KR100448495B1 - 차량 범퍼구조 결정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 범퍼구조 결정방법에 관한 것으로, 범퍼는 강체와 차량의 충돌시 차체와 탑승자를 보호하기 위한 것과 보행자와 차량 충돌시 보행자를 보호하기 위한 양자 모두를 위해 개발되고 있는데, 양자의 경우 범퍼에 있어 상반되는 범퍼의 요구조건을 가지고 있다.

즉, 충돌시 범퍼의 충격흡수 성능과 보행자와 차량 충돌시 보행자 보호를 위한 충격흡수 성능 모두를 만족하는 범퍼의 개발이 요구되며, 범퍼빔이나 범퍼에 내장되는 완충폼의 최적치수결정이 주요과제인 것이다.

이에 본 발명은 범퍼의 구조에서 범퍼빔의 단면계수와 완충폼 두께와의 관계로부터 보행자 보호를 위한 영역과 충격흡수를 위한 영역의 공통구역에서 최적의 범퍼빔 단면계수와 완충폼의 두께를 결정하는 방법을 제공한 것이다.

Description

차량 범퍼구조 결정방법{A determiantion Method for Automobile-Bumper-Structure}

본 발명은 차량 범퍼구조 결정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 차량 충격시 충격흡수를 위한 범퍼와 보행자와 차량의 충돌시 보행자 보호를 위한 최적의 범퍼를 결정하는 차량 범퍼구조 결정방법에 관한 것이다.

일반적으로 충돌 안정성 시험은 법규로 정하여진 항목을 실시하는 경우와 법규에 정하여져 있지 않은 항목을 자주적으로 실시하는 경우가 있으나, 어느 경우를 막론하고 노상에서 발생하고 있는 사고를 무엇 인가의 형태로 재현하는 것을 목적으로 하여 실시되고 있다.

한편, 충돌 안정성에 관한 법규는 노상에서 발생하고 있는 사고 중에서 발생빈도가 높고 중대한 사고를 대책하는 것을 목적으로 정하여져 있으므로, 각국의 법률로 정하여진 보행자나 탑승자 보호를 위한 충돌 안정성 시험의 합격이 보행자 등의 보호를 위한 최소한의 기준에 적합한 차량이 되는 것이다.

이에 의해 차량의 설계는 보행자 등을 보호하기 위한 것이 반강제되어 있는거나 마찬가지이며, 이를 통해 차량의 설계는 보행자와 탑승자를 보호하기 위한 최적의 구조로 진행되는 것이다.

이 중 범퍼의 경우 강체와 차량의 충돌시 차체와 탑승자를 보호하기 위한 것과 보행자와 차량 충돌시 보행자를 보호하기 위한 양자 모두를 위해 개발되고 있는데, 양자의 경우 범퍼에 있어 상반되는 범퍼의 요구조건을 가지고 있다.

즉, 범퍼는 범퍼커버와 범퍼빔 그리고 범퍼커버와 범퍼빔 사이에 내설되는 완충폼으로 이루어지는데, 충돌에 대한 차체와 탑승객을 보호하기 위해서는 강성의 증대가 요구되며, 보행자 보호를 위해서는 강성의 경감이 요구되는데, 단면구조상에서 상기 범퍼빔이나 완충폼의 최적설계가 주요 관건이다.

따라서, 충돌시 범퍼의 충격흡수 성능과 보행자와 차량 충돌시 보행자 보호를 위한 충격흡수 성능 모두를 만족하는 범퍼의 개발이 요구되며, 범퍼에 내장되는 완충폼의 최적치수결정이 주요과제인 것이다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 차량 충격시 충격흡수를 위한 범퍼와 보행자와 차량의 충돌시 보행자 보호를 위한 최적의 범퍼를 결정하는 차량 범퍼의 구조결정방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

도 1 은 보행자 보호를 위한 범퍼빔의 단면계수와 완충폼의 관계선도,

도 2 는 충격흡수 향상을 위한 범퍼빔의 단면계수와 완충폼의 관계선도,

도 3 은 본 발명에 따른 범퍼구조 결정방법에 따른 단면계수와 완충폼의 결정상태를 나타낸 범퍼빔의 단면계수와 완충폼의 관계선도이다.

이하 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 보행자와 범퍼의 충격에 따라 범퍼를 선형 스프링스스템으로 하여 나타내어지는 범퍼빔의 단면계수(I_beam)와 완충폼 두께(d_foam)와의 관계인에서 보행자 보호성능을 만족하는 영역과, 차량과 베리어 충격에서 충격흡수 향상을 위한 범퍼빔의 단면계수 (I_beam)와 완충폼 두께(d_foam)와의 관계인

에서 충격흡수를 만족하는 영역에서 상기 두 영역을 만족하는 범퍼빔의 단면계수

와 완충폼의 두께

를 결정하는 차량 범퍼의 치수결정방법이다.

여기서,: 등가의 범퍼 탄성계수

: 범퍼빔의 초기 곡률반경의 역수(단위:1/m)

: 범퍼빔의 스테이와 스테이 사이의 거리(단위:m)

: 차체의 운동에너지(Kinetic Energy)

α: 완충폼의 응력분포도에서 기울기 값으로이며, A는 완충폼의 단면적(단위:㎡)이고,는 재질에 따른 포아송 비례상수(Poisson's Ratio)이며,은 완충폼의 탄성계수(단위:N/㎡)이다.

β: 선형탄성이론에 의한 범퍼빔의 굽힘강성 계수값으로이며,은 범퍼빔의 탄성계수(단위:N/㎡)이다.

: 범퍼빔과 단면강성과의 관계를 나타내는 비례상수로서

이며,는 범퍼빔 폭의 절반값(단위:m)이며,는 범퍼빔의 항복응력(단위:N/㎡)이고, E는 범퍼빔의 탄성계수(단위:단위:N/㎡)이다.

상술된 바와 같이 본 발명은 차량 충격시 충격흡수를 위한 범퍼와 보행자와 차량의 충돌시 보행자 보호를 위한 최적의 범퍼를 결정하는 방법을 제공한다.

이를 위한 본 발명은 먼저, 보행자 보호용 하부완충폼에의 충격시 범퍼빔의 변형은 그다지 크지 않음로 범퍼 시스템을 다음과 같은 선형 스프링 시스템으로 치환하여 생각한다.

즉, 하부 완충폼을 k_foam으로 범퍼빔을 k_beam으로 고려한 선형 스프링 시스템으로 생각한다.

따라서, 등가의 범퍼의 탄성계수는 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 1

식 1 을 정리하면

식 2

여기서, 선형 탄성이론에 의하여

식 3

식 4

여기서, 상기 식3과 식 4를 식 1에 대입하여 I_beam에 대한 식으로 정리하면

식 5

여기서,식 6 이고,식 7이다.

상기 식 5는 도 1 의 그래프로 나타내어지며, 그래프 곡선의 하부영역의 범퍼빔이 보행자 보호성능에 좋은 영역이다.

다음으로, 범퍼빔의 5마일 베리어 충격을 고려해보면, 완충폼이 에너지 흡수를 위한 충분한 두께를 가지고 있는 경우 5마일 베리어 충격시의 에너지 평형 방정식은 다음과 같다.

식 8

이때식 9

여기서, 전단력에 의한 에너지를 무시하면

식 10

이고이므로

식 11

모멘트 대 뒤틀림간의 관계식을 대입하면 범퍼빔의 에너지는 다음과 같다.

식 12

여기서, k 는 범퍼빔의 전구간에 대해 일정하다고 생각할 수 있으므로 다음과 같다.

식 13

상기 식 13에,을 대입하면 다음과 같다.

식 14

여기서,식 15

이때, 범퍼빔에 걸리는 최대 외력 하중을 P_max라 하면 다음과 같이 표현되어 진다.

식 16

기하학적인 적합성의 조건으로부터 다음 관계를 얻는다.

식 17

다음으로 완충폼에 의한 변형에너지는 보행자 보호 충격의 경우에는 완충폼의 압착량이 적으므로 탄성적인 거동이라 생각할 수 있어 다음과 같이 나타내어 진다.

식 18

상기 식 16과 식 17로 부터 P_max에 대해 정리하면 다음과 같다.

식 19

식 16, 식 18, 식 19 를 식 8 에 대입하여 전개하면 다음과 같다.

식 20

상기 식 20을 I_beam에 대하여 정리하면 다음과 같은 포물선 식이 된다.

식 21

상기 식 21은 도 2 와 같이 d_foam에 대해 감소하는 포물선으로 곡선위의 영역이 5마일 베리어 충격에 안전한 영역이다.

따라서, 보행자 보호선능과 5마일 베리어 성능을 동시에 만족하는 영역은 도 1 과 도 2 의 허용영역의 중첩구역인 도 3 이 될 것이며 최적이 위치는 두 그래프의 교차점이 될 것이다.

따라서, 교차점인 최적점은 두 그래프, 즉 식 5 와 식 20을 연립하여 정리하면 다음과 같다.

식 22

식 23

이 된다.

따라서, 상기 식 22 와 상기 식 23 으로부터 보행자보호와 충격흡수를 위한 최적의 범퍼빔의 단면계수와 완충폼의 두께가 정하여 지는 것이다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 서로 상반되는 성향을 지닌 보행자 보호와 5마일 배리어 충돌성능을 동시에 만족하는 범퍼의 최적 범퍼빔 단면계수와 완충폼의 두께가 결정될 수 있으므로, 양자를 만족하는 범퍼의 설계를 가능하게 함으로써 범퍼를 사양별로 이원시킴에 따른 비용과 시간이 절검되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 보행자와 범퍼의 충격에 따라 범퍼를 선형 스프링스스템으로 하여 나타내어지는 범퍼빔의 단면계수(I_beam)와 완충폼 두께(d_foam)와의 관계인에서 보행자 보호성능을 만족하는 영역과, 차량과 베리어 충격에서 충격흡수 향상을 위한 범퍼빔의 단면계수 (I_beam)와 완충폼 두께(d_foam)와의 관계인

   에서 충격흡수를 만족하는 영역에서 상기 두 영역을 만족하는 범퍼빔의 단면계수

   와 완충폼의 두께

   를 결정하는 차량 범퍼의 치수결정방법.

   여기서,: 등가의 범퍼 탄성계수

   : 범퍼빔의 초기 곡률반경의 역수(단위:1/m)

   : 범퍼빔의 스테이와 스테이 사이의 거리(단위:m)

   : 차체의 운동에너지(Kinetic Energy)

   α: 완충폼의 응력분포도에서 기울기 값으로이며, A는 완충폼의 단면적(단위:㎡)이고,는 재질에 따른 포아송 비례상수(Poisson's Ratio)이며,은 완충폼의 탄성계수(단위:N/㎡)이다.

   β: 선형탄성이론에 의한 범퍼빔의 굽힘강성 계수값으로이며,은 범퍼빔의 탄성계수(단위:N/㎡)이다.

   : 범퍼빔과 단면강성과의 관계를 나타내는 비례상수로서

   이며,는 범퍼빔 폭의절반값(단위:m)이며,는 범퍼빔의 항복응력(단위:N/㎡)이고, E는 범퍼빔의 탄성계수(단위:단위:N/㎡)임.