KR101523617B1 - 탄소섬유 강화 플라스틱을 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 CFRP를 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리는 중공 형상의 코어 샤프트(10), 상기 코어 샤프트(10)의 양측에 연결되는 결합 샤프트(20), 및 상기 코어 샤프트(10)와 상기 결합 샤프트(20)의 외주면을 둘러싸는 형태로 결합되는 샤프트 커버(30)를 포함하며, 상기 샤프트 커버(30)는 상기 결합 샤프트(20)의 외주면 상에 형성된 체결 돌기(24)에 결속된다.
본 발명은 양측 결합 샤프트의 외주면 상에 체결 돌기를 형성한 후에, 샤프트 커버가 결합 샤프트 및 코어 샤프트의 외주면 상에 탄소 섬유가 브레이딩 공법으로 전개되는 과정에서 상기 체결 돌기에도 동시에 결합하는 구조를 갖게 함으로써 결합 샤프트 및 코어 샤프트 간의 결합 강도를 높일 수 있다.

Description

탄소섬유 강화 플라스틱을 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리{Drive Shaft Assembly adopting CFRP}

본 발명은 드라이브 샤프트 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중공의 코어 샤프트 및 상기 코어 샤프트의 양측에 체결되는 한쌍의 결합 샤프트 구조를 통하여 가볍고 강한 특성을 갖게 하도록 탄소섬유 강화 플라스틱을 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에는 엔진의 동력을 변속기로부터 변속시켜 구동되는 트랜스액슬로부터 차량의 좌우 양측 휠로 동력을 전달하기 위한 드라이브 샤프트가 설치된다. 이러한 드라이브 샤프트는 좌우 휠 측에 결합되는 슬라이딩식 등속 조인트와 트랜스액슬 측에 결합되는 등속 조인트와의 사이에 샤프트가 연결된 상태로 구성되어 트랜스액슬로부터 동력을 차량의 좌우 휠들에 전달하여 차량의 구동을 가능하게 한다.

상기한 드라이브 샤프트는 변속기에서 전달되는 회전력을 받으면서 고속으로 회전하기 때문에 강한 비틈림을 견디도록 충분한 내구성을 갖추기 위해서 환봉 형상으로 가공되어진다.

종래의 드라이브 샤프트는 중실축으로 구성되고 양 끝단에 스플라인 홈을 구비할 수 있으며, 이러한 드라이브 샤프트는 한국공개특허 공개번호 10-2005-0006343호 및 한국등록특허 등록번호 10-0705535호 등에 개시되어 있다. 구체적으로, 기존의 드라이브 샤프트는 내부가 꽉 찬 솔리드형 바에 성형을 가하여 사용하기 때문에 드라이브 샤프트의 중량이 무겁다. 또한, 솔리드형 바의 양 끝단은 변속기의 출력 측과 구동휠로 연결될 수 있도록 스플라인 홈을 구비한다. 이러한 스플라인 홈은 기계적 가공으로 형성한다.

상기 내용과 같이, 기존의 드라이브 샤프트는 제조 공정 및 동력을 전달하는데 필요한 강한 강성을 얻기 위해서 중실의 원형축 형상으로 샤프트를 가공하는 경향이 있었으나, 이에 대해서는 샤프트 제조에 소요되는 재료의 과다한 중량 및 이로 인한 제조 비용의 문제가 있다는 한계가 있다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 휠과 트랜스액슬에 배치되는 등속 조인트에 결합되는 복수의 결합 샤프트, 상기 결합 샤프트 사이를 연결하는 중공의 코어 샤프트, 및 상기 샤프트들의 외주면을 덮은 상태로 배치되는 샤프트 커버를 통하여 가볍고 강한 특성을 갖는 드라이브 샤프트를 제공하는 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 경량화를 이루기 위해 샤프트들의 금속소재 일부를 탄소복합소재로 대체하는 방식이며, 탄소복합소재와 금속소재를 결합하기 위하여 핀 형상의 체결돌기를 이용하여 금속소재의 결합샤프트와 탄소복합소재의 샤프트 커버를 결합하는 드라이브 샤프트를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 드라이브 샤프트 어셈블리는 중공 형상의 코어 샤프트(10); 상기 코어 샤프트(10)의 양측에 연결되는 결합 샤프트(20); 및 상기 코어 샤프트(10)와 상기 결합 샤프트(20)의 외주면을 둘러싸는 형태로 결합되는 샤프트 커버(30);를 포함하며, 상기 샤프트 커버(30)는 상기 결합 샤프트(20)의 외주면 상에 형성된 체결 돌기(24)에 결속된다.

상기 결합 샤프트(20)는, 샤프트 세레이션부(21), 상기 샤프트 세레이션부(21)로부터 축방향을 따라 연장되는 샤프트 헤드(22), 상기 샤프트 헤드(22)에 축방향을 따라 연장되는 코어 결합체(25), 및 상기 샤프트 헤드(22)의 외주면 상에 결합되는 체결 돌기(24)를 포함한다.

상기 체결 돌기(24)는 상기 샤프트 헤드(22)의 외주면 상에 그 축방향을 따라 형성되는 스플라인 홈(23) 상에 배치되며, 상기 스플라인 홈(23)의 개수는 상기 결합 샤프트(20)에 가해지는 비틀림 토크에 따라 가변적이다.

상기 체결 돌기(24)의 형상은 상부로 갈수록 점점 그 폭 내지 단면적이 작아지는 형상이다.

상술한 바와 같은 본 발명인 탄소섬유 강화 플라스틱을 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리는 휠과 트랜스액슬에 배치되는 등속 조인트에 결합되는 복수의 결합 샤프트, 상기 결합 샤프트 사이를 연결하는 중공의 코어 샤프트, 및 상기 샤프트들의 외주면을 덮은 상태로 배치되는 샤프트 커버를 통하여 가볍고 강한 특성을 갖게 한다.

본 발명은 양측 결합 샤프트의 외주면 상에 체결 돌기를 형성한 후에, 샤프트 커버가 결합 샤프트 및 코어 샤프트의 외주면 상에 탄소 섬유가 브레이딩 공법으로 전개되는 과정에서 상기 체결 돌기에도 동시에 결합하는 구조를 갖게 함으로써 결합 샤프트 및 코어 샤프트 간의 결합 강도를 높일 수 있다.

본 발명은 샤프트 커버의 재질을 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP, carbon fiber reinforced plastics)으로 채택함으로써 일반적인 철강에 대비하여 비강도, 비탄성률, 정적 강도, 피로특성, 내마찰 및 내마모성의 측면에서 뛰어난 성능을 발휘하게 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 강화 플라스틱을 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리의 개념도이다.
도 2는 도 1의 드라이브 샤프트 어셈블리에서 결합 샤프트 및 코어 샤프트의 외주면을 둘러싸는 샤프트 커버가 제거된 상태의 개념도이다.
도 3은 본 발명을 구성하는 코어 샤프트에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명을 구성하는 결합 샤프트에 대한 도면이다.
도 5는 도 4에서 체결 돌기가 제거된 상태의 도면이다.

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. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 엔진의 동력을 변속기로부터 변속시켜 구동되는 트랜스액슬로부터 차량의 좌우 양측 휠로 동력을 전달하기 위한 드라이브 샤프트 어셈블리를 제공하고자 하는 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니고 동력을 전달하기 위해 사용되는 일반적인 기계 장치에 널리 사용 가능하다. 즉, 선박, 항공기, 건설기계 등을 포함하여 엔진으로부터 발생하는 동력을 전달해야 하는 장치에 널리 응용할 수 있다. 본 발명은 드라이브 샤프트 어셈블리의 경량화를 위해 기존의 금속 소재를 CFRP 소재로 대체하는 것을 특징으로 하는 것으로서, 본 명세서 상에서 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 탄소섬유 강화 플라스틱 내지 탄소섬유복합재를 지칭하는 것으로 한다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 CFRP를 적용한 드라이브 샤프트 어셈블리를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 CFRP 드라이브 샤프트 어셈블리는 중공 원통 형상의 코어 샤프트(10), 코어 샤프트(10)의 양측에 연결되는 결합 샤프트(20), 및 코어 샤프트(10)와 결합 샤프트(20)의 외주면을 둘러싸는 형태로 결합되는 샤프트 커버(30)를 포함한다.

코어 샤프트(10)는 그 양단에 체결되는 결합 샤프트(20) 사이에서 동력을 전달하는 기능을 수행하는데, 내외주면 간의 두께는 전체적인 중량 및 길이를 고려하여 조절 가능할 수 있다. 재질은 기계구조용 탄소강 강관(STKM)을 사용할 수 있는데, 구체적인 사용예로서 STKM17C를 채택할 수 있다. 한편, 상기의 STKM17C 소재 외에도 경량화를 위해 알루미늄 소재 또는 플라스틱 류의 경량화 소재로 대체할 수 있다.

코어 샤프트(10)는 그 양단에 결속되는 결합 샤프트(20)의 중심축을 잡아주는 역할을 수행하며, 코어 샤프트(10)와 결합 샤프트(20)의 외주면을 둘러싸는 형태로 결합되는 CFRP 재질의 샤프트 커버(30)의 형상을 잡아주는 역할을 수행한다. 여기에서, 동력 전달은 코어 샤프트(10)가 아닌 체결 샤프트(20)와 CFRP 재질의 샤프트 커버(30)의 연결에 의해 기능을 수행한다.

코어 샤프트(10)의 제조 공정은 냉간압출 방식으로 제작될 수 있다. 즉, 코어 샤프트(10)는 중심부가 비어있는 파이프 형태로 냉간압출 된다. 코어 샤프트(10)는 냉간 압출 방식의 소성가공을 통해 제조되기 때문에, 다양한 크기와 형상으로 제작할 수 있다. 또한, 중심부가 비어있는 형태로 제작되어 중실축을 사용하는 것에 비해 중량이 가볍고, 차체의 중량을 줄이게 되어 연료 효율을 향상시킬 수 있다. 코어 샤프트(10)는 중공을 포함하므로, 중공의 부피만큼 재료비를 절감할 수 있고, 냉간압출 방식으로 제작될 수 있고, 드릴링을 통해 중공을 형성하는 것에 비해 작업 공수가 적게 들어 효율적으로 제작할 수 있고, 가공비를 절감할 수 있다.

결합 샤프트(20)는 변속기로부터 동력을 변속시켜 구동되는 트랜스액슬이나차량의 좌우 양측 휠 상에 직접적으로 결합된 상태를 유지하는 것으로서, 코어 샤프트(10)의 양끝단에 각각 결합하고 중실축으로 형성되며, 금형을 이용해 냉간압출 방식으로 제작될 수 있다.

구체적으로 결합 샤프트(20)는 CV 조인트와 결합되는 샤프트 세레이션부(21), 샤프트 세레이션부(21)의 일측으로부터 축방향을 따라 연장되는 샤프트 헤드(22), 샤프트 헤드(22)에 축방향을 따라 연장되는 코어 결합체(25), 샤프트 헤드(22)의 외주면 상에 그 축방향을 따라 형성되는 스플라인 홈(23), 및 스플라인 홈(23) 상에 결합되는 체결 돌기(24)를 포함한다. 여기에서, 스플라인 홈(23)은 샤프트 헤드(22)의 외주면을 따라 복수개가 방사상으로 형성되는데, 스플라인 홈(23)의 개수는 결합 샤프트(20)에 가해지는 비틀림 토크 조건에 따라 변경 가능하다.

체결 돌기(24)는 샤프트 헤드(22)의 중심축을 기준으로 방사상으로 배열되는 스플라인 홈(23) 상에 고정된다. 체결 돌기(24)의 배열은 일 예로서 그 형성 높이가 지그재그 형태로 이루어질 수 있는데, 구체적으로는 하나의 스플라인 홈(23)을 따라 그 높이가 교대로 단차지게 배치되거나, 또는 샤프트 헤드(22)의 일 원주를 따라 배치되는 체결 돌기(24)의 높이가 교대로 단차지게 배치되는 것일 수 있다.

체결 돌기(24)의 형상은 상부로 갈수록 점점 그 폭 내지 단면적이 작아지는 형상일 수 있는데, 구체적으로는 'A' 타입 형상일 수 있다. 상기와 같이 끝 부분의 단면적이 작아지는 체결 돌기(24)의 형상은 브레이딩 공정시에 탄소 섬유 재질의 샤프트 커버(30)가 직조되는 과정에서 탄소 섬유가 절단되는 현상을 최소화시키기 위한 것이다.

체결 돌기(24)의 재질은 스테인레스 스틸일 수 있고, 외부면은 무전해 니켈 도금 처리가 가능하다. 한편, 체결 돌기(24)의 재질은 비틀림 토크에 견딜수 있는 SK-5 열처리 강판을 적용할 수 있으며, 용도에 따라 재질 변경이 가능하다.

한쌍의 결합 샤프트(20)는 한쌍의 코어 결합체(25)가 코어 샤프트(10)의 양끝단에 마찰용접 방식으로 결합되는 방식으로 결합할 수 있다. 마찰용접은 마찰에 의한 발열을 이용하여 금속과 금속, 금속과 플라스틱 등을 접착하는 방법으로 접착하고자 하는 곳만 고온으로 하면 되므로 나머지 부분을 가열할 필요가 없어 동력이 적게 들며 능률적이다.

마찰용접은 복수의 결합 샤프트(20) 중 하나를 전동기와 같은 것으로 고속 회전시키고, 용접하고자 하는 고정된 코어 샤프트(10)를 접근시켜 2개의 부품이 접촉하면 마찰열이 발생한다. 이렇게 마찰열에 의해 온도가 상승하고, 적당한 온도가 되었을 때 회전을 멈추고, 2개의 부품을 눌러 용접시킨다. 이러한 마찰용접은 연강과 연강을 마찰용접한 것은 인장강도가 원래의 연강과 같거나 그보다 강할 수 있다.

한편, 결합 샤프트(20)와 코어 샤프트(10)의 결합은 일 실시예로서 공차에 따른 압입 방식을 적용할 수 있는데, 이는 코어 샤프트(10)의 경우 샤프트 커버(30)의 형상 유지 및 양측에 배치되는 결합 샤프트(20)의 중심축을 연결해주는 역할만 수행하기 때문에 가능하다.

결합 샤프트(20)와 코어 샤프트(10)의 결합은 다른 실시예로서 코어 결합체(25)의 외면과 코어 샤프트(10)의 내주면 상에 형성된 나사산에 의해 스크류 결합이 가능할 수 있다. 또한, 복수의 결합 샤프트(20)는 코어 샤프트(10)와 결합하는 위치에 별도의 베어링이 조립될 수 있다.

샤프트 커버(30)는 코어 샤프트(10)와 결합 샤프트(20)의 외주면을 동시에 둘러싸는 형태로 구비됨으로써 코어 샤프트(10)와 결합 샤프트(20) 사이의 결합지점이 노출되는 것을 방지함과 동시에 코어 샤프트(10)와 결합 샤프트(20) 간의 결합력을 강화함으로써 드라이브 샤프트 어셈블리를 통하여 동력이 안정적으로 전달되게 한다.

구체적으로, 샤프트 커버(30)는 브레이딩(braiding) 방식을 통해 한 쌍의 결합 샤프트(20)에 형성된 체결 돌기(24) 및 코어 샤프트(10)를 전체적으로 덮는 형태로 구성된다. 브레이딩 방식은 복수의 납작하거나 원통형인 끈 섬유 재질을 이용하여 서로 교차하는 대각선 구조를 갖게 하는 것일 수 있다.

샤프트 커버(30)의 재질은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP, carbon fiber reinforced plastics)으로 채택할 수 있는데, 이는 일반적인 철강에 대비하여 비강도, 비탄성률, 정적 강도, 피로특성, 내마찰 및 내마모성의 측면에서 뛰어난 성능을 발휘하게 한다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 드라이브 샤프트 어셈블리의 제조 방법을 설명한다.

먼저, 냉간압출 방식 등으로 코어 샤프트(10) 및 결합 샤프트(20)를 제조한다.

코어 샤프트(10)의 양끝단에 한쌍의 결합 샤프트(20)가 배치된 상태에서, 마찰용접 방식으로 결합되는 방식으로 결합할 수 있다. 즉, 한쌍의 결합 샤프트(20)의 끝단에 형성된 코어 결합체(25)가 코어 샤프트(10)의 양끝단에 마찰용접 방식으로 결합된다. 한편, 결합 샤프트(20)와 코어 샤프트(10)의 결합은 공차에 따른 압입 방식을 적용하거나, 스크류 체결 방식으로 결합 가능하다.

상기와 같이, 한쌍의 결합 샤프트(20) 및 코어 샤프트(10)가 일직선 상에서 일렬로 결합된 상태에서 샤프트 커버(30)가 결합 샤프트(20)에 형성된 체결 돌기(24) 및 코어 샤프트(10)를 전체적으로 덮는 형태로 브레이딩 가공된다. 이와 같은 샤프트 커버(30) 구조를 통해 결합 샤프트(20) 및 코어 샤프트(10)는 일체적으로 결합된 상태를 유지함으로써 동력이 전달되는 과정에서 강성을 안정적으로 유지한다.

상술한 바와 같은 본 발명인 드라이브 샤프트 어셈블리는 양측 결합 샤프트의 외주면 상에 체결 돌기를 형성한 후에, 샤프트 커버가 결합 샤프트 및 코어 샤프트의 외주면 상에 브레이딩 공법으로 전개되는 과정에서 상기 체결 돌기에도 동시에 결합하는 구조를 갖게 함으로써 결합 샤프트 및 코어 샤프트 간의 결합 강도를 높일 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 실용신안등록청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

10 : 샤프트
20 : 결합 샤프트
30 : 샤프트 커버

Claims (4)

1. 중공 형상의 코어 샤프트(10);
   상기 코어 샤프트(10)의 양측에 연결되는 결합 샤프트(20); 및
   상기 코어 샤프트(10)와 상기 결합 샤프트(20)의 외주면을 둘러싸는 형태로 결합되는 샤프트 커버(30);를 포함하며,
   상기 샤프트 커버(30)는 상기 결합 샤프트(20)의 외주면 상에 형성된 체결 돌기(24)에 결속되며,
   상기 결합 샤프트(20)는,
   샤프트 세레이션부(21), 상기 샤프트 세레이션부(21)의 일측으로부터 축방향을 따라 연장되는 샤프트 헤드(22), 상기 샤프트 헤드(22)에 축방향을 따라 연장되는 코어 결합체(25), 및 상기 샤프트 헤드(22)의 외주면 상에 결합되는 체결 돌기(24)를 포함하는,
   CFRP 드라이브 샤프트 어셈블리.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 체결 돌기(24)는 상기 샤프트 헤드(22)의 외주면 상에 그 축방향을 따라 형성되는 스플라인 홈(23) 상에 배치되며,
   상기 스플라인 홈(23)의 개수는 상기 결합 샤프트(20)에 가해지는 비틀림 토크에 따라 가변적인,
   CFRP 드라이브 샤프트 어셈블리.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 체결 돌기(24)의 형상은 상부로 갈수록 점점 그 폭 내지 단면적이 작아지는 형상인,
   CFRP 드라이브 샤프트 어셈블리.

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