KR20150107308A - 자동차 차체의 프론트 서브 프레임 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차체 구조적 강성 확보 및 엔진룸의 공간을 극대화할 수 있는 돌출형 구조의 프론트 서브 프레임에 관한 것이다.
본 발명은 돌출형 구조의 서브 프레임측에서 연장되는 전방 구조물, 차체 연결 강화 구조를 위한 보강 멤버 등을 적용한 새로운 형태의 프론트 서브 프레임 구조를 구현함으로써, 신차 안전도 평가에 적극 대응할 수 있는 차체 강성을 확보할 수 있고, 엔진룸의 공간을 극대화할 수 있는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임을 제공한다.

Description

자동차 차체의 프론트 서브 프레임{Front subframe for car body}

본 발명은 자동차 차체의 프론트 서브 프레임에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차체 구조적 강성 확보 및 엔진룸의 공간을 극대화할 수 있는 돌출형 구조의 프론트 서브 프레임에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 차체는 메인 프레임과 서브 프레임으로 구성되며, 서브 프레임은 차체의 전방 하단을 형성하는 프론트 서브 프레임과 차체의 후방 하단을 형성하는 리어 서브 프레임으로 구성된다.

상기 프론트 서브 프레임의 윗쪽에는 엔진을 비롯한 변속기 등의 장치들이 장착되며, 측면쪽에는 프론트 서스펜션의 로어 암과 연결되어 차량의 구조 강성을 확보하면서 하중 전달을 용이하게 해주는 역할을 한다.

그리고, 프론트 서브 프레임은 앞쪽과 뒷쪽의 두 곳의 위치에 차체가 연결되고, 차체와 마찬가지로 앞쪽과 뒷쪽의 두 곳의 위치에 프론트 로어암이 연결된다.

이러한 프론트 서브 프레임은 한국등록특허 10-0831470호, 한국공개특허 10-2007-0060400호 등에 다양한 구조가 개시되어 있다.

일 예로서, 도 8에서는 일반적인 자동차 차체의 프론트 서브 프레임을 보여준다.

도 8에 도시한 바와 같이, 상기 프론트 서브 프레임(100)은 전방에 프론트 멤버(110), 후방에 리어 멤버(120), 좌우의 길이 방향으로 사이드 멤버(130)를 포함하는 사각형 형상의 프레임으로 이루어진다.

이러한 프론트 서브 프레임(100)은 전방과 후방의 양측 4부분에 차체 마운팅부(140)를 갖추고 있으며, 이때의 차체 마운팅부(140)는 프론트 서브 프레임(100)의 좌우 부재와 전후 부재가 만나는 부위에 위치한다.

그러나, 종래의 프론트 서브 프레임 구조는 점차 강화되는 추세에 있는 신차 안전도 평가(New Car Assessment Program;NCAP)에 적극 대응하는 측면에서는 한계가 있으며, 전반적으로 엔진룸의 공간 확보에 어려움이 많아 다양한 엔진, 파워트레인 등의 부품 설계 및 레이아웃 설정 시 자유도가 떨어지는 등 제약을 많이 받는 불리한 점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 돌출형 구조의 서브 프레임측에서 연장되는 전방 구조물, 차체 연결 강화 구조를 위한 보강 멤버 등을 적용한 새로운 형태의 프론트 서브 프레임 구조를 구현함으로써, 신차 안전도 평가에 적극 대응할 수 있는 차체 강성을 확보할 수 있고, 엔진룸의 공간을 극대화할 수 있는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 프론트 서브 프레임은 전방의 범퍼 백빔과 후방의 휀더 에이프런, 그리고 상기 범퍼 백빔과 휀더 에이프런 사이에 연결되는 양쪽의 사이드 멤버로 구성되는 프레임 구조물의 하부를 지지하는 프론트 서브 프레임으로서, 상기 프론트 서브 프레임은 프레임 구조물(13)측에 연결 지지되면서 선단부 양편에서 돌출 형성되는 전방 구조물 연결부를 가지는 돌출형 서브 프레임과, 상기 돌출형 서브 프레임의 전방 구조물 연결부에 후단 지지됨과 더불어 전개 방향이 앞쪽으로 갈수록 외측으로 확대되는 형태의 사이드 구조물과 상기 양쪽의 사이드 구조물의 선단 사이에 가로걸쳐 연결되는 프론트 구조물로 구성되는 전방 구조물로 이루어진다.

따라서, 상기 프론트 서브 프레임은 돌출형 서브 프레임 구조를 통해 엔진룸의 공간을 극대화할 수 있다.

여기서, 상기 돌출형 서브 프레임의 양쪽의 전방 구조물 연결부는 대나무 타입 파이프를 내장하고 있는 사각 튜브 형태로서, 일정각도 외측으로 벌어진 자세로 형성되고, 상기 대나무 타입 파이프의 선단에는 로워암 "A"점이 조립될 수 있다.

특히, 상기 프론트 서브 프레임은 프레임 구조물에 있는 사이드 멤버의 바깥쪽으로 배치되면서 범퍼 백빔와 휀더 에이프런 사이에 연결 설치됨과 더불어 선단부 하단을 통해 프론트 서브 프레임의 전방 구조물에 연결되어 차체 연결을 강화해주는 박스형 단면구조의 양쪽의 보강 멤버를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 카울/휀더 에이프런 강화와 전방 구조물 앞쪽을 강화할 수 있는 구조를 확보할 수 있다.

그리고, 상기 보강 멤버는 프레임 구조물의 사이드 멤버와 일부 길이구간에서 나란하게 접합되면서 사이드 멤버와 함께 이중 박스형 단면을 이룰 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양쪽의 보강 멤버의 경우 길이를 기준할 때 직선 형태, 수직절곡구간을 갖는 형태, 경사진 구간을 갖는 형태 등으로 이루어질 수 있고, 이와 더불어 좌우 대칭 또는 좌우 비대칭 형태로 설치될 수 있다.

본 발명에서 제공하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 돌출형 전방 구조물의 전개 방향을 외측으로 확대하여 엔진룸의 제한된 공간을 극복할 수 있다.

둘째, 현재 양산 중인 다양한 차량의 엔진을 변경하지 않고 그대로 적용할 수 있는 등 기 양산 차종의 활용 자유도를 높일 수 있다.

셋째, 돌출형 전방 구조물의 전/후 마운팅 구조를 개선하고, 기존 골격 구조에 돌출형 전방 구조물을 적용하여 충돌하중 흡수 효율을 증대시킬 수 있는 등 충돌 성능 및 골격 강성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임을 나타내는 사시도
도 2a,2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 전방 구조물을 나타내는 사시도 및 평면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 돌출형 서브 프레임의 제작과정을 나타내는 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서프 프레임에서 보강 멤버의 다른 예를 나타내는 측면도 및 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 기존 구조와 개선 구조의 갭 확보상태를 나타내는 평면도 및 단면도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 엔진 탑재 시 갭 확보 상태를 나타내는 사시도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에 대한 정면 신차 안전도 평가 해석을 나타내는 그래프 및 시뮬레이션 사진
도 8은 종래의 일반적인 프론트 사브 프레임을 나타내는 사시도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임을 나타내는 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 프론트 서브 프레임(14)은 엔진룸 등이 조성되는 차체 앞부분의 프레임 구조물(13)의 하부에 설치되어 차체 앞부분의 구조적 강성을 강화할 수 있고, 또 엔진룸 공간을 극대화할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 프론트 서브 프레임(14)은 앞쪽에 배치되는 범퍼 백빔(10)과 뒷쪽에 배치되는 휀더 에이프런(11), 그리고 상기 범퍼 백빔(10)과 휀더 에이프런(11) 사이에 연결 설치되는 양쪽의 사이드 멤버(12)로 이루어진 프레임 구조물(13)의 하부에 배치된다.

그리고, 이렇게 배치되는 프론트 서브 프레임(14)은 아래쪽의 전방 구조물(19)과 양쪽의 보강 멤버(22)를 포함하며, 이때의 전방 구조물(19)은 후술하는 돌출형 서브 프레임(16)에 있는 양쪽의 차체측 연결부(21)에 의해 사이드 멤버(12)의 후단 저면 부근에 연결됨과 동시에 후술하는 사이드 구조물(17a,17b)을 이용하여 보강 멤버(22)측과 연결되는 구조로 지지된다.

또한, 상기 보강 멤버(22)는 박스형 단면구조를 가지면서 차체 연결을 강화시켜주는 부재로서, 프레임 구조물(13)에 있는 양쪽 사이드 멤버(12)의 바깥쪽으로 배치되면서 범퍼 백빔(10)와 휀더 에이프런(11) 사이에 연결 설치된다.

즉, 보강 멤버(22)의 후단부는 휀더 에이프런(11)측에 연결되고, 선단부는 범퍼 백빔(10)측에 연결되는 동시에 그 선단부 하단을 통해 프론트 서브 프레임(14)의 전방 구조물(19)을 구성하는 사이드 구조물(17a,17b)의 선단부 상면에 연결된다.

이러한 보강 멤버(22)는 사이드 멤버(12)의 바깥쪽 옆에 나란하게 배치되는 2개로 이루어질 수 있으며, 멤버 길이를 기준할 때 직선으로 뻗은 형태 형태, 길이 중간부분이 수직절곡구간으로 이루어진 형태, 길이 중간부분이 경사진 구간으로 이루어진 형태 등을 이루어질 수 있게 된다.

이와 같은 다양한 형태를 가지는 보강 멤버(22)는 차종의 사양에 따라 동일한 형태의 것이 좌우에 배치되는 좌우 대칭을 이루도록 설치될 수 있거나, 서로 다른 형태의 것이 좌우에 배치되는 좌우 비대칭을 이루도록 설치될 수 있게 된다.

도 1에서는 좌측에 수직절곡구간을 가지는 형태의 보강 멤버(22)가 설치되고, 우측에 직선형의 형태로 되어 있는 보강 멤버(22)가 설치되는 예를 보여준다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 전방 구조물을 나타내는 사시도 및 평면도이다.

도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 전방 구조물(19)은 프레임 구조물(13)의 사이드 멤버(12)측에 연결 지지됨과 더불어 선단부의 양편에서 돌출 형성되는 전방 구조물 연결부(15a,15b)를 가지는 돌출형 서브 프레임(16)을 포함한다.

이러한 돌출형 서브 프레임(16)의 선단부 양편 상면에는 차체 연결부(21)가 각각 형성되며, 이때의 차체 연결부(21)가 사이드 멤버(12)의 후단부 저면에 연결되므로서, 돌출형 서브 프레임(16)이 전체적으로 지지될 수 있게 된다.

그리고, 상기 전방 구조물 연결부(15a,15b)는 사각의 튜브 형태로 이루어지게 되고, 돌출형 서브 프레임(16)의 선단부에서 앞쪽으로 연장될수록 일정각도, 예를 들면 사이드 구조물(17a,17b)이 외측으로 벌어진 각도와 동일한 각도로 외측으로 벌어진 자세로 형성된다.

또한, 상기 양쪽의 전방 구조물 연결부(15a,15b)의 내측에는 대나무 타입 파이프(20), 즉 선단부에 경사지게 깍여 있는 형태의 대나무 타입 파이프(20)가 내장되며, 이때의 대나무 타입 파이프(20)의 선단는 전방 구조물 연결부(15a,15b)의 측면부를 통해 외부로 노출되고, 이곳에 로워암 "A"점이 연결될 수 있게 된다.

특히, 상기 전방 구조물(19)은 박스형 단면을 가지는 중공의 바 형태로 이루어진 2개의 사이드 구조물(17a,17b)과 1개의 프론트 구조물(18)을 포함한다.

상기 사이드 구조물(17a,17b)은 돌출형 서브 프레임(16)에 있는 전방 구조물 연결부(15a,15b)에 후단이 볼트나 용접 등으로 연결되어 지지되고, 이와 더불어 전개 방향이 앞쪽으로 갈수록 외측으로 확대되는 형태를 이루게 된다.

이때, 상기 양쪽의 사이드 구조물(17a,17b)이 이루는 각도는 20∼60°(?)의 각도로 설정될 수 있으며, 이 각도에 한정되지 않고 사양에 따라 각도범위는 이보다 좁게 또는 넓게 설정될 수 있다.

그리고, 상기 프론트 구조물(18)은 양쪽의 사이드 구조물(17a,17a)의 선단 사이에 가로걸쳐져 연결되면서 대략 차체 폭방향을 따라 나란한 상태로 설치된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 돌출형 서브 프레임의 제작과정을 나타내는 사시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 돌출형 서브 프레임(16)에 전방 구조물 연결부(15a,15b)을 형성하는 과정을 보여준다.

예를 들면, 상기 돌출형 서브 프레임(16)의 선단부 양편에 각각 로워암 "A"점(미도시)을 조립하기 위한 조립용 홀 역할을 하는 대나무 타입 파이프(20)가 각각 설치되고, 이렇게 설치되는 대나무 타입 파이프(20)를 내측으로 수용하는 전방 구조물 연결부(15a,15b)가 그 후단을 통해 돌출형 서브 프레임(16)측에 연결 고정된다.

이때의 전방 구조물 연결부(15a,15b)는 박스형 단면을 가지는 형태로서, 하판 등이 초강력강으로 이루어질 수 있게 된다.

그리고, 상기 전방 구조물 연결부(15a,15b)의 내부에 위치되는 대나무 타입 파이프(20)의 선단부, 즉 비스듬히 경사지게 깍인 형태의 선단부는 전방 구조물 연결부(15a,15b)의 측면을 통해 노출되고, 이렇게 노출되는 선단부를 이용하여 로워암 "A"점을 조립할 수 있게 된다.

여기서, 상기 대나무 타입 파이프(20)는 돌출형 서브 프레임(16)의 선단면에서 수직으로 연장되는 자세를 취하게 되고, 상기 전방 구조물 연결부(15a,15b)의 경우 외측으로 일정각도 벌어진 상태의 자세를 취하게 되므로, 대나무 타입 파이프(20)의 선단부가 전방 구조물 연결부(15a,15b)의 측면으로 자연스럽게 노출될 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서프 프레임에서 보강 멤버의 다른 예를 나타내는 측면도 및 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 여기서는 경사진 길이구간을 가지는 보강 멤버(22)를 적용한 예를 보여준다.

상기 보강 멤버(22)는 사이드 멤버(12)의 바깥쪽에 배치되면서 범퍼 백빔(10)와 휀더 에이프런(11) 사이에 연결 설치되고, 이와 함께 보강 멤버(22)의 선단부 하단은 전방 구조물(19)의 사이드 구조물(17a,17b) 선단부 상면에 연결 설치된다.

이렇게 설치되는 보강 멤버(22)로 인해 휀더 에이프런에서 사이드 멤버가 연결되는 부위의 강성이 강화될 수 있게 된다.

특히, 상기 보강 멤버(22)의 경우 프레임 구조물(13)의 사이드 멤버(12)와 일부 길이구간에서 나란하게 접합되면서 사이드 멤버(12)와 함께 이중 박스형 단면을 형성함으로써, 전방 구조물과 사이드 멤버 전방부위의 강성이 강화될 수 있게 된다.

이와 같이, 차체의 기본 골격 구조에 돌출형 전방 구조물과 보강 멤버를 적용함으로써, 충돌 성능 및 골격 강성을 증대시킬 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 기존 구조와 개선 구조의 갭 확보상태를 나타내는 평면도 및 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 전방 구조물(19)에 있는 사이드 구조물(17a,17b)의 전개 방향을 외측으로 확대한 구조(개선 구조)를 구현함으로써, 기존 구조에 비해 보다 확장된 엔진룸 공간을 확보할 수 있게 된다.

예를 들면, 전방 엔진룸 공간의 경우 98mm 정도의 확대된 공간을 확보할 수 있고, 후방 엔진룸 공간의 경우 43mm 정도의 확대된 공간을 확보할 수 있게 된다.

이렇게 확대된 엔진룸 공간의 확보로 엔진, 파워트레인 등의 탑재 시 여유공간을 둘 수 있고, 결국 엔진룸 레이아웃 설계의 자유도를 높일 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에서 엔진 탑재 시 갭 확보 상태를 나타내는 사시도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 전방 구조물(19)의 양쪽 사이드 구조물(17a,17b)을 외측으로 확대하여 다양한 엔진이나 파워트레인 등의 탑재 시 갭(점선 원 부분)을 확보할 수 있으므로, 기존 파워트레인을 변경하지 않고도 갭 확보가 가능하며, 따라서 기 양산 차종의 활용 자유도를 증대시킬 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프론트 서브 프레임에 대한 정면 신차 안전도 평가 해석을 나타내는 그래프 및 시뮬레이션 사진이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 프론트 서브 프레임을 갖춘 신차에 대한 정면 충돌 및 옵셋 충돌 시의 결과는 아래의 표 1의 검토3안(본 발명)에서 볼 수 있듯이 북미 정면 NCAP 차량 펄스가혹도가 3.8% 개선(60.1%→56.3%) 및 최대 펄스 7G 감소(54G→47G) 된 것을 확인할 수 있고, IIHS 옵셋 충돌 시 차체 변형량이 11mm 개선(107mm→96mm)된 것을 알 수 있다.

구분		베이스	검토1안	검토2안	검토3안
정면	RTE(%)	60.1	56.3	54.8	56.3
	디핑(mm)	66	73	72	68
옵셋	변형(mm)	107	123	121	96
중량		기준	+7.5kg	+6.7kg	+6.0kg

이와 같이, 본 발명에서는 돌출형 구조의 서브 프레임측에서 연장되는 전방 구조물, 차체 연결 강화 구조를 위한 보강 멤버 등을 적용함으로써, 신차 안전도 평가에 적극 대응할 수 있는 차체 강성을 확보할 수 있고, 엔진룸의 공간을 극대화할 수 있다.

10 : 범퍼 백빔 11 : 휀더 에이프런
12 : 사이드 멤버 13 : 프레임 구조물
14 : 프론트 서브 프레임 15a,15b : 전방 구조물 연결부
16 : 돌출형 서브 프레임 17a,17b : 사이드 구조물
18 : 프론트 구조물 19 : 전방 구조물
20 : 대나무 타입 파이프 21 : 차체측 연결부
22 : 보강 멤버

Claims (5)

1. 전방의 범퍼 백빔(10)과 후방의 휀더 에이프런(11), 그리고 상기 범퍼 백빔(10)과 휀더 에이프런(11) 사이에 연결되는 양쪽의 사이드 멤버(12)로 구성되는 프레임 구조물(13)의 하부를 지지하는 프론트 서브 프레임(14)으로서,
   상기 프론트 서브 프레임(14)은 프레임 구조물(13)측에 연결 지지되면서 선단부 양편에서 돌출 형성되는 전방 구조물 연결부(15a,15b)를 가지는 돌출형 서브 프레임(16)과, 상기 돌출형 서브 프레임(16)의 전방 구조물 연결부(15a,15b)에 후단 지지됨과 더불어 전개 방향이 앞쪽으로 갈수록 외측으로 확대되는 형태의 사이드 구조물(17a,17b)과 상기 양쪽의 사이드 구조물(17a,17a)의 선단 사이에 가로걸쳐 연결되는 프론트 구조물(18)로 구성되는 전방 구조물(19)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 돌출형 서브 프레임(16)의 양쪽의 전방 구조물 연결부(15a,15b)는 대나무 타입 파이프(20)를 내장하고 있는 사각 튜브 형태로서, 일정각도 외측으로 벌어진 자세로 형성되고, 상기 대나무 타입 파이프(20)의 선단에는 로워암 "A"점이 조립되는 것을 특징으로 하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레임 구조물(13)에 있는 사이드 멤버(12)의 바깥쪽으로 배치되면서 범퍼 백빔(10)와 휀더 에이프런(11) 사이에 연결 설치됨과 더불어 선단부 하단을 통해 프론트 서브 프레임(14)의 전방 구조물(19)에 연결되어 차체 연결을 강화해주는 박스형 단면구조의 양쪽의 보강 멤버(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 보강 멤버(22)는 프레임 구조물(13)의 사이드 멤버(12)와 일부 길이구간에서 나란하게 접합되면서 사이드 멤버(12)와 함께 이중 박스형 단면을 이룰 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 양쪽의 보강 멤버(22)는 길이를 기준할 때 직선 형태, 수직절곡구간을 갖는 형태, 경사진 구간을 갖는 형태 중의 하나로 이루어지고, 좌우 대칭 또는 좌우 비대칭 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차 차체의 프론트 서브 프레임.

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