Transcript Document

바디 구조 이론
1
http://www.autopole.com
1
1. 바디 일반
1-1 자동차의 역사
사람들은 오랜 옛날부터 무거운 물건을 쉽게 운반하기 위한 수단으로 바퀴를 사용하였고, 달구지를
끄는데 사람 또는 소, 말 등 가축의 힘을 이용하였다.
그 뒤로 스프링 태엽을 이용한 태엽 자동차 등을 고안하였고, 1769년에는 증기 원동기를 사용하는
세계 최초의 증기 자동차가 프랑스에서 만들어졌다.
그 후 100여년이 지난 1886년에 독일에서 가솔린 자동차가 만들어졌고, 20세기 초에 들어서서 미국
에서 포드(Ford, Henry)에 의해서 대량 생산 방식에 의한 자동차 생산이 시작 되었다.
2
http://www.autopole.com
2
안전대책
(1)안전대책
자동차가 급증하면 이에 병행하여 자동차의 사고가 증가한다는 것은 피할 수 없는 현실이기
문에 자동차의 안전대책은 대단히 중요한 기술적 과제로 되어 있다.
자동차의 안전대책의 예로서는 다음과 같은 것이 있다.
1) 사고방지 대책
특히 운전자의 시야를 확보하기 위한 대책으로서
· 프론트 윈드실드의 확대
· 프론트 필러의 세형화
· 프론트 필러 상단을 가늘게 만들어서 전방 시야 확보
· 프론트 바디의 경사화
· 조정안정성 확보
2) 충돌 사고시의 안전대책
충돌 및 추돌시의 충격으로부터 차실 내의 승객을 보호하기 위한 대책으로서
· 차체의 구조를 충격흡수 구조로 만든다.
· 충돌사고 시 객실을 최대한 보호할 수 있도록 리인 포스 먼트(보강재)의 부착
· 시트 벨트의 부착
· 헤드 레스트의 장착
· 에어백의 설치 등
3
http://www.autopole.com
3
고강도바디 충격흡수
4
http://www.autopole.com
4
(2) 연료절감 대책
1973년에 일어난 석유파동을 계기로 자원절감, 에너지절약 운동이 보편화되어 자동차의 차체에도
경량화 등 설계상의 고려가 대두되고 있다.
소형화
그 예를 보면 다음과 같은 것이 있다.
구조변경
차체 경량화
FF화
합성수지
재료전환
고장력 강판
알루미늄
(3) 수명연장 대책
석유파동을 계기로 경제 저 성장 시대에서 자동차 라이프 싸이클에 대응하기 위해 차체의 방청
대책이 다루어지고 있다.
이들은 다음과 같이 크게 3가지로 나누어 생각할 수 있다.
① 차체에 사용하는 강판을 내식성이 높은 표면처리 강판을 사용한다.
② 주행 중 외부로부터 흙, 먼지나 염분이 침입하여 축적되지 않는 구조로 한다.
③ 내식성 도장의 사용, 추가도장, 겹침 도장을 한다.
차체수리 시 위의 예와 같이 사회적 요구에 의한 자동차 차체의 변화 등을 평소에 연구하여 보
정확하고 확실한 정비가 이루어지도록 대처해야 할 필요가 있다.
5
http://www.autopole.com
5
자동차의 발달과정
6
http://www.autopole.com
6
2.자동차의 분류
(1) 동력전달방식에 의한 분류
1) FR방식 (Front Engine Rear Wheel Drive)
1980년대 초반까지 대부분의 자동차에 채용되고 있었던 가장 일반적인 형식이다.
후드를 낮추는 것에는 한계가 있고 객실의 바닥으로 변속기와 추진축이 지나가는 터널이 필요
하기 때문에 거주성의 제약이 있다.
7
http://www.autopole.com
7
2) FF방식 (Front Engine Front Wheel Drive)
엔진이 자동차의 앞부분에 있고 앞 바퀴를 구동하는 방식으로 추진축이 필요 없다. 바닥을
평평하게 할 수 있어 실내 유효공간이 넓으며 차체소음이 작으나 모든 기구가 앞부분에 설치
되어 있어 구조가 복잡하고 정비성이 좋지 않는 점도 있다.
3) RR방식 (Rear Engine Rear Wheel Drive)
엔진이 뒤에 있고 뒤 바퀴를 구동하는 방식으로 동력 전달 경로가 짧고 앞 차축의 구조
가 단조로우며, 언덕길에서 발진성은 좋으나 노면이 미끄러울 경우 조향성이 떨어진다.
8
http://www.autopole.com
8
4) MR방식 (Middle Engine Rear Wheel Drive)
엔진은 뒤 차축 전방에 위치하며 RR방식에 비해 무게중심이 차체의 중심에 가깝게 위치한
다는 장점이 있다.경주용 자동차나 스포츠카에 많이 사용된다.
5) UR방식 (Under Board Engine Rear Wheel Drive)
주로 버스나 트럭에 많이 사용되는 방식으로 엔진이 전/후 차축 사이에 설치된다. 무
게중심이 낮고 하중 분포가 균일하며 공간 이용도가 높다.
9
http://www.autopole.com
9
차체 스타일에 의한 분류
1) 세단 (Sedan)
박스형으로 고정된 지붕과 앞, 뒤로 각1열의 좌석을 갖추고 칸막이가 없으
며 2~5개의 도어로 4~6명 정도의 승객이 탈 수 있는 일반적인 승용차를
말한다.
10
http://www.autopole.com
10
2) 쿠페 (Coupe)
뒷좌석의 천장을 짧고 경사지게 만들고, 앞 좌석을 더 강화시킨 승용차로 보통 2개의 문으로 되어
있는데, 스포츠카의 경우가 이에 해당하며, 세단 가운데에서도 뒷부분을 바꾸어 쿠페로 만든 것이
있다.
3) 컨버트블 (Convertible)
승용차의 지붕을 임의대로 펴거나 접을 수 있는 자동차를 말한다. 영어의 “변환 할 수 있는”이라
는 형용사에서 나온 말이며 지붕이 부드럽고 질긴 천이나 가죽등으로 되어 있기 때문에 소프트 탑
이라고도 불린다.
http://www.autopole.com
11
4) 리무진 (Limousine)
운전석과 뒷자석을 유리로 칸막이한 VIP용 자동차로 쓰이는 호화 승용차이다. 어원은 프랑스 리무
장(Limousine)지방에서 만들던 호화판 마차의 이름에서 유래됐지만 영어권 지역 B 에서 이를 세
단에 사용하면서 현재의 개념으로 자리잡게 되었다.
5) 웨건 (Wagon)
세단 또는 하드 탑의 지붕이 뒷부분까지 수평으로 뻗어 있고 뒤쪽에 문이 있는 승용차의 형식으로
역마차에서 힌트를 얻어 스테이션 웨건 (Station Wagon)이라고 말한다. 웨건은 짐마차이고 스테
이션 웨건은 역마차이지만 사람과 화물을 싣는 다용도 바디로 동일하다
12
http://www.autopole.com
12
엔진 룸, 객실, 트렁크 룸의 배열에
의한 분류
1) 3 - 박스
엔진 룸 이외에 트렁크 룸이 객실과 분리되어 있는 형태의 승용차로 대부분이 이러한 형식이다.
2) 2 - 박스
엔진 룸과 객실이 두 개의 박스처럼 나눠진 형태로 트렁크는 객실에 포함된다.
오래 전부터 밴과 왜건에 쓰여 온 스타일로 80년대 이후 전륜 구동이 유행하면서 공간 확
보에 유리하여 소형차의 일반적인 형태로 자리 잡았다.
13
http://www.autopole.com
13
3) 1.5 - 박스
기본 스타일은 2박스와 같지만 엔진 룸 부분이 아주 작은 스타일을 말하며, 요즘 세계적으로 유행
하 는 다목적 자동차에 많이 쓰이고 있다.
4) 1 - 박스
자동차 전체가 하나의 상자 모양의 스타일로 되어 있다. 공간 활용성이 뛰어나기 때문에 실내공간
을 키우는 데 유리하며 많은 사람이 탈수 있고, 시트 배치가 자유로워 다목적으로 쓰이고 있다.
14
http://www.autopole.com
14
3. 바디의 구조
(1) 모노코크 바디의 구조
모노코크 바디는 독립된 프레임이 없고 강판으로 제작된 멤버를 바디의 일부로 하여 조립한
으로서여기에 엔진, 현가장치, 조향장치 등을 직접 부착한 구조이며 현재 승용차 바디의 주
를 이루고 있다.
모노코크 바디는 대표적으로 계란(鷄卵)껍질 형의 구조가 있다. 그 구조는 계란형태로되어
기 때문에 껍질 자체는 얇아도, 이를 손가락으로 누르면 쉽게 갈라지거나 깨어 지지 않는다.
이것은 누르는 힘이 껍질 전체로 퍼져 부분적으로는 작은 힘만 작용하기 때문이다. 이 같은 구조
를 「외피구조」라고 말하고, 비행기의 구조가 이에 가깝다고 볼 수 있다. 즉, 모노코크의 원래
의 의미는「계란」등의 껍질 모양의 구조를 가리키며, 멤버 등의 보강 재를 필요로 하지 않는
「응력 외피구조」를 의미한다. 그렇지만 실제의 자동차 바디에는 승객의 탑승을 위한 도어 부
위, 시계확보를 위한 윈도우 부위, 엔진 룸, 트렁크 룸 등의 큰 개구부가 필요한 것 외에도 엔진
이나 섀시를 부착하기 위해 이들의 주위에는 적당한 멤버나 보강재를 용접하여 구조상 필요한
강도를 갖추고 있다.
15
http://www.autopole.com
15
따라서 순수한 의미로「응력 외피구조」라고 칭할 수 없기 때문에 세미 모노코크 바디라든가 단일
구조물 이라 칭하는 경우가 있다. 구조의 개요는 승원이나 적재물에 의한 부하, 구동 계통에서의 부
하, 전,후 서스펜션 부착 부분의 부하 등에 대응하기 위한 모양을 갖추기 위해 얇은 강판으로 제작하
는 멤버류의 형상변화나 단면형상 등을 강도, 강성, 안전 확보 등의 복잡한 요소를 고려하여 결정한
다.
또한, 여러 가지 부하를 효율적으로 잘 전달, 분산시키는 라멘구조 라고 칭할 수 있다.
라멘구조는 여러 종류의 멤버(부재)를 강하게 접속하여 외력에 저항하는 구조로 되어 있지만 여기에
서 말하는 강접(剛接)은 변형전과 변형후의 접합부 각도가 변하지 않는 모양의 접합 방법을 말한다.
다음 그림과 같이 문(門)의 상부에서 외력이 가해진 경우에, 상부 보의 변형은 좌,우 기둥과의 접합
이강접(剛接)되어 있어서 접합각도가 불변하고 구조체가 일체로 되어 저항을 받기 때문에 점선 모양
으로 변형이 이루어진다.
16
http://www.autopole.com
16
1) 모노코크 바디의 장점
a. 일체구조로 구성되어 있기 때문에 경량(輕量)이다. 강성이 높은 얇은 강판을 여러 가지 형상으로 프
레스 성형하여 스포트 용접으로 접합시키면 차체 자체를 경량화하면서 큰 강성을 얻을 수 있다.
b. 단독 프레임이 없어 차고를 낮게 하고, 차량의 무게중심을 낮출 수 있다. 모노코크 바디는 독립된
프레임이 아니기 때문에 바닥을 낮게하여 객실 공간을 넓게 할 수 있다. 또한 차량의 무게중심이
낮아 짐으로서 주행 안정성이 좋다.
c. 정밀도가 높고 생산성이 좋다. 프레임과 같은 두꺼운 판의 프레스나 용접가공이 필요 없다. 대부분
작업성이 좋은 박판 가공과 열변 형이 거의 없는 스포트 용접으로 가공이 가능하기 때문에, 자동
차 생산라인에서는 멀티 풀 스포트 용접(자동 동시용접)을 많이 사용 함으로서 생산성을 현저히
향상시킬 수 있다
d. 충돌 시 충격에너지 흡수효율이 좋고 안전성이 높다.박판으로 조립되어 있기 때문에 충돌과 같이
큰 외력이 가해진 경우 국부적인 변형이 크고, 객실부위의 영향은 적다.
2) 모노코크 바디의 단점
a. 소음이나 진동의 영향을 받기 쉽다. 엔진이나 서스펜션 등이 직접적으로 차체에 부착되어 진동, 소
음이 직접 바디에 전달되기 쉽기 때문에 방진, 방음의 설비적 배려가 필요하다.
b. 일체구조이기 때문에 충돌에 대한 손상의 영향이 복잡하여, 복원수리가 비교적 어렵다.
c. 박판 강판을 사용하고 있기 때문에 노면에 가까운 부품은 부식으로 인한 강도 저하 등에 충분한대
책이 필요하다.
http://www.autopole.com
17
(2) 프레임식 바디
프레임 구조 방식은 차체와는 별개로 형성된 골격의 역할을 가진 두꺼운 판으로 된 프레임을 구성
하고 여기에 섀시 부품을 부착하는 구조로 차체는 고무 마운트를 사이에 두고 프레임에 설치되어
있다.
- 장점 : 소음 진동이 적고 개조가 용이 하다.
- 단점 : 중량이 증가하며 차량의 전고가 높고 양산에 어려움을 가지고 있다.
1) 래더 프레임 (Ladder Frame) : H형 프레임
래더란 사다리란 의미로 모양이 사다리와 비슷하다. 사이드멤버와 크로스멤버는 상자가 닫혀 있는
모양의 사각형 폐단면으로 이루어져 있으며 바디에 사용되는 강판보다 강도 및 두께가 크다.
http://www.autopole.com
18
2) 페리미터 프레임 (Perimeter Frame)
래더 프레임의 변형으로 자동차의 실내부분에 해당하는 중앙부근 폭이 넓고 사이드멤버도 낮은
위치에 설치되어 있으며 이 부분에는 크로스멤버도 없다.
차량의 높이를 낮추어 자동차 실내를 넓게 만든 것이 특징이다.
3) 플랫폼 프레임 (Platfrom Frame)
현재 거의 사용되고 있지 않는 형식이며 폭스바겐 비틀에 대표적으로 적용되어 있다. 모노코크
바디와 거의 비슷하나 모노코크 바디는 엔진이나 승무원의 중량 및 구동력이 바디 전체로분산되
어 지지되지만 플랫폼 프레임은 바닥면이 그 대부분을 담당하는 것이 차이점이다.
http://www.autopole.com
19
4) X-프레임 (X Type Frame)
가늘고 긴 X자형의 프레임으로 통상 3개 이상의 크로스멤버가 사용되어 비틀림에 대한
강도를 높이고 동력전달용 기어 및 객실부를 올려놓을 수 있는 충분한 구조로 되어
있다
5) 볼트 온 스태그 프레임 (Bolt On Stag Frame)
튼튼하고 무거운 프레임이 사용되며 엔진 및 기타 부분이 지지한다.
http://www.autopole.com
20
6) 서브 프레임 (Sub Frame)
서브 프레임은 모노코크 바디에 들어가는 보조 골격이다. 스프링과 쇽 업쇼버 등 서스펜션 구
성부분들을 링크해 지지해주는 역할을 한다. 보통 충격에 대응하기 위해 크로스멤버와 일
체형으로 ＃자나 H형태를 띠고 있으며 서스펜션 멤버라고도 한다.
또한 U자 형태로 하체 바닥에 프레임 레일처럼 붙어 차체를 지지해주는 것 역시 서브프레임으
로 모노코크 바디의 강성을 높여준다.
http://www.autopole.com
21
(3) 프론트 바디의 구조
프론트 바디는 라디에이터 코어 서포트, 크로스 멤버, 사이드 멤버, 후드리지, 데쉬패널 등을 상호
접합 용접한 구조로서, 바디에 장착되는 부품 중에서 가장 무거운 엔진이나 주행 성능에 필요한
현가장치, 조향장치 등을 설치 할 수 있도록 충분한 차체 정밀도와 강도 및 강성이 확보되어 있다.
사이드 멤버는 단면 형태를 크게 또는 강판을 두껍게 하거나 보강재를 추가해서 강도를 확보한다.
후드리지는 휠 하우스의 역할을 하면서 현가장치의 스트러트를 지지한다. 이를 위해 스트러트의
설치 부분은 두꺼운 패널로 보강하고 사이드 멤버와 데쉬패널을 결합시키므로서 서스펜션으로부
터 받은 힘을 분산하고 있다. 데쉬패널은 실내와의 칸막이 역할을 하고, 엔진이나 현가장치 등의
중량물을 지탱하는 중요한 부품이고, 멤버, 후드리지 외에 카울패널, 프론트 필러, 플로어 등에 결
합해서 강도를 확보하고 있다.
http://www.autopole.com
22
(4) 사이드 바디의 구조
사이드 바디의 거의 대부분은 개구부로 구성되어 프론트 바디, 루프 등과 결합해 각 실
의 측면을 형성한다. 주요 구성 부품은 프론트, 센터, 리어의 각 필러와 휠 하우스를 포
함한 리어 휀더이며, 이들 부품의 위쪽으로는 사이드 루프레일 및 루프패널, 아래쪽에
는 사이드실 및 플로어에 결합되여 있기 때문에, 주행중 언더 바디에서 받은 하중을 바
디의 상부에 분산함과 동시에 전/후, 좌/우 방향의 구부림이나 비틀림을 방지하는 역
할을 한다.또한 도어의 지지, 객실 내외의 밀폐, 충돌시 또는 추돌시 객실 공간의 안전
성 확보 등이 요구되는 중요한 부위이다. 이를 위해 각 부품에 아웃터 패널과 인너 패
널을 결합한 폐단면 구조로서 강성을 높이고 충분한 강도를 확보하고 있다.
http://www.autopole.com
23
(5) 언더 바디의 구조
모노코크 바디의 언더 바디는 프레임 부착 차량의 프레임에 해당하는 부분으로서, 프론트 플로어
사이드 멤버, 리어 사이드 멤버, 크로스 멤버, 프론트 플로어, 리어 플로어 패널로 구성되어 있으
며 엔진 및 서스펜션, 구동장치를 지지하는 역할을 한다. 차체의 중심에 위치하여 각 부분들간의
기준을 제공하는 척도가 되는 중요한 부분이므로 차체 수리 시 많은 기술적 노하우가 요구되는 구
조물이다. 언더 바디의 각 멤버는 프론트 바디와 리어 바디 등에서 전달된 다양한 외력을 사이드
바디의 각필러를 통해 차체의 각 부위로 외력(응력)을 분산시키는 역할을 하며, 이러한 멤버류는
모노코크 바디에 있어서 차체의 강도 유지를 위해 대단히 중요한 요소이다.
따라서 사용되는 패널은 외판에 비해서 두꺼운(1.4mm전후) 고장력 강판을 사용하는 경우가 많다.
각멤버의 배치는 차의 크기, 서스펜션의 형식 등에 따라서 약간씩 달리하고 있다.
http://www.autopole.com
24
(6) 리어 바디의 구조
리어 바디는 구조상 객실과 트렁크 룸이 구분되어져 있는 세단과, 구분이 없는 밴, 왜건, 해치백
으로나눌 수 있다. 세단의 리어 휀더, 리어 패키지 패널, 백 패널은 루프, 사이드 바디, 플로어와
결합되어 바디의 비틀림을 방지하는 중요한 역할을 한다.
또한 왜건, 해치백은 백 도어가 달린 큰 개구부가 있는 구조를 위해, 리어 필러 인너의 대형화, 크
로스 멤버의 추가, 리어 필러, 루프레일 단면부의 대형화나 두꺼운 보강판을 추가하여 강성을 높
이고 있다.
http://www.autopole.com
25
4 안전성 및 손상성
(1) 충격흡수 바디의 구조
충돌시 충격에너지를 차체의 충돌(crusher) 부분에서 흡수하여, 객실부의 변형을 최대한 억제하
여 만일의 경우 충돌시 최대한 승객을 보호하는 충격흡수 구조로 되어 있다. 프론트 사이드멤버는
충돌에너지를 유효하게 흡수하기 위해 스트레이트 형상으로 하고 충격흡수 부분을 효과적으로 배
치하여 충격흡수의 최적화를 꾀하고, 객실부는 충격으로부터 영향을 최대한 감소시키고 있다. 프
론트 사이드멤버의 뒷부분과 사이드 실의 구조를 강화하여 충돌 부분에서 충격을 분산시키고, 충
격 흡수성을 높이는 구조로 되어 있다. 프론트 필러, 사이드 필러와 사이드 실의 접합강도 향상 및
전,후 도어의 사이드 도어빔에 의해 높은측면강도를 확보하고 있다.
http://www.autopole.com
26
(2) 사이드 도어 빔
도어 내부에 사이드 도어 빔을 설치하여 측면에서의 충격에 대한 도어의 강도를 높이고 있다. 또
빔형태는 차종에 따라 다르지만, 파이프 형태와 판 형태의 2종류가 있다. 일부 차종 중에는 인너
패널과 도어록 사이에 도어록 보강판을 설치하고 있다.
http://www.autopole.com
27