KR100507052B1 - 최적 형상을 가지도록 설계된 자동차 리어 서브프레임 멤버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 폭 방향으로 연장 설치되는 자동차의 리어 서브프레임 멤버로서, 서브프레임 멤버가, 단면이 대략 일정한 긴 사각형 형상을 이루어 길이 방향으로 연장되며, 상부프레임 및 하부프레임과 상부 및 하부프레임의 좌우 양단에 형성된 육면체 형상의 질량부로 구성되고, 상부 및 하부 프레임이 형성하는 공간 사이에는 상부 및 하부 프레임을 지지하면서 길이 방향으로 연장 설치되는 적어도 하나 이상의 현가구조를 설치한 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 구성을 채용하여 하중과 짝힘이 가해지는 경우의 변위량을 줄이고 강성을 증대시킬 수 있다.

Description

최적 형상을 가지도록 설계된 자동차 리어 서브프레임 멤버{A rear subframe member of an Automobile designed to have an optimal profile}

본 발명은 자동차의 리어 서브프레임 구조, 특히 하중과 모멘트를 발생시키는 짝힘(couple)을 고려하여 최적 형상을 가지도록 설계된 제2서브프레임 멤버에 관한 것이다.

도 1a는 일반적인 후륜구동차량의 후륜 부위의 구동 및 현가장치를 개념적으로 도시한다.

구동축(100)을 통해 전달된 동력은 디퍼런셜 캐리어(400)에 구비된 동력전달장치의 종감속기어 및 차동기어(differential gear)와 차축(rear axle;500)을 통하여 후륜(W)에 전달된다. 한편, 차축과 차체를 연결하여 진동이나 충격을 완화하기 위한 리어 서브프레임 구조는 차축 전방쪽에서 차축과 같은 방향으로 연장된 제1서브프레임 멤버(210), 차축 후방쪽에서 차축과 같은 방향으로 연장된 제2서브프레임 멤버(220), 서브프레임 멤버들(210,220)의 각 양단을 차량의 길이 방향으로 연결 지지하는 좌측 사이드멤버(230) 및 우측 사이드 멤버(240)로 구성된다. 또, 디퍼렌셜 캐리어(400)에 구비되는 차동기어들의 케이스 연장부는 제2서브프레임 멤버(220)상에서 그 중심점을 기준으로 한 좌우의 두 개소(300,300)에 현가 지지되어 제2서브프레임 멤버(220)상으로 디퍼렌셜 캐리어(400)의 하중이 가해지고 있다.

여기서, 도 1b에 도시한 것과 같이 구동축(100)이 회전하면 제2서브프레임 멤버(220)상의 지점(300,300)은 상부로 향하는 짝힘과 이와 반대로 하부로 향하는 짝힘을 받게 된다. 도 1b에서는 제2서브프레임 멤버(220)를 간략히 긴 직사각형의 부재로 나타내었는데, 실제 단면은 도 1c에 도시한 것과 같이 소정 길이의 중앙부를 제외한 양 측부가 볼록하고 두텁게 연장된 형상을 가진다. 이러한 프로파일을 가지는 이유는 도 1c의 모멘트 선도에 도시한 것처럼 중심에서 모멘트가 없는 대신 중심에서 멀어질수록 굽힘 모멘트 값이 커지므로 이에 대응하여 양 측부의 단면계수(벤딩 강성)를 크게 하는 것이 유리하기 때문이다. 그런데, 이와 같은 구조를 취하는 경우에는 굽힘 모멘트에 의한 처짐 변형의 면에서는 어느 정도 효과적이나, 중심부가 상대적으로 약해 디퍼렌셜 캐리지의 하중(W)에 대한 강도면에서 불리하고, 짝힘에 의한 변형을 방지하기 위한 개량의 여지가 존재하며, 특히 직관적 방법으로 이루어진 설계이므로 경량화 측면에서 불리한 단점이 있다.이상은, 도 1b에서 좌측에서 상향하는 힘, 우측에서는 하향하는 힘이 짝힘을 이루는 경우를 개념적으로 도시하였으나, 구동축(100)의 반대 방향 회전이 있는 경우에는 힘의 방향이 각각 반대로 된다. 그러나, 이 경우의 작용원리도 도 1b와 동일하다.

본 발명은 상술한 선행 기술의 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로 하중과 짝힘이 동시에 가해지는 경우 굽힘 및 처짐을 효과적으로 방지하고 강도와 강성을 일층 향상시킬 수 있는 신규한 구조의 자동차 리어프레임 구조의 서브 프레임 멤버를 제공함을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 차량의 폭 방향으로 연장 설치되는 자동차의 리어 서브프레임 멤버로서, 서브프레임 멤버가 단면이 대략 일정한 긴 사각형 형상을 이루어 길이 방향으로 연장되며, 상부프레임 및 하부프레임과 상부 및 하부프레임의 좌우 양단에 형성된 육면체 형상의 질량부로 구성되고, 상부 및 하부 프레임이 형성하는 공간 사이에는 상부 및 하부 프레임을 지지하면서 길이 방향으로 연장 설치되는 적어도 하나 이상의 현가구조가 설치되도록 하고 있다.

이러한 현가구조는 리어 서브프레임 멤버의 길이 방향 중심점을 기준으로 상부로 연장되어 상부프레임과 접하여 피크부를 형성하고 다시 하부로 연장되어 하부프레임 및/또는 질량부와 접하는 제1현가프레임과, 중심점을 기준으로 하부로 연장되어 하부프레임과 접하여 피크부를 형성하고 다시 상부로 연장되어 상부프레임 및/또는 질량부와 접하는 제2현가프레임을 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 상세하게 설명한다. 먼저, 본 발명을 개발하게 된 과정을 차례대로 설명한다.

(하중을 고려한 설계)

도 2a에서와 같이 제2서브프레임 멤버로서 긴 양단고정보를 상정한다. 도면의 원형지점은 디퍼렌셜 캐리어의 하중(W)이 가해지는 곳이다. 하중(W)은 항상 적용되며, 이 경우 벤딩모멘트 선도는 도2b와 같은데, 중심부위 영역(A)에서 일정한 모멘트가 발생하므로 균일하면서도 최대의 강성을 얻을 수 있도록 중심선에서 질량이 멀리 분포하도록 하여 굽힘 모멘트의 영향을 최소화한다. 이때, 양단 고정 부위에는 하중에 의한 국부 응력이 발생하므로 질량 감소를 위한 설계 부위에서 배제하여 고강성을 유지하도록 한다. 도 2c는 이러한 원리를 토대로 설계된 바람직한 제2서브프레임 멤버의 단면을 도시하고 있다.

(짝힘에 의한 굽힘 모멘트를 고려한 설계)

짝힘에 의한 굽힘모멘트는 구동축이 회전할 때 발생한다. 이 경우 도2c의 서브프레임 멤버를 기준으로 한 개념적인 단면도와 모멘트 선도는 도3a에 도시한 것과 같다.

하중과 짝힘이 동시에 가해지는 복합 하중 상태에서는 단순 인장-압축 구조로 설계하는 것이 가장 효과적이다. 여기서, 도 3b의 단면 구조에서와 같이 트러스 구조를 서브 프레임에 적용하면, 서브 프레임 멤버내의 각 요소가 실질적인 단순 인장-압축 응력을 받아 변위량 감소 및 강성증대의 효과면에서 유리하다.

다시, 도 4는 본 발명에 따라 최적 구조로 설계된 제2서브프레임멤버(10)의 사시도를 도시하고 있다. 제2서브프레임 멤버(10)는 단면이 대략 일정한 긴 사각형 형상을 하고 있으며, 전체 골격은 상부프레임(12) 및 하부프레임(14)과 상기 프레임(12,14)의 좌우 양단에 형성된 육면체 형상의 질량부(16,18)로 구성된다. 또, 상기 프레임(12,14)의 전방과 후미에는 본 발명의 트러스 구조를 이루는 현가구조가 설치되는데, 각 현가구조는 중심점(O)을 기준으로 상부로 연장되어 상부프레임(12)과 접하여 피크부(P1)를 형성하고 다시 하부로 연장되어 질량부(16) 및 하부프레임(14)과 접하는 제1현가프레임(20)과, 중심점(O)을 기준으로 하부로 연장되어 하부프레임(14)과 접하여 피크부(P2)를 형성하고 다시 상부로 연장되어 질량부(18) 및 상부프레임(12)과 접하는 제2현가프레임(22)으로 이루어진다. 상술한 도4의 서브프레임 멤버 구조는 본 발명의 기본 사상안에서 자유로이 변형실시될 수 있는데, 특히 현가구조에 있어서는 가령 피크부(P1,P2)를 질량부(16,18)와 접하는 개소에 두거나, 각 현가프레임(20,22)을 플레이트 구조로 하거나, 전체적으로 굴곡된 원호형으로 설계하는 등 다양한 변경이 가능하다.

(본 발명과 선행 기술간의 유한 요소 해석을 통한 비교)

도 1c에 도시한 선행기술과 도4에 도시한 본 발명의 서브프레임 멤버가 동일 무게 및 동일 경계 조건을 가진다고 가정할 때, 하중과 짝힘이 가해지는 경우의 각 변형량을 유한 요소 해석으로 구하여 표1에 도시하였다. 각 변형은 최대 변위량을 의미한다. 도 5a 및 도 5b는 짝힘에 의한 모멘트가 가해지는 경우 선행기술 및 본 발명의 태양과 변형후의 모습을 각각 도시한다.

[표 1] 단위하중(1mmN)하에서 서브프레임 멤버의 최대 변위 비교

	짝힘에 의한 최대 변위	하중에 의한 최대 변위
선행기술의 서브프레임	1.94E-8 (mm)	1.91E-8 (mm)
본 발명의 서브프레임	1.51E-8 (mm)	1.67E-8 (mm)

표 1의 결과를 비교해 보면, 본 발명의 경우 짝힘에 의한 변위에 있어서는 약22.4%, 하중에 의한 변위에 있어서는 약12.6% 향상되어 하중과 짝힘 각각에 대해서는 물론 복합 하중(하중 + 짝힘에 의한 모멘트)이 가해지는 구조에 특히 적합함을 알 수 있다. 또, 도 5a 및 도 5b에서 짝힘의 방향이 반대로 작용하는 경우는 좌우구조가 대칭일뿐 위와 마찬가지의 작용을 발휘하므로 본원발명은 복합하중구조에 범용적으로 적용될 수 있다.

이상 기술한 본 발명은 하중과 구동축 회전시 발생하는 짝힘 및 벤딩모멘트의 요소를 모두 고려하고 실질적으로 단순 인장-압축 과정을 받도록 한 효과적인 구조의 제2서브프레임 멤버를 제공하므로 멤버의 변형과 파손을 효과적으로 방지하며 강성을 높이는 효과를 발휘한다. 또한, 선행기술에 비하여 경량화된 구조의 멤버를 제작할 수 있고, 리어 서브프레임에 차동기어장치가 지지되는 후륜 구동차는 물론 4WD차량에 이르기까지 범용성 높게 적용될 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 일반적인 후륜구동차량의 후륜 부위의 구동 및 현가장치를 개념적으로 도시한 도면;

도 1b는 상기 도 1a에서 구동축이 회전하는 경우 짝힘 발생을 설명하기 위한 개념도;

도 1c는 선행기술이 채용한 제2리어 서브프레임멤버를 도시한 단면도 및 짝힘이 작용하는 경우의 모멘트선도;

도 2a는 본 발명의 제2리어 서브프레임멤버로서 단면이 일정한 양단고정보를 상정한 개념도;

도 2b는 상기 도 2a의 멤버에 하중이 가해지는 경우의 모멘트를 도시한 모멘트선도;

도 2c는 상기 도 2b의 모멘트선도를 고려하여 변경한 본 발명의 제2리어 서브프레임멤버의 개념적인 단면도;

도 3a는 상기 도 2c의 멤버에 짝힘이 가해지는 경우의 개념적인 단면도와 모멘트 선도;

도 3b는 상기 도 3a에서 짝힘이 가해지는 것을 고려하여 변경한 본 발명의 제2 리어 서브프레임멤버의 개념적인 단면도;

도 4는 본 발명의 제2 리어 서브프레임멤버를 도시한 사시도; 그리고

도 5a 및 도 5b는 유한 요소 해석법에 의하여 짝힘에 의한 모멘트가 가해지는 경우의 태양과 변형후의 모습을 해석한 도면으로서, 도 5a는 선행기술을 도 5b는 본 발명을 각각 도시한다.

Claims (3)

1. 차량의 폭 방향으로 연장 설치되는 자동차의 리어 서브프레임 멤버로서, 상기 서브프레임 멤버는 단면이 대략 일정한 긴 사각형 형상을 이루어 길이 방향으로 연장되며, 상부프레임 및 하부프레임과 상기 상부 및 하부프레임의 좌우 양단에 형성된 육면체 형상의 질량부로 구성되고, 상기 상부 및 하부 프레임이 형성하는 공간 사이에는 상기 상부 및 하부 프레임을 지지하면서 길이 방향으로 연장 설치되는 전방 및 후방의 현가구조가 설치되며, 상기 현가구조는 길이 방향의 중심점을 기준으로 상부로 연장되어 상부프레임과 접하여 피크부를 형성하고 다시 하부로 연장되어 하부프레임과 접하는 제1현가프레임과, 중심점을 기준으로 하부로 연장되어 하부프레임과 접하여 피크부를 형성하고 다시 상부로 연장되어 상부프레임과 접하는 제2현가프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 리어 서브프레임 멤버.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 현가구조는 길이 방향의 중심점을 기준으로 상부로 연장되어 상부프레임과 접하여 피크부를 형성하고 다시 하부로 연장되어 질량부와 접하는 제1현가프레임과, 중심점을 기준으로 하부로 연장되어 하부프레임과 접하여 피크부를 형성하고 다시 상부로 연장되어 질량부와 접하는 제2현가프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 리어 서브프레임 멤버.