KR20150104268A - 차량의 언더플로어 프레임 시스템 - Google Patents

차량의 언더플로어 프레임 시스템 Download PDF

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KR20150104268A
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Abstract

탄소섬유복합재로 성형되고, 사각의 테두리 형상으로써 닫힌 사각형의 형상을 이루며, 전방부가 프런트범퍼멤버이고, 양 측방부가 프런트부터 리어까지 아우르는 사이드멤버이며, 후방부가 리어범퍼멤버를 이루는 메인프레임; 탄소섬유복합재로 성형되고, 차폭 방향으로 가로지르며 메인프레임의 양측 사이드멤버의 프런트부를 연결하는 프런트크로스멤버 및 사이드멤버의 리어부를 연결하는 리어크로스멤버; 및 탄소섬유복합재로 성형되고, 차량 길이방향으로 연장되며, 메인프레임의 사이드멤버에 결합된 추가 사이드멤버;를 포함하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템이 소개된다.

Description

차량의 언더플로어 프레임 시스템 {UNDER-FLOOR FRAME SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 탄소섬유복합재를 이용하여 강성을 높이고 중량을 저감할 수 있는 차량의 언더플로어 프레임 시스템에 관한 것이다.
종래 Steel BIW 언더플로어 프레임은 별도 제작된 플로어 사이드/크로스 멤버, 센터/리어 플로어 및 사이드실/사이드멤버를 별도 용접하여 제작하고 연결 크로스 멤버가 개단면으로 구성되어 있다.
이 경우 센터/리어플로어 연결부가 단절되어 연결구조의 구성을 위한 멤버수가 증가하고, 개구부 멤버가 부분적으로 개단면(폐단면 단절)으로 구성되어 플로어 멤버의 연결성 부족으로 인해 강성의 불연속이 발생하며 다발적인 내구 문제를 발생시킨다.
또한, 사이드실/사이드멤버/크로스 멤버의 연결을 위한 부재수가 과다하고 측면충돌시 크로스 멤버의 개단면 구조로 인한 과다 변형이 발생하는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 1998-507983 A
본 발명은 탄소섬유복합재를 이용하여 강성을 높이고 중량을 저감할 수 있는 차량의 언더플로어 프레임 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템은, 탄소섬유복합재로 성형되고, 사각의 테두리 형상으로써 닫힌 사각형의 형상을 이루며, 전방부가 프런트범퍼멤버이고, 양 측방부가 프런트부터 리어까지 아우르는 사이드멤버이며, 후방부가 리어범퍼멤버를 이루는 메인프레임; 탄소섬유복합재로 성형되고, 차폭 방향으로 가로지르며 메인프레임의 양측 사이드멤버의 프런트부를 연결하는 프런트크로스멤버 및 사이드멤버의 리어부를 연결하는 리어크로스멤버; 및 탄소섬유복합재로 성형되고, 차량 길이방향으로 연장되며, 메인프레임의 사이드멤버에 결합된 추가 사이드멤버;를 포함한다.
추가 사이드멤버의 후단부는 메인프레임의 리어범퍼멤버를 따라 연장되며 탄소섬유복합재로 성형된 추가 리어멤버를 형성할 수 있다.
추가 사이드멤버는 한 쌍이 마련되며, 각 추가 사이드멤버의 후단부는 탄소섬유복합재로 성형된 추가 리어멤버를 통해 연결되거나 일체로 성형될 수 있다.
추가 사이드멤버는 사이드멤버의 외측단에 연결될 수 있다.
추가 리어멤버는 리어범퍼멤버의 하단을 따라 밀착되어 연결될 수 있다.
추가 리어멤버의 하단에는 후륜 서스펜션 스프링이 안착되는 스프링시트가 결합될 수 있다.
추가 리어멤버와 리어범퍼멤버가 결합된 지점에서 추가 리어멤버의 하단에는 후륜 서스펜션 스프링이 안착되는 스프링시트가 결합될 수 있다.
스프링시트에 대응되는 리어범퍼멤버의 상단에는 탄소섬유복합재로 성형된 C필러멤버 하단이 연결될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 언더플로어 프레임 시스템에 따르면, 탄소섬유복합재를 이용하여 강성을 높이고 중량을 저감할 수 있게 된다.
특히, 연결부에서 강성의 불연속을 방지할 수 있고, 일체 성형으로 연속적인 강성과 제조상의 이점을 얻을 수 있게 된다.
자유로운 연결성을 통해 충돌시 하중을 효과적으로 분산할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템의 메인프레임을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템을 하방에서 바라본 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템의 멤버 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템의 효과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템을 상방에서 바라본 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템이 차량에 적용된 상태를 나타낸 도면.
도 7 내지 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템에서 스프링시트를 기준으로 한 하중 전달을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템의 메인프레임을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템을 하방에서 바라본 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템의 멤버 단면을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템의 효과를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템은, 탄소섬유복합재로 성형된 차량의 언더플로어 프레임 시스템으로서, 사각의 테두리 형상으로써 상호 일체로 연결되도록 성형되어 닫힌 사각형의 형상을 이루며, 전방부가 프런트범퍼멤버(120)이고, 양 측방부가 프런트부터 리어까지 아우르는 사이드멤버(140)이며, 후방부가 리어범퍼멤버(160)를 이루는 메인프레임(100); 및 메인프레임(100)과 일체로 성형되며, 차폭 방향으로 가로지르며 양측 사이드멤버(140)의 중반부를 연결하는 센터크로스멤버(200);를 포함한다.
본 발명은 도 1과 같이 일체형의 메인프레임(100) 및 센터크로스멤버(200)를 구성함으로써 연속적인 강성을 확보할 수 있도록 한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템은 탄소섬유복합재로 성형된 일체의 멤버를 주요부로 한다.
메인프레임(100)은 차량의 언더플로어 프레임 시스템으로서, 사각의 테두리 형상으로써 상호 일체로 연결되도록 성형되어 닫힌 사각형의 형상을 이루도록 한다.
기본적으로 탄소섬유복합체로 성형되기 때문에 형상의 자유도가 높고, 따라서 플로어를 이루는 차체 프레임의 테두리를 사각의 형상으로 한다. 이를 통해 기존의 차체구조에 비해 강성이 월등히 높아진다.
사각형의 메인프레임(100)은 전방부가 프런트범퍼멤버(120)이고, 양 측방부가 프런트부터 리어까지 아우르는 사이드멤버(140)이며, 후방부가 리어범퍼멤버(160)를 이루도록 한다.
그리고 센터크로스멤버(200)는 메인프레임(100)과 일체로 성형되며, 차폭 방향으로 가로지르며 양측 사이드멤버(140)의 중반부를 연결하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템을 하방에서 바라본 도면으로서, 센터크로스멤버(200)는 전방센터크로스멤버(220)와 후방센터크로스멤버(240)의 한 쌍으로 마련되며 상호 일정거리 평행하게 이격될 수 있다.
그리고 프런트크로스멤버(400)와 리어크로스멤버(500)가 추가된다. 이들 역시 탄소섬유복합재로 성형되며, 차폭 방향으로 가로지르도록 형성되고, 각각 메인프레임(100)의 양측 프런트사이드멤버부(142)를 연결하며, 메인프레임(100)의 양측 리어사이드멤버부(146)를 연결하도록 한다.
그리고 추가적으로 탄소섬유복합재로 성형되고, 차량 길이방향으로 연장되도록 형성되며, 프런트크로스멤버(400)와 리어크로스멤버(500)를 연결하는 센터터널멤버(300)를 더 추가한다.
종합적으로 보면, 센터터널멤버(300)는 프런트크로스멤버(400) 또는 리어크로스멤버(500) 측에서 단부가 두 가닥으로 분기되며, 각각의 분기된 단부(320,340)는 프런트크로스멤버(400) 또는 리어크로스멤버(500)에 밀착되어 동일한 방향으로 연장될 수 있다.
그리고 센터터널멤버(300)의 분기된 단부는 메인프레임(100)의 사이드멤버(140)에 연결되고, 사이드멤버(140), 센터터널멤버(300)의 분기된 단부(320,340), 대응되는 프런트크로스멤버(400) 또는 리어크로스멤버(500)의 단부는 삼각형의 사이공간(A)을 두고 상호간에 연결될 수 있다. 이러한 삼각형의 공간을 두고 각각의 멤버가 삼각형의 변을 이루도록 함으로써 접합부에서의 강성이 높게 증대된다.
또한, 센터터널멤버(300)의 분기되는 지점은 대응되는 프런트크로스멤버(400) 또는 리어크로스멤버(500)와 함께 삼각형의 사이공간(B)을 형성될 수 있다. 이 역시 강성 증대의 구조로 형성될 수 있는 것이다.
구체적으로, 센터터널멤버(300)는 리어크로스멤버(500) 측에서 단부가 두 가닥으로 분기되며, 각각의 분기된 단부(320,340)는 리어크로스멤버(500)에 밀착되어 동일한 방향으로 연장되어 메인프레임(100)의 사이드멤버(140)에 연결되고, 사이드멤버(140), 센터터널멤버(300)의 분기된 단부, 리어크로스멤버(500)의 단부는 삼각형의 사이공간(A)을 두고 상호간에 연결될 수 있다.
특히, 도시된 바와 같이 센터터널멤버(300)는 나란히 밀착되어 연장된 두 가닥으로 구성되고, 프런트크로스멤버(400) 또는 리어크로스멤버(500) 측에서 각각의 가닥이 분기되어 프런트크로스멤버(400) 또는 리어크로스멤버(500)에 밀착되어 동일한 방향으로 연장될 수 있다. 이를 통해 센터크로스멤버(200)가 분기되는 구조가 아닌 연속적인 구조로 형성되어 강성을 높일 수 있게 된다.
한편, 도 2와 같이 센터터널멤버(300)는 센터크로스멤버(200)의 상방 공간을 지나가도록 연장될 수 있다.
그리고 상기 각각의 멤버들은 탄소섬유복합재로 성형되고, 도 3과 같이 사각의 테두리를 형성하는 외피층(10), 외피층(10)으로 규정된 내부공간을 격자형으로 나누는 내부격벽(30), 구획된 내부공간마다 채워지는 탄소섬유복합재인 충진재(50)로 구성될 수 있다.
도 4는 도 2의 C부분에 대한 강성 평가 결과로서, 종래의 스틸재 프레임의 경우보다 본 발명의 경우 멤버간의 연결부위에서 연속적인 폐단면구조를 실현할 수 있어 강성의 변화가 연속적임을 알 수 있다.
또한, 도 5와 같이 차량 외측으로는 추가 사이드멤버(600)와 도어실멤버(700)가 마련된다. 이들 멤버 또한 탄소섬유복합재로 성형된다. 구체적으로, 추가 사이드멤버(600)는 차량 길이방향으로 연장되며, 메인프레임(100)의 사이드멤버(140)에 결합된다. 그리고 도어실멤버(700)는 탄소섬유복합재로 성형되고, 추가 사이드멤버(600)의 외측단에 결합된다.
여기서, 센터터널멤버(300) 전단부의 분기된 단부(301)는 프런트크로스멤버(400), 사이드멤버(600), 추가 사이드멤버(600), 도어실멤버(700)와 연결될 수 있다. 그리고, 센터터널멤버(300) 후단부의 분기된 단부는 리어크로스멤버(500), 추가 사이드멤버(600)와 연결될 수 있다. 이러한 구조를 통하여 차량 전체의 비틀림 가성을 높게 증대시킬 수 있게 된다.
한편, 추가 사이드멤버(600)의 전단부는 연장되어 사이드멤버(140)를 매개로 프런트크로스멤버(400)와 연결될 수 있다. 그리고, 탄소섬유복합재로 성형되고, 센터터널멤버(300)에서 상방으로 분기되어 연장되며 단부가 카울크로스멤버(CC)와 연결된 지지멤버(360);를 더 포함할 수 있다. 지지멤버(360)를 통하여 차량 전체의 비틀림 강성이 더욱 상승된다. 즉, 센터터널멤버(300)가 센터크로스멤버(200)의 상방을 지나가도록 구성하는 다소 독특한 형상을 취함으로써 센터터널멤버(300)와 카울크로스멤버(CC)를 지지멤버(360)로 연결하는 것이 가능해지는 것이고, 이를 통하여 추가적인 강성 증대의 효과를 얻을 수 있는 것이다.
아래의 표는 이러한 센터터널멤버(300)가 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우의 강성 대비를 나타낸 것이다.
Figure pat00001
상기와 같은 해석 결과를 보면, 센터터널멤버(300)를 본 발명과 같이 분기시키고 다른 멤버들과 구조용 접착제 등을 사용하여 접착 및 연결함으로써 비틀림 정강성을 3.4% 향상시킬 수 있었으며, BIW 중량으로 나눈 비강성이 2.4% 향상되었음을 확인할 수 있다.
본 발명의 센터터널멤버는 탄소섬유복합재로서, 내장재로 사용할 수 있을 정도의 표면특성이 우수하며 구조 강성이 Steel 소재 대비 동등 이상 수준이다. 또한, 성형성이 뛰어나 Steel BIW에서 적용하기에 어려운 구조 설계가 가능한 장점이 있다.
이러한 센터터널멤버를 활용하여 내장재로서의 외관 품질을 유지하면서 차체 구조 강성을 향상시킬 수 있는 센터 콘솔 구조를 설계할 수 있다. 이로 인한 센터터널임과 동시에 센터콘솔이 되는 멤버는 언더플로어에 위치한 타 멤버와 접합하여 비틀림 강성을 증대를 시키고, 기존 센터터널멤버 대비 플로어 상단에 위치하므로 굽힘 모멘트 관성이 증대되어 굽힘 강성을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 강성 증대를 위한 스틸 부품 추가 또는 두께 증가를 하지 않고서도 차체 강성을 확보하면서 동시에 차체를 경량화할 수 있게 된다.
도 7 내지 9는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템에서 스프링시트를 기준으로 한 하중 전달을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 차량의 언더플로어 프레임 시스템은 도시된 바와 같이 상술한 추가 사이드멤버(600)의 후단부가 메인프레임(100)의 리어범퍼멤버(146)를 따라 연장되며 탄소섬유복합재로 성형된 추가 리어멤버(620)를 형성할 수 있다.
즉, 추가 사이드멤버(600)는 각 사이드멤버(140)에 대응되도록 한 쌍이 마련되는데, 각 추가 사이드멤버(600)의 후단부는 탄소섬유복합재로 성형된 추가 리어멤버(620)를 통해 연결되거나 또는 추가 리어멤버(620)는 추가 사이드멤버(600)와 일체로 성형될 수 있다. 도시된 실시예의 경우 일체로 성형된 경우를 나타낸다.
그리고, 추가 사이드멤버(600)는 사이드멤버(140)의 외측단에 연결될 수 있다. 또한, 추가 리어멤버(620)는 리어범퍼멤버(146)의 하단을 따라 밀착되어 연결될 수 있다. 즉, 사이드멤버(140)와 리어범퍼멤버(146)는 높이차를 갖도록 절곡되며 연결되고, 그 높이차에 의해 추가 사이드멤버(140)는 사이드멤버(140)의 외측단에 동일한 높이에서 연결되어 측방 충돌에 대한 강성을 확보하고, 추가 리어멤버(620)는 리어범퍼멤버(146)의 하단에 연결되어 후방 충돌에 대한 강성을 확보하는 것이다.
그리고, 추가 리어멤버(620)의 하단에는 후륜 서스펜션 스프링이 안착되는 스프링시트(SS)가 결합될 수 있다. 구체적으로, 추가 리어멤버(620)와 리어범퍼멤버(146)가 결합된 지점에서 추가 리어멤버(620)의 하단에는 후륜 서스펜션 스프링이 안착되는 스프링시트(SS)가 결합될 수 있다.
스프링시트(SS)에 대응되는 리어범퍼멤버(146)의 상단에는 탄소섬유복합재로 성형된 C필러멤버(BB) 하단이 연결되고, 동시에 범퍼메인멤버(BU)가 연결될 수 있다.
이러한 구조를 통하여 후방 충돌 경로를 안정적으로 형성할 수 있는 것이며, 도 8과 같이 최소 5개의 하중 전달 경로가 형성됨에 따라 종래의 차체 구조에서는 볼 수 없었던 하중 분산이 이루어지게 된다. 더욱이, 그러한 하중은 용접 등을 통해 중간에 절단되는 경로를 갖는 것이 아니라, 면 접착에 의한 전달 경로를 이루게 되어 효과적으로 하중이 각 멤버로 전달되는 것이다.
이로부터 탄소섬유복합재의 자유로운 성형성을 기반으로 후방충돌에 효율적인 플로어 멤버 일체화 연결구조를 이룰 수 있고, 차량의 롤링이 억제되며 범프시 스프링시트로 전달되는 충격이 효과적으로 분산되어 강성을 확보하게 된다. 또한 후방충돌시 하중을 다중 분산하며, 멤버 폐단면 및 일체화 구조로 인해 강도 향상에 효율적인 구조이다. 또한, 리어측의 멤버를 이중 멤버 접합구조로 성형함으로써 스프링시트부가 보강되고 비틀림 강성 및 플로어 강성을 향상시킬 수 있다. 또한 종래와 같이 이 부분에 적용되는 추가적인 보강재에 의한 부식문제가 해결됨으로써 내구 성능 향상에 유리하다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량의 언더플로어 프레임 시스템에 따르면, 탄소섬유복합재를 이용하여 강성을 높이고 중량을 저감할 수 있게 된다.
특히, 연결부에서 강성의 불연속을 방지할 수 있고, 일체 성형으로 연속적인 강성과 제조상의 이점을 얻을 수 있게 된다.
자유로운 연결성을 통해 충돌시 하중을 효과적으로 분산할 수 있게 된다.
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.
100 : 메인프레임 200 : 센터크로스멤버
300 : 센터터널멤버 400 : 프런트크로스멤버
500 : 리어크로스멤버

Claims (8)

  1. 탄소섬유복합재로 성형되고, 사각의 테두리 형상으로써 닫힌 사각형의 형상을 이루며, 전방부가 프런트범퍼멤버이고, 양 측방부가 프런트부터 리어까지 아우르는 사이드멤버이며, 후방부가 리어범퍼멤버를 이루는 메인프레임;
    탄소섬유복합재로 성형되고, 차폭 방향으로 가로지르며 메인프레임의 양측 사이드멤버의 프런트부를 연결하는 프런트크로스멤버 및 사이드멤버의 리어부를 연결하는 리어크로스멤버; 및
    탄소섬유복합재로 성형되고, 차량 길이방향으로 연장되며, 메인프레임의 사이드멤버에 결합된 추가 사이드멤버;를 포함하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    추가 사이드멤버의 후단부는 메인프레임의 리어범퍼멤버를 따라 연장되며 탄소섬유복합재로 성형된 추가 리어멤버를 형성하는 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    추가 사이드멤버는 한 쌍이 마련되며, 각 추가 사이드멤버의 후단부는 탄소섬유복합재로 성형된 추가 리어멤버를 통해 연결되거나 일체로 성형된 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    추가 사이드멤버는 사이드멤버의 외측단에 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    추가 리어멤버는 리어범퍼멤버의 하단을 따라 밀착되어 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    추가 리어멤버의 하단에는 후륜 서스펜션 스프링이 안착되는 스프링시트가 결합된 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    추가 리어멤버와 리어범퍼멤버가 결합된 지점에서 추가 리어멤버의 하단에는 후륜 서스펜션 스프링이 안착되는 스프링시트가 결합된 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    스프링시트에 대응되는 리어범퍼멤버의 상단에는 탄소섬유복합재로 성형된 C필러멤버 하단이 연결된 것을 특징으로 하는 차량의 언더플로어 프레임 시스템.
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