KR101552769B1 - 차량용 크래쉬 박스의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 크래쉬 박스에 관한 것으로, 몸체와, 상기 몸체의 내부에 형성되는 허니컴 구조를 포함하는 차량용 크래쉬 박스에 있어서, 상기 몸체와 상기 허니컴 구조에 직조물이 인서트 성형됨으로써 충돌에너지 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 차량용 크래쉬 박스를 제공한다.

Description

차량용 크래쉬 박스의 제조방법{Manufacturing method of crash box for vehicle}

본 발명은 차량용 크래쉬 박스의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 충돌로 인한 압착, 붕괴시 많은 충격에너지를 흡수하여 차체의 손상을 최소화하고, 저중량, 고강도의 구현이 가능하여 차량 연비를 개선할 수 있는 차량용 크래쉬 박스와 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 전방과 후방에는 충돌시 충격에너지를 흡수하여 승객과 차체를 보호하기 위한 범퍼 빔 모듈이 설치된다. 이러한 범퍼 빔 모듈은 도 1에 도시된 유럽 RCAR 테스트(RCAR: Research Council for Automobile Repairs, 세계자동차 수리기술연구위원회)와 같은 충돌테스트를 통해 성능이 평가되며, 이에 기초하여 추가적인 연구, 개발이 이루어진다.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 범퍼 빔 모듈(10)은 범퍼 빔(11)과 크래쉬 박스(12)를 포함한다. 이 경우, 크래쉬 박스(12)는 범퍼 빔(11)과 차체 사이에 설치되어 도 3에 도시된 바와 같이 충돌시 적절하게 압착, 변형됨으로써 충돌에너지를 흡수하고, 이를 통해 차체를 보호하는 기능을 한다.

이러한 크래쉬 박스(12)의 개발시에는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 크래쉬 박스(12)와 차체 멤버(13)의 벽면을 일치시켜 차체 멤버(13)가 크래쉬 박스(12)를 균등하게 지지함으로써 크래쉬 박스(12)의 중량을 최적화하고 에너지 흡수 효율을 증대시키는 것이 중요하다.

또한, 크래쉬 박스(12)는 상술한 바와 같이 차체 멤버(13)의 벽면 상에 형성되어야 하기 때문에 그 설치 단면이 제한될 수 밖에 없고, 이로 인해 제약된 단면에서 탄성율(E)과 단면계수(I)를 증대시키는 것도 중요하다. 그러나 도 7에 도시된 바와 같이 차체 멤버(13)와 크래쉬 박스(12)를 일치시키면 견인용 너트/볼트의 도피 공간(S)과 사이즈 차이로 인해 단면계수(I) 증대를 위한 허니컴 구조의 단면 적용이 어려운 문제점이 있다. 특히, 허니컴 구조를 적용하더라도 현재 사용되고 있는 일반적인 플라스틱 소재로는 스틸 제품의 에너지 흡수율을 구현하기 어렵고, 허니컴 구조만 과다하게 증가하기 때문에 중량 절감 효과를 얻을 수 없다.

참고적으로, 본 발명의 배경이 되는 기술은 공개특허 제10-2013-0049338호, 공개특허 제10-2013-0028129호 등에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스틸 소재의 크래쉬 박스와 동등한 충돌에너지를 흡수하여 차체의 손상을 최소화할 수 있을 뿐 아니라 경량화가 가능하여 차량의 연비도 개선할 수 있는 차량용 크래쉬 박스와 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 몸체와, 상기 몸체의 후단에 외향 돌출 형성되는 플랜지를 포함하는 차량용 크래쉬 박스에 있어서, 상기 몸체와 상기 플랜지에는 프리프레그가 인서트 압축성형되는 것을 특징으로 하는 차량용 크래쉬 박스를 제공한다.

이 경우, 상기 프리프레그는 탄소섬유, 유리섬유, 스틸와이어 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 몸체와 상기 플랜지는 플라스틱 복합소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 몸체와, 상기 몸체의 후단에 외향 돌출 형성되는 플랜지를 포함하는 차량용 크래쉬 박스의 제조방법에 있어서, (a) 프리프레그를 가열하는 단계와; (b) 상기 프리프레그를 중공형 성형부재의 외주면에 권취하는 단계와; (c) 상기 중공형 성형부재를 코어 금형에 삽입하는 단계; 및 (d) 상기 코어 금형에 캐비티 금형을 닫고 수지를 주입하여 압축성형하는 단계;를 포함하는 차량용 크래쉬 박스의 제조방법을 제공한다.

이 경우, 상기 차량용 크래쉬 박스의 제조방법은 상기 (c) 공정과 상기 (d) 공정 사이에 추가되는 공정으로 상기 코어 금형 위에 평판 프리프레그를 교차 중첩시켜 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 평판 프리프레그의 양단부를 상기 플랜지에 맞게 절곡하여 오버랩시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라스틱 복합소재로 이루어지는 몸체와 플랜지에 프리프레그가 인서트 압축성형됨으로써 강성 및 강도가 보강되어 요구되는 충격흡수량을 얻을 수 있고, 중량절감이 가능하여 차량의 연비개선 효과까지 얻을 수 있다.

또한, 몸체에 프리프레그를 인서트 성형할 경우 중공형의 성형부재를 이용함으로써 원단의 연속성 부족으로 인한 취약부위의 발생을 최소화할 수 있으며, 차체 및 범퍼 빔과 체결되는 부위를 또 다른 프리프레그로 보강함으로써 보다 높은 강성과 강도를 얻을 수 있다.

도 1은 유럽 RCAR 테스트 방법을 도시한 도면,
도 2는 범퍼 빔 모듈의 분해사시도,
도 3은 범퍼 빔 모듈의 충돌 전후 형상 변화를 도시한 도면,
도 4는 범퍼 빔 모듈의 차체 결합 상태를 도시한 사시도,
도 5는 도 4의 A-A 단면도,
도 6은 도 4의 B-B 단면도,
도 7은 차체 멤버의 단면 구조와 크래쉬 박스를 일치시켰을 경우의 사이즈 차이를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 사시도,
도 9는 도 8에 도시된 차량용 크래쉬 박스의 몸체를 나타낸 단면도,
도 10 및 도 11은 일반적인 압축성형 공법의 적용시 발생하는 문제점을 도시한 도면,
도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 제조방법을 도시한 도면,
도 15는 도 13의 (b)의 A-A 단면도.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.

먼저, 본 발명은 차량용 크래쉬 박스의 제조에 관한 것으로, 차량용 크래쉬 박스와 그 제조방법을 포함하는 바 이하 차례대로 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 사시도이고, 도 9는 도 8에 도시된 차량용 크래쉬 박스의 몸체를 나타낸 단면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스(100)는 몸체(110)와, 플랜지(120) 및 프리프레그(Prepreg)(130)를 포함한다.

몸체(110)는 범퍼 빔과 차체 사이에 결합되는 지지체로서 전단부는 폐쇄되고, 후단부는 개방된 내부 중공형 구조를 가진다. 여기서, 몸체(110)의 "전단부"는 몸체(110)에서 범퍼 빔과 결합되는 부분을 의미하고, "후단부"는 차체와 결합되는 부분을 의미한다.

플랜지(120)는 상술한 바와 같이 몸체(110)를 차체에 결합시키기 위해 차체 멤버와 체결되는 부분으로 몸체(110)의 후단으로부터 연장되어 외향 돌출된 형태를 가진다.

이상에서 설명한 몸체(110)와 플랜지(120)는 차량용 크래쉬 박스(100)의 경량화를 위해 플라스틱 복합소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 본 발명의 플라스틱 복합소재로는 유리섬유가 보강된 열가소성 플라스틱 복합소재를 이용할 수 있으며, 필요에 따라 공지된 다양한 플라스틱 복합소재를 적용 가능하다.

한편, 여기서는 설명의 편의를 위해 몸체(110)와 플랜지(120)가 대략 사각형의 단면 구조를 갖는 것만을 예시하였으나, 이는 예시에 불과할 뿐 요구되는 충격에너지 흡수량과 차량 멤버의 형태 등을 고려하여 원형이나 타원형 또는 다른 다각형 단면 구조를 갖는 것도 물론 가능한 것으로 이해되어야 한다.

프리프레그(130)는 강성 및 강도를 보완하기 위한 보강재로서 몸체(110)와 플랜지(120)에 인서트 압축성형된다. 구체적으로, 프리프레그(130)는 몸체(110)의 내벽과 플랜지(120)의 하부면에 인서트 압축성형된다. 이 경우, 프리프레그(130)는 추가적인 강성 및 강도가 요구되는 부분에 중첩 형성될 수 있는데, 이에 대해서는 후술하여 상세히 설명하도록 한다.

한편, 본 발명에서 프리프레그(130)의 소재는 차체의 강도와 목표로 하는 충격에너지 흡수량, 중량, 가격 등을 고려하여 선정된다. 예컨대, 프리프레그(130)는 탄소섬유, 유리섬유 또는 스틸와이어 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 보다 상세하게는 탄소섬유, 유리섬유, 스틸와이어에 에폭시수지, 폴리에스테르수지, 열가소성수지 등을 함침시켜 시트 형태로 제조된다.

이상으로 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 제조방법은 프리프레그의 인서트 성형을 위해 일반적인 압축성형 공법을 적용할 경우 발생할 수 있는 문제점을 예상하고, 이를 해결한 것에 기술적 특징이 있는 바 이하 그 문제점을 설명한 후 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 10 및 도 11은 일반적인 압축성형 공법의 적용시 발생하는 문제점을 도시한 도면이다.

먼저, 프리프레그를 인서트 성형하기 위해 도 10에 도시된 바와 같이 코어 금형(180)의 상방에 평판 프리프레그(131)를 적층하고, 이 상태에서 바로 압축성형하는 것도 고려할 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 압축성형하면 성형시간이 짧고, 성형공정이 단순화되는 장점이 있으나, 차량용 크래쉬 박스(100)의 몸체(110) 길이가 길어질수록 평판 프리프레그(131)에 주름이 발생하고, 이로 인해 균일한 품질의 제품을 구현하는데 한계가 존재할 수 밖에 없다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이 코어 금형(180)의 상방에 다수의 평판 프리프레그(132)를 십자 형태로 교차 중첩시켜 적층하고, 이 상태에서 바로 압축성형하는 것도 고려할 수 있다. 하지만 이러한 방식으로 압축성형할 경우에는 평판 프리프레그(132)의 모서리(E)에서 원단의 연속성이 부족하기 때문에 최종 성형제품에 취약부위가 발생하는 문제점이 있다.

이상의 내용을 기초로 이하에서는 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 제조방법에 대해 설명한다.

도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스의 제조방법을 도시한 도면이고, 도 15는 도 13의 (b)의 A-A 단면도이다.

먼저, 도 12를 참조하면, 평판 프리프레그(131)를 가열하여 성형이 용이한 상태로 준비한다. 이 경우, 평판 프리프레그(131)는 탄소섬유, 유리섬유 또는 스틸와이어 등을 이용하여 평판 형상으로 제공되며, 그 폭과 길이는 차량용 크래쉬 박스(100)의 몸체(110)에 대응되는 형태로 조절된다.

이후, 가열된 평판 프리프레그(131)를 성형부재(170)의 외주면에 권취한다. 성형부재(170)는 평판 프리프레그(131)의 인서트 성형을 위해 몸체(110)의 내부 형상에 대응되는 중공형 구조를 가진다.

계속하여, 평판 프리프레그(131)가 권취된 성형부재(170)를 코어 금형(180)에 삽입한다.

이 경우, 차량용 크래쉬 박스(100)에서 범퍼 빔과 차체의 체결 부위, 즉, 몸체(110)의 전단과 플랜지(120)의 강도를 증대시키기 위해 도 13에 도시된 바와 같이 또 다른 평판 프리프레그(132)를 이용할 수 있다.

구체적으로, 2개의 평판 프리프레그(132)를 수직하게 교차하여 가운데 부분을 중첩시킨 후 앞서 준비된 코어 금형(180) 위에 배치한다. 이러한 상태에서 캐비티 금형(190)을 닫고 수지를 주입하여 압축성형하면 몸체(110)의 측벽은 성형부재(170)에 권취된 프리프레그(131)에 의해 끊어짐 없이 연속적으로 보강되고, 몸체(110)의 전단과 플랜지(120)는 교차된 평판 프리프레그(132)에 의해 연속적으로 보강된다.

따라서 차량용 크래쉬 박스(100)는 압축성형이 완료된 상태에서 다음과 같은 인서트 구조를 가진다. 즉, 몸체(110)의 전단부에는 교차 중첩된 이중의 평판 프리프레그(132)가 인서트 성형되고, 몸체(110)의 측벽에는 내측으로부터 연속된 평판 프리프레그(131)와 단일의 평판 프리프레그(132)가 차례대로 인서트 형성되며, 플랜지(120)의 하부면에는 단일의 평판 프리프레그(132)가 인서트 성형된다.

이처럼 본 발명에 의하면 차량용 크래쉬 박스(100)의 모든 부분에서 평판 프리프레그(131)(132)가 주름없이 연속적으로 인서트 성형될 수 있으며, 이를 통해 충분한 강성 및 강도가 확보되어 고품질의 제품이 얻어질 수 있다.

한편, 차체와 체결되는 플랜지(120)를 더욱 보강하기 위해 도 15에 도시된 바와 같이 코어 금형(180)의 상방에 교차된 프리프레그(132)의 양단부를 절곡하여 중첩(Overlap)시키는 것도 가능하다. 즉, 플랜지(120)의 경우 볼트 등을 이용하여 차체에 체결되는 부분으로 높은 강도가 필요하기 때문에 본 발명에서는 이러한 플랜지(120)에 평판 프리프레그(132)를 오버랩시켜 성형한 것이다. 이를 위해 평판 프리프레그(132)의 길이가 플랜지(120)의 폭만큼 더 길게 형성되어야 함은 물론이다.

마지막으로, 상술한 바와 같은 상태에서 캐비티 금형(190)을 닫고, 일정한 압력 조건에서 압축성형하면 모든 공정이 완료된다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 차량용 크래쉬 박스와 관련하여 복합 플라스틱 적용시 충돌 성능을 평가하기 위해 하기의 [표 1]과 같은 조건으로 RCAR 40% OFFSET BARRIER TEST에 따른 구조해석을 실시하였으며, 그 결과를 종래의 스틸 크래쉬 박스와 비교하여 하기의 [표 2]에 나타내었다. 이 경우, 구조해석은 차량 멤버가 동일한 조건에서 실시되었다.

[표 1]

[표 2]

[표 2]로부터 스틸 크래쉬 박스의 경우 배리어 침입량이 78.9mm로 INT. SPEC.인 80.54mm를 초과하지 않았으나, 복합 플라스틱 크래쉬 박스의 경우에는 배리어 침입량이 85.0mm로 80.54mm를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 복합 플라스틱 적용시 SPEC.을 불만족하기는 하나 스틸 소재 대비 중량 경쟁력 확보가 가능하기 때문에 빔의 두께를 보강하거나 구조를 최적화하는 방법을 통해 스틸 크래쉬 박스를 대체할 수 있을 것으로 예상된다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 차량용 크래쉬 박스 110 : 몸체
120 : 플랜지 130 : 프리프레그
131, 132 : 평판 프리프레그 170 : 성형부재
180 : 코어 금형 190 : 캐비티 금형

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 범퍼 빔과 차체 사이에 결합되는 지지체인 몸체와, 상기 몸체를 차체에 결합시키기 위해 상기 몸체의 후단에 외향 돌출 형성되어 차체 멤버와 체결되는 플랜지를 포함하는 차량용 크래쉬 박스의 제조방법에 있어서,
   (a) 프리프레그를 가열하는 단계와;
   (b) 상기 프리프레그를 중공형 성형부재의 외주면에 권취하는 단계와;
   (c) 상기 중공형 성형부재를 코어 금형에 삽입하는 단계와;
   (d) 상기 코어 금형 위에 평판 프리프레그를 교차 중첩시켜 배치하는 단계와;
   (e) 상기 평판 프리프레그의 양단부를 상기 플랜지에 맞게 절곡하여 오버랩시키는 단계; 및
   (f) 상기 코어 금형에 캐비티 금형을 닫고 수지를 주입하여 압축성형하는 단계;
   를 포함하여, 상기 (e) 단계에 의해 차체와 연결되는 상기 플랜지의 강도를 더 향상시킨 것을 특징으로 하는 차량용 크래쉬 박스의 제조방법.
6. 삭제

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