KR100902836B1 - 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브형 강재가 트레일링 아암에 폐쇄형 단면을 이루며 결합되는 양단부와, "V"자형의 개방형 단면을 이루는 중앙부, 및 단면적이 변화되면서 양단부와 중앙부를 연결하는 전이부로 구성되며, 그 전이부의 강도가 증대된 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔에 관한 것으로서, 그 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔은, 상기 전이부(340)는 양단부(320)와 연결되는 전이부의 시작점(342)의 단면적을 100 퍼센트로 할 때, 전이부의 가운데(344)의 단면적은 41.7 ~ 43.7 퍼센트, 중앙부(360)와 연결되는 전이부의 끝점(346)의 단면적은 19.4 ~ 20.3 퍼센트가 되도록 하며, 전이부의 시작점(342)에서 전이부의 가운데(344)까지의 단면적 감소율이 전이부의 가운데(344)부터 중앙부(360)와 연결되는 전이부의 끝점(346)까지의 감소율보다 더 크도록 형성된 것을 특징으로 한다.

후륜 현가장치, 튜브형 토션 빔, 강도, 강성

Description

자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔 {Tube type torsion beam for rear wheel suspension of automobile}

본 발명은 자동차의 후륜 현가장치용 트레일링 아암 사이에 마련되는 튜브형 토션 빔으로써, 보다 상세하게는 전이부의 단면적과 기울기를 조절하여 롤강도를 향상시킨 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔에 관한 것이다.

자동차의 현가장치(Suspension)는 주행 시에 발생하는 노면의 충격이 차체나 탑승자에게 전달되지 않도록 해주는 구조장치로서, 노면의 충격을 완화하여 승차감을 향상시키는 한편 주행 시에 노면의 접지력에 대한 조정 안정성을 높일 수 있도록 설계하여야 한다. 또한, 계속적인 노면의 충격에도 일정한 강성과 지속적인 내구 성능을 유지할 수 있도록 설계되어야 한다. 현가장치의 변형이나 크랙은 차량의 주행 안정성에 치명적인 악영향을 미치므로 내구 설계가 현가장치의 기능 설계에서 중요한 부분을 차지한다.

특히, 소형차의 후륜 현가장치로서 주로 사용되는 토션 빔 현가장치는 토션 빔에 계속적인 비틀림 하중이 작용하므로 토션 빔의 안정적인 내구 설계가 필요하다. 이러한 토션 빔 현가장치에 있어서 토션 빔의 단면 형상은 내구 성능에 중요한 역할을 한다. 토션 빔의 단면 형상은 차량의 특성에 따라 다양하게 설계가 가능하지만 단면 형상은 설계 초기에 차량의 롤 강성 및 롤 강도와 관련하여 결정하여야 하므로 이에 대한 면밀한 검토가 필요하다.

다시 말해, 토션 빔은 좌측 차륜과 우측 차륜을 연결하므로 차량 주행 시에 후륜 현가장치의 전체 강성을 유지하고 동역학적 특성을 결정하는데 중요한 구성요소이다. 따라서 토션 빔은 좌측차륜과 우측차륜이 역방향 운동을 할 때 발생되는 비틀림 변형이나 벤딩 변형에 대해 차량의 중량에 맞추어 적절한 롤 강성을 가지도록 설계되어야 할 뿐만 아니라, 수직응력과 전단응력이 집중되므로 적절한 롤 강도를 가지도록 설계되어야 하며 주행에서 오는 피로 수명이 유지되도록 설계되어야 한다.

토션 빔은 트레일링 아암에 결합된 위치에 따라서 크게 세 가지 종류로 분류 된다. 첫번째는 토션 빔을 마운팅 부쉬쪽에 결합하는 경우이다. 이 경우는 토션 빔이 순수하게 토션 하중만을 전달하기 때문에, 양 측단에 수평 하중이 작용할 때는 마운팅 부위에서 모멘트가 크게 작용하므로 마운팅되는 길이를 조절해야 하는 단점이 있다. 두번째는 토션 빔을 트레일일 아암 중간에 결합하는 경우로서, 토션 빔이 벤딩 하중을 크게 전달받게 된다. 토션 빔이 이러한 하중을 견디기 위해서는 단면적이 커야되기 때문에, 요구 강성을 만족하지 못하는 경우가 발생하게 된다. 그러므로, 토션 빔이 받는 하중을 줄여야 할 필요가 있다. 하중을 줄이는 방법은 트레일링 아암의 단면형상을 조정하는 방법과 결합부위를 용접이 아닌 부쉬를 이용하는 방법이 있는데, 보통의 경우 트레일링 아암의 단면 형상을 변경하는 방법을 널리 사용한다. 마지막으로 위의 두 가지를 혼합한 형태로서, 토션 빔을 트레일링 아암의 가운데와 마운팅 부쉬 사이에 결합하여 토션과 벤딩을 동시에 받는 경우이다.

즉, 결합부의 위치에 따라 벤딩을 최소화시켜 토션이 빔에 주로 작용하도록 설계가 가능하다. 그러므로, 토션 빔을 개방형 단면으로 설계가 가능하며 또한, 힘의 작용점에서 마운팅 부쉬까지의 길이가 너무 길지 않으므로, 수평 하중을 충분히 견딜 수 있다. 이러한 토션 빔을 보통 CTBA(Coupled Tortion Beam Axle)이라고 부른다. 최근에는 개방형 단면의 단점인 강성을 증가시키기 위해, 튜브형 폐단면 빔이 사용되고 있는 실정이다.

도 1을 참고로 하여 튜브형 토션 빔 현가장치를 살펴보면, 토션 빔(300)은 차량 후륜의 좌,우 트레일링 아암(100) 사이에 용접 고정된다. 트레일링 아암(100)에는 후방으로 마운팅 부쉬(120)가 마련되며, 전방에 휠 브라켓(180)과 스프링 브라켓(140), 댐퍼 브라켓(160)이 마련된다. 토션 빔(300)은 트레일링 아암(100)에서 마운팅 부쉬(120)측에 치우쳐 위치한다. 토션 빔(300)은 튜브형 강재로로서, 중앙부(360)가 튜브의 내측으로 굽어져 들어가 "V"형의 찌그러진 폐곡선 모양으로 형성된 개방형 단면을 갖고, 양단부(320)는 트레일링 아암(100)에 용접 또는 부쉬로 결합된다. 양단부(320)는 원형 또는 타원형의 폐단면을 가지며 결합된다. 양단부(320)와 중앙부(360)를 연결하는 전이부(340)는 기울기를 가지고 단면적이 줄어들며 연결된다.

종래의 경우에는 튜브형을 사용하여 판재형보다 단면적이 증가하였고 강성이 증대되었다. 그러나 이 경우 토션 빔에 걸리는 비틀림, 굽힘, 인장 하중이 부재의 허용 응력을 넘을 때 문제가 발생하였다. 즉, 튜브형의 사용으로써 강성은 증대되나, 단면에 작용하는 최대응력이 증가하여 강도면에서 저하되는바, 강도와 강성을 동시에 만족시키는 토션 빔의 형상을 얻기가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 토션 빔의 형상을 튜브형으로 하되, 전이부의 단면적과 기울기를 조절하여 필요한 강성은 물론, 필요한 강도를 얻는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔은, 트레일링 아암에 폐쇄형 단면을 이루며 결합되는 양단부와, 개방형 단면을 이루는 중앙부, 및 단면이 변화되면서 상기 양단부와 중앙부를 연결하는 전이부로 구성되며, 상기 전이부는 양단부와 연결되는 전이부의 시작점의 단면적을 100 퍼센트로 할 때, 전이부의 가운데의 단면적은 41.7 ~ 43.7 퍼센트, 중앙부와 연결되는 전이부의 끝점의 단면적은 19.4 ~ 20.3 퍼센트가 되도록 하며, 전이부의 시작점에서 전이부의 가운데까지의 단면적 감소율이 전이부의 가운데부터 중앙부와 연결되는 전이부의 끝점까지의 감소율보다 더 크도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전이부는 하기 식(1),

식(1) : (튜브의 외경 / 3) x 7 < 전이부 < (튜브의 외경 / 3 ) x 9

에 의하여 정의되도록 함이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔에 따르면, 튜브형으로 형성되고 중앙부가 굴곡되어 들어감으로써 강성이 증대될 뿐만 아니라, 양단부와 중앙부를 연결하는 전이부의 단면적과 기울기를 조절함으로 써 다양한 차량의 특성에 맞추어 원하는 강성과 강도를 얻을 수 있다.

또한, 상기 전이부의 범위를 튜브의 외경 즉, 빔의 외경을 기준으로 하여 정함으로써 외경이나 길이가 다른 다양한 튜브형 빔에도 일률적으로 전이부를 정하고, 그에 맞추어 단면적과 기울기를 정할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔에 대하여 살펴본다.

폐단면을 갖는 튜브형 토션 빔의 경우, 단면의 형상을 유지하며 트레일링 아암에 고정되는 양단부, 전방측이 튜브의 내측으로 굴곡되어 만입됨으로써 결과적으로 전방이 개방된 "V"자형의 형상을 갖는 중앙부, 및 양단부와 중앙부를 완만하게 곡선으로 연결하는 전이부로 구성된다. 튜브형 형상을 함으로써 기존의 판재형 토션 빔 보다 단면적의 증가로 강성이 증대되었다. 강성(rigidity)의 단위는 Nm/Deg로서, 단위각도당 비틀림에 필요한 모멘트의 양으로 정의된다. 그러나, 단면적의 증대시 강도는 반비례로 약해지는바, 강성의 강화 대신 강도의 감소라는 단점을 갖게 되었다. 따라서, 이를 해결하고자 응력이 최대로 작용하는 지점을 찾고, 그 지점의 단면적을 전체적으로 줄여 집중되는 최대 응력을 분산시킬 필요가 있다. 튜브형 토션 빔의 경우, 최대 응력부는 전이부에서 나타났는데, 이를 해석하고자 유한 요소 해석법을 사용하였다.

유한요소 모델링은 연속체 내부의 응력을 구하기 위해 실제 모델과 가장 적합하도록 모사하는 기술이 가장 중요하다. 보통 샤시계의 성능 검토를 위한 유한요 소 모델링 방법은 링크 시스템은 빔 요소, 강성특성을 나타내야 하는 부품의 경우에는 스프링 요소를 가지고 모델링 한다. 특히, 실제 이러한 모델의 구조해석을 수행하면, 선행 해석결과와 실제 부품의 실험 결과와는 많은 차이가 발생하는데, 이때는 부재들의 강성 값을 조정함으로써 사용된 모델을 수정하여 최종 모델을 완성하게 된다.

본 발명에서 사용한 유한 요소 모델링은 다음과 같다. Quad4, Tria3와 쉘/솔리드 요소를 적절히 조절하여 메쉬(mesh)작업을 수행하였고, 부쉬 및 체결부위는 강체요소(RBE2,RBE3)를 사용하여 모델링 하였다.

실제 차량이 주행을 하면 현가장치는 롤 운동을 하게 되고, 그 결과 반복적인 토션과 벤딩 하중을 받게 된다. 이러한 토션 빔에 걸리는 벤딩 하중을 줄이기 위해서는 트레일링 아암의 단면을 원형 폐단면으로 설계하는 것이 일반적이다. 토션 빔의 경우 개방형 판재 토션 빔을 사용하여, 두께를 조절을 통해 허용응력을 만족시키는 것이 일반적이지만, 이 경우 롤 강성값은 너무 낮은 값을 갖기 때문에 성능 만족도에서 문제가 발생한다. 따라서 폐단면을 갖는 튜브형 빔을 사용하여, 강성을 만족하면서 강도가 허용 응력을 넘지 않도록 설계하였다.

보통의 경우 트레일링 아암과 빔의 용접으로 인해 워핑(warping) 발생을 억제함으로써 응력이 크게 발생한다. 이러한 현상을 최대한 줄이기 위해서는, 단면 형상에 따라 변화하는 워핑 양을 최소로 해야 한다. 따라서 앞서 언급한 모델에 워핑이 가장 적은 "V"형으로 굴곡된 튜브형 토션 빔을 이용하여 모델링 하였다. 마지막으로, 롤 운동으로 발생 된 하중을 휠(wheel)을 통해 트레일링 아암으로 전달되 기 위한 모델링은 강체요소(RBE2,3)를 사용하여 모사하였다.

롤 강성은 휠의 중심을 잇는 일직선의 가운데인 스핀들 센터(spindle center) 사이의 축 윤거인 트레드(tread) 대비 수직방향으로 거동에 대한 변위조건을 부과하여 그 절점에서 계산되어 얻어진 반력을 가지고 계산된다. 강도는 현가장치의 체결부위에 경계조건과 하중 조건을 부과한 후, 선형 방정식을 풀어서 얻을 수 있다. 여기서, 실제 현가장치에 부과되는 로드(load case)는 수십여 개가 되지만, 그 중 현가장치에 큰 영향을 주는 19가지의 로드를 가지고 해석을 수행하였다. 특히, 토션 빔의 특성상 가장 응력이 가장 높게 나오는 비틀림, 반력 하중에 대하여 중점을 두었다. 경계조건은 실제 현가 장치와 가장 근접하게 모델링 하기 위해 관성 제거(inertia relief) 가상 경계 조건을 이용하였다.

튜브형 빔의 경우 전단응력이 단면의 면적에 반비례하기 때문에, 전이부의 중공 단면적을 작게 할수록 전이부의 응력이 커지게 된다. 결국, 이러한 현상은 외부에 작용하는 하중에 의한 저항을 전이부에서 일차적으로 감쇠를 시키기 때문에, 최대응력 부위의 넓은 영역에 걸쳐 응력 완화효과가 발생한다. 즉, 전이부에서 좀 더 많은 응력을 받게 되어 결과적으로 응력을 받는 범위가 넓게 퍼지고 최대 응력값의 수치는 낮아지게 되는 것이다. 그러나, 전이부가 트레일링 아암에서 멀어지게 되면, 수직 하중에 의한 모멘트 등으로 인해 복합 하중이 작용하므로, 단면적에 대한 민감도는 상대적으로 작아지게 되어 응력 분산의 효과가 줄어든다. 강성의 경우에는 강도와는 반대의 경향성을 가지고 있으므로, 이러한 특성을 이용하면 현가장치의 요구성능을 만족시키는 토션 빔의 설계가 가능하게 된다.

구체적으로 도 2 내지 4를 참고하여 세 가지 실시 예를 살펴본다. 도 2 내지 4는 토션 빔의 전이부(340)의 단면적과 기울기를 단계적으로 줄여간 도면과 그래프이다. 도 2의 경우는 토션 빔의 상방에서 바라본 사시도로서, 양단부 측의 전이부의 시작점(342)을 기준으로 중앙부로 나아가면서 등간격(30mm)으로 8등분 한 경우의 단면적을 나타내었다. 또한, 그래프는 토션 빔의 양단부 측의 전방측 고정점으로부터 나아간 수평 일직선을 기준으로 토션 빔의 전방 경계까지의 거리로서, 토션 빔의 전이부(340)가 만입되는 정도와 전방 경계의 기울기를 나타낸다. 도 3과 4 역시 마찬가지로서 도 2 내지 4를 비교하여 살펴보면, 8등분에 의한 9개의 경계에서의 단면적은 하기 표 1과 같다.

경계 1의 단면적을 100 퍼센트로 보았을 때, 각 경우의 단면적의 퍼센트는 하기 표 2와 같다.

상기 표 2에서 보듯이, 단면적의 경우 경계 1을 100으로 할 때, 전이부의 가운데(344)는 41.7 ~ 43.7 퍼센트로, 전이부의 끝점(346)는 19.4 ~ 20.3 퍼센트의 단면적을 갖도록 함이 바람직하다.

더욱 상세하게는, 경계 2는 84.8 ~ 88 퍼센트, 경계 3은 67.6 ~ 72.6 퍼센트, 경계 4는 55.1 ~ 59.3 퍼센트, 경계 5(가운데)는 41.7 ~ 43.7 퍼센트, 경계 6은 31.2 ~ 31.3 퍼센트, 경계 7은 24.2 ~ 24.7 퍼센트, 경계 8은 20.7 ~ 20.9 퍼센트, 경계 9는 19.4 ~ 20.3 퍼센트가 되도록 조절함이 바람직하다. 이러한 전이부 단면적의 감소폭을 이용하여 강도를 확보하고, 적절한 강성과 강도의 조합을 찾을 수 있게 된다.

더욱이, 상기 표 2의 단면적 비율을 그래프로 도시한 도 5에서 살펴보듯이, 전이부의 가운데(344)까지는 단면적의 차이가 크도록 형성하고, 전이부의 가운데(344)부터 전이부의 끝점(346)까지는 거의 일정하게 완화되어 감소되도록 한다. 즉, 전이부의 가운데(344)까지의 감소율이 전이부의 가운데(344)부터 전이부의 끝점(346)까지의 감소율보다 더 크도록 형성한다. 그 이유는 전이부의 끝점(346)에서 최대 응력점이 나타나고, 따라서 전이부의 초반부 단면적을 줄일 경우 응력 분산의 민감도가 상승하게 되기 때문이다. 즉, 응력 분산의 효과는 초반 전이부의 단면적의 축소가 주요하다고 볼 수 있다.

상기 수치 이외의 부분은 가압 성형이 어려울 뿐만 아니라, 지나치게 단면적이 크거나, 작기 때문에 강도나 강성의 부분에서 상기 수치의 범위보다 현저히 떨어진다. 또한, 단면적의 변화에 따른 민감도가 작아져 응력의 분산효과가 줄어든다. 따라서, 상기 수치 내에서 토션 빔의 전이부를 형성함이 바람직하다.

기울기의 경우 단면적의 변화에 수반되어 도 2에서 4로 갈수록 초반에는 급격히 내측으로 들어가고, 중앙부 측인 후반에는 완만히 들어가도록 형성됨이 바람직하다.

상기 도 2 내지 4의 전이부 형상에 따를 때, 토션 빔의 강도의 경우 최대 응력의 크기가 816, 751, 748 MPa 순으로 줄어들었고, 강성의 경우는 444, 519, 522 Nm/Deg 순으로 증가하였다. 즉, 단면적을 감소시킬수록 최대 응력은 줄어들어 강도가 향상되었고, 강성은 증가하는 경향을 보였다. 따라서, 상기와 같은 방식으로 각 경계의 단면적이 상기 표 2의 범위에 들도록 할 때 다양한 강도와 강성의 조합을 갖는 토션 빔을 얻을 수 있고, 상황에 따라 선택이 가능하게 된다.

도 6는 응력분포를 비교한 도면으로서, 도 6의 (a)는 도 2의 경우를, 도 6의 (b)는 도 3의 경우를 나타낸다. 이를 강도의 측면에서 살펴보면, 죄측 전이부의 최대 응력점(347)과 우측 전이부의 최대 응력점(348) 중 우측 최대 응력점(348)은 현저히 감소하였고, 좌측 최대 응력점(347) 역시 흐려지며 분산됨을 알 수 있다. 즉, 전이부의 단면적을 줄임으로써 응력 분산의 효과를 얻을 수 있고, 강도의 향상을 꾀할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 전이부는 하기 식(1),

식(1) : (튜브의 외경 / 3) x 7 < 전이부 < (튜브의 외경 / 3 ) x 9

에 의하여 정의되도록 함이 바람직하다. 이는 상기 범위로 전이부가 정해질 때 다양한 길이와 외경의 토션 바에서 해석이 가능해지고, 상기 범위의 전이부에서 해석시 단면적의 감소로 인한 강도 증대의 효과를 효율적으로 얻을 수 있기 때문이다.

본 발명은 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔에 관한 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 그 수치범위 내에서 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.

도 1은 튜브형 토션 빔이 장착된 자동차의 후륜 현가장치의 사시도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 튜브형 토션 빔의 전이부의 단면적과 기울기를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 튜브형 토션 빔의 전이부의 단면적과 기울기를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 튜브형 토션 빔의 전이부의 단면적과 기울기를 나타낸 도면.

도 5는 도 2 내지 3의 튜브형 토션 빔의 전이부 단면적의 감소 비율을 비교한 그래프.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 튜브형 토션 빔의 응력 분포도로서,

(a)는 도 2의 튜브형 토션 빔의 응력 분포도.

(b)는 도 3의 튜브형 토션 빔의 응력 분포도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

300 : 토션 빔 320 : 양단부

340 : 전이부 360 : 중앙부

342 : 전이부의 시작점 344 : 전이부의 가운데

346 : 전이부의 끝점 347 : 좌측 최대 응력점

348 : 우측 최대 응력점

Claims (2)

1. 튜브형 강재가 전체 길이에 걸쳐 각각 다른 형상으로 가압 성형됨으로써, 트레일링 아암에 폐쇄형 단면을 이루며 결합되는 양단부와, "V"자형의 개방형 단면을 이루는 중앙부, 및 단면이 변화되면서 상기 양단부와 중앙부를 연결하는 전이부로 구성된 토션 빔에 있어서,

   상기 전이부(340)는 양단부(320)와 연결되는 전이부의 시작점(342)의 단면적을 100 퍼센트로 할 때, 전이부의 가운데(344)의 단면적은 41.7 ~ 43.7 퍼센트, 중앙부(360)와 연결되는 전이부의 끝점(346)의 단면적은 19.4 ~ 20.3 퍼센트가 되도록 하며, 전이부의 시작점(342)에서 전이부의 가운데(344)까지의 단면적 감소율이 전이부의 가운데(344)부터 중앙부(360)와 연결되는 전이부의 끝점(346)까지의 감소율보다 더 크도록 형성된 것을 특징으로 하는 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전이부(340)는 하기 식(1),

   식(1) : (튜브의 외경 / 3) x 7 < 전이부 < (튜브의 외경 / 3 ) x 9

   에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 자동차의 후륜 현가장치용 튜브형 토션 빔.

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