KR101586692B1 - 전자식 조향 시스템용 커플러 단조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각단조공법에 의해 펀치로 압력을 가하여 중앙에 원형 양각부로 형성된 센터부 및 상기 센터부를 기준으로 포위하는 형태로 양각부로 형성된 다수의 치형부를 형성시키되, 펀치핀의 높이를 평면부를 기준으로 최적인 5.4~5.5mm로 형성시키고, 그 각도는 19~21도로 형성시켜 펀치핀의 파손율을 낮출 수 있는 커플러 제조방법에 관한 것이다.
이에 따라, 동력을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 치형부의 형상을 통하여 적은 마찰력으로 인해 파손 및 소음을 저하시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 가압시 사용되는 펀치의 면에 커플러의 치형부에 대응하는 펀치핀을 형성시켜 보다 정밀하게 커플러의 치형부를 형성시킬 수 있는 효과가 있을 뿐 아니라, 펀치평면부를 기준으로 최적의 높이를 가지는 펀치핀을 형성시켜 펀치핀의 파손율을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전자식 조향 시스템용 커플러 단조방법{COUPLER PRODUCTING METHOD FOR MDPS}

본 발명은 전자식 조향 시스템용 커플러 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉간단조공법에 의해 펀치로 압력을 가하여 중앙에 원형 양각부로 형성된 센터부 및 상기 센터부를 기준으로 포위하는 형태로 양각부로 형성된 다수의 치형부를 형성시키고, 펀치핀의 높이를 평면부를 기준으로 최적인 5.4~5.5mm로 형성시키고, 그 각도는 19~21도로 형성시키는 커플러 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 커플러는 주조 또는 기계가공이나 단조에 의해 제조된다. 기계가공에 의한 방법은 커플러의 치수 정밀도가 높은 장점이 있으나, 점진적으로 가공이 이루어지므로, 단 한번의 타격에 의해 기어 형태가 완성되는 단조공정에 비해 생산성 측면에서 경쟁력이 없다. 그러나, 단조공정은 정밀도 측면에서 자동차 부품 적용 가능 수준인 KS 2~4급의 정밀도가 높은 부품 제작에 어려움이 있었기 때문에, 농기계용 정도 수준까지의 부품을 제조하는데 이용되어 왔다. 예컨대, 냉간 단조로 커플러를 제조하게 되면, 금형보다 단조품 치수가 평균 0.1mm 이상 더 크게 제조되기 때문에, 단조품의 치수를 원하는 정밀도로 제조하기 위해서는 금형과 단조품 사이의 치수 차이가 발생되는 원인과 그 양을 정량적으로 분석하여, 이를 단조금형에 보정해야 하는 어려움이 존재한다. 이러한 이유로 최근 단조공정에 의한 커플러 제조할 때, 커플러의 치수정밀도를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 1을 살펴보면, 기존의 제품은 치형부(10)의 단면적이 31.4 ㎟로서 치형 4부의 총 단면적은 125.6 ㎟이며, 센터부(20)의 면적은 44.2 ㎟로서 냉간단조 1차 및 2차 성형시 총 면적이 넓은 치형부로 비교적 소재 잘 유입되면서 성형성이 뛰어나다. 그러나, 센터부의 내경이 작음에 따라 큰 동력을 전달하기에 어려움이 있어 응답성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 치형 형태의 플렉시블 커플링이 삽입되어 높은 마찰력으로 인한 커플러의 파손 및 소음이 문제되었고, 모터의 동작에 따른 응답성이 떨어지는 문제점이 있었다.

냉간단조공법에 대한 선행기술로 한국공개특허 2005-0077368호에 개시된 기술내용으로 기존의 평기어 제조공정에 비하여 단조공정이 간단하고 단조 가압력을 크게 줄일 수 있으며, 무엇보다도, 제조된 평기어는, 기어의 형상 결함이 완전히 제거되며 치형 정밀도가 높기 때문에, 자동차용 부품 수준인 KS 2~4급 수준을 확보할 수 있는 기술에 대해서는 개시하고 있지만, 본 발명에 개시된 내용과 같이 센터부와 치형부의 단면적 비율을 한정하는 커플러 제조방법에 대해서는 개시하고 있지는 않다.

1. 한국공개특허공보 2005-0077368호 "고정밀 평기어의 제조방법” (공개일자: 2005. 08. 02.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다수개의 치형부의 단면적은 센터부의 단면적에 비해 65~75%로 제작하여 동력을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 치형부의 형상을 통하여 적은 마찰력으로 인해 파손 및 소음을 저하시킬 수 있는 커플러 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 가압시 사용되는 펀치의 면에 커플러의 치형부에 대응하는 펀치핀을 형성시켜 보다 정밀하게 커플러의 치형부를 형성시킬 수 있는 커플러 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 펀치의 가압면에는 가압시 치형부 면적의 80~85%에 해당하는 펀치핀을 형성시키고, 펀치핀의 높이를 펀치평면부로부터 최적의 높이로 형성시켜 파손율을 대폭 낮출 수 있는 커플러 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전자식 조향 시스템(MDPS)내에서 모터와 웜 샤프트 사이에 위치하며, 모터에서 발생하는 동력을 웜 기어, 웜 휠을 통하여 동력을 전달하는 커플러의 제조방법에 있어서, 상기 커플러는 냉간단조공법에 의해 펀치로 압력을 가하여 중앙에 원형 양각부로 형성된 센터부 및 상기 센터부를 기준으로 포위하는 형태로 양각부로 형성된 다수의 치형부를 형성시키는 커플러 제조방법에 관한 것이다.

상기 다수 치형부의 단면적은 상기 센터부의 단면적에 대비하여 65~75%인 것을 특징으로 하고, 상기 다수 치형부는 상기 센터부를 기준으로 각각 마주보는 형태로 배치되게 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 펀치의 가압면에는 가압시 상기 치형부에 대응하는 부분을 효율적으로 가압하기 위한 펀치핀이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 적용되는 커플러 제조방법에 상기 펀치의 가압면에는 가압시 상기 치형부 면적의 80~85%에 해당하는 펀치핀이 형성되고, 상기 펀치핀의 높이는 펀치평면부를 기준으로 5.4~5.5 mm이고, 그 각도는 19~21도인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 냉간단조공법에 의해 펀치로 압력을 가하여 중앙에 원형 양각부로 형성된 센터부 및 상기 센터부를 기준으로 포위하는 형태로 양각부로 형성된 다수의 치형부를 형성시키되, 상기 다수 치형부의 단면적은 상기 센터부의 단면적에 대비하여 65~75%인 것을 특징으로 하는 커플러 제조방법을 제시한다.

이에 따라, 동력을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 치형부의 형상을 통하여 적은 마찰력으로 인해 파손 및 소음을 저하시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 가압시 사용되는 펀치의 면에 커플러의 치형부에 대응하는 펀치핀을 형성시켜 보다 정밀하게 커플러의 치형부를 형성시킬 수 있는 효과가 있을 뿐 아니라, 펀치평면부를 기준으로 최적의 높이를 가지는 펀치핀을 형성시켜 펀치핀의 파손율을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 커플러의 센터부 및 치형부를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 커플러의 센터부 및 치형부를 나타내고, 상기 치형부에 대응하는 펀치를 나타내는 측면도,
도 3은 펀치 성형깊이에 따른 치형부의 길이를 나타내는 그래프,?
도 4는 펀치 성형깊이에 따른 후방압출 높이를 나타내는 그래프,
도 5는 성형시에 발생하는 소재의 유동을 나타낸 성형해석 사진,
도 6은 성형 완료시의 소재의 유동을 나타낸 성형해석 사진,
도 7은 소재가 펀치와 접촉시 소재의 유동을 나타낸 성형해석 사진,
도 8은 공정에 따른 성형하중을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 본 발명에 따른 커플러 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 2을 참조하여 본 발명에 따른 커플러 제조방법을 설명하면 하기와 같다.

본 발명에 따른 커플러(DOG-COUPLER)는 전자식 조향 시스템(MDPS)내에서 모터와 웜 샤프트 사이에 위치하며, 모터에서 발생하는 동력을 웜 기어, 웜 휠을 통하여 동력을 전달하는 부품에 해당한다. 상기 전자식 조향 시스템(Motor Driven Power Steering)는 기존의 기계적인 유압식 파워스티어링을 전기 모터로 대체한 첨단 전자제어 조향장치로 연비향상과 경향화에 크게 기여하고 정밀한 운전이 가능하며 오일교환에 따른 환경오염 문제를 근본적으로 제거하는 조향 시스템으로서 운전 편의성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

먼저, 도 2의 커플러 단면을 살펴보면, 상기 커플러(100)는 냉간단조공법에 의해 펀치(200)로 압력을 가하여 중앙에 원형 양각부로 형성된 센터부(110) 및 상기 센터부(110)를 기준으로 포위하는 형태로 양각부로 형성된 다수의 치형부(120)가 형성되어 있다.

상기 다수 치형부(120)의 단면적은 상기 센터부(110)의 단면적에 대비하여 65~75% 정도로 형성시키는 것이 바람직하고, 상기 다수 치형부(120)는 상기 센터부(110)를 기준으로 각각 마주보는 형태로 배치되게 한다. 이하, 상기 치형부(120) 및 센터부(110)의 단면적에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 1을 살펴보면, 기존의 제품은 치형부(10)의 단면적이 31.4 ㎟로서 치형 4부의 총 단면적은 125.6 ㎟이며, 센터부(20)의 면적은 44.2 ㎟로서 냉간단조 1차 및 2차 성형시 총 면적이 넓은 치형부로 비교적 소재 잘 유입되면서 성형성이 뛰어나다. 그러나, 센터부의 내경이 작음에 따라 큰 동력을 전달하기에 어려움이 있어 응답성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 치형 형태의 플렉시블 커플링이 삽입되어 높은 마찰력으로 인한 커플러의 파손 및 소음이 문제되었고, 모터의 동작에 따른 응답성이 떨어지는 문제점이 있었다.

하지만, 도 2와 같이 본 발명에 따른 커플러(100)의 경우 각 치형부(120)의 면적이 30.6 ㎟ 으로 측정되었고, 총 4개의 치형부의 단면적의 합은 122.4 ㎟으로서 센터부(110)의 단면적 176.7 ㎟보다 작게 형성되어 있다. 즉, 다수 치형부(120)의 단면적은 상기 센터부(110)의 단면적에 비해 69% 정도를 차지하는 것을 알 수 있다. 바람직하게는 상기 다수 치형부(120)의 단면적은 상기 센터부(110)의 단면적에 대비하여 65~75%를 차지하는 것이 바람직한데, 그 이유는 센터부(110)의 내경이 확대됨에 따라 동력을 효율적으로 전달할 수 있을 뿐 아니라, 본 발명에 따른 치형부(120)의 형상으로 볼 형태의 플렉시블 커플링을 삽입할 수 있는 구조가 되어 커플러(100)의 파손 및 소음에 대한 문제를 해결할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 커플러(100)는 기존의 커플러와 비교하여 큰 동력을 전달하기 위해 내경이 커진 것이 특징이 있는데, 이는 추후 설명할 센터부(110)의 면적을 확대시켜 동력을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 이와 같이 확대된 센터부(110)에 대응하여 치형부(120)에 해당하는 면적은 축소되었는데, 이는 ball 형상의 플렉시블 커플링(미도시)이 삽입되는 구조를 유지시키기 위함이다. 상기 볼 형상의 플렉시블 커플링이 삽입되어 적은 마찰력으로 인해 파손 및 소음을 저하시킬 수 있을 뿐 아니라, 동력에 따라 높은 응답성을 가질 수 있는 장점이 있다.

다만, 본 발명에 따른 커플러(100)의 센터부(110)와 치형부(120)의 면적 차이로 인해 소재의 유입이 센터부(110)에 집중되면서 치형부(120)에 결육 및 치수 미달과 같은 결함이 발생할 수 있지만, 이는 소재의 유입이 부족한 치형부(120)에만 집중적으로 성형하여 제품의 성형성을 만족시키기 위한 방법으로 펀치의 형상을 통해 개선할 수 있다.

즉, 도 2의 커플러 하단에 도시된 바와 같이, 펀치면에 핀(210)을 억지박음을 통해 형성시키는데, 특히 상기 펀치핀(210)은 상기 치형부(120)에 대응하게 가압하는 것이 중요하다. 또한, 이와 같이 펀치핀(210)을 억지박음을 통해 제작함으로써 금형의 교체비용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 펀치핀의 면적은 치형부 면적의 80~85%가 바람직하다. 이는 펀치핀의 성형면적이 상승할수록 소재의 성형 면적이 비례적으로 상승하게 되므로 이에 따라 후방압출되는 높이도 커지게 되며 펀치(PIN)에 가해지는 응력 또한 상승하게 된다. 펀치핀의 면적이 커질수록 금형 파손율 상승하고, 면적이 작을 경우 에는 성형부에 성형이 덜 되는 문제가 있기 때문이다. 또한, 펀치평면부(220)에 소재가 닿으면 펀치 파손율이 대폭 상승하므로 이에 주의할 필요가 있다.

특히, 본 발명에 적용되는 상기 펀치핀(210)의 높이는 펀치평면부(220)를 기준으로 5.4~5.5 mm이고, 그 각도는 도 2의 평면상에서 보았을 때, 수평선 또는 수직선을 기준으로 각각 19~21도인 것이 바람직하다. 이하, 도 3 및 도 4를 중심으로 설명한다.

도 3은 펀치 성형깊이에 따른 치형부의 길이를 나타내는 그래프이고, 초반 2mm의 깊이까지는 치형부의 변화가 없다가 이후부터 급격히 압출되기 시작하면서 발 길이가 7.75mm 이후부터 비교적 완만하게 상승하며, 펀치를 4.36mm 눌렀을 때 목표 값인 8mm에 도달하였다.

도 4는 펀치 성형깊이에 따른 후방압출 높이를 나타내는 그래프로서, 후방압출 높이의 경우, 초반부터 급격히 상승하면서 성형 깊이가 1.5mm일 때부터 서서히 감소하기 시작하여 목표 값에 도달했을 때는 1mm만큼 후방압출되어, 이후에 후방압출 높이가 상승하는 경향을 알 수 있다.

따라서 펀치PIN의 높이를 5.5mm으로 결정한 이유로는 성형깊이가 최소 4.36mm이며, 후방압출 높이가 1mm이기 때문에 총 5.36mm이상의 높이가 필요하기 때문이다. 이에 펀치핀(210)의 높이는 펀치평면부(220)를 기준으로 5.4~5.5 mm을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 펀치핀(210)의 각도는 도 2의 평면상에서 보았을 때, 수평선 또는 수직선을 기준으로 각각 19~21도가 바람직한데, 펀치핀의 각도가 19°이하일 경우, 펀치에 소재가 소착하는 결함이 발생하여 작업이 불가능하며, 21°이상일 경우, PIN에 의해 측면으로 밀리는 소재의 양이 많아져서 후방압출양이 많아지게 되어 펀치의 파손율이 상승하게 되는 단점이 있다.

도 5는 성형시에 발생하는 소재의 유동을 나타낸 것으로, 소재의 유동이 치형부에 집중되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6은 성형 완료시의 소재의 유동을 나타낸 것으로, 성형 깊이가 길어질수록 소재가 펀치핀의 안쪽에서 바깥으로 밀게 되고, 이에 따라 펀치핀의 A부에 파손이 발생이 집중적으로 발생하게 되어, 펀치핀의 길이가 길수록 파손율도 비례적으로 상승하게 된다.

이와 반대로, 펀치핀의 길이가 짧거나 기타의 이유로 소재가 펀치와 접촉하게 되면 소재의 유동이 도 7과 같이 외곽으로 향하게 된다. 이때 매우 높은 확률로 펀치핀은 파손하게 된다. 도 8은 성형하중을 나타낸 것으로, 특히 2공정시에 성형하중이 펀치의 성형하중은 80TON으로 나타났으며, 소재와 펀치가 접촉하는 시점에서는 급격히 성형하중이 상승하여 펀치의 파손을 야기시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100: 커플러 110: 센터부
120: 치형부 200: 펀치
210: 펀치핀 220: 펀치평면부

Claims (5)

1. 전자식 조향 시스템(MDPS)내에서 모터와 웜 샤프트 사이에 위치하며, 모터에서 발생하는 동력을 웜 기어, 웜 휠을 통하여 동력을 전달하는 커플러의 제조방법에 있어서,
   상기 커플러(100)는 냉간단조공법에 의해 펀치(200)로 압력을 가하여 중앙에 원형 양각부로 형성된 센터부(110) 및 상기 센터부(110)를 기준으로 포위하는 형태로 양각부로 형성된 다수의 치형부(120)를 형성시키며,
   상기 펀치(200)의 가압면에는 가압 시 상기 치형부(120) 전체 면적의 80~85%에 해당하는 펀치핀(210)이 형성되고,
   상기 펀치핀(210)의 높이는 펀치평면부(220)를 기준으로 5.4~5.5 mm이고, 수평선 및 수직선을 기준으로 그 각도는 각각 19~21도 이내이며,
   상기 다수 치형부(120)는 상기 센터부(110)를 기준으로 각각 마주보는 형태로 대칭적으로 배치되는 커플러 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수 치형부(120)의 단면적은 상기 센터부(110)의 단면적에 대비하여 65~75%인 것을 특징으로 하는 커플러 제조방법.
   
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