KR20030082840A

KR20030082840A - 자동차 프레임의 사이드 멤버 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20030082840A
Application number: KR1020020021337A
Authority: KR
Inventors: 김구현
Original assignee: 기아자동차주식회사
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-10-23
Also published as: DE60206020T2; JP2003312532A; US20030197362A1; JP4048301B2; EP1357016A3; US6840542B2; EP1357016B1; EP1357016A2; DE60206020D1

Abstract

본 발명은, 일단에 범퍼가 연결되는 자동차 프레임의 사이드 멤버로서, 강재 튜브 및 강재 튜브에 연결되고 강재 튜브와 범퍼 사이에 배치되는 하이브리드 튜브를 포함하고, 하이브리브 튜브는 알루미늄 튜브와 알루미늄 튜브의 외주면에 형성된 유리섬유강화복합재료 튜브의 이중 구조를 갖는다. 또한, 본 발명의 자동차 프레임의 사이드 멤버 제조방법으로서 (가) 내부 알루미늄 튜브와 외부 유리강화섬유복합재 튜브로 이루어진 이중 구조의 하이브리드 튜브를 형성하는 단계 및 (나) 하이브리드 튜브와 강재 튜브를 연결하는 단계를 포함한다.

Description

자동차 프레임의 사이드 멤버 및 그의 제조 방법{Side member of vehicle frame and production method thereof}

본 발명은 자동차 프레임의 사이드 멤버 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 프런트 사이드 멤버와 그에 대한 제조방법에 관한 것이다.

자동차 프레임의 사이드 멤버(2-1, 2-2)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 통상 박스형의 폐단면 구조를 가지며 자동차의 프런트 및 리어부에 차체의 길이방향으로배치되는 프레임(1)의 일부이다. 특히 프런트 사이드 멤버(2-1)는 차량의 바디(body)의 구성 요소로서 충분한 강성을 지녀야 하며, 전방 충돌 시에 엔진이 유입되는 것을 방지하고 차체 및 장치를 보호할 수 있어야 한다. 따라서 추가적인 강성 보강을 위하거나, 또는 구조적으로 취약한 부위에 보강재가 더해지기도 한다.

그런 반면 프런트 사이드 멤버(2-1)는 충돌 시 충돌 에너지를 흡수하여 승객을 보호할 수 있도록 충돌 안정성 또한 지녀야 한다.

이와 같이 사이드 멤버(2-1, 2-2)가 강성과 충돌 안정성을 모두 겸비하도록 하기 위해 그 소재의 선정이나 구조 설계에 대해 많은 연구가 진행되어 왔지만, 이는 상당히 어려운 과제이다. 더구나, 점증하는 차량의 경량화 요구는 이를 더욱 어렵게 하고 있다.

사이드 멤버의 경량화 맥락에서, 다양한 시도 중의 하나는 고강도 강판의 이용이다. 하지만 이러한 시도는 충돌 에너지 흡수 능력의 저하 없이 파워트레인과 서스펜션 마운팅이 고려된 충분한 강성을 확보하여야 하기 때문에 아직 해결해야할 문제가 적지 않다.

역시 경량화 맥락에서의 다른 시도는 섬유강화 플라스틱의 이용이다. 그러나 섬유강화 플라스틱은 자체 취성(brittle) 파괴에 의해 연속적인 충돌하중의 흡수가 어렵다. 따라서 부재의 안정적 붕괴를 위해 폐단면 튜브의 끝단을 날카롭게 가공하는 트리거 기구(trigger mechanism)가 필요하며, 더욱이 하중이 축방향에 일치하지 못하는 경우(굽힘 하중을 받는 경우)에 낮은 에너지 흡수를 보이는 경향이 있다.

본 발명자는 이와 같은 불안정한 붕괴현상을 해결하고 경량화와 에너지 흡수능력을 동시에 확보하기 위해, 알루미늄 튜브에 유리섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic : 이하, GFRP라고 칭함)을 적층하여 동시에 경화시킨 하이브리드 튜브 구조를 제안한 바 있다(참조 : 자동차 공학회 논문집 Vol.8, No. 6, 2000. 12., 알루미늄/GFRP 혼성 사각튜브의 정적 압축 붕괴 및 에너지 흡수 특성). 이러한 튜브 구조는 알루미늄의 연성(ductile) 성질이 GFRP의 취성 성질을 지배하여 어떠한 형태의 하중에도 안정적인 붕괴를 보이며, 두 재료의 상호 작용으로 단위 질량 당 에너지 흡수 능력이 향상되는 결과를 보였다.

그러나 상술한 하이브리드 사이드 멤버의 제조 방법은 알루미늄 튜브에 유리섬유/에폭시 프리프레그(prepreg : 유리섬유와 에폭시의 반경화 상태)를 여러 겹으로 직접 적층하여 오토클레이브(autoclave : 고온, 고압 경화 오븐)에서 경화시키는 방법으로 제조되어 생산성이 낮고 생산단가는 높게 된다. 더욱이 이러한 방법으로 사이드 멤버 전체 부위를 제조하는 것은 더욱 비용을 높이게 되어 실용성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 사이드 멤버들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 상술한 하이브리드 튜브의 장점을 포용하면서도 대량 생산에 적합하여 제작에 소요되는 비용이 저렴하고, 사용 중에도 교체 및 정비가 용이한 자동차의 사이드 멤버를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 본 발명의 사이드 멤버를 제조 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 통상의 자동차 프레임을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 사이드 프레임을 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 사이드 프레임의 분해 사시도.

도 4는 도 2의 A-A'에 따른 단면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

200 사이드 멤버210 강재 튜브

220 하이브리드 튜브221 알루미늄 튜브

222 유리섬유강화복합재료 튜브

상술한 목적을 갖는 본 발명은, 일단에 범퍼가 연결되는 자동차 프레임의 사이드 멤버로서: 강재 튜브; 및 강재 튜브에 연결되고 강재 튜브와 범퍼 사이에 배치되는 하이브리드 튜브를 포함하고, 하이브리브 튜브는 알루미늄 튜브와 알루미늄 튜브의 외주면에 형성된 유리섬유강화복합재료 튜브의 이중 구조이다.

여기에서, 강재 튜브와 하이브리드 튜브의 연결은, 강재 튜브와 하이브리드 튜브가 부분적으로 중첩되도록 하이브리드 튜브의 단부가 강재 튜브에 삽입되고, 중첩된 부위를 관통하는 적어도 하나 이상의 체결구에 의한 체결로 연결된다.

또한, 상술한 다른 목적을 본 발명은, 자동차 프레임의 사이드 멤버 제조방법으로서: (가) 내부 알루미늄 튜브와 외부 유리강화섬유복합재 튜브로 이루어진 이중 구조의 하이브리드 튜브를 형성하는 단계; 및 (나) 하이브리드 튜브와 강재 튜브를 연결하는 단계를 포함한다.

여기에서, 상기 (가) 단계는, 내부 알루미늄 튜브의 외주면을 감싸는 섬유 프리폼을 형성하는 단계; 프리폼에 수지를 함침시키는 단계; 및 프리폼에 함침된 수지를 경화시키는 단계를 포함한다.

또한, 섬유 프리폼의 형성은, 알루미늄 튜브의 외주면에 유리섬유 매트를 감아서 형성하며, 유리 섬유 매트는 연속 장섬유 매트 또는 촙스 스트랜드 매트일 수 있다.

또한, 수지는 열경화성으로서, 불포화폴리에스터일 수 있다.

또한, 상기 (나) 단계는, 강재 튜브와 하이브리드 튜브가 부분적으로 중첩되도록 상기 하이브리드 튜브의 단부를 강재 튜브로 삽입하고, 중첩된 부위를 관통하는 체결구에 의한 체결로 연결한다.

또한, 수지의 함침은, 프리폼이 형성된 상기 알루미늄 튜브를 금형에 넣고, 금형 내로 수지를 가압 주입하여 함침한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 사이드 멤버에 따른 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.

본 발명의 사이드 멤버(200)는, 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 고강도 강판인 강재 튜브(210)와 범퍼(도 4에서 이점쇄선으로 표시함) 사이에 배치되고 강재 튜브(210)에 연결된 하이브리드 튜브(220)를 포함한다.

본 발명의 하이브리드 튜브(220)는 내부의 알루미늄 튜브(221)과 외부의 유리섬유강화복합재료 튜브(222)로 이루어진 이중 구조를 갖는다.

본 발명의 하이브리드 튜브(220) 그리고 강재 튜브(210)는 통상의 사이드 멤버용 튜브와 마찬가지로 원형 또는 사각형의 폐단면 구조를 가질 수 있다.

강재 튜브(210)와 하이브리드 튜브(220)의 연결은, 도시한 바와 같이, 하이브리드 튜브(220)의 일단부가 강재 튜브로 삽입되어 부분적으로 중첩되고, 두 튜브가 중첩된 부위(230)에 적어도 하나 이상, 바람직하게는 적어도 2개 이상의 체결부재(240), 이를 테면 볼트/너트 또는 리벳으로 체결되어 연결되어 있다. 이를 위해, 두 튜브는 공히 중첩된 부위(230)에 적어도 하나 이상, 바람직하기로는 적어도 2개이상의 볼트 또는 리벳의 체결공(251, 252)이 형성되어 있다. 따라서, 바람직하기로는 도면에 나타낸 일실시예와 같이 강재 튜브(210)로 삽입되는 하이브리드 튜브 부위에는 유리섬유강화복합재료 튜브를 형성하지 않는 것이 좋다.

이와 같이 본 발명의 하이브리드 튜브(220)는 알루미늄 튜브(221)와 유리섬유강화복합재료 튜브(222)의 이중구조를 가짐으로써, 알루미늄과 유리섬유강화복합재료의 상호 작용에 의해 안정적인 붕괴모드로 에너지를 흡수할 수 있게 된다. 또한, 사이드 멤버 전체를 교체할 정도가 아닌 저속 충돌의 경우에는 하이브리드 튜브(222)만을 간단히 교체함으로써 수리비용을 절감할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 사이드 멤버의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 하이브리드 튜브(222)는 수지 이송성형(Resin Transfer Molding : RTM)에 의해 제조된다. 수지 이송성형은 금형 내에 미리 보강재를 미리 위치시켜 놓고 외부에서 압력을 가해 수지를 함침시킨 후 경화시켜 제품을 생산하는 방법을 말한다. 이 방법은 생산성이 높고 기계적 성질이 우수한 제품을 얻을 수 있고, 복잡한 형상의 대형부품을 쉽게 성형할 수 있으며, 보강재의 양과 방향성을 조절하여 제품의 기계적인 성질을 향상시킬 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 최근 크게 각광 받는 성형법이다.

따라서, 금형 형상에 적합하도록 바인더를 사용하여 프리폼을 제조하여야 하며, 미리 적합하게 제조된 알루미늄 튜브(221)의 외주면에 연속 장섬유 스트랜드 매트(Continuous Strand Mat) 또는 촙트 스트랜드 매트(Random Chopped Strand Mat)와 같은 유리 섬유를 감아서 프리폼을 형성한다. 이 경우, 금형 내의 수지 유동 예측을 위하여 프리폼의 투과성계수을 미리 실험으로 측정하는 것이 바람직하다.

이어, 프리폼이 형성된 알루미늄 튜브를 금형 내에 위치시키고 외부에서 압력을 가해 프리폼으로 수지가 함침되도록 한 후 이를 경화시킨다. 사용되는 수지로는 점도가 비교적 낮은 열경화성 수지(100∼1000cP)인 불포화폴리에스터이다. 불포화폴리에스터는 저압으로 수지를 주입할 수 있기 때문에 성형기의 형체기구와 금형의 간략화가 가능하고 사출성형이나 압축성형에 비해 성형비용을 감소시킬 수 있다.

수지 이송 성형 공정의 생산성을 좌우하는 중요한 과정은 수지의 주입과 경화 과정이다. 수지의 주입에서는 압력, 온도, 점도 유동속도 등이 고려되어야 하며, 압력과 온도를 조절하여 빠른 경화와 유동을 동시에 얻을 수 있도록 최적화하여야 한다.

이와 같이 제조된 하이브리드 튜브(220)를 미리 적합하게 제조된 강재 튜브(210)에 연결한다. 연결은 이미 상술한 바와 같이, 하이브리드 튜브(220)의 일단부를 강재 튜브로 삽입하여 부분적으로 중첩되도록 하고, 그 부위(230)에 리벳 이음, 및 볼트/너트 체결, 그밖에 용접 등 다양한 연결 방법으로 연결한다. 이를 위해 두 튜브의 중첩될 부위에 다수개의 볼트 체결공(251, 252)을 미리 형성한다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있다. 하이브리드 튜브가 알루미늄 튜브와 유리섬유강화복합재료 튜브의 이중구조를 가짐으로써 알루미늄 튜브에 의해 알루미늄과 유리섬유강화복합재료의 상호 작용에 의해 안정적인 붕괴모드로 에너지를 흡수할 수 있게 된다. 또한, 사이드 멤버 전체를 교체할 정도가 아닌 저속 충돌의 경우에는 하이브리드 튜브만을 간단히 교체함으로써 수리비용을 절감할 수 있다. 사이드 멤버의 전방부를 이 튜브가 대체함으로써 얻는 경량화의 효과도 크게 볼 수 있다. RTM 공정의 특성상 대량 생산 및 원가 절감에도 매우 유리하다.

Claims

일단에 범퍼가 연결되는 자동차 프레임의 사이드 멤버로서:

강재 튜브; 및

상기 강재 튜브에 연결되고 상기 강재 튜브와 상기 범퍼 사이에 배치되는 하이브리드 튜브를 포함하고,

상기 하이브리브 튜브는 알루미늄 튜브와 상기 알루미늄 튜브의 외주면에 형성된 유리섬유강화복합재료 튜브의 이중 구조인 사이드 멤버.
제 1항에 있어서, 상기 강재 튜브와 상기 하이브리드 튜브의 연결은, 상기 강재 튜브와 상기 하이브리드 튜브가 부분적으로 중첩되도록 상기 하이브리드 튜브의 단부가 상기 강재 튜브에 삽입되고, 중첩된 부위를 관통하는 적어도 하나 이상의 체결구에 의한 체결로 연결되는 사이드 멤버.
자동차 프레임의 사이드 멤버 제조방법으로서:

(가) 내부 알루미늄 튜브와 외부 유리강화섬유복합재 튜브로 이루어진 이중 구조의 하이브리드 튜브를 형성하는 단계; 및

(나) 상기 하이브리드 튜브와 상기 강재 튜브를 연결하는 단계를 포함하는 사이드 멤버 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 (가) 단계는,

상기 내부 알루미늄 튜브의 외주면을 감싸는 섬유 프리폼을 형성하는 단계;

상기 프리폼에 수지를 함침시키는 단계; 및

상기 프리폼에 함침된 수지를 경화시키는 단계를 포함하는 사이드 멤버 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 섬유 프리폼의 형성은, 상기 알루미늄 튜브의 외주면에 유리섬유 매트를 감아서 형성하는 사이드 멤버 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 유리 섬유 매트는 연속 장섬유 매트 또는 촙스 스트랜드 매트인 사이드 멤버 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 수지는, 열경화성인 사이드 멤버 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 수지는, 불포화폴리에스터인 사이드 멤버 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 (나) 단계는, 상기 강재 튜브와 상기 하이브리드 튜브가 부분적으로 중첩되도록 상기 하이브리드 튜브의 단부를 상기 강재 튜브로 삽입하고, 중첩된 부위를 관통하는 체결구에 의한 체결로 연결하는 사이드 맴버 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 수지의 함침은, 상기 프리폼이 형성된 상기 알루미늄 튜브를 금형에 넣고, 상기 금형 내로 수지를 가압 주입하여 함침하는 사이드 멤버 제조방법.