KR20040097369A - 아이빔 구조를 갖는 자동차 서스펜션 아암 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자동차 서스펜션 아암(10)은 제1 외면과 제1 내면(19), 그리고 두개의 대향 측면을 갖는 제 웹부(17)와 상기 제1 중앙 웹부의 대향 측면에 형성된 제1 상향 플랜지부(13)로 이루어지는 상부 판금 스탬프 부재(11)와; 제2 외면과 제2 내면(19), 그리고 두개의 대향 측면을 갖는 제2 중앙 웹부(17)와 상기 제2 중앙 웹부의 대향 측면에 형성된 제2 상향 플랜지부(13)로 이루어지는 하부 판금 스탬프 부재(12)와; 상기 제1 및 제2 웹부(17)가 실질적 부분에서 서로 접촉되도록 구성된 제1 및 제2 내면(19)과; 서로 견고하게 부착되어 구조적으로 아이빔(I- beam)단면을 형성하도록 구성된 상부 및 하부 스탬프 부재(11,12); 로 이루어지되, 상기 상향 플랜지부(13) 각각의 두께는 적어도 상기 제1 및 제2 웹부(17)를 결합한 두께와 동일한 것을 특징으로 한다.

Description

아이빔 구조를 갖는 자동차 서스펜션 아암{Structural I-beam automotive suspension arm}

최근 대부분의 자동차들은 요철이 심한 도로를 주행할 때 바퀴에서 발생하는 진동으로부터 객실을 보호하기 위하여지 형태의 서스펜션 시스템을 사용하고 있다. 이러한 서스펜션 시스템은 보통 스프링과 같은 에너지 흡수 매개부(Energy storage medium), 댐퍼처럼 스프링의 움직임을 제어하는 장치, 그리고 바퀴의 움직임을 동적으로 제어하는 연결 배치부(Linkage arrangement)등으로 이루어 진다. 이 부품들이 조합하여 자동차 바퀴가 도로면의 요철을 따라 특정한 방법으로 상하운동 하도록 구성된다. 가장 일반적인 형태의 연결 배치부는 스핀들 어셈블리(Spindle assembly)로 구성되는 포-바 연결구조(Four-bar linkage configuration), 자동차차체, 그리고 일반적으로 컨트롤 아암으로 불려지는 두개의 피봇 구조 부재(Pivoting structural elements)들이다.

첨부한 도 1 은 일반적인 종래의 포-바 연결구조를 나타낸 것이다. 여기서 컨트롤 아암(1)(2)은 차체(4)에 대하여 스핀들 어셈블리(3)의 동작을 가이드 하며 위치를 고정해 준다. 스핀들 어셈블리는 자동차의 스프링 하부 중량(Unsprung mass, 5)으로 통칭되는 바퀴, 타이어, 베어링 어셈블리 및 브레이크 어셈블리를 지지한다. 또한, 차량 스프링 보다 아래쪽에 위치하는 중량물, 즉 스프링 하부 중량에는 컨트롤 아암의 중량도 일부 포함된다. 요철이 심한 노면상에서 상기 스프링 하부 중량이 움직이는데는 많은 에너지가 관련되기 때문에 가능하면 이들 어셈블리의 전체 무게를 줄이는 것이 바람직하다. 게다가 자동차의 핸들링 특성은 상기 스프링 하부 중량의 제어된 움직임에 의해서 직접적으로 영향을 받기 때문에 컨트롤 아암은 실질적 하중을 견딜 만큼 충분한 강도 및 강성을 가져야 한다.

따라서, 서스펜션 컨트롤 아암은 이러한 하중에 충분히 견딜 만큼 강하고 견고하면서도 스프링 하부 중량을 줄일수 있도록 무게를 감소시키는 것이 매우 중요하다. 그런데 일반적으로 무게를 줄이면 강도 및 강성은 감소한다. 따라서, 디자인 파트에서는 부품의 무게를 줄이면서도 구조적 성능 및 특성은 변하지 않도록 하는 지혜가 요구된다. 서스펜션 컨트롤 아암 상에 작용하는 하중은 독립적이며 잘 알려져 있어서, 실제 사용에 필요한 방향과 위치에 따라 선택적인 강성과 강도를 제공할 수 있도록 다양한 구조로 개발될수 있다. 일반적으로 자동차 서스펜션 컨트롤 아암은 스핀들 관련부품에 장착되는 차체의 구조에 따라 "A" 나 "L" 형태의 평면형상을 갖는데, 두 경우 모두 상당한 유도하중(Induced loads)이 "A" 나 "L" 형태의 평면에 부가되므로 높은 평면 강성이 요구 된다. 이러한 유도하중을 견딜수 있는 가장 효과적인 형태는 그 면적의 평면 이차 모멘트값을 극대화시킬수 있도록 "A" 나 "L" 모양의 선단부 주변에 소재(Material)를 고농도로 집중시킬 필요가 있다.

첨부한 도 2는 주조공법에 따라 구조물의 선단부에 소재를 고농도로 집중시킨 종래의 "L"자형 서스펜션 컨트롤 아암(8)을 도시한 것이다. 이 구조는 일반적 단면구조로서, 여기서 아이빔은 굽힘하중을 전달하는데 가장 효과적이라고 생각된다. 통상 아이빔 형상은 중앙이나 중립축으로부터 떨어진 단면 선단부에 소재가 집중되어 있다. 첨부된 도 2A는 종래 방법으로 주조된 도 2의 "L"자형 서스펜션 컨트롤 아암의 단면도다. 아이빔의 마주보는 양단을 플랜지부(6)라 하며, 중앙부는 웹부(web, 7)이라 한다. 아이빔의 구조적 특성을 충분히 살리기 위해서는 플랜지부가 적어도 웹부의 두께 보다 두꺼워야 한다.

여러가지 형태에서 최적화된 컨트롤 아암의 구조를 개발하기 위하여 여러가지 복잡한 제조방법들이 사용되어 왔다. 자동차 컨트롤 아암의 구조와 관련하여 가장 일반적인 제조방법은 압축성형된 금속스탬핑(Press-formed metal stampings)을 서브 어셈블리로 용접하거나 주조(Casting)와 단조(Forging)하는 것이다. 복잡한형상 때문에 간단한 압축성형 금속스탬핑 만으로 적절한 자동차 컨트롤 아암을 만드는 것은 거의 불가능 하다.

압축성형 금속스탬핑을 이용하는 서스팬션 컨트롤 아암은 대부분의 형상은 밀폐된 상자형 단면(Closed box section)의 형상으로 구성된다. 첨부한 도 3은 두개의 U 자형 압축성형 금속스탬핑으로 만들어진 대표적 서스펜션 컨트롤 아암의 단면도 이다. 이러한 단면구조는 아이빔 보다도 굼힘하중을 견디는 힘에 있어서 효율이 다소 떨어지며, 용접결합 부분이 요구되는 하중을 견딜 수 있도록 소재를 충분히 오버랩(Overlap)시키는 것이 매우 중요하다. 그런데 이처럼 소재를 오버랩 시키면 다른 방법인 주조나 단조 형상보다도 구조적으로 돌출부가 생기고, 중량이 무거워 지는 문제가 생긴다.

쿠사마(Kusama)등에게 권리가 부여된 미국 특허번호 제5,662,348호에는 압축성형된 부품으로부터 제조된 서스펜션 아암이 개시되어 있다. 여기서 쿠사마는 유도하중에 대응하는 방법으로서 자동차 서스펜션 컨트롤 아암의 강성을 부여할 목적으로 여러가지 다른 단면 형상들에 대하여 폭넓은 특허청구범위를 잡고 있다. 그러나, 쿠사마는 압축성형 기술을 사용하는 진정한 아이빔 단면을 만드는 방법에 대해서는 언급하지 않았다.

서스펜션 아암에 대한 기술분야에서 아이빔 단면의 사용은 공지되어 있고,일반적으로 도 2 와 도 2A에서 도시한 바와 같은 주조 또는 단조 기술을 이용한 제조방법이 포함된다. 또한, 요구되는 평면 형상이 아이빔 단면을 갖도록 하기 위하여 두개의 컵 형상의 압축성형 스탬핑을 사용하여 서로 등을 맞대고 프로젝션 용접(Projection welding)하는 것도 일반적인 방법이다. 그러나 비록 이처럼 비교적 간단한 두가지 스탬핑을 결합하여 아이빔 단면을 형성한다고 하더라도 그 플랜지부는 웹부 두께의 절반 정도 밖에 되지 않기 때문에 구조적으로 매우 취약한 성능을 가지게 된다.

첨부한 도 4는 두개의 컵 형상의 압축성형 스탬핑으로부터 제조된 전형적인 종래 아이빔 서스펜션 컨트롤 아암의 단면도이다. 종래의 제조방법에서는 플랜지가 소재 한겹의 두께인 반면, 웹은 그 소재 두께의 두배라는 사실에 주목해야 한다. 이것은 이상적인 구조라 할수 없다.

본 발명은 자동차 서스펜션 부품, 더욱 상세하게는 무게에 비하여 높은 강도 및 강성이 요구되는 서스펜션 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 자동차 서스펜션 아암에 관한 것이다.

첨부한 도 5, 6, 7A 및 8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 자동차 서스펜션 컨트롤 아암(10)은 상부 스탬프 부재(11)와 하부 스탬프 부재(12)로 구성된다. 상기 상부 및 하부 스탬프 부재들은 철이나 알루미늄, 혹은 다른 적당한 금속이나 합금으로 이루어진 판금을 자동차 서스펜션의 기하학적 요구에 부합하는 평면 형상으로 압축성형 하여서 제조된다. 또한, 상기 상부 및 하부 스탬프 부재는 압축 성형과정에서 상향 플랜지부(13)를 갖는 컵 형상으로 제조되는데, 이때 상기 상향 플랜지부(13)는 단면의 두께가 두배로 되도록 판금 소재를 중첩시켜 형성한다. 소재 한겹의 두께보다 두배 두꺼운 부분인 중첩된 플랜지부(13)는 스탬프 부재의 모든 주변부에 걸쳐서 형성되지만, 자동차 차체 연결부(14)(15)와 스핀들 연결부(20)가 설치되는 특정 부위에는 상기 플랜지부(13)가 형성되지 않는다.

서스펜션 컨트롤 아암(10)의 최종적인 구조는 상부 스탬프 부재부재(12)가 서로 등을 맞댄 구조로 볼팅(Bolting), 용접(Welding), 접착(Adhesive bonding), 리벳팅(Riveting) 혹은 이와 유사한 방법으로 견고하게 결합되어 완성된다. 도 7은 두개의 스탬프 부재가 서로 등을 맞대고 결합된 형상을 표시한 대표 단면도 이다. 이러한 방법으로하여 중첩된 플랜지(13)부의 두께(T1)와 웹부(17)의 두께(T2)가 실질적으로 동일한 매우 효과적인 아이빔 단면구조를 형성할수 있고, 이러한 단면구조는 도 4에 나타난 종래의 단면구조 보다 구조적으로 월등한 우수성을 갖게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 상부 스탬프 부재(11)와 하부 스탬프 부재(12)의 중첩된 플랜지부(13)가 트림엣지(18)를 형성하는데, 이 트림엣지(18)는 웹부(17)의 접촉면(19)으로부터 미리 정해진 간격(D1) 만큼 형성된다. 상기 간격(D1)은 상부 스탬프 부재(11)와 하부 스탬프 부재(12)의 트림엣지 사이에 간격(D2)을 형성시켜서 GMAW 혹은 이와 유사한 용접 방법으로 네 소재를 용접 결합하여 고품질을 보장한다. 조립이 완성된 컨트롤 아암은 각 엣지상에서 상대방 플랜지부와 웹부가 서로 결합되어 있다. 도 8은 상기한 실시예에 따른 서스펜션 컨트롤 암의 구조를 나타낸 단면도로서, 상기 구조의 주변부를 따라 네 소재가 용접 결합하여 얼마나 강력한 아이빔 단면을 형성하는지를 보여준다. 이렇게 하여 얻어지는 용접결합은 결합되는 네 개의 소재의 표면이 서로 다르기 때문에 필렛 조인트(Fillet jioint)와 벗 조인트(Butt joint)가 직각으로 조합된 것처럼 구성된 매우 독특한 구조를 갖는다. 이 용접은 연속적으로 혹은 독립적으로 이루어질 수 있다.

도 5 및 도 6에 따르면, 서스펜션 컨트롤 아암(10)은 스핀들 어셈블리(3)의 볼 조인트를 수용할수 있는 플랜지 호울(20)을 구비하고 있다. 이 플랜지 호울(20)은 상부 스탬프 부재(11)와 하부 스탬프 부재(12)를 펀칭 및 압축성형함으로서 위로 돌출된 형태로 형성되며, 이때 돌출 방향은 대체로 상향 플랜지부(13)의 방향과 같고, 상기 호울은 스탬프 부재(11)(12)의 양측에 입체적으로 설치되어 상기 양 부재가 견고하게 결합되면 정확히 일렬로 배체된다. 또한, 서스펜션 컨트롤 아암(10)은 상향 플랜지부가 설치되지 않은 적어도 하나의 불연속 부분을 갖도록 구성되는데, 이는 자동차 차체 연결부(14)(15)를 수용하기 위한 것이다. 상기 불연속 부위는 직각 형태로부터 유래된, 둥근 부싱 지지부(14), 혹은 인라인 핀(15)을 수용하는 간단한 절삭부를 설치하는데 적합하도록 여러가지 형태를 가질 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하였지만, 이 업계에서 숙련된 사람이 상기한 구조를 변경하는 것은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.

따라서, 판금 압축성형(Sheet metal press-forming)처럼 제조단가가 낮은 기술을 사용하여 비교적 저중량이면서도 고유의 고 강성 및 강도를 갖는 서스펜션 컨트롤 아암을 개발하는 것은 매우 바람직하다. 자동차 산업과 같이 많은 부품들이 필요한 곳에서 판금 압축성형은 부품 구조들을 제조하는데 있어서 가장 경제적인 방법임이 입증되어 왔다. 최근에 생산되는 대부분의 자동차들은 압축성형 기술을 사용하여 제조된 알루미늄 혹은 강철 스탬핑으로 구성되는 차체 구조나 서브 프레임을 사용한다. 따라서, 본 발명의 목적은 자동차 서스펜션 컨트롤 아암의 제조에 있어서, 금속 압축 성형(Metal press-forming)을 활용하는 것이다.

본 발명의 한가지 실시예에서는 고효율의 아이빔 단면을 형성하기 위하여 두개의 복합 압축성형 스탬핑(Complex press-formed stampings)을 서로 용접하여 자동차 서스펜션 컨트롤 아암을 제조한다. 이때, 각 스탬핑은 특정한 평면 구조, 즉 "A", "L" , 또는 필요에 따라 적당한 모양으로 형성되고, 컵 형상의 단면에서 위로 향한 플랜지는 그 두께가 효과적으로 두배가 되도록 그 자체가 완전히 뒤로 되돌려져서 중첩되어있다. 그리고, 상기 두 스탬핑은 서로 등을 맞대고 배열되어 개방된 가장자리를 따라 용접된다. 이러한 구조에서 가장 중요한 것은 중첩된 상향 플랜지부의 트림엣지(Trim edge)에 적당한 간격을 남기고, 네 개의 소재를 용접하므로서 보다 우수한 품질을 갖게 하는 것이다. 다시 말하면, 두개의 웹 부분과 두개의 플랜지부가 각 부분의 선단을 따라 용접되는 것이다. 이렇게 하여 제조된 본 발명의어셈블리는 플랜지부와 웹부가 같은 두께를 갖기 때문에 바람직한 아이빔 단면 구조를 갖게 된다.

따라서, 본 발명의 자동차 서스펜션 아암은 제1 외면(First outer face)과 제1 내면(First inner face)을 가지며, 제1 중앙 웹부(First central web portion)와 상기 제1 중앙 웹부의 대향 측면에 형성된 제1 상향 플랜지부(First upstanding frange portions)로 이루어 지는 상부 판금 스탬프 부재와; 제2 외면(Second outer face)과 제2 내면(Second inner face)을 가지며, 제2 중앙 웹부(Second central web portion)와 상기 제2 중앙 웹부의 대향 측면에 형성된 제2 상향 플랜지부(Second upstanding frange portions)로 이루어 지는 하부 판금 스탬프 부재와; 상기 제1 및 제2 웹부가 실질적 부분을 따라 서로 접촉되도록 구성된 제1 및 제2 내면과; 서로 견고하게 부착되어 구조적으로 아이빔(I- beam)단면을 형성하도록 구성된 상부 및 하부 스탬프 부재;로 이루어 지되, 상기 상향 플랜지부 각각의 두께는 적어도 상기 제1 및 제2 웹부를 합한 두께와 동일한 것이 특징이다.

본 발명을 보다 상세히 설명하면,

a) 상부 및 하부 스탬프 부재는 두께가 일정한 판금을 압축 성형한 것으로서, 각 상향 플랜지부는 상기 판금이 완전히 중첩된 부분으로 이루어 지고, 상기 상향 플랜지부의 각각의 두께는 웹부 두께의 적어도 두배 이상이다.

b) 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 알루미늄판, 강판 또는 이와 유사한 판금 소재를 압축성형한 것이다.

c) 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 용접, 볼팅(Bolting), 리벳팅(Riveting), 접착 혹은 이와 유사한 결합 방식으로 서로 등을 맞댄 구조로 견고하게 결합된다.

d) 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 상기 제1 및 제2 내면을 서로 맞붙였을 때 그 주변부를 따라 일정한 간격이 형성되어 있어서 상기 주변부에서 상부 및 하부 스탬프 부재의 네 소재의 표면이 벗(Butt) 및 필렛(Fillet) 구조로 결합되어 고품질의 용접부를 형성하므로서 상기 상부 및 하부 스탬프 부재는 상기 용접부에 의해 서로 강하게 결합된다.

e) 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 상기 제1 및 제2 웹부를 각각 프로젝션 용접하여 상기 제1 및 제2 내면이 서로 등을 맞댄 구조로 강하게 결합된다.

f) 상기 상부 스탬프 부재에는 제1 웹부의 미리 정해진 위치에 제1 돌출공(First extruded opening)이 형성되어 있고, 하부 스탬프 부재에도 제2 웹부에 제2 돌출공(Second extruded opening)이 형성되어 있어서, 상기 상부 및 하부 스탬프 부재가 서로 강력하게 부착되면 상기 제1 및 제2 돌출공은 스핀들 어셈블리의 볼 조인트를 수용하기에 적합하도록 일렬로 배열된다.

g) 중첩된 플랜지부는 자동차 차체 연결부를 수용하기에 적합한 구조를 갖도록 적어도 하나의 불연속 부분이 형성된다.

Claims (8)

1. 제1 외면 및 제1 내면을 가지며, 두개의 대향 측면을 갖는 제1 중앙 웹부와 상기 제1 중앙 웹부의 대향 측면에 형성된 제1 상향 플랜지부로 이루어지는 상부 판금 스탬프 부재와; 제2 외면 및 제2 내면을 가지며, 두개의 대향 측면을 갖는 제2 중앙 웹부와 상기 제2 중앙 웹부의 대향 측면에 형성된 제2 상향 플랜지부로 이루어지는 하부 판금 스탬프 부재와; 상기 제1 및 제2 웹부가 실질적 부분을 따라 서로 접촉되도록 구성된 제1 및 제2 내면과; 서로 견고하게 부착되어 구조적으로 아이빔 단면을 형성하도록 구성된 상부 및 하부 스탬프 부재;로 이루어 지되, 상기 상향 플랜지부 각각의 두께는 적어도 상기 제1 및 제2 웹부를 합한 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
2. 제1항에 있어서, 상부 및 하부 스탬프 부재는 두께가 일정한 판금을 압축 성형한 것으로서 각 상향 플랜지부는 상기 판금이 완전히 중첩된 부분으로 이루어 지고, 상기 상향 플랜지부의 각각의 두께는 웹부 두께의 적어도 두배 이상인 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는알루미늄판, 강판 또는 이와 유사한 판금 소재를 압축 성형하여서 된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 볼팅, 용접, 접착, 리벳팅, 혹은 이와 유사한 결합수단을 사용하여 상기 제1 및 제2 내면을 따라 서로 등을 맞댄 구조로 견고하게 결합된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
5. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 상기 제1 및 제2 내면을 서로 맞붙였을 때 그 주변부를 따라 일정한 간격이 형성되어 있어서 상기 상부 및 하부 스탬프 부재의 네 소재의 표면이 벗(Butt) 및 필렛(Fillet) 구조로 결합하여 고품질의 용접 결합을 형성하므로서, 상기 상부 및 하부 스탬프 부재는 상기 용접 결합에 의해 서로 강하게 접착되는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
6. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 상부 스탬프 부재와 하부 스탬프 부재는 제1 및 제2 웹부를 각각 프로젝션 용접하여 상기 제1 및 제2 내면이 서로등을 맞댄 구조로 강하게 결합된 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
7. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 상부 스탬프 부재에는 제1 웹부의 미리 정해진 위치에 제1 돌출공이 형성되어 있고, 하부 스탬프 부재에도 제2 웹부에 제2 돌출공이 형성되어 있어서, 상기 상부 및 하부 스탬프 부재를 서로 강력하게 부착하면 상기 제1 및 제2 돌출공이 스핀들 어셈블리의 볼 조인트를 수용하기에 적합하도록 일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.
8. 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서, 중첩된 플랜지부는 자동차 차체 연결부를 수용하기에 적합한 구조를 형성하도록 적어도 하나의 불연속 부위가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 아암.