차체와 프레임

차체구조

차체

• 탑승자의 거주공간 확보
• 엔진 등 각종 부품 탑재
• 우수한 정숙성과 양호한 승차감 제공
• 승객의 안전을 위해 튼튼한 구조를 가진다.
• 개폐부품, 외장부품, 내장부품이 부착되어 있다.

Body in White

• 차체가 가져야하는 기본 요구조건
  1. 안전하고 쾌적한 거주공간 제공
  2. 탑승자를 보호하는 튼튼한 구조
  3. 구성부품을 장착하기 편리해야 한다.
  4. 시각적으로 아름다운 스타일링
  5. 경량화 되어도 충분한 강도와 강성 확보
• 차체 구조
  • Front body, Side body, Under body, Rear body로 이루어진다.
  • 각 부위별로 요구되는 조건을 만족해야 한다.
• 0.6mm ~ 2.3mm로 얇은 철판 부재 약 400개를 프레스로 가공한 후 점용접 등을 이용하여 조립
• 알루미늄 합금재, 복합재료 등 첨단재료를 차체에 적용하여 경량화, 리사이클링 등의 사회문제에 대응하고 있다.

차체 형식

1. 일체형 차체 (Unibody, Monocoque body)
   • 굽힘과 비틀림 강성이 크다.
   • 프레임 장착형 차체에 비해 가볍고 생산성이 좋아 생산가가 낮다.
   • 승용차의 차체로 가장 많이 사용된다.
   • 프레임이 없어 차체를 개조하기 어렵다.
   • 충격과 진동이 차체로 전달된다.
   • 서브 프레임을 설치하여 진동과 소음을 억제하고 충돌을 분산시키는 구조가 생겨났다.
2. 프레임 장착형 차체 (Frame mounted body)
   • B.I.W에 프레임을 장착한 형태
   • 큰 하중을 받을 수 있어 상용차에 적용된다.
   • 진동이 차체로 적게 전달된다.
   • 차량이 높아져 주행 시 안정성이 떨어진다.
   • 차체 중량이 커서 연비가 낮다.
   • 생산성과 제조비용 측면에서 불리하다.
   • 사다리꼴 프레임
     • 제작이 쉬워 가장 많이 사용되는 형식
     • 굽힘에 대한 강성이 크다.
     • 승용차, 버스, 트럭에 널리 쓰인다.
   • X형 프레임
     • 차량 사이드 멤버 중앙 부분을 좁혀 X형으로 만든 것
     • 사이드 멤버가 비틀림을 받을 때 X형 부재가 굽힘을 받아 프레임 전체 강성 향상
   • 서브 프레임
     • 일체형 차체로 진동이 전달되는 것을 차단한다.
     • 암이나 링크를 차체에 부착하지 않도록 하여 차체에 응력집중이 발생하지 않도록 한다.
     • 프레임과 달리 큰 하중이 작용하는 부분에만 국부적으로 적용하여 중량을 키우지 않는다.

바디 마운트

• 차체를 프레임에 고정하기 위한 고무 부품
• 프레임을 통해 차체로 전달되는 현가장치와 구동장치의 진동 차단

1. 압축형 바디 마운트
   • 두 조각의 고무에 의해 프레임 상하에 삽입하는 형식
2. 전단형 바디 마운트
   • 내통과 외통 사이에 고무를 설치하여 상하 방향 하중을 고무 전단력으로 지지하는 형식

차체 부위별 특성

1. Front Body
   • 크로스 멤버, 사이드 멤버, 에어박스, 대시 패널 등으로 구성
   • 엔진, 현가장치, 조향 칼럼, 라디에이터 그릴, 헤드램프, 범퍼 등 프런트 등을 지지한다.
   • 엔진 소음을 대시 패널의 흡차음 재료를 이용하여 차단한다.
   • 전방 충돌 시 충격을 줄이는 보호 장치 역할
   • 외부 공기를 실내로 들여오는 덕트의 기능
2. Side Body
   • 차체 굽힘과 비틀림 강성에 큰 영향
   • 전체적으로 굽힘이나 비틀림 강성을 고려해서 설계
   • 필러 단면은 위치에 따라 다양한 형태로 설계한다.
   • 프런트 필러 상부
     • 전방 시야를 확보할 수 있고, 전복 시 안전성을 확보해주어야 한다.
   • 프런트 필러와 센터 필러 하부
     • 도어를 지지한다.
     • 강도와 강성을 확보하기 위해 단면적을 키우고 보강재를 추가해야 한다.
   • 센터 필러 상부
     • 디자인이나 시야 확보를 위해 가늘게 설계한다.
     • Seat belt anchorage가 설치된다.
     • 강도를 확보하기 위해 보강용 패널을 삽입한다.
   • 리어 필러
     • 차체 강성을 높이기 위해 필러 단면적을 넓게 한다.
     • 강도를 확보하기 위해 보강 패널을 넣어준다.
   • 루프 사이드 레일
     • 탑승자의 거주 공간을 확보해야 한다.
     • 전복 시 안전성이 있어야 한다.
3. Under Body
   • 운전자와 승객이 타는 탑승실과, 화물을 넣는 트렁크의 바닥
   • 여러 개의 부품을 지지한다.
   • 플로어 패널은 현가장치, 구동장치에서 유입되는 힘에 대해 강도와 강성을 확보해야 한다.
     • 차량 하부로부터 유입되는 것을 차단한다.
     • 노면 충돌로부터 탑승원과 연료장치를 보호한다.
     • 양옆으로 설치된 사이드 멤버와 가로지르는 크로스 멤버는 패널을 접거나 구부려 만들어 굽힘과 비틀림 강성을 확보한다.
4. Rear Body
   • 객실 뒷부분에서 트렁크 룸에 이르는 부위
   • 세단형 차체
     • 객실과 트렁크 룸이 칸막이로 구분된다.
     • 파슬 셸프, 리어 웨이스트, 리어 패널에 의해 차체 비틀림 강성 증대
   • 해치백형 차체
     • 객실과 트렁크 룸이 구분되지 않는다.
     • 사이드 바디 좌우를 연결하는 큰 부재가 없어 비틀림 강성 확보가 어렵다.
     • 해치백 개구부 주변을 이중 구조로 하거나 폐딴면으로 제작하여 비틀림 강성을 확보한다.

강화된 안전기준 법규를 만족하기 위해 구조시험과 FEM을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 평가가 필요하다.

자동차 부품

창 유리

1. 강화 유리
   • 열처리에 의해 강도를 증가시켜 쉽게 깨지지 않도록 한 유리
   • 깨지더라도 날카롭지 않은 작은 파편이 되어 안전하다.
   • 시야를 가리기 때문에 도어 유리나 뒷 유리창에 사용된다.
2. 접합 유리
   • 두 장의 유리 사이에 유연하고 강한 필름을 중간막으로 사용하여 접합
   • 깨지더라도 파편이 흩어지거나 유리 전체가 무너지지 않는다.
   • 파괴 시 시야 방해가 적어 앞 유리창에 상용된다.

개폐 부품

승객이 출입하거나 화묵을 적재할 때, 차량을 정비할 때 열고 닫는 장치

• 개폐 부품의 조건
  • 쉽게 열고 닫을 수 있는 기능
  • 고속 주행 중 개폐부품에서 소음이 발생할 수 있어 웨더 스트립을 개폐부품과 차체 테두리에 장착해서 밀폐성을 향상시키고 소음을 억제해야 한다.

1. 도어: 운전자나 승객의 출입 시 사용
   • 편리하고 안전하게 작동해야 한다.
   • 외부로부터 소음, 먼지, 비, 바람 유입을 방지해야 한다.
   • 측면충돌 사고로부터 승객을 보호해야 한다.
   • 도어를 지지하는 힌지 부위는 위부 충격과 하중을 견디는 강도와 신뢰성을 가져야 한다.
   • 힌지형 도어(일반적), 슬라이딩 도어, 걸윙 도어 등이 있다.
2. 엔진 후드 (보닛): 엔진룸을 덮는 덮개
   • 차량 종류에 따라 앞에서 열기도, 뒤에서 열기도 한다.
     • 앞쪽에서 여는 방식은 작업은 쉽지만 고속 주행 시 열리면 사고로 이어지기 쉽다.
     • 뒤에서 여는 방식은 작업이 어렵다.
   • 엔진 후드는 외판, 내판, 보강판 등으로 구성된다.
     • 외판과 내판이 폐단면이 되도록 제작하여 엔진 후드 패널 강성을 증대시킬 수 있다.
   • 차체 전체의 강도나 강성에 영향을 미치지 않는다.
     • 자동차 무게를 가볍게 하려면 알루미늄 소재 같은 가벼운 소재로 제작한다.
   • 엔진 후드 중량이 무거우면 후드 개폐 조작을 용이하게 하기 위해 가스 스테이를 장착한다.
3. 액티브 후드 리프팅 시스템: 보행자와의 충돌을 감지하여 2차 충돌에 의한 보행자 피해를 줄이는 시스템
   • 충돌이 발생하면 몸이 회전하면서 머리가 엔진 후드에 부딪히는 2차 충돌이 발생할 수 있다.
     • 엔진 후드 아래 많은 기계 부품과 보행자가 직접 부딪히는 것을 막는 장치
   • 차량 범퍼 내의 센서가 충돌을 감지하면 ECU가 후드를 들어올려 충격을 완화시킨다.
4. 선 루프: 루프 패널에 개구부를 마련하여 개방감과 환기 성능을 제공하는 부품
   • 리드 글라스, 구동 기구 부품, 프레임, 선 셰이드로 구성된다.
     • 리드 글라스의 틸팅과 슬라이딩 작동은 링크 기구 부품이 가이드 레일에서의 슬라이딩 운동을 통해 이루어진다.

내장 부품

• 자동차 내부 공간은 디자인적 요소, 진동 소음을 억제할 수 있는 기능적 측면이 필요하다.
• 객실 내부에는 운전자 편의와 안전을 위한 시트, 시트 벨트, 계기 패널, 도어 트림 등이 있다.

1. 시트
   • 알루미늄, 철체 프레임에 스프링과 고분자 계통 재료로 만든 쿠션으로 구성
   • 주요 무빙기능으로 전후 이동, 각도 조정, 높낮이 조정 기능이 있다.
   • 시트 안전장치
     • 액티브 헤드 레스트: 후방 추돌 시 헤드레스트가 이동해 목뼈 보호
     • WHIPS: 후방 추돌 시 등받이가 뒤로 젖혀져 머리가 앞으로 쏠리는 힘을 줄이는 경추 보호
2. 시트 벨트
   • 차량 충돌 또는 급감속 시 탑승자를 시트에 고정시키는 장치
   • 허리와 한쪽 어깨를 고정하는 3점식
     • 버스는 허리만 고정하는 2점식이 주로 사용된다.
   • 장력이 강한 폴리에스테르로 제작된다.
     • 급격히 당기면 lock이 되어 고정 기능을 한다.
   • ELR (Emergency Locking Retractor)
     • 프리텐셔너와 로드리미터로 몸의 충격을 감소시키는 기능
     • 급제동 또는 충돌 시 벨트를 고정시켜 구속하는 프리텐셔너
     • 충돌 후 몸의 압박을 느슨하게 하는 로드리미터
3. 에어백
   • 차량 충돌 시 승객 보호
   • 시트 벨트의 보조적인 안전장치
   • 운전석, 조수석에 설치된다.
     • 최근에는 사이드 에어백과 무릎 보호 에어백도 탑재되고 있다.
   • 에어백 시스템은 충격 감지 센서, 작동 제어 컨트롤 유닛, 가스 발생 장치 (인플레이터)와 에어백으로 구성된다.
     • 차량 충돌 시 센서 신호를 통해 CU은 에어백 작동을 판단하여 인플레이터가 가스를 발생시킴으로써 충돌 후 0.003초 이내에 에어백이 부풀어오른 뒤 충격을 완화하기 위해 수축된다.
4. 도어 트림
   • 실내 장식, 도어 개폐, 팔 받침대, 흡차음, 먼지와 물 침입 방지, 인체 보호 기능
   • 우레탄 폼 주입, 수지판 진공성형법, 수지 사출성형법, 열 프레스 성형법, 수지 프레스 성형법 등을 통해 제작한다.
5. 기타
   • 인스트루먼트 패널 (계기판)
     • 수지 성형품, 일체 발포 성형품을 차체 패널에 나사로 체결하여 조립
   • 글로브 박스
     • 가벼운 수하물을 보관한다.
     • 차량 충돌 시 관성력에 의해 글로브 박스가 열리면 안된다.
   • 콘솔 박스
     • 플로어 패널 터널부에 설치된 변속 레버 부분만을 씌운 형태, 계기판의 일부를 구성하여 작은 물건을 넣는 형태 등

외장 부품

• 차체 외부에 설치되는 부품으로, 스타일링과 차체 보호 기능을 고려해야하는 부품

1. 범퍼: 대물 충돌 시 차체를 보호하는 목적
   • 디자인 측면에서 중요한 부품
   • 8km/h(5mile/h) 충격 에너지 흡수 여부로 차체 보호 성능을 분류한다.
   • 에너지 흡수 폼 장착 범퍼, 허니콤상 에너지 흡수체 장착 범퍼, 수지 범퍼 등이 있다.
     • 에너지 흡수 폼 장착 범퍼는 발포수지를 사용하여, 충돌 시 크게 찌그러지며 에너지를 흡수한다.
     • 허니콤상 에너지 흡수체 장착 범퍼는 허니콤 형상(벌집)으로 성형된 수지 구조체를 사용하며, 에너지 흡수 효율이 높다.
     • 수지 범퍼는 저속 (4km/h) 충돌에서 차체를 보호하는 저렴한 범퍼 장치이다.
2. 리어엔드 스포일러 (테일 스포일러)
   • 고속으로 주행하는 차량 뒤쪽의 부압(진공)에 의한 와류 현상을 없애기 위해 자동차 지붕 끝, 트렁크 위에 부착하는 장치
   • 차량 뒤쪽을 눌러 고속으로 달릴 때 차량 안정성을 확보
   • 스포티한 스타일의 장식용으로 장착하는 경우도 있다.
3. 조명장치
   • 전조등, 방향등, 안개등 등
   • 주로 백열전구가 사용되었으나 최근에는 할로겐, HID, LED 등이 사용된다.
     • 할로겐: 백열전구를 개량한 것
     • 할로겐은 전구 내 할로겐 가스를 고압으로 주입하며 필라멘트의 원도를 높여 발광시킨다.
     • 백열전구에 비해 수명이 길지만 장시간 사용하면 광량이 줄어든다.
     • 최근에는 필라멘트를 사용하지 않으며 할로겐 보다 밝고 소비전력도 적은 HID와 LED가 사용된다.
   • AFLS (Adaptive Front-Lightning System)
     • 차량 조향휠과 연동하여 선회나 교차로에서 진행방향을 비추는 시스템
     • 전구와 반사경을 움직여 광축을 좌우로 움직이는 구조
     • 차량 하중이나 제동에 따라 상하로 움직이는 구조도 개발되고 있다.
     • ECU에서 주행정보를 받아 처리한 뒤 헤드램프에 장착된 구동장치를 통해 램프 상화좌우 움직임을 조절한다.
     • 고속도로에서는 먼 곳까지 비추고, 커브에서는 조명 길이를 줄이고 좌우 폭을 넢혀 시야를 확보한다.

자동차 재료

차량 경량화를 위해 소재를 적절히 배치하여 사용한다.

• 고장력 강판을 사용하면 판재 두께를 줄어 경량화할 수 있다.
• 비중이 작은 알루미늄, 마그네슘을 사용하면 차체를 경량화할 수 있다.
• 플라스틱 재료는 내장재로 사용되지만, 외장재용 특성의 플라스틱을 적용하여 차체를 경량화할 수 있다.(탄소섬유강화수지 CFRP)

철강 재료

• 인장강도가 1180MPa인 고장력 강판을 차체에 적용하여 차체를 경량화할 수 있다.
• 고장력 강판은 조질형, 비조질형으로 구분된다.
  • 비조질형: 열간압연한 상태나 노멀라이징 상태 (590MPa 이하)
  • 조질형: 퀜칭이나 템퍼링 등 열처리로 강도를 높인 것 (590MPa 이상)
• DP(dual phase) 강
  • 연질 조직과 경질 조직의 혼합 미세조직으로 구성된다.
• TRIP 강
  • 페라이트 모상, 베이나이트, 잔류 오스테나이트의 혼합 미세조직으로 구성된다.
• 초고장력 강판
  • 인장강도가 1470MPa~1960MP 정도로 높다.

알루미늄 재료

• 아우디에 플래그십 A8에 알루미늄 합금을 최초로 적용하였다.
• 비중 2.7로, 표현 산화피막의 효과가 있어 내식성이 좋고, 가공성과 전도율 등이 우수하다.
• 알루미늄에 Cu, Si, Zn, Mn, Ni 등의 원소를 첨가하여 고강도 Al 합금, 내식용 Al 합금을 제조할 수 있다.
  • 가공용 고강도 Al 합금 두랄루민
    • 시효 경화성 합금으로서 물에 퀜칭 후 상온에 방치하면 강 수준의 인장강도에 도달한다.
    • 다이캐스팅과 압출성은 우수하지만 프레스 성형성은 개선될 필요가 있다.
    • 후드, 도어 등에 사용된다.
• 1980년대 초 3% 이하로 사용되었으나 꾸준히 증가하고 있다.
• 차체를 알루미늄 합금으로 대체하면 매우 큰 경량화가 가능하다.
• 경량성, 주조성, 가공성이 높고, 대량생산 및 표현의 미려함이 장점이다.
• 철강 재료보다 비싸고 접합성과 강도 개선이 필요하다.

고분자 재료

• 금속과 달리 탄성과 점성이 공존하는 점탄성 거동

1. 열가소성 플라스틱
   • 폴리에틸렌, 폴리프로틸렌 및 인장강도 49MPa 이상인 엔지니어링 플라스틱 등
2. 열 경화성 플라스틱
   • 섬유, 천 등의 보강재와 복합이 쉬워 강화플라스틱용의 수지로 사용된다.
3. 고분자 섬유
   • 점성 액체를 노즐로 압출 및 방사하며 섬유를 탄화시켜 탄소섬유를 제조