차량 섀시{VEHICLE CHASSIS}

본 발명은 차량 섀시에 관한 것이다.

차량 섀시가 차량의 중요한 구성요소라는 사실을 상기할 필요가 없다. 차량 섀시는 차량의 핵심이며, 이 섀시로부터 그 외의 다른 모든 구성요소들이 직접 또는 간접적으로 지지된다. 차량 섀시는 차량에 의해 가해진 힘들을 흡수하고 전달하는데 궁극적으로 책임이 있으며, (큰 수준의) 섀시 강도는 차량의 취급 행태를 결정하고 차량 섀시의 변형 행태는 차량의 내충격성에 대해 주된 요인이다.

차량 섀시는 차량의 단일 구성요소 중 가장 큰 구성요소이며 (몇몇 경우에서 엔진을 제외하고) 가장 무겁다. 이는 차량 섀시를 제조하는데 필요한 원자재들과 섀시의 최종 무게가 차량의 수명 동안 환경에 끼치는 영향의 중요한 부분이 될 것이라는 사실을 의미한다.

따라서, 차량 섀시의 재료 필요요건과 무게를 줄이는 것은 차량의 성능, 연료 경제성 및 환경에 끼치는 영향에 있어서 이점을 줄 것이다. 하지만, 이는 차량 섀시의 필요 강도에 나쁜 영향을 끼치지 않고서도 수행되어야 한다.

역사적으로는, 사다리(laddr)의 "가로장(rung)"이 제공된 교차 부재(cross member)들에 결합된 2개의 세로방향 섹션들을 이용하여, 단순한 사다리형 섀시(ladder chassis)가 제조되었다. 상기 세로방향 섹션들은 필요 강도를 제공하기 위해 매우 큰 게이지(gauge)로 구성될 필요가 있었다. 이에 따라 섀시는, 오늘날의 표준형으로서, 무게가 너무 무겁고 비틀림에 대한 강도가 충분하지 않다. 하지만, 대량 생산하기에는 상당히 간단하였다.

다수의 교차 부재 또는 격벽(bulkhead)에 의해 결합된 추가적인 세로방향 섹션들을 사용하면, 일반적으로 관형 프레임 새시(tubular frame chassis)로서 지칭되는 섀시가 생성된다. 하지만, 대량-생산 차량에 대해서는, 이러한 섀시들은 제작하기에 필요한 시간이 일반적으로 너무나 길기 때문에 퇴출되었다(dismissed).

이러한 구조물의 강도가 새시의 강도보다 더 크긴 하지만, 충분한 강도를 제공하기 위하여, 비틀림 모멘트가 방지되고 프레임 부재의 세로방향 압축 또는 인장에 의해 모든 힘들이 상쇄되도록(taken up) 통상 상기 구조물에 추가적인 수직 부재들을 추가할 필요가 있다. 이러한 타입의 구조물은 스페이스 프레임(space frame)으로서 지칭되며 대량 생산하기에는 너무나 복잡하다.

따라서, 현재의 양산 차량(volume-produced vehicle)은 통상 프레스가공된 스틸 새시를 사용한다. 이 섀시는 하나 또는 그 이상의 단계를 가진 프레스/스탬핑 공정에 의해 형성된다. 이 공정은 필요 강도를 가지지만 생산을 위해 매우 실질적인 공구를 필요로 하고 매우 무거운 스틸 섀시를 제조한다. 그러면, 차량의 나머지 필요 부분들은 스폿-용접되어(spot-welded) 조립된다.

섀시를 형성하기에 필요한 공구들은 물리적으로 대형이고 이에 따라 매우 큰 설비 내에 수용되어야 한다. 따라서 (환경에 끼치는 영향과 함께) 실질적인 재료 비용이 섀시, 공구 및 이러한 설비 내에 포함되며 차량의 에너지 필요요건의 결과로서 섀시에는 실질적으로 현재 진행되는 환경 영향이 포함되어 있으며 가열, 조명, 보수 유지 등에 있어서 대형 설비에도 현재 진행되는 환경 영향이 포함되어 있다. 필요 스폿-용접은 상당한 에너지 소모를 수반한다.

특허출원 WO2009/122178호는 스틸로 보완된 스틸 프레임워크(steel framework) 또는 스틸 프레임워크에 결합된 시트에 따른 섀시를 기술하고 있다. 이 특허출원은 복합 시트 사용을 제안하고 있다. 상기 특허출원은 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되며 상기 특허출원을 읽음으로써 당업자는 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은 필요 강도와 함께 신속한 제작 속도를 조합하여 양산할 수 있으나 종래의 프레스가공된 스틸 섀시(pressed steel chassis)의 환경에 끼치는 영향보다는 훨씬 적은 환경 영향을 가진 섀시를 제공하는 데 있다. 이 특허출원은 앞에서 언급한 WO2009/122178호의 기술내용보다 진보된 것으로서 복합 시트 내에서 강화 섬유를 바람직하게 배열하는 방법에 대해서 설명하고 있다.

따라서, 본 발명은 상호연결된 관형 섹션(tubular section)들의 프레임워크(framework)와 상기 프레임워크에 결합된 하나 이상의 복합 시트(composite sheet)를 포함하는 차량 섀시를 제안하며, 상기 복합 시트의 일부분 이상은 일방향 섬유(unidirectional fiber)들로 구성된다. 레이저 절삭, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 굽힘, 및 컴퓨터 제어 용접과 같은 최신 제작 공법들을 사용하여, 이러한 섀시 제작에 필요한 목표 시간이 120초 이내로 유지될 수 있다. 한편, 상기 프레임워크에 결합된 복합 시트는 섀시의 구성 부분으로서 기능을 수행하고 전반적으로 구조물에 강도를 추가하여 필요한 강도 수준을 충족할 수 있게 한다.

이러한 섀시는 특히 낮은 탄소 영향을 가진다. 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속성 재료로 구성될 수 있는 관형 섹션(바람직하게는 중공 관형 섹션)들을 사용하면, 프레스가공된 스틸 섀시보다 재료 사용량에 있어서 훨씬 더 경제적이며 현저하게 작은 공구로 형성될 수 있어서 이에 따라 상대적으로 작은 영향을 끼치게 된다. 이러한 섀시를 제조하는데 필요한 물리적인 공간도 훨씬 적으며 이에 따라 가열, 조명, 제작 비용 및 그 외의 다른 비용들과 섀시가 제작되는 설비의 탄소 영향도 감소할 수 있게 한다.

탄소 섬유 복합재, 케블러 섬유 복합재, 유리 섬유 복합재를 포함하는 다양한 복합 재료들과 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite)와 같은 그 외의 다른 복합 재료들이 적합하다.

복합재 표면 재료들은 다양한 형태들로, 즉 임의로 배열되고 직조(woven) 또는 일방향 섬유로 공급될 수 있으며, 그 뒤, 한 섬유로부터 또 다른 섬유로 전단력을 전달하기 위해 열경화성 또는 열가소성 수지로 처리되어 섬유 캐리어 매트릭스(fiber carrier matrix)를 제공한다. 본 발명은 제작 공정을 추가로 변형하여 바람직한 구체예에서 특정 위치에서 사전-경화되고 공결합된 저비용의 일방향 부재들과 함께 대형 패널 상에서 임의-배열식 표면(skin)과 조합된다. 임의 표면을 일방향 부재들과 조합하면, 넓은 영역에 걸쳐, 값비싼 직조 또는 일방향 표면의 필요성이 없어지며, 이 시스템은 새시 프레임/복합재 패널 이음부(junction) 영역에 가해진 매우 집중된 하중들을 수용할 수 있는 이점을 가져서 이에 따라 원재료 및 제작 공정에서의 비용을 현저하게 줄일 수 있다.

복합 시트는 평형하지 않을 수도 있으며 평평하지 않은 것이 바람직한데, 이는 상대적으로 광범위한 다양한 축에서 더 큰 수준의 강도를 가질 수 있게 하기 때문이다. 터브(tub)와 같은 오목한 기하학적 형태가 바람직하다. 복합 시트는 상기 복수의 섹션들은 위치 공차(positional tolerance)를 허용하여 이에 따라 프레임워크를 제작할 때 어떠한 공차라도 수용될 수 있게 하는 방법에 의해 이상적으로 결합되는(joined) 복수의 섹션들로 구성될 수 있다.

일방향 섬유들로 구성된 복합 시트의 부분은 섀시의 한 측면으로부터 또 다른 측면을 향해 후방으로 비스듬하게 연장되는 것이 바람직하며, 이 섬유들도 동일한 방식으로 후방으로 비스듬하게 배열된다. 상기 복합 시트의 부분은 섀시의 한 측면 상에 있는 관형 섹션으로부터 연장될 수 있으며 섀시의 또 다른 측면 상에 있는 추가적인 관형 섹션으로 연장될 수 있다. 이와 유사한 추가적인 부분은 반대 방향으로 연장될 수 있고, 바람직하게는 대칭으로 배열될 수 있으며 필요 시에는 중첩(overlapping)된다.

물론, 위에서 언급한 섀시는 엔진 및 그 외의 작동 기어(running gear), 바디워크(bodywork) 및 섀시 밑 또는 섀시 상에 있는 적절한 위치에 장착되는 내부 부속품(fittings)들을 포함할 수 있다.

본 발명은 위에서 언급한 것과 같은 섀시를 포함하는 차량을 추가로 제공한다. 섀시 구조물로부터 멀리서 차량 조립이 이루어지는 위치에서, 위에서 언급한 것과 같은 섀시는 주로 평면 형태를 견뎌내도록 유도된 매우 높은 수준의 강도로 인하여 매우 경제적으로 이동될 수 있다(transported). 이러한 본 발명에 의한 섀시의 컴팩트한 형태는 다수의(6-8개) 섀시 요소들이 단일의 표준형 수송 컨테이너 내에 끼워질 수 있게 할 수 있다. 따라서, 수송 비용과 이와 관련된 환경 영향은 현저하게 감소될 수 있다.

튜브는 레이저 절삭 공정에 의해 절단될 수 있으며 동일한 단계에서 절단되고 프로파일되는(profiled) 것이 바람직하다. 이 튜브들은 컴퓨터 수치 제어(CNC) 굽힘 공정에 의해 굽혀질 수 있으며 자동 용접에 의해 결합될 수 있다.

이제, 본 발명의 한 구체예가 첨부된 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다.
도 1 내지 4는, 각각, 시트에 끼워맞추기 전의 관형 프레임을 도시한 투시도, 평면도, 측면도 및 정면도.
도 5 내지 8은, 각각, 시트에 끼워맞추기 전에 롤 바가 끼워져 있는 관형 프레임을 도시한 투시도, 평면도, 측면도 및 정면도.
도 9 내지 12는, 각각, 관형 프레임에 끼워맞추기 전의 시트를 도시한 투시도, 평면도, 측면도 및 정면도.
도 13 내지 16은, 각각, 시트가 끼워진 관형 프레임을 도시한 투시도, 평면도, 측면도 및 정면도.
도 17은 섬유가 배열된 형태를 예시한 도면.

도 1, 2, 3 및 4는 본 발명에 따른 차량 섀시의 제작과정에 사용되는 관형 프레임 구조물을 도시한 도면들이다. 상기 프레임 구조물(10)은 일련의 4개의 세로방향 부재들 즉 차량의 좌측면에 2개의 부재(12, 14)와 차량의 우측면에 2개의 부재(16, 18)를 포함한다. 각각의 측면에 있는 부재들은 여러 상승 요소(20, 22)에 의해 연결되며 두 부재들 중 세로방향 하측 부재(14, 18)에 의해 상측 부재(12, 16)와 만나기 위하여 차량의 후방을 향해 상승된다. 이러한 상승 프로파일은 후진 작동 기어(rear running gear)를 수용하기 위해 차량의 후방에서 공간(24)을 생성한다. 이와 유사하게, 차량의 전방에서, 모든 4개의 세로방향 수단은 차량의 중심선을 향해 내부 방향으로 상기 부재들을 발산하도록 하기 위해 굽힘부(bend)를 포함하며 전진 작동 기어(front running gear)를 위한 공간(26)을 생성한다.

세로방향 부재(12, 14, 16, 18)들을 정확한 공간에 유지시키기 위해 도면부호(28)로 도시된 것과 같은 교차 부재(cross member)들이 제공되는데, 이 교차 부재들은 차량을 횡단 방향으로 가로질러 연장되고 세로방향 부재들에 부착된다(attahced). 따라서, 다수의 횡단면 튜브(tube)로 만든 관형 프레임 구조물이 형성된다.

이러한 튜브들은 컴퓨터 수치 제어(CNC) 공정에 의해 굽혀지고 절단된 큰 직경의 스틸(또는 알루미늄)로 제조된 얇은 벽 튜브이다. 상기 튜브의 단부는 현재 CNC 레이저 기기에 의해 프로파일될 수 있으며(profiled) 그 후 CNC 굽힘 및 로봇 용접이 수행될 수 있다. 그 결과, 연신된 좁다란 스틸 스트립(steel strip)으로부터 형성된 튜브 섹션(tube section)들로부터 스틸 구조의 섀시가 형성될 수 있다. 이 섀시는, 필요한 형태로 포징가공(forged) 되어야 하는 단일의 커다란 강편(billet)을 필요로 하는 종래의 프레스가공된 스틸 섀시와는 대조적으로, 스틸 튜브 형태로 단순하게 제조되고 굽혀지며 용접된다. 따라서, 관형 프레임을 형성하고 조립하는데 필요한 에너지와 재료의 소모량은 이에 동등한 스틸 프레스 공정보다 훨씬 더 적다.

이러한 방식으로 생성된 다중-관형 구조물(multi-tubular structure)은 주로 자체-지깅(self-jigging)되며 이에 따라 구성을 위해 최소한의 추가 부분들을 필요로 한다. 일단 상기 구조물이 함께 용접되고 나면, 노출된 스틸에 대해서 적절한 화학조(chemical bath)에 의해 외부 및 내부가 보호될 수 있다.

본 명세서에서 예로서 예시된 섀시는 (예를 들어) 본 출원인의 이전 특허출원 WO2008/110814호에 예시된 것과 같은 3개 좌석을 가진 승객 이송 차량에 사용하기 위한 것이다. 이에 따라, 상기 구조물은 중앙에 위치된 운전 좌석 공간(34)과 두 명의 후방 승객을 위한 발밑 공간(30, 32)을 제공한다. 하지만 이러한 설계를 위해 그 외의 다른 차량 디자인과 레이아웃(layout)도 제공될 수 있다.

도 1-3은 차량 섀시의 하측 절반이 제공된 구조물의 초기 상태를 도시한 두면들로서, 예측가능한 충돌 관리(crash management) 및 더 단단한 강성과 굽힘 강도를 제안하는 하중 경로(load path)의 기본 요소들을 제공한다. 하지만, 이러한 차량의 최종 수치와 비교하였을 때, 결과적인 섀시는 매우 소형이어서 (측벽 또는 이 측벽들에 부착된 지붕 섹션이 없는) 표준형 수송 컨테이너 내에 포장될 수 있으며, 종래의 프레스가공된 스틸 및 스폿-용접된(spot-welded) 새시보다 효율성이 훨씬 더 크다. 이는 섀시와 본체가 한 부분(site) 또는 제 3 부분에서 조립되면서도 개별적인 부분에서 제작될 수 있다는 것을 의미하며, 또한 표준형 소형 차에 대해 훨씬 많은 섀시가 표준형 수송 컨테이너에 이송될 수 있고 이에 따라 수송 비용과 수송에 관련된 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있음을 의미한다. 이것은 다중-관형 구조물에 의해 가능한데, 이 다중-관형 구조물의 조립은 프레스가공된 스틸 구조물에 비해 도 1-4에 도시된 것과 같은 중간 상태이지만 안정적인 상태에서 정지될 수 있다(suspended).

도 5-8은 스틸 롤 후프(36)가 추가된 도 1-4의 다중-관형 구조물(10)을 도시하고 있다. 한 쌍의 상측 세로방향 부재(38, 40)가 롤 후프(36)로부터 후방으로 연장되어 이에 따라 스트럿(42, 44)에 의해 지지된다. 상기 롤 후프(36)는 앞에서 언급한 세로방향 부재(12, 16) 위에 용접된 한 쌍의 소켓(46, 48) 내에 수용되는데 상기 소켓(46, 48)은 롤 후프(36)를 위해 안정적인 위치를 제공한다. 측면 부재(38, 40)들이 롤 후프로부터 후방으로 연장되며 후방 본체 패널을 장착하기 위한 수단을 제공한다. 상기 완전한 관형 프레임 구조물에 강성의 시트(50)가 추가되는데, 이 시트(50)는 도 9-14에 도시되어 있다.

상기 강성의 복합 시트(50)는 두 가지의 주된 목적을 가진다. 하나는 관형 부재들 사이에서 하중(load)을 전달함으로써 다중-관형 구조물을 강화하여(reinforce) 이에 따라 전체적으로 상기 구조물의 강도를 증가시켜 내충격성(crashworthiness)을 개선하려는 것이다. 위에서 기술한 것과 같이, 탄소 섬유 복합재, 케블러 섬유 복합재, 유리 섬유 복합재를 포함하는 다양한 복합 재료들과 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite)와 같은 그 외의 다른 복합 재료들이 적합하다.

상기 강화 목적을 보조하기 위해, 시트는 평평하지 않은 형태로 형성되어 비틀림에 대한 강도를 제공할 수 있다. 명백히, 평평한 시트는 오직 한 축에 대해서만 비틀림에 대해 높은 강도를 제공하지만, 복합 굽힘부(즉 하나보다 많은 서로 평행하지 않은 축에서의 굽힘부)들을 가진 시트가 실질적으로 모든 차원에서 강도를 제공할 수 있다.

복합 시트(50)의 두 번째 목적은 차량에 내부 구조물을 제공하여 관형 부재들 간의 구멍을 덮는(covering) 데 있다. 따라서, 차량의 원하는 레이아웃을 위해 편리한 복합 형태에 따라 시트는 몰딩가공된다(moulded). 차량의 후미(52)로부터 시작하여, 화물 선반(parcel shelf) 또는 (이 경우) 후방에 장착된 엔진실 위의 적재 영역(load area)의 플로어(floor)로서 기능을 수행하는 평평한 패널(54)이 있으며, 후방 좌석의 승객들을 위해 경사진 좌석 등받이(58)를 제공하기 위해 하부방향 만곡부(56)가 있다. 후방 좌석 시트쿠션(60)을 제공하기 위해 다시 상부 방향으로 굽어지는 뒤에, 시트(50)의 외측 부분들은 하부 방향으로 굽어져서 후방 좌석 승객들을 위한 발밑 공간(62)을 제공한다. 중앙에 장착된 운전석을 지지하기 위해 돌출 형성부(64)로서 중앙 부분이 전방으로 연장되는데, 이 중앙 부분은, 발밑 공간(62)의 한 측면인 직립 측면 패널(66)들과 후방 좌석(58)의 한 측면인 측면 패널(68)들과 함께, 시트(50)에 3차원 복합 곡률을 제공한다.

프레임워크(10) 내에서 관형 섹션들에 상응하는 위치(70, 72, 74, 76)에서 시트(50) 내에 리세스들이 형성된다. 이 리세스들은 시트(50)가 이어지게 하고(follow) 프레임워크(10) 부분들의 형태에 일치하며 예를 들어 에폭시 수지와 같은 적절한 엔지니어링 접착제에 의해 상기 형태로 굽혀질 수 있게 한다. 이에 따라 힘들이 프레임워크(10)와 시트(50) 사이에서 전달될 수 있게 하여 상기 시트(50)에 강도를 제공하고 섀시가 내충격성을 가지게 한다.

도 13 내지 16는 롤 후프(36)가 부착된 완전한 섀시를 형성하기 위해 프레임워크(10)에 결합되고 프레임워크(10) 내에 설치된 복합 시트(50)를 도시하고 있다. 이제, 시트(50) 내에 있는 리세스(70, 72, 74, 76)들은 프레임워크(10)의 튜브 주위로 굽어져서 상기 튜브에 결합되어 이에 따라 시트(50)와 프레임워크(10)는 엔진, 작동 기어, 내부 및 외부 트림(trim) 등이 끼워질 수 있는 단일의 하중지탱 구조물(loadbearing structure)을 형성한다.

도 17은 복합 시트(50) 내에서 섬유 방향 배열을 도시하고 있다. 간결성을 위해, 전술한 도면들에 예시되어 있는 섀시의 많은 부분들이 제거되어 하측의 세로방향 부재(14, 18)들과 이 세로방향 부재(14, 18)들 사이에 배열된 복합 시트(50)의 평평한 영역이 운전 좌석 공간(34)의 양 측면 및 운전 좌석 공간(34)의 앞에 배열된 상태로 도시된다. 상기 영역은, 전방 충돌(즉 최대 에너지를 유발할 수 있는 충돌)에서, 충돌 힘(impact force)이 섀시에 의해 차량 섀시의 전방 영역에서 충돌 지점으로부터 후방을 향해 균형잡힌 방식으로 분산될 필요가 없기 때문에 중요한 영역이다. 이와 유사하게, 오프셋 충돌(offset collision)에서, 충돌 힘이 새시 전반에 걸쳐 분포되고 한 작은 영역에 집중되지 않는 것이 중요하다. 이러한 충돌 힘의 분산은 충돌 지점 주위에서 섀시가 변형되는 것을 줄여주는데, 이는 차량 외부의 충돌 지점과 차량 내부에 있는 승객 사이의 거리가 통상적으로 짧기 때문에 소형 차량에서 특히 중요한 사실이다.

충돌 힘의 필요한 분산을 보조하기 위해, 복합 시트(50)는 일방향 섬유(unidirectional fiber)로 구성된 섹션들을 포함한다. 이 일방향 섬유는 섬유가 연장되는 방향에서 임의-배열식 복합재(random-oriented composite)보다 실질적으로 더 강하다. 그 외의 다른 방향에서는, 덜 강할 수 있다. 도 17에 도시된 것과 같이, 상기 시트(50)는 2개의 이러한 섹션(78, 80)들을 포함하는데, 이들 각각의 섹션들은 섀시의 한 측면으로부터 또 다른 측면을 향해 후방으로 비스듬하게 연장된다. 각각의 섹션(78, 80) 내에 있는 섬유는 각각의 섹션에서와 동일하게 후방으로 비스듬하게 연장배열된다.

따라서, 한 섹션(78)은, 좌측 세로방향 부재(14)에 연결되는 지점의 후방으로 배열된(세로 방향으로) 지점으로서 우측 세로방향 부재(18)와 만나기 위해, 좌측 세로방향 부재(14)로부터 후방으로 비스듬하게 연장된다. 이와 유사하게, 다른 섹션(80)은, 우측 세로방향 부재(18)에 연결되는 지점의 후방으로 배열된(세로 방향으로) 지점으로서 좌측 세로방향 부재(14)와 만나기 위해, 우측 세로방향 부재(18)로부터 후방으로 비스듬하게 연장된다. 이 두 섹션들은 섀시의 중앙 수직 축을 따라 반사(reflection)되는 것처럼 대칭으로 배열된다. 따라서, 이 두 섹션들은 운전자의 발 밑에 있는 중앙 영역(82) 내에 중첩된다(overlap).

이러한 배열로 인해, 세로방향 부재(예를 들어 좌측 세로방향 부재(14))에 가해진 충돌 힘(및 그 외의 다른 힘들)이 상기 섹션(78)에 의해 다른 세로방향 부재(18)로 전달될 수 있게 한다. 상기 섹션(78)이 비스듬하게 배열되기 때문에, 상기 힘들은, 화살표(84)에 의해 표시된 것과 같이, 상기 섹션(78)을 따라 전단력(shear force)보다는 주로 압축력(compression force) 형태로 전달되며 이에 따라 복합 재료 성질에서 가장 우수한 이점을 가진다. 우측 세로방향 부재(18)에 가해지는 힘들에도 준용하여 동일하게 적용되는 것은 명백하다.

복합 시트(50)의 나머지 부분은 매트릭스 재료(matrix material) 내에 임의로 배열된 섬유들을 포함한다.

물론, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 위에서 기술한 구체예의 다양한 변형예들이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.