KR20210101007A - 볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 관형 샤프트 - Google Patents

볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 관형 샤프트 Download PDF

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박세정
장달수
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Abstract

플런징을 위한 볼 스플라인 구조를 가지는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 제조하는 제조 방법은 튜브 부재에 구상화 열처리를 수행하는 단계, 상기 튜브 부재의 표면에 피막을 형성하는 단계, 상기 튜브 부재에 상기 피막을 형성한 후 상기 볼 스플라인 구조의 볼 그루브를 형성하는 단계, 상기 볼 그루브를 형성한 후 상기 튜브 부재에 형성된 상기 피막을 제거하는 단계, 그리고 상기 피막을 제거한 후 상기 튜브 부재에 대해 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 관형 샤프트{Manufacturing method of tubular shaft for drive shaft having ball spline structure and tubular shaft manufactured by the same}
본 발명은 볼 스플라인 구조를 갖는 드라이브 샤프트를 구성하는 관형 샤프트를 제조하는 제조 방법에 관한 것이다.
차량의 동력 전달 계통에 사용되는 드라이브 샤프트는 양 단에 결합되는 등속조인트를 통해 회전 동력을 전달하는 장치이다. 볼 스플라인 구조를 적용하여 축방향 길이 변화가 가능하도록 구성되는 드라이브 샤프트가 사용되고 있다. 볼 스플라인 구조는 관형 샤프트(tubular shaft)와 이에 삽입되는 중실 샤프트(solid shaft)에 구현되며, 관형 샤프트의 내면에 형성되는 복수의 외측 그루브, 복수의 외측 그루브와 각각 쌍을 이루도록 중실 샤프트의 외면에 형성되는 복수의 내측 그루브, 그리고 쌍을 이루는 외측 그루브와 내측 그루브에 의해 형성되는 공간에 배치되는 복수의 볼(ball)을 포함한다. 한편으로 외측 그루브와 내측 그루브에 의해 형성되는 공간에 배치되는 볼에 의해 관형 샤프트와 중실 샤프트의 원주방향 상대 회전이 제한되어 회전 동력이 전달될 수 있으며 다른 한편으로는 볼의 구름 운동에 의해 관형 그루브와 중실 그루브의 길이방향 상대 이동, 즉 플런징(plunging)이 가능하다.
이러한 볼 스플라인 구조에 의한 플런징 기능을 갖는 드라이브 샤프트의 성능 개선을 위해 긴 플런징 거리 및 조인트의 고절각(high articulation angle) 성능이 요구되고 있다. 고절각을 달성하기 위한 방법으로 등속 조인트가 결합되는 관형 샤프트의 단부의 근처에 직경이 감소된 언더컷(undercut) 영역을 형성하는 방법이 있다. 절각을 위해 관형 샤프트가 등속 조인트의 아웃터 레이스(outer race)에 대해 상대 회전할 때 등속 조인트가 결합된 단부 근처의 영역이 아웃터 레이스의 개방측 단부에 접촉할 수 있으며, 최대 절각을 증가시키기 위해 아웃터 레이스가 접촉할 수 있는 단부 근처를 직경을 감소시킴으로써 최대 절각을 증가시키는 것이다.
최대 절각의 증대를 위해 형성되는 이와 같은 언더컷 영역은 드라이브 샤프트의 비틀림 강도를 떨어뜨리는 부작용을 갖는다. 따라서 요구되는 큰 절각을 확보하면서도 필요한 비틀림 강도의 확보를 위해서는 언더컷 영역에 대한 특별한 강도 보강이 필요하다.
일본 공개특허공보 특개평05-004128호 (공개일자: 1993.01.14)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비틀림 강도를 향상시킬 수 있는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 플런징을 위한 볼 스플라인 구조를 가지는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 제조하는 제조 방법은 튜브 부재에 구상화 열처리를 수행하는 단계, 상기 튜브 부재의 표면에 피막을 형성하는 단계, 상기 튜브 부재에 상기 피막을 형성한 후 상기 볼 스플라인 구조의 볼 그루브를 형성하는 단계, 상기 볼 그루브를 형성한 후 상기 튜브 부재에 형성된 상기 피막을 제거하는 단계, 그리고 상기 피막을 제거한 후 상기 튜브 부재에 대해 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 열처리는 침탄-오스템퍼링 열처리일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제조 방법은 상기 침탄-오스템퍼링 열처리 수행 중 서냉 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제조 방법은 상기 피막이 형성된 상기 튜브 부재에 절삭 가공을 통해 언더컷을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 드라이브 샤프트용 관형 샤프트는 위에서 설명한 제조 방법에 의해 제조된다.
본 발명에 의하면, 열처리 전 피막 제거, 침탄-오스템퍼링 열처리의 적용, 서냉 공정의 적용 등에 의해 드라이브 샤프트용 관형 샤프트의 비틀림 강도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 처리 방법에 의해 제조된 드라이브 샤프트를 보여준다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 3은 등속 조인트가 절각된 상태에서 등속 조인트의 아웃터 레이스와 드라이브 샤프트의 관형 샤프트의 상대 위치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 방법에 의해 제조된 관형 샤프트의 단면도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1에는 드라이브 샤프트(10)와 그 일측 단에 체결되어 있는 등속 조인트(20)를 보여준다.
드라이브 샤프트(10)는 관형 샤프트(tubular shaft)(11)와 중실 샤프트(solid shaft)(12)를 구비할 수 있다. 관형 샤프트(11)는 일측 단으로 개방된 수용 공간(111)을 구비하는 관 형태를 가질 수 있으며, 중실 샤프트(12)의 일측 단부가 관형 샤프트(11)의 수용 공간(111)에 플런징 기능을 위해 이동 가능하게 삽입된다.
등속 조인트(20)는 고정식 조인트인 제파(Rzeppa) 조인트일 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 아웃터 레이스(outer race)(21), 인너 레이스(inner race)(22), 토크 전달 볼(23) 및 볼 케이지(24)를 포함할 수 있다. 관형 샤프트(11)와 중실 샤프트(12)는 등속 조인트(20)의 인너 레이스(22)와 함께 회전하도록 인너 레이스(22)에 스플라인 결합될 수 있다. 관형 샤프트(11)의 단부에는 등속 조인트(20)의 인너 레이스(22)의 스플라인 결합을 위한 스플라인 구조(117)가 형성될 수 있다.
관형 샤프트(11)와 중실 샤프트(12)의 축방향 상대 거동, 즉 플런징 거동이 가능하도록 하기 위한 볼 스플라인 구조(13)가 구비된다. 볼 스플라인 구조(13)는 관형 샤프트(11)의 내면에 길이방향과 나란하게 형성되는 복수의 외측 그루브(131), 복수의 외측 그루브(131)와 각각 쌍을 이루도록 중실 샤프트(12)의 외면에 길이방향과 나란하게 형성되는 복수의 내측 그루브(132), 외측 그루브(131)와 내측 그루브(132)에 의해 형성되는 복수의 공간에 각각 배치되는 복수의 볼(133), 그리고 복수의 볼을 수용하는 볼 케이지(134)를 포함할 수 있다. 볼(133)이 외측 그루브(131)와 내측 그루브(132)에 의해 형성되는 공간에서 구름 운동을 함으로써 관형 샤프트(11)와 중실 샤프트(12)가 서로 가까워지거나 멀어지도록 이동하는 축방향 거동, 즉 플런징 거동을 할 수 있다.
등속 조인트(20)가 도 3에 도시된 바와 같이 최대한 절각된 상태, 즉 인너 레이스(22)와 결합된 드라이브 샤프트(10)가 아웃터 레이스(21)에 대해 최대한 꺾인 상태에 있을 경우, 관형 샤프트(11)의 외면과 아웃터 레이스(21)의 단부(211)의 접촉을 방지하기 위해 관형 샤프트(11)는 외면이 반경방향 내측으로 함몰되도록 형성되는 언더컷 영역(112)을 포함한다. 언더컷 영역(112)의 형성에 의해 등속 조인트(20)의 최대 절각이 증가될 수 있다.
도 4를 참조하면, 관형 샤프트(11)는 스템부(stem portion)(113), 및 볼 스플라인 구조(30)의 외측 그루브(131)과 형성되는 그루브 형성부(114)를 포함할 수 있다. 그루브 형성부(114)는 스템부(113)보다 큰 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 스템부(113)와 그루브 형성부(114)를 연결하는 경사 연결부(115)가 구비될 수 있다. 스템부(113)는 그루브 형성부(114)에 구비되는 수용 공간(111)에 연통되는 관통홀(116)을 구비할 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예에 따른 관형 샤프트를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저 관형 샤프트를 제조하기 위한 원소재인 튜브 부재를 축관 및 확관한다. 본 발명의 실시예는 소성 가공성 및 절삭 가공성의 향상을 위한 구상화 열처리 공정을 포함한다. 구상화 열처리는 튜브 부재에 대한 축관 및 확관 공정 이전 또는 이후에 실시될 수 있다. 구상화 열처리는 미세조직 상의 펄라이트 층상 조직을 파괴하여 구상탄화물로서 페라이트 기지에 분산시키는 열처리를 말하며, 구상화 수준은 가공 수준에 따라 조정될 수 있다. 구상화 열처리는 650 내지 780 ℃로 가열시켜 유지한 후 서냉시키는 공정을 포함할 수 있다.
축관 및 확관 성형이 이루어진 후 이후 공정인 볼 그루브 성형 공정에서의 마찰저항 저감을 위한 피막 처리가 이루어진다. 피막 처리는 부품 표면에 금속비누층(본데루베)을 형성하는 단계이며, 인산염피막 형성 후 스테아린산나트륨 처리 공정을 포함할 수 있다.
튜브 부재에 볼 그루브가 형성된다. 예를 들어, 확관된 튜브 부재 내측으로 그루브 형상을 가지는 금형을 축방향으로 이동시켜 그루브를 형성할 수 있다.
언더컷 영역, 부트 그루브, 링 그루브 등이 절삭 가공에 의해 튜브 부재에 형성된다. 특히 언더컷 영역은 고절각을 위해 외경이 축소되어 비틀림 하중에 취약한 영역에 해당되어 단조, 스웨이징(swaging) 등 소성 가공에 의해 제조하면 미세 크랙, 살겹침 또는 미가공부 경계 노치 등으로 인해 충분한 강성이 확보되기 어려우므로, 언더컷 영역은 절삭 가공을 통해 형성되는 것이 바람직하다.
등속조인트의 인너 레이스와의 스플라인 결합을 위한 스플라인부가 튜브 부재에 형성된다.
스플라인 형성 후 열처리 수행 전에 피막 제거 공정이 수행된다. 윤활성 향상을 위해 피막 제거가 이루어지며, 피막 제거 공정은 위에서 설명한 금속비누(본데루베) 및 인산염피막 제거 공정을 의미할 수 있다. 예를 들어, 피막 제거는 알칼리 및 산 용액을 이용하여 피막을 직접 용해하거나 산으로 소지층을 용해시켜 간접적으로 제거하는 방법으로 이루어질 수 있다. 피막층의 존재 하에 열처리가 이루어지는 경우 열처리 결과의 산포가 과다한 문제를 발견하였으며, 이러한 산포를 제거하기 위해 피막 제거 후 열처리 공정을 수행한다.
다음의 표 1은 피막이 제거되지 않은 경우와 피막이 제거된 경우의 비틀림 파단 강도를 보여준다. 네 개의 샘플은 크롬-몰리브덴 스틸로 중공 샤프트를 제조한 후 윤활 피막 형성, 단조를 통해 동일한 방식으로 제조되었으며, 피막 미제거 상태와 피막 제거 상태에서 비틀림 파단 강도를 측정하였다. 네 가지 샘플(SPL1, SPL2, SPL3, SPL4) 모두에서 피막을 제거한 경우 비틀림 파단 강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
구분 비틀림 파단 강도
피막 미제거 피막 제거
SPL 1 4,598 Nm 5,408 Nm
SPL 2 5,348 Nm 5,491 Nm
SPL 3 5,308 Nm 5,415 Nm
SPL 4 5,026 Nm 5,270 Nm
침탄-오스템퍼링 열처리 공정이 수행된다. 침탄-오스템퍼링 열처리 적용으로 인성이 높은 베이나이트가 증가된다. 침탄-오스템퍼링 공정은 부품을 침탄 분위기에서 900 ℃ 이상의 온도로 가열시켜 유지한 후 베이나이트 생성 온도 구간(예를 들어 210 내지 260 ℃의 온도 구간)에서 유지하여 이루어질 수 있다.
다음의 표 2는 기존의 침탄 열처리가 수행된 경우와 침탄-오스템퍼링 열처리가 적용된 경우의 비틀림 파단 강도를 보여준다. 세 개의 샘플은 크롬-몰리브덴 스틸로 중공 샤프트를 제조한 후 윤활 피막 형성, 단조를 통해 동일한 방식으로 제조되었으며, 침탄 열처리한 경우 및 침탄-오스템퍼링 열처리를 한 경우에 대해 비틀림 파단 강도를 각각 측정하였다. 세 가지 샘플(SPL1, SPL2, SPL3) 모두에서 침탄-오스템퍼링 열처리를 수행한 경우 비틀림 파단 강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
구분 비틀림 파단 강도
침탄 열처리 침탄-오스템퍼링 열처리
SPL 1 5,576 Nm 6,158 Nm
SPL 2 5,505 Nm 5,947 Nm
SPL 3 4,775 Nm 5,997 Nm
침탄-오스템퍼링 열처리 수행 중 서냉 공정이 수행된다. 서냉 공정에 의해 침탄 후 재질 균질화 및 안정화 효과가 얻어진다.
다음의 표 3은 서냉 공정이 적용되지 않은 경우와 서냉 공정이 적용된 경우의 비틀림 파단 강도를 보여준다. 네 개의 샘플은 크롬-몰리브덴 스틸로 중공 샤프트를 제조한 후 윤활 피막 형성, 단조를 통해 동일한 방식으로 제조되었으며, 서냉 공정이 미적용된 경우와 서냉 공정이 적용된 경우에 대해 비틀림 파단 강도를 각각 측정하였다. 네 가지 샘플(SPL1, SPL2, SPL3, SPL4) 모두에서 서냉 공정을 수행한 경우 비틀림 파단 강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
구분 비틀림 파단 강도
서냉 공정 미적용 서냉 공정 적용
SPL 1 5,779 Nm 6,652 Nm
SPL 2 5,988 Nm 6,511 Nm
SPL 3 5,903 Nm 6,489 Nm
SPL 4 5,996 Nm 6,628 Nm
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
10: 드라이브 샤프트
11: 관형 샤프트
12: 중실 샤프트
20: 등속 조인트
112: 언더컷 영역
113: 스템부
114: 그루브 형성부

Claims (5)

  1. 플런징을 위한 볼 스플라인 구조를 가지는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트를 제조하는 제조 방법으로서,
    튜브 부재에 구상화 열처리를 수행하는 단계,
    상기 튜브 부재의 표면에 피막을 형성하는 단계,
    상기 튜브 부재에 상기 피막을 형성한 후 상기 볼 스플라인 구조의 볼 그루브를 형성하는 단계,
    상기 볼 그루브를 형성한 후 상기 튜브 부재에 형성된 상기 피막을 제거하는 단계, 그리고
    상기 피막을 제거한 후 상기 튜브 부재에 대해 열처리를 수행하는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 열처리는 침탄-오스템퍼링 열처리인 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 침탄-오스템퍼링 열처리의 수행 중 서냉 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 피막이 형성된 상기 튜브 부재에 절삭 가공을 통해 언더컷을 형성하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 드라이브 샤프트용 관형 샤프트.
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