KR20210055695A - 차량 섀시 - Google Patents

Abstract

복수의 관형 섹션을 포함하는 상호 연결된 프레임워크 및 프레임워크에 접합된 적어도 하나의 시트를 포함하고, 관형 섹션은 비철 금속 조성물인, 차량용 섀시가 개시된다. 비철 관형 섹션은 매우 얇은 벽을 갖고; 일반적으로, 이들 섹션은 압출에 의해 제조되고, 이는 현재 약 2.5 mm 이상의 벽 두께를 허용한다. 벽 두께는 대략 이 레벨이 되는 것이 바람직하고, 이상적으로는 3 mm 이하이다. 이러한 얇은 벽 튜브는 일반적으로 좌굴에 대한 낮은 저항을 암시하지만, 본 출원인은 상기에 정의된 구조적 요소의 부분으로서, 튜브가 좌굴되지 않고 실제로 다른 대안보다 우수한 충격 반응을 갖는다는 것을 발견하였다. 따라서, 관형 섹션은, 섹션의 비지지 길이의 제곱에 대한 그 단면의 최소 면적 관성 모멘트의 비가 2 mm² 미만인 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 이 접근법을 표현하는 다른 방법은 관형 섹션의 형상비, 즉 그 벽 두께에 대한 그 길이의 비를 고려하는 것이다. 높은 형상비를 갖는 섹션은 좌굴이 발생하기 더 쉬울 것이다. 알루미늄의 낮은 탄성 계수를 감안하면, 낮은 형상비가 바람직하지만, 본 발명에 따르면 약 100 또는 150 초과의 더 높은 형상비가 실현 가능하다.

Description

차량 섀시

본 발명은 차량용 섀시(chassis)에 관한 것이다.

지난 110년 동안, 양산 자동차(mass production cars)용 섀시 구조는 표준 성형 금속을 사용하여 제조되어 왔다. 20세기 초에는, 이는 별개의 프레임 및 바디 디자인을 갖고 있었고, 지난 60년 동안 단일 구조(프레임과 바디를 합체함)가 채택되어 왔다.

대량 자동차 생산 역사의 대부분에서, 선택 재료는 강(steel)이었다. 지난 20년 동안, 더 경량의 바디 인 화이트(body-in-white: BIW) 조립체로 전체 차량 중량을 감소시키기 위한 시도시에 알루미늄 구조체를 향한 이행이 존재하고 있다.

그러나, 알루미늄은 간단한 해결책은 아니다. 이는 강철에 비교될 때 9배의 내재 에너지(embodied energy)(원료 제조 프로세스의 견지에서)를 갖고, 따라서 자동차 설계자는 일반적으로 알루미늄을 가능한 한 적게 사용하려고 노력한다. 또한, 알루미늄은 강보다 약 3배 작은 밀도를 갖지만, 강보다 약 3배 작은 영률(Young's modulus)을 갖는다(즉, 알루미늄은 강보다 약 3배 덜 강성임). 이는 동일한 기계적 강도를 나타내기 위해, 알루미늄 섹션이 훨씬 더 크고 동등한 강 섹션보다 더 두꺼운 벽을 갖게 한다. 더 크고 무거운 섹션은 주로 충돌 하중 하에서 좌굴 파괴, 또는 인가된 비틀림 하중 하에서 과도한 굴곡을 회피하기 위해 사용된다.

현재 자동차 바디 디자인 관행은 굴곡 또는 파괴되는 섹션을 안정화하기 위해 더 많은 알루미늄 섹션을 도입하는 것이다. 이는 훨씬 더 큰 체적의 알루미늄이 사용되게 하여 알루미늄의 중량 장점을 대부분 무효화하고 예상될 수도 있는 것보다 훨씬 더 작은 BIW 구조체의 중량 감소를 유도한다. 그러나, 원료의 추가의 내재 에너지 및 추가의 재료 비용이 여전히 수반되어야 한다.

기본 알루미늄은 강보다 3배 초과 비싸지만, 자동차 BIW 구조체에 사용될 때, 60% 내지 80% 더 비싸다(알루미늄 구성요소 선택 및 결합 방법론에 따름).

자동차 알루미늄 주 구조체의 다른 디자인 및 비용 문제는, 채용되어야 하는 결합 기술이 스탬핑된 강 BIW 구조를 결합하는 데 사용될 수 있는 간단한 스폿 용접 프로세스에 비해 훨씬 더 복잡하고 무겁고 비싸다는 것이다. 구조 요소 조인트(노드)의 높은 레벨의 응력은 종종 피로 파괴의 가능성을 감소시키기 위해 복잡한 주조 또는 다중 요소 디자인을 요구하고, 알루미늄 시트 조인트는 일반적으로 접합되고 리벳 연결된다.

알루미늄 구조체의 소음, 진동 및 불쾌감(NVH) 품질은 또한 일반적으로 강만큼 양호하지 않고, 따라서 알루미늄 구조체 내의 더 많은 NVH 재료의 추가는 전체 차량 구조에 비용 및 중량을 추가한다.

알루미늄 BIW 구조체의 다른 문제는, 기본 알루미늄이 연강(통상적으로 강의 항복 강도의 40%)만큼 강하지 않기 때문에, 고강도 알루미늄 합금이 일반적으로 지정되고 이는 비용 및 조인트 선택에 추가 문제를 야기한다는 것이다. 고강도 합금에서, 용접 조인트로부터의 열 영향 구역은 종종 몇몇 형태의 용접 후 처리를 요구할 수 있다.

용접 알루미늄 구조체의 다른 문제는 용접 조인트 또는 노드 영역에서의 피로에 대한 저항이다. 이를 극복하기 위해, 복잡하고 무겁고 비싼 노드 조인트가 채용되어 BIW 구조체에 중량 및 비용을 추가한다.

모든 금속 스탬핑된 금속 또는 스페이스 프레임(space frames) 충돌 시그니처(crash signature) 및 충돌 수리가 문제이다. 통상적으로, 비교적 미소한 이벤트로부터의 충돌 시그니처는 전체 프레임을 통해 진행하고 비지지 요소의 국소 좌굴을 야기하는데, 이는 충돌 수리를 어렵게 하고, 또는 최악의 경우 불가능하게 한다. 알루미늄 구조체는 훨씬 더 낮은 재료 계수값으로 인해 강 구조체보다 더 많은 국소 변형 및 손상의 경향이 있다.

따라서, 알루미늄은 비구조적(non-structural) 또는 반구조적(semi-structural) 외부 바디 패널에 대해 매우 양호한 재료 선택이지만, 대부분의 현대 금속 BIW 구조체는 일부 외부 패널을 구조 구성요소로서 사용한다.

그 결과, 본 출원인의 이전 출원 WO2009/122178호에서, 본 출원인은 삼각 측량을 제공하기 위해 프레임워크에 부착된 복합 패널 부재를 갖는, 금속 관형 부재의 3차원 프레임워크를 제안했다. 결과적인 섀시는 삼각 측량으로 인해 매우 낮은 전체 중량과 낮은 생산 에너지 비용으로 우수한 강성을 제공했다. 실제로, WO2009/122178호의 발명에 기초한 디자인은 부분적으로 비용을 절감하고 부분적으로 큰 섹션 치수에 의존하지 않고 필요한 좌굴 저항을 제공하기 위해 강 튜브를 사용했다.

그 이후로, 본 출원인은 복합 패널 보강재가 관형 부재에 상당한 좌굴 저항을 제공하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 그 결과, 알루미늄 섀시 구조체와 연관된 큰 섹션은 실제로 필요하지 않다. 실제로 그 자체로 불충분한 좌굴 저항을 갖지만 복합 패널로 보강된 구조체의 부분으로서 필요한 강성과 (예를 들어) 충돌 하중 하에서 변형에 대한 저항의 모두를 제공할 수 있는 알루미늄(또는 다른 경량 합금)의 더 작은 섹션 관형 부재를 사용하는 것이 실현 가능하다.

게다가, 복합 패널로 보강된 강 및 경량 합금 구조체의 비교 시험은, 구조체가 그 전체 강도(즉, 파쇄를 개시하는데 필요한 힘)가 유사하도록 설계될 때에도, 변형 하에서, 경량 합금 구조체가 대응 강 구조체보다 더 많은 에너지를 흡수하는 것을 나타낸다.

따라서, 본 출원인은 비철, 즉 경량 합금 섹션 프레임을 지지하기 위해 경량의 저비용 복합 샌드위치 패널의 사용을 제안한다. 패널은 저-모듈러스 접착제를 사용하여 프레임에 접합될 수 있다. 사용되는 알루미늄 또는 다른 합금의 양은, 저비용, 저에너지 복합 패널이 BIW 강성과 구조체의 내충격성의 큰 비율에 기여하기 때문에, 절대 최소값으로 감소될 수 있다.

따라서, 본 발명은 복수의 관형 섹션을 포함하는 상호 연결된 프레임워크 및 프레임워크에 접합된 적어도 하나의 시트를 포함하고, 관형 섹션은 비철 금속 조성물인, 차량용 섀시를 제공한다.

비철 관형 섹션은 매우 얇은 벽을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 이들 섹션은 압출에 의해 제조되고, 이 프로세스는 현재 약 1.6 mm 이상의 벽 두께를 허용한다. 벽 두께는 대략 이 레벨, 예로서 약 1.5 내지 2 mm가 되는 것이 바람직하고, 이상적으로는 3 mm 이하이다.

이러한 얇은 벽 튜브는 일반적으로 좌굴에 대한 낮은 저항을 암시한다. 그러나, 상기에 정의된 구조적 요소의 부분으로서, 본 출원인은 튜브가 좌굴되지 않고 실제로 다른 대안보다 우수한 충격 반응을 갖는다는 것을 발견하였다. 따라서, 관형 섹션은, 섹션의 비지지 길이의 제곱에 대한 그 단면의 최소 면적 관성 모멘트의 비가 2 mm² 미만인 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 이는 튜브 부분만으로는 좌굴에 대한 낮은 저항을 암시하지만, 본 출원인은 구조체가 전체로서 충분히 저항성이 있다는 것을 발견했다.

이 접근법을 표현하는 다른 방법은 관형 섹션의 형상비, 즉 그 벽 두께에 대한 그 길이의 비를 고려하는 것이다. 높은 형상비를 갖는 섹션은 좌굴이 발생하기 더 쉬울 것이다. 알루미늄의 낮은 탄성 계수를 감안하면, 낮은 형상비가 바람직하지만, 본 발명에 따르면 약 100 또는 150 초과의 더 높은 형상비가 실현 가능하다.

본 발명의 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 다양한 시험편의 충격 시험의 결과를 도시하고 있다.
도 2는 도 1에 사용된 시험편의 기하학적 디자인을 도시하고 있다.
도 3은 도 1에 사용된 알루미늄 시험편의 단면을 도시하고 있다.

도 1은 도 2에 도시되어 있는 일반적인 기하학적 레이아웃에 따라 다양한 시험편에 적용된 충격 시험의 결과를 도시하고 있다. 이 레이아웃은 편평한 패널(14)에 의해 결합된 한 쌍의 평행한 관형 섹션(10, 12)을 포함한다. 이러한 배열은 중실 표면(18)에 부착된 베이스판(16)에 수직으로 장착된다. 튜브(10, 12)는 파쇄 개시제로서 작용하고 변형이 제어되는 것을 보장하기 위해 그 단부 섹션에 노치(20)의 패턴을 갖는다.

강 튜브는 498 mm 길이, 63.5 mm 외경의 원형 섹션 튜브였다. 알루미늄 튜브는 도 3에 도시되어 있는 타원형 프로파일이고, 508 mm 길이, 63.5 mm의 단경(22) 및 83.5 mm의 장경(24)이었다. 차이는 원형 섹션 대신에 타원형을 형성하기 위해 20 mm 폭의 편평한 섹션(26)에 의해 달성된다.

780 kg의 질량을 갖는 슬레드(28)가 중실 표면에 대해 시험편을 파쇄하기 위해, 관형 부재(10, 12)에 평행한 방향으로 시험편 상에 선형으로 충격을 인가하였다. 슬레드는 9.5 ms^-1의 속도로 투사되어 35.2 kJ의 충격 에너지를 제공한다. 이는 50 kph 고정벽 정면 충돌 시험(Full Frontal Barrier(FFB) full vehicle crash test)을 시뮬레이션한다. 도 1은 이하와 같은 4개의 시나리오의 결과를 도시하고 있다:

도 1의 x 축은 슬레드(28)의 변위를 mm로 나타내고, y 축은 인가된 총 힘을 kN으로 나타낸다. 슬레드는 각각의 경우에 동일한 충격 에너지를 가지므로, 4개의 트레이스의 총 포위 면적은 동일하지만 프로파일은 상이하다. 특히, 탄소 섬유 보강 시험편은 비지지 강 튜브(30) 및 강 패널(32)을 갖는 튜브의 모두보다 더 높은 파쇄력을 나타냈다. 강 튜브에 강 패널의 추가는 적은 차이를 거의 나타내지 않는 것으로 보인다.

둘째로, 탄소 섬유 패널로 보강된 알루미늄 튜브는 약 185 kN의 동일한 초기 충격력을 나타냈지만, 탄소 섬유 패널로 보강된 강 튜브보다 더 일관적으로 훨씬 더 오랫동안 충격에 대해 그 힘을 유지했다. 탄소 섬유 패널로 보강된 강 튜브 라인(36)은 약 140 내지 150 kN으로 급속하게 떨어지고, 반면 알루미늄 튜브 시험편은 훨씬 더 오랫동안 170 내지 190 kN 범위에서 남아 있다. 이는 알루미늄 관형 섹션과 보강 패널이 강 관형 섹션은 행하지 않는 방식으로 변형 하에서 협력하고 있는 것을 시사한다.

알루미늄 관형 섹션의 오일러 좌굴 하중이 강 관형 섹션의 것보다 상당히 낮다는 것도 또한 주목할만 하다. 축방향 하중 하에서 기둥의 붕괴에 대해 공지의 오일러식을 취하고, 즉

여기서

P_cr = 오일러의 임계 하중(기둥의 종방향 압축 하중),

E = 기둥 재료의 탄성 계수,

I = 기둥의 단면의 최소 면적 관성 모멘트,

L = 기둥의 비지지 길이, 및

K = 기둥의 경계 조건을 반영하는 기둥 유효 길이 계수,

알루미늄 튜브를 63.5 mm의 외경 및 2.5 mm의 벽 두께를 갖는 원형 섹션으로서 근사하면, 관형 섹션은 이하의 표의 좌굴 특성을 갖는다.

계산은 하나의 고정 단부 및 하나의 자유 단부에 대응하는, 2의 K에 기초하였다.

따라서, 알루미늄 튜브는, 적합한 안전 여유를 허용한 후에, 강보다 상당히 낮고 시험편의 파괴 강도에 대해 공칭적으로 부적절한 좌굴 강도를 갖는다. 강 튜브의 것과 일치하도록 알루미늄 튜브의 좌굴 강도를 증가시키기 위해, 벽 두께는 5.5 mm로 증가되어야 할 것이다. 이들 튜브 디자인 비교:

명시된 기하학적 비는 좌굴 성능에 대한 튜브 기하학 형상의 영향을 반영하도록 의도된 것이다. 이는 튜브의 비지지 길이의 제곱에 대한 튜브의 단면의 최소 면적 관성 모멘트의 비이다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 벽이 있는 알루미늄 튜브의 시험편은 강 튜브의 좌굴 강도와 일치하도록 설계된 알루미늄 튜브의 것보다 강 튜브의 것에 더 가까운 2 mm² 미만의 비를 갖는다. 마찬가지로, 실제로 결정하기 상당히 쉬운 튜브의 형상비는 강 튜브와 기계적 강도가 동등하도록 설계된 알루미늄 튜브의 100 미만 레벨을 훨씬 초과하고, 분명히 150 초과이다. 알루미늄은 강의 것보다 2.85배 낮은 탄성 계수를 갖는 점을 감안하면, 단지 1.6배 낮은 형상비 및 단지 1.5배 높은 기하학적 비를 갖는 튜브로 구성된 시험편이 동일한 항복력 및 더 양호한 충격 흡수 프로파일을 달성하는 사실은 이 맥락에서 얇은 벽의 알루미늄 관형 섹션의 선택시에 유용한 효과가 존재하는 것을 지시한다.

따라서, 지지 복합 패널과 조합될 때, 알루미늄 섹션은 좌굴에 대한 이들의 저항성의 고려에 기초하여 명백히 필요한 것보다 상당히 더 얇은 벽을 구비할 수 있다. 이는 재료 사용량을 절약하여, 차량의 환경적 영향을 감소시키고, 차량의 중량을 감소시키고, 재료 비용을 절감한다.

본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 전술된 실시예에 대해 다수의 변형이 이루어질 수도 있다는 것이 물론 이해될 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 차량용 섀시이며, 복수의 관형 섹션을 포함하는 상호 연결된 프레임워크 및 프레임워크에 접합된 적어도 하나의 시트를 포함하고, 관형 섹션은 비철 금속 조성물인, 섀시.
2. 제1항에 있어서, 비철 관형 섹션은 3 mm 이하의 벽 두께를 갖는, 섀시.
3. 제1항에 있어서, 비철 관형 섹션은, 섹션의 비지지 길이의 제곱에 대한 그 단면의 최소 면적 관성 모멘트의 비가 2 mm² 미만인 프로파일을 갖는, 섀시.
4. 제1항에 있어서, 비철 관형 섹션은 약 100 초과의 형상비를 갖는, 섀시.
5. 제1항에 있어서, 비철 관형 섹션은 약 150 초과의 형상비를 갖는, 섀시.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 시트는 복합 재료인, 섀시.
7. 제6항에 있어서, 시트는 탄소 섬유 복합재인, 섀시.

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