KR20140012972A - 차체 구조 - Google Patents

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KR20140012972A
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유타카 야기
타다시 야마지
마사토모 테시마
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데이진 가부시키가이샤
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Abstract

상부 차체와 하부 차체가 접합되어 이루어지는 차체의 일부 또는 전체가 섬유강화 복합재료로 구성되는 차체 구조로서, 상부 차체와 하부 차체의 각각에 금속 부재가 삽입되며, 이러한 금속 부재가 서로 체결됨으로써 접합부가 형성되며, 또한, 그 접합부에 2개 이상의 기능 부품이 장착되어 이루어지는 차체 구조.

Description

차체 구조{VEHICLE BODY STRUCTURE}
본 발명은 섬유강화 복합재료로 구성된 차체 구조에 관한 것이다.
최근 차체 경량화를 도모하기 위해, 차체의 일부분 또는 대부분을 합성수지나 섬유강화 복합재료로 구성된 차체 구조가 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 차체를 상부 차체와 하부 차체로 이분화하고, 상부 차체의 골격을 합성수지로 폐단면(閉斷面) 형상으로 형성하고, 그 폐단면 내의 골격 내부에 걸쳐 뻗는 보강용 프레임을 배치 설치하여, 그 프레임과 하부 차체를 결합하는 구조가 제안되어 있다. 특허문헌 2에서는, 소형 차량 차체 구조를 단순화하기 위해, 차체를 상부 차체, 하부 차체, 프론트 후드, 리어 범퍼로 구성하고, 상부 차체와 하부 차체 전방 접합부에 프론트 후드를 설치한 구조가 제안되어 있다. 특허문헌 3에서는, 비금속제의 고강도 재료로 이루어진 프론트 유리 프레임과 탑승자 박스의 벽 구조부를, 플랜지를 통해 접합한 구조가 제안되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허공개 평1-103586호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허공개 평9-309457호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특허 제4478409호 공보
차체 구조의 대폭적인 경량화를 도모하기 위해서는, 차체의 대부분을 섬유강화 복합재료로 구성할 필요가 있고, 차체를 효율적으로 제조하기 위해서는, 위와 같이 차체를 적어도 2개 이상의 부위로 분할하여 성형하고, 그것들을 접합하는 구조가 효과적이다. 그러나, 차체에는 서스펜션이나 도어 등의 기능 부품을 장착해야 하며, 이들 기능 부품은 자중이나 동작시의 가속도로 인해, 차체에 큰 하중을 작용시키게(응력 집중이 발생한다) 된다. 일반적으로 섬유강화 복합재료에 이러한 큰 하중을 작용시키는(응력 집중이 발생하는) 부품을 직접 체결하는 것은 바람직하지 않으며, 각 부품의 설치 부분마다 인서트 플레이트를 삽입하는 등의 대응이 필요하기 때문에 중량 증가를 초래하는 결과를 가져온다.
상기 과제를 해결하기 위해, 발명자들은 예의 검토한 결과, 본 발명에 도달했다. 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 상부 차체와 하부 차체가 접합되어 이루어지는 차체의 일부 또는 전체가 섬유강화 복합재료로 구성되는 차체 구조로서,
상부 차체와 하부 차체의 각각에 금속 부재가 삽입되며, 이러한 금속 부재가 서로 체결됨으로써 접합부가 형성되며,
또한, 그 접합부에 2개 이상의 기능 부품이 장착되어 이루어지는 차체 구조.
(2) 상기 기능 부품이 서스펜션, 도어, 프론트 후드, 스티어링 서포트 및 크러셔블 스트럭쳐(crushable structure)로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 차체 구조.
(3) 상기 섬유강화 복합재료의 매트릭스가 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)기재의 차체 구조.
(4) 상기 섬유강화 복합재료가 강화섬유로서 탄소섬유를 포함한 것을 특징으로 하는 (1)∼(3)의 어느 하나에 기재한 차체 구조.
(5) 상기 섬유강화 복합재료가 랜덤 매트에 적층된 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 것을 특징으로 하는 (3) 또는 (4)기재의 차체 구조.
본 발명에 의하면, 상부 차체와 하부 차체 및 기능 부품의 접합에 필요한 금속 부품의 수를 줄일 수 있으며, 차체 경량화가 실현한다. 또한 접합에 필요한 금속 부재를 집중 배치하여, 금속 부재 끼리를 체결할 수 있게 되어 접합부의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 차체 구조의 일 예를 포함한 승용 자동차의 사시도
도 2는 도 1에 나타난 승용 자동차 차체 구조의 상부 차체, 하부 차체, 각 기능 부품 및 금속 조인트를 분리하여 나타낸 사시도
도 3은 본 발명에 의한 차체 구조를 포함한 승용 자동차의 앞부분 측면도
도 4는 도 3의 A-A단면도
도 5는 도 3의 B-B단면도
도 6은 도 1의 C-C단면도
도 7은 도 6의 확대도 D
도 8은 기능 부품으로서 스티어링 서포트 및 서스펜션이 설치된, 본 발명의 차체 구조의 일 예를 포함한 승용 자동차의 사시도
도 9는 도 8에 나타낸 승용 자동차 차체 구조의 상부 차체, 하부 차체, 각 기능 부품 및 금속 조인트를 분리하여 나타낸 사시도
본 발명은 상부 차체와 하부 차체가 접합되어 이루어지는 차체의 일부 또는 전체가 섬유강화 복합재료로 구성되는 차체 구조로서,
상부 차체와 하부 차체 각각에 금속 부재가 삽입되며, 이러한 금속 부재가 서로 체결되는 것에 의해 접합부가 형성되며,
또한, 그 접합부에 2개 이상의 기능 부품이 장착되는 차체 구조이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면에서 구체적인 예를 도시하고, 차례대로 설명하지만, 본 발명은 이런 것들에 제한되는 것은 아니다.
도 1에 승용 자동차(1)의 차체(바디)를 도시하고 있으며, 상부 차체(2), 하부 차체(3), 기능 부품으로서, 프론트 후드(5), 크러셔블 스트럭쳐(4), 서스펜션 (6), 금속 부재로서, 프론트 상부 차체용 금속 조인트(7), 리어 상부 차체용 금속 조인트(7r), 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8), 리어 하부 차체용 금속 조인트 (8r)를 포함하고 있다. 상부 차체(2), 하부 차체(3)는 금속이 아닌 고강도 재료인 탄소 섬유강화 복합재료(일명 탄소섬유 강화 플라스틱(약칭 CFRP))으로 구성되어 있으며, 각각에 연결하기 위한 금속 부재로서 금속 조인트를 가지고 있다. 또한, 하부 차체(3)에는 기능 부품으로서, 플로어, 사이드실을 가지고 있다.
또한, 본 발명에서 말하는 "접합부"를 도 1에 관해서 구체적으로 설명하면, 차체 좌우 각각의 프론트 상부 차체용 금속 조인트(7)와 프런트 하부 차체용 금속 조인트(8)를 합친 부분을 가리킨다. 이 접합부는 도 1의 예시와 같이, 차체 앞부분에 있는 것만 아니라, 차체 후부에 있는 것이어도 좋다. 즉, 본 발명의 차체 구조는 차체의 전후 좌우의 적어도 1개의 접합부에 기능 부품이 2개 이상 붙어 있는 것이지만, 대표적인 것은 도 1에 나타낸 것과 같이 차체 앞부분의 좌우 접합부 각각에 기능 부품이 2개 이상 붙어 있는 것과, 차체 후부의 좌우 접합부 각각에 기능 부품이 2개 이상 붙어 있는 것이다.
도 2는 도 1에 나타낸 승용 자동차(1)에 대하여, 상부 차체(2), 하부 차체(3), 기능 부품으로서의, 크러셔블 스트럭쳐(4), 프론트 후드(5), 서스펜션(6), 금속 부재로서의, 프런트 상부 차체용 금속 조인트(7), 리어 상부 차체용 금속 조인트(7r), 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8), 리어 하부 차체용 금속 조인트(8r)를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 3은 승용 자동차(1)의 앞부분 측면도이다.
도 4, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 상부 차체(2)의 일부인 필러 인너(pillar inner)(21)에 상부 차체용 금속 조인트 이너(71)가 접착되어 있으며, 필러 아우터(pillar outer)(22)에 상부 차체용 금속 조인트 이너 (71)와 상부 차체용 금속 조인트 아우터(72)가 견고하게 접착되어 있으며, 상부 차체용 금속 조인트 이너(71), 상부 차체용 금속 조인트 아우터(72)는 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8)와 볼트(100, 102), 너트(101) 등으로 나타내는 기계적 결합이 이루어져 있어, 상부 차체와 하부 차체가 분리 가능한 구조이다. 또한, 하부 차체의 일부인 사이실 아우터(23) 및 사이드실 이너(24)로부터 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8)에 사이드실 아우터 플랜지(23f), 사이드실 이너 플랜지(24f)를 형성하고, 그 플랜지와 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8)를 견고하게 접착하고 있다.
도 4에는 휠(91)에서 이어지는 서스펜션(6)을 고정하는 하부 차체 서스펜션용 금속 조인트(82)를 나타낸다. 하부 차체 서스펜션용 금속 조인트(82)는 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8)와 볼트, 너트, 리벳, 나사 등에 의한 기계적 결합 또는 접착 등에 의해 견고하게 결합되어 있다.
도 6, 도 7에는 크러셔블 스트럭쳐(4)를 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8)에 용접면(4w)에서 용접하고 있으며, 프론트 푸드(5)를 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8)에 볼트(103) 등을 이용하여 기계적으로 결합하고 있다.
도 8은 기능부품으로서 스티어링 서포트(3S) 및 서스펜션(6)이 설치된 본 발명의 차체 구조의 일 예를 포함한 승용 자동차(1')의 사시도이다. 도 9는 도 8에 나타낸 승용 자동차(1')의 상부 차체(2), 하부 차체(3), 기능 부품으로서의, 서스펜션(6), 스티어링 서포트(3S), 금속 부재로서의, 프론트 상부 차체용 금속 조인트(7), 리어 상부 차체용 금속 조인트(7r), 프론트 하부 차체용 금속 조인트(8), 리어 하부 차체용 금속 조인트(8r)를 분해하여 나타낸 사시도다.
다음으로, 본 발명을 구성하는 각 요소에 대하여 설명한다.
[섬유강화 복합재료]
본 발명의 차체 구조는 상부 차체와 하부 차체가 접합되어 이루어지는 차체의 일부 또는 전체가 섬유강화 복합재료로 구성되어 있다. 다만, 여기서 "전체가 섬유강화 복합재료로 구성된다 "는 것은 그 차체 구조에서 골격 등 자동차의 기본 구성이 되는 것이 모두 섬유강화 복합재료로 구성되어 있다는 의미이며, 볼트 너트, 리벳, 나사에 이르기까지 일체의 금속 부품을 포함하지 않는다는 뜻은 아니다. 또한,"일부가 섬유강화 복합재료로 구성된다"는 것은 상부 차체와 하부 차체의 어느 하나의 일부라도 좋고, 각각의 양쪽의 일부가 섬유강화 복합재료로 구성되어 있어도 좋다.
섬유강화 복합재료는 수지 등의 매트릭스(성분)에 강화 섬유를 첨가한 것이다. 본 발명의 차체 구조는 공지의 섬유강화 복합재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 섬유강화 복합재료의 부분과 수지만의 부분이 적층체로 이루어진 것이거나, 샌드위치 구조로 이루어진 섬유강화 복합재료를 사용하는 것도 가능하다. 샌드위치 구조의 경우 코어 부재가 섬유강화 복합재료이고 표피 부재가 수지라도 좋고, 반대로 코어 부재가 수지만의 부분이며, 표피 부재가 섬유강화 복합재료라도 좋다.
또한, 본 발명의 차체 구조에 사용되는 섬유강화 복합재료로서는, 랜덤 매트에 적층된 강화 섬유로 열 가소성 수지를 함침시킨 것이 바람직하다.
당연히, 본 발명의 차체 구조에서 상부 차체와 하부 차체, 그리고 이들 상부 차체나 하부 차체의 각 부분에서 이용되는 섬유강화 복합재료는 같아도, 달라도 좋다.
본 발명에 이용되는 섬유강화 복합재료의 매트릭스는 수지이지만, 성형성, 생산성, 가공성이 뛰어난 점에서 열 가소성 수지가 좋다. 또한, 차체의 매트릭스를 열 가소성 수지로 함으로써, 두 축의 중간에 위치하는 축 방향으로 잡아당길 때의 파단 변형도를 20% 안팎까지 증가시키는 것도 가능하다. 열 가소성 수지로는 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 초산비닐 수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴스티렌 수지(AS수지), 아크릴로니트릴부타디엔과 스티렌 수지(ABS수지), 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 11 수지, 폴리아미드 12 수지, 폴리아미드 46 수지, 폴리아미드 66 수지, 폴리아미드 610수지, 폴리아세탈 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리페닐렌에테르 수지, 폴리페닐렌술파이드 수지, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지 및 이들의 수지 2종류 이상의 조성물 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종류 이상이 바람직한 것으로 들 수 있다. 이 중에서 염화비닐 수지, 폴리스틸렌 수지, ABS수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 66 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리 카보네이트 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리에틸렌나프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아릴레이트 수지 및 이들의 수지 2종류 이상의 조성물 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종류 이상이 보다 바람직하며, 폴리프로필렌 수지, 폴리아미드 6 수지, 폴리아미드 66 수지 및 이들의 수지 2종류 이상의 조성물 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종류 이상이 특히 바람직한 것으로 들 수 있다.
본 발명의 차체 구조에 이용되는, 섬유강화 복합재료의 강화 섬유로는, 유리 섬유, 탄소 섬유 아라미드 섬유, 보론 섬유, 알루미나 섬유, 탄화 규소 섬유, 고밀도 폴리에틸렌 섬유, PBO(polybenzoxazole) 섬유 및 이들의 2종류 이상의 혼합물 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종류 이상을 들 수 있으며, 그 중에서도 특히, 탄소 섬유가 경량이면서 강도가 뛰어나 바람직하다. 탄소 섬유로서는 공지의 것을 사용할 수 있지만, 한 방향으로 정리된 탄소 섬유 다발, 소위, 한 방향 부재로 한 탄소 섬유이거나 랜덤 매트에 적층된 탄소 섬유가 바람직하다.
본 발명에 이용되는 섬유강화 복합재료는 상기와 같은 매트릭스(수지)와 강화 섬유 이외의 성분(섬유상이 아닌 필러류나, 산화 방지제 등의 각종 첨가제 등)도 본 발명의 목적에 지장을 주지 않는 한 포함하여도 좋다.
[금속 부재]
본 발명의 차체 구조에 있어서 상부 차체와 하부 차체의 접합부에는 각각 삽입 되어져 있고, 또한 접합부에서 서로 체결되는 "금속 부재"로서는 공지의 것을 이용할 수 있으며, 대표적인 것으로서 도면에 나타낸 금속 조인트, 금속 조인트 이너 및 금속 조인트 아우터로 이루어진 군으로부터 선택되는 1가지 이상을 들 수 있다.
[기능 부품]
본 발명의 차체 구조에서 금속 부재가 체결되어 있는 접합부에 2개 이상 장착된 기능 부품으로는 자동차의 구조·제어에 관한 각종 기능 부품을 들 수 있다. 특히, 서스펜션, 도어, 프론트 후드, 스티어링 서포트, 크러셔블 스트럭쳐의 군으로부터 선택되는 2개 이상의 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 차체 구조는 2개 이상의 기능 부품이 접합부에 설치되는 것 이외에 상기 기능 부품으로 열거한 것 중 어느 것인가가 상기 접합부 이외의 곳에 설치된 태양도 포함된다.
1,1' : 승용 자동차
2 : 상부 차체
3 : 하부 차체
3S 스티어링 서포트
4 : 크러셔블 스트럭쳐
4w : 용접면
5 : 프론트 후드
6 : 서스펜션
7 : 프론트 상부 차체용 금속 조인트
7r : 리어 상부 차체용 금속 조인트
8 : 프론트 하부 차체용 금속 조인트, 8r 리어 하부 차체용 금속 조인트
21 : 필러 인너
22 : 필러 아우터
23 : 사이드실 아우터
23f : 사이드실 아우터 플랜지
24 : 사이드실 이너
24f : 사이드실 이너 플랜지
25 : 크로스 멤버
26 : 어퍼 플로어
71 : 상부 차체용 금속 조인트 이너
72 : 상부 차체용 금속 조인트 아우터
81 : 하부 차체용 금속 조인트 보강부
82 : 하부 차체 서스펜션용 금속 조인트
91 : 휠
100,102,103 : 볼트
101 : 너트

Claims (5)

  1. 상부 차체와 하부 차체가 접합되어 이루어지는 차체의 일부 또는 전체가 섬유강화 복합재료로 구성되는 차체 구조로서,
    상부 차체와 하부 차체의 각각에 금속 부재가 삽입되며, 이러한 금속 부재가 서로 체결됨으로써 접합부가 형성되며,
    또한, 그 접합부에 2개 이상의 기능 부품이 장착되어 이루어지는 차체 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능 부품이 서스펜션, 도어, 프론트 후드, 스티어링 서포트 및 크러셔블 스트럭쳐(crushable structure)로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 차체 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료의 매트릭스가 열 가소성 수지인 것을 특징으로 하는 차체 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료가 강화 섬유로서 탄소 섬유를 포함한 것을 특징으로 하는 차체 구조.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 섬유강화 복합재료가 랜덤 매트에 적층된 강화 섬유에 열 가소성 수지를 함침시킨 것을 특징으로 하는 차체 구조.
KR1020137020460A 2011-02-03 2012-01-25 차체 구조 KR20140012972A (ko)

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