KR101494120B1 - 금속제 중공 기둥 형상 부재 - Google Patents

금속제 중공 기둥 형상 부재 Download PDF

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Abstract

적어도 5개의 정점부와, 상기 정점부 사이에 연장 형성된 변을 가진 다각형 단면을 가진 금속제 중공 기둥 형상 부재가 개시된다. 다각형 단면은, 내각이 작은 2개의 정점부(A, B)에 의해, 그 주위가 하나 또는 복수의 변으로 이루어지는 2개의 주위 세그먼트로 분할되고, 상기 2개의 주위 세그먼트 중 적어도 한쪽이 적어도 4개의 변을 포함하고, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부[∨(i)]의 각각의 내각은 180°이하이고, 2개의 정점부(A, B)를 연결하는 직선(L)과, 적어도 3개의 정점부[∨(i)] 사이의 거리[SS(i)]가, 2개의 정점부(A, B) 사이의 거리의 1/2보다도 짧고, 또한, 적어도 3개의 정점부[∨(i)] 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각이 2개의 정점부(A, B)의 내각보다도 크고, 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트를 따라, 적어도 3개의 정점부[∨(i)] 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 2개의 정점부(A, B)의 한쪽 (A)의 사이 및 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 2개의 정점부(A, B)의 다른 쪽 (B)의 사이에, 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각의 각도보다도 큰 내각을 가진 정점부(VI)가 존재하고 있다.

Description

금속제 중공 기둥 형상 부재 {METALLIC HOLLOW COLUMN-LIKE MEMBER}
본 발명은, 프레임을 구성하는 강, 알루미늄, 스테인리스, 티탄 등의 금속제의 박육 중공 기둥 형상 부재에 관한 것이다.
최근, 자동차 분야에서는, 자동차의 충돌 안전성을 유지 또는 높이면서 차체를 경량화하여, CO2 배출량을 저감시키고 자동차의 환경 성능을 높이기 위해, 크래쉬 박스 등의 프레임 부재의 단면 형상의 고안에 의해 그 강성을 높이는 대처예가 많이 보인다. 프레임 부재의 강성을 높이기 위해서는, 프레임 부재의 길이 방향의 단면 특성의 분포(강도 밸런스)가 중요해진다. 설계를 잘못하면, 예를 들어 자동차의 전방 충돌에 있어서, 자동차의 프레임의 선단에 위치하는 크래쉬 박스보다, 상기 크래쉬 박스의 후방에 위치하는 프레임이 먼저 변형되어 버리는 경우가 일어날 수 있다. 또한, 자동차의 충돌 실험에서는, 하중 방향 등의 경계 조건은 일정하지 않고, 어느 정도의 오차가 발생한다. 그로 인해, 크래쉬 박스 등의 축 방향의 압궤 변형 모드가 주된 변형 모드인 에너지 흡수 부재는, 어느 정도의 경계 조건의 변화에 의해 충격 흡수능이 크게 변화되지 않는, 즉 로버스트성이 우수한 부재인 것이 요구된다.
여기서 강도 밸런스라 함은, 프레임의 길이 방향에 수직한 복수의 단면 형상과 적용되는 재료 특성으로부터 산출되는 단면 2차 모멘트나 최대 내버클링 하중 등의 길이 방향의 분포를 말하고, 충격 흡수능이라 함은 단위 축 방향의 압궤량당 에너지 흡수량을 말하고, 로버스트성이라 함은 역학적인 경계 조건의 변화에 대한 충격 흡수능의 불변성을 말한다.
종래 기술로서, 특허문헌 1에는, 축 방향의 적어도 일부에 있어서의 횡단면 형상이 복수의 정점을 갖는 폐단면이며, 내부를 향하여 오목한 홈부를 형성하는 충격 흡수 부재가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 중공 직사각형 단면을 갖는 알루미늄 합금제의 압출 부재로 이루어지는 에너지 흡수 부재에 있어서, 벽면부의 외측에 직사각형 단면의 볼록부를 형성하는 기술이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 측면에 축 방향으로 연장되는, 내측으로 볼록한 형상으로 되는 비드나, 외측으로 볼록한 형상으로 되는 비드를 형성한 자동차의 프론트 사이드 프레임이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 4에는, 개구부를 차폭 방향 외측을 향한 대략 C자 단면 형상을 갖는 자동차의 충격 흡수 부재가 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 5에는, 다각형 단면을 가진 충격 흡수 부재에 있어서, 다각형 단면의 어느 1변의 길이와, 상기 변을 사이에 두고 인접하는 2변의 길이와, 상기 2변이 이루는 각도의 범위를 한정시키는 기술이 기재되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2006-207724호 공보 일본 특허 출원 공개 제2002-12165호 공보 일본 특허 출원 공개 평8-108863호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-292340호 공보 국제 공개 번호 WO2005/010396
그러나 특허문헌 1∼3에 개시된 기술은, 모두 횡단면의 정점부의 총수를 증대시키고 압축 변형에 의한 부재의 단위 길이당 단면력을 극단적인 요철부 형성에 의해 현저하게 향상시키는 것이므로, 프레임의 강도 밸런스의 관점으로부터, 전체적으로 프레임을 다시 설계할 필요가 있다. 부분적으로 적용한 경우, 전체의 강도 밸런스가 무너져, 예기치 않은 개소로부터 변형되고 반대로 부재 단일 부재의 충격 에너지 흡수량을 저감시킬 우려가 있다. 또한, 극단적인 요철부 성형은 변형 모드를 불안정화시키므로, 안정된 축 방향의 압궤 변형을 곤란하게 할 우려가 있다.
또한, 선행 특허 4∼5는, 모두 요철부 성형이 억제되고, 압축 변형에 의한 부재의 단위 길이당 단면력의 향상은 완만하고, 안정된 축 방향의 압궤 변형 모드를 도모할 수 있다. 그러나 어느 특허도 도시된 대략 다각형상의 정점의 내각의 배치가 적절하지 않고, 하중 방향에 따라서는 다각형화함으로써 발생하는 굴곡 현상에 의해 정점부를 소실시켜, 단면력의 현저한 저하를 발생시킬 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 강도 밸런스를 손상시키지 않고 충격 흡수능을 향상시키는 기술과 그 적용 부재를 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 부재가 압괴될 때의, 변형 모드와 충격 흡수능(에너지 흡수량)의 관계를 조사한 결과, 부재의 횡단면의 정점부의 거동이 압궤 변형시의 에너지 흡수량에 크게 기여하는 것을 발견하였다. 압궤 변형시에 굴곡 등의 변형에 의해 압궤 변형 전의 정점부가 소실되면, 현저하게 반력이 저하된다. 따라서 정점부에서 굴곡을 일으키지 않는 방법이 유효하지만, 축 방향의 압궤 변형시는 특히 제어가 어렵다. 따라서 본 발명자들은 부재의 축 방향의 압궤 해석 및 실험에 의해, 굴곡 위치를 제어함으로써, 압궤 변형시의 정점부의 소실을 억제할 수 있는 것을 발견하였다. 이 기술은, 버클링에 의한 반력 저하의 비율을 경감시키는 것이므로, 전체적인 강도 밸런스를 손상시키는 일은 없다.
본 발명에 따르면, 적어도 5개의 정점부와, 상기 정점부 사이에 연장 형성된 변을 가진 다각형 단면을 가진 금속제 중공 기둥 형상 부재이며, 상기 다각형 단면은, 내각이 작은 2개의 정점부(A, B)에 의해, 그 주위가 하나 또는 복수의 변으로 이루어지는 2개의 주위 세그먼트로 분할되고, 상기 2개의 주위 세그먼트 중 적어도 한쪽이 적어도 4개의 변을 포함하고, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)]의 각각의 내각은 180°이하이고, 상기 2개의 정점부(A, B)를 연결하는 직선(L)과, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)] 사이의 거리[SS(i)(i＝1, 2, 3, ...)]가, 상기 2개의 정점부(A, B) 사이의 거리의 1/2보다도 짧고, 또한, 상기 적어도 3개의 정점부 ∨(i) 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각이 상기 2개의 정점부(A, B)의 내각보다도 크고, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트를 따라, 상기 적어도 3개의 정점부 ∨(i) 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 한쪽 (A)의 사이 및 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 다른 쪽 (B)의 사이에, 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각의 각도보다도 큰 내각을 가진 정점부(VI)가 존재하고 있는 금속제 중공 기둥 형상 부재가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 적어도 5개의 정점부와, 상기 정점부 사이에 연장 형성된 변을 가진 다각형 단면을 가진 금속제 중공 기둥 형상 부재이며, 상기 금속제 중공 기둥 형상 부재는 2개의 접합부(J)를 구비하고, 상기 다각형 단면은, 상기 2개의 접합부(J) 근방의 2개의 정점부(A, B)에 의해, 그 주위가 하나 또는 복수의 변으로 이루어지는 2개의 주위 세그먼트로 분할되고, 상기 2개의 주위 세그먼트 중 적어도 한쪽이 적어도 4개의 변을 포함하고, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)]의 각각의 내각은 180°이하이고, 상기 2개의 정점부(A, B)를 연결하는 직선(L)과, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)] 사이의 거리[SS(i)(i＝1, 2, 3, ...)]가, 상기 2개의 정점부(A, B) 사이의 거리의 1/2보다도 짧고, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트를 따라, 상기 적어도 3개의 정점부 ∨(i) 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 한쪽 (A)의 사이 및 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 다른 쪽 (B)의 사이에, 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각의 각도보다도 큰 내각을 가진 정점부(VI)가 존재하고 있는 금속제 중공 기둥 형상 부재가 제공된다.
본 발명의 금속제 중공 기둥 형상 부재는, 특히 자동차의 프레임을 구성하는 프레임 부재에 적합하다.
또한, 본 발명에서, 다각형이라 함은, 각 변을 연장한 직선의 교점으로 형성되는 도형이 다각형인 것을 의미하고, 다각형 단면을 가진 금속제 중공 기둥 형상 부재는, 정점부에 곡률이 형성되어 있는 부재를 포함하고 있다.
본 발명에 따르면, 강도 밸런스를 손상시키지 않고 충격 흡수능과 로버스트성을 향상시킨 부재가 제공된다.
도 1은 부재의 압궤시의 반력과 압궤량을 모식적으로 나타낸 도면으로, 충격 흡수능 향상 방법을 개략적으로 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 최대 내굴곡 하중과 내각의 관계의 설명을 위한 모식도이다.
도 3은 최대 내굴곡 하중과 내각의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 중공 기둥 형상 부재의 축 방향의 압궤 변형시의 역학적 상태의 설명을 위한 모식도이다.
도 5는 굴곡시의 기하학적 변형과 내각의 변화의 설명을 위한 모식도이다.
도 6은 다각형 단면 내의 1개의 정점에서 굴곡이 발생한 경우의 주변의 정점의 내각의 변화의 설명을 위한 주위 세그먼트를 도시하는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일례인 중공 기둥 형상 부재의 다각형 단면의 주위 세그먼트를 도시하는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 다각형 단면의 주위 세그먼트의 일례를 도시한 도면으로, 2개의 정점부 A, C 사이와 2개의 정점부 B, C 사이를 대략 다각형을 따른 대략 다직선상에 1점 이상 존재하는 정점부의 정점부 VI 중 적어도 1점 이상이 정점부 C의 내각의 각도보다도 큰 경우의 굴곡 전과 굴곡 후의 중공 기둥 형상 부재의 횡단면을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 또한, (＋)는 점 A, B 사이의 정점부 중 양쪽 옆의 정점부의 내각보다도 큰 내각의 정점부를 나타내고, (－)는 점 A, B 사이의 정점부 중 한쪽 옆 및/또는 양쪽 옆의 정점부의 내각보다도 작은 내각의 정점부를 나타낸다.
도 9는 횡단면 내에 정점부를 5개 이상 갖는 다각형 단면의 주위 세그먼트의 정점부 중 2점 A′, B′사이를, 대략 다각형을 따른 대략 다직선상의 3점 이상의 점이, 본 발명의 조건을 만족시키지 않는 개소의 굴곡 전과 굴곡 후의 중공 기둥 형상 부재의 횡단면을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 또한, (＋)는 점 A′, B′사이의 정점부 중 한쪽 옆 및/또는 양쪽 옆의 정점부의 내각보다도 큰 내각의 정점부를 나타내고, (－)는 점 A′, B′사이의 정점부 중 양쪽 옆의 정점부의 내각보다도 작은 내각의 정점부를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일례인 중공 기둥 형상 부재의 다각형 단면의 주위 세그먼트를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 11은 본 발명의 일례인 중공 기둥 형상 부재의 다각형 단면의 주위 세그먼트를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 12는 비교예인 부재의 횡단면 형상 및 치수의 설명도이다.
도 13은 실시예의 하나인 부재의 횡단면 형상 및 치수의 설명도이다.
도 14는 박육 중공 기둥 형상 부재의 압궤시에 발생하는 반력과 압궤량의 관계의 비교도이다.
도 15는 비교예인 부재의 횡단면 형상 및 치수의 설명도이다.
도 16은 실시예의 하나인 부재의 횡단면 형상 및 치수의 설명도이다.
도 17은 박육 중공 기둥 형상 부재의 압궤시에 발생하는 반력과 압궤량의 관계의 비교도이다.
도 18은 박육 중공 기둥 형상 부재의 압궤시에 발생하는 반력과 압궤량의 관계의 비교도이다.
우선, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 원리를 설명한다.
다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재의 충격 흡수 성능을 높이기 위해서는, 중공 기둥 형상 부재의 축 방향의 압궤량당 에너지 흡수량을 높이는 것이 필요하다. 에너지 흡수량을 높이기 위해서는, 부재의 압궤시에 발생하는 반력의 평균값을 높게 유지하는 것이 중요하다.
그것을 위해서는, (1) 도 1에 있어서 파선으로 나타내는 바와 같이, 압궤시의 변형에 의해 변동하는 반력의 증가를 촉진하고, (2) 도 1에 있어서 점선으로 나타내는 바와 같이, 압궤시의 변형에 의해 변동하는 반력의 저하를 억제하는 것이 필요하다.
본 발명자들은, 부재의 축 방향의 압궤 해석 및 실험에 의해, (a) 압궤시의 반력의 증가는, 주로 변형 전의 부재의 횡단면 형상의 정점부의 수에 의해 영향을 받고, (b) 압궤시의 반력의 저하는, 변형 중의 부재의 횡단면 형상의 정점부의 수에 의해 영향을 받고, (c) 반력의 증가는 부재의 최대 반력이 증가하므로 인접하는 다른 부재에 영향을 미치지만, 반력의 저하는, 부재의 최대 반력은 변하지 않으므로, 인접하는 다른 부재에 영향을 미치지 않는 것을 발견하였다.
다각형 단면을 가진 중공 기둥 형상 부재에서는, 일반적으로, 압궤시의 굴곡에 의해 다각형 단면의 정점부가 소실되는 경우가 있다. 그 경우, 부재는, 최초의 정점부의 총수보다도 적은 정점부를 가진 단면 형상으로 변형되게 된다. 단면의 정점부가 소실되면, 다각형 단면의 변의 길이가 길어지므로, 버클링의 주기가 길어진다. 버클링의 주기는, 반력의 변동의 주기에 상당하므로, 버클링의 주기가 길어지면, 압궤 중의 반력 피크의 수가 감소한다. 따라서 다각형 단면의 정점부의 수를 많게 함으로써, 버클링 개시 전의 부재의 최대 반력을 높일 수 있지만, 다각형 단면의 정점부의 수를 많게 하면 정점부의 내각이 커지므로, 부재는 굴곡되기 쉬워져, 버클링 후의 부재의 반력이 현저하게 저하되는 경우가 있다.
다각형 단면을 가진 중공 기둥 형상 부재가 압괴에 수반되는 부재의 굴곡은 불가피하므로, 부재의 충격적 흡수 성능을 높이기 위해서는, 어떻게 굴곡시키는지가 중요해진다. 또한, 굴곡은 반력의 저하를 야기하므로, 굴곡을 컨트롤함으로써, 변형시에 소실되는 정점부의 수를 저감시키고, 이로써 반력의 저하량을 제어할 수 있는 가능성이 있다.
따라서 본 발명자들은, 다각형 단면을 가진 중공 기둥 형상 부재의 압궤의 해석 및 실험에 의해, 굴곡의 횟수를 줄이는 것이 아니라, 굴곡 위치를 제어함으로써 정점부의 소실이 억제되는 것, 또한 굴곡 위치를 제어하기 위해서는 정점부의 내각이 중요한 팩터인 것을 발견하였다.
일반적으로, 다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재에서는, 횡단면 내의 정점부의 내각이 클수록, 중공 기둥 형상 부재는 굴곡되기 쉬워진다. 예를 들어, 2개의 길이 방향만 변형 가능한 탄성 막대를 도 2에 도시한 바와 같이 일단부에 있어서 각도 θ를 갖고 결합되는 동시에, 반대측의 단부를 고정한 계(系)에 있어서, 정점으로 되는 결합부에 화살표 F로 나타내는 바와 같이 상방으로부터 하중을 인가하였을 때의, 굴곡 개시 직전의 최대 내굴곡 하중은, 재료 역학적으로 해석할 수 있고, 각도 θ＝90°에서의 최대 내굴곡 하중을 1.00으로 하면, 각도 θ＝120°및 각도 θ＝150°의 경우, 최대 내굴곡 하중은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 각각 약 0.30 및 약 0.04로 된다.
이와 같이, 도 3으로부터, 최대 내굴곡 하중은 정점의 내각에 매우 민감한 것이 이해될 것이다. 따라서 다각형 단면의 정점부의 각각의 내각의 크기를 적정하게 함으로써, 다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재의 변형 모드를 제어할 수 있어, 그 로버스트성이 향상 가능해진다.
한편, 다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재의 압궤 변형에서는, 중공 기둥 형상 부재의 축 방향으로 힘이 작용하고, 변형 전에는 다각형 단면의 각 정점에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 인접하는 정점부를 향하는 인장 하중이 작용한다. 중공 기둥 형상 부재에 굴곡이 발생하면, 굴곡이 발생한 부분에서 정점부의 내각은 증대(＋)되고, 상기 굴곡된 부분의 정점부에 인접하는 정점부는, 기하학적인 제약에 의해 반대로 내각이 축소(－)된다. 따라서 굴곡된 부분의 주변은 굴곡되기 어려워진다(도 5). 마찬가지로 하여, 또한 이웃하는 정점부의 내각은 증대(＋)된다. 즉, 1개의 정점부에서 굴곡이 발생하면 내각은 교대로 (＋) 또는 (－)로 되고, 내각이 증대된 정점은 굴곡에 의해 소실될 가능성이 높아진다(도 6).
중공 기둥 형상 부재의 이와 같은 굴곡 형태를 고려하면, 본 발명은, 적어도 5개의 정점부를 가진 다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재에 적용 가능하다. 다각형 단면 내의 어느 위치로부터 굴곡이 발생하여 정점부가 소실되는지는, 압궤시의 하중 방향에 의존하지만, 주로는 정점부의 내각의 크기, 위치 및 플랜지 등의 접합부의 존재에 의해 결정된다. 또한, 에너지 흡수량을 향상시키기 위해, 재료로서 강도, 연성이 우수하고, 또한 복잡한 응력 상태에서도 어느 정도의 연성을 유지하는, 즉 이방성이 작은 것이 중요한 점에서, 다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재는 금속제인 것이 바람직하다.
한편, 굴곡은, 축 방향으로 소위 「compact형」압궤 변형에 의해 발생하기 쉬우므로, 다각형 단면의 중공 기둥 형상 부재는, 축 방향으로 「compact형」 압궤 변형으로 되는 사이즈로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 다각형 단면의 정점부의 간격 D와 판 두께 t의 비(t/D)는, 바람직하게는 0.005 이상, 더욱 바람직하게는 0.010 이상으로 되도록 한다. 또한, 중공 기둥 형상 부재의 길이 방향 길이 H와, 다각형 단면의 최소 길이 h의 비(h/H)를 바람직하게는 0.10 이상, 더욱 바람직하게는 0.15 이상으로 한다. 또한, 다각형 단면의 최소 길이는, 중공 기둥 형상 부재의 횡단면에 접하는 2개의 평행한 직선간의 최소 거리이다. 여기서, 「compact형」이라 하는 단어는, 축 방향의 압궤 변형시에 일정한 패턴의 반복에 의해 압궤하는 변형 모드를 말하며, 과거 복수의 문헌에서 호칭되어 있다.
다음에, 본 발명의 제1 실시 형태를 설명한다.
우선, 적어도 5개의 정점부와, 상기 적어도 5개의 정점부 사이에 연장되는 변을 포함하는 다각형 단면에 있어서, 내각이 작은 2개의 정점부 A, B를 선택하고, 상기 2개의 정점부 A, B에 의해 다각형 단면의 주위를 하나 또는 복수의 변으로 이루어지는 2개의 주위 세그먼트로 분할한다. 그때, 2개의 주위 세그먼트 중 적어도 한쪽이, 적어도 4개의 변을 포함하도록 2개의 정점부 A, B를 선택한다. 다음에, 상기 2개의 정점부 A, B를 연결하는 직선을 L, 상기 직선 L의 길이, 즉 2개의 정점부 A, B 사이의 거리를 S로 한다. 또한, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부 ∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)와 직선 L 사이의 거리를 SS(i)(i＝1, 2, 3, ...)로 한다. 이때, SS(i)＜0.5S를 만족시키는, 즉 내각은 90°보다 크고, 또한 다각형 단면 내의 정점부 ∨(i)의 내각이 모두 180°이하인 경우(도 7), 정점부 A, B 사이의 주위 세그먼트상의 정점부 ∨(i)의 전부, 혹은 일부가 굴곡에 의해 소실될 가능성이 높아진다.
적어도 3개의 정점부 ∨(i)가 180°이상의 내각을 가진 정점부를 포함하고 있으면, 상기 정점부로부터 변이 외측으로 연장 형성되게 되므로, 중공 기둥 형상 부재가 압괴될 때, 이 180°이상의 내각을 가진 정점부는, 다른 정점부와는 크게 다른 변형의 방식을 취하므로, 압괴 변형 중의 중공 기둥 형상 부재의 변형이 복잡해지고, 그 변형 제어가 곤란해진다.
또한, SS(i)＜αS(α＞0)로 하였을 때, α가 작을수록, 즉 정점부 ∨(i)의 내각이 커질수록, 정점부 ∨(i)의 전부, 혹은 일부가 굴곡에 의해 소실될 가능성이 높아진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 또한, 정점부 ∨(i) 중 최소의 내각을 가진 정점부 C의 내각이 2개의 정점부 A, B의 내각보다도 크게 되어 있다. 또한, 선택된 주위 세그먼트를 따라 정점부 A, C 사이 및 정점부 B, C 사이에 존재하는 정점부 중, 정점부 C의 내각의 각도보다도 큰 내각을 가진 정점부를 정점부 VI으로 한다. 정점부 VI은, 중공 기둥 형상 부재가 압궤 변형될 때, 우선적으로 굴곡의 기점으로 되어, 상기 정점부 VI 이외의 정점부 A, B, C가 굴곡되기 어려워져, 상기 정점부의 소실이 방지된다. 즉, 본 실시 형태에서는, ∠A＜∠C＜∠VI, 또한, ∠B＜∠C＜∠VI으로 되어 있다. 여기서, ∠A는 정점부 A의 내각이며, ∠B는 정점부 B의 내각이며, ∠C는 정점부 C의 내각이며, ∠VI은 정점부 VI의 내각이다.
한편, 본 발명의 조건을 만족시키지 않는 경우, 즉, 도 9에 도시한 바와 같이, 주위 세그먼트를 따라 2개의 정점부 A′, B′사이의 적어도 3개의 정점부 중, 정점부 C′의 내각이 다른 정점부 ∨1, ∨2의 내각보다도 큰 경우, 중공 기둥 형상 부재가 압괴될 때의 굴곡에 의해 소실되는 정점부의 수가 많아져, 도 9의 예에서는, 정점부 A′, B′및 정점부 ∨1, ∨2가 소실되어, 결과적으로 중공 기둥 형상 부재의 반력이 현저하게 저하되어 버린다.
우선적으로 정점부 VI에서 굴곡시키기 위해서는, 정점부 VI과 정점부 C의 내각의 각도 차가 클수록 좋고, 바람직하게는 10°, 더욱 바람직하게는 20°의 차를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 동 내각인 정점부 C가 복수 존재하는 경우에는, 상기 복수의 정점부 C는 인접하고 있다. 만약 인접하지 않은 경우, 즉 도 9의 내각이 작은 2점이 정점부 C인 경우에는, 도 9에서 도시한 바와 같이 정점의 소실수의 억제에 기여하지 않는다.
또한, 상기한 정점부 A, B, C, VI의 관계가, 중공 기둥 형상 부재의 횡단면의 적어도 일부에서 만족하고 있는 것이 중요하고, 횡단면의 모든 정점에서 만족하지 않아도 된다. 예를 들어, 일부에 부재의 길이 방향 비드를 갖고, 횡단면의 정점의 일부의 내각이 180°이상인 경우도, 타부에서 본 발명의 내각의 관계가 만족하고 있으면 압궤시의 변형에 의해 변동하는 반력의 저하는 억제된다.
이상의 횡단면의 정점부의 내각의 분포와 위치 관계를 만족시키는 영역을 많이 만듦으로써, 다각형 단면 내의 굴곡 위치를 제어할 수 있고, 결과적으로 정점부의 소실수를 억제할 수 있다.
다음에, 본 발명의 다른 실시 형태를 설명한다.
중공 기둥 형상 부재가 플랜지 등의 2개의 접합부 J를 갖는 경우, 접합부 J는, 판의 겹침에 의해 두께가 크기 때문에, 2개의 접합부 J의 최근방의 횡단면의 정점부 A, B는 굴곡에 의해 소실되기 어렵다. 상기 2개의 정점부 A, B를 연결하는 직선을 L, 상기 직선 L의 길이, 즉 2개의 정점부 A, B 사이의 거리를 S, 상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부 ∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)와 직선 L 사이의 거리를 SS(i)(i＝1, 2, 3, ...)로 하였을 때에, SS(i)＜0.5S를 만족시키는, 즉 내각은 90°보다 크고, 또한 다각형 단면 내의 정점부 ∨(i)의 내각이 모두 180°이하인 경우(도 10, 도 11), 정점부 A, B 사이의 주위 세그먼트상의 정점부 ∨(i)의 전부, 혹은 일부가 굴곡에 의해 소실될 가능성이 높아진다.
적어도 3개의 정점부 ∨(i)가 180°이상의 내각을 가진 정점부를 포함하고 있으면, 상기 정점부로부터 변이 외측으로 연장 형성되게 되므로, 중공 기둥 형상 부재가 압괴될 때, 이 180°이상의 내각을 가진 정점부는, 다른 정점부와는 크게 다른 변형의 방식을 취하므로, 압괴 변형 중의 중공 기둥 형상 부재의 변형이 복잡해지고, 그 변형 제어가 곤란해진다.
또한, SS(i)＜αS(α＞0)로 하였을 때, α가 작을수록, 즉 정점부 ∨(i)의 내각이 커질수록, 정점부 ∨(i)의 전부, 혹은 일부가 굴곡에 의해 소실될 가능성이 높아진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 정점부 ∨(i) 중 최소의 내각을 가진 정점부 C의 내각이 2개의 정점부 A, B의 내각보다도 더 크게 되어 있다. 또한, 선택된 주위 세그먼트를 따라 정점부 A, C 사이 및 정점부 B, C 사이에 존재하는 정점부 중, 정점부 C의 내각의 각도보다도 큰 내각을 가진 정점부를 정점부 VI으로 한다. 정점부 VI은, 중공 기둥 형상 부재가 압궤 변형될 때, 우선적으로 굴곡의 기점으로 되어, 상기 정점부 VI 이외의 정점부 A, B, C가 굴곡되기 어려워져, 상기 정점부의 소실이 방지된다. 즉, 본 실시 형태에서는, ∠A＜∠C＜∠VI, 또한, ∠B＜∠C＜∠VI으로 되어 있다. 여기서, ∠A는 정점부 A의 내각이며, ∠B는 정점부 B의 내각이며, ∠C는 정점부 C의 내각이며, ∠VI은 정점부 VI의 내각이다.
한편, 본 발명의 조건을 만족시키지 않는 경우, 즉, 도 9에 도시한 바와 같이, 주위 세그먼트를 따라 2개의 정점부 A′, B′사이의 적어도 3개의 정점부 중, 정점부 C′의 내각이 다른 정점부 ∨1, ∨2의 내각보다도 큰 경우, 중공 기둥 형상 부재가 압괴될 때의 굴곡에 의해 소실되는 정점부의 수가 많아져, 도 9의 예에서는, 정점부 A′, B′및 정점부 ∨1, ∨2가 소실되고, 결과적으로 중공 기둥 형상 부재의 반력이 현저하게 저하되어 버린다.
우선적으로 정점부 VI에서 굴곡시키기 위해서는, 정점부 VI과 정점부 C의 내각의 각도차가 클수록 좋고, 바람직하게는 10°, 더욱 바람직하게는 20°의 차를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 동 내각인 정점부 C가 복수 존재하는 경우에는, 상기 복수의 정점부 C는 인접하고 있다. 만약 인접하지 않는 경우, 즉 도 9의 내각이 작은 2점이 정점부 C인 경우에는, 도 9에서 도시한 바와 같이 정점의 소실수의 억제에 기여하지 않는다.
또한, 상기한 정점부 A, B, C, VI의 관계가, 중공 기둥 형상 부재의 횡단면의 적어도 일부에서 만족하고 있는 것이 중요하고, 횡단면의 모든 정점에서 만족하지 않아도 된다. 예를 들어, 일부에 부재의 길이 방향 비드를 갖고, 횡단면의 정점의 일부의 내각이 180°이상인 경우도, 타부에서 본 발명의 내각의 관계가 만족하고 있으면 압궤시의 변형에 의해 변동되는 반력의 저하는 억제된다.
2개소의 플랜지부 등의 접합부 J를 갖고, 이상의 횡단면의 정점부의 내각의 분포와 위치 관계를 만족시키는 영역을 만듦으로써, 다각형 단면 내의 굴곡 위치를 제어할 수 있고, 결과적으로 정점부의 소실수를 억제할 수 있다.
본 발명의 금속제 중공 기둥 형상 부재는, 특히 자동차의 프레임을 구성하는 프레임 부재에 적합하다. 자동차 분야에서는, 충돌 안전 성능의 가일층의 향상, 연비 향상을 위한 가일층의 차체 경량화, 글로벌 전개용의 많은 차종의 개발 기간 단축 등의 많은 과제에 대해, 많은 설계자, 연구자가 몰두하고 있다.
충돌 안전 성능 관계에 있어서, 일본에서는 유엔 통일 기준(ECE 규칙) R94의 오프셋 충돌시의 탑승원 보호와 동등한 기준이 제정되고, 2007년의 신형 승용차부터 적용되고 있다. 또한, 2.5[t] 이하의 상용차에도 적용이 확대되어 있다. 미국에서는 2009년부터 FMVSS214에 32㎞/h의 속도에서의 폴 측면 충돌의 추가가 계획되어 있다. 또한, FMVSS301이 개정되어 80㎞/h에서의 오프셋 후면 충돌이 2006년부터 단계적으로 적용되어 있다.
자동차의 연비에 관련하여, 일본에서는 에너지의 사용의 합리화에 관한 법률(에너지 절약법)의 개정에 의해, 2015년도를 목표 달성 연도로 한 「중량차 연비 기준」이 책정되어, 2006년 4월부터 시행되고 있다. 미국에서는, 연방은 2008-2011년식의 소형 트럭의 CAFE 시스템에 관한 개정안을 발표하였다. 연방 및 캘리포니아주의 양쪽 모두에 있어서 차기 규제 강화가 의론되고 있다.
글로벌 전개에 관해서는, 자동차의 수출량은 최근 증가의 일로를 걷고 있고, 2001년과 2005년을 비교해도 약 22％로 급격하게 증가하고 있다. 일본의 제조 업체의 러시아 진출 등, 금후 모든 일본의 제조 업체에서 해외 생산이 국내 생산을 상회할 것이 예상된다.
이상과 같은 배경으로부터, 급피치로 진행되는 설계 기간의 단축, 차체 경량화, 충돌 안전성의 향상을 위해 본 발명은 내각의 분포의 고안에 의해서만, 프레임 전체의 강도 밸런스를 바꾸는 일 없이, 충돌 안전성 향상이 예상되므로, 설계자의 부담을 삭감, 차체의 경량화에도 기여할 수 있다고 생각된다. 자동차의 충돌시에 동적인 하중이 부하되는 부재는 수많이 있지만, 특히 전방면 충돌시의 충격 흡수 에너지량에 크게 기여하는 크래쉬 박스, 프론트 사이드 멤버, 또는 후방면 충돌시의 충격 흡수 에너지량에 크게 기여하는 리어 사이드 멤버 등의 충격 흡수 부재의 설계시에 본 발명은 크게 공헌할 수 있다고 생각된다.
실시예
이하, 실시예를 참조하면서, 본 발명의 효과를 설명한다.
우선 본 발명자들은, 도 12, 13에 도시한 바와 같이, 2종류의 대략 10각형 단면의 박육 중공 기둥 형상 부재(100, 200)에 대해, 압궤시의 반력과 압궤량의 관계를 비교하였다. 그 단면 형상의 치수를, 도 12[부재(100)] 및 도 13[부재(200)]에 나타낸다. 부재(200)가 본 발명 형상의 일례이다. 양 부재(100, 200) 모두 JSC590Y 강으로 형성되고, 길이 300㎜, 판 두께 1.6㎜이며, 모든 코너부에 1.35㎜-1의 곡률이 부여되어 있다. 중량을 700㎏으로 한 충돌체를 축 방향(도 12, 13의 지면에 수직한 방향)으로, 또한 압축 방향으로 초속(初速) 5.0m/s의 속도로 충돌시켰을 때의 압궤량과 반력의 관계를 해석에 의해 평가하고, 부재(100, 200)를 비교하였다(도 14).
다음에 본 발명자들은, 2종류의 대략 10각형 단면의 박육 중공 기둥 형상 부재(300, 400)에 대해, 압궤시의 반력과 압궤량의 관계를 비교하였다. 그 단면 형상의 치수를, 도 15[부재(300)], 도 16[부재(400)]에 나타낸다. 부재(400)가 본 발명 형상의 일례이다. 양 부재(300, 400) 모두 JSC590Y 강으로 형성되고, 길이 150㎜, 판 두께 1.6㎜이며, 모든 코너부에 1.35㎜-1의 곡률이 부여되어 있다. 중량 700㎏의 충돌체를 축 방향(도 15, 16의 지면에 수직한 방향)으로, 또한 압축 방향으로 초속 5.0m/s의 속도로 충돌시켰을 때의 압궤량과 반력의 관계를 해석에 의해 평가하고, 부재(300, 400)를 비교하였다(도 17).
또한, 본 발명자들은, 상기 부재(300, 400)에 대해, 상기 부재의 축 방향에 대해 충돌 각도를 1°변경(도 15, 도 16의 지면 수직 방향으로부터 오른쪽으로 1°경사)시킨 동일한 압궤 해석을 실시하고, 압궤량과 반력의 관계의 경계 조건의 변화에 의한 영향을 확인하였다(도 18).
어느 실시예에 있어서도, 본 발명 부재는, 초기 반력 피크는 본 발명 외 부재와 대략 동일하지만, 초기 반력 피크로부터 버클링할 때의 현저한 반력 저하를 본 발명 외 부재보다도 억제하고 있고, 또한 경계 조건이 변화된 경우에서도 대략 동등한 반력과 압궤량의 관계, 즉 대략 동등한 충격 흡수능을 갖고 있는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 의해 부재의 최대 반력을 동등하게 유지한 채, 충격 흡수능과 로버스트성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.

Claims (3)

  1. 적어도 5개의 정점부와, 상기 정점부 사이에 연장 형성된 변을 가진 다각형 단면을 가진 금속제 중공 기둥 형상 부재이며,
    상기 다각형 단면은, 상기 적어도 5개의 정점부 중, 나머지 정점부에 비해 내각이 작은 2개의 정점부(A, B)에 의해, 그 둘레가 하나 또는 복수의 변으로 이루어지는 2개의 주위 세그먼트로 분할되고, 상기 2개의 주위 세그먼트 중 적어도 한쪽이 적어도 4개의 변을 포함하고,
    상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)]의 각각의 내각은 180°이하이고,
    상기 2개의 정점부(A, B)를 연결하는 직선(L)과, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)] 사이의 거리[SS(i)(i＝1, 2, 3, ...)]가, 상기 2개의 정점부(A, B) 사이의 거리의 1/2보다도 짧고,
    또한, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)] 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각이 상기 2개의 정점부(A, B)의 내각보다도 크고,
    상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트를 따라, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)] 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 한쪽 (A)의 사이 및 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 다른 쪽 (B)의 사이에, 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각의 각도보다도 10°이상 큰 내각을 가진 정점부(VI)가 존재하고 있는, 금속제 중공 기둥 형상 부재.
  2. 적어도 5개의 정점부와, 상기 정점부 사이에 연장 형성된 변을 가진 다각형 단면을 가진 금속제 중공 기둥 형상 부재이며,
    상기 금속제 중공 기둥 형상 부재는 2개의 접합부(J)를 구비하고,
    상기 다각형 단면은, 상기 적어도 5개의 정점부 중, 상기 2개의 접합부(J)에 가장 가까운 2개의 정점부(A, B)에 의해, 그 둘레가 하나 또는 복수의 변으로 이루어지는 2개의 주위 세그먼트로 분할되고, 상기 2개의 주위 세그먼트 중 적어도 한쪽이 적어도 4개의 변을 포함하고,
    상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트에 포함되는 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)]의 각각의 내각은 180°이하이고,
    상기 2개의 정점부(A, B)를 연결하는 직선(L)과, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)(i＝1, 2, 3, ...)] 사이의 거리[SS(i)(i＝1, 2, 3, ...)]가, 상기 2개의 정점부(A, B) 사이의 거리의 1/2보다도 짧고,
    상기 적어도 4개의 변을 포함하는 주위 세그먼트를 따라, 상기 적어도 3개의 정점부[∨(i)] 중 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 한쪽 (A)의 사이 및 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)와 상기 2개의 정점부(A, B)의 다른 쪽 (B)의 사이에, 상기 최소의 내각을 가진 정점부(C)의 내각의 각도보다도 10°이상 큰 내각을 가진 정점부(VI)가 존재하고 있는, 금속제 중공 기둥 형상 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    용도가 자동차의 프레임용인 것을 특징으로 하는, 금속제 중공 기둥 형상 부재.
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