[자동차] 프레임과 차체 종류

 

[자동차] 프레임과 차체 종류

[자동차] 프레임과 차체 종류

프레임은 섀시를 구성하는 각 장치와 바디를 부착하는 골격으로서, 부착된 부품과 바디로 부터 전달하는 하중, 전후의 엑슬로부터의 반력을 지탱해주는 중요한 부분이다. 그 때문에 프레임은 자동차가 주행 중에 받는 노면으로부터의 충격과 하중에 의해서 생기는 휨, 비틀림, 인장, 진동 등에 충분하게 견뎌낼 수 있는 강도와 강성을 갖춤과 동시에 경량일 필요가 있다.

 

재질은 일반적으로 열간압연 강판이 사용되고 있으나, 최근에는 경량이며 강도 및 강성이 큰 고장력 강판도 사용하고 있다. 한편 프레임은 종래 트럭, 버스, 승용차 등 자동차 전반에 걸쳐 사용되고 있었으나 바디 자체를 강하고 견고하게 제작하여,

독립된 프레임을 사용하지 않는 일체 구조(모노코크 바디)가 주류로 되고 있다.

목차

 

 

 

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1. 프레임 장착 구조 (서브프레임 구조)

 

프레임은 섀시를 구성하는 유니트(엔진, 서스팬션, 스티어링등)를 끼워맞추기 위한 골격으로 차량 전 길이에 걸쳐 바디와는 별개의 프레임을 준비하고, 이것에 고무 마운트를 거쳐 차체를 붙이는 구조이다.

 

(1) 장점

• 노면과 바디 사이에 프레임이 개재하고 또 바디와 고무 마운트를 거쳐서 프레임이 연결되어 있으므로 노면 및 엔진 등으로부터의 진동, 소음이 바디에 전달되기 어려워서 정숙한 실내 분위기를 창출하기 쉽다.
• 프레임 자체에 강성이 있으므로 응용차나 FRP 및 알루미늄 바디등을 탑재하는 개조차를 만들기 쉽다. 또 바디의 스타일링 변형도 비교적 용이하다.
• 섀시 부품의 장착은 바디 장착과는 별도로 작업할 수 있으므로 조립하기 쉽다는 등의 이점이 있다.

(2) 단점

• 중량이 증가한다.
• 바닥면이 높아지고 차량 전체의 높이가 증대한다.
• 대형 프레임 제조 설비가 필요로 한다.

 

(3) 종류

  1) 페리미터 프레임(perimeter frame)-(주변틀형 프레임)

 

자동차의 실내바닥주위를 사이드레일로 둘러싸는 구조로서 중간부분에는 좌우로 관통하는 크로스 멤버가 없으므로 바닥면을 낮게 할 수 있다.

사이드 레일이 전차축의 뒤및 뒤차축의 앞에서 크랭크상으로 굽어있기 때문에 전면 및 후면 충돌시에 이부분에서 에너지를 흡수시켜 자동차 실내부분의 변형이 적어지도록 설계할 수가 있다. 측면 충돌시에는 사이드레일이 자동차 실내를 보호하는 역할을 한다.

 

한편, 이 프레임은 차축간의 굽힘강성, 비틀림 강성이 낮으므로 바디와 일체가 되어 강성을 도와주는 구조로 할 필요가 있다. 또 그 외의 프레임에 비교하면 경량으로 제조 공수도 적다.

 

 

  2) 사다리형 프레임( ladder frame 혹은 H형 프레임)

Au, Cu등 각형 단면의 사이드 멤버에 크로스 멤버를 리베트와 볼트로 조이거나 용접등으로 결합하여 사다리형으로 만든것이다.

 

프레임의 사이드 멤버가 실내 바닥밑에 오기 때문에 바닥면이 높아지므로 차축간의 바닥면을 낮추는 방안으로서 프레임의 전후 차축 부착부분을 윗방향으로 굽혀서 킥 업부위를 형성시키고 있다. 이 프레임은 제작이 용이하고 굽힘에 강하므로 한때는 많이 사용되었으나 승용차에서는 1960년대 전반에 거의 모습을 감추고 현재는 롤스로이스(영국) 모건(영국)등 일부의 차에 남아 있을뿐이다.

 

대형트럭에서는 대하중으로 고강성이 요구되고, 후판으로 성형해야하며, 한 차종에 다수의 축거를 갖는 방계차종을 만들어야하므로, 단순한 단면과 형상을 갖는 프레임구조가 필수적으로서 이형태의 프레임을 보편적으로 사용하고 있다.

 

 

  3) X형 프레임

 

문자 그대로 2개의 사이드멤버를 X형으로 짜맞추거나 크로스 멤버를 X형으로 부착하기도 해서 이것에 따라 비틀림을 흡수하도록 한 것이다.

 

사다리형 프레임에 비교해서 비틀림 강성이 높고 주요 멤버가 플로어 터널부에 배치되어 있음에 따라 바닥면을 낮게 할 수 있으므로 일시적으로 많은 자동차에 사용되었다. 그러나 정면 충돌시에 에너지 흡수특성에 어려운 점이 있고 또 프로펠러 샤프트의 배치 및 섀시의 각 부품이나 바디의 부착에 어려운 점이 있는 등 문제점이 많기 때문에 현재로서는 사용되지 않고 있다.

 

  4) 백 본 프레임 ( backbone frame )
중앙에 등뼈처럼 굵은 중공(neIo)단면의 프레임을 가져 이것에 의해 굽힘과 비틀림을 받는 구조이며 강성이 높은 것이 특징이다.

 

일반적으로 등뼈에는 파이프 또는 이것에 가까운 것을 이용해 서스펜션 부착을 위해 전후부에 브라켓을 설치한다. 이 프레임을 이용하면 차의 중앙부에 큰 터널이 생기지만 이 속으로 구동축이나 배기관을 통과시킴에 따라 일반바닥면을 내리 차고 및 중심을 낮출 수가 있으므로, 생산성은 떨어지지만 로터스 에스프리(영국)등 일부의 스포츠 타입 차에 사용되고 있다.

  5) 플랫폼 프레임 ( platform frame )
바디의 바닥판과 프레임을 일체화한 구조의 프레임으로 그 위에 바디를 짜 맞춘다. 바디와 짜 맞추어진 상태에서 큰 상자형 구조를 구성하고 전체적으로 강성이 높은 바디가 된다. 플로어가 평탄하기 때문에 마루바닥의 공기의 흐름이 양호하고 노면과의 간섭도 완화된다. 프레임리스 구조와의 중간적인 프레임으로 생각되며 폴크스바건, 비틀(독일), 르노-4(프랑스) 등 여러 차종에 사용되고 있다.

 

  6) 스페이스 프레임( space frame : 공간 프레임)

강관을 용접하여 초기의 항공기 같은 골격을 구성한 프레임으로 공간프레임으로도 불리고 있다. 경량으로 강성은 높지만 대량생산에 맞지 않기 때문에 일부의 고급 소량생산의 스포츠카에 사용되고 있는 실정이다.

 

 

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2. 프레임리스 구조

1930년경에 출연한 프레임리스 구조는 차체의 경량화 및 충돌시에 효과적으로 에너지흡수를 할 수 있
다는 관점에서 현재 소형차의 거의 대부분이 채택하고 있는 형식으로 외부의 힘을 바디 전체에 분산시켜
지탱하게 하는 구조이다.

프레임리스 구조는 프레임이 없는 대신에 바디의 일부로서 사이드멤버나 크로스멤버도 끼워 넣어 비틀림 강성의 향상을 도모하고 있으므로 일반적으로 프레임 부착 구조 보다도 강성이 높다.

섀시부품은 바디에 직접 부착하지만 일부의 차에서는 부분프레임(서브프레임)에 부착하고 나서 바디에 볼트를 조인것도 있다.

바디의 강성 향상이 본 형식의 중요한 특징이긴 하지만 바디는 엷은 판을 짜 맞춘 구조이기 때문에 바디 각부의 밸런스를 유지하는 것이 중요하다. 프레임을 통하지 않기 때문에 외부입력에 의한 영향을 직접받아 도어부위처럼 차체가 크게 뚫려있는 부분의 변형, 차체각부의 삐걱거리는 소리등 국부적인 강성 부족에서 오는 장애 현상이 발생하기 쉬우므로 충분한 해석및 실험이 필요하다. 프레임리스 구조에서는 서스펜션이나 파워트레인이 바디에 직접 붙어 있으므로 진동이 바디에 직접 전달되어 승차감은 프레임 장착 구조에 비해 한단계 뒤떨어진다고할수 있다. 그러나 서스펜션이나 파워트레인의 마운트 기술의 진보에 의해 정숙성이나 승차시 쾌적함에 있어서 프레임 장착 구조에 뒤지지 않는 대형 승용차도 생산되고 있다.

 

(1) 장점

  1) 차량중량이 가볍고, 강성이 높은 설계가 가능하다.
  2) 차량의 실내바닥면이 낮게 되므로 차량전체의 높이를 낮게 할 수 있다.
  3) 프레임과 같은 두꺼운 강판의 가공이 불필요하여 얇은 강판의 가공만 하면되므로 스포트 용접을 적용하기 쉽고 작업성, 양산성을 높일 수 있다.

 

 

(2) 단점

  1) 서스펜션 및 파워 트레인에서 진동소음이 바디에 직접 들어오기 쉬우므로 바디 측에서 충분한 방진, 방음 대책을 할 필요가 있다.
  2) 바디 전체에서 강성을 확보하는 구조이기 때문에 바디를 개조하면 강성에 변화를 미칠 수가 있으므로 특수한 차량으로 개조하는 것은 곤란하다.

 

(3) 종류

  1) 일체구조(단체구조 ; unitary construction, unit body construction) : 바디와 새시 프레임이 일체로
되어있는 구조로 부분 프레임을 가진 것도 포함된다. 

 

  2) 모노코크 구조(monocoque) : 외피와 몸통만으로 구성된 구조

  3) 세미 모노코크 구조(semi-monocoque) : 외피, 몸통 및 사이드프레임으로 구성된 구조

 

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3. 트럭차체의 구조

가장 일반적인 사다리형 프레임에 대해서 기술한다. 이것은 사이드 레일을 좌우로 걸치고, 그 사이를 여러 개의 크로스 멤버로 결합한 것으로, 구조가 단순하여 제작이 용이한 것 이외에 각종 장비의 설치에도 대응할 수 있기 때문에 소형에서 대형까지 널리 트럭에 사용되고 있다.

 

 

4. 버스차체의 구조

섀시 프레임과 바디 구조체의 조합의 대표적인 것으로서 , 전자를 「모노코크 구조」, 후자를「스켈리톤 구조」라 칭하고 있다. 세계적인 경향은 「모노코크 구조」에서「스켈리톤 구조」로 이행하고 있다.

 

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