-1), 허브 플랜지부(12-2)로 구성되고, 허브 플랜지부(12-2)에 볼팅 홀(12-3)이 형성되어, 볼팅 홀(12-3)을 관통시킨 볼트(30)에 의해 휠(W)과 휠 베어링(10)이 결합된다.
이러한 휠 베어링(10)은 철강 소재를 열간단조 및 고주파 등의 열처리에 의해서 제조되는데, 그렇기 때문에 경량화에 한계가 있다.
휠 베어링(10)을 경량화하기 위해 전체적인 사이즈를 축소하게 되면 휠 베어링의 수명 및 강성이 부족해지는 문제가 있다.
특히, 허브(12)를 경량화하기 위해 허브 목부(12-1)의 두께를 축소시키는 경우에도 강성 부족의 문제가 있다.
그리고, 허브 플랜지부(12-2)의 두께를 감소시키면 단조가 불가능하게 되고, 허브 플랜지부(12-2)의 평단면상 면적을 줄이는 방향으로 형상을 변경하게 되면, 조향감이 저하되거나 브레이크 디스크 간의 런아웃 문제로 인한 소음 발생 우려가 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 휠 베어링을 구성하는 휠 베어링 허브를 형상 변경 및 강성 저하 없이 경량화할 수 있는 휠 베어링 허브 제조 방법 및 휠 베어링 허브를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 휠 베어링 허브의 스틸부 외측 형상에 대응하는 상부 금형 및 하부 금형 간에 배치시킨 스틸 소재를 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형에 의해 가압하고, 상기 스틸부 내측 형상에 대응하는 펀치에 의해 상기 스틸 소재를 가압하는 1차 단조 단계, 상기 1차 단조 단계에 의한 상기 스틸부 상면에 접착제를 도포하는 단계, 상기 접착제를 도포하는 단계에 의해 형성된 접착층부 상에 알루미늄 프리폼을 적층하는 단계 및 상기 알루미늄 프리폼을 상기 휠 베어링 허브의 알루미늄부 형상에 대응하는 펀치에 의해 가압하는 2차 단조 단계를 포함한다.
여기서, 상기 1차 단조 단계는 열간단조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 단조 단계는 냉간단조인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 알루미늄 프리폼은 알루미늄 소재를 금형에 의해 가압하여 프리폼한 후, 복수의 열처리 단계에 의해 제조하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복수의 열처리 단계는, 500℃~600℃의 온도로 열처리하는 1차 열처리 단계 및 상기 1차 열처리 단계의 온도보다 낮은 온도에 의해 조직을 균질화시키는 2차 열처리 단계를 포함한다.
나아가, 상기 2차 단조 단계에 의한 상기 휠 베어링 허브를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 접착제는 에폭시 수지를 주성분으로 하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 휠베어링 허브는, 스틸부와 알루미늄부 간에 접착층부를 포함하여 형성되고, 복수의 단조 공정에 의해 휠 베어링 허브의 목부 및 플랜지부의 형상으로 제조되며, 상기 목부의 외주면은 상기 스틸부로 구성되고, 상기 플랜지부의 하면은 상기 알루미늄부로 구성된다.
그리고, 상기 알루미늄부, 상기 접착층부, 상기 스틸부가 적층된 상기 플랜지부에는 복수의 볼팅홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 볼팅홀 중 일부 또는 전부의 볼팅홀은 상기 스틸부에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스틸부에 의해 둘러싸인 볼팅홀은 원뿔대 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 휠 베어링 허브 제조방법 및 휠 베어링 허브에 의하면, 스틸부와 함께 알루미늄부를 복합단조에 의해 구성시킴으로써 경량화가 가능하게 한다.
이 같은 방법에 의해 제조되는 휠 베어링 허브는 그럼에도 기존 스틸 제품에 비해 강성 및 품질 저하의 문제가 없게 한다.
도 1 및 도 2는 종래의 휠 베어링을 도시한 것이다.
도 3은 종래의 휠 베어링 허브를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 5b는 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 제조방법을 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명에 의한 휠 베어링 허브를 도시한 것이고, 도 6b는 도 6a의 X-X 단면을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 일 실시예의 부분 단면 형상을 도시한 것이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 인가 하중에 대한 강성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 휠 베어링 허브를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 5b는 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 제조방법을 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명에 의한 휠 베어링 허브를 도시한 것이고, 도 6b는 도 6a의 X-X 단면을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 일 실시예의 부분 단면 형상을 도시한 것이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 인가 하중에 대한 강성 실험 결과를 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 4a 내지 도 5b는 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 제조방법을 도시한 것이며, 도 6a는 본 발명에 의한 휠 베어링 허브를 도시한 것이고, 도 6b는 도 6a의 X-X 단면을 도시한 것이다.
이하, 도 4a 내지 도 6b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 휠 베어링 허브 제조 방법 및 휠 베어링 허브를 설명하기로 한다.
본 발명은 드라이브 샤프트로부터의 회전력을 휠에 전달시키는 휠 베어링을 구성하는 휠 베어링 허브를 경량화하기 위한 것으로서, 결론적으로 본 발명에 의한 휠 베어링 허브는 종래에 스틸 소재로만 제조되던 것과 달리 스틸 소재와 알루미늄 소재의 이종 재질로 제조된다.
본 발명은 휠 베어링 허브를 스틸 소재와 알루미늄 소재의 이종 재질로 제조하기 위해서 2단계의 복합 단조 공법에 의해 제조한다.
보통의 다른 부품의 경우와 같이 스틸 소재와 알루미늄 소재를 주조하는 방법에 의해서는 제조시 원가적인 이득은 있을 수는 있으나, 성형성 확보에는 어려움이 있다. 특히 허브 플랜지부의 두께가 얇기 때문에 더욱 그러하다.
그러므로, 주조에 의해 휠베어링 허브를 이종 소재로 제조하는 경우에는 주조시 발생된 기공에 의해 품질이 저하되는 등의 문제가 발생할 소지가 있다.
먼저 도 4a와 같이 휠베어링 허브(100) 하부 일부 형상에 대응하는 형상의 하부 금형(210) 상에 스틸 소재(111)를 배치시키고 가열한다. 스틸 소재(111)의 가열은 약 1,200℃에서 약 1hrs이 바람직하다.
그런 다음, 도 4b 및 도 4c와 같이 순차적으로 열간 단조 후 공냉시킨다.
즉, 열간 조건 하에서 휠베어링 허브(100)의 상부 일부 형상에 대응하는 형상의 상부 금형(230)을 프레스(220)에 의해 하부 금형(210) 측으로 하강시켜 스틸 소재(111)의 상면을 가압함으로써 휠베어링 허브(100)의 일차 형상이 만들어지게 한다.
그런 다음, 상부 금형(230) 및 하부 금형(210)을 각각 관통하는 펀치(241, 242)가 스틸 소재(111)를 상하로부터 가압하여 도 4c와 같이 휠베어링 허브(100)의 스틸부(110) 형상으로 가공되게 한다.
도시와 같이, 휠베어링 허브(100)의 목부 내주 및 외주 형상이 만들어진다.
본 발명은 이러한 1차 단조 후 후술할 도 4e와 같은 2차 단조에 의해 휠베어링 허브를 제조한다.
이를 위해 먼저 도 5a와 같이, 알루미늄 프리폼 제조를 위한 하부 금형(310) 상에 알루미늄 소재(131)를 배치시키고, 도 5b와 같이 알루미늄 프리폼 제조를 위한 상부 금형(330)을 프레스(320)에 의해 하부 금형(310) 측으로 하강시켜 알루미늄 소재(131)의 상면을 가압함으로써 알루미늄 프리폼(132)을 제조한다. 그 후 1차 열처리, 수냉??칭, 2차 열처리를 수행한다.
이와 같은 열처리는 알루미늄의 강도를 확보하기 위한 용체화 및 시효 열처리 과정이다.
1차 열처리는 알루미늄 합금 내 시효경화에 관계되는 첨가원소를 충분히 고용시킨 후 상온에서 유지시켜 처리한다.
즉, 500℃~600℃에서의 용체화에 의해 시효경화에 관계되는 첨가 원소를 고용화시키는 것이고, 보다 바람직하게는 약 530℃ 4hrs 일 수 있다.
2차 열처리는 조직 균질화를 위해 약 100℃ 2hrs 처리하는 프리에이징(pre-aging) 과정이다.
그런 다음, 도 4d와 같이 도 4c의 상태의 스틸부(110) 상면 상에 알루미늄 프리폼(132)을 적층시킨다.
그리고, 이종 재질 간의 접합력을 위해서 스틸부(110)와 알루미늄 프리폼(132) 간에 접착제를 도포하여 접착층부(120)를 형성시킨다.
접착층부(120)를 구성하는 접착제는 에폭시 수지를 주성분으로 하고 충진제를 첨가한 페이스트 상일 수 있으며, 이러한 접착제에 의해 접착 및 갈바닉 부식을 막기 위한 물리적 차단이 가능하게 한다.
이 같은 접착제의 구성은 또한 이후 열처리 과정에서 접착 성능 구현을 위해서도 요구되는 바이다.
만약 상온 경화 가능한 접착제를 사용하게 되면, 접착층부의 도포량 조절이 어려워져 불균질하게 도포가 되며, 그럴 경우 접합 강도 확보 및 갈바닉 부식의 물리적 차단이 불가능해진다.
다음으로, 도 4e와 같이, 상부 펀치(242)가 알루미늄 프리폼(132)을 가압함으로써 스틸부(110), 접착층부(120), 알루미늄부(130)가 적층된 휠베어링 허브 형상을 형성시킨 후 도 4f와 같이 열처리를 통해서 도 6a와 같은 휠베어링 허브(100)를 제조한다.
도 4e에서의 2차 단조 공정은 열간조건에서가 아닌 냉간단조를 실시한다.
알루미늄과 스틸은 열팽창/수축계수가 다르기 때문에 고온단조 후 상온으로 식어가는 과정에서 열수축 계수가 큰 쪽과 작은 쪽 사이에 틈새가 발생될 수가 있는데, 본 발명은 냉간단조를 통해 계면 공차를 최소화한다.
도 4f에서의 3차 열처리는 알루미늄 석출 강화 및 접착제의 경화를 위한 열처리로서, 일 예로 175℃, 8hrs일 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 3차에 걸친 열처리를 통해 강성을 확보한다.
본 발명은 알루미늄 소재를 냉간 성형 후 열처리하는 것이 아니라, T8 열처리에 의해 용체화 후 성형, 시효의 순으로 열처리를 진행한다. 왜냐하면, 냉간 성형 후 T6 열처리에 의해서는 성형 후 접착제의 도포가 불가하기 때문이다.
나아가, 본 발명은 T8 열처리(1차)에 프리에이징(2차)을 실시하여 최종 시효 열처리(3차)함으로써 T6와 동등 강성을 확보하면서도 접착제의 사용이 가능하도록 하는 것이다.
도시와 같이, 휠베어링 허브(100)는 소재별로 스틸부(110), 접착층부(120) 및 알루미늄부(130)로 구성되고, 형태적으로는 드라이브 샤프트가 관통 결합되는 내부 홀이 형성된 목부와 휠에 결합되기 위한 평면상 원판 형상의 플랜지부로 구성된다.
또한, 플랜지부에는 휠(wheel)과의 볼트 결합을 위한 볼팅홀(140)이 복수 형성된다.
도 6b와 같이 볼팅홀(140)은 원뿔대 형상, 즉 도시상 하방향으로 갈수록 홀의 직경이 상방향에 비해 커지는 형상일 수 있다.
이는 스틸부(110)와 알루미늄부(130)의 이종 재질간 축방향 분리를 방지할 수 있는 역할을 한다.
도 7은 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 물성평가를 위한 부분 단면 형상 및 제원을 도시한 것이다.
도 7과 같은 실험예에 의해 알루미늄부(130)는 고정시키고 스틸부(110)에 상방향으로 힘을 가하여 접착 강도를 실험한 결과 평균 305MPa의 강도가 측정되었다.
비교예로서, 도 7과 같은 동일한 제원을 갖되 접착층부가 없고 원뿔대 형상의 볼팅홀이 형성된 경우에는 평균 280MPa, 도 7과 같은 동일한 제원을 갖되 접착층부가 있고 원통 형상의 볼팅홀이 형성된 경우에는 평균 260MPa, 도 7과 같은 동일한 제원을 갖되 접착층부가 없고 원통 형상의 볼팅홀이 형성된 경우에는 평균 230MPa로 측정되었다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 의한 휠 베어링 허브의 위치별 인가 하중에 대한 강성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 알루미늄부에 대한 실험 결과로서, 인가 하중에 따라 표 1과 같은 결과를 나타내었다.
| Major Principal stress [MPa] | ||||
| Spec. | Ref. 250MPa | |||
| Point | A | B | C | |
| Load | 0.6G | 82 | 75 | 58 |
| 0.7G | 101 | 92 | 71 | |
| 0.8G | 121 | 111 | 84 | |
| 0.9G | 142 | 131 | 97 | |
| 1.0G | 165 | 155 | 107 | |
| 1.1G | 190 | 185 | 116 | |
| 1.2G | 219 | 221 | 118 | |
도 10 및 도 11은 스틸부에 대한 실험 결과로서, 인가 하중에 따라 표 2와 같은 결과를 나타내었다.
이러한 결과는 기존의 스틸 소재로만 제조된 휠베어링 허브와 동등한 수준의 물성을 나타내며, 본 발명의 휠베어링 허브는 그럼에도 기존 스틸 소재의 휠베어링 허브에 비해 약 22%의 경량화가 가능하게 한다.
| Major Principal stress [MPa] | ||||
| Spec. | Ref. 580MPa [제어냉각 부] |
TBD(880MPa이상) [고주파열처리 부] |
||
| Point | D | E | F | |
| Load | 0.6G | 82 | 336 | 351 |
| 0.7G | 101 | 402 | 408 | |
| 0.8G | 121 | 473 | 469 | |
| 0.9G | 142 | 546 | 533 | |
| 1.0G | 165 | 624 | 600 | |
| 1.1G | 190 | 708 | 674 | |
| 1.2G | 219 | 799 | 754 | |
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
100 : 휠 베어링 허브
110 : 스틸부 120 : 접착층부
130 : 알루미늄부 140 : 볼팅홀
210 : 하부 금형
220 : 프레스
230 : 상부 금형
241, 242 : 펀치
110 : 스틸부 120 : 접착층부
130 : 알루미늄부 140 : 볼팅홀
210 : 하부 금형
220 : 프레스
230 : 상부 금형
241, 242 : 펀치
Claims (11)
- 휠 베어링 허브의 스틸부 외측 형상에 대응하는 상부 금형 및 하부 금형 간에 배치시킨 스틸 소재를 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형에 의해 가압하고, 상기 스틸부 내측 형상에 대응하는 펀치에 의해 상기 스틸 소재를 가압하는 1차 단조 단계;
상기 1차 단조 단계에 의한 상기 스틸부 상면에 접착제를 도포하는 단계;
상기 접착제를 도포하는 단계에 의해 형성된 접착층부 상에 알루미늄 프리폼을 적층하는 단계; 및
상기 알루미늄 프리폼을 상기 휠 베어링 허브의 알루미늄부 형상에 대응하는 펀치에 의해 가압하는 2차 단조 단계를 포함하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 1차 단조 단계는 열간단조인 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차 단조 단계는 냉간단조인 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 프리폼은 알루미늄 소재를 금형에 의해 가압하여 프리폼한 후, 복수의 열처리 단계에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 복수의 열처리 단계는,
500℃~600℃의 온도로 열처리하는 1차 열처리 단계; 및
상기 1차 열처리 단계의 온도보다 낮은 온도에 의해 조직을 균질화시키는 2차 열처리 단계를 포함하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차 단조 단계에 의한 상기 휠 베어링 허브를 열처리하는 단계를 더 포함하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 접착제는 에폭시 수지를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브 제조 방법. - 스틸부와 알루미늄부 간에 접착층부를 포함하여 형성되고, 복수의 단조 공정에 의해 휠 베어링 허브의 목부 및 플랜지부의 형상으로 제조되며, 상기 목부의 외주면은 상기 스틸부로 구성되고, 상기 플랜지부의 하면은 상기 알루미늄부로 구성되는,
휠 베어링 허브. - 청구항 8에 있어서,
상기 알루미늄부, 상기 접착층부, 상기 스틸부가 적층된 상기 플랜지부에는 복수의 볼팅홀이 형성된 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브. - 청구항 9에 있어서,
상기 복수의 볼팅홀 중 일부 또는 전부의 볼팅홀은 상기 스틸부에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브. - 청구항 10에 있어서,
상기 스틸부에 의해 둘러싸인 볼팅홀은 원뿔대 형상인 것을 특징으로 하는,
휠 베어링 허브.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190007464A KR102621917B1 (ko) | 2019-01-21 | 2019-01-21 | 휠 베어링 허브 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200090434A true KR20200090434A (ko) | 2020-07-29 |
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| KR1020190007464A KR102621917B1 (ko) | 2019-01-21 | 2019-01-21 | 휠 베어링 허브 제조 방법 |
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| KR (1) | KR102621917B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR950008024A (ko) * | 1993-09-22 | 1995-04-15 | 한승준 | 차체용 알루미늄판의 접합 방법 |
| JP2014208879A (ja) * | 2013-03-29 | 2014-11-06 | 株式会社神戸製鋼所 | 自動車用アルミニウム合金鍛造材及びその製造方法 |
| KR20140142883A (ko) | 2013-06-05 | 2014-12-15 | 현대위아 주식회사 | 휠 베어링의 허브와 아웃트레이스의 코킹 결합구조 |
| JP2016047556A (ja) * | 2015-10-28 | 2016-04-07 | 日本精工株式会社 | 車輪支持用転がり軸受ユニット |
| KR20180131265A (ko) * | 2017-05-31 | 2018-12-10 | 주식회사 일진글로벌 | 휠 허브 및 이를 포함하는 휠 베어링 |
-
2019
- 2019-01-21 KR KR1020190007464A patent/KR102621917B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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|---|---|
| KR102621917B1 (ko) | 2024-01-05 |
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