KR101997288B1 - 복합재료를 이용한 버스용 차체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재료를 이용한 버스용 차체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버스용 차체를 복합재료를 이용한 상부 차체와 하부 차체로 구분 제작하여, 필러 부분을 접착제로 상호 데킹시켜 조립시킨 복합재료를 이용한 버스용 차체에 관한 것이다.
버스용 차체를 조립하는데 있어서, 상부 차체와 플로어를 갖는 하부 차체를 기계적 결합을 사용하지 않고, 복합재료로 만들어진 필러 부분을 접착제를 이용하여 데킹(결합)시킬 수 있도록 함으로써, 조립작업성이 우수하고, 조립 시간을 단축시킬 수 있는 복합재료를 이용한 버스용 차체를 제공하고자 한 것이다.

Description

복합재료를 이용한 버스용 차체{Chassis frame for bus having composite material}

본 발명은 복합재료를 이용한 버스용 차체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버스용 차체를 복합재료를 이용한 상부 차체와 하부 차체로 구분 제작하여, 필러 부분을 접착제로 상호 데킹시켜 조립시킨 복합재료를 이용한 버스용 차체에 관한 것이다.

전기자동차나 하이브리드 자동차의 경우, 연비효율을 개선하기 위하여 차량의 경량화가 필요하지만, 금속소재의 부품이 전체 무게의 70% 정도를 차지하고 있으므로 설계를 변경하여 차량의 무게를 경감시키는데 한계가 있고, 따라서 금속재료를 경량재질인 복합재료로 교체하는 연구가 많이 진행되고 있다.

일반적으로, 스틸 차체와 플로어의 결합은 용접을 이용하고, 복합재 차체와 플로어의 결합은 기계적 결합 즉, 볼팅이나 리벳, 접착제를 활용하여 결합한다.

복합재 차체와 플로어 결합하는데 있어서, 기계적 결합 방법인 볼팅이나 리벳을 사용하는 경우는 접착제만을 이용한 결합이 충분한 강성과 강도를 유지 못할 때 이용한다.

그러나, 기계적 결합방법 인 볼팅이나 리벳을 사용할 경우 단점은 제작 시 볼팅을 위한 보스부나 리벳을 위하여 별도의 스틸을 추가하여 제작하기 때문에 작업 공수와 원가가 상승하고, 복합재 스킨부와 보스 사이에 기공이 발생할 수 있어 강도적으로 취약할 수 있다.

따라서, 복합재를 결합하는데 있어서 기계적 결합을 사용하지 않고 접착제만으로 충분한 강성 및 강도를 유지할 수 있도록 복합재 구조물을 설계하는 것이 중요하다.

이와 같이, 복합재료를 사용하여 중소형 버스 차체와 플로어를 제작하는데 다음과 같은 어려움이 있다.

첫째, 복합재료는 외관이 플라스틱, 섬유를 포함하는 수지로 구성되어 있기 때문에, 용접이 불가능한 단점이 있다.

둘째, 일반적으로 복합재 구조물의 결합을 위해서는 기계적 결합인 볼팅이나 리벳을 사용지만, 이러한 기계적 결합 방법을 사용하고자 할때는 스틸로 만들어진 보스등과 같은 별도의 결합 구조물을 삽입하여 성형하여야 하므로, 성형을 위한 공수가 늘어나고 별도의 부재를 삽입할 경우 기공의 발생 확률이 높아져서 제품의 강도를 만족하지 못하는 단점이 있다.

여기서, 종래의 버스 차체를 결합하는 문제점을 첨부도면을 참조로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 버스용 스틸 차체 구조를 나타낸 도면으로서, 버스용 스틸 상부 차체는 앞쪽에서부터 에이필러(1, A PILLAR)와 도어 필러(2, DOOR PILLAR)와, 윈도우 필러(3, WINDOW PILLAR)와, 리어 엔드 필러(4, REAR END PILLAR)를 포함한다.

그러나, 상부 차체와 플로어 결합 시 도 1에서 보듯이 결합 위치마다 상부 차체에 서로 다른 형상의 필러가 형성되어 있기 때문에 각 결합 위치마다 다른 결합 방식을 적용해야 하고, 또한 플로어가 다단 구조로 되어 있기 때문에 상부 차체와의 결합시 공차가 많이 발생하여 결합이 어려운 단점이 있다.

또한, 스틸 차체의 각 필러 구조는 박판의 아우터 패널과 인너패널의 점용점을 통한 폐단면 구조를 이루게 되어, 필러 부분에서 상부 차체와 하부 차체를 연결할 수 없는 단점이 있다.

도 2는 종래의 버스용 복합재 차체의 데킹 구조를 나타낸다.

복합재 차체는 제조 공법상 일체형 공법을 사용하여 제작하는 것으로서, 제작비 및 강성 강도 측면에서 유리한 구조이다.

따라서, 복합재를 이용하여 일체형 버스 차체를 구성하기 위해서는 일체형 상부 차체(Upper Body)와 플로어를 갖는 일체형 하부 차체(Lower Body)를 각각 제작한 후, 상호 연결하는 것이 강성 강도 측면에서 유리하다.

그러나, 도 2에서 보듯이, 상부 차체와 하부 차체 간을 결합하는 위치마다 볼트 및 접착제, 또는 볼트 등을 서로 다른 구조의 결합 구조가 적용됨에 따라, 상부 차체와 하부 차체 간의 매칭이 너무 힘들고 양산 시 대응이 힘든 결합 구조를 갖는 단점이 있다.

또한, 도 2에서 보듯이 플러어(Floor)가 다단 구조를 가진 구조이므로, 상부 차체와의 결합 시 공차가 많이 발생하여 결합 작업이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 복합재 구조물 끼리의 결합에 있어서, 특히, 버스용 차체를 조립하는데 있어서, 상부 차체와 플로어를 갖는 하부 차체를 기계적 결합을 사용하지 않고, 복합재료로 만들어진 필러 부분을 접착제를 이용하여 데킹(결합)시킬 수 있도록 함으로써, 조립작업성이 우수하고, 조립 시간을 단축시킬 수 있는 복합재료를 이용한 버스용 차체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 상부 차체를 복합재료로 만들어진 상부 필러를 갖는 구조로 제작하고, 플로어 일체형의 하부 차체를 복합재료로 만들어진 하부 필러를 갖는 구조로 제작하여, 상기 상부 차체와 하부 차체 간의 조립을 위하여 상부 필러의 하단면와 하부 필러의 상단면을 접착제를 이용하여 상호 결합시킨 것을 특징으로 하는 복합재료를 이용한 버스용 차체를 제공한다.

바람직하게는, 상기 상부 필러의 하단면에는 위쪽으로 오목한 요부를 이루는 동시에 내측에서 외측을 향하여 오목한 요부를 이루는 결합홈이 형성되고, 상기 하부 필러의 상단면에는 결합홈내에 삽입 체결되는 결합돌기가 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 상부 필러의 결합홈과 상기 하부 필러의 결합돌기 간의 상호 접촉면에 접착제가 도포되어 접착된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 상부 필러는: 스틸 코어재와; 스틸 코어재의 양쪽에 동일 갯수 및 두께로 적층되어 성형된 복합재; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 하부 필러는: 일정 두께의 PVC 폼과; 스틸 코어재의 양쪽에 동일 갯수 및 두께로 적층 성형되어, PVC 폼의 양쪽에 적층되는 내부 복합재와; PVC 폼과 내부 복합재의 사방 외면에 적층되어 일체로 성형되는 외부 복합재; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상부 필러의 복합재와, 상기 하부 필러의 내부 및 외부 복합재는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 또는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)를 사용한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상부 차체와 하부 차체를 각각 필러(에이 필러와, 도어 필러와, 윈도우 필러와, 리어 엔드 필러 등)가 절반 정도 분할된 상부필러와 하부필러를 갖는 구조로 제작하여, 각 필러 부분을 접착제를 이용하여 결합시킴으로써, 버스용 차체의 조립 작업성을 향상시킬 수 있고, 조립 작업 시간을 크게 단축시킬 수 있으며, 그에 따른 원가절감을 도모할 수 있다.

둘째, 상부 차체의 상부 필러와 하부 차체의 하부 필러를 스틸과 CFRP 또는 GFRP의 복합재를 포함하는 복합재료를 이용하여 제작함으로써, 상부필러와 하부필러 간의 연결 부분에 대한 강성을 유지시킬 수 있다.

셋째, 상부 차체와 하부 차체(플로어 포함)를 일체형 구조로 제작하여 강성을 향상시킬 수 있고, 상부 차체의 상부 필러와 하부 차체의 하부 필러를 접착제에 의한 접착강도 뿐만 아니라, 복합재료에 의한 결합 구조를 적용함으로써, 상부필러와 하부필러 간의 연결 부분에 대한 강성 및 전체 버스 차체에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 일례에 따른 버스 차체를 나타낸 사시도,
도 2는 종래의 다른 예에 따른 버스 차체를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 버스 차체를 나타낸 사시도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 버스 차체의 상부필러와 하부필러가 상호 결합되는 구조를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 버스 차체의 상부필러와 하부필러가 복합재료로 구성됨을 보여주는 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 버스 차체를 나타낸 도면으로서, 도면부호 10은 상부 차체를, 도면부호 20은 하부 차체를 나타낸다.

상기 상부 차체(10)는 버스의 루프패널을 비롯하여 에이필러(1, A PILLAR)와 도어 필러(2, DOOR PILLAR)와, 윈도우 필러(3, WINDOW PILLAR)와, 리어 엔드 필러(4, REAR END PILLAR)를 포함하는 상부 필러(12) 등이 일체로 제작된 것이다.

상기 하부 차체(20)는 버스의 플로어를 비롯하여 에이필러(1)와 도어 필러(2)와, 윈도우 필러(3)와, 리어 엔드 필러(4)를 포함하는 하부 필러(22) 등이 일체로 제작된 것이다.

이때, 상기 상부 차체(10)의 상부 필러(12)와 상기 하부 차체(20)의 하부 필러(22)는 각각 필러(에이필러(1), 도어 필러(2), 윈도우 필러(3), 리어 엔드 필러(4))를 상하로 절반 가량 분할시킨 것이다.

바람직하게는, 상기 상부 필러(12)와 하부 필러(22)를 상호 결합시키기 위하여, 도 4에서 보듯이 상부 필러(12)의 하단면에는 위쪽으로 오목한 요부를 이루는 동시에 내측에서 외측을 향하여 오목한 요부를 이루는 결합홈(14)이 형성되고, 하부 필러(22)의 상단면에는 결합홈(14)내에 삽입 체결되는 결합돌기(24)가 일체로 돌출 형성된다.

따라서, 상기 상부 차체(10)와 하부 차체(20) 간의 조립을 위하여, 도 5에서 보듯이 상부 필러(12)의 하단면와 하부 필러(22)의 상단면에 접착제(30)가 도포되고, 접착제의 접착강도에 의하여 상부 필러(12)와 하부 필러(22)가 상호 결합된다.

보다 상세하게는, 상기 상부 필러(12)의 결합홈(14)과 상기 하부 필러(22)의 결합돌기(24) 간의 상호 접촉면에 접착제(30)를 도포한 다음, 결합돌기(24)를 결합홈(14)내에 삽입하여 접착시킴으로써, 접착제의 접착강도에 의하여 상부 필러(12)와 하부 필러(22)가 상호 결합되고, 상부 필러(12)와 하부 필러(22)가 상호 결합됨에 따라 상부 차체(10)와 하부 차체(20)가 상호 조립되는 상태가 된다.

이와 같이, 상기 상부 차체(10)와 하부 차체(20)를 각각 필러(에이 필러와, 도어 필러와, 윈도우 필러와, 리어 엔드 필러 등)가 절반 정도 분할된 상부필러(12)와 하부필러(22)를 갖는 구조로 제작하여, 상부 필러(12)와 하부 필러(22)를 요철 결합시키는 동시에 접착제를 이용하여 접합시킴으로써, 버스용 차체의 조립 작업이 간단하게 이루어져 조립성을 향상시킬 수 있고, 조립 작업 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

한편, 상기 상부 차체(10)와 하부 차체(20)가 상호 접합되는 부분이 상부 필러(12)와 하부 필러(22)의 경계부이기 때문에 강성을 보강하기 위하여 상부 필러(12) 및 하부 필러(22)를 복합재료로 만들어진 것으로 적용하도록 한다.

이를 위해, 상기 상부 필러(12)는 도 6에서 보듯이, 스틸 코어재(16)가 내부에 배치되고, 이 스틸 코어재(16)의 양쪽에 복합재(18)가 동일 갯수 및 두께로 적층된 구조로 구비된다.

보다 상세하게는, 스틸 코어재(16)의 양쪽에 복합재(18)를 적층한 후 금형에서 1차 성형함으로써, 스틸 코어재(16)를 중심으로 양쪽에 복합재(18)가 적층된 상부 필러(12)가 제작된다.

이때, 스틸 코어재(16) 양면에 복합재(18)를 적층할 때, 동일한 개수 및 두께로 적층하는 것이 중요하며, 그 이유는 동일한 개수 및 두께로 적층하지 않을 시에는 스틸의 열변형이 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 상기 하부 필러(22)는 도 7에서 보듯이, 일정 두께의 PVC 폼(25)의 양쪽에 내부 복합재(26)가 적층되어 1차 성형된 후, PVC 폼(25)과 내부 복합재(26)의 사방 외면에 외부 복합재(28)를 적층하여 금형내에서 2차 성형시킨 구조로 구비된다.

보다 상세하게는, 일정 두께의 PVC 폼(24)을 구비하는 단계와, 스틸 코어재(16)의 양쪽에 동일 개수 및 두께의 내부 복합재(26)를 1차 성형하는 단계와, PVC 폼(25) 및 내부 복합재(26) 등의 전체 둘레면에 외부 복합재(28)를 2차 성형하는 단계를 통하여 구비된다.

바람직하게는, 상기 상부 필러(12)의 복합재(18)와, 상기 하부 필러(22)의 내부 및 외부 복합재(26,28)는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 또는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)를 사용하여 제작된다.

한편, 상기 상부 필러(12)의 복합재(18)와 상기 하부 필러(22)의 내부 및 외부 복합재(26,28)는 프리-프레그(PRE-PREG) 공법을 이용하여 적층 구성할 수 있으며, 각 복합재는 섬유(FIBER)가 수지에 이미 침탄되어 있는 하나의 겹(PLY)으로 존재하고, 여러 개의 겹(PLY)를 적층하여 고온(예를 들어, 100~150도)에서 성형 시 침탄된 수지가 녹는 동시에 섬유가 경화되어 고강도를 이루게 된다.

이와 같이, 상부 차체(10)의 상부 필러(12)와 하부 차체(20)의 하부 필러(22)를 스틸과 CFRP 또는 GFRP의 복합재를 포함하는 복합재료를 이용하여 제작함으로써, 상부 필러(12)와 하부 필러(22) 간의 연결 부분에 대한 강성을 유지시킬 수 있다.

10 : 상부 차체
12 : 상부 필러
14 : 결합홈
16 : 스틸 코어재
18 : 복합재
20 : 하부 차체
22 : 하부 필러
24 : 결합돌기
25 : PVC 폼
26 : 내부 복합재
28 : 외부 복합재
30 : 접착제

Claims (6)

1. 상부 차체(10)를 복합재료로 만들어진 상부 필러(12)를 갖는 구조로 제작하고, 플로어 일체형의 하부 차체(20)를 복합재료로 만들어진 하부 필러(22)를 갖는 구조로 제작하여,
   상기 상부 차체(10)와 하부 차체(20) 간의 조립을 위하여 상부 필러(12)의 하단면와 하부 필러(22)의 상단면을 접착제(30)를 이용하여 상호 결합시키되,
   상기 하부 필러(22)는:
   일정 두께의 PVC 폼(25)과;
   스틸 코어재(16)의 양쪽에 동일 갯수 및 두께로 적층 성형되어, PVC 폼(25)의 양쪽에 적층되는 내부 복합재(26)와;
   PVC 폼(25)과 내부 복합재(26)의 사방 외면에 적층되어 일체로 성형되는 외부 복합재(28);
   로 구성된 것을 특징으로 하는 복합재료를 이용한 버스용 차체.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 필러(12)의 하단면에는 위쪽으로 오목한 요부를 이루는 동시에 내측에서 외측을 향하여 오목한 요부를 이루는 결합홈(14)이 형성되고, 상기 하부 필러(22)의 상단면에는 결합홈(14)내에 삽입 체결되는 결합돌기(24)가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 복합재료를 이용한 버스용 차체.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 상부 필러(12)의 결합홈(14)과 상기 하부 필러(22)의 결합돌기(24) 간의 상호 접촉면에 접착제(30)가 도포되어 접착된 것을 특징으로 하는 복합재료를 이용한 버스용 차체.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 필러(12)는:
   스틸 코어재(16)와;
   스틸 코어재(16)의 양쪽에 동일 갯수 및 두께로 적층되어 성형된 복합재(18);
   로 구성된 것을 특징으로 하는 복합재료를 이용한 버스용 차체.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 필러(12)의 복합재(18)와, 상기 하부 필러(22)의 내부 및 외부 복합재(26,28)는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 또는 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)를 사용한 것을 특징으로 하는 복합재료를 이용한 버스용 차체.

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