KR100930908B1 - 자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 알루미늄 합금 압출재로 제조한 자동차 후륜 현가장치용 서스펜션 암(suspension arm)의 제조 방법과 그에 따른 서스펜션 암에 관한 것이다.

본 발명의 방법은, 알루미늄 합금 압출 형재(11)를 제조하는 단계와; 압출 형재를 절단하는 단계와; 절단된 압출 형재를 고정하고, 금형을 밀착시키는 단계와; 압출 형재의 바닥판을 프레스 하여 "ㄷ"자형 단면 구조를 부여하는 동시에, 양 단부에 연결 마운팅부를 순차적으로 형성시키는 단계와; 바닥판 중앙부 상면에 코일 스프링 안착홈을 펀칭하는 단계와; 길이 방향 양 단부 마운팅부의 각 일측 외측벽 외면에 홀을 관통 형성시키는 단계로 이루어진다.

본 발명의 방법과 서스펜션 암은, 제조 생산성이 향상되며, 자동차의 연비를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

서스펜션 암, 콘트롤 암, 압출 형재, 자동차

Description

자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조 방법{The manufacturing method of the suspension arm for the rear suspension of a car}

도 1은 본 발명 일실시예 서스펜션 암을 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나)는 단면도이다.

도 2는 본 발명 서스펜션 암 제조용 일실시예 압출 형재를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나)는 단면도이다.

도 3은 압출 형재의 일측단부 가공 모식도.

도 4는 압출 형재의 타측단부 가공 모식도.

도 5는 압출 형재의 중앙부 안착홈 가공 모식도.

도 6은 압출 형재에 형성된 각 단부 홀의 부분 가공 모식도.

도 7은 압출 형재에 형성된 각 단부 홀의 전체 가공 모식도.

도 8은 홀 가공 후 양 단부 절단 가공전 서스펜션 암의 사시도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11. 압출 형재 11A. 바닥판

11B. 측벽 11B1. 외측벽

11B2. 내측벽

H. 홀 G. 안착홈

본 발명은, 자동차의 연비를 향상시키고, 타이어로부터 전달되는 노면과의 충격이나 진동을 효과적으로 감소시키는 동시에, 자동차의 조정 안정성을 향상시키기 위하여 알루미늄 합금 압출재로 제조한 자동차 후륜 현가장치용 서스펜션 암의 제조 방법과 그에 따른 로어 콘트롤 암에 관한 것이다.

최근은 물론 향후에도 원유 가격이 지속적으로 상승하게 될 것으로 예상되기 때문에 에너지 절약에 대한 관심이 크게 고조되어 있는 바, 자동차 분야도 예외 일 수는 없다.

자동차는 현대 문명을 이루고 있는 가장 기본적인 요소인 운송 수단으로서 많은 발전을 거듭해 왔으며, 자동차가 없는 현대 문명은 존재할 수 없는 정도이나, 자동차의 배출 가스는 지구 온난화에 지대한 영향을 미치고 있으며, 대기 오염의 주범들 중 하나로서, 자동차 배출 가스를 감소시키기 위한 각종 규제가 시행되거나 준비 중에 있다.

따라서, 자동차 메이커는 전기, 연료전지, 수소 등을 에너지원으로 사용하는 자동차 또는 화석연료와 전기를 병행하여 사용하는 하이브리드 자동차 등을 개발하고 있으며, 그들 중 일부는 현재 시판되고 있기도 하다.

그러나, 상기와 같이 공해 배출이 없거나 극히 적은 자동차가 보편화되기 위해서는 여전히 많은 시간을 필요로 하는 바, 그 중간 단계로서 가장 실효성 있는 방법으로는, 이산화탄소의 배출 감소와 함께 주행에 소비되는 연료의 사용 효율성을 높여 주기 위한 자동차 경량화라 할 수 있는데, 자동차의 경량화는, 차체 설계 기술의 향상과 강(鋼)을 대체할 경량 소재의 개발 등을 통하여 이루어질 수 있다.

특히, 강을 대체할 수 있는 소재에 대한 연구와 개발은 여러 각도에서 다양하게 이루어지고 있으며, 그들 중 일부는 시험 적용되고도 있으나, 경제성과 강성 등의 측면에서 강과 대비하여 볼 때, 현재 가장 촉망받고 있으며, 실제, 양산 자동차에 적용되고 있기도 한 소재는 알루미늄 합금이다.

상기와 같은 알루미늄 합금은, 무게가 강의 약 1/3수준에 지나지 않으며, 비강도, 내식성, 열전도성 등이 우수할 뿐만 아니라, 재활용시에 필요로 되는 에너지도 강의 3% 정도 수준인 것으로 알려져 있는 바, 환경적 측면이나 에너지 절약 측면 모두에서 강보다 우수한 재료이다.

그리고, 대체 소재의 개발과 함께 자동차의 경량화에 중요한 것이 차체 설계 기술인 바, 오늘날의 자동차는, 부품 설계와 개발이 동시에 이루어지도록 하고 있으며, 조립 시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라, 원가절감 등을 위하여, 다수의 단위 부품들을 하나의 조립체 즉, 모듈 단위로 조립한 후 각 조립체를 최종 결합하는 모듈 방식으로 이루어지고 있다.

따라서, 자동차를 구성하는 여러 모듈 중 자동차의 승차감 및 안전성에 매우 중요하면서 그 중량이 상당히 무거운 샤시 모듈의 알루미늄 합금화는, 자동차의 경량화를 위하여 필수적인데, 샤시 모듈을 구성하는 부품들 중 특히, 알루미늄 합금화 되어야 할 부분은, 현가 장치이다.

상기 현가장치는 차축과 차체를 연결하고, 주행 중에 노면의 진동과 충격을 흡수하여 승차감과 선회 안정성을 높이기 위한 장치로서, 이러한 현가장치는 노면으로부터 전달되는 충격을 완화하기 위하여 상·하 방향의 연결이 유연하여야 하며, 휠에 발생되는 구동력, 제동력, 선회 시의 원심력 등을 이겨낼 수 있도록 수평 방향의 연결이 견고해야 한다.

한편, 현가장치는 독립식과 일체식 현가장치로 분류되는 바, 특히, 독립식 현가 장치에 적용되어 휠의 움직임을 제어하게 되며 일명 컨트롤 암이라고도 불리우는 서스펜션 암은, 타이어의 안쪽에 위치하여 노면으로부터 입력되는 하중을 차체에 전달하는 역할을 할 수 있도록 휠과 제동장치 등을 차체에 연결 지지하는 중요 부품으로서, 기능 향상과 내부식성 개선을 위해서도 경량화가 우선적으로 이루어져야 하나, 종래의 서스펜션 암은, 강 단조 제품, 주철 제품 및 강판 프레스 제품 등이 사용되었는 바, 더 이상의 경량화와, 기능 향상 등이 이루어질 수 없었다.

본 발명은, 종래의 강제(鋼製) 서스펜션 암이 가지고 있는 제반 문제점들 즉, 내부식성 부족, 기능 개선과 경량화의 한계 등을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 알루미늄 합금 압출재를 사용하여 경량화를 통한 연비, 진동과 에너지 흡수 능력 및 응답성 등을 개선, 향상시킬 수 있는 자동차 현가 장치 특히, 후륜측 현가 장치에 사용되는 서스펜션 암의 제조 방법과 그에 따른 서스펜션 암을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적은, 특정 조성을 가지며, 대략 "ㄷ"자형 단면 형상을 가진 알루미늄 합금 압출 형재에 의하여 달성된다.

본 발명 자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암은, 로어 컨트롤 암으로도 불리우는데, 알루미늄 합금으로 제조된 상향 개방형의 대략 "ㄷ"자형의 단면 형상을 갖는 압출 형재를 가공하여 제조된 것으로서, 중공 형재가 아닌 2중벽 구조의 상향 개방형 솔리드(solid) 구조의 형재로 제조됨에 기술적 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명의 서스펜션 암은, 압출에 의해 제조된 중공이 없는 솔리드 형재의 가공에 의하여 제조되기 때문에 압출성은 물론, 성형성이 우수하여야 하는 바, 이러한 특성을 만족시키기 위하여, 본 발명의 서스펜션 암은, Si 0.95∼1.05wt%, Mg 0.5∼0.6wt%, Mn 0.5∼0.6wt%, Fe 0.15∼0.25wt%, Cr 0.13∼0.18wt%, Cu 0.05wt% 이하, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하이며, 기타 불가피한 성분들은 개별적으로 0.02wt% 이하로 하되 그 합은 0.10wt% 이하, 그리고, 잔부의 Al으로 조성되는 알루미늄 합금으로 이루어지는데, 이와 같이, 재질 성분의 함량을 한정한 이유는 다음과 같다.

Si는, Mg와 결합하여 시효에 의해 Mg₂Si로 석출되어 기계적 성질을 좌우하며, Mg와 결합하고 남은 잔류 Si는 단독으로 석출되어 기계적 성질을 향상시키고, 용탕의 유동성 개선에 유효한 성분으로서, 0.95wt%에 미치지 못하면 원하는 강도를 얻을 수 없게 되고, 1.05wt%를 초과하게 되면 압출성이 떨어지게 될 뿐 아니라 압출제품의 표면 품질이 떨어지게 된다.

Mg는, 상기 Si와 화합물로 석출되어 기계적 성질을 향상시키는 성분으로서, 그 함량이 0.5wt%에 미치지 못하면 Mg₂Si 석출량이 부족하여 필요한 만큼의 강도를 얻을 수 없으며, 0.6wt%를 초과하게 되면 과다 Si의 경우와 같이 압출연성에 불리하면서 저강도의 원인이 될 뿐 아니라, 압출성이 저하하여 생산성이 떨어지게 되는 동시에 Mg₂Si를 형성하지 못한 여분의 Mg가 Mg₂Si의 고용을 억제하여 강도를 떨어뜨리게 된다.

Mn은, 내식성을 저하시키지 않으면서 강도를 향상시키며, 결정립 미세화에 유효한 성분으로서, 그 함량이 0.5wt%에 미치지 못하면 Mg₂Si의 미세화에 의한 압출시 표면 픽업(pick-up) 개선 효과를 얻을 수 없을 뿐 아니라, 합금조직의 미세화에 의한 강도 향상 효과가 작고, 0.6wt%를 초과하게 되는 경우 균질화처리 과정에서 평형 α-AlFeSi상이 비평형상인 β-AlFeSi상으로의 변태가 촉진되어 오히려 강도가 저하되는 경향을 보이게 된다.

Fe는, 재결정립의 조대화를 억제하고 주조시 결정립을 미세화하는데 효과가 있는 성분으로서, 0.15wt%에 미치지 못하면 불순물로서 작용할 뿐 합금화 효과가 미미하며, 0.25wt%를 초과하면 연성을 저하시킬 뿐 아니라 압출성과 생산성을 떨어뜨리게 된다.

Cr은, 재결정층의 생성과 성장을 억제하며 Al, Fe와 함께 화합물을 형성하여 입계에 분포함으로써 시효처리시의 석출을 억제하여 연신율을 향상시켜 주는 역할을 하는 바, 그 함량이 0.13wt%에 미치지 못하면 재결정층 억제 효과가 미미하여 피로강도가 저하되며, 0.18wt%를 초과하게 되면 압출성이 떨어지게 된다.

Cu는, 용탕의 유동성을 개선하고 강도를 향상시키나 내식성을 저하시키는 성분으로서, 그 함량이 0.05wt%를 초과하면 내식성과 용접성 및 압출성을 떨어뜨리게 된다.

Ti는, 입자 미세화에 효과가 있는 성분으로서, 0.03wt%를 초과하게 되면 압출성을 떨어뜨리게 되며, Zn은 내식성과 기계적 성질을 향상시키는 성분으로서, 그 함량이 0.05wt%를 초과하게 되면 Ti과 같이 압출성을 저하시키게 된다.

상기와 같이 조성되는 본 발명의 알루미늄 합금은 특히, Si과 Mn의 함량 조절하여 강도를 향상시킴 동시에 압출성 및 가공성을 향상시키게 되는 바, 이를 살펴보면 다음과 같다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여서는 기본적으로 Mg₂Si의 석출량과 석출 형태가 우선적으로 제어되어야 하며, 이를 위하여서는 상기 Mg₂Si의 석출량이 1.0wt% 이하로 조절되어야 하는 동시에 입계로 편석되는 것을 억제하여야만 하는 바, 이를 위하여 Si와 Mg의 함량을 상기의 범위로 한정하게 되는 것이다.

특히, Mn은 본 발명의 압출재를 균질화처리 후 냉각 중 Mg₂Si가 입계에 편석되는 것을 최소화하면서 조직내에 분산 석출되도록 하는 동시에, 그 결정립 크기를 미세화하여 강도와 가공성을 향상시키는 역할을 수행할 뿐 아니라, 침상의 β-AlFeSi가 입상의 α-AlFeSi로 변태하는 것을 촉진시켜 압출성을 향상시켜준다.

그리고, Mn이 Cr과 함께 첨가됨으로써, 이들 원소가 조직 내에서 효율적으로 분산되고, 그에 따라 전위의 이동과 재결정이 억제되어 결정립이 미세화함으로써 인성과 피로 강도가 개선될 뿐 아니라, 압출 중 온도 상승에 의한 국부적인 용융 현상을 억제하여 압출성을 높여 주게 된다.

상기와 같은 조성의 알루미늄 합금으로 이루어진 본 발명의 서스펜션 암의 구조와 그 제조 방법을 도면에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 본 발명 일실시예 서스펜션 암의 사시도와 평면도를, 도 2에 서스펜션 암을 제조하기 위한 압출 형재의 사시도와 단면도를, 도 3에 압출 형재의 일측단부 가공 모식도를, 도 4에 압출 형재의 타측단부 가공 모식도를, 도 5에 압출 형재의 중앙 바닥부 안착홈 가공 모식도를, 도 6에 압출 형재에 형성된 각 단부 홀의 부분 가공 모식도를, 도 7에 압출 형재에 형성된 각 단부 홀의 전체 가공 모식도를, 도 8에 홀 가공 후 양 단부 절단 가공전 서스펜션 암의 사시도를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 서스펜션 암은, 압출 형재를 재료로 하여 제조되는 바, 그 재료인 압출 형재(11)는, 판상의 바닥판(11A)과, 바닥판(11A)의 양 단부 각각에 직립한 측벽(11B)으로 이루어지며, 각 측벽은 2중벽 구조인 바, 각 측벽(11B)은, 바닥판의 폭 방향 각 단부에서 외측벽(11B1)이 직립하여 상향 연장된 후 외측벽의 상단부가 사각형의 형상을 이루도록 절곡된 후 외측벽(11B1)과 평행하도록 그 내면 측에 내측벽(11B2)이 바닥판(11A) 인접 직상까지 하향 연장된 구조이다.

즉, 상기 외측벽(11B1)의 상단부는, 외측을 향하여 수평방향으로 1차 절곡된 후 수직 방향으로 상향 2차 절곡되고, 다시 내측을 향하여 수평 방향으로 3차 절곡된 다음 바닥판에 수직한 방향으로 하향 4차 절곡되어 내측벽(11B2)을 형성하게 되는 구조이다.

따라서, 내·외측벽(11B2)(11B1)의 상단부에는, 수평 및 수직 방향 절곡에 의해 내·외측벽의 간격보다 큰 폭을 갖고, 내측면이 내측벽 내면과 동일면을 이루면서 외측면이 외측벽 외면보다 외측으로 돌출된 하향 개방형의 사각형 단면을 갖는 관체가 일체로 형성되는 바, 이 관체에 의해 압출 형재의 강성 즉, 서스펜션 암의 강성이 향상된다.

상기와 같은 2중벽 구조의 압출 형재로 제조되는 서스펜션 암은,

압출에 의해 스트립 형상을 하는 바닥판의 폭 방향 양 단부 각각에 2중벽이 직립한 알루미늄 합금 형재를 제조하는 단계와;

압출 형재를 용체화처리하는 단계와;

압출 형재를 적절한 길이 및 형상으로 절단 가공하는 단계와;

절단 가공된 압출 형재의 상단면이 고정되도록 하는 동시에 서스펜션 암 내부 형상의 상부 금형을 압출 형재의 중앙 내부에 밀착시키는 단계와;

압출 형재의 바닥판 길이 방향 일측단부(E1)의 폭 방향 중앙부 저면을 상향 프레스 하여 바닥판의 상면이 압출 형재의 상단면 높이와 일치되도록 하며, 2중벽을 폭 방향 중심부측으로 밀착시켜 두 2중벽 사이에 하향 개방형의 "ㄷ"자형 단면 형상을 가진, 서브 프레임과의 연결 마운팅부를 형성시키는 단계와;

압출 형재의 바닥판 길이 방향 타측단부(E2)의 폭 방향 중앙부 저면을 상향 프레스 하여 바닥판의 상면이 압출 형재의 상단면 높이 미만이 되도록 하며, 2중벽을 폭 방향 중심부측으로 밀착시켜 두 2중벽 사이에 하향 개방형의 "ㄷ"자형 단면 형상을 가진, 휠축과의 연결 마운팅부를 형성시키는 단계와;

양 단부에 각각 마운팅부가 형성된 압출 형재의 중앙 내부에서 상부 금형을 분리한 후 바닥판 중앙부 상면에 쇽 업소버(shock absorber)용 코일 스프링 안착홈(G)을 펀칭에 의해 형성시키는 단계와;

길이 방향 양 마운팅부의 각 일측 외측벽 외면에서 타측 외측벽 외면을 관통하는 홀(H)을 각각 관통 형성시키는 단계 등으로 이루어진다.

이때, 상기 서브 프레임 연결 마운팅부 및 휠축 연결 마운팅부를 각각 형성시키는 단계는, 서로 그 순서가 바뀔 수도 있으며, 동시에 실시될 수도 있다.

또한, 서스펜션 암을 제조하는 상기 공정에는, 도 8에 도시된 성형 가공 형재의 양 단부 각 상·하 단부를 절삭 가공하여 도 1에 도시된 형상으로 만드는 단계를 생략하였다.

그리고, 용체화처리는, 열처리형 합금의 합금원소를 과포화시키는 열처리로서, 500∼550℃에서 20∼60분동안 실시되며, 그 온도는 가능한 높은 경우가 유리하나, 용융 온도를 초과하게 되거나 또는, 용융 온도에 도달하지 않아도 비평형 용해의 가능성이 있으므로 주의해야 한다.

또한, 용체화 처리 후 성형 가공 완료된 서스펜션 암은 에이징 처리됨으로써, 적절한 기계적 성질을 부여받게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방법은, 압출 형재를 이용하여 제조되기 때문에 생산성이 향상되며, 이러한 방법으로 제조된 발명의 서스펜션 암은, 상·하·좌·우 방향으로의 진동과 충격에 높은 강성을 갖기 때문에 충격 흡수 능이 향상될 수 있을 뿐 아니라, 강제 서스펜션 암에 비하여 경량이기 때문에 연비가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 자동차 후륜 현가장치를 구성하는 서스펜션 암의 제조 방법에 있어서,

   압출기의 금형을 통하여, 평탄한 바닥판의 양 단부에 수직한 측벽이 일체로 형성되되, 각 측벽이, 바닥판에 연결된 외측벽과, 외측벽의 상단부에서 내측 방향으로 절곡된 후 외측벽과 평행하면서 하단부가 바닥판과 이격된 상태로 연장 형성된 내측벽으로 이루어진 이중벽 구조를 갖는 단면 형상의 알루미늄 합금 압출 형재를 압출 성형하는 단계와;

   압출 형재를 용체화처리하는 단계와;

   압출 형재를 절단 가공하는 단계와;

   절단된 압출 형재의 상단면을 고정하고, 상부 금형을 압출 형재의 중앙 내부에 밀착시키는 단계와;

   상기 압출 형재의 바닥판 길이 방향 일측단부의 폭 방향 중앙부 저면을 상향 프레스 하여 바닥판에 하향 개방형의 "ㄷ"자형 단면 구조를 부여하는 동시에, 순차적으로 양 단부의 2중벽을 폭 방향 중심부측으로 밀착시켜 각각 서브 프레임 및 휠축과의 연결 마운팅부를 형성시키는 단계와;

   양 단부에 각각 마운팅부가 형성된 압출 형재로부터 상부 금형을 분리한 후 바닥판 중앙부 상면에 코일 스프링 안착홈을 펀칭 형성시키는 단계와;

   길이 방향 양 마운팅부의 각 일측 외측벽 외면에서 타측 외측벽 외면을 관통하는 홀을 각각 관통 형성시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 자동 차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 바닥판의 폭 방향 각 단부에서 상향 직립한 외측벽은, 그 상단부에서 외측을 향한 수평 방향, 상향 수직 방향, 내측을 향한 수평 방향으로의 순차적 절곡 후 하향 수직 방향으로의 절곡에 의해 내측벽을 형성함을 특징으로 하는 자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조 방법.
3. 제 1항 및 제 2항 중의 어느 한 항에 있어서, 내·외측벽의 상단부에는, 수평 및 수직 방향 절곡에 의해 내·외측벽의 간격보다 큰 폭을 갖고, 내측면이 내측벽 내면과 동일면을 이루면서 외측면이 외측벽 외면보다 외측으로 돌출된 하향 개방형의 사각형 단면을 갖는 관체가 일체로 형성됨을 특징으로 하는 자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 압출 형재는, Si 0.95∼1.05wt%, Mg 0.5∼0.6wt%, Mn 0.5∼0.6wt%, Fe 0.15∼0.25wt%, Cr 0.13∼0.18wt%, Cu 0.05wt% 이하, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하이며, 기타 불가피한 성분들은 개별적으로 0.02wt% 이하로 하되 그 합은 0.10wt% 이하, 그리고, 잔부의 Al으로 조성되는 알루미늄 합금으로 이루어짐을 특징으로 하는 자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조 방법.
5. 상기 청구항 1의 방법에 의해 제조되며, Si 0.95∼1.05wt%, Mg 0.5∼0.6wt%, Mn 0.5∼0.6wt%, Fe 0.15∼0.25wt%, Cr 0.13∼0.18wt%, Cu 0.05wt% 이하, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하이며, 기타 불가피한 성분들은 개별적으로 0.02wt% 이하로 하되 그 합은 0.10wt% 이하, 그리고, 잔부의 Al으로 조성되는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 자동차 후륜 현가 장치용 서스펜션 암의 제조방법.

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