The composite propeller shaft has many benefits such as reduced weight, less noise and vibration. However, because of the high material cost of carbon fiber epoxy composite materials, rather inexpensive aluminum materials may be used combined partly with composite materials to make a hybrid type aluminum/composite propeller shaft, in which the aluminum has a role to transmit the required torque, while the carbon fiber epoxy composite increases the bending natural frequency above 9200 rpm. To establish reliable hybrid structures, the co-cure joining method for hybrid structures is attractive because the co-cure joining between a composite adherend and a metallic adherend is realized using excess resin extracted from the composite prepreg during the curing process of the composite, which eliminates the separate joining process. However, sophisticated joining technology between metal and composite is required and large fabricational thermal residual stresses may be generated during co-cure joining process due to the difference of coefficient of thermal expansion (CTE) between metallic and composite adherends. The fabricational thermal residual stress decreases much the fatigue life and dimensional accuracy of hybrid structures. Also, the hybrid propeller shaft requires a reliable joining method for the hybrid shaft to the steel or aluminum yoke of universal joint, which is often the most difficult task.
Therefore, in this study, to obtain more reliable and robust hybrid propeller shafts, smart cure method and smart curing system using a dielectrometry were devised to decrease or eliminate the fabricational thermal residual stress of co-cure bonded hybrid metal/composite structure. Also, press fit joining method between hybrid aluminum/composite shaft and metal yoke was devised. Finally, the hybrid aluminum/composite propeller shaft was designed and manufactured and the performance of the propeller shaft was tested.
복합재료를 자동차용 동력전달축 제작에 사용할 경우 비강성이 강철 재료에 비하여 우수하기 때문에 기존의 강철로 이루어진 2-piece 동력전달축 구조를 일체형으로 제작할 수 있다. 따라서 구조가 단순해 지고 무게가 50 % 정도 감소하여 연비를 크게 향상 시킬 수 있다. 그러나 복합재료의 가격이 아직까지 상대적으로 높으므로 이를 극복하기 위하여 알루미늄/복합재료로 이루어진 하이브리드 구조로 개발되고 있다. 이때 알루미늄 튜브는 토크를 견디는 역할을 수행하고 복합재료는 고유진동수를 높여 훨링 (Whirling)을 방지하는 역할을 한다. 이와 같은 하이브리드 구조에서는 복합재료와 기존 금속의 접합 공정이 필수적이며 이를 위하여 접착 접합, 기계적 접합, 동시경화법 등이 사용되어 왔다. 이중 동시경화법은 복합재료에서 흘러나오는 잉여 레진을 접착제로 사용하는 방법으로서 복합재료의 경화 공정과 금속과의 접합공정을 동시에 이룰 수 있어 널리 이용되고 있다. 그러나 동시경화법에서는 복합재료와 금속간의 큰 열팽창계수 차이로 인하여 높은 온도에서 접착이 이루어진 후 상온으로 돌아왔을 때 큰 잔류 열응력이 발생하게 되고 이로 인하여 치수 정밀도 저하, 피로강도 저하 등의 문제가 야기되어 왔다.
한편 동력전달축은 차체와의 연결을 위하여 금속 요크와의 접합부를 필수적으로 가진다. 접합부를 제조하기 위한 기존의 접합 방법에는 크게 접착제를 이용한 접합, 볼트를 이용한 접합, 용접을 이용한 접합이 있다. 이와 같은 접합방법은 알루미늄/복합재료 하이브리드 튜브에 적용하기엔 나름대로의 큰 단점을 갖고 있어 접합이 매우 까다로운 것으로 알려져 왔다.
본 연구에서는 동시경화된 금속/복합재료 구조의 잔류 열응력을 제거하기 위한 경화공정에 관한 연구를 수행하였다. 또한 하이브리드 동력전달축과 금속 요크의 신뢰성 있는 접합을 위하여 요철로 맞물리는 압입 접합 방법을 제안하였다.
제 2장에서는 동시경화된 금속/복합재료 구조의 잔류 열응력을 제거하기 위한 지능형 경화 방법을 고안하였다. 이를 위하여 DSC (Differential scanning calorimetry), 점도 측정법 (Rheometer), 유전 측정법 (Dielectrometry) 등의 실험을 수행하였다. 또한 동시경화 금속/복합재료 스트립 (Strip)의 경화 사이클에 따른 굽힘 실험과 동시경화 금속/복합재료 양면 겹치기 접착조인트의 인장 실험, 동시경화 하이브리드 튜브의 동적 토크 실험, 복합재료의 인장 실험 등을 수행하였다. 그 결과 동시경화 금속/복합재료 하이브리드 구조의 잔류 열응력을 제거하기 위하여 경화도 0.2~0.5 부근에서 급격히 냉각 시키고 110 도에서 2시간 후경화 시키는 지능형 경화 방법을 개발하였다. 이를 통하여 하이브리드 구조의 제조 잔류 열응력을 약 50 % 감소시켰으며 하이브리드 구조물의 피로 특성, 치수 정밀도, 계면 접합 특성을 향상시켰을 뿐 아니라 복합재료의 인장 강도 역시 기존의 제조사 추천 사이클에 비하여 약 40 % 정도를 향상시켰음을 밝혔다. 또한 하이브리드 구조의 급격한 냉각 후 50 도의 온도에서 1일 동안 유지시킨 후 110도에서 후경화 시키는 방법을 고안하였고 이를 통하여 하이브리드 구조의 잔류 열응력을 완전히 제거할 수 있었다.
제 3 장에서는 제 2 장의 지능형 경화공정의 신뢰성 있는 제어를 위하여 경화 반응식을 구성하였고 유전측정 장치 (Dielectrometry)를 이용한 지능형 경화 시스템 (Smart cure system)을 개발하였다. 유전 측정 장치를 이용하여 에폭시 레진의 경화 도중 소산 계수 (D)를 측정하였으며 이를 이용하여 탄소 섬유 복합재료 내 에폭시 레진의 경화 정도와 액체에서 고체 상태로 전이되는 상변화 (Physical phase)를 실시간으로 측정할 수 있었다. 그 결과 에폭시 레진의 완전 액체 상태 (Liquidization)와 젤 상태 (Gelation) 사이에서 급격히 냉각하고 다시 후경화 시키면 잔류 열응력 감소와 완전 경화를 동시에 획득할 수 있음을 확인하였고 이를 소산계수의 관점에서 살펴보면 소산계수의 시간에 대한 미분값 (dD/dt)이 0 (zero)를 통과하는 시점과 소산계수의 미분값 (dD/dt) 이 최소값이 되는 지점의 중간 영역이라는 사실을 발견하였다. 이와 같은 경화 제어 알고리즘을 통하여 지능형 경화 방법을 더욱 효과적으로 제어할 수 있게 되었다.
제 4장에서는 접합 공정 중 요크와 하이브리드 튜브가 작은 강철 요철로 자동 맞물리는 압입 접합 방법을 개발하였고 요철의 개수와 너비, 높이에 따른 최적 설계 방법을 제시하였다. 또한 정ㆍ동적 토크 실험 및 유한요소 해석을 수행하여 제시한 설계 방법의 유용성을 검증하였다. 이를 통하여 약 75 MPa의 최대 전단 강도, 약 21 MPa의 피로 한도를 얻었으며 이는 기존의 접착 접합부에 비하여 각각 3.5 배, 3 배 정도 향상된 성능임을 확인하였다. 마지막으로 위의 연구 결과를 이용하여 실제 크기의 동시경화 알루미늄/복합재료 동력전달축을 설계 제작하였고 성능 실험을 위한 동적 토크 실험기를 제작하였다. 실험 결과 제작된 동력전달축은 정적 토크 = 3,000 Nm, 동적 토크 = 330,000 cycles in 0~1,650 Nm, 고유 진동수 = 10,030 rpm 의 성능을 나타내었으며 모두 설계 기준을 만족하였음을 확인하였다.
