KR20130050413A - 토션 빔 성형 방법, 토션 빔, 및 토션 빔 모듈 - Google Patents

토션 빔 성형 방법, 토션 빔, 및 토션 빔 모듈 Download PDF

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KR20130050413A
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정기석
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Abstract

본 발명은 토션 빔과 트레일링 암의 연결에 있어서 별도의 용접 보강재를 배제하는 것이 가능한 토션 빔 및 이을 제작하는 방법을 제공하는 것으로 본 발명은 튜브를 성형하도록 준비하는 준비 공정 및 튜브의 단부의 두께를 증가시키면서 확관시키도록 하이드로 포밍 공법으로 수행되는 확관 공정을 포함하는 토션 빔 성형 방법을 제공하며, 차량의 바퀴가 장착되는 한 쌍의 트레일링 암; 및 상기 트레일링 암과 양 단부가 용접되며, 튜브 부재로 성형된 토션 빔을 포함하며, 상기 토션 빔은 상기 트레일링 암과 용접되는 양 단부가 중앙부보다 두꺼운 토션 빔 모듈을 제공한다.

Description

토션 빔 성형 방법, 토션 빔, 및 토션 빔 모듈{Torsion Beam, Torsion Beam Module and Torsion Beam Producing Method}
본 발명은 차량의 현가장치 등에서 사용하는 토션 빔 및 이를 성형하는 방법에 대한 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. 그 중 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)는 차량이 선회할 때 차체의 흔들림을 잡아주며, 차량의 균형을 유지할 수 있도록 하기 때문에 승차감을 높여주는 역할을 한다.
CTBA모듈에서 토션 빔에 가해지는 하중을 분석해보면, 차량이 도로를 주행할 때 지면에서부터 가해지는 비틀림 하중, 차량이 선회하거나 주행과 정지 시 가해지는 전/후, 좌/우 하중 등으로 나뉘어지기 때문에, 각각의 하중에 대한 강성과 내구특성이 요구된다.
대한민국 공개특허 제2006-0067546호에 개시된 바와 같이, 종래의 자동차의 후륜 현가장치용 CTBA는 도 1과 같이 토션 빔(1) 및 이에 연결된 트레일링 암(2), 트레일링 암(2)에 연결된 스프링 시트(3)를 포함하여 구성된다.
도 1 에 보이듯이, 토션 빔(1)과 트레일링 암(2) 사이에 보강재(4, 5)를 부가함으로써 차량주행 중 외력에 의한 토션 빔과 트레일링 암 사이의 용접부에 작용하는 하중을 분산시킴으로 써 용접부 파손을 방지하고자 하였다. 또한, 용접부를 강건하게 하기 위해 토션 빔과 트레일링 암 사이를 후열처리를 통해 잔류응력을 완화시켜 줌으로써 내구특성의 향상 시키도록 설계되었다.
그러나, 기존의 토션 빔과 같이 보강재를 사용할 경우 CTBA의 중량이 증가하여 차량의 연비를 저하시키고, 이산화탄소 배출량을 증가시키는 요인이 된다. 보강재를 제거할 경우 기존의 토션 빔은 스템핑 공법으로 설계가 되었기 때문에 토션 빔과 트레일링 암 사이의 용접부가 취약하여 내구성이 떨어지는 단점이 있으며, 내구성을 높이기 위해 열처리를 할 경우 공정비용이 증가하는 요인이 된다.
한편, 소재를 가공하는 방법으로 등록특허 제1060865호에는 하이드로 포밍 방법이 소개되어 있다. 하이드로 포밍은, 도 2a 및 도 2b에서 도시한 바와 같이, 하이드로 포밍 장치(100)의 하부금형(110b)에 소재 즉, 성형되는 튜브(또는 관재)(130)가 로딩되고, 상부금형(110a)이 프레스로 하강한 상태에서, 튜브 양단에 배치되는 액셜 실린더(120)의 액셜 펀치(122)가 축방향으로 진행된후 실링됨과 동시에, 축압(axial compress)이 가해져, 금형의 합형 및 액셜 펀치의 장착이 완료된다.
이때, 튜브(130)는, 하부금형과 상부금형 및 양측 액셜 펀치(122)에 의해 실링상태로 고정된 상태에서, 액셜 펀치의 축압과 함께, 튜브의 내부로 액압(화살표)이 인가되고, 금형의 제품성형부(면)(f)에서의 튜브가 확관 성형되는 것이다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토션 빔과 트레일링 암의 연결에 있어서 별도의 용접 보강재를 배제하도록 용접부의 면적을 증대시킨 토션 빔 및 이을 제작하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은 용접 보강재의 필요성을 배제하여 차량의 경량화를 가능하게 하는 토션 빔을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하도록 다음과 같은, 토션 빔 성형 방법, 이에 의해 성형된 토션 빔 및 토션 빔 모듈을 제공한다.
본 발명은 튜브를 성형하도록 준비하는 준비 공정 및 튜브의 단부의 두께를 증가시키면서 확관시키도록 하이드로 포밍 공법으로 수행되는 확관 공정을 포함하는 토션 빔 성형 방법을 제공한다.
이때, 상기 확관 공정은 상기 튜브의 단부의 두께를 증가시키도록 상기 튜브를 금형에 안착시킨 후 액셜 펀치로 피딩할 수 있다.
또, 확관 공정 전에 상기 튜브의 단부를 벤딩 성형하는 벤딩 공정; 및 상기 확관 공정 후 확장된 토션 빔 단부를 가지도록 벤딩된 부분을 커팅하는 마무리 단계 포함하며, 용접부의 면적을 증대시키는 것이 가능하다.
또한, 상기 벤딩 공정은 상기 튜브의 단부를 5~45도 사이로 꺽는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기 확관 공정 전에 하이드로 포밍 금형 안착을 위한 프리 포밍 공정을 포함할 수 있다.
본 발명은 길이 방향의 양 단부에서 트레일링 암과 용접되도록 구성된 용접부; 및 상기 용접부에 연결되며 길이 방향에 따른 단면이 폐곡선으로 형성되는 중앙부를 포함하며, 상기 용접부는 상기 중앙부의 두께보다 큰 두께를 가지는 토션 빔을 제공한다.
이때, 상기 용접부는 트레일림 암과의 용접성 확보를 위하여 길이 방향에 대하여 꺽어져 형성될 수 있다.
본 발명은 상술한 토션 빔과 상기 토션 빔의 용접부와 용접되며, 차량의 바퀴가 장착되는 트레일링 암을 포함하는 토션 빔 모듈을 제공한다.
본 발명은 위와 같은 구성을 통하여, 토션 빔과 트레일링 암의 연결에 있어서 용접 보강재와 함께 기존의 토션 빔과 동등한 수준의 롤 강성(Roll stiffness), 롤 내구성(Roll durability), 변형 특성을 별도의 용접 보강재 없이도 달성하는 토션 빔 및 이을 제작하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 용접 보강부의 필요성을 배제하여 차량의 경량화를 가능하게 하는 토션 빔 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 종래의 커플드 토션 빔을 도시한 도면이다.
도 2a, b 는 종래의 하이드로 포밍 공법의 개략도이다.
도 3 는 본 발명의 토션 빔이 트레일링 암에 연결된 토션 빔 모듈의 사시도이다.
도 4 은 본 발명의 토션 빔을 제작하는 공정의 개략도이다.
도 5 는 본 발명의 토션 빔의 공정에 따른 토션 빔의 도면으로, (a)에는 벤딩 공정 후 토션 빔이, (b) 에는 프리 포밍 공정 후 토션 빔이, (c) 에는 확관 공정 후 토션 빔이, (d) 마무리 공정 후 완성된 토션 빔이 도시되어 있다.
도 6 는 확관 공정 후 토션 빔에서 마무리 공정에서 커팅되는 부분 및 토션 빔 단부의 튜브 두께를 도시한 도면이다.
도 7 은 벤딩에 의해서 용접부가 확대되는 것을 도시한 개략도이다.
도 8 은 동일한 트레일링 암에 비교예 및 실시예가 용접되었을 때, 동일한 하중을 가하였을 때, 응력을 도시한 도면으로 (a)에는 비교예 1의 응력 분포를, (b)에는 비교예 2의 응력 분포를, (c)에는 실시예의 응력 분포를 도시한 도면이다.
이하에서는 참조된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적 내용에 대하여 설명하도록 한다.
도 3 에는 본 발명의 토션 빔이 트레일링 암에 연결된 토션 빔 모듈의 사시도가, 도 4 는 본 발명의 토션 빔을 제작하는 공정의 개략도가, 도 5(a)에는 벤딩 공정 후 토션 빔이, 도 5(b) 에는 프리 포밍 공정 후 토션 빔이, 도 5(c) 에는 확관 공정 후 토션 빔이, 도 5(d) 마무리 공정 후 완성된 토션 빔이 도시되어 있다.
도 3 에서 보이듯이, 본 발명의 토션 빔 모듈은 토션 빔(10) 및 트레일링 암(30)을 포함하며, 트레일링 암(30)은 토션 빔(10)과 용접되며, 그에 따라서 트레일링 암(30)과 토션 빔(10)은 연결되어 토션 빔 모듈을 형성한다.
도 3 에서 도시하지는 않았지만, 트레일링 암(30)은 종래의 트레일링 암(30)과 동일하게 스프링 시트(3; 도 1 참고)와 차량의 바퀴가 연결되게 된다. 트레일링 암(30), 스프링 시트(3) 등은 종래의 트레일링 암 및 스프링 시트와 동일하므로, 본 발명에서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 토션 빔(10)의 성형 방법이 도 4 에 도시되어 있다. 도 4 에서 보이듯이, 본 발명의 토션 빔(10)은 튜브를 준비하는 준비 공정(S10), 준비된 튜브의 단부(13)를 소정의 각도록 벤딩하는 벤딩 공정(S20), 단부(13)가 벤딩된 튜브를 하이드로 포밍 공정(S40)의 금형에 삽입될 수 있도록 프리 포밍하는 프리 포밍 공정(S30), 프리 포밍되어 금형에 삽입된 튜브의 양 단부를 막은 후 액셜 편치를 튜브 단부에 삽입한 후 튜브 내부에 수압을 가하여 튜브를 금형 형상으로 하이드로 포밍하는 확관 공정(S40), 및 하이드로 포밍으로 확관된 튜브에서 벤딩된 벤딩부를 트레일링 암(30)에 대응되는 형상으로 커팅하는 마무리 공정(S50)을 거치면서 최종적으로 본 발명의 토션 빔(10)이 완성된다.
공정 단계에서의 토션 빔(10)이 도 5(a) 내지 5(d)에 도시되어 있으므로, 이를 참고로 하여 본 발명의 공정 단계에 대하여 살펴본다.
도 5(a)에서 보이듯이, 준비 공정(S10)에서 원형의 단면을 가지며, 직선 형상의 튜브는 단부(13)가 벤딩된다. 벤딩 공정(S20)은 벤딩기등 종래에 알려진 벤딩 작업기를 통하여 수행될 수 있으며, 후에 실질적으로 꺽어지는 벤딩부(12)를 중심으로 커팅 공정(S50)이 수행된다.
이렇게 벤딩 공정(S20)을 거쳐서 단부(13)가 꺽어진 튜브는 중앙부(11) 및 단부(13)가 하이드로 포밍 공정(S40)에서 사용되는 금형에 삽입될 수 있도록 프리 포밍 공정(S30)이 수행된다. 프리 포밍 공정(S30)은 확관 공정(S40)으로 수행되는 하이드로 포밍 방법에서 수행될 수 있는 변형이 제한되어 있으므로, 이 범위 내에서 확관 공정(S40)이 수행될 수 있도록 하는 공정으로, 본 발명에서 사용되는 하이드로 포밍 방법이 아닌 일반적인 하이드로 포밍에서도 사용되므로, 구체적 설명을 생략하도록 한다.
프리 포밍 공정(S30)에서는 튜브는 전체적으로 눌려지게 되며, 중앙부(11)는 대략 'U'자 형으로 성형되어, 확관 공정(S40)에 사용되는 하이드로 포밍 금형에 삽입 가능하게 성형된다.
프리 포밍 공정(S30)까지 마친 튜브는 하이드로 포밍 방법으로 확관 공정(S40)이 수행된다. 하이드로 포밍 공정(S40)은 일반적 하이드로 포밍 공정과 동일하게 튜브를 금형에 삽입한 후, 튜브의 양 단부(13)를 막으며, 그 후 막힌 양 단부(13) 내부로 액셜 펀치(도 2a의 도면 부호 122 참조)가 삽입된다.
액셜 펀치는 고압의 유체로 튜브 내부를 가압하며, 그에 따라서, 튜브를 금형의 형상으로 성형한다. 이때, 액셜 펀치는 튜브의 밀봉을 위하여 튜브를 가압하도록 피딩되는데, 이때의 가압피딩 효과, 즉, 액셜 펀치의 축방향 압력에 의해서, 튜브의 양 단부(13)는 금형 내부에서 가압되며, 그에 따라서 튜브의 단부(130)의 두께가 두꺼워지게 된다.
이와 관련하여 도 6 에는 DP780 강종에 대한 하이드로 포밍 성형을 해석한 결과를 나타내고 있어 확관 공정(S40) 후의 단부에서의 두께가 두꺼워지는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 6 에서는 하이드로 포밍의 피딩 효과에 의해서 튜브의 단부(13)에서의 두께가 증대된 것을 확인할 수 있으며, 토션 빔(10)의 단부가 되게 하는 커팅 라인(15)에서는 성형 전에 3.4mm 의 두께를 가지는 튜브가 최대 3.8mm 수준의 두께를 가지게 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 중앙부(11)에 비하여 단부(13)가 더 두꺼운 두께를 가지는 것으로, 후에 트레일링 암과 용접될 용접부(14)의 두께를 확보하는 결과를 가져온다.
한편, 도 5(d)에서 보이듯이, 하이드로 포밍 공정(S40)을 마친 튜브는 벤딩부(12)를 중심으로 용접될 트레일링 암(30)의 형상에 맞도록 커팅된다. 커팅되는 커팅 라인(15)은 도 6 에 도시되어 있다.
본 발명에서 이러한 커팅은 벤딩부(12)를 중심으로 트레일링 암(30)의 형상에 맞도록 이루어지는데, 그에 따라서 벤딩된 각에 비례하여 트레일링 암(30)과의 용접되는 면적이 증대될 수 있다. 즉, 트레일링 암(30)이 동일할 때, 벤딩되는 각(θ)이 클수록 트레일링 암(30)과 맞닿는 용접부의 면적이 대략적으로 (1/cosθ)의 관계로 증대될 수 있다(도 7 참고).
이때 벤딩되는 각(θ)은 5~45°사이인 것이 유리한데, 5°미만인 경우에는 벤딩에 따른 용접부 면적의 증대가 적어 효과가 발현되지 않으며, 45°초과인 경우에는 하이드로 포밍의 수행이 곤란하기 때문이다.
본 발명의 토션 빔(10)은 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 튜브 부재로 성형되기 때문에, 중앙부(11)에서 길이방향에 따른 단면이 폐곡선을 형성하며, 트레일링 암과 용접될 용접부(14)의 증대를 위하여 벤딩부(12)를 중심으로 용접부(14)가 형성되므로, 용접부(14)는 꺽어진 형상을 가진다.
또한, 상기 용접부(14)는 상기 중앙부(11)보다 큰 두께를 가져서 트레일링 암(30)과 용접되는 용접부의 면적이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 토션 빔(10)은 종래의 토션 빔(1)과 동등 수준의 롤 강성(Roll stiffness), 롤 내구(Roll durability), 변형특성을 유지하면서, 토션 빔(10)의 가장 가혹한 조건인 고속대입력 하중 조건 하에서의 내구특성을 향상시킬 수 있다. 이는 하이드로 포밍의 피딩 효과에 의해 토션 빔의 양 끝단의 두께를 증가시키고, 확관에 의해 토션 빔과 트레일링 암의 용접면적을 넓힘으로써 용접부의 내구성이 향상되기 때문이다.
본 발명에 의해 성형된 토션 빔(10)의 성능을 평가하기 위하여 유한 요소 해석을 통하여, 롤 강성 및 구조해석, 전/후 강성 및 구조해석, 좌/우 변형, 고속대입력 구조 해석 평가를 수행하였다.
우선, 부쉬(2a; 도 1 참고)의 물성을 고려하면서 병진 운동을 구속하고, 트레일링 암에서 휠 센터 부위를 한쪽은 수직방향으로 +1mm, 다른 한 쪽은 -1mm 변위를 부하하였으며, 아래의 식 1 의 공식을 통하여 롤 강성을 계산하였다.
Figure pat00001
...(식 1)
여기서, 차륜거리는 한 휠센터와 다른 휠센터 사이의 거리를 나타내며, 반력(Reaction force)는 트레일링 암의 휠센터 노드에 발생하는 반력을 나타낸다.
이에 따라서 해석된 결과나 아래의 표 1 에 도시되어 있다.
비교예 실시예
반력(Reaction Force) 28.11N 28.13N
롤 강성(Roll Stiffness) 557Nm/deg 557Nm/deg
비교예는 벤딩이나, 하이드로 포밍의 피딩 효과에 의해 양 끝단의 두께가 증대되지 않은 상태로 성형된 토션 빔이며, 실시예는 벤딩 및 하이드로 포밍의 피딩에 의해 양 끝단의 두께가 증대된 토션 빔 만이 차이가 있을 뿐, 나머지 구성은 비교예와 실시예 모두 동일한 조건(예를 들어, 동일한 트레일링 암에 용접)에서 실험하였다. 표 1 에서 확인할 수 있듯이, 비교예와 실시예 모두 토션 빔의 반력은 거의 동일하였으며, 롤 강성 계산 시 모두 동등한 수준의 롤강성을 보이는 것을 알 수 있다.
한편, 변형에 대한 강도를 평하가기 위하여 전/후 변형의 구속 조건은 휠센터에서 차량 전방으로 100mm를 부하하였으며, 좌/우 변형의 구속조건은 타이어 끝단에 해당되는 지점의 노드를 차량의 내측 방향으로 100mm 변위를 부하하였다. 이으며, 그 결과가 아래의 표 2 에 나타나 있다.
토션빔 타입 최대 반력

전/후 변형
 비교예 1 56,522N
비교예 2 50,559N
실시예 56,129N

좌/우 변형
 비교예 1 26,795N
비교예 2 26,474N
실시예 26,510N
여기서, 비교예 1 은 토션 빔의 성형에서 벤딩이나, 하이드로 포밍의 피딩 효과에 의해 양 끝단의 두께가 증대되지 않은 상태로 성형된 토션 빔으로, 강성 보강을 위하여 보강재(5; 도 7a 참고)가 부착된 상태로 실험하였으며, 비교예 2 는 비교예 1과 동일하나 보강재를 제거한 상태로 실험하였다. 실시예의 경우 본 발명의 토션 빔 성형 방법으로 소재를 가공하였다.
표 2 에서 확인할 수 있듯이, 전/후 변형에서 비교예 1의 경우 최대 반력이 56,522N, 비교예 2 의 경우 최대 반력이 50,559N, 실시예의 경우 56,129N 이 나왔으며, 특히 비교예 2 와 같이 보강재를 제거한 경우에 5,000N 정도 강성이 낮아지나, 실시예의 경우에는 보강재가 없음에도 기존의 토션 빔과 동등한 수준의 강성을 유지할 수 있다.
또한, 좌/우 변형의 경우 비교예 1, 2 및 실시예가 동등한 수준의 강성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 8 에서는 고속대입력 하중 조건에 따라서 평가된 비교예 1, 2 및 실시예의 유한 요소 모델 해석 결과의 응력 분포가 도시되어 있다. 고속대입력 하중에서의 구속조건은 양쪽 휠 센터 노드에서 차량 후방 방향으로 11.35kN, 내측 방향으로 3.0kN, 타이어 끝단 노드에서 차량 바깥쪽으로 3.5kN의 하중을 부여하는 것이다.
비교예 1 의 경우 A 지점, 즉, 보강재와 토션 빔의 용접부에서 255MPa가 최대 응력값으로 나왔으며, 비교예 2 의 경우 B 지점, 즉, 토션 빔과 트레일링 암의 용접부에서 339MPa가 최대 응력값으로 나왔으며, 실시예의 경우 C 지점, 즉, 토션 빔과 트레일링 암의 용접부에서 203MPa 가 최대 응력값으로 발생하였다.
내구성은 응력이 작을수록 유리하기 때문에, 실시예의 토션 빔이 비교예 2 및 보강재를 포함하는 비교예 1 에 비하여도 내구성이 좋다는 것을 확인할 수 있다.
10: 토션 빔 11: 중앙부
12: 벤딩부 13: 단부
14: 용접부 15: 커팅 라인
30: 트레일링 암

Claims (8)

  1. 튜브를 성형하도록 준비하는 준비 공정 및
    튜브의 단부의 두께를 증가시키면서 확관시키도록 하이드로 포밍 공법으로 수행되는 확관 공정을 포함하는 토션 빔 성형 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 확관 공정은 상기 튜브의 단부의 두께를 증가시키도록 상기 튜브를 금형에 안착시킨 후 액셜 펀치로 튜브의 단부를 축방향으로 가압피딩하는 것을 특징으로 하는 토션 빔 성형 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 확관 공정 전에 상기 튜브의 단부를 벤딩 성형하는 벤딩 공정; 및 상기 확관 공정 후 확장된 토션 빔 단부를 가지도록 벤딩된 부분을 커팅하는 마무리 단계 포함하는 것을 특징으로 하는 토션 빔 성형 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 벤딩 공정은 상기 튜브의 단부를 5~45도 사이로 꺽는 것을 특징으로 하는 토션 빔 성형 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 확관 공정 전에 하이드로 포밍 금형 안착을 위한 프리 포밍 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 토션 빔 성형 방법.
  6. 길이 방향의 양 단부에서 트레일링 암과 용접되도록 구성된 용접부; 및 상기 용접부에 연결되며 길이 방향에 따른 단면이 폐곡선으로 형성되는 중앙부를 포함하며,
    상기 용접부는 상기 중앙부의 두께보다 큰 두께를 가지는 토션 빔.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 용접부는 트레일림 암과의 용접성 확보를 위하여 길이 방향에 대하여 꺽어져 형성된 것을 특징으로 하는 토션 빔.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항의 토션 빔 및
    상기 토션 빔의 용접부와 용접되며, 차량의 바퀴가 장착되는 트레일링 암을 포함하는 토션 빔 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109070175A (zh) * 2016-03-10 2018-12-21 新日铁住金株式会社 汽车用零件的制造方法及汽车用零件
CN114535942A (zh) * 2022-03-31 2022-05-27 上海汇众汽车制造有限公司 扭转梁后桥加工方法

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