KR100619295B1 - 자동차용 강도 부재 - Google Patents

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KR100619295B1
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신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
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Abstract

본 발명의 자동차용 강도 부재는, 충돌 초기에 높은 굽힘 반력을 가지며 제조비용의 저감과 경량화를 가능하게 하는 단면 형상을 구비하여, 자동차의 안전성을 상당히 개선하고 비용 저감을 달성한다. 즉, 정사각형의 단면을 가지는 사각형의 강관으로서, 다음의 (1) 내지 (3)의 관계식을 만족하고 인장 강도가 최소한 690 MPa 인 자동차용 강도 부재가 제공된다.
R1 ≤ 1.5t ... (1)
tR ≥ 1.1t ... (2)
R1 ≥ R2 ... (3)
여기서, t는 변의 두께(mm), tR은 모서리의 두께(mm), R1은 외측 모서리의 반경(mm)이고, R2는 내측 모서리의 반경(mm)이며, 한편, 단면이 사각형인 강관에서 경도(硬度)의 최대값과 최소값 모두는 단면 전체 평균값의 ±30% 이내 범위에 있다.
자동차 도어, 강도 부재, 측면 충돌, 강관, 굽힘 반력, 인장 강도, 좌굴

Description

자동차용 강도 부재{AUTOMOBILE STRENGTH MEMBER}
도 1은 충돌 굽힘을 받은 사각관 및 원형관의 변위 대 굽힘 반력 곡선을 비교하는 도면이다.
도 2는 사각관의 단면 형상을 설명하는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
tR: 모서리의 두께(mm)
t1: 마주보는 한 쌍의 변의 두께(mm)
t2: 마주보는 다른 한 쌍의 변의 두께(mm)
R1: 외측 모서리의 반경(mm) R2: 내측 모서리의 반경(mm)
본 발명은 충돌 초기에 굽힘 반력(bending repulsion)이 높고 제조비용을 저감하고 경량화를 도모하기 위한 자동차용 강도 부재에 관한 것이다.
최근, 자동차의 측면 충돌에 대한 기준이 강화되어 왔다. 샤시 구조의 설계 개념도 또한 변화되어 왔다. 자동차 도어에는 도어 보호봉(door guard bar)이 설치 된다. 과거에, 도어 보호봉으로는 측면 충돌시에 충돌 에너지를 흡수하고 승객에게 가해지는 충격을 감소시키도록 변형이 되는 부재가 고려되어 왔다.
최근에, 샤시 구조는 측면 충돌시에 충돌 에너지가 전체적으로 도어에서 흡수될 수 있도록 설계되고 있다. 이러한 샤시 구조에서, 도어 보호봉은 충돌 에너지를 도어 보호봉 주위의 다른 부재들에 전달하여 다른 부재들 자체의 변형에 의해 충돌 에너지를 흡수하도록 하는 에너지 전달 부재로서 사용된다. 그러므로, 도어 보호봉으로 사용되는 부재는 충돌력을 그 부재의 탄성 변형 범위 내에서만 받아서 결과적으로 변형되지 않는 것이 중요하다. 특히, 충돌 초기에 높은 굽힘 반력의 성질을 가지는 부재가 요구된다. 이를 위해 부재의 강도를 강화시키는 것이 요구되지만, 강도가 높으면 취성 파괴(brittle fracture) 또는 수소에 기인한 균열(hydrogen induced cracking)이라는 문제가 발생하므로 부재의 강도만을 강화하는 것은 자동차용 부재로서는 바람직하지 않다. 그러므로, 충돌 초기에 굽힘 반력을 향상하기 위해 부재의 형상에 초점을 맞추어 연구되었다.
지금까지, 도어 보호봉용 부재는 흡수 에너지의 관점에서 정적인 굽힘 시험을 이용하여 연구되어 왔다. 예를 들어, 높은 흡수 에너지는 단면이 원형인 강관의 강도를 강화함으로써 구해질 수 있는 것으로 알려져 있다(예를 들어, 일본 공개 특허 공보 평 4-63242호 참조). 그렇지만, 원형 단면인 강관은, 그 굽힘 변형 거동에 있어서, 하중을 받는 바로 그 지점에만 하중이 집중하므로 국부적인 좌굴(buckling)에 의해 단면 형상이 쉽게 평평해진다. 마찬가지로, 이러한 부재는 충돌에 의한 굽힘에도 약하므로 충돌 초기에 높은 굽힘 반력을 가지지 못한다.
또한, 폐쇄된 단면 구조, 종방향의 최대 치수, 종방향에 수직한 방향의 최대 치수, 외주 길이, 두께 등의 관계를 규정한 인장 강도가 적어도 1400 MPa 인 자동차용 구조 부재가 제시되었다(예를 들어, 일본 공개 특허 공보 제 2002-248941호 참조). 이러한 부재에서는, 흡수 에너지와 굽힘 반력이 종래에 비하여 개선되는 것이 사실이지만, 그러한 결과는 각 경우에서 정적인 굽힘 시험에 기초한 것이다. 충돌 굽힘 시험에서도 충돌 초기에 높은 굽힘 반력이 얻어질 지는 명확하진 않다.
한편, 상기와는 반대로, 원형관에 비하여 굽힘 특성이 우수한 사각관(四角管)이 개발되고 있다. 즉, 모서리부의 외측면에 반경을 주지 않거나 두께보다 작은 크기의 반경을 주고 모서리부의 내측면에는 외측면보다 큰 반경을 주어서, 굽힘 입력 방향에 평행한 양 측면에 직접 하중이 작용하여 굽힘 반력을 개선하도록 한다(예를 들어, 일본 공개 특허 공보 평 6-278458호 참조). 상기 부재의 인장 강도는 1470 MPa 급이다. 이러한 인장 강도를 가진 부재에서는, 가해진 굽힘 하중에 의해 발생하는 취성 파괴 또는 수소에 기인한 균열이 야기될 수 있다. 또한, 전기 저항 용접된 강관 또는 다른 원형관을 다시 사각관으로 가공하는 때에, 모서리부의 내측면에 외측면보다 더 큰 반경을 주는 것은 제조상 곤란하여서, 상기와 같은 단면 형상을 제조하는 데에는 비용이 현저히 높아진다는 문제가 있다.
전술한 바와 같이, 도어 보호봉용 부재는 소성 변형 영역에서 에너지 흡수라는 관점에서 지금까지 정적인 굽힘 시험에 의해 연구되어 왔기 때문에, 충돌 굽힘에서, 충돌 초기에 높은 굽힘 반력이 얻어지는 지는 불명확하다. 또한, 상기 부재 는 높은 강도때문에 취성 파괴 또는 수소에 기인한 균열이 발생할 가능성이 있다. 나아가, 전기 저항 용접된 강관 또는 다른 원형관을 사각관으로 가공하는 때에는, 모서리부의 내측면에 외측면보다 더 큰 반경을 주는 것이 제조상 곤란하여서, 상기와 같은 사각관 단면 형상을 제조하는 때에 비용이 현저히 높아진다는 문제가 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 충돌 초기에 높은 굽힘 반력을 가지며 제조비용의 저감과 경량화를 가능하게 하는 단면 형상을 구비한 자동차용 강도 부재를 제공하는 것이다.
전술한 바와 같이, 도어 보호봉용 부재는 충돌력을 그 부재의 탄성 변형 범위내에 유지하여 측면 충돌시에 변형하지 않아야 한다. 특히, 충돌 초기에 높은 굽힘 반력을 가질 것이 요구된다.
본 연구에 참여한 발명자들에 의해 발견된 결과로서, 도 1에 보여진 바와 같이 부재의 종방향에 수직인 방향에서 굽힘 하중을 가할 때에, 원형관의 충돌 초기의 굽힘 반력에 비하여 사각관의 충돌 초기의 굽힘 반력이 높은 정점을 가지므로, 충돌 초기의 굽힘 반력을 개선하기 위해서는, 사각관의 모서리부의 좌굴을 극도로 작게 하고 굽힘 입력 방향에 평행한 양 측면의 단부에 하중이 가해지는 것이 중요하다.
사각관의 모서리부의 좌굴을 극도로 작게 하기 위하여, 외측 모서리부의 반경을 감소시키고 두께는 두껍게 하는 것이 효과적이다. 또한, 굽힘 입력 방향에 평 행한 하중이 양 측면의 단부에 직접 가해지도록 하기 위해, 외측 모서리부의 반경을 변의 두께보다 상당히 작게 하는 것이 효과적이다. 이 경우에, 모서리부를 제외한 변들의 두께는 일정하다. 나아가, 하중이 직접 가해지는 양 측면의 두께를 더 두껍게 한 경우에도, 발명자들은 양 측면은 강화되어 충돌 초기에 굽힘 반력이 더 높아진다는 것을 발견하였다. 만일 부재의 인장 강도가 너무 높다면 취성 파괴 또는 수소에 기인한 균열이 문제된다.
한편, 제조 비용의 관점에서, 외측 모서리부의 반경을 내측 모서리부의 반경보다 더 크게 함으로써, 제조가 용이해지고 제조 비용이 저감될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 태양에 따르면, 정사각형의 단면을 가지는 사각형의 강관으로서, 다음의 (1) 내지 (3)의 관계식을 만족하고 인장 강도가 최소한 690 Mpa인 자동차용 강도 부재가 제공된다.
R1 ≤ 1.5t ... (1)
tR ≥ 1.1t ... (2)
R1 ≥ R2 .... (3)
여기서, t는 변의 두께(mm), tR은 모서리의 두께(mm), R1은 외측 모서리의 반경(mm)이고, R2는 내측 모서리의 반경(mm)이다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 상기 사각형 강관의 경도(硬度) 최대값과 최소값 모두가 단면 전체 평균값의 ±30% 이내 범위인 자동차용 구조 부재가 제공된 다.
본 발명의 제 3 태양에 따르면, 정사각형 단면을 가지며 다음 (4)와 (5)의 관계식을 동시에 만족하는 사각관으로 구성된 자동자용 강도 부재가 제공된다.
0.50 ≤t1/t2 ≤0.95 ... (4)
R1 ≤ 1.5t2 .... (5)
여기서, t1은 마주보는 한 쌍의 변의 두께(mm), t2는 마주보는 다른 한 쌍의 변의 두께(mm), R1은 외측 모서리의 반경(mm)이다.
본 발명의 제 4 태양에 따르면, 본 발명의 제 3 태양에 개시된 자동차 강도 부재용 정사각형 단면을 가지며, 두께 t2인 변들이 굽힘 입력 방향과 일치하도록 배치되는 자동차 구조 부재가 제공된다.
본 발명의 목적과 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 주어지는 바람직한 실시예에 대한 다음 기술로부터 명확해진다.
이하에서 본 발명이 더 상세히 설명된다. 우선, 본 발명의 제 1 태양에 대해 설명한다.
충돌 초기에 굽힘 반력을 개선하기 위해서는, 모서리부의 좌굴을 극도로 작게 하고 굽힘 입력 방향에 평행한 양 측면의 단부에 충돌이 직접 작용하도록 하므로써, 단면이 평평해지는 것을 더 어렵게 할 필요가 있다.
외측 모서리의 반경(R1)이 너무 크면, 하중이 굽힘 입력 방향에 평행한 양 측면의 단부에 직접 작용하지 않고 굽힘 입력 방향에 수직한 입력 측면의 중앙 주변만이 압력을 받기 때문에, 굽힘 입력 방향에 평행한 양 측면은 바깥으로 부풀어오르며 단면이 쉽게 평평해진다. 결과적으로, 충돌 초기에 굽힘 반력이 낮아진다. 특히, 외측 모서리의 반경(R1)이 두께(t)의 1.5배 이상이 되면, 충돌 초기의 굽힘 반력이 현저히 낮아진다. 그러므로, 외측 모서리의 반경(R1)은 다음 관계식 (1)에서 처럼 두께의 1.5배 이하로 한다.
R1 ≤ 1.5t ... (1)
또한, 모서리부의 좌굴을 상당히 감소시키기 위해서, 모서리의 두께(tR)를 더 두껍게 하는 것이 효과적이다.
모서리의 두께(tR)를 두껍게 함으로써, 모서리의 좌굴 저항은 더 크게 되고, 굽힘 입력 방향에 평행한 양 측면의 단부에 직접 하중이 가해질 수 있다. 모서리의 두께(tR)가 변 두께의 1.1배 미만이면 이러한 효과가 없다. 그러므로, 모서리의 두께(tR)는 다음 관계식 (2)에서 나타낸 것처럼 변 두께의 1.1배 이상이어야 한다. 또한, 여기서 모서리의 두께(tR)는 모서리부의 가장 두꺼운 부분의 두께를 의미한다.
tR ≥ 1.1t ... (2)
한편, 외측 모서리의 반경(R1)을 내측 모서리의 반경(R2)보다 크게 하면 제조가 용이해지고 제조 비용이 저감된다. 즉, 다음 관계식 (3)이 만족되어야 한다.
R1 ≥ R2 .... (3)
부재의 인장 강도가 690 MPa 미만인 때에는 충돌 초기에 높은 굽힘 강도를 얻을 수 없으므로, 부재의 인장 강도는 690 MPa 이상으로 한다. 부재의 인장 강도가 너무 높으면 부재의 취성 파괴와 수소에 기인한 균열이 문제되므로, 부재의 인장 강도는 바람직하게는 1470 MPa 미만이다.
충돌 초기의 높은 굽힘 반력과 제조 비용의 저감이 달성되는 사각형 강관이기 위해서는 상기 관계식 (1), (2)와 (3)의 조건을 동시에 만족하고 인장 강도는 690 Mpa 이상이어야 한다. 상기 조건들 중 하나라도 만족하지 않으면, 충돌 초기의 높은 굽힘 반력과 제조 비용의 저감 모두 달성될 수는 없다.
다음으로, 본 발명의 제 2 태양이 설명된다.
본 발명의 제 2 태양은 사각형 강관의 단면 경도의 최대값과 최소값을 단면 전체의 평균값의 ±30% 범위가 되도록 한정한다. 이 범위를 초과하면, 단면 경도가 최대인 위치에서 연성은 상당히 낮아지게 되고, 이 위치에서 취성 파괴가 일어나기 쉽다.
다음으로, 본 발명의 제 3 태양이 설명된다.
충돌 초기의 굽힘 반력을 개선하기 위하여, 변의 두께를 다르게 하는 것도 또한 효과적이다. 즉, 마주보는 한 쌍의 변의 두께를 t1로 하고, 굽힘 입력 방향에 평행한 마주보는 다른 한 쌍의 변의 두께를 t2로 하며, t1은 t2보다 작도록 한다. 굽힘 입력 방향에 평행한 변의 두께(t2)를 더 두껍게 하면, 굽힘 입력 방향에 평행 한 양 측면이 강화되어서 충돌 초기에 굽힘 반력이 높아지게 된다. 그렇지만, t1이 너무 작으면 두께 t1인 변 자체에 좌굴이 일어날 수 있으므로, t1/t2의 비는 최소한 0.50이어야 한다. 한편, t1/t2의 비가 0.95를 초과하면, 충돌 초기에 굽힘 반력의 상승량이 작아지게 되어, 충돌 초기의 굽힘 반력 개선이라는 관점에서 바람직하지 않다. 그러므로 t1/t2는 다음 관계식 (4)의 조건을 만족해야 한다.
0.50 ≤t1/t2 ≤0.95 ... (4)
또한, 이 경우에, 관계식 (1)에서 설명된 바와 같이, 외측 모서리의 반경(R1)은 두꺼운 변의 두께(t2)의 1.5배보다 커서는 안 된다. 그러므로, 다음 관계식 (5)를 만족할 것이 요구된다.
R1 ≤ 1.5t2 .... (5)
본 발명의 자동차용 강도 부재로 사용하는 사각관을 제조하는 방법에는 인발, 압연, 압출 성형 등이 포함된다.
또한, 자동차용 강도 부재를 성형하기 위한 재료는 일반적으로 강재이지만, 본 발명의 제 3 태양에서는 그 조건을 만족한다면 알루미늄, 티타늄, 마그네슘과 같은 경금속 또는 이러한 경금속들의 합금을 사용할 수도 있다. 다음에는 본 발명의 제 4 태양이 설명된다.
본 발명의 제 3 태양에 따른 자동차용 강도 부재를 자동차에 설치할 때에, 굽힘 특성이 최대한 발휘될 수 있도록 방향을 설정하는 것이 필요하다. 즉, 마주보 는 한 쌍의 변보다 더 두꺼운 두께 t2인 다른 한 쌍의 변을 굽힘 입력 방향에 평행이 되도록 설치하는 경우에, 가장 효율적인 자동차용 강도 부재가 될 수 있다.
본 발명의 자동차용 강도 부재에 있어서는 충돌 초기의 굽힘 반력이 특히 중요하므로, 충돌 굽힘 시험에 의해 충돌 초기의 굽힘 반력을 조사하였다. 시험 조건으로, 종방향 길이가 900 mm인 시편에 대해, 낙하 추 시험기(drop weight tester)에 의한 낙하 속도가 4.43 m/sec이고 낙하 추의 질량이 50 kg이며, 굽힘 스팬 길이(L)는 700 mm이고, 시편 양단의 지지부는 고정된다.
도 2는 사각관의 단면 형상을 도시한다. 여기서, D는 정사각형 단면의 한 변의 길이(외부 치수)를 나타낸다.
표 1은 각종의 자동차용 강도 부재를 나타낸다. 종래의 도어 보호봉은 1470 Mpa 급의 원형 강관(φ35.0 x t 2.3 mm)을 사용하므로, 원형 강관(기호 H)에 대하여 충돌 초기의 굽힘 반력 상승률과 중량비가 비교된다. 여기서, 단면 경도의 최대치 및 최소치와 단면 경도의 평균치 사이의 차이를 구하기 위해 단면의 경도가 측정된다. 빅커(Vicker)의 경도시험 방법에 의하는 JIS 규격(JIS Z 2244)을 만족하도록 경도는 1 mm 피치(pitch)로 측정된다. 본 발명의 예인 재료 A와 B는 경량임에도 불구하고 충돌 초기에 더 높은 굽힘 반력을 가진다. 본 발명의 예인 재료 C는 재료 H에 비해 충돌 초기의 굽힘 반력이 그다지 높지는 않지만 중량 감소가 커서 자동차용 부재의 중량 감소에 효과가 크다. 이와는 반대로, 비교 재료인 D, E, F 및 G는 종래의 재료 H에 비해 충돌 초기의 굽힘 반력의 상승률과 중량 감소가 작다. 즉, 재료 D에서는 R1이 1.5t 보다 크고, E에서는 tR이 1.1t 보다 작으며, F에서는 인장 강도가 작은 경우여서, 모두 본 발명의 범위를 벗어난 경우이다. 재료 G에서는, 단면 경도의 최대치 및 최소치와 단면 경도의 평균치 사이의 차이가 33.8%여서, 본 발명이 요구하는 30% 이하를 훨씬 상회하는 경우이다. 단면 경도가 큰 부분에서, 연성은 현저히 감소하고 취성 파괴가 일어나기 쉽다. 전기 저항 용접된 강관 또는 다른 원형 강관으로부터 연속 압연 방식에 의해 사각관을 제조할 경우에, 용접부는 용접된 대로 남아 있기 때문에 본 발명의 30%를 초과하게 된다. 한편, 재료 C와 인발에 의해 제조되는 부재는, 원형관을 제조한 후 용접부와 모재부의 재질이 균일해지도록 열처리를 하는 것이므로, 단면 경도의 최대치 및 최소치와 단면 경도의 평균치 사이의 차이는 10.5% 또는 본 발명에 의한 30% 이내가 된다.
표 2는 상이한 변 두께를 가지는 자동차용 강도 부재를 나타낸다. 표 2에 나타낸 충돌 굽힘 시험에서, 자동차용 강도 부재의 굽힘 입력 방향은 두께 t2인 변에 평행하다. 여기서, 균일한 변 두께를 가지는 사각관(재료 번호 7)에 대하여 충돌 초기의 굽힘 반력 상승률과 중량비가 비교된다. 본 발명의 예인 재료 1 내지 3은 비교 재료 7에 비해 충돌 초기에 높은 굽힘 반력을 가지며 비교 재료 7과 실질적으로 동일한 중량을 가진다. 이와는 반대로, 비교 재료 4와 5는 중량에서는 약간 증가하지만 충돌 초기의 굽힘 반력은 재료 7에 비해 그다지 높지 않다. 비교 재료 6은 충돌 초기에 상당히 높은 굽힘 반력을 나타내지만 두께 t2가 커서 중량이 너무 무거우므로 바람직하지 않다.
Figure 112004044761651-pat00001
Figure 112004044761651-pat00002
본 발명은 예를 들기 위하여 특정 실시예에 대하여 기술되었지만, 본 발명의 기본적인 개념과 범위를 벗어나지 않고 당업자가 다양한 변경을 할 수 있다는 것은 명백하다.
본 발명에 의하면, 충돌 초기에 높은 굽힘 반력을 가지며 동시에 제조비용의 저감과 경량화를 가능하게 하는 단면 형상을 구비한 자동차용 강도 부재를 제공할 수 있어서, 자동차 안전성의 향상 및 비용 저감을 달성할 수 있다.

Claims (4)

  1. 정사각형의 단면을 가지는 사각형의 강관을 포함하고, 다음의 (1) 내지 (3)의 관계식을 동시에 만족하며, 인장 강도가 690 Mpa 이상인 것을 특징으로 하는 자동차용 강도 부재.
    R1 ≤ 1.5t ... (1)
    tR ≥ 1.1t ... (2)
    R1 ≥ R2 ... (3)
    (여기서, t는 변의 두께(mm), tR은 모서리의 두께(mm), R1은 외측 모서리의 반경(mm)이고, R2는 내측 모서리의 반경(mm)임.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사각형 강관의 단면에서 경도(硬度)의 최대값과 최소값 모두가 단면 전체 평균값의 ±30% 이내 범위인 것을 특징으로 하는 자동차용 강도 부재.
  3. 정사각형 단면을 가지며 다음 (4)와 (5)의 관계식을 동시에 만족하는 사각관으로 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 강도 부재.
    0.50 ≤t1/t2 ≤0.95 ... (4)
    R1 ≤ 1.5t2 ... (5)
    (여기서, t1은 마주보는 한 쌍의 변의 두께(mm), t2는 마주보는 다른 한 쌍의 변의 두께(mm), R1은 외측 모서리의 반경(mm)임.)
  4. 제3항에 따른 자동차용 강도 부재인 정사각형 단면의 사각관을 배치하되 두께 t2인 변들이 굽힘 입력 방향과 일치하도록 배치하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 구조 부재.
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