KR100255482B1 - 탄성 중합체 범퍼 스프링 - Google Patents

Abstract

소성 변형율 대 탄성 변형율의 비율이 1.5대 1보다 큰 탄성중합체로 형성되며, 변위의 주요 부분에 걸쳐 실질적으로 일정한 스프링율을 제공하도록 단부에 원추대(24)를 갖는 구형 몸체(22)로 형성되는 압축 스프링(14). 이 스프링은 탄성 중합체의 압축 영구 변형 특성을 극복하고 그 분자 구조에 방향성을 주도록 예비 압축된다. 스프링은 특히 자동차용 범퍼 스프링으로서 유용하다.

Description

[발명의 명칭]

탄성 중합체 범퍼 스프링

[발명의 배경]

본 발명은 탄성 중합체 압축 스프링에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 주로 자동차의 범퍼 조립체용의 압축 스프링에 지향되어 있다.

자동차 산업과 보험 산업은 시속 5마일 이하의 속도에서 충돌 에너지를 흡수하는 범퍼 조립체를 오랫 동안 추구해 왔다. 이들 제품의 허용성은 두 가지 다른 기준에 의해 평가된다. 첫번째는 “유형적 손상의 배제”의 기준이다. 기존의 유압 범퍼 조립체들은 일반적으로 이 기준을 충족하는 것으로, 즉, 유형적 손상으로부터 차량을 보호한다고 볼 수 있다. 두번째는 “경제적 손상의 배제”의 기준이다. 현재 사용되는 유압 제품은 후자의 기준을 철저히 충족시킬 수는 없다고 볼 수 있다. 범퍼 조립체 그 자체 또는 자동차의 다른 부품들의 어느 한쪽이 시속 5마일에서의 충돌로부터 기능적 손상을 입는다. 더욱이, 그와 같은 범퍼조립체는 바람직하지 않은 중량을 부가하고, 조립 비용을 부과하며, 진동을 최소화하도록 별도의 예압이 가해진 스프링을 필요로 하며, 일반적으로 일정한 스프링 율을 제공하지 못하는 복수의 부품으로 구성 된다.

[관련 기술]

산업 목적과 기준을 충족시키는 자동차용 범퍼 스프링을 설계하기 위해 많은 노력이 기울여졌다. 이러한 노력에는 보빙거 등의 출원에 관해 제네랄 모터즈 코오포레이션에 허여된 미합중국 특허 제4,893,857호가 포함된다. 제네랄 모터즈의 이 장치는 제1의 에너지 흡수 매체를 포함하는 실린더형 관, 압축 스프링과 디스크들로 구성되는 예압 기구 및 범퍼로 연장되는 신축 피스톤 관을 포함한다. 제네랄 모터즈에 의해 기술된 하나의 에너지 흡수 매체는 매우 높은 압축 영구 변형 특성을 가지며 부분적으로 범퍼 조립체가 충돌 후 본래의 위치로 돌아올 수 있게 하기 위하여 예압 조립체를 필요로 하는 이.아이. 듀풍 드 느무와에 의해 제조된 공중합 탄성 중합체인 하이트랠(Hytrel)과 같은 열가소성 재료이다.

범퍼 스프링을 설계하기 위한 다른 종래의 노력은 힐러브랜드 등의 출원에 관해 크라이슬러 모터즈 코오포레이션에 허여된 미합중국 특허 제4,624,493호에 기술되어 있다. 제네랄 모터즈의 특허와 같이, 크라이슬러의 특허도 또한 복수의 부품, 즉, 받침대가 있는 하중 베어링 관 부재, 예압용의 반응 코일 스프링 및 이.아이. 듀풍 드 느무와의 공중합 탄성 중합체인 하이트렐을 포함하는 에너지 흡수 캡슐을 포함한다.

본 발명에 관련되는 추가적인 종래의 기슬은 데이빗 지. 앤더슨의 출원에 관하여 마이너 엔터프라이지즈, 인코오포레이티드에 허여된 미합중국 특허 제4,566,678호이다. 이 특허는 열가소성의 하이트렐에 초점을 맞춘다. 이 특허는 하이트랠의 중공형 스프링을 생산하는 방법과 이 열가소성 수지의 압축 영구 변형 문제를 제거하는 방법을 설명한다. 이 특허는 하이트렐의 압축 영구 변형 특성을 효과적으로 극복하고, 레일차량 용도에서 실질적인 에너지를 흡수하기 위한 매우 효율적인 스프링을 제공하는 한편, “유형적 손상의 배제”과 “경제적 손상의 배제”시험을 충족시키기 위해서는 이 개념을 자동차 산업에 적용하는 데 수정이 요구된다. 기본적인 수정은 다른 힘 이등 곡선을 제공하는 것이다.

그리고 이것은 순차적으로 이 앤더슨 특허의 교시를 념어서는 설계 변경과 개량을 필요로 한다

[발명의 요약]

본 발명은 제한된 변위를 넘는 일정한 최대 속도에서 실질적인 양의 에너지를 흡수하기 위한 압축 스프링이다. 그것은 소성 변형 대 탄성 변형의 비율이 1.5 대 1보다 큰 탄성 중합체로 형성된 기다란 중공형 몸체이다. 바람직하게는, 탄성 중합체는 등록 상표 하이트렐(Hytrel)로 이.아이. 듀퐁 드 느무와에 의해 제조 판매되는 것과 같은 에스테르 공중합 탄성 중합체이다. 바람직한 실시예에서, 중공형 몸체는 자동차의 범퍼 조립체 내로 설치되도륵 설계되고, 재료에는 차량에 유형적 또는 경제적 손상을 주지 않고 충돌로부터 기인되는 힘을 그 제품이 흡수할 수 있게 하는 형상과 방향성이 제공된다.

따라서, 본 발명의 목적은 그 중에서도

1) 차량에 유형의 손상 또는 경제적 손상의 어느 것도 주지 않고 시속 5마일의 속도로 이동하는 자동차의 충돌 에너지를 흡수할 수 있는 실질적으로 일정한 스프링 율을 제공하도륵 성형된 독특한 탄성 중합체 압축 스프링;

2) 예압 구성 요소의 비용 및 그 조립 비용을 제거하고 신규 및 기존의 자동차에 설치하는 비용을 최소화하는 간단하고 일체형 범퍼 압축 스프링;

3) 고속 도로의 먼지, 소금 용 및 부식성 용액과의 반응에 대해 매우 내구성이 있고 불활성이며, 균열 진행이 일어나지 않으며, 소성 변형율 대 탄성 변형율의 비율이 1.5 대 1보다 큰 인장 특성을 갖는 탄성 중합체로 형성된 탄성 중합체 스프링; 및

4) 자동차 제조업자들의 기업 평균 연료 절약(Corporate Average Fuel Economy)을 개선하기 위하여 비교적 낮은 비용과 가벼운 중량의 탄성 중합체 범퍼 압축 스프링을 제공하는 것이다.

[도면의 간단한 설명]

이들 목적과 다른 바람직한 특성이 본 발명에서 얻어질 수 있는 방법은 다음의 명세서와 첨부된 도면에서 설명될 것이다.

제1도는 본 발명과 이의 자동차의 범퍼 조립체에 대한 적용을 도시하는 일부가 절제된 자동차의 측면도.

제2도는 본 발명의 바람직한 실시예의 제작에 사용된 예비 성형품의 평면도.

제3도는 제2도의 3-3선을 따라 취한 도면으로 바람직한 실시예의 제작에 사용된 예비 성형품 측단면도.

제4도는 본 발명의 바람직한 실시예를 얻도록 예비 성형품을 예비 압축하고 배열하는데 사용되는 장치를 보여 주는, 예비 성형품의 바람직한 실시예의 측면도.

제5도는 본 발명의 바람직한 실시예의 제작의 압축 단계를 보여주는, 예비 성형품의 바람직한 실시예의 측면도.

제6도는 본 발명의 바람직한 실시예의 측면도이고,

제7도는 압축 스프링의 힘-변위 곡선을 도시하는 예시적 변위 그래프이다.

[바람직한 실시예의 설명]

본 발명의 바람직한 실시예는 자동차의 전방부가 10으로 표시된 제1도에서 하나의 의도된 환경에서 설명된다. 두개의 측면으로 간격을 갖는 유사한 지지물(12)이 자동차의 프레임(도시되지 않음)으로부터 연장되어 있으며 프레임에 견고하게 부착되어 있다. 본 발명의 압축 스프링(14)들의 일단이 이들 각각의 지지물에 부착되며 전방으로 연장되어 범퍼(16)에 부착되어 이를 지지한다. 자동차(10)에 매력적인 외관을 제공하도록 설계된 플라스틱 띠(8)가 이 범퍼(16) 위로 설치된다.

본 발명의 압축 스프링(14)의 바람직한 실시예의 형상과 형태는 제6도에 도시되어 있다. 압축 스프링(14)은 중앙의 구형부(22)를 포함하며, 구형부(22)의 단부는 구형부의 단부와 전체적으로 접하는 예각을 갖는 원추형 대(臺)(24)와 일체로서 연결된다. 원추대(24)는 스프링(14)을 차량과 범퍼에 부착시키기 위한 볼트(도시되지 않음) 또는 다른 수단을 받아들이기 위한 구멍(28)을 갖는 플랜지(26)에서 끝난다.

하기에 설명한 공정에 의해 만들어졌을 때, 이 압축 스프링은 제7도에 도시된 것과 유사한 힘-변위 곡선을 제공한다. 곡선이 그려진 수직축은 1,000파운드 단위의 충돌력을 나타낸다. 수평축은 시속 5마일까지의 속도에서의 충돌로부터 결과되는 인치 단위의 범퍼 변위를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 충돌시 힘은 스프링의 스프링 율과 범퍼(16)의 변위에 의해 약 7,000파운드(두개의 스프링에 대해 14,000파운드)로 제한된다. 더욱이, 힘은 이 최대율을 향해 신속히 증가하고 범퍼 변위의 상당한 부분에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다. 이 최대 스프링 율을 제한하고 충돌 에너지를 흡수하게 되는 스프링의 변위를 충분히 제공함으로써, 차량에 대한 유형적이고 경제적 손상이 회피된다. 더욱이, 일체형 압축 스프링의 설계의 단순성과 균열진행에 대해 내성을 갖는 탄성 중합체의 사용으로 범퍼 스프링 자체의 손상을 피한다.

본 발명의 스프링의 형태에 의해 본 발명은 제7도의 곡선의 바람직한 스프링 율을 갖게 된다고 볼 수 있다. 스프링의 허용되는 편향의 더 큰 백분율에 대해 바람직한 최대의 힘을 스프링이 유지할 수 있게 하는 천이부로서 역할을 하는 것으로 믿어지는 원추대(24)가 이 형태에서 중요하다. 그와 같은 점이 직선형의 실린더 몸체가 압축되어 일반적으로 구형의 압축 스프링을 형성하는 앤더슨 특허(상기에서 언급됨)와 다르다. 그 특허의 스프링은 가해진 힘이 계속적으로 정점으로 증가할 수 있게 한다. 일정하기보다는 증가하는 증분의 힘은 스프링 변위의 각 증분에 의해 흡수된다. 결과적으로, 앤더슨 특허의 교시 및 유사한 교시는 가해진 힘이 최대치를 초과하게 하며, 자동차에 유형적 및 경제적 손상을 야기시킨다.

본 발명의 제작은 제2도 및 제3도에 도시된 일체형의 예비 성형단위품(32)의 성형으로 시작된다. 이 예비 성형품은 중공형 실린더 몸체(34)의 형상을 취하고, 이 실린더는 그 각단에 결합된 원추대(24)를 갖는다. 스프링을 샤시와 범퍼에 부착시키는 수단으로 역할을 하는 플랜지(26)가 이들 원추대(24)에 결합된다. 이들 플랜지의 구멍(28)들 또는 다른 부착 기구들은 스프링을 샤시와 범퍼에 부착시키는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 이러한 예비 성형품은 소성 변형율 대 탄성 변형율의 비율이 1.5대 1보다큰 인장 특성을 갖는 탄성 중합체로 형성된다. 그와 같은 탄성 중합체의 하나는 등록 상표 하이트렐로 이.아이. 듀퐁 드 느무와에서 제조 판매하는 에스테르 공중합 탄성중합체이다. 이 탄성 중합체는 상당히 불황성이고 중요하게도 매우 내구성이 있다. 더욱이, 이 탄성 중합체는 비교적 얇은 단면으로 제작된 경우에도 파열되지 않으며 균열 진행이 일어나지 않는다. 듀퐁 하이트렐 조성 제5,556호를 사용하는 것이 바람직하다. (이 탄성 중합체의 더 완전한 설명에 대해서는, 앤더슨 특허 제4,198,307호와 이에 인용된 참고문헌을 보라). 보편적으로, 선택된 탄성 중합체는 펠릿 형태로 구입되며, 본 발명에 따라서, 주형으로 사출되고 압출되어 예비 성형품(32)을 형성한다. 용융 주조, 사출 성형, 회전 성형 등과 같은 다양한 플라스틱 성형 기술이 이 예비 성형품을 제작하는 데 사용될 수 있다.

이 예비 성형품(32)은 추가적인 제조 단계가 없으면 압축 스프링으로서 역할을 하는 데는 적합하지 않다. 이것은 기본적으로 하이트렐 및 유사한 탄성 중합체가 압축 영구 변형을 취하며, 최초 압축시에 본래의 길이로 되돌아 가지 않는다는 사실에 기인한다. 아울러, 탄성 중합체의 분자 구조의 방향성이 바람직한 스프링 특성을 제공하려면 필요하다. 그와 같은 탄성 중합체의 이러한 부적합성은 상기에 인용된 제네랄 모터즈 특허 및 크라이슬러 특허에 의해 입증된다. 각각의 특허는 탄성 중합체의 압축 영구 변형 특성을 극복하는 데 통상적으로 필수적인 추가적인 예압 기구를 요구한다.

하이트렐의 이 압축 영구 변형 특성을 극복하는데 필요한 추가적인 제조 단계에는 예비 압축과 분자 구조의 방향성이 포함된다. 그와 같은 것은 제4도 및 제5도에 도시된 방법으로 수행될 수 있다.

이들 도면에는 바닥 고정판(42), 상부 이동판(44) 및 유압 또는 기계적 수단에 의해 수직으로 왕복되는 봉(46)을 갖는 예비 압축 가압기(40)를 포함한다. 본 발명의 제작에서, 예비 성형품(32)은 제4도에 도시된 바와 같이 이 가압기에 삽입되며, 바람직하게는, 전체 단위품이 납작하게 가압딜 때까지 판(44)을 하방으로 왕복 운동시킴으로써 제5도에 도시된 바와 같이 완전히 압축된다. 봉(46)의 하방으로의 힘이 제거되고 판(44)이 올려질 때, 본 발명의 압축 스프링은 부분적으로 그 본래의 높이로 회복되어 제6도에 도시된 바람직한 실시예에서 보인 바와 같은 새로운 형상을 취한다. 도시된 바처럼, 압축과 방향성 부여 후, 천이부 또는 원추대(24)는 플랜지(26)와 더 예각을 형성하며 실린더형 부분(34)은 구형 부분(22)으로 재성형된다.

예비 압축 단계와 예비 성형의 부분적인 회복 후, 본 발명의 압축 스프링은 압축 영구 변형 문제로부터 풀려나며, 후속되는 압축시에 스프링은 제6도에 반영된 높이로 돌아오거나 탄성적으로 돌아오게 된다. 부분적으로 본 발명의 스프링 율 특성 뿐만 아니라, “탄성적 회귀”특성은 제4도 및 제5도의 예비 압축 단계로부터 결과된 하이트렐의 분자의 방향성의 결과이다.

자동차의 다양한 모델이 다른 중량과 다른 요구되는 승차 특성을 가지므로, 모든 차량 모델을 수용할 수 있는 본 발명을 위한 하나의 제작 설계는 없으며 각각의 가능성있는 적용에 대해 어떤 실험이 요구될 것이다. 그럼에도 불구하고, 요망되는 일정 스프링 율 곡선을 얻는데 필요한 기본적이고 중요한 설계 요소는 예비 압축 단계시에 플랜지(26)와 더 예각을 형성하고 요망되는 스프링 효과를 제공하도록 방향이 설정된 천이부 또는 원추형대(24)이다. 새로운 용도를 위한 본 발명에 따른 압축스프링을 설계함에 있어서, 바람직하고 직접적인 절차는 두개 이상의 스프링을 제작하고, 이들의 결과적인 스프링 율에 그 크기를 상관시키고 그 다음 요망되는 스프링 율이 얻어질 때까지 크기를 보간하고 수정하는 것이다.

플라스틱 성형과 압축 스프링 설계의 기술에 숙련된 사람들은 본 발명의 많은 수정예들이 만족스러운 결과를 산출할 것이라는 사실을 발견하게 될 것이다. 하이트렐 외의 탄성 중합체는 일부 용도에서 허용될 수 있다. 형상에 관련하여, 단 하나의 천이부(24)만이 플랜지(26)들 중 하나에 인접하여 사용될 수 있다. 더욱이, 그것은 다양한 형상을 취할 수 있다. 마찬가지로, 플랜지(26)에 대한 천이부의 각도와 구형 부분(22)은 반대로 될 수도 있다.

본 발명의 압축 스프링을 성형하는 공정은 또한 다양한 수정을 포함할 수 있다. 압출 블로우 성형은 허용되는 스프링을 생산할 수 있을 것이다. 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 평가되어질 이들 및 다른 변형은 아래에 청구된 본 발명이 의도하는 범위 내에 있다.

Claims (8)

1. 두 개의 물체 사이의 충돌에 반응하여 그 압축변위의 상당부분이 비교적 일정한 스프링율을 갖도록 압축 변위되는 충돌 에너지를 흡수하기 위한 압축 스프링으로서, 상기 압축 스프링은 a) 1.5대 1보다 더 큰 소성변형율대 탄성 변형율의 비율을 갖는 탄성중합체로 형성된 중공형 스프링 부재를 포함하고, 여기서 상기 스프링 부재의 분자구조는 적어도 한 방향으로 방향성을 가지며; b) 상기 스프링 부재는 그 단부들이 천이수단에서 끝나는 구형부분을 가지며, 상기 천이 수단은 상기 구형부분으로부터 비스듬한 각도를 가지고 연장되는 상기 구형부분의 일체의 연장체를 포함하여 이루어지며; c) 상기 스프링은 에너지를 흡수하기 위하여 두 부재 사이를 상호 연결하기 위한 수단을 가지며; 그리고 d) 상기 구형부분과, 상기 천이수단과 그리고 상기 각도부분의 재료는 그 재료의 압축변위의 상당부분에 걸쳐 상대적으로 일정한 스프링율을 제공하도록 방향성을 가짐을 특징으로 하는 상기 압축 스프링.
2. 제1항에 있어서, 상기 천이 수단이 상기 구형부분과 거의 동일한 단면 두께를 가지는 적어도 하나의 원추대의 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 압축 스프링.
3. 제1항에 있어서, 탄성 중합체의 압축 영구변형 특성을 극복하고, 그 분자 구조에 방향성을 주고, 비교적 일정한 스프링 율을 제공하도록, 상기 스프링 부재가 그 길이의 적어도 30% 만큼 압축에 의해 변형되어진 것을 특징으로 하는 압축 스프링.
4. 자동차의 범퍼 조립체에 있어서, 자동차와 그리고 이와 결합된 범퍼사이에서 상호 연결된 압축 스프링으로서, 상기 스프링은 a) 1.5대 1보다 더 큰 소성변형율대 탄성 변형율의 비율을 갖는 탄성중합체로 형성된 중공형 스프링 부재를 포함하고, 여기서 상기 스프링 부재의 분자구조는 적어도 한 방향으로 방향성을 가지며; b) 상기 스프링 부재는 구형부분을 가지며 상기 구형부분은 이로부터 비스듬한 각도를 가지고 연장되는 단부들을 가지며, 상기 구형부분과 상기 단부들과 상기 각도부분을 형성하는 상기 탄성 중합체는 상기 스프링의 압축의 상당부분에 걸쳐 비교적 일정한 스프링 율을 제공하는 압축 특성을 가짐을 특징으로 하는 압축 스프링.
5. 제4항에 있어서, 상기 스프링은 구성요소 비용을 줄이고 상기 자동차의 범퍼 조립체로의 설치비용을 최소화 하기 위하여 일 부품으로 형성되며, 상기 구형부분의 단부들은 상기 구형부분으로부터 예각으로 연장되는 원추대를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 압축 스프링.
6. a) 소성변형율 대 탄성 변형율의 비율이 1.5대 1보다 큰 탄성중합체로 형성된 전체적으로 실린더형의 몸체; b) 상기 실린더형 몸체의 적어도 일 단부에서 비스듬한 각도로 연장되는 원추대; c) 두 구성부재 사이에 압축 스프링을 설치하기 위한 부착 수단을 포함하여 이루어지고; d) 상기 실린더형 몸체와 상기 원추대와 그리고 상기 각도부를 형성하는 상기 탄성 중합체는 상기 탄성 중합체가 압축 스프링으로 변형되도록 압축 특성을 가짐을 특징으로 하는 압축 스프링용 예비성형품.
7. 제6항에 있어서, 상기 부착 수단이 상기 원추대에 일체로 결합되는 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형품.
8. a) 1.5대 1보다 더 큰 소성변형율대 탄성 변형율의 비율을 갖는 탄성 중합체로 형성된 중공형 스프링 부재를 포함하고; b) 상기 스프링 부재는 구형 부분을 가지며; c) 상기 구형부분의 적어도 일 단부에서 비스듬한 각도로 연장되며 상기 구형부분의 단면 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가지는 원추대를 포함하며; 그리고 d) 상기 구형부분과, 상기 원추대와 그리고 각도부분의 탄성 중합체는 상기 스프링의 압축의 상당부분에 걸쳐 비교적 일정한 스프링 율을 제공하는 압축특성을 가짐을 특징으로 하는 압축 스프링.