[자동차] 차체 설계 및 고려 사항

 

[자동차] 차체 설계 및 고려 사항

 

[자동차] 차체 설계 및 고려 사항

 

승용차의 차체에서 중요한 것은 우선 강도, 강성, 내구성을 들 수 있다. 최근에는 컴퓨터에 의한 강도 해석들이 성행되고 있다. 또 차체의 계획시점으로부터 배려해야하는 안전의 항목, 쾌적성에 관련되는 방음, 방진, 단열, 환기의 각 항목 차체의 내구성에 큰 영향이 있는 방청, 우천 악로 등으로 문제가 되는 방진, 방수 및 제조기술 상의 관계에서 설계 단계로부터 배려해야 할 항목에 대해 기술한다.

자동차의 성능 유지에는 정비는 불가결의 사항이므로 차체설계시에 배려해야만 할 사항에 대해서도 본 항목에서 기술한다.

목차

 

 

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1. 차체의 강도 설계

승용차의 차체는 프레스 성형한 수많은 박강판과 보강재를 각종 용접으로 결합한 복잡하게 보강된 외각 구조이다. 그 설계에 있어서는 내구성, 강도, 안전성, 그리고 차체의 경량화 등을 종합한 최적설계가 요구된다.

최적차체의 설계에는 책상의 계산 만으로서는 충분한 결과가 얻어질 수가 없고 설계자의 경험, 실험에 의한 검증 및 생산 기술 부문과의 연계들이 아울러 필요하다.

 

(1) 차체설계의 생각법

현재의 차체구조는 일반적으로 외력작용점과 주요강도부재(강도상 차량의 안전운행을 위하여 필도한 부재)를 라멘구조에 의하여 보강한 외각구조로 되어 있다.

본래 외각구조에서는 외각은 표면응력을 분담하고 부재는 축력, 굽힘 등의 수직 응력을 분담하고 구조 전체로서 강도, 강성을 확보하는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나 차체구조의 경우, 도어 부, 프론트 및 리어글래스부 등 개구부의 비율이 커서 비행기 등과 비교해서 강도, 강성상 불리하다. 특히 비틀림에 대해서는 개단면에 대해서는 강도, 강성의 저하가 현저하다.

따라서, 설계의 포인트는 개구부를 보강하는 부재를 유기적으로 외각구조 및 다른 부재에 결합하여 강도, 강성을 어떻게 유효하게 높일 수 있느냐에 있다. 여기에는 우선 차체에 작용하는 하중을 파악하고 있다는 전제로 외각구조의 각부의 강성을 결합방법까지도 고려하면서 균형있게 설계할 필요가 있다.

구조의 일부에 극단적으로 강성이 높은 부분이 있으면 하중의 분담이 국부적으로 되고 구조 전체의 강성으로서는 오히려 약하게 되는 수가 있다. 또 각부의 강성은 적정하여도 결합강성이 불충분하면 당연히 구조 전체의 강성은 약하게 된다.

기타 차체에 요구되는 외관 디자인, 거주성, 승강성 등의 기능을 만족시킴과 아울러 될 수 있는 한 경량이고 또한 강도, 강성, 진동, 안전, 내구성 등에 문제가 없는 차체구조로 할 필요가 있다.

차체설계에서는 이상과 같은 여러 가지의 조건을 만족시키기 위한 최적 설계가 필요하다. 이를 위하여서는 종래 실험에 의존하였던 부분이 많았으나, 요즈음은 기술한 유한요소법을 사용하여 대형 컴퓨터에 의한 해석이 어느 정도 가능하여 이후로는 차체구조의 최적설계의 분야는 크게 발전하리라 기대된다.

 

(2) 차체의 부하

합리적인 차체구조를 결정하기 위해서는 차체에 작용하는 하중을 정확하게 알 필요가 있다.

 

차체의 부하는 차체 전체에 작용하는 전체부하, 부재에 국부적으로 작용하는 부분부하로 대별할 수 있다. 또한, 이것들은 각각 정적인 부하와 동적인 부하로 구분할수 있다. 그러나 차체의 부하 대부분이 동적부하이고, 다양한 운전조건, 도로조건, 적하조건등에 대응할 수 있도록 부하를 선정하여야 하므로 충분히 주의할 필요가 있다.

단, 충돌하중과 같이 피로파괴를 고려할 필요가 없는 동적하중에 대해서는 비교적 간단히 정적 하중으로 바꾸어서 해석할 수가 있다.

 

(3) 모델화

전술한 바와 같이, 차체구조는 복잡한 외각구조이고, 또 하중 조건에 대해서도 여러 가지의 하중이 복잡하게 작용하고 있으므로, 실제의 차체구조를 직접적으로 해석하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 구조를 물리적인 타당성을 잃지 않는 범위에서 단순화한 모델로 변환해서 해석하게 된다.

이 모델은 구조가 동일한 경우에도 해석 목적에 따라서 다르게 된다.

예를 들면, 차체구조 전체의 대략의 굽힘강성을 알고 싶은 경우에는 거시적으로 차체를 단면이 변하는 커다란 한 개의 보로 취급하여도 실험과의 대응은 어느정도 가능하다. 또, 차체구조의 일부분을 국부적으로 해석할 경우에는, 우선 차체구조의 개략적 모델(rough model)을 만들고 그 해석으로부터 얻어진 경계조건을 사용하여 해석하는 경우도 있다.

하중조건의 경우도 마찬가지로 설명할 수 있다. 그러나 요즈음은 컴퓨터의 발달이 눈부시게 빨라서 컴퓨터의 연산능력도 급속히 증대되고 상업적 소프트웨어를 포함한 응용기술도 폭넓게 개발되어 대부분의 해석은 유한요소법과 같은 해석기법을 이용하여 컴퓨터에 의존하고 있는 추세이다.

어떻게 하더라도 설계자는 해석 목적에 알맞는 해석수단 및 모델의 선정을 충분히 주의를 기울이고 해석 결과에 대한 안전율을 고려하여 해석할 필요가 있다.

 

 

 

 

 

 

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2. 안전설계

모터라이제이션(motorization)의 발전과 함께 자동차 관련 교통사고는 증가의 경향에 있기 때문에, 각국에서 자동차 사고에 대한 인식이 높아지고 자동차의 안전기준이 강화되고 있다.

 

자동차의 설계에 있어서 안전성은 상기의 안전기준을 충분히 만족하도록 설계단계로부터 배려할 필요가 있다.

각국의 법규는 항목도 다르고 직접 비교하기도 어려우나, 미국의 FMVSS는 세계에서 가장 잘 정비된 안전기준의 하나로 되어있다. 따라서 본 항에서는 차체의 안전설계에 대한 기본 레이아웃에 대해서 FMVSS를 중심으로 주의점을 기술한다. 이들 안전기준을 만족하지 않으면 판매금지, 벌금, 리콜 등이 적용된다.

 

(1) 예방안전

1) 시계

운전자가 안전운전을 하기 위해서는 넓은 시계의 확보는 가장 중요한 조건의 하나이고, 전방시계(직접시계) 및 후사경에 의한 간접시계도 일정 규격 및 자동차 안전법에 의해 규정되고 있다.

또한, 직접시계에 대해서는 윈드 쉴드 글레스(wind shield glass)면의 시계를 확보하는 와이퍼(wiper), 디프로스터(defroster) 또는 디포거(defogger)의 성능은 중요하다.

2) 시인성

자동차 운행시 자동차와 자동차 사이 또는 자동차와 보행자 사이에 서로의 위치와 움직임의 정보를 정확하게 전달 및 확인할 수 있도록 하기 위하여 램프류 의 위치, 밝기 등을 규정하고 있고 컨트롤룩도 조작 및 식별이 용이한 위치에 두도록 규정하고 있다.

 

(2) 충돌시의 안전

승객의 보호를 위하여 충돌시에 승객의 두부에 가해지는 충격력을 될수록 적게 하도록 충격 범위는 에너지 흡수구조로 하지않으면 안된다. 또, 머리가 뒤로 젖혀져서 목뼈가 손상되는 것을 방지하도록 헤드 레스트레인트(head restraint)의 위치 및 장착부위 강도도 규정하고 있다.

또, 시트벨트 시스템은 충돌시의 승객보호에 효과적인 장치이다. 그러나 시트벨트의 효과를 충분히 발휘하기 위하여는 앵커리지(anchorage)를 적절한 위치에 설정하고 장착부위가 충분한 강도를 갖도록 할 필요가 있다

 

(3) 추돌 후의 안전

추돌 후의 연료누설과 이에 따라 발생하는 화재의 방지가 중요한 과제이다.

 

화재방지에는 연료누설을 방지하는 것과 발화하기 어렵게 하는 것이 유효하다. 연료 누설방지를 위해 연료탱크 및 주유구의 배치는 충분히 배려할 필요가 있다. 만일 차량화재가 발생한 경우 피해를 최소한으로 억제하기 위해 내장재의 난연화가 규정되어 있다.

 

 

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3. 경량화

자동차의 경량화는 종래 가속성의 향상, 최고속도의 향상 등의 기술적 우위성의 확보를 목적으로 하여 진보되어왔다. 그러나, 1966년 미국 의회에서 자동차의 안전에 대한 법률이 제정되었고 그 대책으로 차체의 보강과 부품추가를 위하여 경량화가 둔화되었다. 이후 1970년대에 들어서면서부터는 배출가스규제와 소음규제가 추가되어 그 대책으로 부가기기에 의해 역으로 중량증대경향으로 되었다.

그러나, 1973년의 석유위기 이래 자원에너지의 절약이라고 하는 사회문제는 그때까지의 자동차의 흐름을 크게 바꾸었다.

미국에서는 1975년 12월에, 에너지 정책과 보존법(Energy Policy and Conservation Act)이 제정되었고 연비향상과 자원절약이라는 목적을 달성하는데에는 차량의 경량화가 유효한 수단으로서 대폭적인 경량화의 대책이 행해지고 있다.

일반적으로 차량중량 중에서도 차체가 점하는 비율은 약 50% 정도이고, 차체의 경량화가 직접 차량의 중량삭감이 됨은 물론, 동력계 및 섀시부분에의 파급효과도 크다. 이 때문에 차체부품의 경량화가 가벼운 차량을 실현하기 위한 큰 포인트라고 할 수 있다.

 

(1) 계획단계에 있어서의 경량화

차체의 경량화를 자원절약, 에너지절약, 저가격 등의 조건 하에서 실현하는데는 차량계획단
계로부터 구체적인 계획에 따라 추진하는 것이 중요한 열쇠가 되고 있다.

1) 자동차의 형상에 의한 경량화

스타일은 차량의 상품성에 있어서 중요한 것이라는 것은 말할 필요도 없으나, 이 스타일을 구체적으로 표현하고 있는 외판부품이 차체 중량의 약 2할을 점하고 있는 사실도 간과할 수 없다. 따라서 차체의 경량화를 도모하기 위하여는 외판의 판 두께 저감, 또는 재질의 전환 등에 주목할 필요가 있다. 외판의 판 두께는 인장강성, 내덴트(dent)성, 내식성으로 결정되나, 그 중에서도 인장강성이 가장 큰 요인이 되고 있다. 따라서, 패널의 곡률반경, 판 두께, 사이즈와 인장강성의 상관관계에 대한 데이터를 확보하면 판두께 저감이나 재질전환을 전제로하여 차체형상을 결정할 수 있다.

2) 차량 레이아웃에 의한 경량화

차량 레이아웃은 자동차의 사용목적, 사회정세, 고객의 취향 등 광범위한 요청에 의해서 결정되기 때문에 경량화를 방해하는 요인이 되는 것도 있다. 현재 차체의 대부분이 프레임리스 구조이기 때문에, 엔진 등 중량부품의 복제방법, 서스펜션, 견인, 트레일링 후크 등 큰 하중 입력부품의 장착위치와 방법에 의해서 차체구조에 미치는 부하가 대폭 변화한다.

 

3) 구조해석에 의한 경량화

 

차체의 각종 특성은 기본 골격구조의 정적, 동적인 강성분포와 하중 분포의 상호관계에 의해 기본적으로 규정된다. 종래 구조와 입력의 복잡성으로부터 차체의 강도, 강성, 진동, 소음성능의 해석은 지극히 어려운 문제로 되어있었으나, 컴퓨터의 기술이 진보되었기 때문에 유한요소법에 의한 차체해석법이 실용화 되고 차량개발의 초기시점에 구조의 최적화가 가능하게 되었다.

이 외에 후륜 들어올림에 의한 쿼터판넬의 버클링(buckling)이나 프론트 휠에 의한 카 쉐이크(car shake), 그리고 고속 공명음 등의 진동소음문제도 유한요소법 해석을 행하여 중량 최소화의 최적 해를 도출할 수가 있다.

 

(2) 재료에 의한 차체의 경량화

경량화를 위한 재료의 연구, 개발이 활발히 추진되고 있는 요즈음에는 차량 전체로서 또한 자원 리사이클까지 고려한 형체로서 가치관의 재정립도 포함한 재료평가를 할 필요가 있다.

각종 경량화 재료 중에서 금후 차체재료로서 사용이 증가 예상되는 고장력 강판, 알루미늄, 수지에 대해서 그 특징, 적용례 및 사용상의 유의 사항에 대해서 기술한다.

 

1) 고장력 강판

고장력 강판은 그 항장력이 40-100kgf/m³ 연강판의 약 1.5-3배의 파괴강도를 갖기 때문에 큰 소성강도와 변형에너지를 필요로하는 부품에 사용하면 박판화가 가능하게 된다. 예를 들면, 충격강도가 필요한 범퍼나 충돌시의 변형에너지 흡수가 중요한 도어가드바(door guard bar) 등에 사용되고 있다.

종래의 고장력 강판은 연강판에 비하여 인장강도는 높으나 신률이 연강판의 약반으로서 15% 정도 밖에 안되므로 단순한 형상의 프레스 가공 밖에 되지 않고 스포트 용접성에도 어려운 점이 있었다.

 

2) 알루미늄

알루미늄은 비중이 2.7 (강의 약 1/3)로 가볍고 내식성이 우수하고 표면이 미려하므로 열전도성이 좋다고 하는 특징 외에도 스크랩(scrap)의 재생처리의 기술적 문제가 적고 자원절약, 에너지 절약의 점에서도 유리한 재료이다.

 

그러나, 탄성계수가 낮기 때문에(강의 약1/3), 강성 면에서의 주의가 필요하다. 또, 성형가공시에 연강판에 비하여 특히 신률이 낮고, 그 결과 드로 성형성이 나쁘고 흠집이 생기기 쉽고 조립공정에서의 스포트 용접이 꽤 까다롭게 용접조건 관리를 할 필요가 있고, 전극의 오손이 잦은 등 제조공정 면에서도 알루미늄 특유의 문제가 있다.

 

한편, 차체용 알루미늄 합금판에도 많은 종류가 있어 기계적 성질과 특성을 충분히 검토해서 사용조건에 맞는 재료를 선택하는 것이 경량화의 중요한 포인트가 된다.

 

3) 수지

수지는 경량일 뿐 아니라, 내식성이 우수하고, 형상의 자유도가 크며, 제조 에너지 코스트가 비교적 싸다. 또한, 각 바디부품의 기능에 적합한 재료가 개발되어있어서, 금후 점점더 차체의 사용량이 증가하는 것은 확실하다고 본다. 금후의 수지에 의한 경량화는 하중이 걸리는 구조부품에 채용하는 것을 고려하지 않으면 안된다.

 

 

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4. 방진, 방음, 단열

정숙성과 쾌적한 온도환경은 근년에 중요성을 더하여가고 있고, 특히 고속도로망의 발달에 의한 본격적인 하이웨이시대에 있어서는 단순히 쾌적성 때문만이 아니고, 장거리 운정에 의한 피로를 경감하기 위하여도 중요한 요소가 된다.

소음, 진동, 단열이라는 것은 직접 관계는 없으나, 흡음과 단열에 같은 재료가 사용되고 있는 경우가 많아서 같은 절에서 취급한다. 이하 진동, 소음, 단열과 차체와의 관계에 대해서 기술한다. 승객에 불쾌감을 주는 진동, 소음의 발생 메커니즘에는 엔진, 동력전달계, 타이어, 서스펜션, 차체, 시트, 인스트루먼트 패널 등이 있다. 그 때문에, 일부분만의 대책으로서 완전을 기하는 것은 불가능하고, 차량 전체로서 양호한 진동특성이 되도록 배려할 필요가 있다. 특히, 자동차에 있어서는 많은 경우에 공진현상을 동반하고 때로는 진동원으로부터 공진개소 쪽이 문제가 되는 경우가 있다. 이 때문에 음 진동의 문제를 해결하는 것은 쉽지 않고, 기획단계로부터 엔진, 서스펜션, 타이어 등의 진동 특성과 차체의 고유 진동수와의 관련성을 잘 검토하는 것이 중요하다.

 

(1) 차체의 진동 소음 특성

진동 소음현상은 그 발생 원인, 주파수역이 광대역이고 차체의 특성도 원인의 하나로 되고 있다. 차체의 진동형태는 다음과 같이 구분된다.

1) 골격진동

골조를 포함한 차체 전체의 저주파 진동으로서 카 쉐이크의 원인이 된다. 굽힘 진동모드(mode)의 노드(i½, node)가 2개인 것을 1차진동, 3개인 것을 2차 진동이라 하고, 비틀림 진동모드에서는 노드가 1개인 것을 1차진동, 2개인 것을 2차진동이라고 한다. 차체는 일정단면의 보와 달리 복잡한 형상을 하고 있으므로 일반적으로 3차 이상은 명확하게 판별하기 어렵다.

2) 패널진동

차체의 면을 형성하고 있는 강판이 마치 큰 북의 가죽막처럼 진동하는 현상으로 공진상태가 되어서 강하게 진동하는 경우로서 부우밍음의 원인이 된다.

 

(2) 카 쉐이크

카 쉐이크는 주행시에 차체, 스티어링, 시트에 발생하는 5-30 Hz정도의 불쾌한 저주파 진동이다. 이 발생 메커니즘은 휠과 타이어를 조합한 차륜의 바란스, 진원도가 나쁜 경우 등에 휠의 진동으로 발생하여 스프링 하 공진, 엔진 마운트의 공진, 차체의 일차 공진이 유기되어 쉐이크가 발생한다.
대책으로서는 차체와 다른 진동계와를 공진하지 않도록 하는 것과 기계 임피던스를 높이는 것이 있다. 이를 위하여 차체의 일차진동수는 스프링 하 고유진동수와 합치하지 않도록 약 20Hz 이상으로 변경할 필요가 있다.

 

(3) 부우밍음(Booming)

주행 중 차내의 소음은 일반적으로 차속과 함께 증대하지만 어느 차속에 이르면 급격히 소음이 크게 되어 공명현상을 일으키는 경우가 있다. 이를 부우밍음이라고 한다.

주파수는 약 30-200Hz 정도이나 음이 크고 불쾌감을 준다.

공동 공명은 차실의 형상으로 결정되는 것으로서 간단히 변경할 수 없으므로 공명시의 패널 진동을 작게 하기 위하여 공진점을 이동시키거나 진동 자체를 억제시키는 등의 제진대책, 차 실내의 소음을 흡음제로 흡수하고 레벨을 낮추는 흡음대책(흡음재는 고주파역의 효과가 크고 저주파역에는 적기 때문에 엔진, 디퍼렌셜로이즈, 바람 가르는 소리 등에 효과가 크다),
차실내의 공동, 공명시의 음장모드 및 진동모드 등의 방법에 의하여 저감대책을 강구한다.

 

(4) 로드노이즈 ( road noise )

로드노이즈는 거칠은 포장노면으로부터의 충격에 의하여 타이어가 진동하고 그 진동이 현가계를 거쳐서 차체에 전달되어 차내 소음으로 되는 것이다. 주파수는 차속에 관계가 없이 진동원인 타이어의 측벽면과 트레드면의 고유진동수에 관계하고 30-60Hz 및 80-200Hz에 집중된다.

 

(5) 바람소리

이것은 고속주행시에 창 주위에 발생하는 소음이다. 바람소리는 대별하여 윈드노이즈(wind noise)와 윈드쓰로브(windthrob)로 분류할 수 있다.

1) 윈드노이즈(wind noise)

윈드노이즈는 2000-8000Hz의 고주파음이다. 그 원인으로서는 닫혀있는 창의 틈으로부터 새어나가는 공기음, 바디 외면의 요철에 의해서 발생하는 소용돌이에 의한 바람 가르는 소리들이 있다.

2) 윈드쓰로브(wind throb)

윈드플래터라고도 부르는 것으로서 차의 창을 열고 고속주행중에 발생하는 비교적 저주파(15-20Hz)의 공기진동현상이다. 발생 메커니즘은 차실을 공명통으로 하는 헬름홀쓰 공명상자로 생각할 수 있다.

 

(6) 차음

전항에서의 소음진동은 차의 진동특성 그것이 크게 영향을 주고 있으나 이 외에 차체의 진동 특성에 별로 영향이 없고 직접 차내에 투과하는 소음이 있다. 이 소음 중 중요한 것은 엔진소음으로서 이들의 차음과 흡음도 차체설계상 중요한 과제의 하나이다. 엔진 소음의 차내로의 침입개소는 데쉬 패널 및 프론트 플로어부가 주이므로 이 부위에 각종의 차음재 및 흡음재를
사용한다. 그 효과는 고주파역에서 발휘되고 저주파의 음압레벨의 저감은 곤란하나, 귀로 느끼는 고주파가 감소하기 때문에 실감으로서는 정숙하게 느낄 수가 있다.

 

(7) 단열

자동차는 여름의 염천하의 고속주행으로부터 겨울철의 주행까지 광범위한 온도조건 하에서 쾌적성이 필요하다. 특히 중동지역과 같은 고온지역이나 카나다와 같은 극저온 지역 등 자동차의 환경조건은 대단히 까다롭고 게다가 장시간 주차한 후에 운전을 할 경우에는 급속냉방, 급속난방이 요구된다. 이와 같은 어려운 조건 중에서의 단열의 좋고 나쁨은 공조장치의 부하에 영향을 주는 중요한 항목의 하나이다.

차실에 대한 열부하로서는 대별하여 다음의 네 항목으로 구분할 수 있다.

1) 환기부하 : 자연환기(틈새바람)과 강제환기
2) 관류부하 : 차실격벽, 창유리부터의 열 이동
3) 방사부하 : 직사일광, 하늘로부터의 방사
4) 승객부하 : 승객의 발열

 

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5. 방진, 방수

승용차의 차내 및 트렁크룸의 중에 먼지나 물이 침입하면 차내의 쾌적성이 손상되고 내장품이나 화물이 더럽혀질 뿐만 아니고, 보기부품의 기능장애나 차체에 녹을 발생시키는 원인이 되기 때문에 방진, 방수성은 차의 품질에 있어서 대단히 중요한 사항이다.

기밀성이 불충분한 경우에는 방진성이 나쁘게 될 뿐만 아니고, 냉, 난방의 효과와 차음성도 저하한다.

 

한편, 수밀성의 평가방법으로서는 비올 때나 세차시의 상태를 재현하는 샤워 테스트, 호스 테스트, 얕은 개울 주행 테스트 등을 시행하여 판정할 수 있다.

 

 

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6. 환기

환기를 행하는 목적은 차내 공기의 정화, 차내 온도 및 습도의 조절 등이 있다. 차내 공기의 오염 원인은 주로 승객이 내뿜는 이산화산소, 수증기, 악취 및 담배연기 등이 있다. 차내의 오염공기를 정화하는 데에는 신선한 외기로 교체할 필요가 있고, 쾌적한 상태를 유지하기 위한 최소한의 환기량을 필요환기량이라고 한다. 일반적으로 필요환기량은 이산화탄소 농도기준법으로 계산하고 그 양은 1인당 30cc/h 전후이다.

환기구의 위치는 차량의 풍동실험 결과로부터 차체의 압력분포를 참조하여 정압부분에는 외기도입구를 부압부분에는 내기배출구를 설치한다.

 

따라서 보통 카울 톱(cowl top)으로부터 들어간 외기가 인스트루먼트의 벤틸레이터 등을 통하여 실내로 들어가도록하고 실내의 공기는 리어 필라에 붙어있는 아웃렛 그릴(outlet grill)부로부터 배출되기도하고 리어 사이드트림의 벤틸레이터 구멍으로부터 펜더 내를 통하여 로크 필라의 아웃렛부로부터 배출되어 도어와의 틈을 통해서도 배출된다.

 

 

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7. 방청

차체의 부식은 강도 및 외관품질을 저하시키고 내용년수를 대폭 단축시켜버린다. 이 부식에 의한 손실도 크므로 자원절약의 측면으로부터도 중요한 문제가 되어있다.

 

방청의 목적은 이러한 문제를 극복하고 자동차의 수명을 어떻게 하여 연장시킬 것인가에 있고, 차체에 대한 부식원인의 정확한 파악과 그에 기초하여 적절한 방청설계를 하지 않으면 안된다.

자동차의 부식은 1950년대 후반부터 북미, 북유럽의 한랭지역 및 해안지역에서 문제가 되기 시작하여 그 중요성이 인식되기에 이르렀다. 부식의 중요한 원인으로서는

 

- 하이웨이 등에 눈을 녹이기 위하여 뿌린 제설염
- pH4-5의 산성비로 대표되는 대기오염

등을 들 수가 있으며, 이러한 조건들이 겹치는 경우에는 더욱 심하게 된다.

부식에 대한 문제가 크게 된 것은 소비자 입장에 서서 방청기준을 설정하는 움직임이 설정되기 시작하였기 때문이며, 카나다 정부에서 제정하였던 방청기준(Anti-Corrosion Code)이 가이드라인이 되어왔다. 최근에는 자동차 메이커들이 경쟁적으로 방청보증연한을 증가시키는 추세이다.

 

금속이 부식을 일으키는 기전은 여러 가지를 생각할 수 있으나 가장 일반적인 원인은 산소소비형의 부식 사이클이다. 녹은 강으로부터 철이온을 용출하는 아노드(양극)과 철로부터 전자가 제거된 카소드(음극과의 사이에 생기는 전위차와 양자의 사이에 존재하는 전해질 용액에 의하여 형성되는 전기 화학적 회로에 의하여 야기된다.

이 때문에 금속 표면에 물과 산소가 있으면 철의 산화물, 즉 녹이 생긴다. 물은 전해질로서 작용하고 염류와 고온은 그 작용을 촉진한다. 전해질은 꼭 수용액일 필요는 없고 공기중의 습기에도 충분히 반응이 진행되는 경우가 많다. 또 진흙과 먼지에 포함되어있는 수분은 전형적인 전해질이다.

또 하나의 부식기구는 갈바니 부식이라고 부르는 것으로서 두 개의 다른 금속이 전해액 중에서 접촉하면 화학적으로 갈바니 전지가 형성되어 부식이 일어난다. 이 부식은 녹을 발생시킬 뿐만 아니고, 강과 다른 금속, 특히 알루미늄과 동의 조합에서 잘 일어난다.

자동차 차체의 방청대책은 차체구조, 재료 및 제조기술의 총합에 의하여 달성할 수 있는 것으로서 여러 가지의 특징을 잘 이해하고 적절한 방법을 채용하지 않으면 안된다.

 

 

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8. 공작성

자동차의 차체는 무수히 많은 부품들로 구성되어있고, 여러 가지의 공법에 의해 수많은 공정을 거쳐 조립되고 있다. 따라서 각 공법상의 공작성을 고려하여 만들기 쉬운 설계를 하는 것은 중요한 일이다. 그러나 만들기 쉬운 것만을 추구하다 보면 요구품질을 희생할 수도 있고 또 고품질을 추구하다보면 각 공법마다의 공정능력을 무시한 설계로 될 수도 있다.

원칙적으로는 차체설계에 있어서 각 공법과 그 공정능력을 잘 이해하고 설계를 하는 것이 중요하나, 구체적으로는 기본설계로부터 세부설계에 이르기까지 여러 단계에서 설계 부문과 제조기술부문이 필요한 사항에 대해서 잘 협의해나가면서 설계를 계속하는 것이 좋은 방법이다. 본절에서는 공법마다의 배려해야 할 일반적인 사항에 대해서 기술한다.

 

(1) 프레스성

차체의 대부분은 강판제 프레스 제품으로 구성되어있다. 따라서, 차체설계를 함에 있어서 프레스성에 대해서 필요한 배려를 하는 것은 중요한 것이다.

프레스성에는 단순한 성형법과 보다 넓은 의미의 생산성과의 2개의 면이 있고, 이들에 대해서 설명한다.

1) 성형성

성형성이 좋은 설계라는 것은 잘 찢어지지 않고, 잘 주름잡히지 않고, 또 형상 및 정밀도를 내기 쉬운 설계를 하는 것이다.

2) 생산성

생산성 중에는 당연히 성형성도 포함되지만 이외에도 일체화, 공용화, 취급성 등도 고려하여야만 한다.

 

(2) 용접성

차체조립에 있어서의 용접은 차체의 강도, 신뢰성 및 원가의 면에서 대단히 큰 위치를 점하고 있다. 따라서 차체의 설계를 행하는 경우에는 용접성을 충분히 고려할 필요가 있다.

이와 같이 여러종류의 용접방법 중에서 스포트용접은

1) 작업성이 좋고, 자동화 하기 쉽다.
2) 작업속도가 빠르다.
3) 용접봉 및 가스류 등의 고가재료를 사용하지 않기 때문에 생산단가가 싸다.
4) 용접결과가 작업자의 기량에 좌우되지 않기 때문에 숙련공이 불필요하고 그러면서도 안정된 용접품질을 얻기 쉽다.
5) 용접시간이 짧고 국부적인 가열하므로 제품의 치수 정밀도에 영향이 적다. 

6) 연기의 발생이 적고 작업환경상의 문제가 적다.

는 등의 이유로부터 거의 모든 개소에 사용되고 스포트용접이 되지 않는 경우에만 다른 용접 방법을 사용하고 있는 현상이다.

 

(3) 도장성

차체의 도장은 작업자에 의한 시대로부터 설비기기에 의한 시대로 변화되어왔다. 일반적인 도장공장의 레이아웃에서는 표면처리로부터 전착도장까지의 공정은 무인화되어있고, 중도 및 상도의 스프레이작업도 자동화된 예가 많다.

따라서, 도장성이 좋은 설계에는 자동화하기 쉬운 것은 물론이고 자동화하여도 보완적인 수작업이 남지 않고 수정을 요하는 분량도 발생이 잘 되지 않는 것이 중요한 사항이다.

 

(4) 조립성

차체장비품의 조립은 복잡하게 조정을 수반하는 작업으로서, 수작업에 의존하고 있는 것이 현상이다. 한편, 소음, 배출가스, 연기 등의 규제, 안전성 향상, 고급화 지향 등의 이유로 차체장비로서는 부품, 기능의 추가가 두드러지고 각부의 전자기기도 도입되어 내장의 풀트림화도 한층 진척되고 있다.

이러한 필요성을 만족시키면서 조립성을 향상시키는 데는 설계기술, 제조기술의 쌍방의 연구가 수행되어야 한다.

 

 

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9. 메인터넌스에 대한 배려

메인터넌스라함은 자동차의 안전한 운행을 확보하기 위하여 보수하여서 기능을 유지하는 것이고 법률적으로도 작업점검, 정기점검이 의무화되어있다. 또한, 사고 등에 의한 손상의 수리도 메인터넌스의 하나이다.

일반적으로 점검정비는 엔진, 섀시가 대상이 되나 차체는 그것들의 작업성 및 부착부의 정밀도에 깊은 관계가 있어서 차체의 설계에 있어서 차체의 메인터넌스만이 아니고 차량의 점검, 정비에 대한 배려를 하는 것도 중요하다. 또한, 그 중요도가 근년들어 높아지는 것도 주의를 요한다.

 

그 이유로는

(1) 프레임리스 구조가 되면서 섀시, 엔진 등의 중요 부품이 차체에 부착되고 그 얼라인먼트 정밀도가 차량성능에 크게 영향을 미치게 되었다는 점

(2) 차의 라이프사이클이 길게 되고 그 내구성, 수리성의 좋고 나쁨이 중요하게 되었다는 점이다.

 

 

 

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