KR20220151344A - 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛 및 이를 적용한 차량 - Google Patents

브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛 및 이를 적용한 차량 Download PDF

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KR20220151344A
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김영록
강남선
전찬웅
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 차량(1)에 적용된 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 서브프레임(9)에서 사이드 멤버(5)로 체결되는 하드웨어(40), 사이드 멤버(5)의 내부 공간에서 전방 플랫 구조를 갖는 하부 브래킷(30)이 내부 공간의 세로 방향으로 놓여 상기 하드웨어(40)가 관통하며, 상기 하부 브래킷(30)의 위쪽에서 상기 하드웨어(40)와 용접부(50)로 고정된 상부 브래킷(20)이 상기 내부 공간의 가로 방향으로 놓여 경사 마운팅 각(b)으로 경사 날개 구조를 형성함으로써 사이드 멤버와 서브 프레임 사이를 연결하는 상부 브래킷과 하부 브래킷의 형상 조화로 충돌 파단성과 주행 내구성을 동시에 충족할 수 있고, 특히 경사 날개형 상부 브래킷으로 상하/좌우 방향의 강화된 지지 강성과 용이한 회전이 이루어지면서 전방 플랫형 하부 브래킷으로 후방 이탈을 유리하게 함으로써 서브 프레임이 갖는 파단-내구의 트레이드 오프(trade-off) 문제 해소를 최적화하는 특징이 구현된다.

Description

브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛 및 이를 적용한 차량{Bracket Combination type Sub Frame Mounting Unit and Vehicle Thereof}
본 발명은 서브 프레임 마운팅 구조에 관한 것으로, 특히 상/하부 브래킷 간 형상 조화로 사이드 멤버와 연결된 서브 프레임이 갖추어야 할 충돌 파단성과 주행 내구성을 동시에 충족시킬 수 있는 서브 프레임 마운팅 유닛이 적용된 차량에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 서브 프레임은 사이드 멤버의 전방 부위를 이어 차량의 뼈대를 이루는 차체와 체결된 상태에서 현가장치의 좌우 지오메트리 확보로 차량 운동 성능에 기여한다.
이를 위해 서브프레임은 마운팅 부시화 함께 구성되어 마운팅 부재로 차체에 체결됨으로써 마운팅 부시에 의한 서브프레임의 공차규제 충족과 함께 좌우 지오메트리 확보가 이루어진다.
일례로 차량 전방에서 서브 프레임은 좌/우로 구분된 사이드 멤버 측과 마운팅 구조(예, 서브 프레임의 후방 마운팅 포인트 부분)로 결합됨으로써 엔진, 변속기, 현가장치 등을 지지하는 기본적 역할이 충족되고, 하중 전달을 용이하게 하면서 차량의 전방구조 강성 확보도 충족하는 역할이 요구된다.
이를 위해 서브 프레임 마운팅 구조는 차량 전방 충돌 상황에서 마운팅 이탈로 충돌성능 유지가 가능하면서 동시에 차량 주행 상황에서 내구 하중에는 강건할 수 있도록 구성된다.
이로부터 상기 서브 프레임은 마운팅 구조를 통해 에너지 흡수를 위한 파단(Crash) 용이성으로 충돌성능유지와 내구성(Durability)으로 내구 강건성 형성이 구현될 수 있다.
국내공개특허 KR 10-2020-0056229 (2020.05.22)
하지만, 상기 서브 프레임 마운팅 구조에서 충돌 파단성과 주행 내구성의 동시적인 성능 충족은 파단-내구의 트레이드 오프(trade-off) 문제이다.
즉, 상기 서브 프레임은 차체와 마운팅 상태에서 충돌 에너지 흡수를 위해 잘 파단되어야 하는 반면 내구 강건성을 위해 잘 버터야 함으로써 이를 위한 마운팅 구조는 파단성과 주행 내구성의 성능이 서로 상충되는 마운팅 구조를 가질 수밖에 없다.
이로 인하여 서브 프레임 마운팅 구조는 다양한 마운팅 멤버를 이용하여 트레이드 오프(trade-off) 문제의 해소를 시도 및 접목하고 있으나 실제적인 해소에는 하기와 같은 어려움을 가지고 있다.
첫째로 차종 간 차체 플랫폼(Vehicle Frame Platform) 측면에서, 원가절감 및 충돌성능개선을 위해 서브 프레임 이탈이 용이한 마운팅 멤버 적용 시 마운팅 점(Mounting Point)의 내구 취약으로 주행 내구성 성능을 충족할 수 없다. 둘째로 비용(Cost) 측면에서, 내구 취약성을 보강 부재(Reinforcement Bracket) 추가로 강화함으로써 중량 및 재료비기 증가된다. 셋째로 차종 간 차체(Vehicle Frame 또는 Body)의 공유 플랫폼(Common Platform) 측면에서, 지속 발생되는 내구문제를 충분한 시간 없이 긴급 개선을 실시함으로써 양산 임박 시 내구문제에 대한 적합한 대응이 부족하여 동일 플랫폼을 적용한 후속 차량의 서브 프레임 마운팅 구조 성능 보장을 어렵게 할 수 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 사이드 멤버와 서브 프레임 사이를 연결하는 상부 브래킷과 하부 브래킷의 형상 조화로 충돌 파단성과 주행 내구성을 동시에 충족할 수 있고, 특히 경사 날개형 상부 브래킷으로 상하/좌우 방향의 강화된 지지 강성과 용이한 회전이 이루어지면서 전방 플랫형 하부 브래킷으로 후방 이탈을 유리하게 함으로써 서브 프레임이 갖는 파단-내구의 트레이드 오프 문제 해소를 최적화할 수 있는 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛 및 이를 적용한 차량의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 서브 프레임 마운팅 유닛은 하드웨어; 상기 하드웨어가 관통하는 하부 브래킷 홀로 충격을 전달받는 전방 바디와 상기 전방 바디에서 이어진 후방 바디를 구획하고, 상기 전방 바디가 변곡 포인트의 완화를 위해 전방 플랫 구조로 형성되는 하부 브래킷; 및 상기 하드웨어가 관통하는 상부 브래킷 홀을 형성한 플랫 바디로 이루어지고, 상기 플랫 바디가 상기 하드웨어와 경사 마운팅 각으로 경사 날개 구조를 형성하는 상부 브래킷이 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 상부 브래킷은 상기 하부 브래킷의 위쪽에서 상기 하부 브래킷과 간격을 두고 교차 배열되며, 상기 교차 배열은 상기 상부 브래킷의 가로 방향과 상기 하부 브래킷의 세로 방향으로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 상부 브래킷은 상기 하드웨어의 브래킷 경사 안착부에 상기 플랫 바디가 얹어져 상기 경사 마운팅 각을 형성하며, 상기 플랫 바디는 상기 하드웨어에 대해 타측부위가 일측부위 보다 짧게 형성되어 한쪽으로 치우치는 짧은 결합구조로 강성을 높여 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 경사 안착부는 상기 플랫 바디와 용접부를 형성하고, 상기 용접부는 타원으로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 상부 브래킷은 상기 상부 브래킷 홀이 상기 플랫 바디를 상기 충격이 전달되는 전방부와 상기 전방부에서 이어진 후방부로 구획하고, 상기 후방부가 상기 전방부 보다 넓은 구조로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 상부 브래킷은 상기 플랫 바디의 일측부위로 상기 플랫 바디에서 절곡된 직선 측벽 및 타측부위로 상기 플랫 바디에서 절곡된 경사 측벽을 형성하고, 상기 직선 측벽과 상기 경사 측벽은 상기 상부 브래킷의 가로 방향에 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 하부 브래킷은 상기 전방 바디와 상기 후방 바디에 단차부를 형성한다.
바람직한 실시예로서, 상기 후방 바디는 상기 하부 브래킷 홀을 형성한 마운팅 플랫부, 및 상기 마운팅 플랫부에서 이어진 경사 연장부로 이루어지며, 상기 마운팅 플랫부에는 상기 하부 브래킷 홀의 주위로 복수개의 돌기 홈이 뚫어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 경사 연장부는 상기 마운팅 플랫부에서 상기 유도 경사각으로 이어지는 경사를 형성한 이탈 유도부, 및 상기 후방 바디에 후방 바디 내부 공간을 형성하도록 돌출된 가이드 비드로 이루어진다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량은 사이드 멤버; 상기 사이드 멤버와 연결되는 서브프레임; 및 전방 플랫 구조를 갖는 하부 브래킷이 상기 내부 공간의 세로 방향으로 놓여 상기 하드웨어가 관통하며, 상기 하부 브래킷의 위쪽에서 브래킷 체결용 하드웨어와 용접부로 고정된 상부 브래킷이 상기 내부 공간의 가로 방향으로 놓여 경사 마운팅 각으로 경사 날개 구조를 형성하고, 상기 상부 브래킷과 상기 하부 브래킷이 상기 사이드 멤버와 결합되는 서브 프레임 마운팅 유닛이 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 사이드 멤버는 내부 공간을 형성하고, 상기 하부 브래킷은 상기 내부 공간의 바닥면에 배열되며, 상기 상부 브래킷은 상기 하부 브래킷의 위쪽에서 상기 하부 브래킷과 간격을 두고 교차 배열된다.
바람직한 실시예로서, 상기 상부 브래킷은 일측부가 상기 내부 공간에서 상기 사이드 멤버의 일측과 밀착되며, 타측부가 연장 사이드 멤버 아우터와 밀착되며, 상기 연장 사이드 멤버 아우터는 상기 내부 공간에 위치된 경사 엔드를 형성하고, 상기 상부 브래킷의 상기 타측부는 상기 경사 엔드의 경사각에 맞춰 경사진다.
바람직한 실시예로서, 상기 하드웨어는 상기 서브 프레임에서 상기 사이드 멤버를 관통하여 상기 상부 브래킷과 상기 하부 브래킷에 체결된다.
바람직한 실시예로서, 상기 서브 프레임 마운팅 유닛은 좌측 서브 프레임 마운팅 유닛과 우측 서브 프레임 마운팅 유닛으로 구분되고, 상기 좌측 서브 프레임 마운팅 유닛은 상기 사이드 멤버의 좌측 사이드 멤버를 상기 서브 프레임의 좌측부와 체결하며, 상기 우측 서브 프레임 마운팅 유닛은 상기 사이드 멤버의 우측 사이드 멤버를 상기 서브 프레임의 우측부와 체결한다.
이러한 본 발명의 차량에 적용된 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛은 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 서브 프레임 마운팅 구조가 갖는 파단-내구의 trade-off 문제 해소가 서브 프레임 마운팅 유닛의 경사 날개형 상부 브래킷과 전방 플랫형 하부 브래킷을 통해 최적화될 수 있다. 둘째, 상/하부 브래킷 조화형 마운팅 유닛을 통해 정면 충돌 해석에서 동등한 RTE(Restraint Energy) 지수를 가지면서도 벨지안 내구해석에서 5~45% 향상된 내구 지수와 함께 NVH(Noise/Vibration/Harshness) 입력점 강성 해석에서 16~87% 향상된 입력점 강성지수를 가질 수 있다. 셋째, 경사 날개형 상부 브래킷과 전방 플랫형 하부 브래킷만으로 파단-내구의 trade-off 문제가 해소됨으로써 중량 및 원가 절감이 가능한 마운팅 구조를 제공할 수 있다. 넷째, 상부 브래킷의 경사 날개 구조와 하부 브래킷의 전방 플랫 구조를 이용한 형상 조화로 서브 프레임 부위에서 샤시를 마운팅하는 하드웨어(또는 샤시 마운팅 볼트)가 정면 충돌 시 이탈을 위해 용이하게 회전하면서도 상하/좌우 방향으로 큰 강성을 가질 수 있다. 다섯째, 파단-내구의 trade-off 문제 해소가 서브 프레임 마운팅 유닛을 이용함으로써 별도 보강 부재 없이도 차종 간 차체의 공유 플랫폼화가 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량에 적용된 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛의 종 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛의 횡 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 상부 브래킷의 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 하부 브래킷의 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛이 적용된 차량의 전방 충돌 예이고, 도 7은 본 발명에 따른 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛을 이용한 차량의 NVH 입력점 강성 해석 결과이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 상부 브래킷(20)과 하부 브래킷(30)의 조합하여 구성됨으로써 차량(1)의 뼈대를 이루는 사이드 멤버(5)와 이에 체결되어 사이드 멤버(5)의 앞쪽부위를 이루는 서브 프레임(9)이 일체 구조로 조립되도록 한다. 이 경우 상기 서브 프레임(9)은 차량의 엔진룸 부위를 강화시키면서 샤시 체결 부위를 형성한다.
일례로 상기 사이드 멤버(5)는 좌/우측사이드 실(Side Sill))(4A,4B)이 덧대어진 플로어 패널(Floor Panel)(3)의 하면으로 좌측 사이드멤버(5A)와 우측 사이드멤버(5B)로 이루어지고, 상기 서브 프레임(9)은 좌/우 후방 엔드가 좌/우측 사이드멤버(5A,5B)의 좌/우 전방 엔드와 각각 체결된다. 이 경우 상기 플로어 패널(3)은 차량의 차체 바닥을 형성한다.
그러므로 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 좌측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-1)과 우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-2)으로 구분되고, 상기 좌측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-1)이 좌측 전/후방 엔드에 마운팅되면서 동시에 상기 우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-2)이 우측 전/후방 엔드에 마운팅됨으로써 좌/우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-1,10-2)의 공통 구성요소인 상/하부 브래킷(20,30)을 이용하여 조립된다.
이로부터 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 상/하부 브래킷(20,30)이 적용된 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛으로 특징된다.
이하에서 상기 좌/우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-1,10-2)은 동일한 구성 요소로 이루어지므로 이를 구분하지 않고 서브 프레임 마운팅 유닛(10)로 통칭된다. 또한 “밀착”은 용접이 이루어지는 부위로 복수의 용접부위로 서로에 대한 고정력을 형성함을 의미하며, 용접은 스폿(Spot) 용접일 수 있다.
구체적으로 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 상부 브래킷(20), 하부 브래킷(30) 및 하드웨어(40)로 이루어진다.
일례로 상기 상부 브래킷(20)과 상기 하부 브래킷(30)은 사이드 멤버(5)의 상면에 위치되고, 상기 사이드 멤버(5)는 상면을 속이 빈 사이드 멤버 내부 공간으로 형성하도록 사이드 멤버 바디의 좌/우 양쪽 부위가 좌/우측 측벽(5-2,5-3)으로 수직하게 접어진다.
그러므로 상기 상부 브래킷(20)은 사이드 멤버 내부 공간에 세로(즉, 전/후 방향)로 놓여 사이드 멤버(5)의 전/후 길이 방향으로 배열되는 반면 상기 하부 브래킷(30)은 사이드 멤버 내부 공간에 가로(즉, 좌/우 방향) 로 놓여 사이드 멤버(5)의 돠/우 폭 방향으로 배열됨으로써 서로 “+”로 교차되는 레이이웃을 형성한다. 이 경우 상기 상/허부 브래킷(20,30)의 “+”교차 구조는 하부 브래킷(30)이 상부 브래킷(20)의 위쪽 구간을 가로지르는 상향 편중 구조로 이루어진다.
특히 상기 하부 브래킷(30)은 사이드 멤버(5)의 위쪽에서 사이드 멤버 내부 공간의 한쪽 부위로 위치되는 연장 사이드 멤버 아우터(6)와 연계된다.
일례로 상기 하드웨어(40)는 상/하부 브래킷(20,30)과 결합된다. 이 경우 상기 하드웨어(40)는 샤시 마운팅 볼트일 수 있다.
한편 도 2 및 도 3은 도 1의 서브 프레임 마운팅 유닛(10)에 대한 단면 구성으로 나타낸 상/하부 브래킷(20,30)의 레이아웃을 예시 한다.
도 2의 A-A 단면도를 참조하면, 상기 상/하부 브래킷(20,30)은 하드웨어(40)로 고정된 상태에서 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간을 점유한다.
일례로 상기 하드웨어(40)는 사이드 멤버(5)의 아래쪽에 위치된 서브 프레임(9)의 서브 프레임 홀(9-1)을 관통한 후 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 홀(5-1)을 관통하여 상/하부 브래킷(20,30)과 결합된다.
구체적으로 상기 상부 브래킷(20)은 상부 브래킷 홀(20-1)을 관통한 하드웨어(40)의 위쪽부와 용접된 용접부(50)로 고정된 상태에서 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간을 가로질러 배열된다.
또한, 상기 상부 브래킷(20)은 그 일측(즉, 좌측부위)을 이루는 직선 측벽(25)이 사이드 멤버(5)의 좌측 측벽(5-2)에 상부 브래킷(20)과 함께 밀착된 상태로 형성하고, 반면 그 타측(즉, 우측부위)을 이루는 경사 측벽(26)이 연장 사이드 멤버 아우터(6)의 경사 엔드(6a)와 밀착된 상태를 형성한다. 이 경우 상기 경사 엔드(6a)는 예각으로 기울어져 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간쪽으로 위치된다.
그리고 상기 하부 브래킷(30)은 그 뒤쪽을 형성하는 후방 바디(32)가 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간의 바닥면에 밀착되고, 그 앞쪽을 형성하는 전방 바디(31)가 소정 높이로 수직하게 절곡된 좌측 측벽(5-2)에 밀착된 상태를 형성한다.
이와 같은 상기 상/하부 브래킷(20,30)의 레이아웃 구조는 하기와 같은 특징을 구현한다.
일례로 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 세로 레이아웃(또는 상/하 높이 레이아웃)으로 마운팅 높이(H)를 형성하고, 상기 마운팅 높이(H)는 상부 브래킷(20)과 하부 브래킷(30)이 형성하는 브래킷 하측 수직 간격(ha)과 상부 브래킷(20)과 사이드 멤버 상면(또는 플로어 패널(3)의 하면)이 형성하는 브래킷 상측 수직 간격(hb)으로 구분되고, 이를 통해 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간이 상기 마운팅 높이(H)의 브래킷 상/하측 수직 간격(hb,Ha)으로 상/하 구간 구분이 이루어진다.
특히 상기 브래킷 하측 수직 간격(ha)과 상기 브래킷 상측 수직 간격(hb)은 마운팅 높이(H)에 대한 수직 간격 비 Ha:Hb를 50%H(Ha):50%H(Hb)로 동일하게 하거나 또는 60%H(Ha):40%H(Hb)로 편중되도록 설정한다. 이 경우 상기 수직 간격 비 Hb:Ha는 하드웨어(40)의 길이에 따라 다르게 적용될 수 있다.
일례로 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 가로 레이아웃(또는 좌/우 폭 레이아웃)으로 마운팅 폭(e)을 형성하고, 상기 마운팅 폭(e)은 하드웨어(40)를 중심으로 하여 상부 브래킷(20)과 사이드 멤버(5)의 좌측 측벽(5-2)이 형성하는 브래킷 좌측 수평 간격(e_1)과 상부 브래킷(20)과 연장 사이드 멤버 아우터(6)의 경사 엔드(6a)가 형성하는 브래킷 우측 수평 간격(e_2)으로 구분된다.
그러므로 상기 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간은 상기 마운팅 폭(e)의 브래킷 좌/우측 수평 간격(e_1,e_2)으로 상부 브래킷(20)의 전체 길이가 좌/우 구간 구분이 이루어진다.
특히 상기 브래킷 좌측 수평 간격(e_1)과 상기 브래킷 우측 수평 간격(e_2)은 마운팅 폭(e)에 대한 수평 간격 비 e_1:e_2를 60~70%e(e_1):30~40%e(e_2)로 편중되도록 설정한다. 이 경우 상기 수평 간격 비 e_1:e_2는 연장 사이드 멤버 아우터(6)의 경사 엔드(6a)가 형성하는 경사각에 따라 다르게 적용될 수 있다.
도 3의 B-B 단면도를 참조하면, 상기 상부 브래킷(20)은 하드웨어(40)가 관통하는 상부 브래킷 홀(20-1)이 뚫린 마운팅 보스(22)를 형성하고, 상기 하부 브래킷(30)은 하드웨어(40)가 관통하는 하부 브래킷 홀(30-1)을 기준으로 하여 앞쪽으로 전방 바디(31)를 뒤쪽으로 후방 바디(32)를 형성한다.
이러한 구조에서, 하드웨어(40)로 상부 브래킷 홀(20-1)이 용접부(50)로 고정됨으로써 마운팅 보스(22)가 하부 브래킷(30)의 후방 바디(32) 부위(또는 하부 브래킷 홀(30-1) 부위)와 경사 마운팅 각(b)을 예각으로 형성한다.
이를 위해 상기 하드웨어(40)에는 상부 브래킷(20)의 마운팅 보스(22)가 얹어지는 상부 엔드 부위로 브래킷 경사 안착부(40-1)를 형성하며, 상기 브래킷 경사 안착부(40-1)는 경사 마운팅 각(b)과 동일한 각도를 가짐으로써 상부 브래킷(20)이 경사 마운팅 각(b)을 유지할 수 있도록 한다.
특히 상기 경사 마운팅 각(b)은 상부 브래킷(20)의 마운팅 보스(22)와 하드웨어(40)의 용접부(50)에 대한 용접 형성 구간을 원형에서 타원으로 만들어 줌으로서 하드웨어(40)에 대한 용접부(50)의 CO2 길이를 증대하고, 상기 용접부(50)의 CO2 길이 증대는 기존의 원 형상을 타원 형상으로 변형해 줌으로써 전방 충돌 시 서브 프레임 마운팅 유닛(10)으로 들어오는 하중방향을 보다 효과적으로 분산시켜 줄 수 있다.
또한, 상기 연장 사이드 멤버 아우터(6)는 일부 부위가 하부 브래킷(30)의 전방 바디(31)와 함께 사이드 멤버(5)의 좌측 측벽(5-2)에 밀착된다.
한편 도 4 및 도 5는 상/하부 브래킷(20,30)이 최적화된 설계 구조를 예시한다.
도 4를 참조하면, 상기 상부 브래킷(20)은 소정 두께의 판구조로 플랫 바디(21), 마운팅 보스(22), 바디 확장부(23) 및 측벽(25,26)으로 이루어진다.
일례로 상기 플랫 바디(21)는 편평한 구간으로 이루어지고, 상기 운팅 보스(22)는 플랫 바디(21)에서 소정의 보스 높이(F)로 돌출되어 컵 형상으로 이루어지며, 상기 바디 확장부(23)는 플랫 바디(21)의 앞쪽에서 뒤쪽 방향(즉, 전방에서 후방 방향)으로 이어짐으로써 플랫 바디(21)의 전면 대비 후면부위를 넓게 확장시켜 준다.
특히 상기 마운팅 보스(22)는 하드웨어(40)가 관통되는 상부 브래킷 홀(20-1)을 형성하고, 상기 보스 높이(F)는 측벽(25,26)의 수직 높이보다 낮게 형성된다.
일례로 상기 측벽(25,26)은 상부 브래킷(20)의 좌/우 수직 절곡 구간을 형성하며, 플랫 바디(21)의 일측(즉, 좌측 방향)에서 수직하게 꺾인 직선 측벽(25)과 플랫 바디(21)의 타측(즉, 우측 방향)에서 수직하게 꺾인 경사 측벽(26)으로 이루어진다.
그러므로 상기 직선 측벽(25)은 사이드 멤버(5)의 좌측 측벽(5-2)에 밀착되며, 상기 경사 측벽(26)은 연장 사이드 멤버 아우터(6)의 경사 엔드(6a)에 밀착되어 고정된다.
특히 상기 경사 측벽(26)은 수평 플랜지(27)와 수직 플랜지(28)로 2단 절곡 구조를 형성한다. 이 경우 상기 수평 플랜지(27)는 플랫 바디(21) 또는 바디 확장부(23)에 대해 예각으로 절곡되어 소정 폭을 형성하며, 상기 수직 플랜지(28)는 수평 플랜지(27)에 대해 예각으로 절곡되어 소정 폭을 형성한다. 하지만, 상기 수직 플랜지(28)는 도 2와 같이 수평 플랜지(27)를 형성하지 않고 플랫 바디(21)에서 직접적으로 절곡되어 형성될 수 있다.
이로부터 상기 상부 브래킷(20)은 확장 각(b)을 갖는 바디 확장부(23)로 플랫 바디(21)의 앞쪽(즉, 전방 방향)을 이루는 전방 엔드부의 마운팅 폭(e)이 갖는 길이 대비 뒤쪽(즉, 후방 방향)을 이루는 후방 엔드부의 마운팅 폭(E)이 갖는 길이가 더 크게 형성되고, 이러한 마운팅 폭 차(E-e)는 플랫 바디(21)가 세로 방향(즉, 전/후 방향)으로 예각의 부채꼴 각(c)이 을 형성할 수 있도록 한다.
나아가 상기 마운팅 폭 차(E-e)는 플랫 바디(21)를 부채꼴 형상으로 만들고, 이는 상부 브래킷(20)이 플랫 바디(21)를 베이스 구간으로 하여 좌측부위의 직선 측벽(25)과 우측부위의 경사 측벽(26)으로 경사 날개 구조를 형성할 수 있도록 한다.
그러므로 상기 상부 브래킷(20)은 경사 날개 구조로 플랫 바디(21)를 하드웨어(40)에 대해 경사 마운팅 각(b)(도 3 참조)으로 경사를 주면서 마운팅 폭 차(E-e)로 의 전방 엔드부가 후방 엔드부에 비해 더 좁게 형성된 전면 사다리꼴 형상으로 이루어진다.
그 결과 상기 상부 브래킷(20)은 하드웨어(40)와 결합부에서 발생하던 응력집중에 취약하던 기존 구조의 구조적 한계를 경사 날개 구조에 적용된 전면 사다리꼴 형상과 경사 마운팅 각(b)(도 3 참조)에 의한 내구 성능 향상으로 해소하고, 나아가 내구 성능 개선으로 충돌 성능도 기존 구조 대비 크게 향상할 수 있다.
이러한 이유는 상/하부 브래킷(20,30)을 조합한 서브 프레임 마운팅 유닛(10)에서 내구 성능 및 충돌 성능의 개선은 상부 브래킷(20)의 최적 사양으로 이루어지고, 상기 상부 브래킷(20)이 경사 마운팅 각(b)으로 경사지면서 전면 사다리꼴 형상으로 전방부를 좁게 한 구조로 내구 성능을 향상하고 동시에 후방부를 넓게 한 구조로 충돌 대하중 대변형에서 회전이 쉽게 발생하여 충돌 성능을 향상함이 충돌 실험으로 증명되었다.
도 5를 참조하면, 상기 하부 브래킷(30)은 소정 두께의 판구조로 전방 바디(31), 후방 바디(32), 단차부(33), 마운팅 플랫부(34), 경사 연장부(35,37)로 이루어진다.
일례로 상기 전방 바디(31)와 상기 후방 바디(32)는 편평한 구간으로 이루어지고, 상기 단차부(33)가 전방 바디(31)에서 아래쪽으로 절곡됨으로써 전방 바디(31)와 후방 바디(32)에 단차를 형성하여 준다.
그러므로 상기 하부 브래킷(30)은 전방 바디(31)로 전방 플랫 구조로 충돌로 인한 전방 변곡 포인트를 플랫하게 형성하여 준다.
특히 상기 하부 브래킷(30)은 전체 하부 브래킷 길이(G)를 전방 바디(31)의 전방 브래킷 길이(Ga)와 후방 바디(32)의 후방 브래킷 길이(Gb)로 나누고, 브래킷 길이 비(Ga:Gb)를 30~40%G(Ga) : 60~70%G(Gb)로 하여 충격하중을 먼저 받는 전방 브래킷 길이(Ga) 대비 후방 브래킷 길이(Gb)를 더 길게 함으로써 이탈 및 회전 상황에서 후방 바디(32)에 대하 고정 상태를 보다 강하게 유지시켜 준다. 이 경우 상기 단차부(33)의 절곡 높이(f)는 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간에 형성된 내부 공간 단차에 맞춰 설정된다.
나아가 상기 후방 바디(32)는 마운팅 플랫부(34)와 함께 마운팅 플랫부(34)에서 이어진 경사 연장부(35,37)를 이탈 유도부(35)와 가이드 비드(37)로 형성하고, 상기 마운팅 플랫부(34)의 구간을 수평 구조로 하면서 상기 이탈 유도부(35)와 가이드 비드(37)의 구간을 예각의 유도 경사각(d)이 형성된 경사 구조로 하여 이루어진다.
일례로 상기 마운팅 플랫부(34)는 하드웨어(40)가 관통하는 하부 브래킷 홀(30-1)이 뚫려지고, 하부 브래킷 홀(30-1)의 주위로 복수개의 돌기 홈(34A)을 천공한다. 이 경우 상기 돌기 홈(34A)은 사이드 멤버(5)의 사이드 멤버 내부 공간에서 돌출된 복수개의 사이드 멤버 돌기(5-4)가 끼워지는 부위로 이용된다.
그러므로 상기 하부 브래킷(30)은 하드웨어(40)가 체결된 마운팅 플랫부(34)에 대한 하중 집중을 개선한다.
일례로 상기 이탈 유도부(35)는 하부 브래킷 홀(30-1)과 어느 정도 이격된 위치에서 유도 경사각(d)으로 마운팅 플랫부(34)에서 후방 바디(32)로 이어진 구간을 형성한다. 이 경우 상기 이탈 유도부(35)는 마운팅 플랫부(34)에서 유도 경사각(d)으로 이어지는 경사를 형성한다. 그리고 상기 가이드 비드(37)는 후방 바디(32)의 상면을 프레스로 눌러 돌출시킴으로써 후방 바디 내부 공간을 형성하여 준다.
그러므로 상기 이탈 유도부(35)와 상기 가이드 비드(37)는 충격에 대한 하부 브래킷(30)의 강성을 유지하면서 하드웨어(40)가 체결된 마운팅 플랫부(34)에 대한 하중 집중 개선에 기여한다.
그 결과 상기 하부 브래킷(30)은 하드웨어(40)와 결합부에서 발생하던 응력집중에 취약하던 기존 구조의 구조적 한계를 전방 플랫 구조에 의한 내구 성능 향상으로 해소하고, 나아가 내구 성능 개선으로 충돌 성능도 기존 구조 대비 크게 향상할 수 있다.
이러한 이유는 상/하부 브래킷(20,30)을 조합한 서브 프레임 마운팅 유닛(10)에서 내구 성능 및 충돌 성능의 개선은 하부 브래킷(30)의 최적 사양으로 이루어지고, 상기 하부 브래킷(30)이 후방 바디(32)의 유도 경사각(d)으로 후방부에서 경사를 형성하면서 전방 바디(31)의 전방 플랫 구조로 전방부에서 전방 변곡 포인트의 플랫 구현에 의한 변곡 완화를 통해 내구 성능 향상과 함께 전방 평면구간 보강 효과를 통해 후방 이탈이 유리하여 충돌 성능을 향상함이 충돌 실험으로 증명되었다.
한편 도 6 및 도 7은 전방 충돌(P) 시 차량(1)에 적용된 서브 프레임 마운팅 유닛(10)이 갖는 NVH(Noise/Vibration/Harshness) 입력점 강성의 에를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 차량(1)의 전방으로 구비된 서브 프레임(9)을 사이드 멤버(5)의 좌/우측 사이드 멤버(5A,5B)와 체결하는 좌/우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-1,10-2)로 구분된다.
도시된 바와 같이, 상기 좌/우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-1,10-2)의 주요 구성 요소는 상/하부 브래킷(20,30)과 하드웨어(40) 및 용접부(50)로 도 1 내지 도 5를 통해 기술된 구성요소와 동일하다. 다만, 상기 좌/우측 사이드 멤버(5A,5B)의 각각은 실제적인 차량(1)을 구성함으로써 현가장치가 체결되는 스트럿 하우징(5-5)과 연결되는 차이가 있다.
일례로 상기 차량(1)의 전방 충돌(P)에 따른 충격 전달방향(Q)이 우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-2)인 경우, 상기 우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-2)은 경사 마운팅 각(b)을 갖는 상/하부 브래킷(20,30)과 하드웨어(40) 및 용접부(50)의 마운팅 부위에서 전방 충돌력을 전달받게 된다.
그러므로 상기 우측 서브 프레임 마운팅 유닛(10-2)은 상부 브래킷(20)의 경사 날개 구조(도 3 참조) 및 하부 브래킷(30)의 전방 플랫 구조(도 4 참조)에 의한 최적화 구조를 통해 내구와 충돌 성능이 크게 개선되는 효과를 구현한다.
도 7의 NVH 입력점 강성 해석 결과를 참조하면, 상기 NVH 입력점 강성 해석은 자동차 내구 성능 시험에 적용되는 벨지안(Belgian) 내구 해석에 기반 한 실험 결과이다.
도시된 바와 같이, 상기 NVH 입력점 강성 해석 결과로부터 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 상/하부 브래킷(20,30)을 이용한 경사 날개 구조/전방 플랫 구조의 조합으로부터 이를 적용하지 않은 대조군 서브 프레임 마운팅 구조 대비 그 성능이 크게 게선됨을 확인할 수 있다.
하기 표 1은 벨지안(Belgian) 내구 해석을 통한 상기 서브 프레임 마운팅 유닛(10)의 총괄적인 결과를 예시한다. 이 경우 RTE(Restraint Energy)는 탑승자를 구속하는 전방 하부 충격 흡수 장치에 전달되는 에너지의 양이므로 RTE 감소는 충격 에너지 전달 감소에 의해 승차자의 안전성 보장을 의미한다.
Figure pat00001
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 차량(1)에 적용된 브래킷 조합형 서브 프레임 마운팅 유닛(10)은 서브프레임(9)에서 사이드 멤버(5)로 체결되는 하드웨어(40), 사이드 멤버(5)의 내부 공간에서 전방 플랫 구조를 갖는 하부 브래킷(30)이 내부 공간의 세로 방향으로 놓여 상기 하드웨어(40)가 관통하며, 상기 하부 브래킷(30)의 위쪽에서 상기 하드웨어(40)와 용접부(50)로 고정된 상부 브래킷(20)이 상기 내부 공간의 가로 방향으로 놓여 경사 마운팅 각(b)으로 경사 날개 구조를 형성함으로써 사이드 멤버와 서브 프레임 사이를 연결하는 상부 브래킷과 하부 브래킷의 형상 조화로 충돌 파단성과 주행 내구성을 동시에 충족할 수 있고, 특히 경사 날개형 상부 브래킷으로 상하/좌우 방향의 강화된 지지 강성과 용이한 회전이 이루어지면서 전방 플랫형 하부 브래킷으로 후방 이탈을 유리하게 함으로써 서브 프레임이 갖는 파단-내구의 트레이드 오프(trade-off) 문제 해소를 최적화할 수 있다.
1 : 차량
3 : 플로어 패널(Floor Panel)
4A,4B : 좌/우측사이드 실(Side Sill))
5 : 사이드 멤버 5A,5B : 좌/우측 사이드멤버
5-1 : 사이드 멤버 홀 5-2,5-3 : 좌/우측 측벽
5-4 : 사이드 멤버 돌기 5-5 : 스트럿 하우징
6 : 연장 사이드 멤버 아우터
6a : 경사 엔드 9 : 서브 프레임
9-1 : 서브 프레임 홀
10 : 서브 프레임 마운팅 유닛
10-1,10-2 : 좌/우측 서브 프레임 마운팅 유닛
20 : 상부 브래킷 20-1 : 상부 브래킷 홀
21 : 플랫 바디 22 : 마운팅 보스
23 : 바디 확장부 25 : 직선 측벽
26 : 경사 측벽 27 : 수평 플랜지
28 : 수직 플랜지 30 : 하부 브래킷
30-1 : 하부 브래킷 홀 31 : 전방 바디
32 : 후방 바디 33 : 단차부
34 : 마운팅 플랫부 34A : 돌기 홈
35 : 이탈 유도부 37 : 가이드 비드
40 : 하드웨어 40-1 : 브래킷 경사 안착부
50 : 용접부

Claims (19)

  1. 하드웨어;
    상기 하드웨어가 관통하는 하부 브래킷 홀로 충격을 전달받는 전방 바디와 상기 전방 바디에서 이어진 후방 바디로 구획되고, 상기 전방 바디가 변곡 포인트의 완화를 위해 전방 플랫 구조로 형성된 하부 브래킷; 및
    상기 하드웨어가 관통하는 상부 브래킷 홀을 형성한 플랫 바디로 이루어지고, 상기 플랫 바디가 상기 하드웨어와 경사 마운팅 각으로 경사 날개 구조를 형성하는 상부 브래킷
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 브래킷은 상기 하부 브래킷의 위쪽에서 상기 하부 브래킷과 간격을 두고 교차 배열되며,
    상기 교차 배열은 상기 상부 브래킷의 가로 방향과 상기 하부 브래킷의 세로 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 브래킷은 상기 하드웨어의 브래킷 경사 안착부에 상기 플랫 바디가 얹어져 상기 경사 마운팅 각을 형성하는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 플랫 바디는 상기 하드웨어에 대해 타측부위가 일측부위 보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 경사 안착부는 상기 플랫 바디와 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 용접부는 타원으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 브래킷은 상기 상부 브래킷 홀이 상기 플랫 바디를 상기 충격이 전달되는 전방부와 상기 전방부에서 이어진 후방부로 구획하고,
    상기 후방부가 상기 전방부 보다 넓은 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 브래킷은 상기 플랫 바디의 일측부위로 상기 플랫 바디에서 절곡된 직선 측벽 및 타측부위로 상기 플랫 바디에서 절곡된 경사 측벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 직선 측벽과 상기 경사 측벽은 상기 상부 브래킷의 가로 방향에 형성되는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 하부 브래킷은 상기 전방 바디와 상기 후방 바디에 단차부를 형성하는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 후방 바디는 상기 하부 브래킷 홀을 형성한 마운팅 플랫부, 및
    상기 마운팅 플랫부에서 이어진 경사 연장부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 마운팅 플랫부에는 상기 하부 브래킷 홀의 주위로 복수개의 돌기 홈이 뚫어지는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 경사 연장부는 상기 마운팅 플랫부에서 상기 유도 경사각으로 이어지는 경사를 형성한 이탈 유도부, 및
    상기 후방 바디에 후방 바디 내부 공간을 형성하도록 돌출된 가이드 비드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서브 프레임 마운팅 유닛.
  14. 사이드 멤버;
    상기 사이드 멤버와 연결되는 서브프레임; 및
    전방 플랫 구조를 갖는 하부 브래킷이 상기 내부 공간의 세로 방향으로 놓여 상기 하드웨어가 관통하며, 상기 하부 브래킷의 위쪽에서 브래킷 체결용 하드웨어와 용접부로 고정된 상부 브래킷이 상기 내부 공간의 가로 방향으로 놓여 경사 마운팅 각으로 경사 날개 구조를 형성하고, 상기 상부 브래킷과 상기 하부 브래킷이 상기 사이드 멤버와 결합되는 서브 프레임 마운팅 유닛
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 차량.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 사이드 멤버는 내부 공간을 형성하고,
    상기 하부 브래킷은 상기 내부 공간의 바닥면에 배열되며,
    상기 상부 브래킷은 상기 하부 브래킷의 위쪽에서 상기 하부 브래킷과 간격을 두고 교차 배열되는 것을 특징으로 하는 차량.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 상부 브래킷은 일측부가 상기 내부 공간에서 상기 사이드 멤버의 일측과 밀착되며, 타측부가 연장 사이드 멤버 아우터와 밀착되는 것을 특징으로 하는 차량.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 연장 사이드 멤버 아우터는 상기 내부 공간에 위치된 경사 엔드를 형성하고,
    상기 상부 브래킷의 상기 타측부는 상기 경사 엔드의 경사각에 맞춰 경사진 것을 특징으로 하는 차량.
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 하드웨어는 상기 서브 프레임에서 상기 사이드 멤버를 관통하여 상기 상부 브래킷과 상기 하부 브래킷에 체결되는 것을 특징으로 하는 차량.
  19. 청구항 14에 있어서, 상기 서브 프레임 마운팅 유닛은 좌측 서브 프레임 마운팅 유닛과 우측 서브 프레임 마운팅 유닛으로 구분되고,
    상기 좌측 서브 프레임 마운팅 유닛은 상기 사이드 멤버의 좌측 사이드 멤버를 상기 서브 프레임의 좌측부와 체결하며,
    상기 우측 서브 프레임 마운팅 유닛은 상기 사이드 멤버의 우측 사이드 멤버를 상기 서브 프레임의 우측부와 체결하는 것을 특징으로 하는 차량.
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