KR20210080027A - 트레일링 암의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 트레일링 암 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합소재를 이용하여 비중은 작게 유지하면서 강성을 향상시킬 수 있는 트레일링 암의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 트레일링 암에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 트레일링 암의 제조방법은 차량의 트레일링 암을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함하는 복합소재를 준비하는 단계와; 상기 복합소재를 사출하여 트레일링 암을 성형하는 단계를 포함한다.

Description

트레일링 암의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 트레일링 암{Manufacturing method of trailing arm and trailing arm manufactured using the same}

본 발명은 트레일링 암의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 트레일링 암에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복합소재를 이용하여 비중은 작게 유지하면서 강성을 향상시킬 수 있는 트레일링 암의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 트레일링 암에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 현가장치(suspension)는 차축과 차체를 연결하여 자동차가 주행할 때 자동차의 바퀴로부터 전달된 노면에서의 진동 또는 충격이 차체에 직접 전달되지 않도록 함으로써, 차체의 손상을 방지하고 승차감을 좋게 하는 장치이다.

자동차의 현가장치는 크게 프런트(front) 서스펜션과 리어(rear) 서스펜션으로 분류되며, 그 중 리어 서스펜션에는 복수 개의 링크를 사용하여 액슬(axle)의 위치를 결정하는 멀티 링크(multi-link)식 서스펜션이 차종에 따라 적용된다.

멀티 링크식 리어 서스펜션을 구성하는 휠 캐리어는 차륜과 결합되고, 트레일링 암이 다수 개의 볼트 및 너트에 의해 휠 캐리어에 결합된다.

트레일링 암은 토션빔 양측에 나란히 용접이음되어 현가장치를 구성하는 것으로서, 타이어로부터 작용하는 힘을 차체에 전달하고, 차량의 선회 중심 원심력에 의한 롤각의 발생시 토션빔의 위치를 잡아주는 연관작용을 하게 되므로 토션빔과 함께 적절한 좌굴하중이 요구된다.

종래에는 트레일링 암이 요구하는 물성을 달성하기 위하여 스틸(steel) 소재의 판재를 프레스 성형해서 제작되는바, 이에 따라 트레일링 암의 비중이 상당히 높고, 다양한 형상을 구현하는 자유도가 낮은 단점이 있었다.

최근에는 자동차 분야에서 연비 향상을 위하여 부품의 경량화를 추구하고 있다.

이에 따라 스틸(steel) 소재의 트레일링 암을 플라스틱 소재로 대체하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 플라스틱 중에서도 폴리아미드 수지는 이러한 연구개발에 중요한 대체화 소재로 각광을 받고 있다.

이러한 폴리아미드 수지는 내충격성, 내마모성, 내화학성 등이 우수한 장점이 있지만, 인장강도 또는 인장신율 등의 물성이 상용 제품에 적용하기에는 낮은 한계점이 있다.

그래서, 일반적으로는 폴리아미드 수지의 인장강도 및 인장신율 등을 향상시키기 위하여 수지 내에 그라파이트, 유리섬유, 탄소섬유 등과 같은 강화용 필러를 첨가제로 분산시켜 폴리아미드 복합재를 제조하는 방법이 널리 사용되고 있다.

하지만, 강화용 필러와 같은 첨가제의 함량이 증가할수록 비중이 증가하여 부품의 무게가 증가하는 문제가 있고, 폴리아미드와 그라파이트(흑연)를 혼합한 복합 재료에서 그라파이트의 함량을 증가시키면 강성이 어느 정도 증가하지만 충격 강도가 저하되는 문제가 발생된다.

상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 제10-2017-0062264호 (2017.06.07)

본 발명은 복합소재를 이용하여 비중은 작게 유지하면서 강성을 향상시킬 수 있고, 사출을 통하여 성형하여 다양한 형상의 리브를 자유롭게 형성할 수 있는 트레일링 암의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 트레일링 암을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 트레일링 암의 제조방법은 차량의 트레일링 암을 제조하는 방법으로서, 탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함하는 복합소재를 준비하는 단계와; 상기 복합소재를 사출하여 트레일링 암을 성형하는 단계를 포함한다.

상기 복합소재를 준비하는 단계에서, 상기 복합소재는 러버(Rubber): 3 ~ 8wt%를 더 포함한다.

상기 러버(Rubber)는 PE계 러버(Rubber)인 것을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유(CF)는 단섬유(Short fiber)인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 트레일링 암은 전술된 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로한다.

상기 트레일링 암은 인장강도가 240MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 트레일링 암은 인장신율이 2.5% 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 트레일링 암은 좌굴하중이 3,500kgf 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 트레일링 암은 선단에 차체와 연결되는 부시홀이 형성되고, 후단에는 휠 캐리어가 장착되는 복수의 체결홀이 형성되며, 양측면으로 소정의 패턴으로 복수의 리브가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 트레일링 암은 양측면에 형성된 복수의 리브가 서로 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 폴리아미드계 수지에 탄소섬유 및 탄소나노튜브의 혼합량을 한정하고, 러버(Rubber)의 종류 및 혼합량을 한정한 복합소재를 준비함으로써 비중을 작게 유지하면서 인장강도와 인장신율을 향상시킨 트레일링 암을 제작할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 복합소재를 이용하여 트레일링 암을 사출 성형으로 제작함에 따라 다양한 형상의 트레일링 암을 구현할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 트레일링 암을 보여주는 우측 사시도 및 좌측 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 트레일링 암을 보여주는 우측면도 및 좌측면도이며,
도 3은 비교예 및 실시예의 조건을 보여주는 표이고,
도 4는 비교예 및 실시예에 따른 트레일링 암의 좌굴성능에 대한 시험결과이며,
도 5는 비교예 및 실시예에 따른 트레일링 암의 내구성능에 대한 시험결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 트레일링 암의 제조방법은 크게 복합소재를 준비하는 단계와; 상기 복합소재를 사출하여 트레일링 암을 성형하는 단계를 포함한다.

복합소재를 준비하는 단계는 종래에 트레일링 암을 제작할 때 사용하던 스틸(steel) 소재의 판재를 대체하는 복합소재를 준비하는 단계로서, 본 실시예에서는 폴리아미드계 수지를 베이스 수지로 사용하면서 탄소섬유(CF)와 탄소나노튜브(CNT)를 혼합한 복합소재를 준비한다.

부연하자면, 복합소재는 탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함한다.

폴리아미드계 수지는 베이스 수지(base rasin)로서, 내충격성, 내마모성, 내화학성 등이 우수한 장점이 있는 수지이다. 하지만, 인장강도와 인장신율이 차량의 부품용으로 적용하기에는 낮은 한계가 있기 때문에 본 발명에서는 폴리아미드계 수지에 탄소섬유(CF)와 탄소나노튜브(CNT)를 소정 함량으로 혼합하여 폴리아미드 복합재를 구현하였다.

본 실시예에서 폴리아미드계 수지는 특정 소재로 한정하지 않으며, 일예로 나일론 66(PA66)를 적용하였다.

탄소섬유(Carbon Fiber, CF)는 수지 조성물의 인장강도를 향상시키기 위하여 첨가되는 강화제로서, 본 실시예에서는 인장강도의 향상을 보장하면서 탄소섬유로 소재의 배합과 생산을 위한 가공성을 확보하기 위하여 단섬유(Short fiber)를 사용하였다.

탄소섬유는 25 ~ 45wt%를 혼합하였다. 만약 탄소섬유의 혼합량이 25wt%보다 적은 경우에는 인장강도의 향상을 보장할 수 없고, 탄소섬유의 혼합량이 45t%보다 많은 경우에는 가공성이 나빠지는 문제가 있다. 바람직하게는 탄소섬유를 35wt% 혼합하는 것이 좋다.

탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)는 탄소섬유와 함께 수지 조성물의 인장강도를 향상시키기 위하여 첨가되는 강화제로서, 본 실시예에서는 여러 강화제 중 비중의 변화를 최소화하면서 인장강도를 향상시키기 위하여 탄소나노튜브(CNT)를 혼합시켰다.

탄소나노튜브(CNT)는 0.2 ~ 2.0wt%를 혼합하였다. 탄소나노튜브(CNT)의 혼합에 따른 인장강도의 향상을 보장하기 위하여 바람직하게는 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량은 0.5 ~ 1.4wt%인 것이 좋다. 하지만, 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량이 증가할수록 외관 품질 및 가공성이 나빠지기 때문에 탄소나노튜브(CNT)의 혼합량은 0.2 ~ 0.5wt%인 것이 바람직하다.

한편, 복합소재는 인장신율의 향상을 위하여 러버(Rubber)를 더 혼합할 수 있다.

이때 러버(Rubber)는 3 ~ 8wt%를 혼합하는 것이 바람직하다. 러버(Rubber)의 혼합량이 3wt%보다 적은 경우에는 러버(Rubber)의 혼합에 따른 효과가 미비하고, 러버(Rubber)의 혼합량이 8wt%보다 많은 경우에는 물성이 오히려 저하되는 현상이 발생할 수 있다.

특히, 러버(Rubber)는 여러 종류가 있지만, 본 실시예에서는 인장강도의 저하를 최소화하면서 인장신율을 향상시켜서 내구성을 증대시키기 위하여 그 종류를 한정하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 러버(Rubber)를 PE계 러버(Rubber)로 한정하였다.

한편, 복합소재는 베이스 수지인 폴리아미드계 수지와 탄소섬유(CF) 및 탄소나노튜브(CNT) 사이의 계면 접착력 향상을 위하여 커플링제(Coupling agent)를 더 혼합할 수 있다.

이때 커플링제는 5 ~ 8wt%를 혼합하는 것이 바람직하다. 커플링제의 혼합량이 5wt%보다 적은 경우에는 커플링제의 혼합에 따른 효과가 미비하고, 커플링제의 혼합량이 8wt%보다 많은 경우에는 물성이 오히려 저하되는 현상이 발생할 수 있다.

특히, 러버(Rubber)와 마찬가지로 커플링제는 여러 종류가 있지만, 본 실시예에서는 인장강도를 유지하거나 향상시키면서 인장신율을 향상시켜서 내구성을 증대시키기 위하여 그 종류를 한정하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 커플링제를 아미드계 커플링제로 한정하였다.

한편, 본 실시예에서 복합소재는 탄소섬유(CF), 탄소나노튜브(CNT), 러버(Rubber) 및 커플링제(Coupling agent)의 혼합량 이외의 잔부는 폴리아미드계 수지이다.

이렇게 복합소재가 준비되었다면, 준비된 복합소재를 이용하여 트레일링 암을 성형한다.

트레일링 암을 성형하는 단계는 복합소재를 이용하여 사출성형으로 트레일링 암을 제작한다.

이렇게 사출성형을 이용하여 트레일링 암을 제작하기 때문에 성형되는 트레일링 암의 형상을 자유롭게 형성할 수 있다.

한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 트레일링 암을 보여주는 우측 사시도 및 좌측 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작되는 트레일링 암을 보여주는 우측면도 및 좌측면도로서, 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 트레일링 암(10)은 선단에 차체와 연결되는 부시홀(11)이 형성되고, 후단에는 휠 캐리어가 장착되는 복수의 체결홀(12)이 형성되며, 양측면으로 소정의 패턴으로 복수의 리브를 형성할 수 있다.

이때 복수의 리브(13a, 13b, 13c)는 트레일링 암(10)의 양측면에 서로 비대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다.

예를 들어 부시홀(11) 주변에는 부시가 이탈되는 것을 방지할 수 있는 구조의 리브 패턴(13b)을 형성할 수 있고, 트레일링 암(10)의 테두리 영역에는 상하방향 충격을 완충시키는 구조의 리브 패턴(13a)을 형성할 수 있으며, 트레일링 암의 중심 영역에는 비틀림을 방지할 수 있는 구조의 리브 패턴(13c)을 형성할 수 있다.

이때 각각의 리브 패턴(13a, 13b, 13c)은 다양한 형상 및 두께로 리브를 형성할 수 있다.

또한, 리브가 형성되는 트레일링 암의 바닥면 두께를 영역별로 다양하게 구현할 수 있다.

한편, 복합소재를 사용하여 제작되는 트레일링 암은 인장강도가 240MPa 이상을 유지하는 것이 바람직하고, 인장신율은 2.5% 이상을 유지하는 것이 바람직하며, 좌굴하중은 3,500kgf 이상을 유지하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 본 실시예에서는 복합소재에 혼합되는 성분의 종류 및 혼합량을 한정하였다.

이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.

도 3과 같이 각 성분의 종류 및 혼합량을 변경하면서 복합소재를 준비하였고, 준비된 복합소재를 이용하여 사출성형으로 트레일링 암을 성형하였다.

이렇게 성형된 트레일링 암에 대하여 좌굴성능 시험을 실시하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에서 알 수 있듯이, 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 좌굴하중이 향상된 것을 확인할 수 있었다.

또한, 최대 변위 및 소요시간 측면에서도 실시예 1 및 실시예 2는 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 최대 변위 및 소요시간이 증가된 것을 확인할 수 있었다.

이는 복합소재를 준비할 때 보강재로 단섬유인 탄소섬유(CF)과 탄소나노튜브(CNT)를 사용하는 것이 장섬유인 탄소섬유(CF)를 사용하거나 장섬유인 유리섬유(GF)를 사용한 것보다 좌굴하중의 향상에 유리하다는 것을 알 수 있었다.

다음으로, 도 3과 같은 조건으로 성형된 트레일링 암에 대하여 내구성능 시험을 실시하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5에서 알 수 있듯이, 실시예 1 및 실시예 2는 비중이 상당히 낮아지고, 인장신율이 상당히 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이는 유리섬유(GF)보다 탄소섬유(CF)와 탄소나노튜브(CNT)를 사용하여 비중을 줄여 경량화를 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 단섬유의 탄소섬유를 혼합하거나 단섬유의 탄소섬유와 함께 탄소나노튜브를 혼합하는 경우에 인장신율을 상당히 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

반면에, 비교예 1의 경우에는 장섬유의 탄소섬유를 혼합함에 따라 굴곡강도는 향상되었지만, 인장신율이 원하는 수준으로 구현되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 비교예 1은 한계내구 성능을 통과하지 못하여 트레일링 암으로 제작하는 것에 한계가 있다는 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 비교예 2의 경우에는 장섬유의 유리섬유를 혼합함에 따라 굴곡강도 및 충격강도는 향상되었지만, 인장신율이 원하는 수준으로 구현되지 않았고, 특히 비중이 상당히 높은 결과를 나타내었다. 따라서 보강재로 유리섬유를 사용하는 경우에 트레일링 암의 경량화에 한계가 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

10: 트레일링 암 11: 부시홀
12: 체결홀 13a, 13b, 13c: 리브 패턴

Claims (10)

1. 차량의 트레일링 암을 제조하는 방법으로서,
   탄소섬유(CF): 25 ~ 45wt%, 탄소나노튜브(CNT): 0.2 ~ 2.0wt% 및 나머지 폴리아미드계 수지를 포함하는 복합소재를 준비하는 단계와;
   상기 복합소재를 사출하여 트레일링 암을 성형하는 단계를 포함하는 트레일링 암의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복합소재를 준비하는 단계에서,
   상기 복합소재는 러버(Rubber): 3 ~ 8wt%를 더 포함하는 트레일링 암의 제조방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 러버(Rubber)는 PE계 러버(Rubber)인 것을 특징으로 하는 트레일링 암의 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복합소재를 준비하는 단계에서,
   상기 탄소섬유(CF)는 단섬유(Short fiber)인 것을 특징으로 하는 트레일링 암의 제조방법.
   
5. 청구항 1에 의해 제조된 트레일링 암.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 트레일링 암은 인장강도가 240MPa 이상인 것을 특징으로 하는 트레일링 암.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 트레일링 암은 인장신율이 2.5% 이상인 것을 특징으로 하는 트레일링 암.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 트레일링 암은 좌굴하중이 3,500kgf 이상인 것을 특징으로 하는 트레일링 암.
   
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 트레일링 암은 선단에 차체와 연결되는 부시홀이 형성되고, 후단에는 휠 캐리어가 장착되는 복수의 체결홀이 형성되며, 양측면으로 소정의 패턴으로 복수의 리브가 형성되는 것을 특징으로 하는 트레일링 암.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 트레일링 암은 양측면에 형성된 복수의 리브가 서로 비대칭적으로 형성되는 것을 특징으로하는 트레일링 암.
    

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