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KR20160123484A - 차량용 휠 및 그 제조 방법 - Google Patents

차량용 휠 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20160123484A
KR20160123484A KR1020150053541A KR20150053541A KR20160123484A KR 20160123484 A KR20160123484 A KR 20160123484A KR 1020150053541 A KR1020150053541 A KR 1020150053541A KR 20150053541 A KR20150053541 A KR 20150053541A KR 20160123484 A KR20160123484 A KR 20160123484A
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KR
South Korea
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spoke
rim
wheel
vent hole
disc
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KR1020150053541A
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김상락
서민좌
장용민
백수지
Original Assignee
현대자동차주식회사
주식회사화신
기아자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 차량용 휠 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 스포크형 디스크의 적용으로 디자인 자유도 확보가 가능하여 일반 스틸 휠에 비해 디자인성이 우수하다는 이점과 더불어, 일반 스틸 휠과 동등 수준의 디스크 두께 및 중량을 가지면서도 고유진동수의 상향, 강성 증대가 가능하고, 로드 노이즈 저감 성능을 달성할 수 있는 차량용 휠 및 그 제조 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 타이어가 결합되는 부분인 림과, 스포크부 및 벤트홀이 형성되고 림의 측면에 림을 지지하도록 접합되는 스포크형 디스크를 포함하여 구성되고, 상기 스포크형 디스크가 림을 안팎으로 지지하도록 상기 스포크형 디스크의 스포크부-림의 접합부와, 상기 스포크형 디스크의 벤트홀이 형성된 부분-림의 접합부 사이에 휠축 방향의 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 휠, 및 그 제조 방법이 개시된다.

Description

차량용 휠 및 그 제조 방법{Wheel for vehicle and method for manufacturing the same}
본 발명은 차량용 휠 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스포크형 디스크의 적용으로 디자인 자유도 확보가 가능하여 일반 스틸 휠에 비해 디자인성이 우수하다는 이점과 더불어, 일반 스틸 휠과 동등 수준의 디스크 두께 및 중량을 가지면서도 고유진동수의 상향, 강성 증대가 가능하고, 로드 노이즈 저감 성능을 달성할 수 있는 차량용 휠 및 차량용 휠의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 차량 이용자의 불만으로 이슈화되고 있는 사항이 차량의 연비와 주행시 발생하는 소음 문제이며, 특히 이용자의 수준이 높아짐에 따라 실내가 더욱 안락하고 조용한 차량을 선호하는 추세이다.
실차의 로드 노이즈(Road Noise)는 공명음, 부밍(Booming)음, 럼블(Rumble)음으로 크게 나눌 수 있으며, 이 중 공명음은 주행 중 노면으로부터 받는 진동이 타이어, 휠, 샤시부품, 차체 등을 통해 전달되어 차량 실내로 유입되는 노이즈 중의 하나이다.
이러한 로드 노이즈의 개선을 위해 다양한 사양의 차량용 휠이 개발되고 있다.
일반적으로 차량용 휠은 스틸 소재로 제작되는 스틸 휠과 알루미늄 합금 소재로 제작되는 알루미늄 휠로 구분할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 휠을 예시한 도면으로, (a)는 일반 스틸 휠을, (b)는 알루미늄 휠을 나타내고 있다.
스틸 휠은 스틸 소재의 림(Rim)(1)과 디스크(Disk)(2)를 용접으로 접합하여 제작되며, 원가가 저렴하고 제작이 용이한 장점이 있는 반면에, 스틸 소재의 특성과 용접을 거치는 가공방법으로 인해 알루미늄 휠에 비해 디자인성이 미흡하고 중량이 무거운 단점이 있다.
알루미늄 휠은 알루미늄 합금 소재를 사용하여 용접 없이 림(1)과 스포크(Spoke)부(3)를 일체형으로 성형하여 제작되며, 디자인성 및 상품성이 우수하고 경량인 장점이 있는 반면에, 알루미늄 합금 소재의 특성과 복잡한 가공방법으로 인해 제조성이 낮고 원가가 높다는 단점이 있다.
최근에는 기존의 일반 스틸 휠이 가지는 단점인 디자인성을 개선하기 위해 알루미늄 휠과 유사한 스포크형 디스크를 가지는 스타일드 스틸 휠(Styled Steel Wheel)이 개발된 바 있으며, 이는 휠 디자인의 개선으로 차량의 상품성을 증대시킨다.
차량용 휠과 관련된 선행기술문헌으로, 한국 공개특허공보 제10-2013-0052456호(2013.5.22)에는 디자인성을 향상시키기 위해 림을 스틸로 제작하고 디스크를 알루미늄 소재로 제작한 차량용 휠이 개시되어 있으며, 국제공개공보 WO 2009/051229(2009.4.23)에는 스포크부 및 데코레이션 홀(Decoration Hole)(또는 벤트홀이라고도 함)을 가지는 스포크형 디스크를 림과 용접하여 제작한 스타일드 스틸 휠이 개시되어 있다.
또한, 한국 공개특허공보 제10-2013-0044465호(2013.5.3)에는 타이어의 트레드와 대면하도록 원통형으로 형성된 베이스림과, 베이스림의 바깥 측면에 베이스림의 원주방향을 따라 일체로 돌출 형성되고 베이스림과의 사이에 중공부를 가지는 서포트림으로 구성된 림을 포함하는 차량용 알루미늄 휠이 개시되어 있다.
상기한 중공부를 가지는 알루미늄 휠에서는 별도의 흡음재를 사용하지 않더라도 타이어에서 발생하는 공명음을 림의 중공부를 통해 흡수하여 저감시킬 수 있으며, 이를 통해 차량의 실내로 전달되는 소음을 줄일 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 2는 스틸 휠 림 모드의 진동 형상을 나타낸 것으로, 일반 스틸 휠은 알루미늄 휠 대비 로드 노이즈가 대략 2 ~ 3 dB 정도 불리한 것으로 알려져 있으며, 이는 스틸 휠 림 모드의 고유진동수가 170 ~ 200 Hz으로 알루미늄 휠(300Hz 이상)에 비해 크게 낮은 수준이기 때문이다.
스타일드 스틸 휠의 경우 림을 지지하는 디스크의 구조 및 형상에 대한 설계 자유도가 확보될 수 있어 고유진동수를 상향시킬 수 있고, 이를 통해 디자인성뿐만 아니라 로드 노이즈 측면에 있어서 성능 향상을 도모할 수 있다.
그러나, 스타일드 스틸 휠은 높은 수준의 고유진동수를 확보하기 위해 디스크의 두께를 증대시켜야 하고, 기존의 휠에 비해 디스크가 두껍게 제작되므로 중량 과다의 단점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서, 스포크형 디스크의 적용으로 디자인 자유도 확보가 가능하여 일반 스틸 휠에 비해 디자인성이 우수하다는 이점과 더불어, 일반 스틸 휠과 동등 수준의 디스크 두께 및 중량을 가지면서도 고유진동수의 상향, 강성 증대가 가능하고, 로드 노이즈 저감 성능을 달성할 수 있는 차량용 휠 및 차량용 휠의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 타이어가 결합되는 부분인 림과, 스포크부 및 벤트홀이 형성되고 림의 측면에 림을 지지하도록 접합되는 스포크형 디스크를 포함하여 구성되고, 상기 스포크형 디스크가 림을 안팎으로 지지하도록 상기 스포크형 디스크의 스포크부-림의 접합부와, 상기 스포크형 디스크의 벤트홀이 형성된 부분-림의 접합부 사이에 휠축 방향의 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 휠을 제공한다.
그리고, 본 발명은 타이어가 결합되는 부분인 림과, 스포크부 및 벤트홀이 형성된 스포크형 디스크를 제작하고, 상기 스포크형 디스크를 림의 측면에 접합하되, 상기 스포크형 디스크가 림을 안팎에서 지지하도록 스포크형 디스크의 스포크부-림의 접합부와, 상기 스포크형 디스크의 벤트홀이 형성된 부분-림의 접합부 사이에 휠축 방향의 단차를 두어 접합하는 것을 특징으로 하는 차량용 휠의 제조 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명의 차량용 휠 및 그 제조 방법에 의하면, 스포크형 디스크의 적용으로 디자인 자유도 확보가 가능하여 일반 스틸 휠에 비해 디자인성이 우수하다는 이점과 더불어, 림-스포크부의 용접 접합부와 림-벤트홀 위치 끝단부의 용접 접합부 간에 휠축 방향으로의 단차를 가짐으로써 일반 스틸 휠과 동등 수준의 디스크 두께 및 중량을 가지면서도 고유진동수의 상향, 강성 증대가 가능하고, 로드 노이즈 저감 성능을 달성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 차량용 휠을 예시한 도면이다.
도 2는 스틸 휠 림 모드 형상을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 휠을 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 휠의 구성을 나타내는 분리 사시도이다.
도 5는 도 3의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 휠을 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 휠의 구성을 나타내는 분리 사시도로서, 림과 스포크형 디스크를 접합 전 분리 상태로 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 차량용 휠은 스틸을 소재로 하여 제작되는 스타일드 스틸 휠(Styled Steel Wheel)로서, 타이어가 결합되는 부분인 림(Rim)(10)과, 판재를 프레스 공법으로 단판 성형하여 제작되고 림의 측면에 림을 지지하도록 용접 접합되는 스포크형 디스크(20)를 포함하여 구성된다.
상기 스포크형 디스크(20)에는 스포크부(21)와 벤트홀(Vent Hole)(또는 데코레이션 홀이라고도 함)(22)이 형성되어 있으며, 디스크(20)에서 스포크부(21)의 끝단부(21a)와, 벤트홀(22)이 형성된 위치의 끝단부(22a)가 각각 림(10)과의 용접부위가 된다.
즉, 스포크형 디스크(20)에서 림(10)과의 용접부가 스포크부(21)의 끝단부(21a)와 벤트홀(22)이 형성되어 있는 부분의 끝단부(22a)가 되는 것이며, 이하 설명에서는 벤트홀(22)이 형성되어 있는 부분의 디스크 둘레 부분인 끝단부(22a)를 벤트홀 위치 끝단부라 칭하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 차량용 휠은 림(10)과 스포크형 디스크(20) 간의 접합 및 용접 부위에 특징이 있는 것으로, 보다 상세하게는 도 5에 나타낸 바와 같이 디스크(20)에서 림(10)과의 용접부위인 스포크부(21)의 끝단부(21a)와 벤트홀 위치 끝단부(22a)가 휠축을 기준으로 그 축 방향(이하 '휠축 방향'이라 칭함)의 단차를 가지는 점에 주된 특징이 있다.
이에 따라, 림(10)에서 디스크(20)가 용접되는 부위의 위치, 즉 스포크부(21)의 끝단부(21a)와 벤트홀 위치 끝단부(22a)가 용접되는 부위의 위치 또한 휠축 방향으로의 단차를 가지게 되며, 림(10)을 정면에서 보았을 때 디스크(20)와의 용접부위가 안쪽과 바깥쪽으로 나누어지게 된다.
바람직한 실시예에서, 스포크부(21)의 끝단부(21a)가 림(10)의 바깥쪽 위치(도 5에서 우측 위치)에, 벤트홀 위치 끝단부(22a)가 림(10)의 안쪽 위치(도 2에서 좌측 위치)에 용접될 수 있고, 이에 림(10)에서 스포크부(21)의 끝단부(21a)가 용접되는 위치가 바깥쪽, 벤트홀 위치 끝단부(22a)가 용접되는 위치가 안쪽이 된다.
이와 같이 림(10)과 디스크(20) 간의 용접 접합부위가 스포크부(21)와 벤트홀(22)이 형성된 부분 사이에 휠축 방향으로의 단차를 가짐으로써 디스크(20)가 림(10)을 안팎의 넓은 범위에서 지지하게 된다.
즉, 림(10)과 스포크형 디스크(20)가 용접 접합되어 제작되는 스타일드 스틸 휠에 있어서, 스포크부(21)의 끝단부(21a)와 림부(10) 간의 용접 접합부, 및 벤트홀 위치 끝단부(22a)와 림(10) 간의 용접 접합부가 휠축 방향으로의 단차를 가짐으로써 디스크(20)가 림(10)을 안팎에서 넓은 범위로 지지하게 되는 것이며, 이는 휠의 고유진동수를 상향시키고 강성을 증대시키게 된다.
종래의 스타일드 스틸 휠에서는 스포크형 디스크에 링 형상의 둘레부가 형성되어 링 형상의 둘레부가 림에 용접되며, 이때 림과 디스크 간의 용접부위(용접라인)인 둘레부가 휠의 원주“‡항을 따르는 원의 형상을 가진다.
이와 같이 종래의 스타일드 스틸 휠이 림과 디스크 간의 2차원적인 원형의 용접라인을 가지는 반면, 본 발명의 휠에서는 림(10)과 디스크(20) 간의 용접부위가 하나의 선으로 연결되지는 않으며, 이때 용접부위의 배치가 디스크의 둘레를 따라 스포크부(21)와 벤트홀(22)이 형성된 부분에서 휠축 방향으로의 단차를 가지는 3차원적인 배치 형태가 된다.
결국, 디스크(20)가 림(10)의 안쪽과 바깥쪽을 지지하게 되면서 종래의 일반 스틸 휠(도 1의 (a) 참조)에 비해 고유진동수가 상향될 수 있으며, 유효 림 강성 또한 크게 증대될 수 있다.
본 발명자는 차량용 휠에서 저주파 1차 모드, 즉 림 모드의 고유진동수에 기여하는 인자를 위상 최적 설계 기법을 활용하여 분석하였으며, 림-스포크부 접합부와 림-벤트홀 위치 끝단부 접합부 간의 단차가 림 모드에 대한 주요 인자임을 확인하였다.
특히, 디스크(20)가 림(10)을 안팎에서 보다 넓게 지지할수록 강성에 있어서 유리하고 고유진동수를 상향 이동시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, 휠의 중량이 동등한 조건(중량 9.1kg)에서 비교하였을 때, 종래의 일반 스틸 휠(도 1의 (a) 참조)인 경우 림 모드의 고유진동수가 157Hz인 반면, 본 발명의 스타일드 스틸 휠(도 3 참조)은 림(10)과의 접합부에 있어서 디스크 스포크부(21)의 끝단부(21a)와 벤트홀 위치 끝단부(22a) 간에 휠축 방향 단차를 설정해줌에 따라 고유진동수가 254Hz로 상향됨을 알 수 있었다.
또한, 유효 림 강성은 2,358kgf/mm로 종래의 일반 스틸 휠에 비해 대략 2.6배 증가하였다.
이와 같이 본 발명의 스타일드 스틸 휠은 중량이 동등한 조건에서도 종래의 일반 스틸 휠에 비해 고유진동수가 상향됨에 따라 로드 노이즈 저감 성능이 향상될 수 있으며, 종래의 일반 스틸 휠에 비해 강성 또한 증대되는 이점을 가지게 된다.
물론, 본 발명의 스타일드 스틸 휠에서는 스포크형 디스크(20)가 적용됨에 따라 스포크부(21)의 형상을 다양하게 설계할 수 있는 디자인 자유도 확보가 가능하고, 따라서 일반 스틸 휠에 비해 디자인성이 우수하다는 이점이 있게 된다.
또한, 일반 스틸 휠의 디스크 형상을 스포크형으로 변경한 종래의 스타일드 스틸 휠에서는 일반 스틸 휠에 비해 고유진동수의 상향 및 강성 증대가 가능하지만, 상대적으로 디스크 소재의 큰 두께가 요구되므로 중량이 과다하다는 단점이 있다.
이에 비해, 본 발명의 개선된 스타일드 스틸 휠에서는 하나의 판재를 프레스 공법으로 단판 성형하여 스포크형 디스크(20)를 제조하되, 디스크(20)가 림(10)을 안팎으로 넓게 지지할 수 있도록, 특히 디스크(20)의 용접 접합부, 즉 림(10)-스포크부(21)의 용접 접합부와 림(10)-벤트홀 위치 끝단부(22a)의 용접 접합부 간에 휠축 방향으로의 단차를 가질 수 있도록 디스크를 제작하고, 접합시 상기한 단차를 나타낼 수 있도록 림(10)과 디스크(20) 간을 용접함으로써, 상기한 두께 증대 없이도 요구되는 고유진동수의 상향 및 강성 증대가 가능해지는 이점이 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 림
20 : 스포크형 디스크
21 : 스포크부
21a : 스포크부의 끝단부
22 : 벤트홀
22a : 벤트홀 위치 끝단부

Claims (7)

  1. 타이어가 결합되는 부분인 림과, 스포크부 및 벤트홀이 형성되고 림의 측면에 림을 지지하도록 접합되는 스포크형 디스크를 포함하여 구성되고,
    상기 스포크형 디스크가 림을 안팎으로 지지하도록 상기 스포크형 디스크의 스포크부-림의 접합부와, 상기 스포크형 디스크의 벤트홀이 형성된 부분-림의 접합부 사이에 휠축 방향의 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 휠.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스포크형 디스크의 둘레 부분 중 스포크부의 끝단부가 림의 바깥쪽 위치에 접합되고, 상기 스포크형 디스크의 둘레 부분 중 벤트홀이 형성되어 있는 부분의 끝단부인 벤트홀 위치 끝단부가 림의 안쪽 위치에 접합되는 것을 특징으로 하는 차량용 휠.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 스포크부의 끝단부와 상기 벤트홀이 형성되어 있는 부분이 상기 휠축 방향의 단차를 가지는 림의 위치에 용접으로 접합되어 있는 것을 특징으로 차량용 휠.
  4. 타이어가 결합되는 부분인 림과, 스포크부 및 벤트홀이 형성된 스포크형 디스크를 제작하고,
    상기 스포크형 디스크를 림의 측면에 접합하되, 상기 스포크형 디스크가 림을 안팎에서 지지하도록 스포크형 디스크의 스포크부-림의 접합부와, 상기 스포크형 디스크의 벤트홀이 형성된 부분-림의 접합부 사이에 휠축 방향의 단차를 두어 접합하는 것을 특징으로 하는 차량용 휠의 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스포크형 디스크의 둘레 부분 중 스포크부의 끝단부가 림의 바깥쪽 위치에 접합하고, 상기 스포크형 디스크의 둘레 부분 중 벤트홀이 형성되어 있는 부분의 끝단부인 벤트홀 위치 끝단부가 림의 안쪽 위치에 접합하는 것을 특징으로 하는 차량용 휠의 제조 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 스포크부의 끝단부와 상기 벤트홀이 형성되어 있는 부분을 상기 휠축 방향의 단차를 가지는 림의 위치에 각각 용접하여 접합하는 것을 특징으로 차량용 휠의 제조 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    스틸을 사용하여 림을 제작하고, 스틸 판재를 프레스 공법으로 성형하여 스포크형 디스크를 제작한 후, 상기 림과 스포크형 디스크를 접합하여 스타일드 스틸 휠을 완성하는 것을 특징으로 하는 차량용 휠의 제조 방법.
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