KR20070031497A - 차량의 사이드멤버 - Google Patents

차량의 사이드멤버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 사이드멤버에 관한 것으로서, 특히, 차량의 사이드멤버에 대한 단면형상을 개선하여 충돌에너지를 효과적으로 흡수하기 위한 장치에 관한 것으로서, 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(10)와; 상기 몸체(10)의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재(20)가 추가 구성되어, 경량화를 구현하면서도 차량의 전방 충돌시 충돌에너지를 효과적으로 흡수하여 탑승객의 안전성을 극대화시킬 수 있도록 하는 것이다.
몸체, 보강재, 사이드멤버, 충돌에너지

Description

차량의 사이드멤버{Side member for vehicle}
도 1은 일반적인 차량의 사이드멤버를 도시하는 도,
도 2는 일반적인 차량의 사이드멤버에 대한 에너지 흡수 원리를 도시하는
도,
도 3은 종래의 비교예 및 본 발명의 실시예에 대한 차량의 사이드멤버
단면을 도시하는 도,
도 4 내지 도 6은 종래의 비교예1 내지 비교예3에 대한 하중-변위 선도,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예1 내지 실시예3에 대한 하중-변위 선도,
도 10은 비교예 및 실시예에 대한 하중-변위 선도,
도 11은 비교예 및 실시예에 대한 충돌 변형 구조 및 변형 길이를 도시하는
도,
도 12는 비교예 및 실시예에 대한 에너지-변위 선도,
도 13은 비교예 및 실시예에 대한 충돌에너지 흡수율을 도시하는 도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 몸체 20 : 보강재
본 발명은 차량의 사이드멤버에 관한 것으로서 특히, 차량의 사이드멤버에 대한 단면형상을 개선하여 충돌에너지를 효과적으로 흡수하기 위한 장치로써, 경량화를 구현하면서도 차량의 전방 충돌시 충돌에너지를 효과적으로 흡수하여 탑승객의 안전성을 극대화시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 최근 초경량 차체 제작을 위해 고강도 알루미늄을 적용한 알루미늄 스페이스 프레임 차체가 개발되고 있으나, 충돌 성능은 경량화와 상반되는 설계 개념을 가지고 있기 때문에, 이러한 충돌 성능을 향상시키기 위한 경량 소재 적용 차량의 충돌 구조 설계 대비는 미흡한 실정이다.
도 1은 일반적인 차량의 사이드멤버를 도시하는 도로서, 기존에 적용되는 알루미늄 프런트 사이드멤버(1)는 단순한 사각단면(도 3의 (a) 참조; 이하 '비교예1'이라 한다) 형상이 일반적이며 이 경우 전방 충돌 시 약 15~20%의 에너지 흡수량을 확보하고 있기 때문에, 효과적인 에너지 흡수가 이루어지지 않아, 사이드멤버 이후의 대시패널, A필러(프론트필러, B필러(센터필러) 등의 승객룸 관련 부품의 변형을 유도하여 승객 상해치를 증가시키는 원인이 되기도 한다.
도 2는 일반적인 차량의 사이드멤버에 대한 에너지 흡수 원리를 도시하는 도로서, 사각 단면 압출재로 이루어진 일반적인 차량의 사이드멤버의 경우, 전방 충 돌시 (a)버클링(buckling), (b) 응력 집중, (c) 항복, 그리고 (d) 붕괴(collapse) 단계가 순차적으로 발생하면서 변형을 일으키며 에너지를 흡수하게 된다.
즉, (a) 버클링 단계에서는 표면에서 버클링이 시작되면서 하중은 증가하게 되며, 이후, (b) 응력 집중 단계에서는 압출재 모서리에 응력이 집중되면서 소성 직전에 놓이고, 이때 최대 하중 곡선을 나타낸다.
그리고, (c) 항복 단계에서는 소성변형이 모서리에서 시작되면서 하중은 감소하며 첫 붕괴(접힘)가 발생한 후, (d) 붕괴 단계에서는 첫 접힘 이후에 다음 접힘이 발생하게 되고 하중 곡선은 증감을 반복하는 양상을 나타내며, 이러한 소성 변형을 반복하면서 사이드멤버는 에너지를 흡수하게 된다.
따라서, 전방 충돌 성능을 향상시키기 위한 사이드 멤버 단면 형상 개선이 필요하기 때문에, 이러한 알루미늄 사이드멤버의 에너지 흡수 성능을 향상 시키기 위하여 다양한 단면 형상이 제안되고 있는데, 그 중에서 가장 에너지 흡수율이 뛰어난 것으로 알려진 국내 D자동차사의 육각 단면(도 3의 (b) 참조; 이하 '비교예2'라 한다)과 일본 H자동차사의 육각 단면(도 3의 (c) 참조; 이하 '비교예3'이라 한다)의 경우 사각 단면 부재보다 충돌에너지 흡수율이 상대적으로 우수하다.
즉, 기존의 비교예1의 경우에는 충돌에너지 흡수율이 낮으며, 비교예2 및 비교예3의 경우 충돌에너지 흡수율은 높은 반면, 형상이 복잡하고 압출재 표면이 상대적으로 좁아서 사이드멤버 위에 엔진 마운트 등의 부품 장착에 제한이 따른다는 기술상의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 차량의 사이드멤버에 대한 단면형상을 개선하여 경량화를 구현하면서도 차량의 전방 충돌시 충돌에너지를 효과적으로 흡수하여 탑승객의 안전성을 극대화시킬 수 있도록 하는 차량의 사이드멤버를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명은 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체와; 상기 몸체의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재가 추가 구성됨으로써 달성된다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 종래의 비교예 및 본 발명의 실시예에 대한 차량의 사이드멤버 단면을 도시하는 도이다.
본 발명의 차량의 사이드멤버는 도 3의 (d), (e), (f)에 도시된 바와 같이, 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(10)와; 상기 몸체(10)의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재(20)가 추가 구성되는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.
이때, 상기 몸체(10) 및 보강재(20)의 재질은 AL6061-T6인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 차량의 사이드멤버는 도 3의 (d), (e), (f)에 도시된 바와 같이, 몸체(10)의 모서리 하나 당 추가된 보강재(20)에 의하여 3개의 모서리가 부가됨으로써, 알루미늄 압출재로 이루어진 사이드멤버의 모서리 응력 집중에 따른 소성에너지 증가를 극대화하여 충돌 성능을 향상시키게 되는 것이다.
이를 확인하기 위하여 발명자는 기존의 비교예1 내지 비교예3과 본 발명의 실시예1 내지 실시예3에 대하여 동일한 조건 하에서 실험을 실시하였다.
여기에서, 도 4 내지 도 6은 종래의 비교예1 내지 비교예3에 대한 하중-변위 선도이며, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예1 내지 실시예3에 대한 하중-변위 선도이다.
(비교예1)
비교예1은 도 3의 (a)와 같이 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(11)만으로 이루어진 사이드멤버로, 상기 몸체(11)의 가로 및 세로의 길이는 70mm이고, 상기 몸체(11)의 두께는 2.2mm이다.
비교예1에 대한 하중-변위 시험 결과가 도 4에 나타나 있다.
(비교예2)
비교예2는 도 3의 (b)와 같이 국내 D자동차사의 육각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(12)와, 이 몸체(12) 내부에 형성된 육각단면의 보강재(22)와, 상기 몸체(12)와 육각단면의 보강재(22)를 연결한 리브형 보강재(32)로 이루어진 사이드멤버로, 상기 몸체(12)의 가로 및 세로의 길이는 각각 70mm 및 80mm이고, 상기 몸체(12) 및 육각단면의 보강재(22) 두께는 1.25mm이며, 리브형 보강재(32)의 두께는 1.3mm이다.
비교예2에 대한 하중-변위 시험 결과가 도 5에 나타나 있다.
(비교예3)
비교예3은 도 3의 (c)와 같이 일본 H자동차사의 육각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(31)와, 이 중앙을 연결한 리브형 보강재(33)로 이루어진 사이드멤버로, 상기 몸체(31)의 가로 및 세로의 길이는 각각 70mm 및 80mm이고, 상기 몸체(31)의 두께는 1.25mm이며, 리브형 보강재(33)의 두께는 1.3mm이다.
비교예3에 대한 하중-변위 시험 결과가 도 6에 나타나 있다.
(실시예1)
실시예1은 도 3의 (d)와 같이, 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(10)와; 상기 몸체(10)의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재(20)가 추가 구성되되, 상기 몸체(10)는 직사각형의 단면을 가지며, 상기 몸체(10)와 보강재(20)의 두께가 동일한 사이드멤버이다.
이때, 상기 몸체(10)의 가로 및 세로의 길이는 각각 70mm 및 80mm이며, 상기 몸체(10)와 보강재(20)의 두께는 1.5mm이고, 상기 보강재(20) 한 변의 길이는 13.5mm인 것이다.
실시예1에 대한 하중-변위 시험 결과가 도 7에 나타나 있다.
(실시예2)
실시예2는 도 3의 (e)와 같이, 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(10)와; 상기 몸체(10)의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재(20)가 추가 구성되되, 상기 몸체(10)는 정사각형의 단면을 가지며, 상기 몸체(10)와 보강재(20)의 두께가 서로 상이한 사이드멤버이다.
이때, 상기 몸체(10) 한 변의 길이는 70mm이며, 상기 몸체(10) 및 보강재(20)의 두께는 각각 1.5mm 및 1.6mm이고, 상기 보강재(20) 한 변의 길이는 15mm인 것이다.
실시예2에 대한 하중-변위 시험 결과가 도 8에 나타나 있다.
(실시예3)
실시예3은 도 3의 (f)와 같이, 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체(10)와; 상기 몸체(10)의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재(20)가 추가 구성되되, 상기 몸체(10)는 정사각형의 단면을 가지며, 상기 몸체(10)와 보강재(20)의 두께가 서로 상이하고, 상기 보강재(20)의 절곡 부위는 곡면으로 필렛처리된 것이다.
이때, 상기 몸체(10) 한 변의 길이는 70mm이며, 상기 몸체(10) 및 보강재(20)의 두께는 각각 1.5mm 및 1.6mm이고, 상기 보강재(20) 한 변의 길이는 15mm인 동시에, 그 절곡 부위는 반경 3mm로 필렛처리된 것이다.
실시예3에 대한 하중-변위 시험 결과가 도 9에 나타나 있다.
이하, 도 3 내지 도 13을 참조하여 기존의 비교예1 내지 비교예3과 본 발명의 실시예1 내지 실시예3을 비교 설명하면 다음과 같다.
이때, 도 10은 비교예 및 실시예에 대한 하중-변위 선도이며, 도 11은 비교예 및 실시예에 대한 충돌 변형 구조 및 변형 길이를 도시하는 도이다.
그리고, 도 12는 비교예 및 실시예에 대한 에너지-변위 선도이고, 도 13은 비교예 및 실시예에 대한 충돌에너지 흡수율을 도시하는 도이다.
우선, 도 10을 살펴보면, 실험을 통한 하중-변위 선도를 적분하면 에너지가 되므로, 여기에서는 각 비교예 및 실시예에 대한 선도에 대한 면적은 충격에너지가 되는 것이다.
따라서, 면적이 넓을수록 많은 충돌에너지를 흡수한 것으로, 실시예2 및 실시예3의 경우, 비교예2 및 비교예3에 비하여 상대적으로 넓은 면적을 갖으며, 이를 통하여 실시예는 비교예에 비하여 충돌에너지 흡수가 더 우수하다는 것을 알 수 있었다.
그리고, 도 11을 살펴보면, 비교예1 내지 비교예3과 실시예2에 대하여 재질을 AL6061-T6으로 적용하여, 동일한 속도, 무게 조건 상에서 충돌 해석을 수행한 결과를 나타낸 것으로, 비교예 및 실시예는 모두 우수한 접힘 양상을 나타내었다.
이때, 최종 변형 길이를 살펴보면, 실시예2는 155.1mm로, 기존의 비교예1 내지 비교예3이 각각 160.8mm, 156.3mm, 그리고 158.4mm 보다 단위 길이당 에너지 흡수율이 최대 4% 이상 우수함을 확인할 수 있었으며, 이는 전방 충돌 시험시 안전도 향상에 기여할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 도 12를 살펴보면, 상기한 충돌 해석 결과를 에너지-변위 선도로 나타낸 것으로, 실시예1 내지 실시예3이 비교예2 및 비교예3에 비하여 전반적으로 우수한 충돌에너지 흡수율을 나타내었으며, 특히, 실시예2의 경우 비교예2에 비하여 최대 12%, 그리고 비교예3에 비하여 최대 31% 충돌에너지 흡수율이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
마지막으로 도 13을 살펴보면, 객관적인 충돌에너지 흡수 성능을 평가하기 위하여 비교예1의 충돌에너지 흡수율을 100%로 설정하여 충돌에너지 흡수율을 비교해 본 결과, 실시예2의 경우 비교예1에 비하여 약 두 배인 206%향상됨을 확인하였으며, 이를 통하여 비교예1 내지 비교예3에 비하여 실시예1 내지 실시예3은 단위무게당 충돌에너지 흡수율이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명의 차량의 사이드멤버는 사각단면을 가진 몸체의 네 모서리에 사각단면이 형성되도록 보강재를 추가하여, 기존의 육각단면에서 발생하던 사이드멤버에 각종 부품 장착의 어려움을 해소할 수 있을 뿐 아니라, 경량화를 구현할 수 있으면서도 최대의 충돌에너지 흡수율을 얻을 수 있는 단면 구조를 가진 사이드멤버를 제공할 수 있다는 탁월한 효과가 있는 것이다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.
이상과 같은 본 발명은 차량의 사이드멤버에 대한 단면형상을 개선하여 경량화를 구현하면서도 차량의 전방 충돌시 충돌에너지를 효과적으로 흡수하여 탑승객의 안전성을 극대화시킬 수 있는 발명인 것이다.

Claims (8)

  1. 사각단면을 가진 파이프 형상으로 이루어진 몸체와;
    상기 몸체의 네 모서리 내측에 정사각단면이 형성되도록 'L'자형 단면의 보강재가 추가 구성되는 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 몸체 및 보강재의 재질은 AL6061-T6인 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 직사각형의 단면을 가지며, 상기 몸체와 보강재의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 몸체의 가로 및 세로의 길이는 각각 70mm 및 80mm이며, 상기 몸체와 보강재의 두께는 1.5mm이고, 상기 보강재 한 변의 길이는 13.5mm인 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 몸체는 정사각형의 단면을 가지며, 상기 몸체와 보강재의 두께가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 몸체 한 변의 길이는 70mm이며, 상기 몸체 및 보강재의 두께는 각각 1.5mm 및 1.6mm이고, 상기 보강재 한 변의 길이는 15mm인 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 보강재의 절곡 부위는 곡면으로 필렛처리된 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 몸체 한 변의 길이는 70mm이며, 상기 몸체 및 보강재의 두께는 각각 1.5mm 및 1.6mm이고, 상기 보강재 한 변의 길이는 15mm인 동시에, 그 절곡 부위는 반경 3mm로 필렛처리된 것을 특징으로 하는 차량의 사이드멤버.
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