KR20170036783A - 섀시용 볼 조인트 - Google Patents

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KR20170036783A
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ball joint
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볼프강 마이어
카사노바 이그나시오 로보
마틴 바흐텔
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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 볼 저널(3) 및 하우징(2)을 구비한 볼 조인트(1)에 관한 것으로, 볼 저널(3)은 볼에 의해 회전 운동 및 선회 운동이 가능하게 하우징(2) 내에 수용되며, 볼(3a)은 적어도 부분적으로 구성 부품(4)에 의해 둘러싸인다. 구성 부품(4)은 실질적으로 섬유-플라스틱 복합 구조물로 형성되며, 적어도 부분적으로 하우징(2)을 형성한다.

Description

섀시용 볼 조인트{BALL JOINT FOR A CHASSIS}
본 발명은 볼 저널 및 하우징을 구비한 볼 조인트에 관한 것으로, 볼 저널은 볼에 의해 회전 및 선회 운동이 가능하게 하우징 내에 수용되며, 볼은 적어도 부분적으로 구성 부품에 의해 둘러싸인다. 또한, 본 발명은 상기 유형의 볼 조인트 제조 방법에 관한 것이다.
EP 1 953 012 A2호에는 개방 프로파일로 형성된 스트럿 몸체를 구비하며, 차량에서 이용하기 위한 조인트 로드가 개시되어 있으며, 스트럿 몸체의 단부는 적어도 부분적으로 플라스틱 케이싱과 함께 인서트 성형된다. 볼 저널에 대해 하우징 내에서의 확실한 보유를 제공하기 위해, 스트럿 몸체는 판금, 플라스틱 또는 섬유 복합 재료로 형성될 수 있으며, 그 외 플라스틱으로 형성된 하우징의 보강에 이용됨으로써, 하우징이 원하는 안정성을 이룬다. 조인트 로드는, 차량의 섀시 내에서 차체와 다른 섀시 부품 사이의 또는 두 개의 섀시 부품 사이의 연결 부품으로서 사용될 수 있는 2점 컨트롤 암을 형성한다. 하우징에 플라스틱을 사용함으로써, 하우징은 강에 비해 상당히 적은 중량을 가질 수 있다. 전술한 공개 문서는, 추가의 보강 구조물 없이 형성되는 컨트롤 암을 형성하기 위한 통합이 불가능한 전체 부품을 설명한다.
본 발명의 과제는, 볼 저널 및 하우징을 갖는, 특히 섬유 복합 재료로 이루어진 컨트롤 암 내에 통합하기 위한 볼 조인트에 의해 해결되며, 볼 저널의 볼은 회전 가능하고 선회 가능하게 하우징 내에 수용되며, 볼은 적어도 부분적으로 구성 부품에 의해 둘러싸이며, 상기 볼 조인트는, 구성 부품이 특히 보강 구조물 없이, 실질적으로 섬유-플라스틱 복합 구조물로 형성되고 적어도 부분적으로 하우징을 형성하는 것을 특징으로 한다.
볼 조인트에서 통상적인 것처럼, 상기 볼 저널은 그 일측 단부에 볼을 포함하며, 상기 볼은 볼 저널이 볼 중심점을 중심으로 회전 운동 및 선회 운동을 실행할 수 있게 허용한다. 볼에서 먼 쪽의 저널 면에는 예를 들어 나사산이 제공됨으로써, 볼 저널이 연결 부품, 다른 섀시 부품 또는 차량의 차체와 나사 결합될 수 있다. 나사산과 볼 사이에는 대개, 연결 부품 또는 차체와의 높은 하중을 견딜 수 있는 형태 결합식 연결을 허용하는 원추형 시트가 제공된다.
통상 강으로 제조된 볼 저널을 경금속 컨트롤 암과 연결해야 할 경우, 볼 저널과 연결 부품 간의 연결을 개선하기 위해, 경금속과 강 사이의 개선된 연결을 허용하는, 특히 원추형의, 중간 링이 제공될 수 있다. 볼 조인트의 하우징도 마찬가지로 강 또는 플라스틱으로 제조될 수 있으며, 이 경우 플라스틱이 볼 둘레에 인서트 성형될 수 있다. 이때, 볼은 적어도 부분적으로 구성 부품에 의해 둘러싸인다. 구성 부품은 하우징의 부분이며 하우징을 둘러싸거나 에워싼다. 구성 부품 내에 구멍 또는 수용부 또는 리세스가 형성되어 있는 경우, 상기 하우징 부분이 볼을 둘러싼다. 구성 부품이 구멍 또는 수용부 또는 리세스 대신 볼 형태의 만입부를 갖는 경우, 상기 하우징 부분은 볼을 적어도 부분적으로 둘러싸며, 이때 만입부는, 볼이 상기 만입부 내에 직접 또는 베어링 쉘의 중간 연결 하에 회전 운동 및 선회 운동이 가능하게 수용될 수 있다. 구멍 또는 만입부를 제외하면, 구성 부품은 실제로 평평한 부품으로서 형성된다. 평평하거나 납작한 구성 부품은 전체적으로 일정한 벽 두께를 가질 수 있다. 마찬가지로, 구성 부품은, 볼 조인트로부터 먼쪽 단부 영역에서보다, 볼 조인트와의 연결 영역 내에서 더 높은 벽 두께를 가질 수 있다. 구성 부품은 재료 단면에 있어서 일정하게 감소할 수 있는데, 하우징으로부터 먼쪽 단부 영역까지 재료 단면이 거의 0이 되도록 감소할 수 있다.
볼 조인트는, 구성 부품이 실질적으로 섬유-플라스틱 복합 구조물로 형성되고 적어도 부분적으로 하우징을 형성하는 것을 특징으로 한다. 부분적인 하우징 형성이란, 구성 부품이 하우징의, 특히 주요, 부분을 형성한다는 의미이다. 구성 부품은 하우징을 보강하고, 구성 부품과 하우징 사이에 적어도 형태 결합식 연결이 존재하도록 하우징과 연결된다. 하우징이 플라스틱으로 인서트 성형되는 경우, 인서트 성형을 통해, 적어도 구성 부품의 부분 중 적어도 볼의 영역에 인서트 성형된 플라스틱과 구성 부품 사이에 재료 결합식 연결이 형성된다.
구성 부품은 종래 기술에 공지된, 예를 들어 후방 사출 성형품 또는 주조품 형태의 별도의 보강 구조물을 포함하지 않는다. 이로써, 보강물을 삽입하기 위한 추가 단계가 생략된다. 이에 의해, 공정 시간뿐만 아니라 비용과 관련해서도 더 유리한 최종 제품이 수득되는 점은 자명하다. 또한, 보강 구조물이 배제됨으로써 결과적으로 보강물을 갖는 부품보다 더 가벼운 중량이 기대된다.
바람직하게는, 구성 부품은, 프리폼(preform) 구조, 특히 TFP 구조 또는 유기 시트(organic sheet)로 제조된다. 유기 시트는, 통상 플레이트 형태로 제조되며 장섬유(filament)로 보강된 열 가소성 플라스틱 소재의 반제품을 의미한다. 유기 시트는 온도 영향 하에 (예를 들어 딥 드로잉 성형 공정을 통해) 소성 변형될 수 있다.
프리폼 구조물은, 하나 이상의 평면 직물 재료로 형성되고, 구성 부품의 제조 공정 중에 금형을 이용하여 압력 및 온도의 영향하에 그 최종 형상을 갖게 되는 블랭크(blank)를 의미한다. 부품 요건들에 기초하여, 예를 들어 유한 요소법(FEM, Finite Element Methode)을 이용하여, 제조될 컨트롤 암 부품이 예를 들어 승용차 섀시에서 얼마의 하중 또는 응력을 받는지가 결정된다. 그런 다음, 차후에 완성된 부품에 작용하는 공지된 (강도 및 방향과 관련된) 하중 또는 응력을 기초로 하여, 평면 직물이 기계적으로 생성됨으로써, 하중 맞춤형 섬유 배향을 갖는 프리폼 구조물이 제공된다. 간단히 말해서, 부품 내에서 더 높은 하중이 예측되는 위치들에 섬유가 밀집된다. 하중을 덜 받는 위치들에서는 섬유가 덜 조밀하게 연장된다. 섬유-플라스틱 복합 구조물 또는 그의 섬유들을 (예를 들어, 보어의 영역 내 섬유를 손상시킬 수도 있는 보어를 통해) 단속시키는 것은 불리하기 때문에, 직물의 섬유들은, 이러한 섬유가 예를 들어 차후에, 다른 섀시 부품의 수용을 위한 의도적인 리세스 또는 구멍 둘레에 안내되도록 구성된다. 평면 직물은, 단층으로 형성되거나, 또는 특히 단일 층으로부터 시작하여 다층으로 형성될 수 있으며, 이때 맞춤형 섬유 배치(TFP, tailored fibre placement), 자카드(jacquard) 방법, 섬유-매트릭스 혼합 방법, 혼사(commingling) 방법 및/또는 필름 적층(film stacking) 방법과 같은 방법이 사용된다. 이러한 공지된 방법을 이용하여, 생각할 수 있는 거의 모든 구조 및 요구된 모든 하중 맞춤형 섬유 배향이 생성될 수 있다. 이러한 방법에 의해 만들어진 프리폼 구조물은 향후 부품의 대략적인 형태를 미리 알 수 있게 한다. 특히, 하중 맞춤형 섬유 배향을 통해, 부품이 향후 사용 시 어느 지점에서 높은 하중에 노출될지를 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 구성 부품이 볼 조인트의 하우징의 부분이어야 하기 때문에, 하우징을 제조하기 위해 플라스틱으로 인서트 성형을 수행하기 전에, 적어도 볼 저널이 삽입될 하나 이상의 공동 또는 구멍 또는 리세스가 프리폼 구조물에 제공된다. 전술한 방법(특히 TFP)에 따른 프리폼 구조물로 이루어진 구성 부품에서, 프리폼 구조물이 금형 내에서 압력 및/또는 온도의 공급에 의해 고형화(consolidate)된다. 이러한 공정 단계, 전술한 고형화 또는 고형화 공정에서, 압력 및 온도의 상승을 통해, 그리고 프리폼 구조물의 모재에 좌우되는 결정된 시간 동안 상기 파라미터의 유지를 통해, 원재료 또는 섬유-플라스틱 복합 구조물의 경화(hardening)가 실현된다. 고형화 또는 고형화 공정은 "열간 압축(hot pressing)" 또는 "압축 및 경화(curing)"라는 표현으로도 알려져 있다. 이 경우, 프리폼 구조물의 원재료는 금형 내로 삽입되기 전에 프리폼 구조물에 또는 그 내부에 이미 존재하는 (예를 들어 이른바 혼성 섬유(hybrid yarn) 형태의) 매트릭스 재료와 결합된다. 대안적으로, 프리폼 구조물의 매트릭스 재료는 특히 수지 형태로 금형 내로 공급된다. 이렇게 하여, 고형화 시 균질의 섬유-플라스틱 복합재가 형성된다. "함침(infiltrating)"이라고도 불리는, 수지 형태의 또는 혼성 섬유 형태의 매트릭스 재료의 공급에 대해서는 나중에 다시 언급될 것이다.
고형화에 후속하여 금형 내에서 냉각이 수행될 수 있으며, 상기 냉각은 폐쇄 또는 개방된 금형에서 가능하고, 재료에 따라 특정 시간 간격 내에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 금형 내에서 유체, 특히 기체 또는 액체에 의해 능동 냉각이 수행되는 방식으로, 금형 내에서 제어식 능동 냉각이 수행될 수 있다. 그 다음, 완성된 부품이 금형으로부터 배출되어, 필요한 경우 후처리에 공급될 수 있다. 이렇게 완성된 전반적으로 납작한 구성 부품은, 볼 저널이 그 볼과 함께 장착될 수 있는 구멍 또는 수용부 또는 리세스를 갖는다.
후속되는 플라스틱 인서트 성형은, 볼 저널 부품과 구성 부품이 이들의 위치와 관련하여 상호 고정되며, 구성 부품에 의해 보강된 볼 조인트용 하우징이 형성된다.
TFP 구조로 이루어진 프리폼 구조물, 또는 전술한 방법에 따른 구조의 대안으로, 유기 시트도 사용될 수 있다. 유기 시트는, 구성 부품이 납작하지 않고, 임의의 형태로 제공되어야 할 경우, 별도의, 특히 이전의 공정 단계에서 온도의 영향 하에 딥 드로잉을 통해 변형을 거칠 수 있다. 이로써, 딥 드로잉을 통해 볼 저널의 볼을 수용하기 위한 전술한 리세스 또는 만입부도 형성될 수 있다. 대안적으로, 유기 시트는 금형 내로 삽입되기 전에, 특히 별도의 장치에서, 매트릭스의 용융 온도에 가까운 온도로 제공되고 가열 직후에 금형 내로 삽입될 수 있다.
바람직하게는, 구성 부품이 볼로부터 먼 영역에 구멍들을 가지며, 이들 구멍은, 특히 실질적으로, 볼 중심점을 중심으로 동심으로 배열된다. 구성 부품 내의 구멍은 컨트롤 암 내로의 통합을 위해 나사 결합점으로서 이용될 수 있다. 이 경우, 나사 결합 시, 연결 부품과의 나사 결합을 위한 상응하는 직경을 갖는 나사가 사용될 수 있도록 그 직경이 형성되는, 소량의, 특히 3개의 구멍이 전제된다.
한 바람직한 실시예에 따른 구성 부품을 갖는 조인트가 컨트롤 암의 형성을 위해 추가의 섬유-플라스틱 복합 구조물을 구비하여 형성되어야 할 경우, 조인트의 구조 지지부 내의 구멍 또는 단속부는 구성 부품을 갖는 조인트와 나머지 컨트롤 암 부분 사이의 형태 결합식 연결의 형성을 구현한다. 조인트의 구조 지지부 내의 구멍 또는 단속부를 통해, 상기 조인트는 인서트 성형을 통해 바람직하게 나머지 컨트롤 암 부품과 연결될 수 있다. 베어링 또는 조인트와 컨트롤 암의 연결을 위해 예를 들어 조립 사출 성형에 제공된 재료가 구조 지지물만 전체적으로 둘러싸는 것이 아니라, 조립 사출 성형 공정에서 구멍들 또는 단속부들 내로도 흘러서, 하중 내력이 높은 재료 결합식 연결이 형성된다.
바람직하게는, 단속부 또는 구멍은, 이들이 원형 및/또는 타원형 및/또는 다각형 형태를 갖도록 형성된다. 구성 부품 내 구멍 또는 단속부는 바람직하게 이미 프리폼 구조물로부터 구성 부품을 제조할 때 상기 구성 부품 내에 형성된다. 이들 구멍 또는 단속부는 프리폼 구조물의 제조 시 특히 구멍 확장 및/또는 보링 및/또는 섬유 구조물의 레이아웃을 통해 생성된다.
바람직하게는, 볼 조인트의 하우징은 여러 부분으로 형성되며, 하나 이상의 제1 부분, 특히 상기 구성 부품으로 형성된 하우징 하부 부분과, 하나 이상의 다른 부분, 특히 섬유 복합 재료 또는 경금속, 특히 알루미늄으로 형성된 하우징 상부 부분으로 구성된다.
바람직한 일 실시예에서, 두 개 이상의 하우징 부분은 접착 및/또는 사출 성형 및/또는 리벳 이음 및/또는 인서트 성형을 통해, 특히 열가소성 또는 열경화성 인서트 성형을 이용하여 서로 접합된다. 열가소성 또는 열경화성 인서트 성형은 앞서 이미 기술한 것처럼 고형화 중에 금형 내에서 실행된다. 이렇게, 금형 내에서 열가소성 또는 열경화성 인서트 성형을 통해 구성 부품과 접합되거나 고형화되는 조인트 카트리지를 사용할 수 있다. 조인트 카트리지는 볼 저널 및 하우징, 그리고 경우에 따라, 상기 위치에서 구성 부품과 접합되어야 하는 베어링 쉘을 구비한 볼 조인트 자체를 의미한다.
바람직하게는, 볼과 구성 부품, 그리고/또는 하나 이상의 하우징 부분 사이에는 특히 볼에 조립되거나 사출 성형에 의해 제공된, 특히 플라스틱 소재의, 베어링 쉘이 존재한다. 플라스틱 하우징을 위해 사용된 재료에 따라, 볼 저널의 필요한 활주 특성을 달성하기 위해, 하우징 내에 베어링 쉘이 사용되어야 할 필요가 있다. 베어링 쉘은 예를 들어 볼 저널과 함께 사전 조립될 수 있으며, 이때 볼 또는 베어링 쉘에는 사전에 윤활제가 공급된다.
바람직하게는, 볼과, 구성 부품 및/또는 하나 이상의 하우징 부분 사이에, 특히 금속으로 형성된, 베어링 케이지가 형성된다. 베어링 케이지는 바람직하게, 볼 저널 상에 작용할 수 있는 높은 배출력을 위해 조인트가 제공될 필요가 있을 경우, 배출력의 증가를 위해 이용될 수 있다. 바람직하게는, 베어링 케이지는 하우징을 형성하기 위해 플라스틱에 의한 인서트 성형 이전에 구성 부품과 형태 결합식으로 연결된다.
다른 바람직한 실시예에서, 베어링 쉘 및/또는 베어링 케이지와, 하나 이상의 하우징 부분 또는 구성 부품 사이에, 열가소성 또는 열경화성 플라스틱이 주입되거나 인서트 성형된다. 이에 의해, 볼 또는 베어링 쉘을 갖는 볼의 개선된 형상 또는 봉입이 달성된다. 또한, 특히 여러 부분으로 이루어진 하우징에서, 하우징 상부 부분과 하부 부분 간의 더욱 개선된 결합이 형성되는데, 그 이유는 이들이 열가소성 또는 열경화성 플라스틱에 의해 서로 결합되기 때문이다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 볼 조인트의 제조 방법에 관한 것이다. 볼 조인트는 하기에 기술되는 단계들에 의해 제조되며, 단계들의 순서는 반드시 여기에 나열된 순서로 수행될 필요는 없다. 특히, 하기에 기술되는 단계들은 생략되거나 부가될 수 있다.
기본적으로 이하의 단계들이 필요하다:
- 볼 저널을 수용하기 위한 구멍 또는 볼 소켓 형태의 리세스의 형성 하에, 프리폼 구조물, 특히 TFP 구조물 또는 유기 시트로 이루어진 구성 부품을 제조하고 제공하는 단계와,
- 볼 저널을 제공하는 단계와,
- 제공된 부품들을 상호 배치하는 단계와,
- 접착 및/또는 핫 러너 사출 성형 및/또는 리벳 이음 및/또는 인서트 성형을 이용하여, 특히 열가소성 또는 열경화성 인서트 성형을 이용하여, 제공된 부품들을 접합하는 단계.
바람직하게는, 부품들 상호 간의 배치 이전에, 다부품 하우징을 형성하기 위해 적어도 추가의 하우징 부품이 제공된다.
바람직하게는, 하우징 부품에 볼 저널을 제공한 후에 베어링 쉘을 조립하거나, 볼 저널의 제공 전에 볼 저널 상에 베어링 쉘을 조립한다. 볼 조인트에서, 상기 볼 조인트가 소정의 예비 인장력을 갖도록 형성되어, 볼 저널과 조인트 하우징 사이에 이탈 토크(breakaway torque)가 설정될 수 있다. 이를 위해, 베어링 쉘의 사용 시 대개, 볼 조인트가 제조 후 소정의 시간 동안 가열, 즉, 이른바 템퍼링될 필요가 있기 때문에, 베어링 쉘 재료가 이완되거나 이탈 토크의 최종 설정을 위해 유동될 수 있다. 볼 조인트의 제조 시 TFP 직물 또는 유사한 평면 직물로 이루어진 프리폼 구조물을 갖는 구성 부품이 사용되는 경우, 이렇게 제조된 볼 조인트의 템퍼링이 생략될 수 있다. 전술한 바와 같이 금형 내의 고형화 시, 금형 내의 비교적 높은 온도로 처리됨으로써, 이러한 열이 템퍼링을 구현한다. 템퍼링을 위해, 베어링 쉘 재료의 용융 온도를 하회하는 온도가 필요하다. 따라서, 프리폼 구조물의 재료에 따라 고형화 공정에 부합하는 베어링 쉘을 위한 재료가 선택된다. 이로써, 볼 조인트의 후속 템퍼링이 방지될 수 있기 때문에, 상당한 비용 장점이 형성된다.
또 다른 실시예에서, 볼 저널의 제공 후, 용례에 따라 볼 조인트의 안정화를 위해 필요할 수 있는 베어링 케이지가 제공된다.
바람직하게는, 프리폼 구조물로 이루어진 구성 부품의 제조 시, 볼의 시트로부터 먼 쪽에 있는 추가의 구멍들 또는 단속부들이 상기 구조 내로 삽입되며, 이들 구멍 또는 단속부는 프리폼 구조물의 제조 시 특히 구멍 확장 및/또는 보링 및/또는 섬유 구조물의 레이아웃을 통해 생성된다.
구성 부품은 바람직하게, 하중 맞춤형 또는 응력 부합형 프리폼 구조물로 제조되며, 전술한 바와 같이 프리폼 구조물은, 특히 평면 직물로서, TFP 방법 및/또는 자카드 방법으로 제조되고, 그리고/또는 섬유-매트릭스 혼합 재료 및/또는 혼사(commingling) 재료 및/또는 필름 적층 재료로서, 특히 다층으로 형성된다. 전술한 방법을 통해, 형태 및 특성과 관련하여, 구성 부품이 금속으로 형성된 또는 보강 구조를 갖는 섬유-플라스틱 복합 구조물로 형성된 형태로 공지된 바와 같은 구성 부품이 제조될 수 있다.
프리폼 구조물의 제조 시에 섬유 구조의 레이아웃에 의해, 섬유 배향을 통한 바람직한 하중 맞춤이 프리폼 구조물 상에서 단층으로 그리고/또는 다층으로 서로 중첩되고 그리고/또는 나란히 제공된, 특히 봉합된 혼성 섬유의 형태로 형성된다. 혼성 섬유의 사용은 열가소성 매트릭스가 통합된 실(yarn)과 관련된다. 혼성 섬유는 예를 들어 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 열가소성 매트릭스를 갖는 지지 실(supporting thread)로 형성된다. 섬유 지지 실은 매트릭스 재료와 꼬아질 수 있다. 대안적으로, 지지 실이 특히 매트릭스 재료 내부에서 연장되는 경우, 매트릭스 재료는, 예를 들어 내부에 지지 실을 포함하는 방식으로 지지 실을 둘러쌀 수 있다. 이 경우, 열 가소성 매트릭스는 그 형태 및 특성에 있어서 털실(wool thread)과 유사하게 형성된다.
평면 직물 프리폼 구조물은 전체적으로 또는 부분적으로, 유리 섬유 또는 탄소 섬유 또는 유사한 공지된 재료로 이루어진 강화 섬유를 구비할 수 있는 상기 혼성 섬유로부터 형성될 수 있다. 사용될 섬유-매트릭스 시스템을 위한 매트릭스 재료로서, 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 부분 방향성 PA(PPA) 또는 다른 열가소성 혼성 섬유를 기초로 하는 열가소성 TFP 구조뿐만 아니라, 열가소성 RTM 방법 또는 T-RTM 방법 또는 열경화성 HD-RTM 방법에서 수지로 침윤되거나 함침되는, (매트릭스 재료 없이) TFP 방법으로 제조된 건조 직물 반제품 또는 구성물도 고려될 수 있다.
바람직하게는, 하중 또는 과하중 및/또는 과응력을 표시하기 위해, 섬유-복합 구조물의 변화를 검출하는 하나 이상의 센서가 섬유-복합 구조물 내에 또는 볼 조인트 내에 통합된다. 센서는 바람직하게 검출 장치 및/또는 평가 장치와 연결된다. 바람직하게, 하중은 차량 운전석의 운전자에게, 특히 시각적으로 그리고/또는 음향적으로 표시된다. 대안적으로, 평가 장치가, 특히 차량 버스 시스템(예를 들어 CAN 버스)을 통해 차량 내 제어 장치와 네트워킹되어, 하중값이 메모리 내에 호출 가능하게 보유될 수 있다. 하중값의 초과 시, 제어 장치는 지속 주행에 영향을 줄 수 있거나 재시동을 방지할 수 있기 때문에, 조인트 또는 컨트롤 암 또는 섀시에 결함이 있는 상태에서의 주행이 효과적으로 방지될 수 있다.
볼 조인트는 바람직하게, 특히 볼 조인트가 직물 프리폼 구조물로 제조되는 경우, 섬유-플라스틱 복합 구조물의 컨트롤 암 내에 사용된다.
볼 조인트는 바람직하게 축 시스템용, 바람직하게는 후방 휠 스티어링을 갖는 축 시스템용 조향 장치에서 사용된다.
더 바람직하게는 볼 조인트가 조정 장치의 컨트롤 암 내에 통합되며, 이때 컨트롤 암은 길이가 변경될 수 있거나, 조정 장치를 통해 컨트롤 암에 대해 선형으로 조정될 수 있는, 변위 가능한 타이 로드를 갖는다.
이하, 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 다점 컨트롤 암에 장착된 볼 조인트의 사시도이다.
도 1a는 도 1에 따른 볼 조인트의 부분 단면도이다.
도 2는 볼 조인트의 부분 단면도이다.
도 3은 구성 부품을 갖는 볼 조인트의 상세도이다.
도 4a는 볼 조인트의 일 실시예의 도이다.
도 4b는 볼 조인트의 또 다른 한 실시예의 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법 단계의 흐름도이다.
도 1은 섬유-플라스틱 복합 구조물에서 제조된 3점 컨트롤 암 형태의 자동차의 횡방향 컨트롤 암을 도시한다. 횡방향 컨트롤 암(1)은 대략 도 1에 도시된 축(A)을 중심으로 접혀서 도시된 형태를 갖게 된 다층의 납작한 프리폼 구조물로 완성된다. 컨트롤 암(12)의 일측 단부에 볼 조인트(1)가 제공된다. 명확성을 위해, 도 1a에 단면으로 도시된 바와 같이, 볼 조인트는 볼 저널(3) 및 베어링 쉘(5)을 둘러싸는 구성 부품(4)을 갖는다. 구성 부품(4) 및 베어링 쉘(5)은 하우징(2)에 의해 둘러싸인다. 전술한 부품들로 구성된 볼 조인트(1)는 여기서 사전 조립된 볼 조인트 카트리지(1)로서 제공된다. 하우징(2)은 플라스틱으로 형성될 수 있거나 플라스틱으로 인서트 성형되고, 볼을 둘러싸는 베어링 쉘(5)을 포함한 볼 저널(3)을 수용한다. 구성 부품(4)은 카트리지 또는 볼 저널을 둘러싸고, 마찬가지로 플라스틱 인서트 성형에 의해 보유된다. 외부의 영향 및 부식으로부터의 보호를 위해, 볼 조인트(1)는 저널 측에서, 볼 저널(3) 및 하우징(2) 모두를 형태 결합식으로 둘러싸는 밀봉 벨로우즈(13)에 의해 보호된다. 볼 조인트(1)와 컨트롤 암(12) 사이의 결합을 위해, 섬유-플라스틱 복합 구조물로 완전히 둘러싸인 구성 부품(4)이 제공된다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 구성 부품(4)은, 볼 조인트(1)로부터 먼 측면쪽으로 구성 부품의 단부를 향해 (테이퍼 형태로) 평탄화된 대략 납작한 형상을 갖는다. 또한, 구성 부품(4)에는, 대략 동심으로 상이한 반경을 가지며 볼 조인트(1)의 종축을 중심으로 배열된 구멍들(9)이 뚫려 있다. 구성 부품(4) 자체는 금속 재료로, 또는 역시 섬유-플라스틱 복합 재료로 제조될 수 있다. 구성 부품(4)이 완전히 섬유-플라스틱 복합 구조물에 의해 둘러싸임으로서, 볼 조인트(1)와 횡방향 컨트롤 암(12) 자체 간에 동질적 결합(homogeneous bond)이 형성된다. 구멍들(9)을 통해, 고형화 공정 중에 매우 견고한 결합이 달성되는데, 그 이유는 컨트롤 암 재료 및/또는 매트릭스 재료가 고형화 시 구멍들(9) 내로 침투되어, 구성 부품(4)이 추가로 형태 결합식으로 보유되기 때문이다. 제조 시, 구성 부품 또는 하우징(2)의 재료에 따라 프라이머 등이 제공될 수 있기 때문에, 구성 부품을 위해 제공되는 재료에 따라, 형태 결합에 추가하여, 프리폼 구조물 또는 섬유-플라스틱 복합 구조물과 구성 부품 사이에 재료 결합식 결합도 제공될 수 있다.
하나 이상의 볼 저널(3)과, 하우징(2)과, 볼 저널(3)의 볼을 둘러싸는 베어링 쉘(5)로 구성된 볼 조인트(1)의 제조 시, 볼 조인트의 제조 중에 또는 그 제조 공정 중에 후속되는 템퍼링 공정이 요구된다. 템퍼링 시, 볼 조인트가 소정의 시간에 걸쳐 가열됨으로써, 볼 저널과 하우징 사이에 있는 베어링 쉘 재료 또는 구조물이 정착될 수 있다. 이는 하우징 내에서 볼 저널의 이탈 토크(breakaway torque)를 설정하기 위해 필요하다. 이는 생략될 수 있는데, 그 이유는 컨트롤 암의 제조 시 금형 내에 볼 조인트의 템퍼링을 위해 충분한 온도가 발생하기 때문이다. 이로써, 볼 조인트 또는 카트리지의 제조 시 볼 조인트가 템퍼링될 필요가 없고, 템퍼링이 금형 내에서 컨트롤 암의 제조 시 함께 실행될 수 있기 때문에, 추가의 절약 가능성이 도출된다.
도 2는 사전 성형된 섬유-플라스틱 복합 구조물(2b) 내에 볼 조인트(1)가 통합된 모습을 도시한다. 상기 통합은, 금속 소재의 하우징, 바람직하게는 알루미늄으로 이루어진 하우징 상부 부분(2a)과, 사전 조립된 베어링 쉘(5)을 갖는 볼 저널(3)과, 사전 성형된 섬유-플라스틱 복합 구조물(2b)(예를 들어 TFP로 완성된 프리폼 구조물)이 사출 금형 내로 삽입되어, 열가소성(T-RTM) 또는 열경화성(HD-RTM)으로 인서트 성형되는 방식으로 수행된다. 이 경우, 하우징(2)의 결합은 접착부(11)를 통해 재료 결합식으로, 그리고 리벳을 형성하는 인서트 성형부(8)를 통해 형태 결합식으로, 또는 상기 두 방식의 조합으로도 수행될 수 있다. 다중 재료 설계를 위해 섬유-플라스틱 복합 구조물 내로 알루미늄 부분 하우징을 통합함으로써, 섬유-플라스틱 복합 구조물로 형성된 횡방향 컨트롤 암에서 도 2에 도시된 힘들(FA(배출) 또는 FD (압축))과 같이 볼 저널 상에 작용하는 높은 힘이 구현될 수 있는 것이 보장되며, 상기 힘들은 대안적으로, 경우에 따라 제조하기가 복잡하고 어려운 섬유 배향을 통해 달성될 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 마찬가지로, 섬유-플라스틱 복합 컨트롤 암 내로의 통합을 위해 적합한 볼 조인트의 다른 변형예를 도시한다.
도 4a는 볼 저널(3) 및 베어링 쉘(5)을 갖는 볼 조인트(1)를 도시하며, 베어링 쉘(5)로 둘러싸인 볼 저널(3)이 금속 하우징(2) 또는 베어링 케이지(6) 내에 매입되어 있다. 또한, 금속 하우징 또는 베어링 케이지(6)를 둘러싸는 구성 부품(4)도 볼 수 있다. 달리 표현하면, 금속 하우징 또는 베어링 케이지가 구성 부품(4) 내로 형태 결합식으로 삽입됨에 따라, 환형 테두리가 구성 부품(4) 내 구멍에 지지된다. 하우징(2)은, 볼 저널(3)이 볼 조인트에서 통상적인 선회 운동성 및 회전 운동성을 갖도록 전술한 부품을 둘러싼다. 하우징(2)은 인서트 성형에 의해 제공되거나, 구성 부품(4) 및 베어링 케이지(6)를 둘러싸서 견고한 결합를 형성한다. 구성 부품은 유기 시트로 제조될 수 있거나, 또는 마찬가지로 예를 들어 TFP 방법으로 제조된 프리폼 구조물로 형성될 수 있다. 유기 시트로 구현되는 경우, 상기 유기 시트는 성형을 위해 딥 드로잉 가공될 수 있다.
도 4b에는 도 4a와 비교하여 약간 변형된 대안예가 도시되어 있다. 여기서는 하우징(2)이 두 부분으로 형성된다. 하우징의 하부 부분(2b)은 도 4a에 따른 구성 부품(4)과 동일하게 형성되며, 구멍은 없고, 베어링 쉘(5) 또는 볼 저널(3)의 볼(3a)을 적어도 부분적으로, 바람직하게는 절반 이하를 수용하는 구형의 오목부 또는 비드(14)를 갖는다. 하우징(2)의 상부 부분(2a) 또는 하우징(2)의 저널 측 부분(2a)은, 하우징 하부 부분(2b)과 형태 결합식 또는 재료 결합식으로 연결되는 원추형 링(2a)으로 형성된다. 이에 의해, 볼 저널(3)이 베어링 쉘(5)과 함께 볼 조인트(1) 내에 보유된다. 도 2에서 설명된 바와 같이, 하우징 상부 부분(2a)과 하우징 하부 부분(2b) 간의 결합은 접착부 또는 여기에 도시된 바와 같이 인서트 성형부에 의해 제공될 수 있다. 원추형 링은 딥 드로잉된 유기 시트 또는 마찬가지로 TFP 구조물로부터 제조될 수 있다. 이렇게 사전 조립된 부품은 컨트롤 암을 제조하기 위해 금형 내로 삽입되어, 하우징 상부 부분 및 하부 부분이 고형화 공정에서 섬유 복합 재료 또는 구조물 및 주입된 플라스틱 매트릭스에 의해 봉입된다. 대안적으로, 상부 부분(2a) 및 하부 부분(2b)은 도 4b에 도시된 인서트 성형부(7)를 통해 서로 접합될 수 있다.
이로써, 볼 조인트를 위해, 볼 저널을 통해 작용하는 압축력(FD) 또는 인장력(FA)과 관련하여 충분한 강도가 형성됨으로써, 상기 힘들에 의한 볼 저널의 이탈이 발생하지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 방법 단계의 흐름을 도시한다. 제1 단계(PS)에서 프리폼 구조물, 예를 들어, 혼성 섬유의 사용 하에, 예를 들어 이들의 봉합을 이용하여 TFP 방법으로 제조되는 평면 섬유 반제품 또는 구성물이 생성된다. 그 다음 단계(PS->W)에서, 상기 재료가 처리 로봇에 의해 금형 내로 삽입된다. 이 단계에서, 볼 저널 상에 조립된 베어링 쉘을 갖는 볼 저널이 역시 금형 내로 삽입되어 포지셔닝된다. 그 다음 금형이 폐쇄된다. 후속되는 단계에서 부품이 고형화된다. 하우징의 형성을 위해 플라스틱이 주입된다. 마찬가지로, 편직물을 둘러싸는 수지 형태의 매트릭스 재료가 금형 내에 주입된다. 이 경우, 사용된 재료에 맞추어진 온도 및 사전 결정된 압력이 금형 내에서 또는 금형에 의해 발생하여 특정 시간 동안 유지된다. 이렇게 하여, 하우징 및 상기 하우징과 구성 부품으로 이루어진 결합체가 형성된다. 이어서 볼 조인트가 완성되고, 처리 로봇에 의해 다시 금형으로부터 볼 조인트가 배출될 수 있다(단계 F/W->K).
본 발명의 전술한 특징들은, 각각 명시된 조합뿐만 아니라 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한 다른 조합으로도 또는 독자적으로도 사용될 수 있다. 본 발명의 개별 기계 요소들의 기능들의 기계적 전환을 구현하는 것도 마찬가지로 본 발명의 범주에 속한다.
1: 볼 조인트, 카트리지
2: 하우징
2a: 하우징 상부 부분
2b: 하우징 하부 부분
3: 볼 저널
3a: 볼
4: 구성 부품
5: 베어링 쉘
6: 베어링 케이지
7: 플라스틱, 인서트 성형부
8: 리벳 이음부, 인서트 성형부
9: 구멍, 수용부, 리세스
10: 구멍
11: 접착부
12: 횡방향 컨트롤 암
13: 밀봉 벨로우즈
14: 비드
FA: 배출력
FD: 압축력

Claims (15)

  1. 볼 저널 및 하우징을 구비한 볼 조인트이며, 볼 저널은 볼에 의해 회전 운동 및 선회 운동이 가능하게 하우징 내에 수용되며, 볼은 적어도 부분적으로 구성 부품에 의해 둘러싸이는, 볼 조인트에 있어서,
    구성 부품은 실질적으로 섬유-플라스틱 복합 구조물로 형성되고 적어도 부분적으로 하우징을 형성하는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  2. 제1항에 있어서, 구성 부품은 프리폼 구조물, 특히 TFP 구조물 또는 유기 시트로 제조되는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 구성 부품은 볼로부터 먼 영역에 구멍들을 가지며, 이들 구멍은 특히 볼 중심점을 중심으로 실질적으로 동심으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구멍들은 원형 및/또는 타원형 및/또는 다각형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징은 여러 부분으로 형성되며, 하나 이상의 제1 부분, 특히 상기 구성 부품으로 형성된 하우징 하부 부분과, 하나 이상의 다른 부분, 특히 섬유 복합 재료 또는 경금속, 특히 알루미늄으로 형성된 하우징 상부 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  6. 제5항에 있어서, 두 개 이상의 하우징 부분들은 접착 및/또는 핫 러너 사출 성형 및/또는 리벳 이음 및/또는 인서트 성형을 이용하여, 특히 열가소성 또는 열경화성 인서트 성형으로, 서로 접합되는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 볼과, 구성 부품 및/또는 하우징 부분들 중 적어도 하나 사이에, 특히 볼에 조립되거나 또는 사출 성형에 의해 장착된, 특히 플라스틱 소재의 베어링 쉘이 존재하는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 볼과, 구성 부품 및/또는 하우징 부분들 중 적어도 하나 사이에, 특히 금속으로 형성된 베어링 케이지가 형성되는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 베어링 쉘 및/또는 베어링 케이지와, 하우징 부분들 중 적어도 하나 또는 구성 부품 사이에 열가소성 또는 열경화성 플라스틱이 주입되는 것을 특징으로 하는, 볼 조인트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 볼 조인트의 제조 방법이며, 상기 방법은,
    볼 저널을 위한 구멍 또는 볼 소켓 형태의 수용부의 형성 하에, 프리폼 구조물, 특히 TFP 구조물 또는 유기 시트로 이루어진 구성 부품을 제조하고 제공하는 단계와,
    볼 저널을 제공하는 단계와,
    제공된 부품들을 배치하는 단계와,
    접착 및/또는 핫 러너 사출 성형 및/또는 리벳 이음 및/또는 인서트 성형을 이용하여, 특히 열가소성 또는 열경화성 인서트 성형을 이용하여, 제공된 부품들을 접합하는 단계를 포함하는, 볼 조인트 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 부품들을 배치하기 전에, 다부품 하우징을 형성하기 위해 적어도 추가 하우징 부분을 제공하는, 볼 조인트 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 볼 저널의 제공 후에 볼 저널 상에 베어링 쉘을 조립하거나, 볼 저널의 제공 전에 볼 저널 상에 베어링 쉘을 조립하는, 볼 조인트 제조 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 볼 저널의 제공 후에 베어링 케이지를 제공하는, 볼 조인트 제조 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 프리폼 구조물로 이루어진 구성 부품의 제조 시, 볼의 시트로부터 먼 쪽에 있는 추가의 구멍들 내로 프리폼 구조물이 삽입되며, 이들 구멍은 프리폼 구조물의 제조 시 특히 구멍 확장 및/또는 보링 및/또는 섬유 구조물의 레이아웃을 통해 생성되는, 볼 조인트 제조 방법.
  15. 특히 직물 프리폼 구조물로 이루어진 섀시 컨트롤 암, 바람직하게는 섬유-플라스틱 복합 구조물의 컨트롤 암에서의 볼 조인트의 사용.
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