KR100536003B1 - 자동차용 서브프레임 모듈 - Google Patents

자동차용 서브프레임 모듈 Download PDF

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KR100536003B1
KR100536003B1 KR10-2003-0034742A KR20030034742A KR100536003B1 KR 100536003 B1 KR100536003 B1 KR 100536003B1 KR 20030034742 A KR20030034742 A KR 20030034742A KR 100536003 B1 KR100536003 B1 KR 100536003B1
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김완두
이학주
강재윤
김정엽
김주성
임상옥
배성진
김기주
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한국기계연구원
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Abstract

대형 승용차나 지프형 자동차에 있어서 엔진이나 변속기 등을 조립한 상태에서 차체와의 조립을 행하므로 조립작업을 간단하고 용이하게 행함은 물론 생산성의 향상과 중량의 감소를 이룰수 있으며 충격에 대한 안전성도 확보할 수 있도록, 차체 길이의 대략 반정도의 길이로 형성되고 차체의 폭에 대응하는 간격을 두고 배치되며 뒤쪽 끝부분은 각각 바깥쪽으로 굽어지는 형상으로 형성되고 뒤쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 한쌍의 세로프레임과, 한쌍의 세로프레임의 앞쪽 끝부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 제1가로프레임과, 제1가로프레임으로부터 소정의 간격을 두고 세로프레임의 중간부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 제2가로프레임과, 제2가로프레임으로부터 소정의 간격을 두고 배치되고 세로프레임의 바깥쪽으로 굽어지기 전의 부분을 서로 연결하는 연결프레임을 포함하는 자동차용 서브프레임 모듈을 제공한다.

Description

자동차용 서브프레임 모듈 {Sub-Frame Module for Automobile}
본 발명은 자동차용 서브프레임 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대형승용차나 지프형 자동차의 조립공정에서 엔진이나 변속기, 조향장치, 축 등을 서브프레임에 일체로 조립한 다음 차체와 조립하므로 조립공정의 단순화와 중량감소 등의 효과가 있는 자동차용 서브프레임 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 생산공정은 엔진, 변속기, 조향장치, 제동장치 등의 부품을 제조하는 부품제조공정, 프레임 및 차체, 브라켓 등을 제조하는 프레스공정, 프레스로 제조한 차체 부품을 용접이나 볼트작업 등에 의하여 조립하는 차체조립공정, 조립된 차체 등을 도장하는 도장공정, 도장된 차체 및 프레임에 엔진 등의 각 부품을 장착하는 조립공정 등으로 이루어진다.
상기한 조립공정은 컨베이어를 통하여 이송되는 도장된 차체에 배선작업, 천장작업, 계기판 부착, 엔진룸 내의 부품 부착 등을 행하는 내외장공정, 엔진과 변속기, 차축, 머플러, 현가장치 등을 장착하는 샤시공정, 타이어와 유리 등을 장착하고 내장트림 및 램프류 장착하는 최종조립공정 등으로 이루어진다.
상기와 같이 이루어지는 자동차의 생산공정에 있어서 부품제조공정은 각 부품공장이나 외주업체에서 이루어지며, 완성차회사에서 이루어지는 공정중 가장 많이 생산성을 좌우하는 공정은 조립공정이다.
따라서 최근에는 생산성 향상 및 원가절감을 위하여 조립공정의 단순화와 조립의 용이성에 중점을 두고 여러가지 기술이 제안되고 있다. 예를 들면, 차체나 프레임의 일정 부분에 조립되는 부품들을 모듈화하여 1회의 조립작업으로 완료하는 기술이 연구 개발되고 있으며, 인테이크 매니폴드(Intake Manifold), 에어클리너 카바(Air Cleaner Cover) 및 몸체(Body), 헤드카바(Head Cover) 등으로 구성되는 인테이크 모듈(Intake Module), 엔진의 냉각장치 및 에어컨디션용 각종 부품을 결합한 종합 쿨링모듈(Cooling Module), 운전석의 인스트루먼트패널 모듈(Instrument Panel Module), 섀시분야의 코너섹션모듈(Conner Section Module), 도어래치(Door Latch)와 레귤레이터(Regulator)를 부구조물에 합친 도어시스템 모듈, 후륜 독립 현가장치 모듈 등이 개발되고 있다.
상기와 같은 종래의 모듈화는 나름대로의 조립시간의 단축과 생산성 향상 및 조립작업의 단순화에 크게 기여를 하고 있다.
그러나 종래의 모듈화는 작고 간단한 부품들을 대상으로 하고 있으며, 실제적으로 조립작업에 있어서 차체와 프레임이 조립된 상태에서 행해지므로 많은 어려움이 발생하는 고중량의 취급이 어려운 엔진이나 변속기 등에 대한 모듈화에 대한 연구는 아직 뚜렷한 결과가 없는 실정이다.
그리고 자동차의 주요부를 크게 분류하면 차체와 섀시로 나눌 수 있으며, 섀시는 자력으로 주행하는 데 최소한도의 기능을 가진 요소로 프레임에 엔진과 주행에 필요한 장치를 갖춘 것이고, 차체는 사람 및 화물을 수용하기 위한 것으로 차실, 화물칸, 엔진 룸, 트렁크 룸, 펜더 등으로 구성되어 있다.
예전에는 프레임을 전체적으로 하나의 뼈대로 만들고 여기에 엔진이나 변속기 등의 부품을 장착한 다음 차체와 조립하는 방식이 주류를 이루었는 데, 최근에는 차체와 바디를 일체로 하여 프레임이 없거나 모노코크(Mono-Coque)바디로 불려지는 단체구조의 것이 승용차와 승합차 등에서 많이 이용되고 있는 실정이다.
그러나 종래의 풀프레임 방식의 경우에는 노면이나 엔진으로부터 진동이나 소음이 프레임을 경유하여 차체에 전달되므로 조용하고 승차감이 좋다는 장점이 있지만, 그 반대로 차체가 무겁고 바닥이 높아지고 차고가 높아진다는 단점이 있다.
그리고 모노코크바디의 경우에는 슈퍼컴퓨터를 이용한 FEM 분석기법에 의해 설계되어 강한 내구성과 가벼운 중량사이의 균형을 유지하고 있지만, 진동이나 소음이 차체로 직접 전달되어 별도의 방진이나 방음을 위한 구조를 설치하여야 하며, 충돌에 대한 안전성이 풀프레임 방식보다 낮다는 단점이 있다. 또 모노코크바디의 경우에는 일정하게 형성된 엔진 룸에 엔진 등을 장착하게 되므로 조립작업이 복잡하고 난해하게 이루어진다.
본 발명은 이러한 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 대형 승용차나 지프형 자동차에 있어서 서브프레임을 이용하여 엔진이나 변속기 등을 조립한 상태에서 차체와의 조립을 행하므로 조립작업을 간단하고 용이하게 행함은 물론 생산성의 향상과 중량의 감소를 이룰수 있으며 충격에 대한 안전성도 확보할 수 있는 자동차용 서브프레임 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명이 제안하는 자동차용 서브프레임 모듈은 차체 길이의 대략 반정도의 길이로 형성되고 차체의 폭에 대응하는 간격을 두고 배치되며 뒤쪽 끝부분은 각각 바깥쪽으로 굽어지는 형상으로 형성되고 뒤쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 한쌍의 세로프레임과, 상기한 한쌍의 세로프레임의 앞쪽 끝부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 제1가로프레임과, 상기한 제1가로프레임으로부터 소정의 간격을 두고 상기한 한쌍의 세로프레임의 중간부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 제2가로프레임과, 상기한 제2가로프레임으로부터 소정의 간격을 두고 배치되고 상기한 한쌍의 세로프레임의 바깥쪽으로 굽어지기 전의 부분을 서로 연결하는 연결프레임을 포함하여 이루어진다.
상기한 한쌍의 세로프레임의 상기한 제2가로프레임과 연결프레임의 사이에 위치하는 부분에는 엔진을 장착하기 위한 엔진장착부를 설치한다.
그리고 상기한 엔진장착부에 인접한 부분의 세로프레임에는 앞차축을 지지하기 위한 차축장착부를 설치한다.
다음으로 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 일실시예는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 차체 길이의 대략 반정도의 길이로 형성되고 차체의 폭에 대응하는 간격을 두고 배치되며 뒤쪽 끝부분은 각각 바깥쪽으로 굽어지는 형상으로 형성되고 뒤쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부(18)가 설치되는 한쌍의 세로프레임(10)과, 상기한 한쌍의 세로프레임(10)의 앞쪽 끝부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부(28)가 설치되는 제1가로프레임(20)과, 상기한 제1가로프레임(20)으로부터 소정의 간격을 두고 상기한 한쌍의 세로프레임(10)의 중간부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부(38)가 설치되는 제2가로프레임(30)과, 상기한 제2가로프레임(30)으로부터 소정의 간격을 두고 배치되고 상기한 한쌍의 세로프레임(10)의 바깥쪽으로 굽어지기 전의 부분을 서로 연결하는 연결프레임(40)을 포함하여 이루어진다.
상기한 세로프레임(10)의 길이는 차체의 길이에 대응하여 설정하는 것이 바람직하고, 엔진과 변속기의 크기 및 설치 위치를 감안하여 설정하는 것이 바람직하다.
대략적으로는 상기한 세로프레임(10)의 길이는 차체 길이의 1/2보다 약간 크거나 작은 정도에서 설정하는 것이 바람직하다.
상기한 세로프레임(10)의 길이가 너무 짧으면 엔진과 변속기를 장착하기 위한 충분한 길이가 확보되지 않으며, 길이가 너무 길면 중량감소의 효과가 크게 저하된다.
상기한 차체장착부(18), (28), (38)는 각각 관통하는 구멍으로 이루어지고, 각 차체장착부(18), (28), (38)에는 진동절연과 승차감의 향상을 위하여 탄성재질로 이루어지는 방진부재(19), (29), (39)를 설치한다.
상기한 방진부재(19), (29), (39)는 고무나 탄성을 갖는 합성수지 등을 이용하여 이루어진다.
상기한 차체장착부(18), (28), (38)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 차체(2)의 해당 부분에 각각 볼트(8)를 통하여 고정된다.
상기한 방진부재(19), (29), (39)는 하나로 이루어지는 것도 가능하고, 2개 이상을 겹치게 배치하여 이루어지는 것도 가능하다. 또 상기한 방진부재(19), (29), (39)는 서로 다른 재질로 이루어지는 2개이상의 부재를 함께 사용하는 것도 가능하다.
상기와 같이 차체장착부(18), (28), (38)에 방진부재(19), (29), (39)를 설치하는 것에 의하여, 엔진이나 바퀴 등에서 발생하는 진동이 곧바로 차체(2)에 전달되는 것이 방지되고, 승차감이 향상된다.
상기한 제1가로프레임(20)은 충돌시 효율적인 에너지흡수를 할 수 있도록 빔구조물로 형성하여 설치한다.
즉 상기한 제1가로프레임(20)은 내부가 빈 중공형상의 사각관을 이루는 빔구조물로 형성하여 충분한 강성을 가지며, 모멘트 등에 대하여 효율적인 대응이 가능하도록 구성한다.
상기한 세로프레임(10), 제2가로프레임(30), 연결프레임(40)의 경우에도 내부가 빈 중공형상의 빔구조물로 형성하여 설치한다.
상기와 같이 세로프레임(10), 제1가로프레임(20), 제2가로프레임(30), 연결프레임(40)을 내부가 빈 중공형상의 빔구조물로 형성하면, 중량의 감소와 강도의 향상을 동시에 얻는 것이 가능하다.
상기한 세로프레임(10)의 앞부분에는 충돌시 효율적인 에너지흡수를 할 수 있도록 소정의 간격으로 굴곡부를 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 세로프레임(10)의 앞부분에 굴곡부를 형성하면, 충돌시에 굴곡부가 굽힘변형되면서 충격에너지를 흡수하게 되므로, 보다 더 안전한 구조를 이루게 된다.
상기한 한쌍의 세로프레임(10)의 상기한 제2가로프레임(30)과 연결프레임(40)의 사이에 위치하는 부분에는 엔진을 장착하기 위한 엔진장착부(50)를 설치한다.
상기한 엔진장착부(50)는 상기한 세로프레임(10)의 윗면으로부터 소정의 높이로 돌출하여 설치되고, 내부가 빈 사각기둥 또는 사다리꼴기둥형상으로 형성 설치된다.
상기한 엔진장착부(50)에는 진동을 흡수하기 위한 인슐레이터(insulator)가 내부에 설치되는 엔진브라켓(54)이 설치되며, 상기한 엔진브라켓(54)에는 엔진블록에 고정하기 위한 마운팅부재(56)가 설치된다.
상기한 엔진브라켓(54)에는 열을 차폐하기 위한 인슐레이터(heat shield insulator)도 설치하는 것이 바람직하다.
도 5에는 상기한 엔진장착부(50)의 엔진브라켓(54)에 엔진(3)을 장착한 상태를 모식적으로 나타낸다.
그리고 상기한 엔진장착부(50)에 인접한 부분의 세로프레임(10)에는 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 앞차축(5)을 지지하기 위한 차축장착부(62)를 설치한다.
상기한 차축장착부(62)에는 앞차축(5)을 회전가능하게 지지하기 위한 베어링이 설치되는 앞축브라켓(68)이 고정 설치된다.
또 상기한 세로프레임(10)의 측면에는 각각 "Y"형상의 로워암(lower arm)(64)을 설치하기 위한 암장착부(60)가 소정의 간격을 두고 한쌍으로 설치된다.
상기한 로워암(64)에는 스트러트어셈블리(8)가 설치되고, 로워암(64)의 끝부분에는 스테이빌라이저(9)가 설치된다.
상기한 연결프레임(40)에는 변속기(4)로부터 앞차축(5)으로 동력을 전달하기 위한 차축(6)과 앞차축(5)이 연결되는 차동장치(7)의 몸체가 장착 설치되는 차축브라켓(63)을 설치한다.
상기한 앞차축(5)에는 스티어링기어박스(66)가 연결 설치된다.
그리고 상기한 세로프레임(10)의 뒤쪽 끝부분으로부터 소정의 간격을 두고 변속기(4)를 설치하기 위한 센터프레임(80)이 배치되어 설치된다.
상기한 센터프레임(80)에는 차체(2)에 장착하기 위한 마운팅볼트(86)가 복수개 설치되고, 중앙부에는 변속기장착부(84)가 설치된다.
상기한 변속기장착부(84)에는 변속기(4)의 바디를 고정하기 위한 고정부재(85)가 소정의 형상으로 돌출하여 설치된다. 또 상기한 변속기장착부(84)에도 진동을 흡수하기 위한 인슐레이터가 내부에 설치된다.
상기한 연결프레임(40)은 2단(2층)으로 형성하여 설치하는 것도 가능하고, 중량의 감소와 강도의 향상을 위하여 중앙부에 구멍(42)이나 홈 등을 형성하는 것도 가능하다.
그리고 도면에 나타내지 않았지만, 상기한 제1가로프레임(20) 및/또는 제2가로프레임(30)에는 엔진의 냉각장치 및 에어컨디션용 각종 부품을 결합한 종합 쿨링모듈(Cooling Module)을 장착하기 위한 구조를 형성하는 것도 가능하다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈을 사용하여 자동차를 조립하는 공정을 설명한다.
먼저 상기한 세로프레임(10)의 차축장착부(62)에 앞축브라켓(68)을 장착하고, 상기한 엔진장착부(50)에 엔진브라켓(54)과 마운팅부재(56)를 장착한다.
그리고 암장착부(60)에 로워암(64)을 장착한다.
상기와 같은 상태에서 앞차축(5)을 앞축브라켓(68)에 삽입하여 지지하고, 차축(6)과 앞차축(5)이 연결된 차동장치(7)의 몸체를 차축브라켓(63)에 고정 설치한다.
상기와 같은 상태에서 앞차축(5)에 스티어링기어박스(66)를 연결하고, 로워암(64)에 스트러트어셈블리(8)와 스테이빌라이저(9) 등을 설치하고, 상기한 앞차축(5)의 양쪽 끝부분을 로워암(64)의 끝부분에 의하여 회전가능하게 지지한다.
그리고 상기한 엔진브라켓(54)의 마운팅부재(56)를 사용하여 엔진(3)을 장착하고, 엔진(3)과 연결되는 변속기(4)를 센터프레임(80)의 고정부재(85)를 사용하여 장착한다.
즉 한쌍의 세로프레임(10)에 설치되는 양쪽의 엔진브라켓(54)과 센터프레임(80)에 설치되는 변속기장착부(84)의 마운팅볼트(86)에 의하여 엔진(3) 및 변속기(4)는 3점지지된다.
상기와 같이 엔진(3)과 변속기(4), 앞차축(5) 등이 일체로 조립된 상태에서 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈을 크레인으로 들어올린 상태에서 차체(2)에 각각의 차체장착부(18), (28), (38) 및 마운팅볼트(86)를 고정하는 것에 의하여 주요 동력부분에 대한 조립작업이 완료된다.
상기에서 제1가로프레임(20) 및 제2가로프레임(30)에 종합 쿨링모듈을 장착하는 경우는 보다 용이하게 조립작업이 완료된다.
상기에서는 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈에 의하면, 종래 풀프레임방식에 비하여 엔진이나 변속기 등을 장착하는 데 필요한 필수적인 길이로 세로프레임을 형성하면서 내부가 빈 중공형상의 빔구조물을 사용하므로 전체적인 중량의 감소효과가 있으며, 연비절감과 친환경적 차동차의 개발이 가능하다.
또 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈에 의하면, 엔진이나 변속기 등의 주요 동력부분을 조립한 상태에서 차체와의 조립을 행하므로, 종래 모노코크바디에 비하여 조립작업을 간단하고 용이하게 행할 수 있음은 물론, 생산성의 향상을 이룰수 있으며, 충격에 대한 안전성도 확보할 수 있다.
즉 주요 동력부분의 조립을 개방된 상태에서 행하므로 정확하고 신속하게 조립작업이 이루어지며, 차체와의 조립이 이루어진 폐쇄된 상태에서는 가벼운 연결작업만이 이루어지므로 조립작업이 간단하고 단시간에 이루어진다. 따라서 생산성의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
나아가 엔진룸의 설계시 조립공간의 확보 필요성이 크게 낮아지므로, 설계 자유도가 향상되고, 차체의 외부 디자인의 다양한 설계가 가능해진다.
그리고 차체와의 연결부위 및 엔진과의 연결부위에는 방진부재와 인슐레이터 등을 사용하므로, 진동 및 소음의 전달을 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈에 의하면, 전체적인 중량의 감소와 더불어 생산성의 향상과 충격에 대한 안전성, 진동 및 소음의 감소를 동시에 도모하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 일실시예에 있어서 엔진장착부와 차체장착부를 설치한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 일실시예를 차체에 장착한 상태에 있어서 차체장착부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 일실시예에 차축과 변속기를 설치하는 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 자동차용 서브프레임 모듈의 일실시예에 엔진을 장착하는 상태를 나타내는 사시도이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 차체 길이의 1/2에 대응하는 길이로 형성되고 차체의 폭에 대응하는 간격을 두고 배치되며 뒤쪽 끝부분은 각각 바깥쪽으로 굽어지는 형상으로 형성되고 뒤쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 한쌍의 세로프레임과, 상기한 한쌍의 세로프레임의 앞쪽 끝부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 제1가로프레임과, 상기한 제1가로프레임으로부터 소정의 간격을 두고 상기한 한쌍의 세로프레임의 중간부분을 가로질러 배치되고 양쪽 끝부분에는 차체에 장착하기 위한 차체장착부가 설치되는 제2가로프레임과, 상기한 제2가로프레임으로부터 소정의 간격을 두고 배치되고 상기한 한쌍의 세로프레임의 바깥쪽으로 굽어지기 전의 부분을 서로 연결하는 연결프레임을 포함하고,
    상기한 세로프레임, 제1가로프레임, 제2가로프레임, 연결프레임은 내부가 빈 중공형상의 빔구조물로 형성하고,
    상기한 세로프레임, 제1가로프레임, 제2가로프레임의 차체장착부에는 방진부재를 설치하고,
    상기한 한쌍의 세로프레임의 상기한 제2가로프레임과 연결프레임의 사이에 위치하는 부분에는 엔진을 장착하기 위한 엔진장착부를 설치하고,
    상기한 엔진장착부에는 인슐레이터가 내부에 설치되고 엔진블록에 고정하기 위한 마운팅부재가 설치되는 엔진브라켓을 설치하고,
    상기한 엔진장착부에 인접한 부분의 세로프레임에는 앞차축을 지지하기 위한 차축장착부를 설치하고,
    상기한 차축장착부에는 앞차축을 회전가능하게 지지하기 위한 베어링이 설치되는 앞축브라켓을 고정 설치하고,
    상기한 연결프레임에는 차동장치의 몸체가 장착 설치되는 차축브라켓을 설치하는 자동차용 서브프레임 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기한 세로프레임의 측면에는 각각 "Y"형상의 로워암을 설치하기 위한 암장착부를 소정의 간격을 두고 한쌍으로 설치하는 자동차용 서브프레임 모듈.
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