KR101327729B1 - 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조 - Google Patents

강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프런트 사이드 멤버 구조에 있어서, 수평 단면이 파상형(波狀形)이고, 상기 프런트 사이드 멤버 내부의 외측에 삽입되는 수직 보강재 및 상기 프런트 사이드 멤버 내부의 내측에 설치되어 상기 수직 보강재를 향하여 측방으로 연장되는 하나 이상의 수평 보강재를 포함하여 구성되고, 외부 응력에 의한 상기 프런트 사이드 멤버의 좌우 변형 시, 상기 수직 보강재가 상기 수평 보강재를 압축변형하는 것을 특징으로 하는 강성 유지와 변형 유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조에 관한 것이다.
사이드 멤버, 킥업

Description

강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조{STRUCTURE OF FRONT SIDE MEMBER FOR RETAINING RIGIDITY AND LEADING DEFORMATION}
본 발명은 정면 충돌 시의 승객 안전을 확보하고, 소음과 진동에 대한 강성 성능을 개선하기 위한 차량 프레임의 킥업부 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정면 충돌 시 차체 변형을 유도하고 진동성능을 향상시키기 위한 프런트 사이드 멤버 구조에 관한 것이다.
일반적으로 차대에 프레임이 적용된 차량이 정면 충돌할 때의 차체의 변형은 충돌 시의 충격을 완화하는 효과가 있다. 차체의 변형이 서서히 일어날수록 탑승자에게 전달되는 충격력 완화의 효과는 커진다.
도 8a 는 차량의 샤시 프레임을 나타낸 사시도이며, 도 8b 는 차량의 샤시 프레임의 일부를 나타낸 평면도이며, 도 8c 는 차량의 샤시 프레임의 일부를 나타낸 측면도이다. 킥업(kick-up)이란 승용차나 버스 등에서 승하차를 편리하게 하고 자동차의 중심을 낮추기 위하여 차축이 설치되는 프레임을 위쪽으로 굽히는 것을 말한다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c 에 제시된 바와 같이, 일반적으로 정면 충돌시 프레임의 변형을 용이하게 하도록 프런트 킥업부(KU)는 상방으로 굽혀짐과 동시에 내 측으로 굽혀져 있다.
그러나 차량에서 발생하는 소음과 진동을 감소시키기 위해서는 차대 프레임의 굽힘 강성이 커야 하며, 또한 차량의 조정 안정성을 향상시키기 위해서는 프런트 사이드 멤버의 측면 강성을 증가시켜야 한다. 사이드 멤버(side member)란 차체의 측면을 구성하는 부재(部材)로서, 프런트 보디 필러에서 쿼터 패널에 이르는 부분을 말한다.
그러므로 정면 충돌 시 차체가 변형 가능하되 완만하게 변형되도록 함과 동시에, 소음과 진동을 감소시키고 조정 안정성을 향상시키도록 프레임의 프런트 킥업부를 설계함으로써, 차량 운전자의 안전성을 확보하고, 소음 및 진동을 최소화할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 종래에는 프런트 킥업부에 부가되는 사이드 멤버에 격막을 보강하거나 내부 보강재를 삽입하여 프레임의 강성을 강화하였다.
도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11 은 종래의 프런트 사이드 멤버 구조를 나타낸 도면이다. 상세하게는, 도 9a 및 9b 는 차량 충돌 시 에너지를 흡수하거나 변형을 유도하는 구조를 나타낸 도면이고, 도 10a 및 도 10b 는 차량의 킥업부 강성을 강화하기 위한 구조이며, 도 11 은 사이드 멤버 내에 격막을 삽입한 구조이다.
종래의 사이드 멤버 구조에서는 도 9a 를 참조하면, 내부 프레임(91)과 외부 프레임(92)의 이중 구조를 가지는 사이드 멤버 구조로서, 평상시 상기 내부 프레 임(91)이 정면 충돌에 의해 후방으로 밀리지 않도록 상기 외부 프레임(92) 내에 격막(93)과 걸림홈(94)을 형성하였으나 충돌시 사이드 멤버를 완만히 변형시키는 데에 한계가 있다. 또한, 도 9b 를 참조하면, 충돌 시 사이드 멤버의 꺽임을 유도하기 위하여 사이드 멤버 측면에 홀(95a;95b;95c)을 형성하였으나 홀이 형성된 근방의 부위에만 진동 및 변형 에너지가 집중되는 단점이 있다.
한편 다른 종래의 사이드 멤버 구조에서는, 도 10a 및 도 10b 를 참조하면, 프레임 내부의 사이드 멤버를 다층으로 형성하여 강성을 보완하였으나, 정면 충돌에 의한 변형을 유도하는데 불리한 단점이 있다.
또 다른 종래의 사이드 멤버 구조에서는, 도 11 을 참조하면, 킥업부로부터 운전석 측면까지 보강재(111)를 삽입하였으며, A 부분과 같은 곳에 상기 보강재(111)가 격막 형태로 삽입된다. 이 경우, 강성 유지와 소음 진동의 감소 효과는 뛰어나지만 공차 중량이 증가할 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량의 사이드 멤버 내부에 수직 보강재 및 수평 보강재를 설치함으로써, 소음과 진동을 감소시키고 조정 안정성을 향상시키도록 프런트 사이드 멤버의 강성을 향상시키고, 차량의 정면 충돌 시 프런트 킥업부의 완만한 변형을 유도하기 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 프런트 사이드 멤버 구조에 있어서, 수평 단면이 파상형(波狀形)이고, 상기 프런트 사이드 멤버 내부의 외측에 삽입되는 수직 보강재 및 상기 프런트 사이드 멤버 내부의 내측에 설치되어 상기 수직 보강재를 향하여 측방으로 연장되는 하나 이상의 수평 보강재를 포함하여 구성되고, 외부 응력에 의한 상기 프런트 사이드 멤버의 좌우 변형 시, 상기 수직 보강재가 상기 수평 보강재를 압축변형하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버의 구조는 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 비교하여 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 수평 방향의 횡굽힘 강성을 보강하도록 수평 보강재를, 수직 방향의 종굽힘 강성을 보강하도록 수직 보강재를 삽입함으로써 강성을 보강하였다. 향후 기술될 강성 실험 데이터(도 15 참조)에 의하면 종래의 프런트 사이드 멤버 구조에 비해 횡방향으로 약 13%, 종방향으로 약 10% 의 강성이 향상되었음을 알 수 있다. 이는 강성의 향상으로 인하여 소음, 진동을 효과적으로 감소시키고, 조정 안정성을 확보할 수 있다.
둘째, 정면 충돌 시 수직 보강재가 수평 보강재에 변형을 가함으로써, 프런트 사이드 멤버의 꺾임을 용이하게 하였다. 추후 기술될 충돌 성능 원리 해석(도 12 내지 도 14 참조)에 의하면 충돌로부터 약 10㎳ 이후 종래의 프런트 사이드 멤버에 비하여 약 50㎜ 덜 압축된 것을 알 수 있다. 이는 정면 충돌에 대하여 완만한 차체의 변형을 유도함으로써, 탑승자의 충격을 완화한다.
요컨대, 정면 충돌에 대한 탑승자의 충격 완화 효과와, 소음 및 진동을 막고 조정 안정성을 확보하기 위한 강성의 증대라는 두 과제를 동시에 해결하는 장점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 바람직한 실시예의 구성을 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2 는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도면을 참조하면 본 발명은, 프런트 사이드 멤버 구조에 있어서, 수평 단면이 파상형(波狀形)이고, 상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b) 내부의 외측에 삽입되 는 수직 보강재(10) 및 상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b) 내부의 내측에 설치되어 상기 수직 보강재(10)를 향하여 측방으로 연장되는 하나 이상의 수평 보강재(20)를 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b)는 외측 프런트 사이드 멤버(30a)와 내측 프런트 사이드 멤버(30b)를 포함하여 구성된다. 또한 그 내부에는 수직 보강재(10)가 삽입되어 있고, 수평 보강재(20)가 형성되어 있으며, 상기 외측 프런트 사이드 멤버(30a)와 상기 내측 프런트 사이드 멤버(30b)는 상기 수직 보강재(10)와 상기 수평 보강재(20)를 감싸도록 각각의 단부가 면접촉하여 결합하는 것이 바람직하다.
도 3 은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 단면부를 나타내기 위한 사시도이고, 도 4 는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 A-A 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이고, 도 5 는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 B-B 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이며, 도 6 은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 C-C 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 수직 보강재(10)는 수평 단면(C-C)이 파상형으로 삽입되며, 바람직하게는 사인 곡선(sine curve) 형태를 갖는 파상형인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 수직 보강재(10)는 상기 외측 프런트 사이드 멤버(30a)와 상기 수평 보강재(20)의 사이에 삽입되며, 상기 외측 프런트 사이드 멤버(30a)와의 접촉 면이 용접되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 수평 보강재(20)는 상기 내측 프런트 사이드 멤버(30b)와 상기 수직 보강재(10) 사이에 삽입되며, 상기 내측 프런트 사이드 멤버(30b)에 접촉하여 결합한다.
또한 상기 수평 보강재(20)는 상기 내측 프런트 사이드 멤버(30b)의 내측으로부터 측방으로 연장된다. 바람직하게는 상기 수평 보강재(20)는 수평과 5°내지 10°의 각도를 형성한다. 즉, 상기 수평 보강재(20)는 상기 내측 프런트 사이드 멤버(30b)의 내측면과 80°내지 85°의 각도를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 수평 보강재(20)는 측방으로 연장될 때, 수평에 대하여 상방으로 5°내지 10°의 각도를 형성하거나 또는 수평에 대하여 하방으로 5°내지 10°의 각도를 형성하는데, 하방으로 5°내지 10°의 각도를 형성하는 것이 보다 바람직하다.
나아가 상기 내측 프런트 사이드 멤버(30b)의 내측에는 하나 이상의 상기 수평 보강재(20)가 접촉하여 결합하는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하여 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 작용을 상세하게 살펴본다.
도 7a 는 차량 충돌 전 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 7b 는 차량 충돌 후 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b 를 참조하면, 상기 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조(100)는 외부 응력에 의한 상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b)의 좌우 변형 시, 상기 수직 보강재(10)가 상기 수평 보강재(20)를 압축변형한다.
차량이 정면 충돌하면, 프런트 킥업부의 프런트 사이드 멤버(30a;30b)는 강한 응력을 받게 되어 좌우로 변형되어 꺾인다. 이때 상기 수직 보강재(10)가 맞닿은 상기 수평 보강재(20)에 압축력을 가하고, 압축력을 받은 상기 수평 보강재(20)가 상단 또는 하단으로 접힘으로써 상기 프론트 사이드 멤버 구조(100)의 꺾임을 용이하게 한다.
상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b)는 강한 응력을 받으면 전술한 바와 같이, 변형을 일으키기 용이하지만, 약한 응력이나 진동 하에서는 상기 수평 보강재(20)가 수평 방향의 횡굽힘 강성을 보강하고, 상기 수직 보강재(10)가 수직 방향의 종굽힘 강성을 보강한다.
상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b)의 외측 모서리면에 하나 이상의 홀(40)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 홀(40)은 상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b)의 꺾임을 보다 용이하게 한다. 차량이 정면 충돌 시, 상기 홀(40) 부분에 응력이 집중되면서 상기 외측 프런트 사이드 멤버(30a)가 내측으로 꺽임이 발생하고, 상기 수직 보강재는 용수철과 같은 스프링 하중을 상기 수평 보강재(20)에 가한다. 상기 수평 보강재(20)가 상단 또는 하단으로 접힘으로써 상기 프런트 사이드 멤버(30a;30b)가 원활히 꺾이게 된다.
이하 모의 실험 및 요소 분석을 통해 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 성능을 분석하도록 한다.
도 12 는 모의 실험에서 정면 충돌 직전, 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 상태를 비교한 도면이고, 도 13 은 모의 실험에서 정면 충돌 5㎳ 이후, 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 상태를 비교한 도면이고, 도 14 는 모의 실험에서 정면 충돌 10㎳ 이후, 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 상태를 비교한 도면이다.
도 12, 도 13 및 도 14 에서, 상단의 그림은 프레임만으로 이루어진 프런트 사이드 멤버 구조의 외부형상 및 내부형상을 나타내고, 중단의 그림은 단순히 홀('비드'라고도 칭함)만이 형성된 프런트 사이드 멤버 구조의 외부형상 및 내부형상을 나타내며, 하단의 그림은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 나타낸다. 중단과 하단의 그림은 홀이 추가되었으므로 화살표가 가리키는 곳에 변형유도부를 갖는다.
단순히 홀만을 추가한 프런트 사이드 멤버 구조는 모의 실험에서 정면 충돌 이후 홀이 없는 구조와 비교하여 5㎳ , 10㎳ 시간의 흐름에 따라 거의 차이를 보이지 않는다. 그러나 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조는 단순히 홀만을 추가한 프런트 사이드 멤버 구조에 비하여 10㎳ 지점에서 약 50㎜ 가량 덜 변형되었다. 이는 본 발명이 종래의 구성에 비하여 동일한 시간 간격 동안 보다 완만하게 변형됨으로써, 충돌 변형량의 개선을 가져왔다는 것을 의미한다.
도 15 는 요소 분석 기법을 이용하여 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 변형량 및 강성을 모의 비교 실험한 결과를 나타낸 도면이다. 변형량 및 강성의 비교 실험 결과를 표로 나타내면 아래와 같다.

구분
 변형량 강성
수직 성분 수평 성분 수직 성분 수평 성분
개선 전 0.0866 0.1743 1155 574
개선 후
 0.07775 0.154 1286 649
90% 88% 111% 113%
비고 10% 개선 12% 개선 10% 개선 13% 개선
상기 표를 참조하면, 모의 비교 실험에서 본 발명의 프런트 사이드 멤버 구조는 종래의 프런트 사이드 멤버 구조에 비하여 상하좌우의 진동에 대해 보다 덜 변형되도록 개선된 강성을 가진다. 수직 변형량은 종래의 프런트 사이드 멤버 구조에 비하여 약 10% 덜 변형되며, 수평 변형량은 약 12% 덜 변형된다. 다시 말해, 도 15 는 수직 강성이 10% 더 개선되었고, 수평 강성은 약 13% 더 개선되었음을 보여준다.
도 1 은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2 는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
도 3 은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 단면부를 나타내기 위한 사시도이다.
도 4 는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 A-A 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 5 는 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 B-B 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조를 C-C 방향으로 절단한 단면을 나타내는 단면도이다.
도 7a 는 차량 충돌 전 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7b 는 차량 충돌 후 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8a 는 차량의 샤시 프레임을 나타낸 사시도이며, 도 8b 는 차량의 샤시 프레임의 일부를 나타낸 평면도이며, 도 8c 는 차량의 샤시 프레임의 일부를 나타낸 측면도이다.
도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11a 및 도 11b 는 종래의 프런트 사이드 멤버 구조를 나타낸 도면이다.
도 12 는 모의 실험에서 정면 충돌 직전, 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 상태를 비교한 도면이다.
도 13 은 모의 실험에서 정면 충돌 5㎳ 이후, 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 상태를 비교한 도면이다.
도 14 는 모의 실험에서 정면 충돌 10㎳ 이후, 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 상태를 비교한 도면이다.
도 15 는 요소 분석 기법을 이용하여 종래의 프런트 사이드 멤버 구조와 본 발명 강성유지와 변형유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조의 변형량 및 강성을 모의 비교 실험한 결과를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10; 수직 보강재 20; 수평 보강재
30a; 외측 프런트 사이드 멤버 30b; 내측 프런트 사이드 멤버
40; 홀

Claims (4)

  1. 차량의 프레임을 구성하는 프런트 사이드 멤버 구조에 있어서,
    수평 단면이 파상형(波狀形)이고, 상기 프런트 사이드 멤버 내부의 외측에 삽입되는 수직 보강재 및
    상기 프런트 사이드 멤버 내부의 내측에 설치되어 상기 수직 보강재를 향하여 측방으로 연장되는 하나 이상의 수평 보강재를 포함하여 구성되고,
    외부 응력에 의한 상기 프런트 사이드 멤버의 좌우 변형 시, 상기 수직 보강재가 상기 수평 보강재를 압축변형하는 것을 특징으로 하는 강성 유지와 변형 유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 보강재의 파상형은 사인 곡선(sine curve)인 것을 특징으로 하는 강성 유지와 변형 유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평 보강재는 수평과 5°내지 10°의 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 강성 유지와 변형 유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프런트 사이드 멤버의 외측 모서리면에 하나 이상의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 강성 유지와 변형 유도를 위한 프런트 사이드 멤버 구조.
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