KR101139488B1 - 버스용 복합소재 바디 프레임 및 그의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 버스용 복합소재 바디 프레임 및 그의 제작방법은 섬유강화플라스틱(FRP)로 이루어짐으로써, 버스의 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 바디 프레임은 복수개의 필라를 포함하고, 상기 복수의 필라들의 형상이 복잡하지만, 폼 부재를 이용해 폼 부재를 컷팅하여 복잡한 형상을 재현할 수 있는 이점이 있다. 또한, 값싸고 형상 가공이 용이한 폼 부재를 이용하기 때문에, 상기 복수의 필라들의 다양한 형상에 대응할 수 있으므로, 디자인이 우수한 바디 프레임의 개발에 유리한 이점이 있다.

Description

버스용 복합소재 바디 프레임 및 그의 제작방법{Composite body frame of bus and manufacturing method of the same}

본 발명은 버스용 복합소재 바디 프레임 및 그의 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 승객과 화물이 수용되는 공간의 골격을 형성하는 바디 프레임을 섬유강화플라스틱(FRP, Fiber reinforced plastic)으로 제작함으로써, 버스의 경량화를 이룰 수 있는 버스용 복합소재 바디 프레임 및 그의 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 철도 및 도로 상을 주행하며, 승객이나 화물을 운반하는 모든 운송장치를 말한다. 상기 차량은 동력원의 종류에 따라 구분될 수 있다. 즉, 화석연료를 연소하는 엔진에서 생산된 동력으로 움직이는 자동차(automobile)와, 배터리 모듈을 장착하여 전기를 동력으로 움직이는 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)로 구분될 수 있다.

화석연료를 사용하는 엔진은 배기가스로 인한 환경 오염과 자원의 고갈을 일으켜 그 대안으로 전기를 동력으로 움직이는 전기 자동차가 대두되고 있다.

전기 자동차는 배기 가스나 소음이 없는 무공해 자동차이긴 하나, 높은 생산비용, 낮은 운행속도 그리고 짧은 운행거리 등의 문제점이 지적되고 있다. 전기 자동차의 운행 속도와 운행 거리를 증가시키기 위해서는 배터리 모듈의 기술적 진전 뿐만 아니라 전기 자동차의 경량화도 중요한 변수이다.

따라서, 전기 자동차 뿐만 아니라 모든 차량의 경량화를 위해 복합 소재의 이용 및 개발에 대한 관심이 증대되고 있다.

본 발명의 목적은, 바디 프레임을 복합소재를 이용해 제작함으로써, 충분한 강성을 갖으면서 차량의 경량화를 이룰 수 있는 버스용 복합소재 바디 프레임 및 그의 제작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 버스용 복합소재 바디 프레임은, 버스 천장의 골격을 이루는 천장 프레임과, 차량의 좌,우 측면 골격을 이루는 필라(pillar)를 포함하고, 상기 천장 프레임과 필라는 섬유강화플라스틱(FRP)으로 성형된다.

본 발명에 있어서, 상기 천장 프레임과 필라는, 폼 부재의 외둘레면에 유리섬유가 적층되어 진공 성형된다.

본 발명에 따른 버스용 복합소재 바디 프레임의 제작방법은, 폼 부재의 외둘레면을 바디 프레임의 형상에 맞게 컷팅하는 단계와, 상기 컷팅된 폼 부재의 외둘레면에 도료를 칠하는 단계와, 상기 도료가 칠된 폼 부재의 외둘레면에 탄소섬유를 적층하여 섬유강화플라스틱 몰드를 성형하는 단계와, 상기 섬유강화플라스틱 몰드로부터 폼 부재를 이형하는 단계와, 상기 섬유강화플라스틱 몰드의 내측에 유리 섬유를 복수회 적층하고, 그 내측에 폼 부재를 삽입하는 단계와, 상기 적층된 유리 섬유를 섬유강화플라스틱 바디 프레임으로 성형하는 단계와, 상기 섬유강화플라스틱 바디 프레임을 이형하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 바디 프레임의 형상에 맞게 컷팅되는 상기 폼 부재는, 폴리스틸렌 폼(Polystyrene foam)을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 폴리스틸렌 폼의 외둘레면에 칠하는 도료는 에폭시 수지를 포함하고, 상기 에폭시 수지를 칠한 후, 상기 바디 프레임의 외형 패턴에 맞도록 상기 에폭시 수지를 컷팅하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 몰드의 내측에 삽입되는 상기 폼 부재는, 우레탄 폼(polyurethane foam)을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 섬유강화플라스틱 바디 프레임은 진공 성형 공정으로 제작된다.

본 발명에 있어서, 상기 도료가 칠해진 폼 부재의 좌,우 양측에는 가이드 판이 배치되고, 상기 섬유강화플라스틱 몰드는 상기 가이드 판을 중심으로 양측에 별도로 탄소섬유가 적층되어, 복수개가 성형된다.

본 발명에 따른 버스용 복합소재 바디 프레임은 섬유강화플라스틱(FRP)로 이루어짐으로써, 버스의 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 바디 프레임은 복수개의 필라를 포함하고, 상기 복수의 필라들의 형상이 복잡하지만, 폼 부재를 이용해 폼 부재를 컷팅하여 복잡한 형상을 재현할 수 있는 이점이 있다. 또한, 값싸고 형상 가공이 용이한 폼 부재를 이용하기 때문에, 상기 복수의 필라들의 다양한 형상에 대응할 수 있으므로, 디자인이 우수한 바디 프레임의 개발에 유리한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버스의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 바디 프레임의 정면도이다.
도 3은 도 2에서 A-A선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 버스용 복합소재 바디 프레임의 제작방법이 도시된 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시예에 따른 버스는, 전기를 동력원으로 하고, 일반적인 버스에 비해 차량의 바닥이 낮고 계단이 없어 승하차가 편리한 저상 버스(이하, '버스'라 칭함)에 대해 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 엔진을 동력원으로 사용하는 버스나, 바닥이 높고 계단이 있는 일반적인 버스에 적용되는 것도 물론 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버스의 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 버스는, 화물이나 승객을 수용할 수 있는 공간의 골격을 이루는 바디 프레임(10)와, 상기 바디 프레임(10)의 하부에 배치되고 버스의 바닥면을 이루는 플로어(40)와, 상기 플로어(40)의 전방에 배치되고 서스펜션 등의 부품이 장착되는 전방 섀시(20)과, 상기 플로어(40)의 후방에 배치되고 전기를 발생시키는 배터리 모듈(30) 등의 부품이 장착된 후방 섀시(22)과, 상기 전방 섀시(20)과 후방 섀시(22)에 각각 장착된 복수의 차륜(12)을 포함한다.

상기 바디 프레임(10)의 외둘레면에는 버스의 외면을 형성하는 커버(미도시)가 씌워질 수 있으며, 상기 커버는 섬유강화플라스틱으로 이루어질 수 있다.

상기 배터리 모듈(30)은 상기 후방 섀시(22)에 장착되는 것으로 한정하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 전방 섀시(20)에 장착되는 것도 물론 가능하다.

도 1을 참조하면, 상기 바디 프레임(10)는 버스의 천장 골격을 이루는 천장 프레임(12)과, 상기 버스의 좌,우측면 골격을 이루는 필라(pillar)(14)를 포함한다.

상기 천장 프레임(12)은 횡방향으로 길게 배치되는 횡방향 프레임(12a)과 상기 버스의 길이방향으로 길게 배치되는 종방향 프레임(12b)를 포함할 수 있다. 상기 횡방향 프레임(12a)은 복수개로 이루어지고, 상기 버스의 길이방향으로 소정간격 이격되게 배치될 수 있다.

상기 필라(14)는 상하방향으로 길게 배치된 빔 형상이고, 복수개가 상기 버스의 길이방향으로 소정간격 이격되게 배치된다. 상기 필라(14)는 상기 천장 프레임(12)에 접착 또는 별도의 결합 부재에 의해 결합될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 바디 프레임(10)의 정면도이고, 도 3은 도 2에서 A-A선 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에서는, 상기 바디 프레임(10)의 형상을 단순화하였으나, 상기 천장 프레임(12)과 필라(14)는 디자인적인 면이나 기타 필요에 따라 다양한 형상으로 굴곡이 지거나 유선 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 상기 천장 프레임(12)과 필라(14)는 경량화를 위해 섬유강화플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastic)으로 제작된다.

상기 천장 프레임(12)과 필라(14)의 내부에는 폼 부재가 내재되고, 상기 폼 부재의 외둘레면에 탄소 섬유나 유리 섬유 등이 적층되어, 진공 성형법을 통해 섬유강화플라스틱 바디 프레임(70)으로 만들어질 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 폼 부재는 강성 등을 고려하여 우레탄 폼(polyurethane foam)을 사용하고, 상기 우레탄 폼의 외둘레면에는 유리 섬유를 적층한다.

상기 천장 프레임(12)과 필라(14)는 동일한 방법으로 성형 제조되며, 그 제작방법에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 버스용 복합소재 바디 프레임의 제작방법이 도시된 도면이다.

도 4을 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 바디 프레임의 제작방법을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 상기 바디 프레임(10)의 형상에 맞는 섬유강화 플라스틱 몰드(56)를 제작한다.

도 4a를 참조하면, 상기 섬유강화 플라스틱 몰드(56)를 제작하기 위해서는, 블록 형상의 폼 부재를 상기 바디 프레임(10)의 형상에 맞도록 컷팅한다.

여기서, 상기 폼 부재는 가격이 저렴한 폴리스틸렌 폼(Polystyrene foam)(50)을 이용할 수 있다.

상기 폴리스틸렌 폼(50)은 세밀한 컷팅이 가능하기 때문에, 상기 바디 프레임(10)의 형상이 복잡할지라도 상기 폴리스틸렌 폼(50)에 표현이 가능할 수 있다.

상기 폴리스틸렌 폼(50)의 컷팅이 완료되면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 컷팅된 폴리스틸렌 폼(50)의 표면에 도료(52)를 칠한다. 상기 도료(52)는 상기 폼 부재(50)가 열에 의해 녹는 것을 방지하도록 내열성을 갖는 도료(52)와, 추후 만들어지는 몰드를 이형시키기 용이하도록 하는 이형제를 포함할 수 있다.

상기 도료(52)가 칠해진 상기 폴리스틸렌 폼(50)의 좌,우 양측 하단에는 가이드 판(54)이 배치된다. 상기 가이드 판(54)은 복수의 몰드를 만들기 위해 사용된다.

상기 도료(52)의 칠이 완료되면, 도 4c에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(Carbon fiber)(55)를 복수회 적층한다.

상기 가이드 판(54)을 주심으로 상,하측에 각각 별도로 탄소섬유를 적층한다.

상기 적층된 탄소섬유(55)에 수지를 더하여 성형하면, 섬유강화플라스틱(FRP) 몰드(56)가 제작된다. 이 때, 상기 탄소섬유(55)을 적층한 후, 진공압에 의하여 수지를 함침시키는 진공 레진 이송 성형(VARTM, Vaccum Assisted Resin Transfer Molding)공정을 이용하는 것도 가능하다.

도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 섬유강화플라스틱 몰드(56)는 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)로 이루어진다.

상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)가 한 쌍으로 이루어짐으로써, 상기 폴리스틸렌 폼(50)의 이형이 용이하고, 바디 프레임 성형도 용이해질 수 있다.

이후, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)의 내측에 유리 섬유(Glass fiber)(60)를 복수회 적층한다.

그리고, 상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)의 내측에 폼 부재를 삽입한다. 본 실시예에서는, 상기 폼 부재는 우레탄 폼(polyurethane foam)(62)이 사용된다. 상기 우레탄 폼(62)은 상기 폴리스틸렌 폼(50)보다 내열성이 우수하여, 녹지 않고 강성이 보다 강하기 때문에, 섬유강화플라스틱 바디 프레임에 사용될 수 있다.

상기 유리 섬유(60)의 적층이 완료되면, 진공압에 의하여 수지를 함침시키는 진공 레진 이송 성형(VARTM, Vaccum Assisted Resin Transfer Molding)공정을 이용하여, 상기 우레탄 폼(62)이 내재된 섬유강화플라스틱 바디 프레임(70)을 성형한다.

이 때, 상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)사이에는 실링을 위해 개스킷(64)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)는 핀 등에 의해 위치가 고정될 수 있다. 또한, 상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b) 중 적어도 하나에는 수지가 삽입되도록 수지 삽입부(65)가 형성되고, 진공 펌프가 연결되는 펌프 연결부(66)가 형성될 수 있다.

도 4f에 도시된 바와 같이, 상기 진공 레진 이송 성형이 완료되어, 상기 상측 몰드(56a)와 하측 몰드(56b)를 이형시키면, 상기 섬유강화플라스틱 바디 프레임(70)이 나오게 된다.

상기와 같이, 비교적 값이 싼 폴리스틸렌 폼을 이용하여 몰드를 제작함으로써, 비용이 적게 드는 이점이 있다. 특히, 하나의 버스에 서로 다른 형상을 갖는 복수의 필라가 사용되어, 서로 다른 형상의 복수의 몰드를 제작해야 하는 경우에도 금속재 몰드에 비해 비용이 현저히 절감될 수 있다.

한편, 상기 실시예에 한정되지 않고, 상기 도료(52)는 에폭시 수지를 포함하는 것도 가능하다. 상기 폼 부재(50)의 외둘레면에 에폭시 수지를 소정의 두께만큼 칠한 후, 상기 바디 프레임(10)의 외형 패턴에 맞도록 상기 에폭시 수지를 미세 컷팅하는 단계를 포함하는 것도 가능하다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 바디 프레임 12: 천장 프레임
14: 필라 40: 플로어
50: 폴리스틸렌 폼 52: 도료
54: 가이드 판 55: 탄소섬유
56: 섬유강화플라스틱 몰드 56a: 상측 몰드
56b: 하측 몰드 60: 유리 섬유
62: 우레탄 폼 70: 섬유강화플라스틱 바디 프레임

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 폴리스틸렌 폼(Polystyrene foam)을 포함하는 폼 부재의 외둘레면을 바디 프레임의 형상에 맞게 컷팅하는 단계와;
   상기 컷팅된 폼 부재의 외둘레면에 도료를 칠하는 단계와;
   상기 도료가 칠된 폼 부재의 외둘레면에 탄소섬유를 적층하여 섬유강화플라스틱 몰드를 성형하는 단계와;
   상기 섬유강화플라스틱 몰드로부터 폼 부재를 이형하는 단계와;
   상기 섬유강화플라스틱 몰드의 내측에 유리 섬유를 복수회 적층하고, 그 내측에 폼 부재를 삽입하는 단계와;
   상기 적층된 유리 섬유를 섬유강화플라스틱 바디 프레임으로 성형하는 단계와;
   상기 섬유강화플라스틱 바디 프레임을 이형하는 단계를 포함하고,
   상기 폴리스틸렌 폼의 외둘레면에 칠하는 도료는 에폭시 수지를 포함하며,
   상기 에폭시 수지를 칠한 후, 상기 바디 프레임의 외형 패턴에 맞도록 상기 에폭시 수지를 컷팅하는 단계를 더 포함하는 버스용 복합소재 바디 프레임의 제작방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 몰드의 내측에 삽입되는 상기 폼 부재는, 우레탄 폼(polyurethane foam)을 포함하는 버스용 복합소재 바디 프레임의 제작방법.
   
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 섬유강화플라스틱 바디 프레임은 진공 성형 공정으로 제작되는 버스용 복합소재 바디 프레임의 제작방법.
8. 청구항 3에 있어서,
   상기 도료가 칠해진 폼 부재의 좌,우 양측에는 가이드 판이 배치되고,
   상기 섬유강화플라스틱 몰드는 상기 가이드 판을 중심으로 양측에 별도로 탄소섬유가 적층되어, 복수개가 성형되는 바디 프레임의 제작방법.

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