WO2020036430A1 - 휠 허브, 이를 포함하는 휠 베어링 조립체, 및 휠 허브의 제조 방법 - Google Patents

휠 허브, 이를 포함하는 휠 베어링 조립체, 및 휠 허브의 제조 방법 Download PDF

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WO2020036430A1
WO2020036430A1 PCT/KR2019/010336 KR2019010336W WO2020036430A1 WO 2020036430 A1 WO2020036430 A1 WO 2020036430A1 KR 2019010336 W KR2019010336 W KR 2019010336W WO 2020036430 A1 WO2020036430 A1 WO 2020036430A1
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WO
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composite
metal
hub
flange portion
wheel
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/010336
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English (en)
French (fr)
Inventor
빈준형
권혁
이인하
이선호
Original Assignee
주식회사 일진글로벌
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B5/00—Wheels, spokes, disc bodies, rims, hubs, wholly or predominantly made of non-metallic material
    • B60B5/02—Wheels, spokes, disc bodies, rims, hubs, wholly or predominantly made of non-metallic material made of synthetic material

Definitions

  • the present disclosure relates to a wheel hub, a wheel bearing assembly comprising the same, and a method of manufacturing the wheel hub.
  • the wheel bearing assembly is a device mounted between the rotating element and the non-rotating element in the vehicle body to facilitate the rotation of the rotating element.
  • the wheel bearing assembly of the vehicle rotatably connects the wheel to the vehicle body, thereby providing the ability to move the vehicle.
  • Such a wheel bearing assembly may be classified into a driving wheel wheel bearing assembly that transmits power generated in an engine and a driven wheel wheel bearing assembly that does not transmit driving force.
  • the drive wheel wheel bearing assembly includes a rotating element and a non-rotating element.
  • the rotating element can be rotated together with the drive shaft by the torque generated in the engine and passed through the transmission.
  • the non-rotating element is fixed to the vehicle body, and a transmission device is interposed between the rotating element and the non-rotating element.
  • the driven wheel wheel bearing assembly includes a configuration similar to the drive wheel wheel bearing assembly except that, unlike the drive wheel wheel bearing assembly, the rotating element is not connected to the drive shaft.
  • the wheel bearing assembly occupies a considerable weight in the drive system of the vehicle, and various studies are underway to reduce the weight thereof.
  • One such method is a method of manufacturing a wheel hub using a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) film.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • Embodiments of the present disclosure provide a wheel hub and a method of manufacturing the same by using a carbon chip material.
  • the present invention provides a method for manufacturing a wheel hub and a wheel hub manufactured accordingly, which can achieve high productivity while reducing the complexity of the process.
  • the wheel hub used in the wheel bearing assembly of the vehicle is formed of a steel or light metal material, and extends radially outward from the metal cylindrical portion and the metal cylindrical portion having at least one cross-sectional diameter.
  • a metal hub portion comprising a metal flange portion; And a composite hub portion comprising a composite flange portion formed in contact with at least a portion of the surface of the metal flange portion and a centering portion formed to extend outwardly from at least a portion of the metal cylindrical portion, wherein the composite hub portion comprises a carbon fiber reinforced plastic. Consisting of a carbon chip material, the composite hub portion may be integrally formed with the metal hub portion by a hot forming process.
  • the composite flange portion in contact with the outer axial cross section of the metal flange portion; A second composite flange portion in contact with the outer radial section of the metal flange portion; And a third composite flange portion in contact with the inner axial cross section of the metal flange portion.
  • the composite flange portion may be integrally formed with the centering portion in the hot forming process.
  • the metal hub portion may further include a recess having a surface recessed in the inner axial direction
  • the composite hub portion may further include a boss portion formed on the surface of the recess.
  • the boss portion may be integrally formed with the composite flange portion and the centering portion in the hot forming process.
  • a step may be formed in the corner surface of the centering portion in contact with the outer axial cross section of the composite flange portion.
  • the corner surface of the centering portion in contact with the outer axial cross section of the composite flange portion may be formed in a smooth curved shape.
  • the corner face of the centering portion in contact with the outer axial cross section of the composite flange portion may be formed without a stepped portion.
  • the carbon chip may have a chip shape having a length of 10 mm or more and 150 mm or less and a width of 3 mm or more and 20 mm or less.
  • the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion may be surface treated by atmospheric pressure plasma.
  • the structural adhesive may be applied to the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • the structural adhesive may have a film shape covering the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • a silane binder may be applied to the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • Wheel bearing assembly of a vehicle the outer ring coupled to the suspension of the vehicle, the wheel hub rotatably coupled to the outer ring; And at least one rolling element interposed between the outer ring and the wheel hub, wherein the wheel hub is disposed from the cylindrical portion and the cylindrical portion disposed toward the suspension device, formed of steel or light metal material, and having at least one cross-sectional diameter.
  • a metal hub portion including a metal flange portion extending radially outwardly;
  • a composite hub portion disposed toward the wheel and made of a carbon chip material comprising carbon fiber reinforced plastic, the composite hub portion comprising a composite flange portion coupled to the metal flange portion and a centering portion extending outwardly from the composite flange portion;
  • the metal hub portion and the composite hub portion may be integrally formed.
  • a method of manufacturing a wheel hub used in a wheel bearing assembly of a vehicle may include filling a portion of a plurality of carbon chips including carbon fiber reinforced plastic in a mold; Disposing a pre-fabricated metal hub portion in the mold; Additionally filling a plurality of carbon chips including carbon fiber reinforced plastic in a mold; And hot-molding the filled carbon chip and the metal hub part in the mold, thereby manufacturing a wheel hub in which the metal hub part and the composite hub part are integrally combined.
  • a method of manufacturing a wheel hub used in a wheel bearing assembly of a vehicle includes manufacturing a first composite hub portion preform and a second composite hub portion preform using a carbon chip; Placing the first composite hub preform in the mold; Disposing a pre-fabricated metal hub portion in the mold; Disposing a second composite hub preform in the mold and hot forming the first composite hub preform, the second composite hub preform, and the metal hub in the mold, such that the wheel hub is integrally coupled with the metal hub It may include the step of preparing.
  • the metal hub portion comprises a cylindrical portion having at least one cross-sectional diameter and a metal flange portion extending radially outwardly from the cylindrical portion, the composite hub portion being in contact with at least a portion of the surface of the metal flange portion.
  • a composite flange portion engaging with the metal flange portion and a centering portion extending outward from the composite flange portion may be included.
  • a method of manufacturing a wheel hub for use in a wheel bearing assembly of a vehicle may further include surface treating the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion with atmospheric pressure plasma.
  • a method of manufacturing a wheel hub for use in a wheel bearing assembly of a vehicle may further include applying a structural adhesive to a surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • a method of manufacturing a wheel hub for use in a wheel bearing assembly of a vehicle may further include applying a silane binder to the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • a carbon chip material it is possible to manufacture a wheel hub that is lighter than steel or light metal materials used in the manufacture of conventional wheel hubs and can provide the mechanical properties required for the wheel hubs. Therefore, the weight of the wheel hub can be reduced.
  • portion composed of steel or light metal material and the portion composed of carbon chip material are integrally formed through a hot press process, the process may be simplified and scrap may be minimized.
  • various processes are provided to improve the bonding force between the portion made of steel or light metal material and the portion made of carbon chip material, thereby improving the rigidity of the wheel hub.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a wheel bearing assembly according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view of a wheel hub according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is a partially cutaway perspective view of a wheel hub according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG 4 is a cross-sectional view of a wheel hub according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG 5 is a cross-sectional view showing a corner surface of the centering portion in contact with the composite flange portion in the wheel hub according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing another embodiment of a corner surface of the centering portion in contact with the composite flange portion shown in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a wheel hub according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the surface treatment by plasma.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the surface of the metal flange portion of the wheel hub according to the third embodiment of the present disclosure, which is a cross-sectional view for explaining the modification of the surface by the surface treatment by the atmospheric pressure plasma disclosed in FIG. 7.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating a metal flange portion and a structural adhesive film according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a portion of a wheel hub including the metal flange shown in FIG. 10.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing another embodiment of the wheel hub including the metal flange shown in FIG.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing that a silane binder is applied to a surface of a metal flange portion in contact with a composite flange portion in a wheel hub according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a perspective view of a mold for explaining a mold used for manufacturing a wheel hub according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a metal hub portion and a plurality of carbon chips disposed in a lower mold of the mold illustrated in FIG. 14.
  • 16 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a wheel hub according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • 17 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a wheel hub according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • Embodiments of the present disclosure are illustrated for the purpose of describing the technical spirit of the present disclosure.
  • the scope of the claims according to the present disclosure is not limited to the embodiments set forth below or the detailed description of these embodiments.
  • the axial direction may be defined to mean a direction parallel to the rotational axis (R) of the wheel bearing assembly
  • the radial direction may be defined to mean a direction away from the rotation axis
  • the circumferential direction may be
  • the rotation axis RA may be defined to mean a direction surrounding the rotation axis RA.
  • the arrow 'D1' indicates the outer outboard where the wheel is disposed relative to the wheel hub as the direction along the axis of rotation of the wheel bearing assembly 1
  • the arrow 'D2' indicates the wheel hub as the direction opposite to D1. It points to the inner inboard in which the knuckle is disposed with respect to.
  • the rotational axis direction of the wheel bearing assembly may be simply referred to as 'axial direction RA'.
  • arrow 'D3' points to the outer radial direction away from the axis of rotation in the radial direction with respect to the axis of rotation of the wheel bearing assembly 1
  • arrow 'D4' points to the inner radial direction opposite to D3.
  • the arrow 'D5' indicates the direction of rotation about the rotation axis, that is, the circumference direction.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a wheel bearing assembly according to a first embodiment of the present disclosure.
  • the wheel bearing assembly 1 may be disposed between the suspension of the vehicle and the wheel to rotate the wheel relative to the suspension.
  • the wheel bearing assembly 1 may have a shape symmetrical about the axis of rotation RA.
  • the wheel bearing assembly 1 may consist of a driven wheel wheel bearing assembly.
  • the wheel bearing assembly 1 may include a wheel hub 100, an inner ring 20, a rolling element 30, and an outer ring 40.
  • the suspension can be arranged in the inner axial direction D2 of the wheel bearing assembly 1 and the wheel can be arranged in the outer axial direction of the wheel bearing assembly 1.
  • the vehicle body may be located in the outer radial direction D3 of the wheel bearing assembly 1
  • the ground may be located in the inner radial direction D4 of the wheel bearing assembly 1.
  • the wheel hub 100 may be rotatable about the outer ring 40 and may include a metal hub portion 110 and a composite hub portion 120.
  • the wheel hub 100 may be formed with a bolt hole 102 penetrating through the metal hub 110 and the composite hub 120.
  • the wheel hub 100 may be composed of at least two dissimilar materials.
  • the wheel hub 100 may be directly coupled to the wheel of the vehicle by a wheel bolt (not shown) fastened to the bolt hole 102. Under this structure, the wheel hub 100 may rotate simultaneously with the wheel when the wheel is rotated.
  • the outer ring 40 may be coupled to a suspension of the vehicle.
  • the outer ring 40 may be provided as a non-rotating element, and may be configured such that the position does not move after being coupled to one side of the suspension device.
  • the outer ring 40 may, for example, be coupled to the knuckle arm of the suspension device and fixed in position.
  • the rolling element 30 may be interposed between the outer ring 40 and the wheel hub 100 and between the inner ring 20 and the outer ring 40, respectively.
  • the rolling element 30 may have a form such as, for example, a ball or a tapered roller, and may be provided in plural.
  • the upper portion of the rolling element 30 may contact the outer ring 40, and the lower portion of the rolling element 30 may contact the inner ring 20 or the wheel hub 100 to roll.
  • the rolling elements 30 may be provided in two or more rows, for example. In this case, the wheel hub 100 may be stably rotated with respect to the outer ring 40 because two or more rows of the rolling bodies 30 support the wheel hub 100 at more points.
  • FIG. 2 is a perspective view of a wheel hub 100 according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of the wheel hub 100 according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a perspective view of the present disclosure. Sectional drawing of the wheel hub 100 according to the first embodiment.
  • the metal hub portion 110 includes a metal cylinder portion 112 having at least one cross-sectional diameter and a metal flange portion 114 extending radially outward from the metal cylinder portion 112. Can be.
  • the composite hub portion 120 is formed to extend outwardly from at least a portion of the composite flange portion 124 and the metal cylindrical portion 112 formed in contact with at least a portion of the surface of the metal flange portion 114.
  • a centering portion 126 (formed to extend toward the outer axial direction from the composite flange portion).
  • the metal hub 110 may be formed of steel or light metal, and the composite hub 120 may be formed of a carbon chip material including carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the composite hub part 120 may be integrally formed with the metal hub part 110 by a hot forming process. Details of the hot forming process will be described later.
  • the weight can be reduced by 15 to 20% compared to the wheel hub made of metal. (Unsprung Mass) is reduced, which can improve the fuel economy, ride comfort and steering of the vehicle.
  • the composite hub portion 120 is integrally formed with the metal hub portion 110 in the hot forming process, the bonding force between the metal flange portion 114 and the composite flange portion 124 is improved. This can improve the rigidity of the wheel hub.
  • the composite flange portion 124 has a first composite flange portion 1242 in contact with the outer axial cross section 114a of the metal flange portion 114, an outer radial cross section of the metal flange portion 114.
  • the first to third flange portions 1242, 1244, and 1246 may be integrally formed in the hot forming process.
  • Composite flange portion 124 is configured to cover all of the outer axial cross section 114a, the outer radial cross section 114b, and the inner axial cross section 114c of the metal flange 114. This constitutes a form surrounding the three sides of the metal flange portion 114 of the composite flange portion 124, it is possible to improve the rigidity of the composite flange portion 124 and the bonding force with the metal flange portion 114.
  • the composite flange portion 124 may be integrally formed with the centering portion 126.
  • the centering part may be separately manufactured and adhered to the composite flange part 124 with an adhesive.
  • the centering part 126 may be firmly formed on the composite flange part 124. That is, since the centering portion 126 is integrally formed with the composite flange portion 124, the possibility of cracking between the centering portion 126 and the composite flange portion 124 may be reduced when an external force is applied.
  • the metal hub portion 110 further includes a recess 118 having a surface 118a recessed in the inner axial direction D2, and the composite hub portion 120 includes the recess 118. It may further include a boss portion 128 formed on the surface (118a) of the). By replacing part of the recessed portion 118 with the boss portion 128 made of carbon chip material, the weight of the wheel hub 100 can be reduced.
  • the boss portion 128 may be integrally formed with the composite flange portion 124 and the centering portion 126 in the hot forming process. Through this, the boss portion 128 may be firmly formed in the composite flange portion 124. That is, the possibility of cracking between the boss portion 128 and the composite flange portion 124 when the external force is applied can be reduced.
  • FIG. 5 is a view showing a corner surface 125 of the centering portion 126 in contact with the composite flange portion 124 in the wheel hub 100 according to the first embodiment of the present disclosure, the portion indicated by A of FIG. This is an enlarged cross-sectional view.
  • a stepped portion may be formed in the corner surface 125 formed between the outer circumferential surface 1262 of the centering portion 126 and the outer axial end surface 1242a of the composite flange portion 124.
  • a stepped surface 1242b protruding in the outer axial direction may be formed in the corner surface 125 as compared with the outer axial cross section 1242a.
  • a brake disc (not shown) may be disposed at the outer axial end face 1242a, and a wheel (not shown) may be disposed at the stepped surface 1242b.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of another embodiment of a corner surface 125 of the centering portion 126 in contact with the composite flange portion 124 shown in FIG. 5.
  • the corner surface 125 formed between the outer circumferential surface 1262 of the centering portion 126 and the outer axial cross section 1242a of the composite flange portion 124 may be formed in a smooth curved shape.
  • the corner surface 125 may be formed without the stepped portion.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the wheel hub 200 according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the wheel hub 200 shown in FIG. 7 may be used in a drive wheel wheel bearing assembly, and a hollow 219 is formed in a portion of the rotation shaft RA to pass through the drive shaft.
  • the wheel hub 200 may include a metal hub 210 formed of steel or light metal and a composite hub 220 formed of a carbon chip material including CFRP.
  • the wheel hub 200 may be formed with a bolt hole 202 penetrating through the metal hub portion 210 and the composite hub portion 220.
  • the metal hub portion 210 may include a metal cylinder portion 212 having at least one cross-sectional diameter and a metal flange portion 214 extending radially outward from the metal cylinder portion 212. Can be.
  • the composite hub portion 220 is formed to extend outwardly from at least a portion of the composite flange portion 224 and the metal cylindrical portion 212 formed in contact with at least a portion of the surface of the metal flange portion 214.
  • the centering unit 226 may be included.
  • the composite flange portion 224 is the first composite flange portion 2242, the outer radial cross section of the metal flange portion 214 in contact with the outer axial cross section 214a of the metal flange portion 214.
  • the first to third flange portions 2242, 2244 and 2246 may be integrally formed in the hot forming process. Other descriptions duplicated with those described in the wheel hub 100 according to the first embodiment will be omitted.
  • a predetermined surface treatment may be performed to improve the bonding force with the composite flange portion on the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a surface treatment by plasma
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a surface of a metal flange portion of a wheel hub according to a third exemplary embodiment of the present disclosure, and the surface treatment by the atmospheric pressure plasma disclosed in FIG. 8. It is sectional drawing for demonstrating the modification of the surface by.
  • the surface treatment by the atmospheric pressure plasma will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 8 illustrates a treatment process of improving adhesion of a surface by irradiating oxygen radicals activated by plasma to a surface of a polymer as an example of surface treatment by a plasma, and the surface treatment of the same method may be applied to a metal surface. .
  • the plasma used for the surface treatment is classified into the surface treatment by vacuum plasma and the surface treatment by atmospheric pressure plasma.
  • the atmospheric pressure plasma is produced at one or more pressures, and the vacuum equipment required by the vacuum plasma is also required. It has the advantage of low equipment management cost and operation cost.
  • the surfaces 312, 314, 316 of the metal flange portion in contact with the composite flange portion may be surface treated by atmospheric pressure plasma in the same manner as the surface treatment shown in FIG. 8.
  • FIG. 9 (a) is a cross-sectional view of the outer radial cross section 314 of the metal flange portion in which a small amount of distilled water is dropped before the surface treatment is performed by atmospheric pressure plasma.
  • FIG. Radial cross section 314 is a cross-sectional view observed after dropping a small amount of distilled water after the surface treatment by the atmospheric pressure plasma.
  • the bonding force with the composite flange portion can be improved by changing the surfaces 312, 314, 316 of the metal flange portion to hydrophilicity through surface treatment by atmospheric pressure plasma.
  • the surface treatment is performed by the atmospheric pressure plasma, reducing the environmental pollution compared to the wet surface modification, surface treatment can be performed while maintaining the basic physical properties of the material, there is an advantage that the continuous processing process is possible.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating a metal flange portion and a structural adhesive film according to a third embodiment of the present disclosure, and is a perspective view illustrating that the structural adhesive is applied to the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • 10 is a cross-sectional view showing a portion of a wheel hub including the metal flange shown in FIG. 10, a cross-sectional view of a wheel hub of a third embodiment corresponding to the portion indicated by B in FIG. 4,
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing another embodiment of the wheel hub including the metal flange shown in FIG.
  • the illustration of the composite hub portion is omitted in FIG. 10.
  • a structural adhesive may be applied to the surfaces 312, 314, 316 of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • structural adhesives for example, adhesives in which glass fibers are added to an epoxy base as structural adhesives used in a vehicle can be applied.
  • the structural adhesive may be, for example, a film type of the same shape as a part of the surface 312, 314, 316 of the metal flange portion, or may be a liquid type or a third type.
  • the first structural adhesive film 322 is attached to the inner axial end surface 312 of the metal flange portion, and the outer radial end surface 314 is attached as shown in FIG.
  • the two structural adhesive films 324 may be attached, and the third structural adhesive films 326 may be attached to the outer axial end surface 316. All three films may be attached to the first to third structural adhesive films 322, 324, and 326, and only one or two of them may be attached.
  • a liquid type structural adhesive it may be applied in liquid form to the inner axial cross section 312, the outer radial cross section 314 and the outer axial cross section 316 of the metal flange portion.
  • the structural adhesive is attached to a portion of the surface 312, 314, 316 of the metal flange portion in contact with the composite flange portion, for example, as shown in FIG. 11, or in contact with the composite flange portion, as shown in FIG. 12. It may be attached to all of the surface (312, 314, 316) of the metal flange portion. When the structural adhesive is applied to all of the surfaces 312, 314, and 316 in contact with the composite flange portion, the adhesive strength between the metal flange portion 300 and the composite flange portion may be further increased.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing that a silane binder is applied to an outer radial cross section of a surface of a metal flange portion contacting a composite flange portion in a wheel hub according to a third embodiment of the present disclosure.
  • the silane binder 330 may be applied to the surfaces 312, 314, 316 of the metal flange portion in contact with the composite flange portion.
  • the silane binder 330 is an organosilicon compound having a hydrolyzable group (denoted by X in [Formula 1]) and an organic reactive group (denoted by Y in [Formula 1]) as shown in [Formula 1],
  • the reactive group may include a vinyl group, an amino group, an epoxy group, a (meth) acryl group, a mercapto group, an isocyanate group, a ketimine structure group, a styryl group, and the like.
  • the hydrolyzable group (X) is removed from the functional groups of the silane binder 330 and Si (OH 3 ) having high reactivity with the metal. Can be generated.
  • the total reaction mechanism is as follows.
  • the adhesion is achieved by the adsorption or chemical bonding of the surface (312, 314, 316) Si (OH) group.
  • the silane binder 330 on the surface of the metal flange portion, the bonding force of the metal flange portion and the composite flange portion can be improved.
  • the surface treatment by the atmospheric pressure plasma, the application of the structural adhesive films 322, 324, 326, or the silane binder 330 disclosed in the third embodiment may be applied singly or in combination of two or more thereof.
  • FIG. 14 is a perspective view of a metal mold for explaining a metal mold used for manufacturing the wheel hub according to the fourth and fifth embodiments of the present disclosure.
  • the mold 500 may include a lower mold 510 and an upper mold 520 that interacts with the lower mold.
  • the lower mold 510 may include a receiving part 511 formed in a shape corresponding to the outer shape of the wheel hub to be molded in the center portion.
  • the first protrusion 512 corresponding to the shape of the bolt hole of the wheel hub and the second protrusion 518 corresponding to the shape of the recess of the metal hub may be formed in the accommodating part 511.
  • a separate mechanism eg, a pin, etc.
  • the upper mold 520 may include a pressing part 521 formed in a shape corresponding to the outer shape of the wheel hub to be molded in the center portion.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a metal hub and a plurality of carbon chips disposed in a lower mold 510 of the mold 500 illustrated in FIG. 14. Thereafter, the plurality of filled carbon chips is heated to a temperature of room temperature to 80 °C. After filling and heating the plurality of carbon chips, the metal hub portion is disposed on the heated plurality of carbon chips filled in the receiving portion 511.
  • the first protrusion 512 in the receiving portion 511 and the bolt hole of the wheel hub engage, and the second protrusion 518 in the receiving portion 511 and the recess of the wheel hub engage so that the metal hub portion has a lower mold. 510 is fixed to each other.
  • a plurality of carbon chips are further filled on the surface of the metal hub portion and the space between the accommodating portion 511 and the metal hub portion, and similarly to the plurality of carbon chips initially filled at a temperature of room temperature to 80 ° C. Heated.
  • the carbon chip does not enter the bolt hole of the wheel hub by the mechanism provided at the upper end of the protrusion 512.
  • the lower mold 510 in which the plurality of carbon chips and the metal hub portions are disposed is pressed by the upper mold 520 to hot-form the wheel hub in an environment of high temperature and high pressure.
  • the plurality of carbon chip materials filled in the mold 500 may be hot-molded for 20 minutes while applying a high pressure load of 100 to 120 bar at a temperature of 100 to 250 ° C.
  • the wheel hub may be manufactured through the composite hub portion preform manufactured using the carbon chip.
  • the first composite hub portion preform and the second composite hub portion preform are manufactured by first filling a carbon chip in a separate mold and then hot forming at a temperature of room temperature to 80 ° C. Thereafter, the first composite hub portion preform is disposed in the receiving portion 511 of the lower mold 510, and the metal hub portion is disposed on the first composite hub portion preform, and then the second composite material is placed on the first composite preform and the metal hub portion.
  • the hub preform is arranged. Thereafter, the upper mold 520 is pressurized to press the lower mold 510 in which the first and second composite hub portion preforms and the metal hub portion are disposed to hot-form the wheel hub in a high temperature and high pressure environment.
  • Production of the first composite hub preform and the second composite hub preform may be performed in separate steps. For example, a first composite hub portion preform is prepared first, and the second composite hub portion preform is also possible after the step of placing the first composite hub portion preform and the metal hub portion in a mold. Alternatively, a method of manufacturing the first composite hub preform, the second composite hub preform, and the metal hub first, and then proceeding with the remaining steps is also possible. In addition, the same content as that described with respect to the fourth embodiment is omitted.
  • the step of removing the molded wheel hub from the mold 500 is performed.
  • the wheel hub removed from the mold 500 may be further subjected to trimming and removing excess material adhered to the surface, and machining as necessary.
  • the carbon chip used in manufacturing the wheel hub according to the embodiments of the present disclosure preferably has a predetermined size.
  • the carbon chip constituting the composite hub portion has a predetermined size [length L of about 10 mm to about 150 mm and width W of about 3 mm to about 20 mm in order to secure mechanical strength and good productivity required for a vehicle structure.
  • the carbon chip when the carbon chip has a length longer than 150 mm, the carbon chip may have a fiber structure having a direction similar to that of the continuous fiber, and due to the orientation of the fiber structure, similar to the conventional carbon fiber reinforced plastic film material Productivity may be lowered.
  • the carbon chip when the carbon chip has a length smaller than 10 mm, the carbon chip becomes a shape similar to discontinuous fiber, which has too low mechanical properties, and may be unsuitable for forming a vehicle structure such as a wheel hub.
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating a method (S1000) of manufacturing a wheel hub according to a fourth exemplary embodiment of the present disclosure.
  • Method for manufacturing a wheel hub used in the wheel bearing assembly of the vehicle is a step of filling a portion of a plurality of carbon chips including carbon fiber reinforced plastic in the mold (S1010), disposing a metal hub portion manufactured in advance in the mold Step (S1020), the step of additionally filling a plurality of carbon chips including carbon fiber reinforced plastic in the mold (S1030) and the filled carbon chip and the metal hub portion by hot forming in the mold, the metal hub portion and the composite hub portion It may include a step (S1040) to manufacture a wheel hub integrally coupled.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating a method (S2000) of manufacturing a wheel hub according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • Method for manufacturing a wheel hub used for the wheel bearing assembly of the vehicle is a step of manufacturing the first composite hub portion preform and the second composite hub portion preform using carbon fiber reinforced plastic (S2010), the first composite hub in the mold Disposing a sub preform (S2020), disposing a pre-fabricated metal hub in a mold (S2030), disposing a second composite hub preform in a mold (S2040) and a first composite hub preform, and a second
  • the composite hub part preform and the metal hub part may be hot-molded in a mold to manufacture a wheel hub in which the metal hub part and the composite hub part are integrally combined (S2050).
  • the metal hub portion disposed in the mold in the manufacturing method (S1000 or S2000) of the wheel hub includes a cylindrical portion having at least one cross-sectional diameter and a metal flange portion extending radially outward from the cylindrical portion;
  • the composite hub portion of the manufactured wheel hub may include a composite flange portion which contacts at least a portion of the surface of the metal flange portion and engages with the metal flange portion and a centering portion extending outwardly from the composite flange portion.
  • the method for manufacturing a wheel hub is a surface treatment of the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion with atmospheric pressure plasma, the structural structure on the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion Applying an adhesive, or applying a silane binder.
  • S1000 or S2000 is a surface treatment of the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion with atmospheric pressure plasma, the structural structure on the surface of the metal flange portion in contact with the composite flange portion Applying an adhesive, or applying a silane binder.
  • the manufacturing method of the wheel hub according to the fourth or fifth embodiment of the present disclosure may have the following advantages.
  • the wheel hub is manufactured by hot forming the carbon chip, it is possible to considerably reduce the weight (15 to 20%) compared to the wheel hub made of steel or light metal.
  • the wheel hub is manufactured by placing carbon chip material in a mold and hot forming, it is possible to simplify the process and minimize the scrap compared to conventional manufacturing methods such as autoclave or RTM.
  • the process of cutting the carbon fiber reinforced plastic to the shape of the mold unlike the conventional manufacturing method using a carbon fiber reinforced plastic film of the continuous fiber form and The process of laminating in consideration of the orientation of the fibers can be omitted, thereby improving the productivity of the process.
  • the chips are not aligned and are arranged randomly, the molded body can have a high strength against stress in any direction, and does not require a separate reinforcing member.
  • the bonding force between the composite flange part and the metal flange part can be improved. have.
  • the mold is disposed in the mold and the wheel hub is molded, thereby reducing the filling time.
  • the manufacturing of the preform and the molding of the wheel hub can be performed in parallel, the overall productivity can be improved.

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Abstract

일 실시예에 있어서, 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브는 스틸 또는 경금속 재질로 형성되고, 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 금속 원통부 및 금속 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하는 금속 허브부; 및 금속 플랜지부의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 형성되는 복합재 플랜지부 및 금속 원통부의 적어도 일부로부터 외측 축방향을 향하여 연장되도록 형성된 센터링부를 포함하는 복합재 허브부를 포함하고, 복합재 허브부는 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 카본칩 소재로 구성되고, 복합재 허브부는 열간 성형 공정에 의하여 금속 허브부와 일체로 형성된다.

Description

휠 허브, 이를 포함하는 휠 베어링 조립체, 및 휠 허브의 제조 방법
본 개시는 휠 허브, 이를 포함하는 휠 베어링 조립체, 및 휠 허브의 제조 방법에 관한 것이다.
휠 베어링 조립체는 차체에 회전하는 요소와 회전하지 않는 요소 사이에 장착되어 회전하는 요소의 회전을 원활하게 하는 장치이다. 차량의 휠 베어링 조립체는 차체에 휠을 회전 가능하도록 연결시킴으로써, 차량이 움직일 수 있는 기능을 제공한다. 이러한 휠 베어링 조립체는 엔진에서 발생하는 동력을 전달하는 구동륜 휠 베어링 조립체와 구동력을 전달하지 않는 종동륜 휠 베어링 조립체로 구별될 수 있다.
구동륜 휠 베어링 조립체는 회전 요소와 비회전 요소를 포함한다. 회전 요소는 엔진에서 발생하여 변속기를 통과한 토크에 의하여, 구동축과 함께 회전될 수 있다. 이에 반하여, 비회전 요소는 차체에 고정되어 있으며, 이러한 회전 요소와 비회전 요소 사이에는 전동 장치가 개재되어 있다. 종동륜 휠 베어링 조립체는 구동륜 휠 베어링 조립체와 유사한 구성을 포함하나, 구동륜 휠 베어링 조립체와 달리, 회전 요소가 구동축에 연결되어 있지 않다는 차이점이 있다.
휠 베어링 조립체는 차량의 구동계에서 상당한 무게를 차지하고 있으며, 이를 경량화하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 이러한 방안의 하나로 탄소섬유강화플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastic, 이하 'CFRP'라 한다) 필름을 이용해 휠 허브를 제조하는 방법이 제안되고 있다. 차량 구조물 등을 제조하는데 이용되는 CFRP 필름 등의 탄소복합재들은 통상적으로 연속섬유(Continuous Fiber) 형태의 섬유조직을 갖는 얇은 판상으로 형성되기 때문에, 이를 이용해 제품을 형성하기 위해서는 먼저 CFRP 필름을 필요한 형태로 절단한 후 절단된 필름을 섬유조직의 방향성에 맞추어 적층한 상태로 성형해야 하는 번거로움이 있다.
본 개시의 실시예들은 카본칩(Carbon Chip) 소재를 사용하여 중량을 절감한 휠 허브 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 공정의 복잡성을 저감하면서 높은 생산성을 얻을 수 있는 휠 허브의 제조방법 및 이에 따라 제조된 휠 허브를 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브는, 스틸 또는 경금속 재질로 형성되고, 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 금속 원통부 및 금속 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하는 금속 허브부; 및 금속 플랜지부의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 형성되는 복합재 플랜지부 및 금속 원통부의 적어도 일부로부터 외측 축방향을 향하여 연장되도록 형성된 센터링부를 포함하는 복합재 허브부를 포함하고, 복합재 허브부는 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 카본칩 소재로 구성되고, 복합재 허브부는 열간 성형 공정에 의하여 금속 허브부와 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부는, 금속 플랜지부의 외측 축방향 단면에 접촉되는 제1 복합재 플랜지부; 금속 플랜지부의 외측 반경방향 단면에 접촉되는 제2 복합재 플랜지부; 및 금속 플랜지부의 내측 축방향 단면에 접촉되는 제3 복합재 플랜지부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부는 열간 성형 공정에서 센터링부와 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금속 허브부는 내측 축방향으로 오목하게 들어간 표면을 갖는 오목부를 더 포함하고, 복합재 허브부는 오목부의 표면에 형성되는 보스부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 보스부는 열간 성형 공정에서 복합재 플랜지부 및 센터링부와 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부의 외측 축방향 단면과 접촉하는 센터링부의 코너면에 단차부가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부의 외측 축방향 단면과 접촉되는 센터링부의 코너면은 부드러운 곡면 형상으로 형성될 수 있다
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부의 외측 축방향 단면과 접촉되는 센터링부의 코너면은 단차부 없이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 카본칩은 길이가 10mm 이상 150mm 이하이고 폭이 3mm 이상 20mm 이하인 칩 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면은 상압 플라즈마에 의해 표면처리될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제가 도포될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 구조용 접착제는 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면을 덮는 필름 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 실란 결합제가 도포될 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따른 차량의 휠 베어링 조립체는, 차량의 현가 장치에 결합되는 외륜, 외륜에 대하여 회전가능하게 결합되는 휠 허브; 및 외륜과 휠 허브 사이에 개재되는 적어도 하나의 전동체를 포함하고, 휠 허브는, 현가 장치를 향해 배치되고, 스틸 또는 경금속 재질로 형성되고, 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 원통부 및 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하는 금속 허브부; 휠을 향해 배치되고, 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 카본칩 소재로 제조되고, 금속 플랜지부에 결합하는 복합재 플랜지부 및 복합재 플랜지부로부터 외측 축방향을 향하여 연장된 센터링부를 포함하는 복합재 허브부를 포함하고, 금속 허브부 및 복합재 허브부는 일체로 형성될 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따른 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법은, 금형 내에 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 복수의 카본칩의 일부를 충진하는 단계; 금형 내에 미리 제조된 금속 허브부를 배치하는 단계; 금형 내에 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 복수의 카본칩을 추가로 충진하는 단계; 및 충진된 카본칩 및 금속 허브부를 금형 내에서 열간 성형하여, 금속 허브부와 복합재 허브부가 일체로 결합된 휠 허브를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따른 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법은, 카본칩을 이용해 제1 복합재 허브부 프리폼 및 제2 복합재 허브부 프리폼을 제조하는 단계; 금형 내에 제1 복합재 허브부 프리폼을 배치하는 단계; 금형 내에 미리 제조된 금속 허브부를 배치하는 단계; 금형 내에 제2 복합재 허브부 프리폼을 배치하는 단계 및 제1 복합재 허브부 프리폼, 제2 복합재 허브부 프리폼 및 금속 허브부를 금형 내에서 열간 성형하여, 금속 허브부와 복합재 허브부가 일체로 결합된 휠 허브를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금속 허브부는 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 원통부 및 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하며, 복합재 허브부는 금속 플랜지부의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 금속 플랜지부와 결합하는 복합재 플랜지부 및 복합재 플랜지부로부터 외측 축방향을 향하여 연장된 센터링부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법은, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면을 상압 플라즈마로 표면처리하는 더 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법은, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법은, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 실란 결합제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 의하면, 카본칩 소재를 사용하여, 종래 휠 허브의 제조에 이용되던 스틸 또는 경금속 소재에 비해 가벼우면서 휠 허브에 요구되는 기계적 물성을 제공할 수 있는 휠 허브를 제조할 수 있으므로, 휠 허브의 중량을 절감할 수 있다.
또한, 스틸 또는 경금속 소재로 구성되는 부분과 카본칩 소재로 구성되는 부분을 열간 성형(hot press) 공정을 통해 일체로 형성하므로, 공정을 간소화하고 스크랩(scrap)을 최소화할 수 있다.
또한, 휠 허브의 제조 과정에서 소정의 크기의 칩 형태의 카본칩 소재를 사용하므로, 프리프레그 적층 방식과 달리 디자인 설계 및 제조 과정에서 제품의 강성 강화를 위해 섬유의 방향성을 고려할 필요가 없으므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 스틸 또는 경금속 소재로 구성되는 부분과 카본칩 소재로 구성되는 부분의 접합력을 향상시키기 위한 다양한 공정이 제공되어 휠 허브의 강성을 향상시킬 수 있다.
또한, 카본칩을 이용해 제조한 복합재 허브부 프리폼을 통해 휠 허브를 제조함으로써 소재 충전 시간을 단축시키고, 전체적인 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 베어링 조립체의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브의 사시도이다.
도 3은 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브의 일부 절개 사시도이다.
도 4는 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브의 단면도이다.
도 5는 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브에서 복합재 플랜지부와 접촉되는 센터링부의 코너면을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 복합재 플랜지부와 접촉되는 센터링부의 코너면에 대한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 개시의 제2 실시예에 따른 휠 허브의 단면도이다.
도 8은 플라즈마에 의한 표면처리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 개시의 제3 실시예에 따른 휠 허브의 금속 플랜지부의 표면을 나타낸 단면도로서, 도 7에 개시된 상압 플라즈마에 의한 표면처리에 의한 표면의 개질을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 개시의 제3 실시예에 따른 금속 플랜지부와 구조용 접착제 필름을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 금속 플랜지부를 포함하는 휠 허브의 일부의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 금속 플랜지부를 포함하는 휠 허브의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 개시의 제3 실시예에 따른 휠 허브에서 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 실란 결합제가 도포되는 것을 보여주는 단면도이다.
도 14는 본 개시의 실시예들에 따른 휠 허브의 제조에 사용되는 금형을 설명하기 위한 금형의 사시도이다.
도 15는 도 14에 도시된 금형의 하부 금형에 금속 허브부 및 복수의 카본칩이 배치된 상태의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 개시의 제4 실시예에 따른 휠 허브의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 17은 본 개시의 제5 실시예에 따른 휠 허브의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
<부호의 설명>
1: 휠 베어링 조립체
20: 내륜
30: 전동체
40: 외륜
100, 200, 300: 휠 허브
110: 금속 허브부
112: 금속 원통부
114: 금속 플랜지부
120: 복합재 허브부
124: 복합재 플랜지부
126: 센터링부
128: 보스부
500: 금형
510: 하부 금형
520: 상부 금형
600: 카본칩
본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.
본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.
본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 개시에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
본 개시에서 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.
본 개시에서 기재되는 치수와 수치는 기재된 치수와 수치만으로 한정되는 것은 아니다. 달리 특정되지 않는 한, 이러한 치수와 수치는 기재된 값 및 이것을 포함하는 동등한 범위를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 본 개시에 기재된 '10 mm'라는 치수는 '약 10 mm'를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
본 개시에서, 축 방향은 휠 베어링 조립체의 회전축(rotational axis, R)과 평행한 방향을 의미하는 것으로 정의될 수 있고, 반경 방향은 회전축으로부터 멀어지는 방향을 의미하는 것으로 정의될 수 있고, 원주 방향은 회전축(RA)을 중심으로 회전축(RA)을 감싸는 방향을 의미하는 것으로 정의될 수 있다.
본 개시에서, 화살표 'D1'은 휠 베어링 조립체(1)의 회전축을 따르는 방향으로서 휠 허브에 대해 휠이 배치되는 외측 축방향(outboard)을 가리키고, 화살표 'D2'는 D1의 반대 방향으로서 휠 허브에 대해 너클이 배치되는 내측 축방향(inboard)을 가리킨다. 이하에서, 휠 베어링 조립체의 회전축 방향은 간단히 '축 방향(RA)'이라고 지칭될 수 있다. 또한, 화살표 'D3'은 휠 베어링 조립체(1)의 회전축에 대한 방사상 방향(radial direction) 중 회전축으로부터 멀어지는 외측 반경방향을 가리키고, 화살표 'D4'는 D3의 반대 방향인 내측 반경방향을 가리킨다. 또한, 화살표 'D5'는 회전축을 중심으로 회전하는 방향, 즉 원주 방향 (circumference direction)을 가리킨다.
도 1은 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 베어링 조립체의 단면을 나타낸 단면도이다.
휠 베어링 조립체(1)는 차량의 현가 장치와 휠 사이에 배치되어 현가 장치에 대하여 휠을 회전시킬 수 있다. 휠 베어링 조립체(1)는 회전축(RA)을 중심으로 대칭하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 휠 베어링 조립체(1)는 종동륜 휠 베어링 조립체로 구성될 수 있다.
휠 베어링 조립체(1)는 휠 허브(100), 내륜(20), 전동체(30) 및 외륜(40)을 포함할 수 있다. 현가 장치는 휠 베어링 조립체(1)의 내측 축방향(D2)에 배치될 수 있고, 휠은 휠 베어링 조립체(1)의 외측 축방향에 배치될 수 있다. 도 1을 기준으로 휠 베어링 조립체(1)의 외측 반경 방향(D3)에는 차체가 위치될 수 있고, 휠 베어링 조립체(1)의 내측 반경 방향(D4)에는 지면이 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 휠 허브(100)는 외륜(40)에 대하여 회전 가능할 수 있고, 금속 허브부(110) 및 복합재 허브부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 휠 허브(100)에는 금속 허브부(110)와 복합재 허브부(120)를 관통하는 볼트홀(102)이 형성될 수 있다. 휠 허브(100)는 적어도 두 개의 이종 재료로 구성될 수 있다. 또한, 휠 허브(100)는 볼트홀(102)에 체결되는 휠 볼트(도시되지 않음)에 의해 차량의 휠과 직접적으로 결합될 수 있다. 이러한 구조 하에서, 휠 허브(100)는 휠 회전 시 휠과 동시에 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 외륜(40)은 차량의 현가 장치에 결합될 수 있다. 외륜(40)은 비회전 요소로 제공될 수 있고, 현가 장치의 일 측에 결합된 후에는 위치가 이동되지 않도록 구성될 수 있다. 외륜(40)은, 예를 들어 현가 장치의 너클 암에 결합되어 위치가 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 전동체(30)는 외륜(40)과 휠 허브(100) 및 내륜(20)과 외륜(40) 사이 각각에 개재될 수 있다. 전동체(30)는 예를 들어, 볼 또는 테이퍼진 롤러와 같은 형태를 가질 수 있고, 복수로 제공될 수 있다. 전동체(30)의 상측 부분은 외륜(40)과 접촉하고, 전동체(30)의 하측 부분은 내륜(20) 또는 휠 허브(100)와 접촉하여 구를(rolling) 수 있다. 또한, 전동체(30)는 예를 들어 2열 이상으로 제공될 수 있다. 이 경우, 2열 이상의 전동체(30)가 휠 허브(100)를 더 많은 지점에 대하여 지지하므로 휠 허브(100)는 외륜(40)에 대하여 안정적으로 회전될 수 있다.
도 2는 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브(100)의 사시도이며, 도 3은 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브(100)의 일부 절개 사시도이고, 도 4는 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브(100)의 단면도이다.
일 실시예에 있어서, 금속 허브부(110)는 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 금속 원통부(112) 및 금속 원통부(112)로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부(114)를 포함할 수 있다. 또한, 복합재 허브부(120)는 금속 플랜지부(114)의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 형성되는 복합재 플랜지부(124) 및 금속 원통부(112)의 적어도 일부로부터 외측 축방향을 향하여 연장되도록 형성된(복합재 플랜지부로부터 외측 축방향을 향하여 연장되도록 형성된) 센터링부(126)를 포함할 수 있다.
금속 허브부(110)는 스틸 또는 경금속 재질로 형성되며, 복합재 허브부(120)는 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)를 포함하는 카본칩 소재로 구성될 수 있다. 복합재 허브부(120)는 열간 성형 공정에 의하여 금속 허브부(110)와 일체로 형성될 수 있다. 열간 성형 공정에 대한 자세한 사항은 후술한다.
휠 허브(100)의 일부인 복합재 허브부(120)를 CFRP를 포함하는 카본칩 소재로 구성함으로써, 기존의 금속 재질의 휠 허브에 비해 중량을 15~20% 절감할 수 있고, 이에 따라 스프링 하중량(Unsprung Mass)이 감소하므로 차량의 연비, 승차감, 조향성 등을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 열간 성형 공정 과정에서 복합재 허브부(120)가 금속 허브부(110)와 일체로 형성되므로, 금속 플랜지부(114)와 복합재 플랜지부(124)의 결합력이 향상되어 휠 허브의 강성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 복합재 플랜지부(124)는 금속 플랜지부(114)의 외측 축방향 단면(114a)에 접촉되는 제1 복합재 플랜지부(1242), 금속 플랜지부(114)의 외측 반경방향 단면(114b)에 접촉되는 제2 복합재 플랜지부(1244) 및 금속 플랜지부(114)의 내측 축방향 단면(114c)에 접촉되는 제3 복합재 플랜지부(1246)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 플랜지부(1242, 1244, 1246)는 열간 성형 공정 과정에서 일체로 형성될 수 있다.
복합재 플랜지부(124)가 금속 플랜지부(114)의 외측 축방향 단면(114a), 외측 반경방향 단면(114b) 및 내측 축방향 단면(114c)을 모두 덮도록 구성된다. 이는 복합재 플랜지부(124)를 금속 플랜지부(114)의 3면을 감싸는 형태를 구성하므로, 복합재 플랜지부(124)의 강성을 향상시키고 금속 플랜지부(114)와의 결합력을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 복합재 플랜지부(124)는 센터링부(126)와 일체로 형성될 수 있다. 다른 방식으로 센터링부를, 별도로 제작하여 복합재 플랜지부(124)에 접착제로 접착하는 방식이 있으며, 이러한 방식에 비하여, 센터링부(126)가 복합재 플랜지부(124)에 견고하게 형성될 수 있다. 즉, 센터링부(126)가 복합재 플랜지부(124)와 일체로 형성되므로, 외력이 작용했을 때 센터링부(126)와 복합재 플랜지부(124) 사이에 크랙이 생길 가능성이 감소할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 금속 허브부(110)는 내측 축방향(D2)으로 오목하게 들어간 표면(118a)을 갖는 오목부(118)를 더 포함하고, 복합재 허브부(120)는 오목부(118)의 표면(118a)에 형성되는 보스부(128)를 더 포함할 수 있다. 오목부(118)의 일부를 카본칩 소재인 보스부(128)로 대체함으로써, 휠 허브(100)의 경량화를 도모할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 보스부(128)는 열간 성형 공정에서 복합재 플랜지부(124) 및 센터링부(126)와 일체로 형성될 수 있다. 이를 통해, 보스부(128)는 복합재 플랜지부(124)에 견고하게 형성될 수 있다. 즉, 외력이 작용했을 때 보스부(128)와 복합재 플랜지부(124) 사이에 크랙이 생길 가능성이 감소할 수 있다.
도 5는 본 개시의 제1 실시예에 따른 휠 허브(100)에서 복합재 플랜지부(124)와 접촉되는 센터링부(126)의 코너면(125)을 나타내는 도면으로서, 도 4의 A로 표시된 부분을 확대한 단면도이다.
일 실시예에 있어서, 센터링부(126)의 외주면(1262)과 복합재 플랜지부(124)의 외측 축방향 단면(1242a) 사이에 형성된 코너면(125)에 단차부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 코너면(125)에 외측 축방향 단면(1242a)에 비해 외측 축방향으로 돌출된 단차면(1242b)이 형성될 수 있다. 이 경우, 외측 축방향 단면(1242a)에 브레이크 디스크(미도시)가 배치될 수 있고, 단차면(1242b)에 휠(미도시)이 배치될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 복합재 플랜지부(124)와 접촉되는 센터링부(126)의 코너면(125)에 대한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
일 실시예에 있어서, 센터링부(126)의 외주면(1262)과 복합재 플랜지부(124)의 외측 축방향 단면(1242a) 사이에 형성된 코너면(125)은 부드러운 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 코너면(125)은 단차부 없이 형성될 수 있다. 이를 통해, 복합재 허브부(120)의 형성에 사용되는 금형의 형상을 단순화시킬 수 있고, 복합재 허브부(120)의 코너면(125) 근처 부분의 강성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 개시의 제2 실시예에 따른 휠 허브(200)의 단면도이다.
도 7에 도시된 휠 허브(200)는 구동륜 휠 베어링 조립체에 사용될 수 있고, 구동축을 통과시키기 위하여 회전축(RA) 부분에 중공(219)이 형성되어 있다.
일 실시예에 있어서, 휠 허브(200)는 스틸 또는 경금속 재질로 형성되는 금속 허브부(210) 및 CFRP를 포함하는 카본칩 소재로 형성되는 복합재 허브부(220)를 포함할 수 있다. 또한, 휠 허브(200)에는 금속 허브부(210)와 복합재 허브부(220)를 관통하는 볼트홀(202)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 금속 허브부(210)는 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 금속 원통부(212) 및 금속 원통부(212)로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부(214)를 포함할 수 있다. 또한, 복합재 허브부(220)는 금속 플랜지부(214)의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 형성되는 복합재 플랜지부(224) 및 금속 원통부(212)의 적어도 일부로부터 외측 축방향을 향하여 연장되도록 형성된 센터링부(226)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 복합재 플랜지부(224)는 금속 플랜지부(214)의 외측 축방향 단면(214a)에 접촉되는 제1 복합재 플랜지부(2242), 금속 플랜지부(214)의 외측 반경방향 단면(214b)에 접촉되는 제2 복합재 플랜지부(2244) 및 금속 플랜지부(214)의 내측 축방향 단면(214c)에 접촉되는 제3 복합재 플랜지부(2246)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 플랜지부(2242, 2244, 2246)는 열간 성형 공정 과정에서 일체로 형성될 수 있다. 기타 제1 실시예에 따른 휠 허브(100)에서 설명된 내용과 중복된 설명은 생략한다.
이하 설명되는 본 개시의 실시예들에 의하면, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 복합재 플랜지부와의 결합력을 향상시키기 위해 소정의 표면처리가 수행될 수 있다.
도 8 내지 12는 본 개시의 제3 실시예에 따른 휠 허브에서 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면이 상압 플라즈마에 의해 표면처리되거나, 금속 플랜지부의 표면 상에 구조용 접착제가 도포되거나, 실란 결합제가 도포되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 플라즈마에 의한 표면처리를 설명하기 위한 단면도이며, 도 9는 본 개시의 제3 실시예에 따른 휠 허브의 금속 플랜지부의 표면을 나타낸 단면도로서, 도 8에 개시된 상압 플라즈마에 의한 표면처리에 의한 표면의 개질을 설명하기 위한 단면도이다. 이하, 도 8 및 도 9를 참고하여 상압 플라즈마에 의한 표면처리에 대해 설명한다.
플라즈마에 의한 표면처리는 플라즈마에 의해 활성화된 이온이나 전자들에 의해 고분자 또는 금속의 표면을 개질하여 불순물을 제거하고 표면 접착력을 향상시키는 표면처리 기법이다. 도 8에는 플라즈마에 의한 표면처리의 일 예시로서 고분자 표면에 플라즈마에 의해 활성화된 산소 라디칼을 조사하여 표면의 접착력을 향상시키는 처리 과정이 도시되어 있으며, 금속 표면에도 동일한 방식의 표면처리가 적용될 수 있다.
표면처리에 사용되는 플라즈마는 크게 진공 플라즈마에 의한 표면처리와 상압 플라즈마에 의한 표면처리로 구분되며, 그 중 상압 플라즈마는 1기압 또는 그 이상의 압력에서 만들어진 플라즈마로서, 진공 플라즈마에서 요구되는 진공장비도 필요치 않으며, 장비 관리비 및 작동비용이 저렴한 장점이 있다.
일 실시예에 있어서, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)은 도 8에 도시된 표면처리와 같은 방법으로 상압 플라즈마에 의해 표면처리될 수 있다.
도 9(a)는 금속 플랜지부의 표면 중 외측 반경방향 단면(314)에 대해, 상압 플라즈마에 의한 표면처리가 이루어지기 이전에 증류수를 소량 떨어뜨리고 관찰한 단면도이며, 도 9(b)는 외측 반경방향 단면(314)이 상압 플라즈마에 의한 표면처리가 이루어진 후 증류수를 소량 떨어뜨리고 관찰한 단면도이다.
도 9(a)와 도 9(b)를 비교하면, 상압 플라즈마에 의한 표면처리가 이루어지기 전에 떨어뜨린 증류수 방울(315(a))에 비해 상압 플라즈마에 의한 표면처리가 이루어진 후 떨어뜨린 증류수 방울(315(b))이 표면에 더 밀착해 있는 것을 알 수 있다. 즉, 금속 플랜지부의 외측 반경방향 단면을 상압 플라즈마에 의해 표면처리함으로써, 표면을 친수성으로 변화시킬 수 있다.
따라서, 상압 플라즈마에 의한 표면처리를 통해 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)을 친수성으로 변화시킴으로써 복합재 플랜지부와의 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한 표면처리를 상압 플라즈마에 의해 함으로써 습식 표면 개질에 비해 환경 오염을 줄이고, 재질의 기본 물성을 유지하면서 표면처리를 할 수 있으며, 연속적인 가공 공정이 가능하다는 장점이 있다.
도 10은 본 개시의 제3 실시예에 따른 금속 플랜지부와 구조용 접착제 필름을 나타내는 사시도로서, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제가 도포되는 것을 설명하기 위한 사시도이며, 도 11은 도 10에 도시된 금속 플랜지부를 포함하는 휠 허브의 일부의 단면을 나타낸 단면도로서, 도 4에 B로 표시된 부분에 대응되는 제3 실시예의 휠 허브의 단면을 나타낸 단면도이며, 도 12는 도 11에 도시된 금속 플랜지부를 포함하는 휠 허브의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다. 설명의 편의를 위하여, 복합재 허브부의 도시는 도 10에서 생략한다.
일 실시예에 있어서, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)에 구조용 접착제가 도포될 수 있다. 구조용 접착제로서, 예를 들어 차량에 사용되는 구조용 접착제로서 에폭시 베이스에 유리섬유가 추가된 접착제가 적용될 수 있다.
구조용 접착제는, 예를 들어 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)의 일부와 동일한 형상의 필름 타입이거나, 액체 타입 또는 제3의 타입일 수 있다. 필름 타입의 구조용 접착제를 도포할 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 금속 플랜지부의 내측 축방향 단면(312)에 제1 구조용 접착제 필름(322)이 부착되고, 외측 반경방향 단면(314)에 제2 구조용 접착제 필름(324)이 부착되며, 외측 축방향 단면(316)에 제3 구조용 접착제 필름(326)이 부착될 수 있다. 제1 내지 제3 구조용 접착제 필름(322, 324, 326)은 세 필름이 모두 부착될 수도 있고, 이들 중 하나 또는 두 개의 필름만 부착될 수도 있다. 이와 달리, 액체 타입의 구조용 접착제를 도포할 경우, 금속 플랜지부의 내측 축방향 단면(312), 외측 반경방향 단면(314) 및 외측 축방향 단면(316)에 액체 형태로 도포될 수 있다.
이와 같이 복합재 플랜지부에 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제를 도포함으로써, 금속 플랜지부(300)와 복합재 플랜지부 간의 접착 강도를 높게 유지시킬 수 있으며, 금속 플랜지부(300)와 복합재 플랜지부 사이의 거리를 유지시켜 갈바닉 부식을 예방할 수 있다. 또한, 구조용 접착제를 사용함으로써 복합재 플랜지부의 성형시 접착제의 변형을 억제할 수 있으며, 타 접착제를 사용하는 경우에 비해 경화 속도가 빠른 효과를 얻을 수 있다.
구조용 접착제는, 예를 들어 도 11에 도시된 바와 같이 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)의 일부에 부착되거나, 도 12에 도시된 바와 같이 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316) 전부에 부착될 수 있다. 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316) 전부에 구조용 접착제가 도포되는 경우, 금속 플랜지부(300)와 복합재 플랜지부 간의 접착 강도를 더욱 높일 수 있다.
도 13은 본 개시의 제3 실시예에 따른 휠 허브에서 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면 중 외측 반경방향 단면에 실란 결합제가 도포되는 것을 보여주는 단면도이다.
일 실시예에 있어서, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)에 실란 결합제(330)가 도포될 수 있다. 실란 결합제(330)는 [화학식 1]에 도시된 바와 같이 가수분해성기([화학식 1]에서 X로 표시)와 유기 반응성기([화학식 1]에서 Y로 표시)를 갖는 유기 규소 화합물이며, 유기 반응성 기로 비닐기, 아미노기, 에폭시기, (메트)아크릴기, 머캅토기, 이소시아네이트기, 케티민 구조기, 스티릴기 등을 포함할 수 있다.
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[화학식 1]
금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)에 실란 결합제(330)가 도포된 후, 실란 결합제(330)의 작용기 중 가수분해성기(X)가 제거되고 금속과 반응성이 좋은 Si(OH3)가 생성될 수 있다. 총 반응 메커니즘은 다음과 같다.
Y-R-SiX3 + 3H2O → Y-R-Si(OH3) + 3HX
위 반응이 진행된 후, Si(OH)기가 금속 플랜지부의 표면(312, 314, 316)에 흡착 또는 화학결합을 하여 접착이 이루어진다. 이와 같이 금속 플랜지부 표면에 실란 결합제(330)를 도포함으로써, 금속 플랜지부와 복합재 플랜지부의 결합력을 향상시킬 수 있다.
제3 실시예에 개시된 상압 플라즈마에 의한 표면처리, 구조용 접착제 필름(322, 324, 326) 또는 실란 결합제(330)의 도포는 단일로 적용될 수 있으며 둘 이상을 조합하여 복합적으로 적용될 수도 있다.
이하, 본 개시의 제4 실시예 및 제5 실시예에 따른 휠 허브의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 14는 본 개시의 제4 실시예 및 제5 실시예 따른 휠 허브의 제조에 사용되는 금형을 설명하기 위한 금형의 사시도이다.
금형(500)은 하부 금형(510) 및 하부 금형과 상호 작동하는 상부 금형(520)을 포함할 수 있다.
하부 금형(510)은 중심부에 성형하고자 하는 휠 허브의 외형에 대응되는 형상으로 형성된 수용부(511)를 포함할 수 있다. 수용부(511)의 내부에는 휠 허브의 볼트 홀의 형상에 대응되는 제1 돌출부(512) 및 금속 허브부의 오목부의 형상에 대응되는 제2 돌출부(518)가 형성될 수 있다. 제1 돌출부(512)의 상단에는, 휠 허브의 볼트 홀에 카본칩이 들어가는 것을 방지하기 위해 별도의 기구(예를 들어, 핀 등)가 배치될 수 있다.
상부 금형(520)은 중심부에 성형하고자 하는 휠 허브의 외형에 대응되는 형상으로 형성된 가압부(521)를 포함할 수 있다.
본 개시의 제4 실시예에 따라 휠 허브를 제조하는 경우, 먼저 하부 금형(510)의 수용부(511)에 복수의 카본칩이 충진된다. 도 15는 도 14에 도시된 금형(500)의 하부 금형(510)에 금속 허브부 및 복수의 카본칩이 배치된 상태의 모습을 나타내는 사시도이다. 이후 충진된 복수의 카본칩이 상온 내지 80℃의 온도로 가열된다. 복수의 카본칩의 충진 및 가열 후, 수용부(511) 내에 충진된 가열된 복수의 카본칩 위에 금속 허브부가 배치된다. 이 경우, 수용부(511) 내의 제1 돌출부(512)와 휠 허브의 볼트 홀이 결합하고, 수용부(511) 내의 제2 돌출부(518)와 휠 허브의 오목부가 결합하여 금속 허브부가 하부 금형(510) 내에 서로 고정된다. 금속 허브부의 배치 후, 금속 허브부의 표면 및 수용부(511)와 금속 허브부의 사이 공간에 복수의 카본칩이 추가로 충진되고, 최초에 충진된 복수의 카본칩과 마찬가지로 상온 내지 80℃의 온도로 가열된다. 이 경우, 돌출부(512)의 상단에 구비된 기구에 의하여, 휠 허브의 볼트 홀에는 카본칩이 들어가지 않는다.
그 후, 상부 금형(520)으로 복수의 카본칩 및 금속 허브부가 배치된 하부 금형(510)을 가압하여, 고온 및 고압의 환경에서 휠 허브를 열간 성형하게 된다. 예컨대, 금형(500)에 충전된 복수의 카본칩 소재는 100~250℃의 온도에서 100~120bar의 고압의 하중을 인가한 상태로 20분간 열간 성형될 수 있다.
본 개시의 제5 실시예에 따라 휠 허브를 제조하는 경우, 카본칩을 이용해 제조한 복합재 허브부 프리폼을 통해 휠 허브가 제조될 수 있다. 이 경우, 먼저 별도의 금형에 카본칩을 충진한 후 상온 내지 80℃의 온도로 열간 성형하는 방법을 통해 제1 복합재 허브부 프리폼 및 제2 복합재 허브부 프리폼이 각각 제조된다. 이후, 하부 금형(510)의 수용부(511) 내에 제1 복합재 허브부 프리폼이 배치되고, 제1 복합재 허브부 프리폼 위에 금속 허브부가 배치된 후, 제1 복합재 프리폼 및 금속 허브부 위에 제2 복합재 허브부 프리폼이 배치된다. 이후, 상부 금형(520)으로 제1, 제2 복합재 허브부 프리폼 및 금속 허브부가 배치된 하부 금형(510)을 가압하여, 고온 및 고압의 환경에서 휠 허브를 열간 성형하게 된다.
제1 복합재 허브부 프리폼 및 제2 복합재 허브부 프리폼의 제조는 서로 별개의 단계에서 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 복합재 허브부 프리폼을 먼저 제조하고, 제2 복합재 허브부 프리폼은 금형 내에 제1 복합재 허브부 프리폼 및 금속 허브부를 배치하는 단계 이후에 제조하는 방법도 가능하다. 이와 달리, 제1 복합재 허브부 프리폼, 제2 복합재 허브부 프리폼 및 금속 허브부를 먼저 제조한 후, 나머지 단계를 진행하는 방법도 가능하다. 이 밖에 제4 실시예에 관해 설명된 내용과 동일한 내용은 생략한다.
제4 실시예 및 제5 실시예에 따라 휠 허브의 열간 성형 단계까지 완료된 경우, 성형된 휠 허브를 금형(500)에서 제거하는 단계가 이루어진다. 금형(500)으로부터 제거된 휠 허브는, 표면에 부착되어 있는 잉여의 소재를 트리밍(trimming)하여 제거하는 단계와, 필요에 따라 기계 가공하는 단계를 더 거칠 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따른 휠 허브 제조시에 사용되는 카본칩은 소정의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 복합재 허브부를 구성하는 카본칩은 차량용 구조물에 필요한 기계적 강도 및 양호한 생산성을 확보하기 위해 소정의 크기[약 10mm 내지 약 150mm의 길이(L) 및 약 3mm 내지 약 20mm의 폭(W)]를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다. 카본칩이 소정의 크기를 벗어나 너무 크거나 작은 크기를 갖게 되면, 생산성이 저하되거나 기계적 강도가 크게 저하될 우려가 있다. 예컨대, 카본칩이 150mm보다 긴 길이를 갖게 되면, 카본칩은 연속섬유와 유사하게 방향성을 갖는 섬유조직을 갖게 될 수 있고, 이러한 섬유조직의 방향성으로 인해 종래의 탄소섬유강화플라스틱 필름 소재와 유사하게 생산성이 저하될 수 있다. 반대로, 카본칩이 10mm보다 작은 길이를 갖게 되면, 카본칩은 불연속섬유(Discontinuous Fiber)와 유사한 형태가 되어 너무 낮은 기계적 물성을 갖게 되고, 휠 허브와 같은 차량용 구조물을 형성하는데 부적합할 수 있다.
도 16은 본 개시의 제4 실시예에 따른 휠 허브의 제조 방법(S1000)을 나타낸 순서도이다.
차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법(S1000)은 금형 내에 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 복수의 카본칩의 일부를 충진하는 단계(S1010), 금형 내에 미리 제조된 금속 허브부를 배치하는 단계(S1020), 금형 내에 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 복수의 카본칩을 추가로 충진하는 단계(S1030) 및 충진된 카본칩 및 금속 허브부를 금형 내에서 열간 성형하여, 금속 허브부와 복합재 허브부가 일체로 결합된 휠 허브를 제조하는 단계(S1040)를 포함할 수 있다.
도 17은 본 개시의 제5 실시예에 따른 휠 허브의 제조 방법(S2000)을 나타낸 순서도이다.
차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법(S2000)은 탄소섬유강화플라스틱을 이용해 제1 복합재 허브부 프리폼 및 제2 복합재 허브부 프리폼을 제조하는 단계(S2010), 금형 내에 제1 복합재 허브부 프리폼을 배치하는 단계(S2020), 금형 내에 미리 제조된 금속 허브부를 배치하는 단계(S2030), 금형 내에 제2 복합재 허브부 프리폼을 배치하는 단계(S2040) 및 제1 복합재 허브부 프리폼, 제2 복합재 허브부 프리폼 및 금속 허브부를 금형 내에서 열간 성형하여, 금속 허브부와 복합재 허브부가 일체로 결합된 휠 허브를 제조하는 단계(S2050)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 휠 허브의 제조 방법(S1000 또는 S2000)에서 금형 내에 배치되는 금속 허브부는 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 원통부 및 원통부로부터 반경 방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하며, 제조된 휠 허브의 복합재 허브부는 금속 플랜지부의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 금속 플랜지부와 결합하는 복합재 플랜지부 및 복합재 플랜지부로부터 외측 축방향을 향하여 연장된 센터링부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 휠 허브의 제조 방법(S1000 또는 S2000)은 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면을 상압 플라즈마로 표면처리하는 단계, 복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제를 도포하는 단계, 또는 실란 결합제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제3 실시예에 관해 설명된 내용과 동일한 부분은 생략한다.
본 개시의 제4 실시예 또는 제5 실시예에 따른 휠 허브의 제조방법은 다음과 같은 이점을 가질 수 있다.
카본칩을 열간 성형하여 휠 허브를 제조하기 때문에, 종래의 스틸 또는 경금속으로 제조된 휠 허브에 비해 중량을 상당히(15~20%) 절감할 수 있다.
종래의 탄소섬유강화플라스틱 필름으로 휠 허브를 성형하는 경우 필름을 휠 허브의 형상에 따라 절단하고 절단된 필름을 섬유조직의 방향성을 고려하여 수작업으로 일일히 적층해야 하는 번거로움이 있지만, 본 개시의 경우 금형 내에 필요한 중량의 카본칩을 부어 넣는 작업만으로 성형 준비를 완료할 수 있게 된다. 따라서, 공정 전처리 시간이 줄어들고 양산화가 실현될 수 있게 한다.
카본칩 소재를 금형 내에 배치하고 열간 성형하여 휠 허브를 제조하므로, 오토클레이브나 RTM 등 기존의 제조 방식에 비하여 공정을 간소화하고 스크랩을 최소화할 수 있다.
소정의 사이즈로 절단된 카본칩을 금형의 내부에 랜덤한 방향으로 배치함으로써, 종래의 연속섬유 형태의 탄소섬유강화플라스틱 필름을 이용한 제조방법과 달리 탄소섬유강화플라스틱을 금형의 형태에 맞게 자르는 공정 및 섬유의 방향성을 고려하여 적층하는 과정을 생략할 수 있어 공정의 생산성이 향상된다. 또한, 칩이 정렬되어 있지 않고 랜덤하게 배치되기 때문에 성형체가 임의의 방향의 응력에 대하여 높은 강도를 가질 수 있으며, 별도의 보강 부재를 필요로 하지 않는다.
복합재 플랜지부와 접촉하는 금속 플랜지부의 표면이 상압 플라즈마에 의한 표면처리, 구조용 접착제의 사용, 실란 결합제의 도포 등 소정의 표면 처리를 거치므로 복합재 플랜지부와 금속 플랜지부 사이의 결합력이 향상될 수 있다.
또한 복합재 허브부에 해당하는 프리폼을 별도의 공정을 통해 제조한 후 금형 내에 배치하고 휠 허브를 성형하므로, 충전 시간을 단축할 수 있다. 도한, 프리폼의 제조와 휠 허브의 성형을 병렬적으로 진행할 수 있으므로, 전체적인 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상 일부 실시예들과 첨부된 도면에 도시된 예에 의해 본 개시의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 개시의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

Claims (20)

  1. 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브에 있어서,
    스틸 또는 경금속 재질로 형성되고, 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 금속 원통부 및 상기 금속 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하는 금속 허브부; 및
    상기 금속 플랜지부의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 형성되는 복합재 플랜지부 및 상기 금속 원통부의 적어도 일부로부터 외측 축방향을 향하여 연장되도록 형성된 센터링부를 포함하는 복합재 허브부를 포함하고,
    상기 복합재 허브부는 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 카본칩 소재로 구성되고, 상기 복합재 허브부는 열간 성형 공정에 의하여 상기 금속 허브부와 일체로 형성되는, 휠 허브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부는,
    상기 금속 플랜지부의 외측 축방향 단면에 접촉되는 제1 복합재 플랜지부;
    상기 금속 플랜지부의 외측 반경방향 단면에 접촉되는 제2 복합재 플랜지부; 및
    상기 금속 플랜지부의 내측 축방향 단면에 접촉되는 제3 복합재 플랜지부를 포함하는, 휠 허브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부는 상기 열간 성형 공정에서 상기 센터링부와 일체로 형성되는, 휠 허브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 허브부는 내측 축방향으로 오목하게 들어간 표면을 갖는 오목부를 더 포함하고,
    상기 복합재 허브부는 상기 오목부의 표면에 형성되는 보스부를 더 포함하는, 휠 허브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보스부는 상기 열간 성형 공정에서 상기 복합재 플랜지부 및 상기 센터링부와 일체로 형성되는, 휠 허브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부의 외측 축방향 단면과 접촉되는 상기 센터링부의 코너면에 단차부가 형성되는, 휠 허브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부의 외측 축방향 단면과 접촉되는 상기 센터링부의 코너면은 부드러운 곡면 형상으로 형성되는, 휠 허브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부의 외측 축방향 단면과 접촉되는 상기 센터링부의 코너면은 단차부 없이 형성되는, 휠 허브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 카본칩은 길이가 10mm 이상 150mm 이하이고 폭이 3mm 이상 20mm 이하인 칩 형상을 갖는, 휠 허브.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면은 상압 플라즈마에 의해 표면처리된, 휠 허브.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제가 도포되는, 휠 허브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구조용 접착제는 상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면을 덮는 필름 형상을 갖는, 휠 허브.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면에 실란 결합제가 도포되는, 휠 허브.
  14. 차량의 현가 장치에 결합되는 외륜;
    상기 외륜에 대하여 회전가능하게 결합되는 휠 허브; 및
    상기 외륜과 상기 휠 허브 사이에 개재되는 적어도 하나의 전동체를 포함하고,
    상기 휠 허브는,
    상기 현가 장치를 향해 배치되고, 스틸 또는 경금속 재질로 형성되고, 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 원통부 및 상기 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하는 금속 허브부;
    상기 휠을 향해 배치되고, 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 카본칩 소재로 제조되고, 상기 금속 플랜지부에 결합하는 복합재 플랜지부 및 상기 복합재 플랜지부로부터 외측 축방향을 향하여 연장된 센터링부를 포함하는 복합재 허브부를 포함하고,
    상기 금속 허브부 및 상기 복합재 허브부는 일체로 형성되는, 휠 베어링 조립체.
  15. 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법으로서,
    금형 내에 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 복수의 카본칩의 일부를 충진하는 단계;
    상기 금형 내에 미리 제조된 금속 허브부를 배치하는 단계;
    상기 금형 내에 탄소섬유강화플라스틱을 포함하는 복수의 카본칩을 추가로 충진하는 단계; 및
    상기 충진된 카본칩 및 금속 허브부를 상기 금형 내에서 열간 성형하여, 금속 허브부와 복합재 허브부가 일체로 결합된 휠 허브를 제조하는 단계를 포함하는, 휠 허브의 제조 방법.
  16. 차량의 휠 베어링 조립체에 사용되는 휠 허브의 제조 방법으로서,
    카본칩을 이용해 제1 복합재 허브부 프리폼 및 제2 복합재 허브부 프리폼을 각각 제조하는 단계;
    금형 내에 제1 복합재 허브부 프리폼을 배치하는 단계;
    상기 금형 내에 미리 제조된 금속 허브부를 배치하는 단계;
    상기 금형 내에 제2 복합재 허브부 프리폼을 배치하는 단계; 및
    상기 제1 복합재 허브부 프리폼, 제2 복합재 허브부 프리폼 및 금속 허브부를 상기 금형 내에서 열간 성형하여, 금속 허브부와 복합재 허브부가 일체로 결합된 휠 허브를 제조하는 단계를 포함하는, 휠 허브의 제조 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 금속 허브부는 적어도 하나의 단면 지름을 갖는 원통부 및 상기 원통부로부터 반경방향 외측으로 연장 형성되는 금속 플랜지부를 포함하며,
    상기 복합재 허브부는 상기 금속 플랜지부의 표면의 적어도 일부와 접촉하여 상기 금속 플랜지부와 결합하는 복합재 플랜지부 및 상기 복합재 플랜지부로부터 외측 축방향을 향하여 연장된 센터링부를 포함하는, 휠 허브의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면을 상압 플라즈마로 표면처리하는 단계를 더 포함하는, 휠 허브의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면에 구조용 접착제를 도포하는 단계를 더 포함하는, 휠 허브의 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 복합재 플랜지부와 접촉하는 상기 금속 플랜지부의 표면에 실란 결합제를 도포하는 단계를 더 포함하는, 휠 허브의 제조 방법.
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