KR20220161964A - 차량의 하부 크로스멤버 - Google Patents

차량의 하부 크로스멤버 Download PDF

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KR20220161964A
KR20220161964A KR1020210070358A KR20210070358A KR20220161964A KR 20220161964 A KR20220161964 A KR 20220161964A KR 1020210070358 A KR1020210070358 A KR 1020210070358A KR 20210070358 A KR20210070358 A KR 20210070358A KR 20220161964 A KR20220161964 A KR 20220161964A
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박상윤
이승찬
이용범
강필원
김현식
박상선
정희석
강승욱
최치훈
김성종
김동원
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
코오롱글로텍주식회사
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Abstract

본 발명은 차량의 플로어에 배치되는 차량의 하부 크로스멤버로서 코어멤버와 보강레이어를 포함하며, 코어멤버는 일방향탄소섬유를 적어도 70wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되며, 보강레이어는 유리섬유를 적어도 70wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되는 차량의 하부 크로스멤버가 소개된다.

Description

차량의 하부 크로스멤버{LOWER CROSS MEMBER OF VEHICLE}
본 발명은 차량의 하부 크로스멤버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 소재 대비 경량화가 가능한 복합재를 이용한 크로스멤버에 관한 것이다.
전기차의 성능 요소 중 항속거리는 소비자의 구매여부를 결정짓는 중요한 요소이다. 특히 배터리를 통해 운행하는 BEV(Battery Electric Vehicle)의 경우 HEV(Hybrid Electric Vehicle)나 FCEV (Fuel-Cell Electric Vehicle)와는 다르게 운행 중 별도의 충전수단이 없기 때문에 항속거리가 매우 중요한 성능요소이다. BEV에서 항속거리를 늘리는 방법은 다양하지만 기본적으로 많은 배터리를 탑재해야 충분한 항속거리를 확보할 수 있다. 이런 점에서 대다수의 전기차들은 차량의 승객실 하부에 배터리를 배치하고 있다.
그러나, 이와 같이 차량 하부에 배터리를 배치하게 될 경우 측면 충돌시 차체 변형에 의해 배터리에 충격이 가해져 화재가 발생할 위험성이 존재한다. 이를 방지하기 위해서는 차체의 사이드실과 배터리간의 충돌공간을 넉넉하게 유지해야만 하는데, 충돌공간을 크게 가져가면 가져갈수록 배터리 용량은 그만큼 줄어들게 되므로 배터리를 차량 하부에 배치하는 이점을 상실하게 된다. 따라서 전기차의 측면 충돌 성능은 단순히 승객 보호의 역할만 하는 것이 아니라 항속거리 확보 관점에서도 중요한 성능인자가 되는 것이다.
일반적으로, 배터리를 보호하기 위한 전기차 측면 충돌 대응 전략은 아래와 같이 사이드실 영역은 에너지 흡수 공간, 그 외 실내공간은 안전 공간으로 설정하는 것을 기본으로 한다. 효과적인 측면 충돌 대응을 위해서는 에너지 흡수구간을 최대한 변형시켜 충돌 에너지를 흡수하고, 안전 공간 변형을 최소한으로 지켜내어 차체와 배터리의 접촉을 저지해야만 한다. 그리고 이를 위해서는 차량 실내측 횡방향 멤버가 측면 충돌시에 변형하지 않을 정도로 충분히 높은 강도를 지녀야 한다.
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.
KR 10- 1840580 B
본 발명은 경량화가 가능하고, 강성이 증대되며, 부품수 및 공정수의 축소가 가능해지는 차량의 하부 크로스멤버를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 차량의 하부 크로스멤버는, 코어멤버와 코어멤버의 표면에 형성되는 보강레이어를 포함하는 차량의 하부 크로스멤버로서, 코어멤버는 일방향탄소섬유를 적어도 70wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되며, 보강레이어는 유리섬유를 적어도 60wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
코어멤버는 단면 형상이 적어도 하나 이상의 폐곡선을 포함하여 형성될 수 있다.
보강레이어는 하부레이어, 상부레이어, 내부레이어로 이루어져있으며, 하부레이어는 코어멤버의 외표면 하면에 형성되고, 상부레이어는 코어멤버의 외표면 상면에 형성되며, 내부레이어는 코어멤버의 내표면에 형성될 수 있다.
코어멤버와 하부레이어, 코어멤버와 상부레이어 및 코어멤버와 내부레이어의 두께 비율은 모두 2.8:1 내지 3:1이며, 코어멤버와 하부레이어, 코어멤버와 상부레이어 및 코어멤버와 내부레이어의 두께의 합은 모두 5.5t 미만일 수 있다.
일방향탄소섬유와 유리섬유의 비율은 중량을 기준으로 50:50 내지 75:25일 수 있다.
유리섬유는 +45도, -45도로 교차되며 직조되어 형성될 수 있다.
코어멤버는 하부레이어의 상측으로 결합되는 수평부, 수평부에서 차량의 상방으로 돌출되며 내부 공간이 형성된 보강부 및 수평부의 전단과 후단에서 각각 차량의 전후방향으로 연장된 연장부로 구성되며, 상부레이어는 코어멤버의 보강부와 연장부를 덮는 형상으로 형성될 수 있다.
코어멤버의 수평부와 보강부 사이에 수평부가 연장된 방향과 교차되는 방향으로 연장되고, 수평부와 보강부에 의해 형성된 내부 공간을 가로지르는 형상의 지지부가 형성될 수 있다.
상부레이어의 상측 또는 하부레이어의 하측에는 내측으로 만입된 만입부가 형성되고, 만입부는 상부레이어 또는 하부레이어를 따라 연장되도록 형성될 수 있다.
차량의 전후방향으로 관통되는 관통홀이 형성되고, 관통홀을 통해 차량의 전후방향으로 연장되는 연장부품이 관통할 수 있다.
본 발명 차량의 하부 크로스멤버에 따르면, 아래와 같은 효과가 있다.
본 발명 하부 크로스멤버는 금속소재 대비 10% 수준의 중량 절감이 가능하며, 복합재 적용에 따른 원가의 부담이 크지 않고, 또한 측면 충돌시 하부 크로스멤버의 변형량이 거의 없어 안전영역을 확실하게 보호하고, 이것을 통해 측면 충돌에 대비한 필요 공간을 줄일 수 있으므로 궁극적으로는 배터리용량을 추가적으로 확보할 수 있게 되어 전기차 항속거리를 증대시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 크로스멤버.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 크로스멤버를 보여주는 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 크로스멤버를 보여주는 단면도.
이하, 상술한 목적, 문제점을 해결하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조해 상세하게 설명한다. 한편, 본 발명을 이해하는 데 있어 동일 분야의 공지된 기술에 대한 상세한 설명이 발명의 핵심 내용을 이해하는데 도움이 되지 않는 경우, 그 설명을 생략하기로 하며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며 통상의 기술자에 의해 변경되어 다양하게 실시될 수 있다.
본 발명은 차량 하부에 배터리가 장착되는 EV 차량의 측면 충돌 성능을 만족시키기 위한 승객실 하부 횡멤버 구조에 대한 발명이다. EV 차량 측면 충돌시 사이드실부의 승객실 침입이 많이 발생하게 되면, 이것이 배터리를 타격해 화재발생 등의 중대한 안전문제가 발생한다. 종래 기술에서는 승객실 하부 횡멤버를 스틸 또는 알루미늄 재질로 구성해 왔기 때문에 측면 충돌시 횡멤버 변형이 크게 발생하면서 사이드실부 승객실 침입이 크게 발생해 배터리 보호를 위해서 배터리와 사이드실 사이의 공간을 충분히 넓혀야만 했다. 그러나 이 경우 배터리의 절대 크기가 줄어들어 전기차 항속거리가 줄어드는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 측면 충돌시 사이드실부 승객실 침입을 최소화할 수 있는 승객실 하부 횡멤버 구조를 제안함으로써 배터리와 사이드실 사이의 공간으로도 측면 충돌 안정성을 확보를 가능케 하고, 이를 통해 전기차 항속거리 또한 최대화할 수 있도록 한 것이다.
전기차의 성능 요소 중 항속거리는 소비자의 구매여부를 결정짓는 중요한 요소이다. 특히 배터리를 통해 운행하는 BEV(Battery Electric Vehicle)의 경우 HEV(Hybrid Electric Vehicle)나 FCEV (Fuel-Cell Electric Vehicle)와는 다르게 운행 중 별도의 충전수단이 없기 때문에 항속거리가 매우 중요한 성능요소이다. BEV에서 항속거리를 늘리는 방법은 다양하지만 기본적으로 많은 배터리를 탑재해야 충분한 항속거리를 확보할 수 있다. 이런 점에서 대다수의 전기차들은 차량의 승객실 하부에 배터리를 배치할 수 있다.
그러나, 이와 같이 차량 하부에 배터리를 배치하게 될 경우 측면 충돌시 차체 변형에 의해 배터리에 충격이 가해져 화재가 발생할 위험성이 존재할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 사이드실과 배터리 간의 충돌공간을 넉넉하게 유지해야만 하는데, 충돌공간을 크게 가져가면 가져갈수록 배터리 용량은 그만큼 줄어들게 되므로 배터리를 차량 하부에 배치하는 이점을 상실할 수 있다.
따라서, 전기차의 측면 충돌 성능은 단순히 승객 보호의 역할만 하는 것이 아니라 항속거리 확보 관점에서도 중요한 성능인자가 될 수 있는 것이다. 효과적인 측면 충돌 대응을 위해서는 에너지 흡수구간을 최대한 변형시켜 충돌 에너지를 흡수하고, 안전 공간 변형을 최소한으로 지켜내어 차체와 배터리의 접촉을 저지해야만 한다. 그리고 이를 위해서는 차량 실내측 횡방향 멤버가 측면 충돌시에 변형되지 않을 정도로 충분히 높은 강도를 지녀야 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 크로스멤버(1000)를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 하부 크로스멤버(100)는 동일한 재질과 구성으로 제작된 전방 크로스멤버(1100) 및 후방 크로스멤버(1200)가 각각 복수개 배치될 수 있다. 전방 크로스멤버(1100)와 후방 크로스멤버(1200)는 동일한 구성을 가지고 형성될 수 있고, 형상적인 차이만 있을 수 있으므로 이하, 설명의 편의를 위하여 전방 크로스멤버(1200)와 후방 크로스멤버는 하부 크로스멤버(1000)로 정의한다.
차량의 하부 크로스멤버(1000)는 도 3을 참조하면, 코어멤버(100)와 코어멤버(100)의 표면에 형성되는 보강레이어(L)를 포함하며, 보강레이어(L)는 하부레이어(200), 상부레이어(300), 내부레이어(400)로 이루어져있으며, 하부레이어(200)는 코어멤버(100)의 외표면 하면에 형성되고, 상부레이어(300)는 코어멤버(100)의 외표면 상면에 형성되며, 내부레이어(400)는 코어멤버(100)의 내표면에 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하부 크로스멤버(1000)는 차량의 전후방향으로 관통되는 관통홀(1120)이 형성되고, 관통홀(1120)을 통해 차량의 전후방향으로 연장되는 연장부품이 하부 크로스멤버(1000)의 내부에 형성된 내부 공간(410)(도 4 참조)을 통과하여 관통할 수 있다.
또한, 상부레이어(300)의 상측 또는 하부레이어(200)의 하측에는 내측으로 만입된 만입부(1110)가 형성될 수 있고, 만입부(1110)는 측면 충돌을 보다 효과적으로 흡수 및 지지할 수 있도록 하며, 만입부(1110)는 관통홀(1120)로 통과되는 공조덕트 및 전기 배선 등 관통되어 지는 경로와 인접하게 생성되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 도 3을 참조하면, 코어멤버(100)는 하부레이어(200)의 상측으로 결합되는 수평부(110), 수평부(110)에서 차량의 상방으로 돌출되며 내부 공간이 형성된 보강부(120) 및 수평부(110)의 전단과 후단에서 각각 차량의 전후방향으로 연장된 연장부(130)로 구성되며, 상부레이어(300)는 코어멤버(100)의 보강부(120)와 연장부(130)를 덮는 형상으로 형성될 수 있다.
수평부(110)는 연장부(130)와 보강부(120)가 결합된 상태에서 차량의 상하방향의 외력이 작용할 때, 차량의 전후방향으로 벌어지는 것을 방지하기 위해 수평부(110)가 더 연장되어 형성될 수 있는 것이다.
한편, 도 4를 참조하면, 코어멤버(100)의 수평부(110)와 보강부(120) 사이에 수평부(110)가 연장된 방향과 교차되는 방향으로 연장되고, 수평부(110)와 보강부(120)에 의해 형성된 내부 공간을 가로지르는 형상의 지지부(140)가 형성될 수 있는데, 지지부(140)에 의해 코어멤버(100)의 내부에 하나 이상의 폐곡선이 형성됨으로써, 내부레이어(400) 또한 코어멤버(100)의 단면에 형성된 폐곡선을 따라 코어멤버(100)의 내주면에 복수개가 형성될 수 있다.
한편, 차량의 하부 크로스멤버(1000)는, 코어멤버(100)와 코어멤버(100)의 표면에 형성되는 보강레이어(L)를 포함하는 차량의 하부 크로스멤버(1000)로서, 코어멤버(100)는 일방향탄소섬유를 적어도 70wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되며, 보강레이어(L)는 유리섬유를 적어도 60wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
차량의 측면충돌 발생시 주로 차량의 폭방향으로 하중이 발생하지만, 차량의 길이방향으로도 하중이 발생한다. 때문에 차량의 하부 크로스멤버(1000)가 충분한 강도를 갖기 위해서 두 방향 내하중을 모두 적절하게 설계할 필요가 있다. 종래 금속성 소재는 등방성이기 때문에 방향별 강도의 최적화가 불가하다는 문제가 있었고, 충분한 강도의 확보를 위해서는 폭방향 내하중과 길이방향 내하중을 모두 고려해야 한다.
코어멤버(100)는 차량의 측면 충돌시 폭방향으로 발생하는 하중을 지지하는 구성으로서, 일방향탄소섬유가 주된 소재로 사용되고, 충분한 내하중을 가지기 위해서는 일방향탄소섬유가 적어도 70wt% 이상 포함된 복합재를 사용해 코어멤버(100)를 형성해야한다. 이 경우 코어멤버(100)는 비중이 1.5 내지 1.7g/cc, 인장강도 1800 내지 2500 MPa, 탄성계수 130 내지 180GPa 값을 가지며, 차량의 폭방향으로 발생하는 상당한 하중을 견딜 수 있는 것이다.
위와 같은 복합재를 사용하는 경우 종래 금속 소재 대비 약 10% 이상의 경량화가 가능하다는 효과가 있다.
보강레이어(L)는 차량의 측면 충돌시 폭방향으로 발생하는 하중과 길이방향으로 발생하는 하중을 지지하는 구성으로서, 유리섬유가 주된 소재로 사용되고, 길이방향으로 발생하는 하중을 최대한 지지하기 위해 +45도, -45도로 교차되며 직조되어 형성될 수 있다. 충분한 내하중을 가지기 위해서는 유리섬유가 적어도 60wt% 이상 포함된 복합재를 사용해 보강레이어(L)를 형성해야한다. 이 경우 보강레이어(L)는 비중이 1.7 내지 2.0g/cc, 인장강도 600 내지 900MPa, 탄성계수 20 내지 35GPa 값을 가지며, 차량의 폭방향은 물론 길이방향으로 발생하는 하중을 견딜 수 있다.
즉, 보강레이어(L)는 길이방향으로 발생하는 하중을 견디며, 폭방향으로 발생하는 하중을 견디는 코어멤버(100)를 보완하며, 그에따라 일방향탄소섬유를 포함하는 코어멤버(100)에 크랙이 발생하는 것을 방지하는 역할을 하는 것이다.
코어멤버(100)는 단면 형상이 적어도 하나 이상의 폐곡선을 포함하여 형성되는 것이 바람직한데, 이는 폐 단면 형상이 개 단면 형상 보다 내하중이 뛰어나고, 복합재는 경량화가 가능하므로 폐 단면의 구조를 형성하더라도 스틸 소재의 개 단면의 구조보다 가볍다는 장점이 있기 때문이다.
이때 일방향탄소섬유와 유리섬유의 비율은 중량을 기준으로 50:50 내지 75:25인 것이 바람직하다. 상기 비율을 도출하기 위해 평가용 시제품을 제작해 Drop-Tower 실험을 수행하였고, 낙하 높이는 450mm, 낙하 하중은 300kg으로 하였다. 상기 비율을 벗어나 일방향탄소섬유의 비율이 50 미만이고, 유리섬유의 비율이 50을 초과하는 경우 측면 충돌을 견디는 하중이 충분하지 않다는 결과를 얻었으며, 일방향탄소섬유의 비율이 75를 초과하고, 유리섬유의 비율이 25 미만인 경우 차량의 크로스멤버(1000)가 견딜 수 있는 차량의 상하방향 하중이 충분하지 않다는 결과를 얻었다.
보강레이어(L)는 하부레이어(200), 상부레이어(300), 내부레이어(400)로 이루어져있으며, 하부레이어(200)는 코어멤버(100)의 외표면 하면에 형성되고, 상부레이어(300)는 코어멤버(100)의 외표면 상면에 형성되며, 내부레이어(400)는 코어멤버(100)의 내표면에 형성될 수 있다.
코어멤버(100)는 탄소 섬유로 형성되기 때문에, 다른 소재로 구성된 차체부품들과의 전기전도를 차단하고, 갈바닉 부식을 차단하기 위해 하부레이어(200)는 비전도성 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 코어멤버(100)의 하측에 배열된다.
내부레이어(400)는 코어멤버(100)의 내주면에 배열되는 층으로, 하부레이어(200), 상부레이어(300)와 같이 차량의 폭방향과 길이방향으로 발생하는 하중을 견디어 코어멤버(100)에 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위한 구성에 해당한다.
이때, 코어멤버(100)와 하부레이어(200), 코어멤버(100)와 상부레이어(300) 및 코어멤버(100)와 내부레이어(400)의 두께 비율은 모두 2.8:1 내지 3:1이며, 코어멤버(100)와 하부레이어(200), 코어멤버(100)와 상부레이어(300) 및 코어멤버(100)와 내부레이어(400)의 두께의 합은 모두 5.5t(t는 mm를 뜻한다.) 미만인 것이 바람직한데, 상기 비율을 벗어나 더 두껍게 구성하면 일방향탄소섬유와 유리섬유를 포함하는 복합재를 만드는 과정에서 섬유에 다른 물질들이 충분히 함침되지 않을 가능성이 높아 완성된 크로스멤버가 제 기능을 발휘하지 못할 가능성이 높기 때문이다.
본 발명 차량의 하부 크로스멤버에 따르면, 본 발명 하부 크로스멤버는 금속소재 대비 10% 수준의 중량 절감이 가능하며, 복합재 적용에 따른 원가의 부담이 크지 않고, 또한 측면 충돌시 하부 크로스멤버의 변형량이 거의 없어 안전영역을 확실하게 보호하고, 이것을 통해 측면 충돌에 대비한 필요 공간을 줄일 수 있으므로 궁극적으로는 배터리용량을 추가적으로 확보할 수 있게 되어 전기차 항속거리를 증대시킬 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 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.
1000 : 하부 크로스멤버
100 : 코어멤버
L : 보강레이어
200 : 하부레이어
300 : 상부레이어
400 : 내부레이어

Claims (10)

  1. 코어멤버와 코어멤버의 표면에 형성되는 보강레이어를 포함하는 차량의 하부 크로스멤버로서,
    코어멤버는 일방향탄소섬유를 적어도 70wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되며,
    보강레이어는 유리섬유를 적어도 60wt% 이상 포함하는 복합재로 형성되는 차량의 하부 크로스멤버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    코어멤버는 단면 형상이 적어도 하나 이상의 폐곡선을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  3. 청구항 1에 있어서,
    보강레이어는 하부레이어, 상부레이어, 내부레이어로 이루어져있으며,
    하부레이어는 코어멤버의 외표면 하면에 형성되고,
    상부레이어는 코어멤버의 외표면 상면에 형성되며,
    내부레이어는 코어멤버의 내표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  4. 청구항 3에 있어서,
    코어멤버와 하부레이어, 코어멤버와 상부레이어 및 코어멤버와 내부레이어의 두께 비율은 모두 2.8:1 내지 3:1이며,
    코어멤버와 하부레이어, 코어멤버와 상부레이어 및 코어멤버와 내부레이어의 두께의 합은 모두 5.5t 미만인 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  5. 청구항 1에 있어서,
    일방향탄소섬유와 유리섬유의 비율은 중량을 기준으로 50:50 내지 75:25인 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  6. 청구항 1에 있어서,
    유리섬유는 +45도, -45도로 교차되며 직조되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  7. 청구항 1에 있어서,
    코어멤버는 하부레이어의 상측으로 결합되는 수평부, 수평부에서 차량의 상방으로 돌출되며 내부 공간이 형성된 보강부 및 수평부의 전단과 후단에서 각각 차량의 전후방향으로 연장된 연장부로 구성되며,
    상부레이어는 코어멤버의 보강부와 연장부를 덮는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  8. 청구항 7에 있어서,
    코어멤버의 수평부와 보강부 사이에 수평부가 연장된 방향과 교차되는 방향으로 연장되고, 수평부와 보강부에 의해 형성된 내부 공간을 가로지르는 형상의 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상부레이어의 상측 또는 하부레이어의 하측에는 내측으로 만입된 만입부가 형성되고,
    만입부는 상부레이어 또는 하부레이어를 따라 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
  10. 청구항 1에 있어서,
    차량의 전후방향으로 관통되는 관통홀이 형성되고, 관통홀을 통해 차량의 전후방향으로 연장되는 연장부품이 관통하는 것을 특징으로 하는 차량의 하부 크로스멤버.
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