KR102396949B1 - 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법 - Google Patents

Abstract

자동차 차체의 부품 역할의 특성을 고려하여 경량소재 패널의 두께를 선정함으로써, 경량소재 판재의 두께 선정에 최적화를 도모하도록 한 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정방법에 관한 것으로서, 자동차 차체의 부품 특성을 기초로 경량화 대상의 강성을 확인하고, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주는 부품이면, 글로벌 강성 해석을 통해 패널 두께를 선정하며, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 패널이면, 로컬 강성 해석으로 판단하고, 스틸 루프 패널의 취약부를 예상하며, 예상한 취약부에 부하를 인가한 후, 변형률을 측정하고, 측정한 변형률의 평균치를 산출한 후, 산출한 평균치와 동등한 마그네슘 두께를 선정함으로써, 부품 특성을 고려한 정강성 해석으로 경량화 패널의 두께를 선정함으로써, 강성 특성을 만족시키면서도 자동차의 경량화를 도모할 수 있게 된다.

Description

차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법{Roof Panel Thickness Selection Method for Lightweight Vehicles}

본 발명은 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법에 관한 것으로, 특히 자동차 차체의 부품 역할의 특성을 고려하여 경량화 패널의 두께를 선정함으로써, 경량소재 판재의 두께 선정에 최적화를 도모하도록 한 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법에 관한 것이다.

자동차의 연비 효율과 배기가스를 줄이기 위해서 내연기관 자동차 및 전기 자동차 등이 개발되고 있다. 내연기관 자동차 및 전기 자동차는 연비 효율을 개선하기 위하여 차량의 경량화가 필요하다.

특히, 자동차는 금속소재의 부품이 전체 무게의 약 70% 정도를 차지하고 있으므로, 설계를 변경하여 차량의 무게를 경감시키는 데 한계가 있다.

따라서 차량의 외관을 구성하는 차체를 스틸소재가 아닌 경량재질(예를 들어, 마그네슘(Mg))로 교체하여 사용하려는 연구가 진행되고 있다.

경량재질인 마그네슘 판재 적용 시, 기존 스틸 판재 대비 동급의 성능을 내기 위해 적절한 두께를 선정해야 한다.

경량재질인 마그네슘 판재의 두께를 선정하는 일반적인 방법은, 도 1에 도시한 바와 같이, 스틸과 마그네슘의 기계적 물성 치(탄성계수, 비중)만을 이용하고, 아래와 같은 등가 굽힘 강성에 대한 판재의 보정 두께 산정식을 이용하여 두께를 선정한다.

[수학식 1]

등가 굽힘 강성에 대한 판재의 보정 두께 산정식

여기서 E는 탄성계수, t는 두께를 나타낸다.

도 2는 재료 물성치만 고려하여 두께를 선정한 결과이다.

그러나 이러한 판재 두께 산정 방식은 해당 부품의 역할에 맞는 특성을 전혀 고려하지 않고, 단지 재료의 물성치만을 고려한 글로벌 강성 해석방식을 이용하여 판재의 두께를 선정한 상태로서, 최적의 판재 두께 선정에는 한계가 있다.

한편, 복합소재를 이용한 차량용 차체에 대한 종래 기술이 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 은 차체가 외판재 및 내판재와 복수의 알루미늄 프레임과 폼 코어의 복합소재로 이루어짐으로써, 차량의 무게를 경감시켜 차량의 경량화를 이루면서도 충분한 강도를 확보할 수 있으며, 나아가, 공정의 단순화를 이룰 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

그러나 이러한 차량의 경량화 방식도 해당 부품의 역할에 맞는 특성을 전혀 고려하지 않은 상태이므로, 최적의 판재 두께 선정에는 한계가 있다.

대한민국 공개특허 10-2013-0090687(2013.08.14. 공개)(복합소재를 이용한 차량용 차체)

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 차량의 경량화를 위한 경량소재 차체 패널 두께선정 방식 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 자동차 차체의 부품 역할의 특성을 고려하여 경량소재 패널의 두께를 선정함으로써, 경량소재 판재의 두께 선정에 최적화를 도모하도록 한 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법"은,

(a) 자동차 차체의 부품 특성을 기초로 경량화 대상의 강성을 확인하는 단계;

(b) 상기 (a)단계의 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주는 부품이면, 글로벌 강성 해석을 통해 패널 두께를 선정하는 단계;

(c) 상기 (a)단계의 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 패널이면 로컬 강성 해석으로 판단하고, 스틸 루프 패널의 취약부를 예상하는 단계;

(d) 상기 (c)단계에서 예상한 취약부에 부하를 인가한 후, 변형률을 측정하는 단계;

(e) 상기 (d) 단계에서 측정한 변형률의 평균치를 산출하는 단계; 및

(f) 상기 산출한 평균치와 동등한 마그네슘 두께를 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서, (c)단계의 루프 패널(Roof Panel)은 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않으며 내덴트성(Dent Resistance)을 요구하는 로컬 강성 부품으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 적어도 2개 이상의 위치를 취약부로 예상하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (f)단계는 로컬 강성 해석을 통해 산출한 평균치를 기초로 스틸 판재 대비 동등한 로컬 강성 특성을 나타내는 마그네슘 판재의 두께를 두께 선정 테이블로부터 선정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 자동차 차체의 부품 역할의 특성을 고려하여 경량소재 패널의 두께를 선정함으로써, 경량소재 판재의 두께 선정에 최적화를 도모할 수 있는 장점이 있다.

특히 본 발명에 따르면 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 부품에 대하여 로컬 강성 해석을 통해 금속 판재 대비 동등한 로컬 강성 특성을 나타내는 경량소재 판재의 두께를 선정함으로써, 스틸 판재와 동등한 강성을 제공하면서도 차량 경량화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 스틸 판재와 경량화 판재(Mg)의 재료 물성치 비교표,
도 2는 재료 물성치만 고려하여 스틸 판재 대비 경량화 판재의 두께 선정 결과도,
도 3은 본 발명에 따른 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법을 보인 흐름도,
도 4는 본 발명에서 루프 패널의 정강성 해석 과정 예시도,
도 5는 본 발명에서 루프 패널의 정강성 해석 결과 테이블이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정방법을 보인 흐름도이다.

이러한 본 발명의 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정방법을 수행하기 위해서는, 정강성 해석 프로그램이 내장된 메모리, 부하 인가한 후 변형률을 측정하는 변형률 측정센서, 상기 메모리에 저장된 정강성 해석 프로그램을 이용하고, 상기 변형률 측정센서에서 측정된 변형률을 기초로 금속 판재 대비 동등한 로컬 강성 특성을 구비한 경량화 패널의 두께를 선정하는 제어부가 구비된 것으로 가정한다.

도 3에 도시한 각 단계는 상기 제어부에서 소프트웨어적으로 경량화를 위한 루프패널 두께를 선정하는 과정을 도시한 것이다.

본 발명에 따른 "차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정방법"은, (a) 자동차 차체의 부품 특성을 기초로 경량화 대상의 강성을 확인하는 단계(S11), (b) 상기 (a)단계의 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주는 부품이면, 글로벌 강성 해석을 통해 패널 두께를 선정하는 단계(S13), (c) 상기 (a)단계의 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 패널이면, 로컬 강성 해석으로 판단하고, 스틸 루프 패널의 취약부를 예상하는 단계(S12, S14), (d) 상기 (c)단계에서 예상한 취약부에 부하를 인가한 후, 변형률을 측정하는 단계(S15 - S16), (e) 상기 (d) 단계에서 측정한 변형률의 평균치를 산출하는 단계(S17), (f) 상기 산출한 평균치를 기초로 루프 패널의 정강성 해석 결과 테이블을 이용하여 마그네슘 두께를 선정하는 단계(S18)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 "차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정방법"을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 해당 부품의 역할에 맞는 특성을 평가하여 경량소재 판재의 두께를 선정한다. 여기서 해당 부품의 역할에 맞는 특성이란, 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주는 부품역할인지 아니면, 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 부품역할인지를 구분하는 것을 의미한다.

먼저, 단계 S11에서 상기와 같은 자동차 차체의 부품 특성을 기초로 경량화하고자 하는 경량화 대상의 강성을 확인한다.

이 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주는 부품이면, 단계 S13으로 이동하여 글로벌 강성 해석을 통해 패널 두께를 선정한다. 여기서 글로벌 강성 해석은 패널의 두께를 선정하기 위해서 일반적으로 사용하는 방식을 그대로 채택하여 사용하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 패널이면 로컬 강성 해석으로 판단하고(S12), 단계 S14로 이동하여 경량화 부품의 로컬 강성 해석을 진행한다.

여기서 경량화 부품이 스틸 루프(Roof) 패널이라고 가정한다.

즉, 루프 패널(Roof Panel)은 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않으며 내덴트성(Dent Resistance)을 요구하는 로컬 강성 부품이므로, 로컬 강성 해석방법으로 정강성 해석을 한다.

로컬 강성 해석 방법인 정강성 해석의 첫 번째 과정으로서, 취약부를 예상한다. 여기서 취약부는 적어도 2개 이상의 위치를 취약부로 예상한다.

도 4는 정강성 해석을 위한 대상이 루프 패널이라고 가정했을 때, 3개의 취약부(P1, P2, P3)를 예상한 예시이다.

다음으로, 단계 S15에서 상기 예상한 취약부(P1, P2, P3)에 1N의 단위 힘을 부하로 인가한 후, 단계 S16에서 변형률 측정센서를 이용하여 각각의 취약부의 변형률을 측정한다.

이어, 단계 S17에서 측정한 변형률의 평균치를 산출한다.

도 5는 본 발명에서 루프 패널의 정강성 해석 결과 테이블로서, 상부 테이블은 상기 각각의 취약부에 대하여 변형률을 측정한 결과이다.

즉, 취약부 P1의 변형률은 2.231E-02이고, 취약부 P2의 변형률은 2.722E-02이고, 취약부 P3의 변형률은 2.626E-02이다. 따라서 이러한 3개의 변형률의 평균치(AVERAGE)를 산출하면 2.526E-02가 된다.

이후, 단계 S18에서 로컬 강성 해석을 통해 산출한 평균치를 기초로 스틸 판재 대비 동등한 로컬 강성 특성을 나타내는 마그네슘 판재의 두께를 도 5와 같은 두께 선정 테이블로부터 선정한다. 이러한 두께 선정 테이블을 이용하면 로컬 강성 해석을 통해 경량화 대상 부품의 평균치 추출을 통해서 간단하게 스틸 패널과 동등한 특성을 갖는 경량화 패널의 두께를 별도의 추출 알고리즘 없이도 실시간으로 추출할 수 있다.

도 5와 같은 테이블을 이용하면, 스틸 루프 패널의 특성 값과 동등한 특성을 갖는 경량소재 패널인 마그네슘 루프 패널의 두께는 1.5mm임을 알 수 있다.

기존의 기계적 물성치만 고려하고 두께 보정 선정식을 이용하여 경량소재 패널인 마그네슘 패널의 두께를 선정하면 1.25mm가 되지만, 이는 스틸 루프 로컬 강성 특성을 만족하지 못하였다.

반면, 본 발명은 부품 특성을 고려한 정강성 해석으로 경량소재 패널인 마그네슘 패널의 두께를 1.5mm로 선정함으로써, 강성 특성을 만족시키면서도 자동차의 경량화를 도모할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

Claims (4)

1. 자동차의 경량화를 위한 경량화 대상의 두께를 선정하는 방법으로서,
   (a) 자동차 차체의 부품 특성을 기초로 경량화 대상의 강성을 확인하는 단계;
   (b) 상기 (a)단계의 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주는 부품이면, 글로벌 강성 해석을 통해 패널 두께를 선정하는 단계;
   (c) 상기 (a)단계의 확인 결과, 경량화 대상이 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않는 패널이면, 로컬 강성 해석으로 판단하고, 스틸 루프 패널의 취약부를 예상하는 단계;
   (d) 상기 (c)단계에서 예상한 취약부에 부하를 인가한 후, 변형률을 측정하는 단계;
   (e) 상기 (d) 단계에서 측정한 변형률의 평균치를 산출하는 단계; 및
   (f) 상기 산출한 평균치를 기초로 루프 패널의 정강성 해석 결과 테이블을 이용하여 마그네슘 두께를 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법.
   
2. 청구항 1에서, 상기 (c)단계의 루프 패널(Roof Panel)은 자동차 차체의 글로벌 강성에 주요한 영향을 주지 않으며 내덴트성(Dent Resistance)을 요구하는 로컬 강성 부품으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께선정 방법.
   
3. 청구항 1에서, 상기 (c)단계는 적어도 2개 이상의 위치를 취약부로 예상하는 것을 특징으로 하는 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법.
   
4. 청구항 1에서, 상기 (f)단계는 로컬 강성 해석을 통해 산출한 평균치를 기초로 스틸 판재 대비 동등한 로컬 강성 특성을 나타내는 마그네슘 판재의 두께를 두께 선정 테이블로부터 선정하는 것을 특징으로 하는 차량의 경량화를 위한 루프패널 두께 선정 방법.

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