KR20020089519A - 모듈식 스페이스 프레임 - Google Patents

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KR20020089519A
KR20020089519A KR1020027014194A KR20027014194A KR20020089519A KR 20020089519 A KR20020089519 A KR 20020089519A KR 1020027014194 A KR1020027014194 A KR 1020027014194A KR 20027014194 A KR20027014194 A KR 20027014194A KR 20020089519 A KR20020089519 A KR 20020089519A
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재켈페데리코지.
가비아넬리기안프랑코
홀튼프랭크에이.
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코스마 인터내셔널 인크.
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Abstract

본 발명은 본체 모듈 및 전방 모듈을 포함하는 픽업 트럭형 자동차용 차량 스페이스 프레임에 관한 것이다. 상기 본체 모듈은 한 쌍의 측방향으로 이격되고 종방향으로 연장된 주측 레일 구조체와, 그 위에 한 쌍의 최후방 지주를 형성하도록 각각이 주측 레일 구조체 각각에 연결되고 이로부터 상향 연장되는 한 쌍의 후방 직립 구조체를 포함한다. 상기 본체 모듈은 소정의 불규칙 외부면 구성으로 고정된 외향 변형 관형 금속벽에 의해 각각이 형성되고 각각 지주형성부 및 종방향 연장부를 갖는 한 쌍의 하이드로폼 상부 종방향 부재를 더 포함한다.
상기 전방 모듈은 한 쌍의 전방 하부측 레일 구조체, 한 쌍의 전방 상부측 레일 구조체 및 전방 연결 구조체를 포함한다. 상기 전방 연결 구조체는 전방 하부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로를 연결시키고 전방 상부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로를 연결시킨다. 상기 전방 모듈은 각각의 전방 하부측 레일 구조체를 각각의 주측 레일 구조체와 견고하게 상호연결시키고, 합체된 주측 레일 구조체로부터 상향으로 이격된 위치에서 각각의 전방 상부측 레일 구조체를 각각의 하이드로폼 상부 종방향 부재의 지주형성부에 견고하게 상호연결시킴으로써 본체 모듈에 고정된다.

Description

모듈식 스페이스 프레임 {MODULAR SPACE FRAME}
스페이스 프레임 구조는 차량 구조에서의 사용이 증가된다. 스페이스 프레임은 엔진, 드라이브 트레인(drive train), 현가 장치 및 행-온(hang-on) 차량 본체부를 포함하는 다른 차량 부품이 장착된 케이지형 구조체를 형성하도록 조인트(joint)에서 연결된 개별적인 프레임 부품의 조립체이다. 관형 하이드로포밍은 프레임 강성, 치수적 안정성, 수명, 및 프레임 질량 및 비용을 감소시키면서 비하이드로폼(nonhydroformed) 스페이스 프레임 이상의 내충격성을 제조업자가 증가시킬 수 있기 때문에 스페이스 프레임 구조에서 많은 이점을 제공한다.
하이드로포밍(hydroforming)은 고압 유체가 개별적인 하이드로폼 부재를 형성하도록 다이 조립체의 다이 공동의 표면과 일치하는 관형 블랭크를 외부로 연장시키는데 사용되는 금속-성형 공정이다. 개별적인 블랭크(blank)는 종방향 기하학적 형상의 넓은 범위를 갖도록 하이드로폼될 수 있고, 각각의 하이드로폼 부재는 그 길이를 따라 연속적으로 변하는 단면 형상을 가질 수 있다. 다양한 크기 및 형상의 구멍은 하이드로포밍 공정 중 또는 그 후에 그 길이를 따라 선택된 방향에서 하이드로폼 부재에 선택적으로 펀칭될 수 있다.
플레임 부분들이 포함된 종래 기술의 차량 프레임은 종종 스탬핑에 의해 몇몇 구조체를 형성하여 이들 몇몇 개별적으로 스탬핑된 구조물을 서로 용접함으로써 제조된다. 차량 제조자는 프레임 부분의 형태를 이러한 단일 하이드로폼 부분으로 대체할 수 있어 프레임 구조를 완성시키기 위해 필요한 복수의 부분들 및 복수의 용접점을 감소시킬 수 있다. 결국, 차량 중량 및 조립 비용은 감소된다. 또한, 하이드로폼 부분은 하이드로폼 공정 중에 블랭크의 벽의 소성 변형 때문에 부분적으로 높은 강성을 갖는다. 또한, 특히 유압에 의해 발생되는 하이드로폼 중에 상기 블랭크의 벽의 외부 팽창은 블랭크의 금속 재료를 균일하게 강성을 갖게 하는 가공 경화(work-hardening) 효과를 발생시킨다. 이것은 제조자가 몇몇 스탬핑된 프레임 부분을 단일 스티퍼(stiffer) 및 경량의 하이드로폼 부분으로 대체할 수 있게 한다. 하이드로포밍은 스탬핑보다 덜 약한 금속 재료를 생산한다.
따라서, 관형 하이드로포밍은 종래의 스탬핑 및 용접보다 많은 이점을 갖는다. 증가된 구조적 강도 및 프레임 강성을 달성하면서 보다 효율적인 단면 형상과 각각의 하이드로폼 부분의 길이를 따라 벽두께를 테일러링(tailoring)함으로써 프레임 부분의 개수는 감소되고 프레임의 전체적인 중량은 감소될 수 있다. 보다 적은 부분들을 필요로 하기 때문에 설비 비용은 감소될 수 있다. 스택된 허용 오차(stacked tolerance; 즉, 프레임의 치수적 부정확성)는 각각의 하이드로폼 부분의 치수적 정확성이 크기 때문에 감소된다.
또한, 자동화 산업에서 스페이스 프레임 요소를 제조하기 위해 현존하는 설비를 사용할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 대부분의 차량 본체의 디자인은 연식에 따라 변하기 때문에, 새로운 차량 본체 디자인을 실시하기 위해 통상 차량 프레임의 구조를 변화시킬 필요가 있고, 이는 이전 차량 모델에 사용된 프레임 부품 제조 설비를 폐기하게 할 수 있다.
스페이스 프레임에 대한 모듈식 접근법은 이러한 접근법이 스페이스 프레임 부분을 두 개 이상의 모델에 사용되게 허용하고 차량 본체 디자인이 업데이트되게 허용하기 때문에 스페이스 프레임 요소 제조 설비의 수명을 연장시킬 수 있다. 스페이스 프레임 디자인에서의 모듈식 접근법은 관형 하이드로포밍에 의해 제공되는 이점 때문에 하이드로폼 부재로 구성된 스페이스 프레임 디자인에 특히 유익하다. 따라서, 용이한 조립체를 제공할 수 있는 하이드로폼 모듈식 스페이스 프레임을 갖는고 몇몇 차량 모델들 중 차량 스페이스 프레임의 일부를 다시 사용하게 허용한다는 점에서 자동차 산업 분야에 바람직하다. 또한, 가능한 한 적은 부분을 사용하는 스페이스 프레임을 제조하는 데 그리고, 가능한 한 스택된 허용 오차를 감소시키는 데 양호하다.
본 발명은 통상적으로 자동차 스페이스 프레임에 관한 것으로, 특히 개별적인 하이드로폼(hydroformed) 부재로 구성된 모듈식 스페이스 프레임에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 픽업형 차량의 스페이스 프레임의 부분 분해도이다.
도2는 내부에 관형 블랭크를 갖는 하이드로포밍 다이 조립체의 개략도이다.
확인된 필요성을 충족시키기 위해 본 발명의 실시예는 픽업 트럭형 자동차를 구성하는 것으로 본체 모듈과 전방 모듈을 포함하는 차량 스페이스 프레임을 제공한다. 상기 본체 모듈은 한 쌍의 측방향으로 이격되고 종방향으로 연장되는 주측 레일 구조체 및 그 위에 한 쌍의 최후방 지주를 형성하기 위해 각각이 각각의 주측레일 구조체에 연결되어 이로부터 상향 연장되는 한 쌍의 최후방 직립 구조체를 포함한다. 상기 본체 모듈은 소정의 불규칙 외부면 구성으로 고정된 외부 변형 관형 금속벽에 의해 각각 형성되고 각각 지주형성부 및 종방향 연장부를 구비하는 한 상의 하이드로폼 상부 종방향 부재를 더 포함한다. 각각의 지주형성부는 A지주를 형성하기 위해 각각의 주측 레일 구조체에 연결되고 이로부터 상향 연장되고, 각각의 종방향 연장부는 그 대향 단부에서 상기 최후방 지주들 중 합체된 것에 연결되어 합체된 A지주와 최후방 지주들 사이에 종방향 길이를 형성한다. 복수의 연결 구조체는 본체 모듈 내에 수용되며, 주측 레일 구조체, 상부 종방향 부재 및 상기 쌍의 지주를 측방향으로 이격된 고정 관계로 배치하도록 구성되어 배치된다. 상기 전방 모듈은 한 쌍의 전방 하부측 레일 구조체, 한 쌍의 전방 상부측 레일 구조체 및 전방 연결 구조체를 포함한다. 상기 전방 연결 구조체는 전방 하부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로 연결시키고 전방 상부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로 연결시키도록 구성되어 배치된다. 전방 모듈은 각각의 전방 하부측 레일 구조체를 각각의 주측 레일 구조체에 견고하게 상호 연결시키고, 합체된 주측 레일 구조체로부터 상향 이격된 위치에서 각각의 전방 상부측 레일 구조체를 각각의 하이드로폼 상부 종방향 부재의 지주형성부에 견고하게 상호연결시킴으로써 본체 모듈에 견고하게 고정된다.
도1에서는 픽업 트럭형 차량용 모듈식 스페이스 프레임(10)을 도시한다. 스페이스 프레임(10)은 본체 모듈(20) 및 전방 모듈(22)을 포함한다. 본체 모듈(20)은 한 쌍의 측면으로 이격되고 종방향으로 연장된 주측 레일 구조체(14) 및 한 쌍의 최후방 직립 구조체(26)를 포함한다. 각각의 최후방 직립 구조체(26)는 각각의 주측 레일 구조체(14)에 연결되고 주측 레일 구조체(14) 상에 한 쌍의 최후방 지주를 형성하도록 이로부터 상향 연장된다.
또한, 본체 모듈(20)은 소정의 불규칙한 외부면 형상으로 고정된 외향 변형 관형 금속벽에 의해 각각 형성된 한 쌍의 하이드로품 관형 상부 종방향 부재(30, 32)를 포함한다. 상부 종방향 부재(30, 32)는 경상(mirror image) 구조이어서, 단지 상부 종방향 부재(30)만을 상세하게 설명할 것이지만, 이러한 설명은 상부 종방향 부재(32)에도 동등하게 적용된다. 각각의 상부 종방향 부재(30)는 지주형성부(34) 및 일체식 종방향 연장부(36)를 포함한다. 각각의 지주형성부(34)는 조인트(37)에서 각각의 주측 레일 구조체(14)에 연결되고 최전방 또는 "A" 지주를 그 위에 형성하기 위해 이로부터 상향 연장된다.
각각의 상부 종방향 부재(30)의 종방향 연장부(36)는 합체된 지주형성부(34)를 갖는 일단부에 일체식으로 연결되고, 그 대향단부(38)가 (이후에 고려한 것처럼 일체식 연결부를 형성하기 위해) 합체된 최후방 지주(26)의 상단부에 연결된다.따라서, 각각의 하이드로폼 상부 종방향 부재(30)의 종방향 연장부(36)는 본체 모듈(20)의 각각의 측면 상에 합체된 최전방 및 최후방 단부 지주(26, 34)들 사이에서 종방향 길이를 형성한다. 일체식 하이드로폼 구조체에 의해 형성된 종방향 길이는 교시로써 최전방 및 최후방 지주들 사이에 스택된 허용 오차를 최소화하고 미국특허 제6,092,865호[명칭: 하이드로폼 스페이스 프레임 및 이의 제조방법 (HYDROFORMED SPACE FRAME AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME)]에 상세하게 설명된다. 또한, 각각의 종방향 연장부(36)는 그들 사이에 루프 지지 구조체 또는 루프 레일 구조체를 제공한다.
통상적으로 도면부호 40으로 표시한 복수의 측방향 연장 연결 구조체는 주측 레일 구조체들(14) 사이, 상부 종방향 부재들(30, 32) 사이 및 최후방 지주들(26) 사이에서 연결된다. 복수의 연결 구조체(40)는 주측 레일 구조체(14), 상부 종방향 부재(30, 32) 및 지주 쌍(34, 26) [즉, A 지주(34)와 최후방 지주(26)]을 측방향 연장 고정 관계로 고정시키도록 구성되어 배치된다.
각각의 상부 종방향 부재(30)는 각각의 상부 종방향 부재(30)가 일반적으로 역전된 U형 구성을 갖도록 그 종방향 연장부(36)의 대향단부(38)로부터 일체식으로 하향 연장되어 합체된 주측 레일 구조체(14)와의 조인트(52)를 형성하는 제2 하이드로폼 지주형성부(50)를 더 포함한다. 각각의 제2 지주형성부(50)는 주측 레일 구조체(14) 상에 최후방 또는 "D" 지주(26)를 형성한다.
각각의 주측 레일 구조체(14)는 각 주측 레일 구조체(14)의 최후방부가 픽업 트럭형 차량의 베드(bed)부의 하부측 레일(54)을 형성하도록 합체된 상부 종방향부재(30)의 제2 지주형성부(50)와의 조인트(52)를 지나 후방으로 연장된다. 스페이스 프레임(10)은 주측 레일 구조체(14)의 베드 형성 하부(54)의 자유단부들 사이에서 측방향 연장 베드 크로스 구조체(58)를 더 포함한다. 한 쌍의 베드 직립형 구조체(60) 각각은 베드 크로스 구조체(58)의 각각의 자유단으로부터 상향 연장된다. 한 쌍의 종방향 연장 베드 상부측 레일 구조체(62)의 각각은 합체된 상부 종방향 부재(30, 32; 즉, 합체된 D지주)의 제2 지주형성부(50)의 중간부와 각각의 베드 직립 구조체(60)의 사이에 연결된다.
스페이스 프레임(10)은 두 쌍의 중간 직립 구조체(24, 25)를 포함한다. 각 각이 쌍(24, 25)인 부재 쌍은 합체된 상부 종방향 부재(30, 32)의 종방향 연장부(36)들과 각각의 주측레일 구조체(14) 사이에 연결되어 본체 모듈(20)의 한 쌍의 중간 지주를 형성한다. 쌍(24, 25)은 본체 모듈(20)의 B 지주와 C 지주를 각각 구성한다.
상기 B 및 C 지주는 한 쌍의 관형 하이드로폼 U형 크로스 부재(64, 66)에 의해 구비되는 것이 바람직하다. 각각의 부재(64, 66)는 소정의 불규칙한 외부면 구성으로 고정된 외향 변형 관형 금속벽에 의해 형성되고 각각의 부재(64, 66)는 본체 모듈(20)의 주측 레일 구조체(14)들 사이에서 측방향으로 장착된다. 각각의 U형 크로스 부재(64, 66)는 각각 크로스부(68,70)를 포함하고, 각각의 부재(64, 66)는 각각 크로스부(68, 70)와, 각각이 각각의 크로스부(68, 70)의 대향단에서 각각의 결합부(76)로부터 일체식으로 연장되는 한 상의 레그부(leg portions; 72, 74)를 포함한다. 각각의 U형 크로스 부재(64, 66)의 각각의 레그부(72, 74)는 그 자유단부가 각각의 조인트(75, 77)에서 각각의 주측 레일 구조체(14)에 연결되어 이로부터 상향 연장된다.
각각의 U형 부재(64, 66)의 각각의 결합부(76, 78)는 조인트(23, 27)에서 합체된 상부 종방향 부재(30)의 종방향 연장부(36)에 각각 연결되어, 제1 및 제2 U형 크로스 부재(64, 66)의 레그부(72, 74)는 상기 설명한 바와 같이 제1 및 제2 쌍의 종방향으로 이격되고 대응하는 측방향으로 이격된 중간(B 및 C) 지주를 형성한다. 바람직하게, 조인트(23, 27)는 비록 둘 중 어느 한 부재에서의 리세스의 형성이 둘 중 어느 하나의 조인트(23, 27)를 형성할 필요가 없다고 하더라도, 미국 특허 제6,092,865호에 교시된 원리에 따라 상부 종방향 부재(30)에 형성된 리세스 내에 결합부(76,78)를 용접함으로써 형성된다. 예로써, 상기 부재는 리세스 없이 서로 용접된다. 크로스 부재(68,70)는 상부 종방향 부재(30, 32)의 종방향 연장부(36)들 사이, 지주(24, 25)들 사이에서 측방향 연장 대응 중간 지주(24, 25) 쌍들 사이에 측방향 길이를 형성한다. 또한, 크로스 부재(68, 70)는 상기 중간 지주를 서로 측방향으로 이격되어 고정된 관계로 연결하도록 구성되고 배치된 본체 모듈(20)의 측방향 연장 연결 구조체(40)의 일부를 제공한다.
전방 모듈(22)은 한 쌍의 전방 하부측 레일 구조체(18), 한 쌍의 전방 상부측 레일 구조체(42) 및 일반적으로 44로 표기된 전방 연결 구조체를 포함한다. 전방 연결 구조체(44)는 (i) 전방 하부측 레일 구조체(18)를 측방향으로 이격되어 고정된 관계로 서로 연결시키고 (ii) 전방 상부측 레일 구조체(42)를 측방향으로 이격되어 고정된 관계로 서로 연결시키도록 구성되고 배치된다.
전방 연결 구조체(44)는 (1) 버트(butt) 용접 조인트(41)에서 전방 상부측 레일 구조체(42)의 전방 단부들 사이에 연결되어 전방 상부 U형 구조체의 바이트(bight)부 및 레그부를 각각 형성하는 측방향 연장 전방 상부 크로스 구조체(39)와, (2) 버트 용접 조인트(45)에서 전방 하부 측레일 구조체(18)의 전방 단부들 사이에 연결되어 전방 하부 U형 구조체의 바이트부 및 레그부를 각각 형성하는 측방향 연장 전방 하부 크로스 구조체(43)와, (3) 전방 상부 U형 구조체 및 하부 전방 U형 구조체의 바이트부(39, 43)들 사이에 일반적으로 각각 연결된 한 쌍의 측방향으로 이격되고 수직 연장 연결 구조체(47)와, (4) 전방 하부 U형 구조체의 [전방 하부 측레일 구조체(18)에 의해 구비된] 레그부 쌍들 사이에 연결된 측방향 연장 연결 구조체(49)를 포함한다.
전방 모듈(22)은 (1) 각각의 전방 하부측 레일 구조체를 (도1에서 점선으로 표시하였지만 도시되지 않은 그들 사이에서 육안으로 거의 보이지 않을 정도의 상호결합 및 용접 조인트를 형성하기 위한) 각각의 주측 레일 구조체(14)에 견고하게 상호 연결시키고, (2) 각각의 전방 상부측 레일 구조체(42)를 (도1에서 점선으로 표시하였지만 도시되지 않은 버트 용접 조인트에서) 합체된 주측 레일 구조체(14)로부터 상향으로 이격된 위치에서 각각의 하이드로폼 상부 종방향 부재(30, 32)의 지주형성부(34)에 견고하게 상호 연결시킴으로써 본체 모듈(20)에 견고하게 고정된다. 각각의 전방 상부측 레일 구조체(42)의 후방 단부는 합체된 주측 레일 구조체(14)로부터 상향 이격된 위치에서 연결된다.
바람직하게, 주측 레일 구조체(14)는 경상(mirror image) 구성의 한 쌍의 하이드로폼 관형 주측 레일 부재(80, 82)를 구비한다. 단지 측레일 부재(80)에 대해서만 상세하게 고려할 것이지만, 이러한 설명은 부재(82)에도 동일하게 적용된다. 하이드로폼 측레일 구조체(80)는 [픽업 트럭 베드의 베드부의 하부측 레일(54)을 제공하는] 본질적으로 직선인 후방부(88)로 차례로 변하는 상향 경사진 중간부(86)로 변하는 본질적으로 직선인 전방부(84)를 갖는다.
상부 종방향 부재(30)는 버트 용접 연결부(90)를 포함하는 관형 금속 블랭크로부터 형성된다. 버트 용접 연결부(90)를 포함하는 상기 블랭크의 구조 및 구성 과 이후의 하이드로포밍은 아래에서 상세하게 설명한다. 종방향 연장부(30)의 제2 지주형성부(50)의 단부는 본질적으로 장방형 단면을 갖고, 그 내부의 노치(notch; 81)를 통해 하이드로폼 측레일 부재(80) 아래로 연장된다. 바람직하게, 상부 종방향 부재(30)는 조인트(52)를 형성하도록 노치(81) 안으로 용접된다. 단부는 컷-아웃(cut out) 노치(92)를 구비한다. 하이드로폼 구성을 갖고, 본체 모듈(20)의 측방향 연장 연결 구조체(40)의 일부를 형성하는 크로스 부재(94)는 상부 종방향 부재(30, 32)에서의 각각의 노치(92)에 장착되며, 용접 또는 다른 적절한 수단에 의해 그 안에 고정된다.
(바람직하게는 하이드로폼으로 형성된) 3개의 측방향으로 연장되고 본질적으로 직선인 크로스 부재(96, 98, 100)는 상부 종방향 부재(30, 32)들 사이에 장착된다. 특히, 크로스 부재(96, 98)의 쌍은 조인트(106, 108)를 각각 형성하도록 상부 종방향 부재(30, 32)에 형성된 하이드로폼 리세스(102, 104)들 내에 (바람직하게는 용접에 의해) 각각 견고하게 고정된다. 크로스 부재(100)는 일반적으로 관형 구조이지만, 조인트(110)를 형성하도록 각각의 상부 종방향 부재(30)의 종방향 연장부(36)와 중첩관계로 배치되어 이에 용접된 평평한 단부를 구비한다.
바람직하게 베드 크로스 구조체(58) 및 베드 직립 구조체(60)는 조인트(73)에서 서로 버트 용접된 3개의 이격되고 본질적으로 직선인 하이드로폼 관형 부재(61, 63, 65)에 의해 각각 구비된다. 바람직하게, 하이드로폼 부재(63, 65)는 크로스 구조체(58)를 제공하는 하이드로폼 부재(61)의 각각의 단부에 버트 용접된다. 마찬가지로, 각각의 상부 측레일 구조체(62)는 버트 용접에 의해 조인트(113, 115)에서 스페이스 프레임에 연결된 본질적으로 직선인 하이드로폼 관형 부재(67, 69)에 의해 구비되는 것이 바람직하다. 이와 달리, 스페이스 프레임(10)의 베드부의 후방에서의 크로스 구조체(58) 및 직립 구조체(60)는 일체식 하이드로폼 U형 부재(도시 생략)의 레그부 및 크로스부 또는 다른 적절한 구조에 의해 구비될 수 있다.
전방 하부 측레일 구조체(18) 및 전방 상부 측레일 구조체(42)는 개별적인 하이드로폼 부재(112, 114, 116, 118) 의해 각각 구비되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, (비록 소정의 적절한 구조가 사용될 수 있다고 하더라도) 전방 상부 및 하부 크로스 구조체(39, 43) 및 크로스 구조체(49)는 각각 하이드로폼 부재(120, 122, 124)에 의해 구비되는 것이 바람직하다. 하이드로폼 부재(116, 118, 120)는 조인트(41)에서 용접에 의해 연결되는 것이 바람직하고, 하이드로폼 부재(112, 114, 122)는 조인트(45)에서 용접에 의해 연결되는 것이 바람직하고, 하이드로폼 부재(112, 114, 124)는 조인트(126)에서 용접에 의해 연결되는 것이 바람직하다.수직 연장 연결 구조체(47)는 스탬핑(stamping) 또는 다른 적절한 수단에 의해 형성된 골격화된 시트 재료 구조체이며 용접 또는 다른 적절한 수단에 의해 크로스 부재(120, 122)들 사이에 고정된 것이 바람직하다. 조인트(37, 75)는 주측 레일 구조체(14) 내에서 하이드로폼 부재(30, 72)를 각각 개구(113, 115)에 용접함으로써 형성된다. 조인트(77)는 U형 부재(74)의 노치부(117)를 주측 레일 구조체(14)의 상부 및 외부측면에 용접시킴으로써 형성될 수 있다.
상부 및 하부 전방 측레일 부재 및 전방 연결 구조체의 형상 및 길이는 전방 모듈 높이, (차량 교차 방향으로의) 전방 모듈 폭 및 전방 모듈 길이 (및 이와 같은 차량 길이)를 제공하도록 변경될 수 있다. 상기 전방 하부측 레일 구조체가 본체 모듈의 일부일 때, (조인트에서 주측 레일 구조체에 결합되든지 또는 일체로 연결되든지), 상기 본체 모듈은 차량 길이를 결정한다는 사실을 알 수 있다.
하이드로포밍 방법(Hydroforming Method)
상기 설명한 스페이스 프레임(10)의 각각의 하이드로폼 부재를 형성하기 위한 양호한 하이드로포밍 공정은 도2로부터 알 수 있다. 각각의 하이드로폼 부재는 적절한 금속 재료로 구성된 관형 블랭크(620)로부터 형성되고 폐쇄식 횡단면 및 개방식 관형 단부를 갖는다. 각각의 블랭크(620)는 소정의 적절한 방법에 의해 구성될 수 있다. 예로써, 각각의 블랭크(620)의 횡단면은 롤 형성 작동에서 시트 재료의 연속적인 종방향 연장 스트립을 형성하는 롤에 의해 형성될 수 있으며, 상기 횡단면은 이후 솔기 용접 작업에 의해 폐쇄된다. 따라서, 각각의 하이드로폼 관형 부재들은 초기 관형 블랭크를 생성할 때 형성된 단일 종방향 연장 솔기 용접만을갖는 것이 바람직하다. 이것은 종래의 관형 프레임 부재와 상이하며, 두 개의 솔기를 따라 인접관계로 서로 용접된 두 개의 C형 또는 "클램-셀(clam-shell)" 절반부를 포함한다. 상기 관형 블랭크는 이후 특별한 하이드로폼 부재를 제조하는 데 요구되는 길이로 절결된다.
만일 부분 기하학적 형상이 필요하다면, 본 발명의 기술 사상 내에서, 버트-용접 연결부에서 서로 버트-용접된 상이한 지름의 두 개의 분리식 롤형성 관형 블랭크로부터 단일 관형 블랭크를 형성한다. 즉, 단일 하이드로폼 부재의 직경이 그 종방향 길이에 따라 크게 증가(또는 감소)된다면, 하이드로폼 부재를 제조하는 데 사용된 관형 블랭크는 상이한 직경의 두 개의 블랭크를 버트 용접함으로써 구성될 수 있다. 버트-용접되는 두 개의 단부의 직경은 큰 직경의 관형 블랭크의 일단부의 직경을 감소시키기 위한 감소 공구를 사용하거나 또는 이와 달리 작은 직경 블랭크의 단부의 직경을 팽창시키기 위한 확개 또는 팽창 공구 또는 이들의 조합을 사용함으로써 서로 균등해 질 수 있다.
어느 하나의 작동의 결과는 서로 버트-용접되는 두 단부의 직경을 균등하게 한다. 버트-용접 연결부는 하이드로포밍 작업 전에 형성되지만, 상기 버트-용접 작동은 (아래에서 바로 고려되는) 소정의 예비 절곡 작업 전 또는 그 후 중 어느 하나에서 수행될 수 있다. 버트 용접 연결부를 갖는 하이드로폼 부재의 일예가 버트 용접부(90)를 포함하는 도1의 스페이스 프레임(10)에서의 상부 종방향 부재(30)이다.
만일 상기 부분의 기하학적 형상이 복잡하거나 또는 최종 부재에 소정의 날카로운 절곡부가 있게 되면, 상기 블랭크는 선택적으로 "예비 절곡(pre-bent)"될 수 있으며, 즉 하이드로포밍 다이 조립체에 위치되기 전에 절곡될 수 있다. 예로써, 하이드로폼 부재에 날카로운 절곡부(30°보다 큰 절곡부)부가 형성될 경우, 본 발명은 미국 특허 제6,065,502호[(명칭: 경사진 관형 부분의 주름없는 하이드로포밍용 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS FOR WRINKLE-FREE HYDROFORMING OF ANGLED TUBULAR PARTS)]의 교시에 따라 상기 블랭크를 절곡시키는 것이 바람직하다. 미국 특허 제6,065,502호에서의 교시는 절곡 작업 중 주름 형성을 방지하기 위해, 특히 하이드로폼 부분에서 각각의 절곡부의 오목부 상에 사용될 수 있다. 스페이스 프레임(10; 도1)의 개별적인 하이드로폼 부분에서 날카로운 절곡부의 예는 제1 U형 부재(64)의 각각의 레그부(72)와 크로스부(68) 사이에 절곡부를 포함한다.
미국 특허 제6,065,502호의 방법론은 30°보다 작은 각도로 절곡된 부분에서 사용되지 않는 것이 바람직하다. [예로써, 도1에서의 크로스 부재(94)와 같은] 직선 부분은 미국 특허 제5,979,201호[명칭: 핀치없는 튜브 형성용 하이드로포밍 다이 조립체(HYDROFORMING DIE ASSEMBLY FOR PINCH-FREE TUBE FORMING)]의 교시에 따라 하이드로포밍되는 것이 바람직하다. 또한, 블랭크는 다이 조립체에 놓여지기 전에 CNC 절곡 기계에서 절곡될 수 있다. 적절한 윤활제가 상기 다이조립체에 놓이기 전 블랭크의 외부에 도포될 수 있다.
이후, 도2를 참조할 때, 관형 블랭크(620)는 다이조립체(626)의 다이 절반부(622, 624)들 사이에 위치되어 상기 조립체는 폐쇄된다. 관형 블랭크(620)는 하이드로포밍 유체로 충전되도록 유체조 내에 침지되는 것이 바람직하다. 하이드로포밍 램(ram) 조립체(628, 630)는 각각의 조립체(628, 630)의 램 부재(636, 638)가 관형 블랭크(620)의 단부를 밀봉하도록 관형 블랭크(620)의 각각의 단부에 결합된다. 램 부재(636, 638)는 하이드로포밍 유체를 강화시킬 수 있는 유체 강화제를 포함하여, 다이 공동의 다이면(642)과 일치하는 관형 블랭크(620)의, 일반적으로 도면부호 640으로 표시되는 불규칙적으로 외향 변형된 관형 금속벽까지 블랭크(620)의 유체의 유압을 증가시키며, 이로써 소정의 불규칙 구성으로 고정된 외부면을 갖는 하이드로폼 부재를 형성한다.
램 부재(636, 638)는 외향 팽창 중에 블랭크 내에서 금속 유동을 생성하도록 블랭크(620)의 대향 단부 상에 축방향으로 내향 푸싱된다. 유압 및 축압은 독립적으로 제어가능하다. 관형 블랭크(620)의 단부는 초기 관형 블랭크(620)의 벽두께의 소정의 범위 내에서 완전하게 형성된 하이드로폼 부재의 벽두께를 유지시키기 위해 하이드로폼 작업 중에 축방향으로 내향 푸싱되는 것이 바람직하다. 램 부재(636, 638)는 최종 하이드로폼 부재의 벽두께가 블랭크(620)의 초기 벽두께의 +/- 10% 정도 내에 있도록 블랭크(620)의 외향 팽창 벽부의 벽두께를 다시 채우거나 또는 유지시키기 위해 (즉, 상기 튜브의 직경방향으로 외향 팽창 중에 벽이 얇아지는 것을 보상하기 위해) 조력하는 것이 바람직하다.
관형 블랭크(620)는 상기 부재의 양호한 형상에 상응하는 형상으로 금속벽(640)을 제공하도록 블랭크(620)의 금속벽(640)을 다이 조립체(626)의 표면(620)에 일치하게 불규칙적으로 외향 팽창시키기 위해 하이드로폼 다이 공동을형성하는 표면(642)과 일치하게 팽창된다. 본 발명에 따라 각각의 스페이스 프레임(10, 150, 300, 460)의 각각의 하이드로폼 부재를 형성하는 데 사용된 각각의 다이 공동의 형상은 본 명세서에서 고려된 신규하고 유익한 하이드로폼 관형 부재의 형상에 적용된다.
만일, 하이드로폼 부재에 구멍이 형성된다면, 상기 구멍은 하이드로폼 작업 중에 다이 조립체에 있는 부재 전체에 형성될 수 있거나 또는 하이드로폼 부재가 상기 부재의 다른 진행 공정을 따라 다이 조립체로부터 제거된 후 형성될 수 있다. 특히, 상기 구멍은 하이드로천공(hydropiercing) 작업으로써 이 기술분야에 공지된 것이 속하는 하이드로포밍 공정 중에 형성될 수 있다. 하이드로천공 작업은 미국 특허 제5,460,026호에 개시되어 있으며, 본 명세서에서 전반적으로 참조한다. 이와 달리, 구멍 또는 노치(notch)는 하이드로포밍 작업이 완료된 후 하이드로폼 부재에서 절결될 수 있다. [도1의 리세스(102, 104)와 같은] 리세스는 네트 패드(net pad)를 사용함으로써 블랭크의 금속 벽의 외향 팽창 중에 벽 하이드로폼 부재에 형성될 수 있다.
많은 하이드로폼 부재의 횡단면은 특정 하이드로폼 부재의 길이에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 예로써, 레그부(72)의 횡단면 및 관형 하이드로폼 크로스 부재(64)의 크로스부(68)는 그 종방향 길이를 따라 변한다. 크로스부(68)는 상대적으로 작고, 실질적으로 장방형 단면을 갖고, 레그부(72)는 그 자유단부 근처에서 실질적으로 장방형 단면을 갖고, 그 중간부에서는 불규칙적인 횡단면을 갖는다. 본 명세서에 개시된 관형 하이드로폼 부재의 단면 형상 또는 관형 하이드로폼 부재의 단면 형상은 본 발명의 기술 사상 내에서 변경할 수 있다는 점을 알 수 있다.
스페이스 프레임 형성 방법
따라서, 자동차용 스페이스 프레임(10)을 형성하는 양호한 방법은 하이드로포밍 공정을 포함하며, 각각의 공정은 금속벽(640)을 갖는 경사진 형상의 관형 블랭크(620)를 제공하는 단계와 블랭크(620)를 다이 공동을 형성하는 다이면(642)을 갖는 다이 조립체(626) 안에 위치시키는 단계와 다이면(642)과 일치하는 벽(640)을 팽창시키기 위해 블랭크(620)의 내부에 가압 유체를 제공하는 단계를 포함하여, 소정의 불규칙적인 외부면 형상으로 고정된 불규칙 외향 변형 관형 금속벽(640)에 의해 형성된 하이드로폼 부재(30)를 형성하며 지주형성부(34) 및 종방향 연장부(36)를 포함한다. 상기 방법은 본체 모듈(12) 및 전방 모듈(22)을 포함하는 스페이스 프레임용 요소를 제공하는 단계를 더 포함한다. 상기 본체 모듈 요소는 한 쌍의 주측 레일 구조체(14), 한 쌍의 최후방 직립 구조체(26) 및 복수의 연결 구조체(40)를 포함한다. 전방 모듈 요소는 한 쌍의 전방 하부측 레일 구조체, 한 쌍의 전방 상부측 레일 구조체(42) 및 전방 연결 구조체(44)를 포함한다.
이후, 상기 방법은 본체 모듈 내에서 각각의 상부 종방향 부재의 지주형성부가 각각의 주측 레일 구조체에 연결되어 한 쌍의 A 지주를 형성하도록 모듈을 조립하는 단계를 필요로 하며, 각각의 최후방 직립 구조체는 한 쌍의 최후방 지주(예로써, D 지주)를 형성하도록 합체된 상부 종방향 부재의 종방향 연장부의 단부와 각각의 주측 레일 구조체 사이에 연결되며, 복수의 연결 구조체는 주측 레일 구조체와 상부 종방향 부재를 측방향으로 이격되어 고정된 관계로 연결시키도록 구성되고배치되어 전방 모듈에서 전방 연결 구조체는 전방 상부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로 연결시키고 전방 하부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로 연결시킨다. 이후, 상기 방법은 상기 본체 모듈과 전방 모듈을 연결시킴으로써 스페이스 프레임을 형성하도록 전방 모듈을 본체 모듈에 조립시키는 단계를 필요로 한다. 본체 모듈과 전방 모듈은 합체된 주측 레일 구조체로부터 상향 이격된 위치에서 각각의 전방 하부측 레일 구조체 및 각각의 전방 상부측 레일 구조체를 갖는 각각의 주측 레일 구조체를 각각의 상부 종방향 부재의 지주형성부에 연결시킴으로써 연결된다.
상기 방법은 하이드로폼 공정에서 크로스 부재(64)를 형성함으로써 그들 사이에 연결된 한 쌍의 중간 지주와 크로스 구조체를 갖는 본체 모듈을 제공하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 조립 공정은 스페이스 프레임의 B 지주를 제공하는 한 쌍의 대응 중간 지주를 형성하고 크로스 부재는 레그부들 사이에 측방향 길이를 형성하고 그 사이에 크로스 구조체를 제공하도록 U형 하이드로폼 크로스 부재의 레그부 각각이 합체된 상부 종방향 부재의 종방향 연장부와 각각의 주측 레일 구조체 사이에 연결되기 위해 스페이스 프레임을 조립하는 단계를 더 포함한다.
비록, 스페이스 프레임(10)의 다양한 부분들이 "모듈식(modular)"으로써 언급되었지만, 이러한 특성은 널리 해석될 수 있으며 소정의 스페이스 프레임이 구성되는 방식으로 제한되지는 않는다. 각각의 스페이스 프레임의 본체 모듈 및 전방 모듈이 분리식으로 조립된 뒤 각각의 스페이스 프레임을 형성하도록 서로 조립되는것이 바람직하다. 각각의 스페이스 프레임(10)을 다양한 방식으로 제조하는 것을 고려하였지만, 다양한 하이드로폼 부재 및 다른 구조적 부재가 각각의 스페이스 프레임을 형성하도록 서로 결합되는 순서는 본 명세서에서 도시하고 설명한 것에 의해 제한되지 않는다는 점을 알아야 한다.
따라서, 본 발명은 실시예의 제한된 번호를 인용하여 개시되고 설명되었지만, 본 발명의 기술 사상 내에서 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 점을 알아야한다. 따라서, 첨부되는 청구범위는 본 명세서에 기재한 원리 및 이점을 따르는 이러한 모든 수정, 변경 및 이와 동등한 것들을 모두 커버할 수 있다.

Claims (7)

  1. 픽업 트럭형 자동차를 구성하는 스페이스 프레임이며,
    본체 모듈 및 전방 모듈을 포함하며,
    상기 본체 모듈은 한 쌍의 측방향으로 이격되고 종방향으로 연장된 주측 레일 구조체와, 그 위에 한 쌍의 최후방 지주를 형성하도록 각각이 주측 레일 구조체에 연결되고 이로부터 상향 연장되는 한 쌍의 후방 직립 구조체와, 소정의 불규칙 외부면 구성으로 고정된 외향 변형 관형 금속벽에 의해 각각이 형성되고 각각 지주형성부 및 종방향 연장부를 갖는 한 쌍의 하이드로폼 상부 종방향 부재와 복수의 연결 구조체를 구비하며, 상기 각각의 지주형성부는 각각의 주측 레일 구조체에 연결되고 A지주를 형성하도록 이로부터 상향 연장되며, 상기 각각의 종방향 연장부는 대향단부에서 최후방 지주의 합체된 하나에 연결되어 합체된 A지주 및 최후방 지주들 사이에 종방향 길이를 형성하고, 상기 복수의 연결 구조체는 주측 레일 구조체, 상부 종방향 부재 및 지주 쌍을 측방향으로 이격되어 고정된 관계로 배치시키고,
    상기 전방 모듈은 한 쌍의 전방 하부측 레일 구조체, 한 쌍의 전방 상부측 레일 구조체 및 전방 하부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로를 연결시키고 전방 상부측 레일 구조체를 측방향으로 이격된 관계로 서로를 연결시키는 전방 연결 구조체를 구비하며,
    상기 전방 모듈은 각각의 전방 하부측 레일 구조체를 각각의 주측 레일 구조체와 견고하게 상호연결시키고, 합체된 주측 레일 구조체로부터 상향으로 이격된위치에서 각각의 전방 상부측 레일 구조체를 각각의 하이드로폼 상부 종방향 부재의 합체된 A지주에 견고하게 상호연결시킴으로써 상기 본체 모듈에 견고하게 고정되는 것을 특징으로 하는 스페이스 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 합체된 상부 종방향 부재의 종방향 연장부와 각각의 주측 레일 구조체들 사이에 각각 연결되어 상기 쌍의 중간 지주 각각을 형성하는 적어도 한 쌍의 중간 직립 구조체를 더 포함하며, 상기 복수의 측방향으로 연장된 연결 구조체는 상기 쌍의 중간 지주 각각을 측방향으로 이격된 관계로 서로를 연결시키는 것을 특징으로 하는 스페이스 프레임.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 상부 종방향 부재는 종방향 연장부의 대향단부로부터 일체식으로 하향 연장되고 각각의 상부 종방향 부재가 일반적으로 역전식 U형 형 구성을 갖고 각각의 제2 지주형성부가 각각의 주측 레일 구조체 상에서 최후방 지주를 형성하도록 합체된 주측 레일 구조체와의 조인트를 형성하는 제2 하이드로폼 지지형성부를 더 포함하며, 각각의 주측 레일 구조체는 주측 레일 구조체 각각의 후방부가 픽업형 트럭의 베드부의 하부측 레일을 형성하도록 합체된 상부 종방향 부재의 제2 지주형성부를 지나 후방으로 연장되고, 상기 스페이스 프레임은 주측 레일 구조체의 베드 형성부의 자유단부들 사이에서 측방향으로 연장된 베드 크로스 구조체와, 상기 베드 크로스 구조체의 각각의 단부로부터 각각이 상향 연장된 한 쌍의 베드 직립 구조체와, 베드 직립 구조체와 합체된 상부 종방향 부재의 제2지주형성부의 중간부 사이에 각각이 서로 연결된 한 쌍의 종방향 연장 베드 상부측 레일 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 프레임.
  4. 제3항에 있어서, 각각이 소정의 불규칙 외부면 구성으로 고정된 외향 변형 관형 금속 벽에 의해 형성된 한 쌍의 관형 하이드로폼 U형 크로스 부재를 더 포함하고, 각각의 U형 크로스 부재는 크로스부와 그 대향 단부에서 결합부로부터 일체로 연장된 한 쌍의 레그부를 구비하며, 상기 U형 크로스 부재의 각 레그부는 그 자유단부에서 각각의 주측 레일 구조체에 연결되고 이로부터 상향 연장되며, 각각의 U형 크로스 부재의 각각의 결합부는 합체된 상부 종방향 부재의 종방향 연장부에 연결되고, 제1 및 제2 U형 크로스 부재의 레그부는 제1 및 제2 쌍의 대응 측방향으로 이격된 중간 지주를 형성하고, 그 크로스부는 합체된 쌍의 중간 지주들 사이에서 측방향으로 연장되어 상기 대응 중간 지주들 사이에 측방향 길이를 형성하고, 상기 제1 및 제2 U형 크로스 부재는 상기 쌍의 레그부가 본체 모듈의 B 지주 및 C 지주를 각각 형성하도록 종방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 스페이스 프레임.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전방 연결 구조체는 상기 전방 상부측 레일 구조체의 전방 단부들 사이에 연결된 측방향 연장 전방 상부 크로스 구조체와, 전방 하부측 레일 구조체의 전방 단부들 사이에 연결된 측방향 연장 전방 하부 크로스 구조체와, 전방 상부 U형 구조체와 하부 전방 U형 구조체의 바이트부들 사이에서 일반적으로 각각 연결된 한 쌍의 측방향 이격 수직 연장된 연결 구조체와, 전방 하부 U형구조체의 레그부 쌍들 사이에 연결된 측방향 연장 연결 구조체를 포함하며, 상기 전방 상부 크로스 구조체 및 전방 상부측 레일 구조체는 전방 상부 U형 구조체의 바이트부 및 레그부를 각각 형성하고, 상기 전방 하부 크로스 구조체 및 전방 하부측 레일 구조체는 전방 하부 U형 구조체의 바이트부 및 레그부를 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 스페이스 프레임.
  6. 자동차용 스페이스 프레임을 형성하는 방법이며,
    하이드로포밍 공정에서 한 쌍의 상부 종방향 부재의 각각을 형성하는 단계와,
    본체 모듈과 전방 모듈을 구비하며, 상기 전방 모듈 요소는 한 쌍의 주측 레일 구조체, 한 쌍의 후방 직립 구조체 및 복수의 연결 구조체를 갖고, 상기 전방 모듈 요소는 한 쌍의 전방 하부측 레일 구조체, 한 쌍의 전방 상부측 레일 구조체 및 전방 연결 구조체를 갖는 스페이스 프레임용 요소를 제공하는 단계와,
    본체 모듈 내에서 각각의 상부 종방향 부재의 지주형성부는 각각의 주측 레일 구조체에 연결되어 한 쌍의 A지주를 형성하고, 각각의 후방 직립 구조체는 한 쌍의 최후방 지주를 형성하도록 합체된 상부 종방향 부재의 종방향 연장부의 단부와 각각의 주측 레일 구조체 사이에 연결되고, 복수의 연결 구조체는 주측 레일 구조체와 상부 종방향 부재를 측방향으로 이격되어 고정된 관계로 고정시키도록 구성되어 배치되고, 전방 모듈에서 전방 연결 구조체는 전방 상부측 레일 구조체들을 측방향 이격 관계로 서로 연결시키고 전방 하부측 레일 구조체들을 측방향 이격 관계로 서로 연결시키는 상기 모듈들을 조립하는 단계와,
    각각의 전방 하부측 구조체 및 각각의 전방 상부측 레일 구조체를 합체된 주측 레일 구조체로부터 상향 이격된 위치에서 각각의 상부 종방향 부재의 지주형성부에 연결시킴으로써 상기 본체 모듈과 전방 모듈을 연결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스페이스 프레임 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 하이드로폼 공정에서 형성된 크로스 부재를 형성함으로써 서로 연결된 한 쌍의 중간 지주와 크로스 구조체를 본체 모듈에 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 공정은 U형 관형 금속 블랭크를 제공하는 단계와, 그 안에 다이 공동을 형성하는 다이면을 갖는 하이드로폼 다이 조립체에 블랭크를 위치시키는 단계와, 다이면과 일치하는 블랭크를 팽창시키기 위해 블랭크 내부에 가압 유체를 제공함으로써 소정의 불규칙 외부면 구성으로 고정된 불규칙 외부 변형 관형 금속 벽에 의해 형성된 U형 하이드로폼 부재를 형성하고 크로스부의 대향단부에 결합부로부터 연장되는 크로스부 및 한 쌍의 레그부를 갖는 단계와, 상기 레그부는 본체 모듈의 B 지주를 제공하는 상기 쌍의 중간 지주를 형성하고 상기 크로스부는 레그부들 사이에서 측방향 길이를 형성하고 이들 사이에 연결된 크로스 구조체를 제공하기 위해 상기 U형 하이드로폼 크로스 부재의 레그부들 각각이 합체된 상부 종방향 부재의 종방향 연장부와 각각의 주측 레일 구조체 사이에 연결되도록 본체 모듈을 더 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스페이스 프레임 형성 방법.
KR1020027014194A 2000-04-24 2001-04-24 모듈식 스페이스 프레임 KR20020089519A (ko)

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