KR20100032067A - 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔 - Google Patents

Abstract

튜브형의 메인(main)강재(10)가 하이드로포밍 방식을 통해 가압 성형됨으로써, 양단부(A)와 개방형 단면을 이루는 중앙부(C) 및 양단부(A)와 중앙부(C)를 연결하는 전이부(B)로 구성된 토션빔으로서, 메인강재(10)의 양측으로는 양단부(A) 및 전이부(B)를 감싸도록 보강강재(30)가 끼워지고, 보강강재(30)가 끼워진 상태에서 가압 성형됨으로써 양단부(A) 및 전이부(B)의 두께가 중앙부(C)보다 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔이 소개된다. 그 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔에 따르면, 전이부의 강도를 향상시키고 중앙부에서 비틀림을 소화할 수 있도록 함으로써 좀 더 향상된 성능의 토션빔을 얻을 수 있게 된다.

토션빔 강도, 현가장치

Description

이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔 {TUBE TYPE TORSION BEAM FOR REAR WHEEL SUSPENSION OF AUTOMOBILE USING DOUBLE PIPE}

본 발명은

이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔에 관한 것이다.

자동차의 현가장치(Suspension)는 주행 시에 발생하는 노면의 충격이 차체나 탑승자에게 전달되지 않도록 해주는 구조장치로서, 노면의 충격을 완화하여 승차감을 향상시키는 한편 주행 시에 노면의 접지력에 대한 조정 안정성을 높일 수 있도록 설계하여야 한다. 또한, 계속적인 노면의 충격에도 일정한 강성과 지속적인 내구 성능을 유지할 수 있도록 설계되어야 한다. 현가장치의 변형이나 크랙은 차량의 주행 안정성에 치명적인 악영향을 미치므로 내구 설계가 현가장치의 기능 설계에서 중요한 부분을 차지한다.

특히, 소형차의 후륜 현가장치로서 주로 사용되는 토션빔 현가장치는 토션빔에 계속적인 비틀림 하중이 작용하므로 토션빔의 안정적인 내구 설계가 필요하다. 이러한 토션빔 현가장치에 있어서 토션빔의 단면 형상은 내구 성능에 중요한 역할을 한다. 토션빔의 단면 형상은 차량의 특성에 따라 다양하게 설계가 가능하지만 단면 형상은 설계 초기에 차량의 롤 강성 및 롤 강도와 관련하여 결정하여야 하므로 이에 대한 면밀한 검토가 필요하다.

다시 말해, 토션빔은 좌측 차륜과 우측 차륜을 연결하므로 차량 주행 시에 후륜 현가장치의 전체 강성을 유지하고 동역학적 특성을 결정하는데 중요한 구성요소이다. 따라서 토션빔은 좌측차륜과 우측차륜이 역방향 운동을 할 때 발생되는 비틀림 변형이나 벤딩 변형에 대해 차량의 중량에 맞추어 적절한 롤 강성을 가지도록 설계되어야 할 뿐만 아니라, 수직응력과 전단응력이 집중되므로 적절한 롤 강도를 가지도록 설계되어야 하며 주행에서 오는 피로 수명이 유지되도록 설계되어야 한다.

토션빔은 트레일링 아암에 결합된 위치에 따라서 크게 세 가지 종류로 분류 된다. 첫번째는 토션빔을 마운팅 부쉬쪽에 결합하는 경우이다. 이 경우는 토션빔이 순수하게 토션 하중만을 전달하기 때문에, 양 측단에 수평 하중이 작용할 때는 마운팅 부위에서 모멘트가 크게 작용하므로 마운팅되는 길이를 조절해야 하는 단점이 있다. 두번째는 토션빔을 트레일일 아암 중간에 결합하는 경우로서, 토션빔이 벤딩 하중을 크게 전달받게 된다. 토션빔이 이러한 하중을 견디기 위해서는 단면적이 커야되기 때문에, 요구 강성을 만족하지 못하는 경우가 발생하게 된다. 그러므로, 토션빔이 받는 하중을 줄여야 할 필요가 있다. 하중을 줄이는 방법은 트레일링 아암의 단면형상을 조정하는 방법과 결합부위를 용접이 아닌 부쉬를 이용하는 방법이 있는데, 보통의 경우 트레일링 아암의 단면 형상을 변경하는 방법을 널리 사용한다. 마지막으로 위의 두 가지를 혼합한 형태로서, 토션빔을 트레일링 아암의 가운 데와 마운팅 부쉬 사이에 결합하여 토션과 벤딩을 동시에 받는 경우이다.

즉, 결합부의 위치에 따라 벤딩을 최소화시켜 토션이 빔에 주로 작용하도록 설계가 가능하다. 그러므로, 토션빔을 개방형 단면으로 설계가 가능하며 또한, 힘의 작용점에서 마운팅 부쉬까지의 길이가 너무 길지 않으므로, 수평 하중을 충분히 견딜 수 있다. 이러한 토션빔을 보통 CTBA(Coupled Tortion Beam Axle)이라고 부른다. 그러나 이러한 개방형 단면의 토션빔의 경우 강도와 강성을 동시에 만족시키는 형상을 얻기가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 개방형 단면을 갖도록 하면서 동시에 토션빔에 필요한 강도와 강성을 갖출 수 있는 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔은, 튜브형의 메인(main)강재가 하이드로포밍 방식을 통해 전체 길이에 걸쳐 각각 다른 형상으로 가압 성형됨으로써 트레일링 아암에 폐쇄형 단면을 이루며 결합되는 양단부와 "V"자형의 개방형 단면을 이루는 중앙부 및 단면이 변화되면서 상기 양단부와 중앙부를 연결하는 전이부로 구성된 토션빔에 있어서, 상기 메인강재의 양측으로는 양단부 및 전이부를 감싸도록 형성된 튜브형의 보강강재가 끼워지고, 이 보강강재가 끼워진 상태에서 메인강재가 가압 성형됨으로써 양단부 및 전이부의 두께가 중앙부보다 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강강재는 그 두께가 3 mm 이내이고 상기 메인강재의 외주면에 밀착되며 끼워지도록 형성될 수 있다.

한편, 상기 메인강재는 보강강재가 끼워지고 용접을 통하여 결합된 후 가압 성형될 수 있다.

또한, 상기 메인강재는 보강강재가 끼워진 후 보강강재와 함께 비드가 형성되도록 가압 성형될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔에 따르면, 튜브형의 강재를 하이드로포밍 방식으로 성형함으로써 토션빔이 개방형 단면을 가지면서도 강도와 강성을 확보할 수 있다.

또한, 그 튜브형 강재의 양단 외측에 보강의 강재를 결합한 후 성형함으로써 전이부의 강도를 향상시키고 중앙부에서 비틀림을 소화할 수 있도록 함으로써 좀 더 향상된 성능의 토션빔을 얻을 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔을 나타낸 사시도이다. 그 토션빔은 튜브형의 메인(main)강재(10)가 하이드로포밍 방식을 통해 전체 길이에 걸쳐 각각 다른 형상으로 가압 성형됨으로써, 트레일링 아암에 폐쇄형 단면을 이루며 결합되는 양단부(A)와 "V"자형의 개방형 단면을 이루는 중앙부(C) 및 단면이 변화되면서 상기 양단부(A)와 중앙부(C)를 연결하는 전이부(B)로 구성된 토션빔으로써, 상기 메인강재(10)의 양측으로는 양단부(A) 및 전이부(B)를 감싸도록 형성된 튜브형의 보강강재(30)가 끼워지고, 이 보강강재(30)가 끼워진 상태에서 메인강재(10)가 가압 성형됨으로써 양단부(A) 및 전이부(B)의 두께가 중앙부(C)보다 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.

토션빔은 튜브형의 봉 형상인 메인강재(10)의 양단에 일정길이의 보강강 재(30)를 끼움 결합하고, 이를 하이드로포밍 방식에 의해 일체로 성형하는 것이다. 하이드로포밍 방식은, 원형 단면을 가진 튜브형 강재를 하이드로포밍의 금형에 안착시키기 위해 예비 성형을 하는 프리포밍 단계; 프리포밍된 튜브형 강재를 하부 금형에 안착시키고 상부 금형을 하강시키는 하이드로포밍 준비단계; 및 금형의 양측에 설치된 액셜 펀치를 통해 밀폐시킨 다음 작동유를 공급하여 가압함으로써 토션빔을 최종 성형함과 동시에 액셜 펀치를 이용해 강재의 양단을 피딩함으로써 양단부의 두께가 상기 중앙부에 비하여 증가되도록 해주는 단계로 구성된다.

도 2는 토션빔이 설치된 현가장치의 사시도이다. 토션빔 현가장치는 좌, 우 한쌍의 트레일링 아암(2)이 토션빔(10)에 의해 상호 연결되고, 트레일링 아암(2)의 앞단부에는 러버부쉬가 장착된 부쉬 슬리브(1)가 차체에 피봇식으로 결합된다. 또한, 트레일링 아암(2)의 후단부 안쪽에는 현가 스프링이 장착되는 스프링 시트(3)와 쇽 업쇼버가 장착되는 댐퍼 브래킷(4)이 설치되고, 트레일링 아암(2)의 후단부 바깥쪽에는 자동차의 후륜을 결합시키기 위하여 휠 캐리어(5)와 스핀들 플레이트(6)가 설치된다. 상기한 부쉬 슬리브(1), 트레일링 아암(2), 스프링 시트(3), 댐퍼 브래킷(4), 휠 캐리어(5) 스핀들 플레이트(6)는 토션빔 현가장치를 구성하는 기본 구성요소이다. 그러한 토션빔은 메인강재(10)와 보강강재(30)로 구성되고 양단부(A)로부터 그 단면적이 점차 좁아지도록 성형되어 최종적으로 중앙부(C)에서 일정하게 유지되도록 한다. 또한, 보강강재(30)는 그 두께가 3 mm 이내인 튜브형 강재로써, 메인강재(10)의 외주면에 밀착되며 끼워지도록 형성된다. 두께가 3 mm를 넘을 경우에는 하이드로포밍의 성형성이 악화되기 때문이다. 또한, 그 길이는 양단 부(A)를 시작으로 전이부(B)를 포함하도록 형성된다. 그 이유는 후술하기로 한다.

도 3은 토션빔에 보강강재가 결합되지 않은 경우의 응력분포도이고, 도 4는 보강강재가 결합된 경우의 응력분포도이다. 이를 참고하여 보강강재가 결합되는 이유 및 그 길이가 전이부를 포함하도록 형성되는 이유를 살펴본다.

토션빔의 경우 차축 현가장치로써 분류가 되지만 최근에 들어 승차감과 조정안정성을 요구하기 때문에 독립현가장치로써 어느 정도의 역할을 하기 위해 비교적 낮은 요구 강성을 갖도록 설계되어야 한다. 특히, 폐단면을 갖는 본 발명의 토션빔의 경우 전이부가 존재하며 이 부위에서 최대응력값을 갖게 된다. 이러한 최대응력값을 낮추기 위해 두께의 증가, 전체적인 부피 증가, 단면 증가 등을 통하여 응력을 낮출 경우 롤 강성이 상대적으로 많이 증대되어 독립현가장치의 역할을 기대할 수 없게 된다. 따라서, 전체적인 두께, 단면적, 형상의 변경 없이 그 요구 강성을 어느 정도 수준에서 유지시키기 위해 보강강재를 사용한다. 보강강재를 사용하여 최대응력이 발생하는 전이부의 두께만이 증대되도록 하고, 이를 설계하기위해 유한요소방법을 이용한다.

유한요소 모델링으로 연속체 내부의 응력을 구하기 위해서는 실제 모델에 얼마나 근사하게 모델링 되었는지 여부가 매우 중요하다. 보통 샤시계의 성능 검토를 위한 유한요소 모델링 방법은, 링크 시스템은 빔 요소로, 강성특성을 나타내야 되는 부품의 경우는 스프링 요소를 가지고 모델링 한다. 특히, 실제 이러한 모델의 구조해석을 수행하면 선행 해석결과와 실제 부품의 실험 결과와는 많은 차이가 발생하는데, 이때는 부재들의 강성 값을 조정함으로써 사용된 모델을 수정하여 최종 모델을 완성하게 된다. 토션빔 부품의 유한요소 모델링은 복잡한 형상과 구조 때문에 실제와 최대한 비슷하게 모델링 하기 위해 많은 시간이 요구된다. 이러한 이유로 전체적인 모델링을 4절점 쉘을 많이 사용하지만, 두꺼운 부재의 경우 일반적인 쉘 이론으로는 정확한 해를 얻을 수가 없다. 솔리드로 모델링 할 경우 두꺼운 브라켓 및 용접부 모델의 정확도를 높일 수 있으나, 계산 시간 및 매우 얇은 부재의 경우 쉘 잠김 현상으로 인해 해가 수렴하지 않고 발산하는 단점이 있다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해 솔리드와 쉘(Quad4, Tria3)을 적절히 조절하여 구조적 성능을 유지하도록 메쉬(Mesh) 모델링 작업을 수행하였고, 부쉬 및 체결부위는 강체요소(RBE2,RBE3)를 사용하여 모델링 한다.

실제 차량이 주행을 하면 현가장치는 롤링 운동을 하게 되고, 그 결과 반복적인 토션과 벤딩 하중을 받게 된다. 롤 강성은 휠 마운팅부의 spindle center 사이의 tread 대비 수직방향으로 거동에 대한 변위조건을 부과하여 그 절점에서 계산되어 얻어진 반력을 가지고 계산된다. 응력 정보는 현가장치의 체결부위에 경계조건과 하중 조건을 부과한 후, 구조해석을 수행하여 얻을 수 있다. 이때, 하중은 비틀림 jounce, rebound 하중을 부과하였다. 경계조건은 실제 현가 장치와 가장 근접하게 모델링 하기 위해 inertia relief 가상 경계 조건을 이용하였다.

튜브형태의 빔의 경우 수직응력과 전단응력의 조합으로 이루어진 응력을 기준으로 안정성을 평가한다. 이러한 응력은 보통 전이부에서 발생하게 된다. 특히 비대칭 토션빔의 경우 응력의 위치이동이 거의 발생하지 않는다. 이러한 현상은 외부에 작용하는 하중에 의한 저항을 전이부에서 일차적으로 감쇠를 시키기 때문이 다. 롤 강성 평가시에는 반력값이 가장 큰 영향력을 주는 인자인데, 반력은 외부 변위하중에 의한 결과값으로 토션빔이 쉽게 비틀어질 경우 반력값은 낮은 값을 갖게 되고 잘 비틀어지지 않을 경우 상대적으로 높은 값을 갖게 된다. 결국, 토션빔의 중앙부 또는 전이부가 가장 큰 영향력을 가지는 부위가 된다. 그러나 전이부에의 응력 집중은 부품의 파손과 직결되므로 토션빔의 중앙부가 잘 비틀어지게 하는 방법이 가장 효과적이다. 이러한 강도와 강성의 특성을 만족시키기 위한 방법 중에 하나가 보강강재를 이용하는 방법이다. 보강강재를 이용하여 최대응력부가 존재하는 전위부는 두껍게 할 수 있으며, 강성에 영향력을 주는 빔의 중앙부는 상대적으로 얇게 설계할 수 있기 때문이다.

표 1은 보강강재가 결합된 경우와 그렇지 않은 경우의 강도와 강성을 비교한 데이터이다. 도 3의 a,b점은 각각 작용하는 최대응력과 최저응력의 노드(node)를 의미하고, 도 4의 c,d 역시 최대응력과 최저응력의 노드(node)를 의미한다. 보강강재가 없는 경우인 도 3의 a점은 704 MPa의 응력이 작용되고 보강강재가 있는 c점은 665 MPa의 응력이 작용된다. 이는 동일한 전이부에 최대응력이 작용하며 그 값이 5.5 % 감소됨을 나타내는 것으로써, 전이부의 강도가 향상되었음을 의미한다. 또한, 전이부의 강도가 향상됨에도 불구하고 전체적인 강성의 경우 거의 변화가 없어 중앙부에서 흡수되는 비틀림의 양은 거의 동일함을 알 수 있다. 즉, 종래보다 뛰어난 강도를 확보하면서도 종래와 대등한 강성 역시 확보되는 것이다.

이러한 보강강재의 결합방식은 크게 두 가지가 가능하다. 그 중 하나는 용접을 이용한 것으로써, 메인강재(10)에 보강강재(30)가 끼워지고 메인강재와 보강강재가 용접을 통하여 결합되도록 한다. 결합 후 하이드로포밍을 이용하여 토션빔이 가압 성형되도록 하는 것이다.

또 다른 하나는, 메인강재(10)에 보강강재(30)가 끼워진 후 보강강재(30)와 함께 비드(32)가 형성되도록 가압 성형하는 것이다. 메인강재(10)와 보강강재(30)가 함께 동일한 형상으로 성형됨과 동시에 금형에 비드(32) 형상을 추가하여 메인강재(10)와 보강강재(30)가 비드(32)를 통하여 결착되며 결합 후 유동되지 않도록 하는 것이다. 이러한 비드 형상은 도 1에 잘 도시되어 있다. 비드(32) 형상의 추가는 메인강재와 보강강재의 결합력뿐만 아니라 토션빔의 전이부의 강도 증대에도 영향을 미친다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔을 나타낸 사시도.

도 2은 도 1에 도시된 토션빔이 설치된 현가장치의 사시도.

도 3는 도 1에 도시된 토션빔에 보강강재가 설치되지 않은 경우의 응력 분포도.

도 4는 도 1에 도시된 토션빔에 보강강재가 설치된 경우의 응력 분포도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

A : 양단부 B : 전이부

C : 중앙부 10 : 메인강재

30 : 보강강재 32 : 비드

Claims (4)

1. 튜브형의 메인(main)강재(10)가 하이드로포밍 방식을 통해 전체 길이에 걸쳐 각각 다른 형상으로 가압 성형됨으로써, 트레일링 아암(2)에 폐쇄형 단면을 이루며 결합되는 양단부(A)와 "V"자형의 개방형 단면을 이루는 중앙부(C) 및 단면이 변화되면서 상기 양단부(A)와 중앙부(C)를 연결하는 전이부(B)로 구성된 토션빔에 있어서,

   상기 메인강재(10)의 양측으로는 양단부(A) 및 전이부(B)를 감싸도록 형성된 튜브형의 보강강재(30)가 끼워지고, 이 보강강재(30)가 끼워진 상태에서 메인강재(10)가 가압 성형됨으로써 양단부(A) 및 전이부(B)의 두께가 중앙부(C)보다 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 보강강재(30)는 그 두께가 3 mm 이내이고 상기 메인강재(10)의 외주면에 밀착되며 끼워지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 메인강재(10)는 보강강재(30)가 끼워지고 용접을 통하여 결합된 후 가 압 성형되는 것을 특징으로 하는 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 메인강재(10)는 보강강재(30)가 끼워진 후 보강강재(30)와 함께 비드(32)가 형성되도록 가압 성형되는 것을 특징으로 하는 이중관을 이용한 차량의 후륜 현가장치용 튜브형 토션빔.

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