KR100929528B1 - 프론트 사이드 멤버 어셈블리 - Google Patents

Abstract

내부에 격막을 갖는 메인 멤버의 전단부 일정구간에는 각 모서리부에 비드를 형성하고, 그 내부에는 상기 격막이 제거된 공간부를 형성하여 고속 충돌에 대한 충돌에너지 흡수능력을 향상시키며, 승객에게 전달되는 충격파를 줄여 최적의 충돌성능을 갖는 프론트 사이드 멤버 어셈블리를 제공한다.

프론트 사이드 멤버, 격막, 압출관재, 알루미늄, 비드, 공간부

Description

프론트 사이드 멤버 어셈블리{FRONT SIDE MEMBER ASSEMBLY}

본 발명은 차체의 프론트 사이드 멤버 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부에 격막을 갖는 메인 멤버의 전단부 일정구간의 구성을 개선하여 고속 충돌에 대한 충돌에너지 흡수능력을 향상시켜 최적의 충돌성능을 갖도록 하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리에 관한 것이다.

일반적으로 차체의 프론트 사이드 멤버 어셈블리(Front Side Member Assembly)는 차체의 전방 골격을 이루는 핵심적인 구조물로써, 이러한 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 설계 및 제작 요건은 다음과 같다.

즉, 첫째, Engine 및 Transmission과 같은 중량체의 하중을 지지할 수 있는 강도 및 강성을 확보하여야 하며, 둘째, Suspension을 통하여 전달되는 노면하중에 대한 충분한 강도 및 강성을 확보해야 하며, 셋째, Suspension을 통한 Bumping 및 Steering 거동에 대해 Tire와 차체간의 간섭이 발생되지 않도록 충분한 설계자유도를 확보해야 하며, 넷째, 고속 충돌시 효율적으로 충돌에너지를 흡수할 수 있는 구조로 설계되어야 하며, 다섯째, 저속 충돌 시, 차체 변형이 발생되지 않도록 강성을 확보해야 한다.

특히, 상기한 넷째의 고속 충돌 성능과, 다섯째의 저속 충돌 성능은 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 제작과정에서 자동차 업계의 대표적인 충돌법규인 US-NCAP(북미)의 법규와 RCAR(Research Council for Automobile Repairs:세계자동차 수리기술위원회)의 법규 만족과 승객보호 및 수리비 개선 등의 측면에서 소비자의 요구와 관심이 집중되고 있는 부분이다.

한편으로는 최근, 스틸(Steel)계 제품과 동등한 구조적 강성(Structual rigidity)를 유지하면서 경량화률이 기존대비 20%이상의 높은 효과를 갖도록 열처리형 알루미늄 소재를 이용한 차체 부품의 제조가 이루어지고 있음에도 불구하고, 도 1에서 도시한 바와 같이, 현재 양산되고 있는 소형차의 프론트 사이드 멤버 어셈브리(100)는 프레스 성형된 적어도 13 parts 이상의 부품 결합체로 이루어져 부품수가 많고, 보강재 등에 의해 그 자체의 중량 또한 경량화에 역행하는 문제점을 여전히 내포하고 있다.

이러한 종래 스틸계 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 문제점을 해소하기 위하여, 본 출원인에 의해 기존 차체의 프론트 사이드 멤버 어셈블리(100)의 골격을 과감하게 단순화시켜 알루미늄 압출관재를 이용한 프론트 사이드 멤버 어셈블리가 출원된 바 있다.

즉, 본 출원인에 의해 출원된 프론트 사이드 멤버 어셈블리(대한민국 특허출원 2008-0074917호 2008년 7월 31일 출원)는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 단순화 설계에 기초하여 내부에 격막(221)을 갖는 알루미늄 압출관재를 소재로 벤딩, 성형 전후 열처리 등의 공정을 거쳐 별도의 보강작업 없이 리벳이음(R)으로 제작함으로 써 고속 및 저속 충돌에 대한 구조강성을 확보함과 동시에, 부품수를 줄이고 경량화를 목적으로 출원되었다.

본 출원인에 의해 출원된 종래 프론트 사이드 멤버 어셈블리(200)의 구성은, 상기 도 2에서 도시한 바와 같이, 기본적으로 내부에 격막구조를 갖는 알루미늄 압출관재로 이루어지며, 후단부에는 개구된 안착부(LS)를 형성하고, 그 상단면 외측을 따라서는 플랜지(F)가 일체로 형성되는 메인 멤버(203)가 구비되고, 상기 메인 멤버(203)의 후단에는 상부가 개구된 후방 멤버(205)가 배치된다.

그리고 상기 메인 멤버(203)의 안착부(LS)와 상기 후방 멤버(205)의 개구부를 통하여 상부 보강빔(207)이 삽입되어 배치되고, 상기 메인 멤버(203)의 하부와 후방 멤버(205)의 하부에는 이를 감싸는 하부 보강빔(209)이 상기 상부 보강빔(207)과 함께 메인 멤버(203)와 후방 멤버(205)에 리벳이음(R)된다.

그리고 사각 판재의 배면 양측에 체결단(227)을 형성하는 마운팅 브라켓(211)이 상기 메인 멤버(203)의 전단에 상기 양측 체결단(227)을 통하여 리벳이음(R)되고, 상기 메인 멤버(203)의 하부 전방과 후방에는 전방 및 후방 보조 브라켓(213,215)이 각각 리벳이음(R) 및 용접(W)되어 체결된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 프론트 사이드 멤버 어셈블리(200)는, 상기 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 메인 멤버(203)의 전단부 내부에 상기한 십자형 격막(221)이 일체로 형성되어 있어 그 구조강성이 너무 커서 고속 충돌 시, 전방의 크래쉬 박스(미도시)가 붕괴된 이후, 충돌에너지의 흡수보다는 오히려 충격파를 승객에게 그대로 전달하여 상해를 입히는 원인이 되며, 승객 안전성이 떨어지는 문제 점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 알루미늄 프론트 사이드 멤버 어셈블리가 갖는 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내부에 격막을 갖는 메인 멤버의 전단부 일정구간에는 각 모서리부에 비드를 형성하고, 그 내부에는 상기 격막이 제거된 공간부를 형성하여 고속 충돌에 대한 충돌에너지 흡수능력을 향상시키며, 승객에게 전달되는 충격파를 줄여 최적의 충돌성능을 갖는 프론트 사이드 멤버 어셈블리를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 프론트 사이드 멤버 어셈블리는 내부에 격막구조를 갖는 알루미늄 압출관재로 이루어지며, 후단부에는 개구된 안착부를 형성하며, 그 상단면 외측을 따라서는 플랜지가 일체로 형성되는 메인 멤버와, 상부가 개구되어 상기 메인 멤버의 후단에 배치되는 후방 멤버와, 상기 메인 멤버의 안착부와 상기 후방 멤버의 개구부를 통하여 삽입되어 배치되는 상부 보강빔과, 상부가 개구되어 메인 멤버의 하부와 후방 멤버의 하부를 감싸며, 상기 상부 보강빔과 함께 메인 멤버와 후방 멤버에 리벳이음되는 하부 보강빔과, 사각 판재의 배면 양측에 체결단을 형성하여 상기 메인 멤버의 전단에 상기 양측 체결단을 통하여 리벳이음되는 마운팅 브라켓과, 상기 메인 멤버의 하부 전방과 후방에 각각 리벳이음 및 용접되는 전방 및 후방 보조 브라켓을 포함하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리에 있어서,

상기 메인 멤버는 직사각 형상으로 내부에는 십자형 격막이 일체로 형성하여 이루어지되, 그 전단부 일정구간은 각 모서리부의 동일한 위치에 비드를 형성하며, 그 내부에는 상기 십자형 격막을 제거하여 공간부로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 메인 멤버는 그 중앙을 기준으로 전방을 향하는 직관부와 후방을 향하는 벤딩부로 구분되며, 상기 벤딩부의 후단부에는 상면이 절개되어 개구되고, 그 내부에는 일정구간 격막이 제거된 상기 안착부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 플랜지는 상기 메인 멤버의 압출 성형과정에 일체로 압출 성형되는 것을 특징으로 한다.

상기 전단부 일정구간은 상기 플랜지의 전방 선단에서부터 메인 멤버의 전단까지의 구간인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리에 의하면, 내부에 격막을 갖는 메인 멤버의 전단부 일정구간에는 각 모서리부에 비드를 형성하고, 그 내부에는 상기 격막이 제거된 공간부를 형성하여 고속 충돌에 대한 메인 멤버의 전체적인 충돌에너지 흡수능력을 향상시키는 효과아 있다.

이에 따라, 승객에게 전달되는 충격파를 최소화하여 최적의 충돌성능을 갖도록 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 측면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 분해 사시도이다.

본 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)는 상기한 도 3 내지 도 5에서 도시한 바와 같이, 알루미늄 압출관재로 이루어지는 메인 멤버(3)와 후방 멤버(5), 상부 및 하부 보강빔(7,9), 마운팅 브라켓(11), 전방 및 후방 보조 브라켓(13,15)의 총 7 parts로 구성된다.

먼저, 상기 메인 멤버(3)는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 내부에 격막구조를 갖는 알루미늄 압출관재로, 그 중앙을 기준으로 전방을 향하는 직관부(B1)와 후방을 향하는 벤딩부(B2)로 구분된다.

상기 벤딩부(B1)의 후단부에는, 도 5에서 도시한 바와 같이, 상면이 절개되어 개구되고, 그 내부에는 일정구간 격막(21)이 제거된 안착부(LS)를 형성한다.

이러한 메인 멤버(3)는 직사각 형상의 알루미늄 압출관재로, 각 모서리부분은 라운드 처리되고, 내부에는 십자형 격막(21)이 압출과정에 일체로 형성된다.

즉, 도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 메인 멤버(3)의 그 직관부(B1) 전방의 내부에 상기한 십자형 격막(21)이 일체로 형성되는 구조를 갖는다.

또한, 상기 메인 멤버(3)는 상관부품과의 체결을 위하여 그 상단면 외측을 따라서 일정구간 플랜지(F)가 일체로 압출 성형되어 형성된다.

그리고 상기한 메인 멤버(3)는 그 전단부의 일정구간(S), 즉, 상기 플랜지(F)의 전방 선단에서부터 메인 멤버(3)의 전단까지의 구간의 각 모서리부의 동일 한 위치에 비드(BD)를 형성하며, 그 내부에는 상기 십자형 격막(21)을 제거하여 공간부(SP)로 형성한다.

즉, 이러한 메인 멤버(3)는 압출 및 열처리 후 스트레치 벤딩기를 사용하여 굽힘가공 및 기타 절단가공을 통하여 하여 제작된다.

그리고 상기 후방 멤버(5)는 그 상부가 개구되며, 양측 상단은 각각 외측으로 절곡된 절곡단(23)을 형성하여 상기 메인 멤버(3)의 벤딩부(B2) 후단에 배치된다.

이러한 후방 멤버(5)는 알루미늄 압출관재를 치수에 맞게 절단가공 및 절곡성형을 통하여 제작된다.

또한, 상기 상부 보강빔(7)은 그 일측에서 일정각도로 롤 벤딩 치구를 통하여 벤딩 성형되어 상기 메인 멤버(3)의 안착부(LS)와 상기 후방 멤버(5)의 개구부를 통하여 삽입되어 배치된다.

이러한 상부 보강빔(7)은 사각의 빔 형상으로 알루미늄 압출 성형되어 이루어지며, 상기 후방 멤버(5)의 개구부에 안착되는 후방부 상면은 제거되어 개구되는 형상을 갖는다.

그리고 상기 하부 보강빔(9)은 그 상부가 개구되어 일측에서 일정각도로 벤딩 성형되고, 그 개구부를 통하여 상기 메인 멤버(3)의 벤딩부(B2) 하부와 후방 멤버(5)의 하부를 감싸며, 상기 상부 보강빔(7)과 함께 메인 멤버(3)와 후방 멤버(5)에 다수의 개소에서 리벳이음(R)되어 체결된다.

한편, 상기 하부 보강빔(9)의 전방 선단은 상기 메인 멤버(3)와의 체결력을 강화하기 위하여 알루미늄 TIG 용접(W)을 병행한다.

이러한 하부 보강빔(9)은 그 벤딩 성형부의 양측면이 각각 외측으로 라운드지게 돌출되는 주름부(25)를 형성하여 구성된다.

즉, 상기 하부 보강빔(9)은 압출 후 프레스 금형치구를 이용하여 양측단의 홈 가공 및 벤딩가공을 동시에 적용하여 제작된다.

그리고 상기 마운팅 브라켓(11)은 그 전방에 크래쉬 박스(미도시)를 체결하도록 사각 판재의 배면 양측에 체결단(27)을 형성하여 구성되고, 상기 메인 멤버(3)의 전단에 그 양측 체결단(27)을 통하여 끼운 상태로 메인 멤버(3)와 리벳이음(R)되어 체결된다.

즉, 상기 마운팅 브라켓(11)은 압출 후 일정크기로 절단하며, 상기 양측 체결단(27)은 밀링가공을 통해 제작된다.

또한, 상기한 전방 보조 브라켓(13)과 후방 보조 브라켓(15)은 차체 서브 프레임을 장착하도록 상기 메인 멤버(3)의 직관부(B1) 하부 전방과 후방에 그 양측 상단을 통하여 끼워진 상태로 각각 리벳이음(R) 및 알루미늄 TIG 용접(W)되어 장착된다.

여기서, 상기 전방 보조 브라켓(13)은 알루미늄 압출관재를 치수에 맞게 절단가공하여 적용하며, 상기 후방 보조 브라켓(15)은 상기 알루미늄 압출관재를 적당한 크기로 절단한 후, 상기 메인 멤버(3)와 접합되는 양측 상단을 절곡가공을 통해 제작한다.

이러한 구성을 갖는 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)는 상기 메인 멤버(3)와 상기 마운팅 브라켓(11), 전방 및 후방 보조 브라켓(13,15)의 강도가 300Mpa로 열처리된 알루미늄 압출소재를 적용하며, 상기 후방 멤버(5)와 상기 상부 및 하부 보강빔(7,9)은 그 강도가 340Mpa 내지 350Mpa의 범위내로 열처리되는 알루미늄 압출소재로 적용된다.

또한, 상기한 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)는 각 단품간의 결합방법으로 알루미늄 용접의 까다로움과 강도저하를 고려해 기계적 접합인 고강도 리벳이음(R)을 주로 적용하였다.

이러한 고강도 리벳이음(R)은 폐단면에 대한 적용성이 좋으며, 그 강도또한, 700~800Mpa급으로 충돌에 대한 안정성을 확보한다.

즉, 상기 마운팅 브라켓(11)과 메인 멤버(3)의 조립은 미리 가공한 홀과 홀끼리 고강도 리벳으로 체결한다.

또한, 상기 메인 멤버(3)와 전방 보조 브라켓(13) 및 상기 메인 멤버(3)와 후방 보조 브라켓(15)의 경우, 전방 및 후방 보조 브라켓(13,15)의 각 양측 상단이 상기 메인 멤버(3)의 외측면을 감싸도록 부착된 후, 미리 가공된 홀에 고강도 리벳이음(R)을 적용하고, 각각이 만나는 면의 외곽을 알루미늄 TIG 용접(W)으로 보강하였다.

그리고 상기 메인 멤버(3)와 후방 멤버(5)는 상기 상부 보강빔(7)이 상부에서 삽입형태로, 상기 하부 보강빔(9)은 하부에서 감싸는 형태로 조립되고, 이 4가지 부재를 각각 관통하는 홀(Hole)을 통해 고강도 리벳이음(R)으로 다점 체결한다.

이는 기존의 모노코크 바디(부품) 제조 방식을 좀더 간소화시킬 수 있는 방 식으로써, 기존의 기계적 체결을 보완하기 위하여 알루미늄 용접을 추가하는 형식으로 제작하였다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)는, 종래 보강재를 포함하는 스틸계 프론트 사이드 멤버 어셈블리(100)에 비하여 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)의 부품수가 약 46% 줄어들고, 그 중량에 있어서도 약 33% 정도의 감소율을 나타내어 부품수 절감 및 경량화를 가능하게 하는 이점이 있다.

한편, 본 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)는 저속 충돌에 대한 구조강성의 확보는 물론 고속 충돌에 대한 충돌에너지 흡수성능의 측면에서는 대표적인 충돌법규인 RCAR 및 US-NCAP 법규에 따른 시험으로부터 만족할 만한 시험결과를 나타냄을 알 수 있다.

먼저, 도 7에서 도시한 바와 같이, 상기한 RCAR 법규 및 US-NCAP 법규를 구현하기 위해 적용된 하중조건으로 대차질량은 250kg, 속도는 8m/s ~ 17.7m/s (15km/h ~ 56km/h)로 변화시켰으며, 부여된 충돌에너지는 RCAR법규에서는 8000J, US-NCAP 법규에서는 39,200J을 부여하였다.

그리고 초기 설계상의 해석조건으로 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)에 적용되는 메인 멤버(3)의 두께는 4mm, 격막(21)의 두께도 4mm, 전방 보조 브라켓(13)의 두께도 4mm, 및 크래쉬 박스(30)로는 팔각의 2mm두께를 갖는 관재로 적용하여 실시하였다.

이러한 하중조건과 해석조건 하에 실시된 RCAR 법규 시험에서는, 도 8에서 도시한 바와 같이, RCAR 법규상에서 주어진 충돌에너지 8,000J을 크래쉬 박스(30)에서 전량 흡수하고, 메인 멤버(3)에서는 미량 흡수하는 것으로 나타났다.

이는 이상적인 결과로서 크래쉬 박스(30)의 변형만 발생하고 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)의 변형을 거의 발생치 않은 것으로, 저속(중속) 충돌에서는 그 구조강성을 충분히 확보하는 결과를 나타낸 것이다.

반면, 이러한 하중조건과 해석조건 하에 실시된 US-NCAP 법규 시험에서는, 도 9에서 도시한 바와 같이, US-NCAP 법규 상에서 주어진 에너지 39,200J을 크래쉬 박스(30)와 메인 멤버(3)가 순차적으로 충분히 붕괴하면서 에너지를 흡수하였다.

즉, 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)의 경우, 크래쉬 박스(30)의 리어 브라켓(32)에서부터 메인 멤버(3)의 플랜지(F) 시작지점까지의 구간(S)에서 대부분의 변형이 일어나 충돌에너지를 충분히 흡수하였으며, 이러한 충돌에너지는 상기 크래쉬 박스(30) 및 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1) 모두가 변형되면서 충격파를 최소화하여 승객에 미치는 영향을 최소화하는 효과가 있다.

이러한 본 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리(1)의 RCAR 법규 및 US-NCAP 법규에 따른 시험결과는 종래 스틸계 프론트 사이드 멤버 어셈블리(100)에 적용되는 보강재의 기능을 충분히 수행할 정도의 구조강성을 확보하고 있으며, 종래 알루미늄 프론트 사이드 멤버 어셈블리(200)의 저속 충돌 성능을 유지하면서, 고속 충돌성능을 더욱 향상됨을 판단할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 스틸계 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 사시도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 알루미늄 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 측면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 분해 사시도이다.

도 6은 도 2의 A 부분의 부분 절개 사시도이다.

도 7은 RCAR 법규 및 US-NCAP 법규에 따른 시험방법과 하중조건을 나타낸 표이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 RCAR 법규 시험에 따른 변형량을 도시한 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 프론트 사이드 멤버 어셈블리의 US-NCAP 법규 시험에 따른 변형량을 도시한 도면이다.

Claims (4)

1. 내부에 격막구조를 갖는 알루미늄 압출관재로 이루어지며, 후단부에는 개구된 안착부를 형성하며, 그 상단면 외측을 따라서는 플랜지가 일체로 형성되는 메인 멤버와, 상부가 개구되어 상기 메인 멤버의 후단에 배치되는 후방 멤버와, 상기 메인 멤버의 안착부와 상기 후방 멤버의 개구부를 통하여 삽입되어 배치되는 상부 보강빔과, 상부가 개구되어 메인 멤버의 하부와 후방 멤버의 하부를 감싸며, 상기 상부 보강빔과 함께 메인 멤버와 후방 멤버에 리벳이음되는 하부 보강빔과, 사각 판재의 배면 양측에 체결단을 형성하여 상기 메인 멤버의 전단에 상기 양측 체결단을 통하여 리벳이음되는 마운팅 브라켓과, 상기 메인 멤버의 하부 전방과 후방에 각각 리벳이음 및 용접되는 전방 및 후방 보조 브라켓을 포함하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리에 있어서,

   상기 메인 멤버는 직사각 형상으로 내부에는 십자형 격막이 일체로 형성하여 이루어지되,

   그 전단부의 일정구간은 각 모서리부의 동일한 위치에 비드를 형성하며, 그 내부에는 상기 십자형 격막을 제거하여 공간부로 형성하는 것을 특징으로 하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리.
2. 제1항에서,

   상기 메인 멤버는

   그 중앙을 기준으로 전방을 향하는 직관부와 후방을 향하는 벤딩부로 구분되며, 상기 벤딩부의 후단부에는 상면이 절개되어 개구되고, 그 내부에는 일정구간 격막이 제거된 상기 안착부를 형성하는 것을 특징으로 하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리.
3. 제1항에서,

   상기 플랜지는

   상기 메인 멤버의 압출 성형과정에 일체로 압출 성형되는 것을 특징으로 하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리.
4. 제1항에서,

   상기 전단부의 일정구간은

   상기 플랜지의 전방 선단에서부터 메인 멤버의 전단까지의 구간인 것을 특징으로 하는 프론트 사이드 멤버 어셈블리.

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