KR101357608B1 - 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이에 관한 것으로, 범퍼빔에 고정되는 플랜지부와, 차체에 고정되는 컵부를 포함하는 박스형 스테이로서, 상기 박스형 스테이의 단변 양측은 상기 플랜지부와 컵부과 서로 연결된 상태로 완전히 막혀있는 구조를 이루고, 장변 양측은 상기 플랜지부와 컵부 일부에 개방부를 구성하되, 개방부는 상기 플랜지부의 장변 양쪽이 일부 절개 형성된 플랜지개구부와, 상기 플랜지개구부가 형성된 쪽 컵부에 형성된 컵개구부로 이루어져, 충돌시 상기 개방부 주변을 통해 충격에너지에 대한 1차 변형흡수가 이루어진 후 상대적으로 리지드(Rigid)한 개방부 하측에서 2차 변형흡수가 이루어지도록 설계된 것을 특징으로 하는 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이를 제공한다.
본 발명에 따르면, 범퍼빔용 스테이의 형상 개선에 따라 경량화에 일조하면서 충돌시 유효한 찌그러짐 변형이 일어나되 쉽게 파손되지 않아 충격흡수력이 뛰어나고, 이에 따라 범퍼빔에 충격을 주지 않아 크랙이 생기지 않으므로 탑승자의 안전성이 더욱 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이{STAY FOR BUMPER BEAM WITH ENHANCED SHOCK ABSORBING CRASH ENERGY}

본 발명은 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 스테이의 구조를 개량하여 최적 설계함으로써 충돌시 크랙을 발생시키지 않으면서 충돌에너지 흡수력을 극대화시킴과 동시에 중량 절감에도 기여할 수 있도록 개선된 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용 범퍼 시스템은 차량의 저속 충돌시 탄성적으로 변형하여 차량의 물리적인 손상을 최초화하기 위한 것으로서, 다른 자동차나 고정체와의 충돌시 그 충격을 흡수하여 탑승자의 안전을 도모하게 되며, 동시에 차체의 변형을 최소화 할 수 있도록 자동차 전,후방에 배치되는 완충수단이다.

이러한 범퍼 시스템은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 기본적으로 차량의 전,후방에서 차폭방향으로 장착되되 2개의 범퍼레일(3a,3b)을 포함하는 범퍼빔(3)과, 상기 범퍼빔(3)의 전방에 배치되어 충격력을 흡수하는 에너지 업소버(2)와, 그리고 상기 범퍼빔(3)과 에너지 업소버(2)를 감싸는 범퍼커버(1) 및 상기 범퍼빔(3)과 프론트 사이드 멤버(front side member)(5)를 상호 연결하기 위한 스테이(Stay)(4)를 포함하여 구성된다.

그리하여, 차량 충돌시 충돌에너지를 최대한 흡수시켜 차체의 변형을 최소화시킴으로써 탑승자의 안전을 확보하게 된다.

따라서, 범퍼 시스템에 대한 법규는 매우 엄격하며, 특히 유럽 시장의 경우에는 요구사항이 매우 까다롭고 더 엄격하다.

일 예로, 40% 오프셋 테스트에서 차체의 손상을 줄이기 위해 충돌시 범퍼빔이 견딜 수 있는 한도 내에서의 압착, 변형 또는 파괴 등으로 최대한 충돌에너지를 흡수 할 수 있는 구조여야 하고, 반면에 범퍼 배리어 테스트에서는 차체 손상을 막기 위해 범퍼빔의 변형이 최소화되어야 하고 쉽게 파손되지 않아야 하는 등 서로 상반된 성능을 만족할 만한 형태의 것 등을 들 수 있다.

이러한 성능을 만족시키기 위해서는 범퍼 시스템을 구성하는 여러 부재들이 최적화 설계되어야 하겠지만, 그 중에서도 충돌에너지 흡수와 직접 관련된 스테이(Stay)(4)의 구조는 매우 중요하다.

더구나, 차량의 경량화 이슈까지 만족시켜야 하기 때문에 더욱 그러하다.

이와 관련하여 초창기 개시된 스테이들은 공개실용 제1998-036681호, 등록특허 제0240026호에 나타나 있는 것처럼 스틸 소재를 'ㄷ'형, 'W'형 등과 같이 판재를 절곡시키고, 일부에 포밍을 형성하여 충돌흡수력을 높이려는 노력들이 있었다.

하지만, 스테이가 가져야 할 기본 성질로서, 충돌시 변형은 되되 쉽게 파단되지 않도록 하여 충돌에너지가 범퍼빔 쪽으로 최대한 전달되지 않도록 하는 것임에도 불구하고, 경우에 따라서는 스테이가 잘 변형되지 않고 너무 강도가 세다 보니 오히려 범퍼빔으로 직접 충돌에너지가 전달되는 문제, 반대로 쉽게 파단되어 버리는 문제 등이 있었고, 더구나 차량 경량화에 역행하는 문제가 있었다.

이에, 많은 특허 기술들이 출원되면서 최근에는 소재를 유리섬유 강화 열가소성수지 등과 같이 일정 이상의 강성을 가지면서 중량도 줄이고 비용도 줄일 수 있는 스테이들이 출시되고 있다.

그런데, 이와 같은 스테이의 경우에는 스틸에 비해 강도가 낮기 때문에 원하는 강도를 유지하기 위해 도 2와 같은 박스형으로 제조되는 것이 일반적이나, 플랜지부(4a)와 컵부(4b)가 너무 리지드(Rigid)하여 충돌시 충격에너지 흡수력이 떨어짐으로써 경량화 측면에서는 우수한 유효성을 갖지만 충격 흡수 측면에서는 여전히 개선의 필요성이 내재되어 있다.

이러한 당해 분야의 까다롭고 어려운 조건 때문에 스테이의 구조를 개선하는 것은 매우 난해하고 어려운 일로서, 단순히 구조나 형상만을 변경한다고 쉽게 해결될 수 있는 사안이 아닌 바, 이를 테면 앞서 설명한 종래 기술중 'ㄷ'형이나 'W'형을 경량 소재와 결합시키면 금방 해결될 것 같지만 이럴 경우에는 개방된 부분이 많아 차체에 지지되는 부분이 조그만 충격에도 쉽게 주저앉거나 파손되게 되므로 원하는 강도를 얻을 수 없어 구현하기 어렵고, 무엇보다도 까다로운 유럽 규정을 만족시킬 수 없게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 까다롭고 어려운 제반 조건과 현상들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 경량화를 달성하면서도 최적의 형상을 구현하여 충돌시 찌그러지면서 변형은 이루어지되 쉽게 파손되지 않도록 하여 범퍼빔에 크랙을 유발하지 않고 우수한 충격 흡수력으로 탑승자의 안전을 도모할 수 있도록 개선된 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 범퍼빔에 고정되는 플랜지부와, 차체에 고정되는 컵부를 포함하는 박스형 스테이로서, 상기 박스형 스테이의 단변 양측은 상기 플랜지부와 컵부과 서로 연결된 상태로 완전히 막혀있는 구조를 이루고, 장변 양측은 상기 플랜지부와 컵부 일부에 개방부를 구성하되, 개방부는 상기 플랜지부의 장변 양쪽이 일부 절개 형성된 플랜지개구부와, 상기 플랜지개구부가 형성된 쪽 컵부에 형성된 컵개구부로 이루어져, 충돌시 상기 개방부 주변을 통해 충격에너지에 대한 1차 변형흡수가 이루어진 후 상대적으로 리지드(Rigid)한 개방부 하측에서 2차 변형흡수가 이루어지도록 설계된 것을 특징으로 하는 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이를 제공한다.

이때, 상기 개방부는 상기 플랜지부의 장변측 양단으로부터 플랜지부의 폭만큼씩을 미개구부로 남겨 둔 상태에서 나머지 부분이 제거되는 형태로 형성되어 버팀기능을 구비한 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 컵부에 형성되는 컵개구부는 상기 플랜지부와 컵부의 경계선으로부터 컵부 하단을 향해 25mm 이하로 형성되는 것에도 그 특징이 있다.

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본 발명에 따르면, 범퍼빔용 스테이의 형상 개선에 따라 경량화에 일조하면서 충돌시 유효한 찌그러짐 변형이 일어나되 쉽게 파손되지 않아 충격흡수력이 뛰어나고, 이에 따라 범퍼빔에 충격을 주지 않아 크랙이 생기지 않으므로 탑승자의 안전성이 더욱 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 범퍼빔 시스템의 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스테이의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스테이의 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스테이의 장착상태 및 일측에서 본 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스테이와 비교를 위한 비교예를 보인 예시도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 스테이와 종래예 및 비교예와의 비교실험 데이터를 보인 도면이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스테이(stay)(100)는 플랜지부(110)와 컵부(120)로 이루어진다.

이때, 상기 플랜지부(110)는 범퍼빔(200)에 고정되는 부위로서, 플랜지부(110)에 형성된 볼트공(112)을 통해 볼트(Bolt)로 범퍼빔(200)에 견고히 고정된다.

그리고, 상기 컵부(120)는 차체에 고정되는 부위로서, 이또한 컵부(120)에 형성된 다수의 볼트공(122)을 통해 볼트(Bolt)로 차체에 견고히 고정되게 된다.

아울러, 본 발명의 핵심이 되는 부분으로 본 발명의 스테이(100)는 1차 변형흡수부(300)와 2차 변형흡수부(400)를 포함한다.

즉, 상기 1차 변형흡수부(300)는 플랜지부(112)와 컵부(120)가 만나는 경계선으로부터 컵부(120)를 향한 25mm 이하에 형성되며, 상기 2차 변형흡수부(400)는 상기 1차 변형흡수부(300)를 제외한 나머지 부위에 해당된다.

여기에서, 1차 변형흡수부(300)와 2차 변형흡수부(400)를 구분짖는 이유는 충돌 발생시 충격에너지가 전달되는 경로를 파괴하여 시간차를 갖게 함으로써 충격량을 줄이고(반대로는 충격흡수량을 높이고), 규정 강도는 유지할 수 있도록 하기 위함이다.

다시 말해, 1차 변형흡수부(300)는 비교적 변형이 잘 이루어지도록 하여, 충돌시 충격을 1차적으로 흡수하고, 2차 변형흡수부(400)는 흡수된 충격이 차량 멤버, 즉 차체 쪽으로 최대한 전달되지 못하도록 강성을 유지하여 차량이 안전하게 보호될 수 있도록 하여 준다.

결국, 1차 변형흡수부(300)와 2차 변형흡수부(400) 간에는 변형 정도에 있어 서로 상당한 차이를 갖도록 구현함으로써 충돌에너지가 리니어하게 흡수 전달되는 것이 아니라, 1차 변형흡수부(300)와 2차 변형흡수부(400)를 경계로 확연하게 다른 성질을 갖게 하여 에너지 전달에 있어 극심한 차이를 유발시켜 충격에너지가 차체 쪽으로 쉽게 전달되지 않도록 하기 위한 것이다.

이를 테면, 중앙을 경계로 일측은 플렉시블하고, 타측은 리지드(Rigid) 한 경우로 생각할 수 있다.

이때, 상기 1차 변형흡수부(300)는 스테이(100)의 장변 양측에 형성되며, 플랜지부(110)에 형성된 플랜지개구부(114)와, 컵부(120)에 형성된 컵개구부(124)로 이루어진 'ㄱ' 형상의 개방부(500)를 포함한다.

따라서, 상기 1차 변형흡수부(300)는 컵개구부(124)가 형성된 부위까지의 길이이므로 결국, 상기 1차 변형흡수부(300)는 플랜지부(110)와 컵부(120)의 경계선으로부터 컵부(120)를 향한 25mm 이하가 된다.

즉, 상기 개방부(500)의 영향으로 1차 변형흡수부(300)는 2차 변형흡수부(400)에 비해 상대적으로 변형되기 쉬운 구조를 갖게 되며, 2차 변형흡수부(400)는 상대적으로 더 리지드(Rigid)하므로 변형되기 쉽지 않은 구조를 갖게 된다.

특히, 상기 1차 변형흡수부(300)의 범위가 25mm 이하로 유지되어야 하는 이유는 25mm를 초과할 경우 1차 변형흡수부(300)의 변형이 더 쉬워져 충돌시 심한 변형을 야기함으로써 범퍼빔(100)에 크랙을 유발하기 때문이다.

다시 말해, 1차 변형흡수부(300)는 충돌시 적당하게 찌그러짐 변형을 유도하여야 하는데, 이는 변형이 너무 안되면 충격흡수력이 떨어져 충격이 차체에 그대로 전달되고 빔크랙이 발생되며, 변형이 너무 심하게 일어나면 충격흡수력은 좋아지나 파단, 파손, 굴절 현상이 유발되어 안전성이 떨어지고 역시 빔크랙이 유발되기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 기본적으로 박스형 스테이(100)를 유지하되 단변쪽은 플랜지부(110)와 컵부(120)과 서로 연결된 상태로 완전히 막혀있는 구조를 이루고, 장변쪽은 플랜지부(110)와 컵부(120) 일부에 개방부(500)를 구성하되, 개방부(500)의 상하폭은 플랜지부(110)와 컵부(120)의 경계선으로부터 25mm 이하로 유지되게 구성한다.

이때, 상기 개방부(500)는 컵부(120)의 장변측 전체를 따내는 형태로 형성되는 것이 아니라, 양단으로부터 플랜지부(110)의 폭만큼씩을 미개구부(510)로 남겨 둔 상태에서 나머지 부분을 따내는 형태로 가공 형성된다.

때문에, 미개구부(510)는 일종의 버팀부를 구성하여 충돌시 1차 변형흡수부(300)가 찌그러짐 변형을 유발하되, 아주 쉽게 단시간에 변형되지 못하도록 어느 정도 찌그러짐 변형을 지연시키는 역할을 담당하게 되어 효과를 더욱 증진시킨다.

또한, 상기 개방부(500)는 양단이 라운드 형태로 가공되면 충돌 저항성이 더욱 커지게 된다.

이와 같은 구성에 따른 본 발명의 스테이(100)가 갖는 효과를 확인하기 위해 도 2에 도시된 기존예와, 도 5에 도시된 비교예를 동일 조건에서 충돌테스트하여 함께 비교하였고, 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다.

이때, 도 5에 예시된 비교에는 개방부(500)의 길이, 즉 상하폭(b)을 본 발명 범주를 벗어난 30mm로 유지하였다.

실험결과, 도 6 내지 도 8의 그래프들에 잘 나타난 바와 같이, 이들 발명예, 기존예, 비교예의 특성은 하기한 표 1과 같은 결과로 귀결되었다.

결과		Intrusion (mm)	Deflection (mm)	Energy 흡수율(%)		Beam Crack
				Beam	Stay
SPEC		145	73	-	-	-
Full Barrier	발명예	121	71	31	37	무
	기존예	118	95	46	15	유
	비교예	127	89	31	39	유

상기 표 1의 결과로부터, 본 발명에 따른 스테이가 기존 스테이에 비해 스테이에서의 흡수율이 무려 22%나 높아 범퍼빔으로 전달하는, 즉 범퍼빔에서 흡수해야 할 충격량을 줄임으로써 빔 크랙이 생기지 않으면서 규격에도 가장 합당한 것으로 확인되었다.

반면, 비교예의 경우에는 스테이의 변형량이 커져 그만큼 스테이의 흡수율이 증가하기는 하지만, 결과적으로 범퍼빔에서 흡수해야 할 충격량은 줄어 들지 않았고, 오히려 물리적 변형을 증가시켜 빔 크랙을 유발하므로 성능을 만족시킬 수 없음을 확인할 수 있었다.

따라서, 과하다고 무조건 우수한 것이 아니라, 적정 임계범위 내에서 설계되어야 그 효과가 극대화됨을 확인하였고, 개방부(500)가 형성된 만큼 중량도 줄어드는 효과도 함께 얻을 수 있었다.

100 : 스테이 110 : 플랜지부
120 : 컵부 200 : 범퍼빔
300 : 1차 변형흡수부 400 : 2차 변형흡수부
500 : 개방부

Claims (4)

1. 범퍼빔에 고정되는 플랜지부와, 차체에 고정되는 컵부를 포함하는 박스형 스테이로서,
   상기 박스형 스테이의 단변 양측은 상기 플랜지부와 컵부과 서로 연결된 상태로 완전히 막혀있는 구조를 이루고,
   장변 양측은 상기 플랜지부와 컵부 일부에 개방부를 구성하되, 개방부는 상기 플랜지부의 장변 양쪽이 일부 절개 형성된 플랜지개구부와, 상기 플랜지개구부가 형성된 쪽 컵부에 형성된 컵개구부로 이루어져,
   충돌시 상기 개방부 주변을 통해 충격에너지에 대한 1차 변형흡수가 이루어진 후 상대적으로 리지드(Rigid)한 개방부 하측에서 2차 변형흡수가 이루어지도록 설계된 것을 특징으로 하는 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 개방부는 상기 플랜지부의 장변측 양단으로부터 플랜지부의 폭만큼씩을 미개구부로 남겨 둔 상태에서 나머지 부분이 제거되는 형태로 형성되어 버팀기능을 구비한 것을 특징으로 하는 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 컵부에 형성되는 컵개구부는 상기 플랜지부와 컵부의 경계선으로부터 컵부 하단을 향해 25mm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 충돌에너지 흡수력이 우수한 범퍼빔용 스테이.

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