KR101586519B1 - 차량 전복 방지 루프의 구조와 구조물 - Google Patents

Abstract

전복 파쇄 저항을 위한 차량용 구조는 롤 축을 제공하며, 롤 축에서 롤 접촉부까지의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경(52)만큼, 질량 중심으로부터 이격된 루프 라인 접촉면(53)을 형성하는 질량 중심을 결정함으로써 생성된다. 첫 번째 실시예에서는, 루프 라인 접촉면은 모노코크 구조물 차량의 본래 설계로부터 형성된다. 두 번째 실시예에서는, OEM(original equipment manufacture) 물품이나 개조 구조물 조립체로 제공되고, 아치형 부재는 공칭의 평평한 루프 라인 위에 아치형 부재를 위한 추가적 구조상의 지지대를 사용한 두 개의 측면 레일 사이에 장착되고 사용되고, 루프 반경의 바이트로서 형성된다.

Description

차량 전복 방지 루프의 구조와 구조물{VEHICLE ROLLOVER PROTECTION ROOF GEOMETRY AND STRUCTURE}

본 발명은 차량 전복 방지에 관한 것이다. 특히 본 발명은 전복 파쇄 저항(rollover crush resistance)을 증가시키기 위한 루프의 구조 및 보호용 구조를 위한 강화된 구조적 기능을 제공하기 위하여 차량의 완성품 및 개조용 구조물에 관한 것이다.

전복은 탑승자 사망과 심각한 부상의 중요한 원인이 되어왔다. 차량이 전복되는 경우 물리적 법칙에 따라 차량의 질량 중심을 통과하는 길이 방향의 롤 축(roll axis)에 대하여 롤링이 유발된다. 차량이 롤링됨에 따라 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때 차량의 각각의 코너가 지면에 닿는다. 도 1a에 도시된 스포츠 유틸리티 차량(SUV)(2)과 도 1b에 도시된 승용차(3)는 서로 다른 종횡비(aspect ratios)를 가지며, 따라서 코너를 향하는 롤 반경(5)이 상당히 달라진다. 질량 중심(Center of Mass(CoM))으로부터의 반경은 또한 각각의 차량의 다양한 표면들에 따라 달라지고, 일반적으로 차량 양 옆과 루프 라인에 의해 생성되는 코너까지의 반경(7)보다 차량의 꼭대기까지의 반경(6)이 더 짧다.

전복의 순서는 차량이 이동 방향의 측 방향으로 이동하고, 바닥을 항하여 뒤집어지고, 가까운 쪽 루프 레일(roof rail)(첫 번째로 접촉되는 측면)에 접촉하고 그리고 나서 두 번째 또는 먼 쪽 루프에 접촉하고, 먼 쪽 바퀴에 접촉한 후 가까운 쪽바퀴들의 주위로 계속 진행된다. 가까운 쪽에 접촉하는 것은 일반적으로 가까운 쪽 필러(pillar)로 향하는 힘들을 생성하여 변형의 정도를 제한한다. 먼 쪽의 힘들은 일반적으로 더 수평적이며 따라서 더 쉽게 필러를 휘게 한다. 최대 반경에서 첫 번째로 가까운 쪽을 접촉하는 사이에서 루프의 평면부(flat)는 지면과 접촉할 수 있다. 지면위에서 더 큰 반경으로 롤링하는 먼 쪽 코너가 지면 위에서 롤링됨에 따라 CG는 지면을 향해 떨어진다. 만약 루프가 충분히 강하다면 CG를 상승시키지만, 그렇지 않은 경우에는 붕괴된다. 평면부까지의 반경과 코너까지의 반경의 차이는 구조의 위험도의 척도이다.

사륜구동차, 스포츠 유틸리티 차량 또는 픽업트럭과 같이 전복에 더 취약할 수 있는 차량의 부품 개조를 위해 설계된 1971년 11월 23일에 Notestine 등이 등록받은 미국 특허 3662177 또는 1990년 2월 13일에 Hobrecht가 등록받은 4900058와 같은 공지된 전복 보호 구조물은, 2008년 3월 4일에 Gilliland가 등록받은 미국 특허 7338112에 개시된 바와 같은 필수 지지대를 만들기 위해 차량의 일반적인 외형 바깥쪽에 부착되어야 하거나 차량 내부나 유용한 공간 내로 들어오는 중요한 수직적 구조 부재들을 도입한다.

따라서 먼 쪽의 변형을 상당히 줄이도록 평면부를 가로지르는 코너로부터의 반경을 유지하는 것이 요구된다. 또한 강하게 코드를 지지하는 보우(bow)를 사용하여 장반경으로 루프를 지지하고, 양쪽 측면 상의 필러의 강도를 루프 레일 접촉을 위한 동작(play)으로 가져오도록 한 측면에서 다른 측면으로 하중을 이동시키는 것이 요구된다.

본 발명은 차량 전복 방지 루프의 구조와 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전복 파쇄 저항을 위한 차량의 구조는, 롤 축을 제공하는 질량 중심을 결정하고, 롤 축으로부터 루프 롤 접촉부의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경(hoop radius)만큼 질량 중심으로부터 이격된 루프 라인 접촉면을 구축함으로써 형성된다. 루프 라인 접촉면은 모노코크(monocoque) 구조와 같이 차량들을 위한 본래의 설계로부터 구축되거나 OEM(original equipment manufacture) 물품 또는 후프 반경의 바이트(byte)로 형성된 아치형 부재를 사용한 개조 구조의 조립품으로서 제공되며, 상기 아치형 부재는 아치형 부재를 위한 추가적인 구조상의 지지대를 갖는 공칭 평평한 루프 라인 상의 양쪽 측면 레일 사이에 장착된다.

공칭 평평한 루프를 갖는 차량을 위해, 본 발명은 롤 축으로부터 롤 접촉부까지의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경만큼 질량 중심으로부터 이격된 루프 라인 접촉면을 형성하고 유지하도록 하는 캡(cap)으로써 사용된다.

본 발명의 구성요소들과 특징들은 다음의 도면들과 발명의 상세한 설명을 참고하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1a는 질량 중심(CoM)으로부터의 반경과 롤 반경이 결합된 롤 축으로 표현된 종래의 스포츠 유틸리티 차량의 정면도이다.
도 1b는 CoM으로부터의 반경과 롤 반경, 롤 축이 도시된 종래의 승용차의 정면도이다.
도 2는 장반경과 단반경이 도시된 종래의 차량의 정면도이다.
도 3은 공칭 쓰러지는 롤 포지션에 있는 도 2a의 차량의 정면도이다.
도 4는 쓰러진 것으로 보이는 롤 접촉 포지션에 있는 도 2a의 차량 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 후프 반경을 도입한 차량의 정면도이다.
도 6은 OEM이나 부품 개조 중 어느 하나로서 기존의 차량에 활용될 수 있는 전복 보호 구조물(rollover protection structure, RPS)의 등각도이다.
도 7은 도 6의 RPS의 평면도이다.
도 8은 도 6의 RPS의 측면도이다.
도 9는 추가적인 후프 반경 지지대를 갖는 RPS의 등각도이다.
도 10은 복합 윈드 디플렉터(composite wind deflector)를 사용한 도 6의 RPS의 등각도이다.

종래의 차량이 롤링할 때 롤 축으로부터 루프의 가장 가까운 포지션까지의 거리는, 도 2에 도시된 바와 같이 롤 축으로부터 종래의 차량(20)의 루프 레일까지의 거리보다 항상 짧다. 이 두 개의 반경들을 장반경(22)과 단반경(23)으로 알려져있다. 루프 패널(roof panel)이 지면과 평행해지고 접촉되는 방식으로 차량이 롤링하는 경우(도 3에서 도시된 바와 같이 공칭 약 145도를 초과하는 롤 각도(24)인 경우임), 도 4에 약 185도의 예시적인 롤 접촉 각(roll contact angle)(26)으로 도시된 바와 같이 공칭 단반경과 동일한 접촉부의 실제 반경(23')과, 루프가 파쇄(crush)되지 않고 계속적으로 차량이 롤링할 수 있게 하는 장반경 간의 차이만큼 무게 중심(28)이 상승된다. 장반경과 단반경 간의 차이는 구조의 위험도(aggressivity)의 척도로서 본 발명의 목적을 위해 정의된다. 루프가 이러한 변형 없이 상승력을 견딜 만큼 충분히 강하다면, 차량은 루프를 거의 손상시키지 않은채 계속 롤링할 것이다. 루프가 너무 약하다면, 차량을 들어올리기 위해 필요한 하중을 지지하기보다는 변형될 것이다.

요구 강도를 달성하기 위한 구조적 요구 조건들은 루프의 외부나 차량이 굴러갈 당시 접촉면의 구조적 형상에 직접적으로 비례한다. 본 발명은 차량의 롤 접촉면에서 먼 쪽의 위험도 감소를 위해 설계된 구조를 위한 유효 단반경 범위를 제공하여, 도 5에서 도시된 차량(50)의 롤 파쇄 저항을 증가시킨다. 최적의 성능을 위한 질량 중심으로부터 루프 라인(53)까지의 후프 반경(52)은 도 5에 도시된 바와 같이, 바람직하게 공칭 A-필러 윤곽인 측면 구조물에 맞추어진 끝부분에서 장반경의 길이 내지 장반경보다 5% 긴 길이와 가급적 동일해야한다. 시스템은 본래의 반경 또는 측면 구조물에 맞추어진 끝부분에서 10% 긴 길이 내지 5% 짧은 길이로 역학적으로 변형된 반경들을 이용하여 합리적으로 유효하도록 평가된다. 코너와 같은 길이 내지 코너보다 2% 짧게 측정된, 먼 쪽에서 최소화된 힘에서 맞춰진 반경은 민감성이 있다.

롤 접촉면으로서 일체형 루프 구조물에 본 발명의 구조를 도입한 차량은, 구조적 부재로서 루프의 응력 외피(stressed skin)을 필요로 하는 모노코크 또는 반-모노코크 구조물에 이점을 제공하며, 따라서 차량 프레임의 내부 구조 부재의 크기 및 강도를 줄이고 원하는 전복 파쇄 저항을 달성한다. 이러한 모노코크 구조물은 예시적인 실시예에서 금속 립(ribs) 또는 포머(formers)를 갖는 시트(sheet) 금속 외판이나 섬유유리 또는 다른 합성 구조를 사용한다.

본 발명에 따른 구조적 형상을 사용한 차량의 OEM(original equipment manufacture)은 구조적 부재의 실제 강도를 크게 증가시키지 않고도 롤 변형 강도를 크게 개선시키거나, 반대로 현재의 강도를 갖는 종래의 차량을 위한 구조적 부재는 현재의 차량 윤곽으로는 불가능한 롤링 중 변형을 방지하기 위한 적당한 구조적 강도를 제공한다. OEM(original equipment manufacture)에서의 구조의 실시예는 예측가능한 최악의 평면의 전복 조건들에서 본래 설계로부터 야기된 것과 비교하여, 먼 쪽 루프 파쇄가 상당히 줄어드는 동시에(50% 또는 그 이상) 무게와 비용이 거의 추가되지 않는 규격 용접 제품의 시트 금속 구조를 사용하여 달성된다.

종종 제품의 안전성 개선은 스키를 위해 길게 만들어진 저장공간, 일어설 수 있는 추가적 통로, 중간 좌석의 윗 공간 또는 공기역학적으로 형성된 연료 효율을 위한 하부 드래그(drag), 또는 하늘로 향한 더 좋은 전망을 위한 원형의 측면 창유리와 같은 본 발명의 구조를 사용한 보조적인 특징들로서 제공되는 좀더 분명하고 유용한 일상의 목적들을 위한 판매상품에서는 다소 후순위적인 특징이다.

현재의 설계 차량은 OES(original equipment supplier)을 제공받거나, 현재 RPS 장치에서 필요로 하는 중요한 수직 구조 부재들의 추가할 필요없이, 이로운 롤 변형 저항을 갖는 본 발명의 구조에 유리한 점을 제공하는 전복 보호 구조물(RPS)을 사용하여 개조할 수 있다. 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, RPS(60)는 아치형 부재(62)를 포함하고, 상기 아치형 부재는 후프 반경의 바이트(byte)로서 모양이 형성되며, 공칭의 평평한 루프 라인(nominally flat roofline)(67)상에서 두 측면 레일들(64,66) 사이에 장착된다. 아치형 부재는 설계된 후프 반경으로 롤 접촉면을 제공한다. 아치형 부재는 기울어진 전방 지지대(70) 및 기울어진 후방 지지대(72)에 의해 루프에 대한 각(68)을 형성하며 지지된다. 후프 반경(52) 역시 도시되어있다. 측면 레일들 사이에서 연장되는 전방 횡 부재(74)는 기울어진 전방 지지대에 부착되고, 측면 레일들 사이의 중간 횡 부재(76)는 기울어진 후방 지지대에 부착된다. 실시예에 도시된 바와 같이, 기울어진 후방 지지대는 단일 보스(single boss)(78)에 부착된다. 전방 대각선 표면 부재(80,82)는 아치형 부재의 전방과 측면 레일의 교차지점으로부터 보스(boss)까지 연장되고, 후방 대각선 표면 부재(84,86)는 보스로부터 길게 이어지는 측면 레일들의 끝부분까지 연장된다. 후방 아치형 부재(88)는 길게 이어지는 측면 레일들의 끝부분 사이에서 연장된다.

도면에 도시된 예시적인 실시예에서는 RPS는 아치형 부재를 위해 0.125 인치 두께의 벽을 갖는 1.625 인치 직경의 스틸 튜브를 사용하여 제작되었다. 각 지지 부재가 0.125 인치 벽 두께를 가진 1.0 인치 직사각형 튜브에 의해 1.0 인치로 사용되는 동시에, 측면 레일들을 위한 지지 구조는 0.125 인치 벽 두께를 가진 2.0 인치 직사각형 스톡(stock)에 의해 1.0 인치부터 제작되었다. 모든 요소들은 26000 psi 강도를 갖는 열연강판(hot rolled steel)이 사용되었다.

RPS는 롤 축으로부터 접촉부까지의 롤의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경만큼 질량 중심으로부터 이격된 루프 라인 접촉면을 설정하거나 유지되도록 하는 캡을 제공한다. 예시적인 실시예들은 캡의 아치형 부재 및 다른 부재들을 위해 스틸을 사용하지만, 다른 실시예들에서는 캐스트(cast), 몰딩된 것(molded), 구조적으로 충분히 단단한 물질들을 사용한다. 개조나 제품 구조는 몰딩, 형성, 또는 압축된 기술들뿐만 아니라 고강도 스틸, 알루미늄, 섬유유리 및 탄소 섬유 시트와 같은 대체적인 물질들을 접합, 접착, 또는 용접시킴으로써 효과적 일수 있다.

본 발명의 구조가 선행기술의 설계, 바위투성이의 지형, 군사조직, 준군사조직 및 보안 조직(SUV로 무장한 첩보조직 등) 특히 위험한 전복 조건에서의 성능 및 채광 작업에서, 구조적인 지지대의 요구 조건은 줄이는 동시에, 필러를 지지하는 제품의 강화 및 구조적 형상의 수행 능력을 이상의 보호를 제공하기 위해 개조된 디자인이 필요하다. 그런 경우에 추가적인 루프 구조의 강도는 필러의 능력을 넘어서고, 본 발명과 연관된 실시예는 B-필러와 루프 간의 접합부를 강화하는 외부 또는 내부의 "지지대(buttresses)"를 포함한다. 외부 지지대 또는 내부 지지대와 같은 적어도 둘 이상의 지지대가 있다.

예시적인 내부의 구조는 루프 레일을 통하여 루프 구조물과 B-필러에 접합되는 반전된 L-형태의 버팀대이다. 비록 외교관, 대사 및 대통령을 위해 최소한으로 개조되더라도, 외부적으로 지지대를 제공하는 것이 요구된다.

뒷 문이 B-필러에 달린 동시에 앞 문이 B-필러에서 닫히고 잠기며, 양쪽 문의 외벽이 B-필러의 수직 중앙라인을 따라 꼭 맞는 특정 사륜 구동 차량에 특별한 문제점이 존재한다. 예시적인 외부 버팀대를 이용한 해결책은 B-필러 중앙 라인에서 문의 외벽에 둘 이상의 약 1.25"의 구멍을 뚫고, 그 구멍들을 통해 B-필러로 부터 직경 1"의 거리를 두고 고정시키는 것이다. 버팀대는 수직으로 연장된 뒤쪽의 오프셋 바(offset bar)에 의해 서로 접촉되고, 루프 구조물에 접합된다. 이 바(bar)는 B-필러를 강화하고 지붕 구조를 접합하고 문을 여는데 필요한 틈을 제공하는 트러스(truss)이다(뒷문이 가장자리를 향하여 안쪽으로 열리는데 반하여 앞 문은 바깥으로 열리고 뒤쪽의 치우친 바를 명확하게 함).

특정 롤링 시나리오에서는 승객의 탑승이나 차량의 구조적 설계로 인해 차량의 무게 중심이 후미로 이동되면, 롤 접촉은 지붕 후미 부분에서 일어날 것이다. 게다가 CG 포지셔닝과 롤링이 적용되는 실제 트리핑(tripping) 시나리오와 관련된 차량의 배열 형태는, 차량이 축구공과 같이 흔들리거나 루프의 후미 부분에서 롤링하게 하는 회전 반경과 관성 모멘트를 조정하도록 한다. 도 6에서 도시되거나 설명된 실시예나 적어도 하나의 추가적인 아치형 부재를 사용한 것과 다르게 차량에 길이방향으로 아치형 부재를 배치하는 것은 실제로 발생 된 접촉면에 의한 후프 반경이 유지되도록 하기 위하여 사용될 수 있다.

차량의 후미 부분의 구역에서 얻어지는 장반경 및 단반경에 의해 롤링할 때 동적인 모션을 수용하기 위해, 그 지점에서 루프 압축을 방지하도록 반경에 의해 정의된 바이트로서, 제 2 후프 반경이 아치형 지지대를 사용한 구역에 형성된다. 도 9에 도시된 도면에서 제 2 아치형 부재(62')는 넓어진 스포츠 유틸리티 차량에서 5 %보다 더 크게 뒤쪽으로 CG가 이동한 것을 수용하기 위해 C-필러에 가까운 위치에서 사용된다. 그와 같은 배치는 차량 뒤쪽 좌석의 탑승자를 보호한다. 그러한 넓어진 차량에 대하여 이미 설명한 바와 같이 모노코크 구조물을 사용하여, 원하는 후프 반경은 루프의 전방, 후방 위치 모두에서 원하는 후프 반경을 달성하기 위해 모노코크 루프의 길이를 따라 연장된다.

RPS는 강화된 공기역학적 수행을 위하여 도 10에 도시된 섬유유리 윈드 디플렉터(wind deflector)(90)를 추가적으로 사용하였다. 디플렉터는 도시된 전방 실드(shied)나 RPS 구조의 완성된 캡슐화(encapsulation)만을 제공한다. 디플렉터가 있거나 또는 없는 도 6 또는 도 9에 도시된 RPS 구조는, 짐이나 자전거 또는 다른 물건들을 운반하기 위한 루프 선반 부재를 포함할 수 있으며, 차량에 추가하기 위한 개조 키트(aftermarket kit)를 제공받을 수 있다.

이제까지 특허법에서 필요로 하는 발명의 세부 항목을 설명하였으며, 발명은 여기에 개시된 특정 실시예로 변형되거나 대체되는 것이 인정될 것이다. 그런 변형들은 아래의 청구항에서 정의되는 본 발명의 범위와 목적 내에 있다.

Claims (27)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 공칭의 평평한 루프 라인(nominally flat roofline)(67)으로부터 연장되는 아치형 부재(62)를 포함하며,
    상기 아치형 부재는, 롤 축을 제공하는 질량 중심(28)으로부터 롤 접촉부까지의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경(52)을 가지는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템으로서,
    공칭의 평평한 루프 라인과 차량의 각 측면 사이의 교차하는 지점에 실질적으로 장착되고, 상기 아치형 부재가 부착되는 측면 레일들(64,66);
    상기 아치형 부재로부터 루프 라인까지 연장되는 기울어진 전방 지지대(70);
    측면 레일들 사이에서 연장되고 기울어진 전방 지지대에 부착되는 전방 횡 부재(74);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템.
22. 공칭의 평평한 루프 라인(nominally flat roofline)(67)으로부터 연장되는 아치형 부재(62)를 포함하며,
    상기 아치형 부재는, 롤 축을 제공하는 질량 중심(28)으로부터 롤 접촉부까지의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경(52)을 가지는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템으로서,
    공칭의 평평한 루프 라인과 차량의 각 측면 사이의 교차하는 지점에 실질적으로 장착되고, 상기 아치형 부재가 부착되는 측면 레일들(64,66);
    상기 아치형 부재로부터 루프 라인까지 연장되는 기울어진 후방 지지대(72);
    측면 레일들 사이에서 연장되고 기울어진 후방 지지대에 부착되는 중간 횡 부재(76)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템.
23. 전복 보호 시스템에 있어서,
    차량의 공칭의 평평한 루프 라인(67)으로부터 연장되고, 차량 측면에 맞추고, 롤 축을 제공하는 질량 중심(28)로부터 롤 접촉부까지의 장반경과 실질적으로 동일한 후프 반경을 갖는 적어도 하나의 아치형 부재(62);
    공칭의 평평한 루프 라인과 차량의 각 측면 사이의 교차지점에 실질적으로 장착되고, 상기 아치형 부재가 부착되는 측면 레일들(64,66);
    측면 레일들 사이에서 연장되는 전방 횡 부재(74)가 부착되고 아치형 부재로부터 루프 라인까지 연장되는 복수의 기울어진 전방 지지대(70); 및
    측면 레일들 사이에서 연장되는 중간 횡 부재(76)가 부착되고 아치형 부재로부터 루프 라인까지 연장되는 복수의 기울어진 후방 지지대(72)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템.
24. 제 23항에 있어서,
    상기 후프 반경은 장반경보다 10 % 긴 길이 내지 5 % 짧은 길이인 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템.
25. 제 24항에 있어서,
    상기 후프 반경은 장반경보다 5 % 긴 길이 내지 상기 장반경의 길이로 함으로써 최적화되는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템.
26. 제 23항에 있어서,
    상기 아치형 부재, 측면 레일, 전방 및 후방 지지대, 전방 및 중간 횡 부재는 개조 키트(retrofit kit)로서 제공되는 것을 특징으로 하는 전복 보호 시스템.
27. 제 26항에 있어서,
    공기역학적 유선형 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한 전복 보호 시스템.
    

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