KR101688320B1 - 자동차용 후방 범퍼 빔 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 관한 것으로, 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재를 이용하여 사출성형되는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 있어서, 서로 평행하게 배치되는 2개의 수직 플레이트와, 상기 2개의 수직 플레이트를 연결하는 수평 플레이트로 이루어지는 H형 단면 구조를 가지며, 상기 자동차에 일단부가 장착되는 지지부; 및 상기 지지부의 타단부에 형성되는 에너지 흡수부;를 포함하여 충돌 성능을 향상시킴으로써 LFT 소재를 사출성형공법에 적용할 수 있으며, 이를 통해 가공비, 제품단가를 낮추고, 상온 및 저온 환경에서의 치수 안정성을 확보하여 저속충돌 법규 성능을 만족시킬 수 있다.

Description

자동차용 후방 범퍼 빔 구조{The rear bumper beam structure of the vehicles}

본 발명은 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공비를 낮춰 제품 가격을 절감할 수 있을 뿐 아니라 상온과 저온 환경에서의 치수 및 성능 안정성을 확보하여 저속충돌 법규 성능을 만족시킬 수 있도록 한 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 범퍼 빔은 법규 항목인 저속충돌 테스트와, 준법규 항목인 손해보험사기관(RCAR, IIHS) 테스트의 만족을 요구하고 있다. 이 경우, 손해보험사의 요구 성능이 법규 사항보다 요구되는 강도가 더 높은데, 지역에 따라 양자 모두를 요구하거나 법규 저속충돌 테스트만을 요구하고 있다. 따라서 대부분의 완성차 제조 업체는 손해보험사기관의 테스트에 대응하기 위한 범퍼 빔에는 고강도의 범퍼 빔을 적용하지만 법규 저속충돌 테스트만을 요구하는 지역의 범퍼 빔에는 저가의 범퍼 빔을 적용하여 자동차의 가격 경쟁력을 확보하고 있다.

법규 저속충돌 대응용 범퍼 빔은 통상 사출공법에 의해 제조되기 때문에 소재도 사출이 가능한 여러 소재를 적용할 수 있다. 그러나 범퍼 빔의 경우 다양한 계절과 사용 환경에서 동일한 저속충돌 성능으로 법규 성능을 만족하고, 치수 안정성을 확보하여 생산, 조립과 수리, 조립에 문제가 없어야 한다. 이와 관련하여, 계절 및 온도 변화가 크지 않은 지역에서는 PP 소재 계열과 PC+PBT 소재로 제조된 사출 범퍼 빔을 주로 사용하고 있다.

하지만 상술한 바와 같은 소재의 경우 상온과 저온이 공존하는 지역 또는 상온과 저온 지역에 하나의 범퍼 빔으로 개발하여 대응하기에는 어려움이 있기 때문에 하나의 범퍼 빔으로 여러 지역에 적용하기를 원하는 자동차 제조 업체들은 치수 안정성 등을 고려하여 상술한 소재보다는 유리섬유가 함유된 복합 플라스틱 소재의 적용을 선호하고 있다.

유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재는 섬유 길이에 따라 프레스성형과 사출성형이 가능한데, 유리섬유의 길이가 길수록 범퍼 빔 강도에 유리하나 사출성형 대비 가공비가 높은 프레스성형이 필요하다. 따라서 가공비를 낮추기 위해서는 사출성형이 유리하지만 사출공법에 의할 경우 유리섬유의 길이가 짧아지므로 법규 저속충돌 후 범퍼 빔이 심하게 파손되고, 차체 손상이 발생하여 법규를 만족시킬 수 없는 문제점이 있다. 즉, 현재 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재로 범퍼 빔의 법규 성능을 만족시키기 위해서는 프레스성형공법을 적용할 수 밖에 없기 때문에 가공비를 낮추기 어려운 것이다.

참고적으로, 본 발명의 배경이 되는 기술은 특허 제10-0917651호, 특허 제10-1457995호, 특허 제10-1365057호 등에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 충돌에너지 흡수 성능을 향상시켜 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재로 사출성형이 가능한 자동차용 후방 범퍼 빔 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재를 이용하여 사출성형되는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 있어서, 서로 평행하게 배치되는 2개의 수직 플레이트와, 상기 2개의 수직 플레이트를 연결하는 수평 플레이트로 이루어지는 H형 단면 구조를 가지며, 상기 자동차에 일단부가 장착되는 지지부; 및 상기 지지부의 타단부에 형성되는 에너지 흡수부;를 포함하는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조를 제공한다.

이 경우, 상기 지지부의 곡률은 1500~5000mm이고, 상기 수직 플레이트와 상기 수평 플레이트의 두께는 3~6mm 이며, 상기 수직 플레이트 사이의 간격은 30~40mm로서 내측에 X형 리브가 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 에너지 흡수부는, 상기 지지부의 수직 플레이트로부터 수평하게 연장 형성되는 제1플레이트; 및 상기 제1플레이트로부터 상방, 하방, 또는 상하방으로 연장 형성되는 제2플레이트;를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 2개의 수직 플레이트 사이, 상기 수직 플레이트와 상기 제2플레이트 사이에는 10~100mm 길이의 리브가 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 제2플레이트는 1.5~2mm의 두께를 가지고 범퍼 커버에 대해 3~5mm 이격하여 배치될 수 있다.

이 경우, 상기 수직 플레이트와, 상기 제1플레이트, 상기 제2플레이트, 상기 리브의 빼기구배는 1~3도일 수 있다.

본 발명에 의하면, 범퍼 빔을 지지부와 에너지 흡수부의 2중 구조로 구성하여 충돌 성능을 향상시킴으로써 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재를 사출성형공법에 적용할 수 있으며, 이로 인해 가공비를 대폭 절감하여 제품 가격을 최소화할 수 있다.

또한, LFT 소재의 적용으로 상온과 저온 환경에서의 치수 및 성능 안정성을 확보하고, 저속충돌 법규 성능을 만족시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 후방 범퍼 빔 구조의 분해사시도,
도 2는 도 1에 도시된 자동차용 후방 범퍼 빔 구조의 평면도,
도 3는 도 2의 A-A 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 자동차용 후방 범퍼 빔 구조의 에너지 흡수부의 변형예를 나타낸 도면,
도 5는 사출성형공법의 범퍼 빔에 LFT 소재를 적용한 경우의 충돌 구조해석 결과를 나타낸 도면,
도 6은 프레스성형공법의 범퍼 빔에 LFT 소재를 적용한 경우의 충돌 구조해석 결과를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 사출성형공법의 범퍼 빔에 LFT 소재를 적용한 경우의 충돌 구조해석 결과를 나타낸 도면.

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 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 관한 것으로 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재(LFT: Long glass Fiber reinforced Thermoplastic)를 사출성형공법에 적용할 수 있도록 범퍼 빔의 구조를 개선한 것을 기술적 특징으로 한다.

유리섬유 복합 플라스틱 소재를 사출성형공법에 적용하기 위해서는 충돌시 범퍼 빔이 충돌에너지를 충분히 흡수하여 파단이 발생하지 않아야 한다. 범퍼 빔의 파단이 발생하지 않으려면 소재의 신율 또는 파단강도를 증대시켜야 하는데, 소재 특성상 신율을 증대시키면 소재 강도가 저하되고, 소재 강도를 증대시키면 신율이 감소하여 소재적으로 충돌에너지 흡수를 증대시키기 어려운 것이 현실이다.

이처럼 유리섬유 복합 플라스틱 소재는 신율의 증대가 어렵기 때문에 통상 소재 강도를 증대시켜 충돌에너지 흡수가 가능하도록 하고 있다. 그러나 소재의 강도 향상을 위한 유리섬유의 길이 증가는 사출성형을 어렵게 하기 때문에 현재 양산되고 있는 유리섬유 복합 플라스틱 소재의 범퍼 빔은 가공비가 높은 프레스공법으로 개발이 이루어지고 있다.

따라서 사출성형공법으로 범퍼 빔의 저속충돌 성능을 만족시킬 수 있다면 가격 경쟁력을 가질 수 있다. 범퍼 빔이 충돌에너지를 충분히 흡수한다는 것은 범퍼 빔을 이루는 소재가 전체적으로 충분히 변형되어 에너지를 충분히 흡수한 다음 파단될 때이다. 하지만 범퍼 빔이 파단되면 전단된 면이 차체에 손상을 입혀 요구되는 법규 성능을 충족시킬 수 없다. 따라서 본 발명자들은 범퍼 빔이 파단되지 않고 충돌에너지를 최대로 흡수할 수 있는 구조에 대해 연구, 개발을 거듭한 끝에 본 발명에 이르게 된 것이다.

이하, 상술한 내용에 기초하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 후방 범퍼 빔 구조의 분해사시도, 도 2는 도 1에 도시된 자동차용 후방 범퍼 빔 구조의 평면도, 도 3는 도 2의 A-A 단면도, 도 4는 도 3에 도시된 자동차용 후방 범퍼 빔 구조의 에너지 흡수부의 변형예를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 후방 범퍼 빔 구조는 지지부(110) 및 에너지 흡수부(120)를 포함한다.

지지부(110)는 충돌시 에너지 흡수부(120)를 지지하기 위한 것으로 서로 평행하게 배치되는 2개의 수직 플레이트(111)(112)와, 2개의 수직 플레이트(111)(112)를 연결하는 수평 플레이트(113)를 포함하여 전체적으로 H형 단면 구조를 가지며, 양측 후단에 구비되는 체결부재(115)를 이용하여 차량(도면 미도시)에 장착된다.

이러한 지지부(110)는 충돌시 에너지 흡수부(120)가 압착, 파단될 수 있도록 충분한 강도 및 강성을 가져야 한다. 따라서 수직 플레이트(111)(112)와 수평 플레이트(113)의 두께는 강도, 강성과 성형성을 고려하여 3~6mm 정도인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 플레이트(111)(112)(113)의 두께가 3mm 미만이면 저속충돌시 지지력이 충분하지 않고 6mm 초과이면 사출성형으로 냉각에 의한 싱크가 발생하여 요구되는 강도, 강성을 발현하기 어렵기 때문이다.

또한, 지지부(110)는 수직 플레이트(111)(112)의 곡률이 작을수록 지지력이 향상되므로 조립성 등을 고려하여 1500~5000mm 범위에서 최대한 작게 반영하되, 소형에서 대형 차량의 조건에 따라 범퍼 빔을 체결하는 차체 멤버의 양단 거리가 변경되므로 이를 고려하여 곡률을 결정한다.

이 경우, 수직 플레이트(111)(112) 사이의 간격은 30~40mm인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 수직 프레이트(111)(112) 사이의 간격이 30mm 미만이면 저속충돌시 지지력이 충분하지 않고, 40mm 초과이면 차체 판넬과 근접하게 되어 충돌 후 범퍼 빔의 변형으로 판넬 변형이 발생할 수 있기 때문이다. 한편, 수직 플레이트(111)(112) 사이에는 충돌 에너지 흡수를 위한 리브(116)가 형성될 수 있다.

아울러, 본 발명의 사출성형시 성형품의 원활한 탈취를 위해 수직 플레이트(111)(112)의 빼기구배는 1~3도로 반영하는 것이 유리하다. 왜냐하면, 수직 플레이트(111)(112)의 빼기구배가 1도 미만이면 성형품의 탈취가 어렵고, 3도 초과이면 성형품의 탈취에 유리하지만 성형품의 중량과 원가가 증가하기 때문이다.

한편, 지지부(110)의 수직 플레이트(111)(112)와 수평 플레이트(113)에 의해 형성되는 상하 내측 공간에는 X형 리브(114)가 폭방향을 따라 일정한 간격으로 형성된다. 이러한 X형 리브(114)는 충돌시 범퍼 빔의 전체적인 상하 비틀림을 방지하는 동시에 사출성형 후 변형을 최소화함으로써 치수 안정성을 확보하는 역할을 한다.

에너지 흡수부(120)는 충돌시 압착, 파단을 통해 충돌 에너지를 흡수하기 위한 것으로 지지부(110)의 수직 플레이트(112)로부터 수평하게 연장 형성되는 제1플레이트(121)와, 제1플레이트(121)로부터 상방 또는 하방으로 연장 형성되는 제2플레이트(122)로 구성된다.

이 경우, 제2플레이트(122)는 충격물과 최초로 접촉하는 부분으로 범퍼 커버(도면 미도시)의 형상에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 제1플레이트(121)의 상부와 하부에 모두 형성되거나, 범퍼 커버의 형상 또는 필요에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 상부 또는 하부에 하나만 형성되는 것도 가능하다. 본 발명에서 제2플레이트(122)의 두께는 1.5~2mm로 구현되며, 생산 공정을 고려하여 빼기구배는 1~3도 정도가 바람직하다. 왜냐하면, 제2플레이트(122)의 두께가 1.5mm 미만이면 제품에 미성형이 발생되어 충돌 성능 및 미관 품질에 좋지 않으며, 2 mm 초과이면 충돌시 압착, 변형이 발생되지 않아 충분한 에너지 흡수가 되지 않기 때문이다.

또한, 제2플레이트(122)의 형상은 특별히 제한되지 않으나, 범퍼 커버와 약 3~5mm의 갭(gap)을 확보하여 결정된다. 왜냐하면, 범퍼 빔과 범퍼 커버의 갭이 3 mm 미만이면 범퍼 빔의 변형과 치수공차로 범퍼 커버의 외관불량을 야기시키고, 5mm 초과이면 범퍼 커버의 꿀렁거림 발생뿐만 아니라, 운행 중에 부품간의 떨림 접촉으로 이음이 발생하게 되고, 갭이 너무 클 경우 충돌법규를 만족하기 어렵기 때문이다.

한편, 제1플레이트(121)와 제2플레이트(122) 사이에는 리브(123)가 형성될 수 있다. 리브(123)는 충격물의 침입시 압괴되면서 소재가 허용하는 파단강도까지 에너지를 흡수하는 역할을 하고, 평상시에는 제2플레이트(122)를 지지하여 범퍼 커버의 꿀렁거림이나 형상을 유지하는 기능을 한다. 이러한 리브(123)의 경우 제2플레이트(122)와 마찬가지로 두께는 저속충돌시험에서의 압착, 압괴를 고려하여 1.5~2mm로 하고, 빼기구배는 생산공정을 고려하여 1~3도로 반영하는 것이 바람직하다.

에너지 흡수부(120)의 에너지 흡수량은 상술한 리브(123)의 길이, 즉, 지지부(110)의 수직 플레이트(112)에서 에너지 흡수부(120)의 제2플레이트(122)까지의 거리에 따라 결정되는데, 본 발명에서는 충격에너지를 고려하여 10~100mm 범위로 한다. 수직 플레이트(112)는 일정한 곡률을 가지고, 제2플레이트(122)는 범퍼 커버과 일정한 갭으로 곡률을 형성하게 된다. 따라서 중앙부에 각 플레이트의 거리를 10mm로 적용하더라도 중앙에서 멀어질수록 거리는 증가하게 된다. 여기서 중앙부의 거리를 10mm 미만으로 적용하면 충분한 충돌에너지를 흡수하지 못하여 범퍼 빔의 중앙부 파단이 발생되게 된다. 반면, 충분한 에너지 흡수를 위해 수직 플레이트(112)와 제2플레이트(122) 사이의 거리를 100mm 초과로 적용하면 수직 플레이트(112)와 제2플레이트(122) 사이의 제1플레이트(121)와 리브(123) 크기가 증가하여 범퍼 빔의 중량 및 원가가 상승하고, 차체 판넬과 범퍼 빔이 가까워져 충돌 후 차량 판넬 손상이 발생할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자동차용 후방 범퍼 빔 구조는 범퍼 빔을 이중으로 구성하여 충돌 성능을 향상시킴으로써 LFT 소재를 사출성형공법에 적용 가능하도록 한 것이다. 본 발명자들은 이러한 본 발명의 성능을 평가하기 위해 충돌 구조해석을 실시하였다.

구체적으로, 저속충돌 법규 대응용 플라스틱 리어 범퍼 빔의 형상에 LFT 소재를 약 2.3kg 중량으로 적용하여 저속충돌 법규 테스트의 CENTER PENDULUM TEST를 실시하였으며, 그 결과를 도 5 내지 도 7에 나타내었다.

도 5는 사출성형공법의 범퍼 빔에 LFT 소재를 적용한 경우의 충돌 구조해석 결과로서 범퍼 빔의 파단이 발생한 것을 알 수 있으며, 이로부터 차체 손상 및 법규 불만족이 예상된다. 도 6은 프레스성형공법의 범퍼 빔에 LFT 소재를 적용한 경우로서 사출공법의 경우와 마찬가지로 범퍼 빔의 파단이 발생하여 차체 손상 및 법규 불만족이 예상된다. 도 7은 본 발명에 따라 개선된 구조를 갖는 사출성형공법의 범퍼 빔에 LFT 소재를 적용한 경우로서 다른 범퍼 빔의 구조해석 결과와는 달리 파단이 발생하지 않았으며, 범퍼 빔의 앞 부분, 즉, 에너지 흡수가 압착, 압괴되면서 충돌에너지를 흡수하여 법규 성능을 만족하는 것으로 나타났다.

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.

110 : 지지부 111, 112 : 수직 플레이트
113 : 수평 플레이트 114 : X형 리브
115 : 체결부재 116 : 리브
120 : 에너지 흡수부 121 : 제1플레이트
122 : 제2플레이트 123: 리브

Claims (6)

1. 유리섬유가 포함된 복합 플라스틱 소재를 이용하여 사출성형되는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조에 있어서,
   서로 평행하게 배치되는 2개의 수직 플레이트와, 상기 2개의 수직 플레이트를 연결하는 수평 플레이트로 이루어지는 H형 단면 구조를 가지며, 상기 자동차에 일단부가 장착되는 지지부; 및
   상기 지지부의 타단부에 형성되되, 상기 지지부의 수직 플레이트로부터 수평하게 연장 형성되는 제1플레이트와, 상기 제1플레이트로부터 상방, 하방, 또는 상하방으로 연장 형성되는 제2플레이트를 포함하는 에너지 흡수부;
   를 포함하고,
   상기 수직 플레이트와 상기 수평 플레이트의 두께는 3~6mm 이고, 상기 제2 플레이트의 두께는 1.5~2mm이며,
   상기 2개의 수직 플레이트 사이의 간격은 30~40mm로서 내측에 X형 리브가 형성되고,
   상기 제2 플레이트와 상기 수직 플레이트와의 사이에는 10~100mm 길이의 리브가 상기 X형 리브 위치와 대응하는 위치에 형성되되, 상기 리브의 길이는 상기 범퍼 빔의 중앙부에서부터 외측방향으로 멀어질수록 점차 길어지고, 상기 중앙부에 위치한 리브의 길이는 상기 중앙부에 위치한 2개의 수직 플레이트 사이의 간격보다 짧고, 최외측에 위치한 리브의 길이는 상기 최외측에 위치한 2개의 수직 플레이트 사이의 간격보다 긴 것을 특징으로 하는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2플레이트는 범퍼 커버에 대해 3~5mm 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 수직 플레이트와, 상기 제1플레이트, 상기 제2플레이트, 상기 리브의 빼기구배는 1~3도인 것을 특징으로 하는 자동차용 후방 범퍼 빔 구조.

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