KR101717905B1 - 알루미늄 크래쉬 박스 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 크래쉬 박스 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 압출품과 알루미늄 플레이트간 용접결합을 알루미늄 압출품과 고장력 스틸플레이트간 볼트 결합으로 전환시켜 차량 충돌시 용접강도 불량에 따른 용접부 찢어짐, 충돌흡수 불량을 막아 안전성을 증대시키도록 개선된 알루미늄 크래쉬 박스에 관한 것이다.

Description

알루미늄 크래쉬 박스 조립체{Aluminum crash box assembly}

본 발명은 알루미늄 크래쉬 박스 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 압출품과 알루미늄 플레이트간 용접결합을 알루미늄 압출품과 고장력 스틸플레이트간 볼트 결합으로 전환시켜 차량 충돌시 용접강도 불량에 따른 용접부 찢어짐, 충돌흡수 불량을 막아 안전성을 증대시키도록 개선된 알루미늄 크래쉬 박스에 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 차체 사이드 멤버(front side member)(5)를 상호 연결하기 위한 크래쉬 박스(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, RCAR 혹은 풀 배리어 테스트(Full Barrier Test)에서 차체의 손상을 줄이기 위해 충돌시 범퍼빔이 견딜 수 있는 한도 내에서의 압착, 변형 또는 파괴 등으로 최대한 충돌에너지를 흡수 할 수 있으면서 또한 차체 손상을 막기 위해 범퍼빔의 변형이 최소화되어야 하고 쉽게 파손되지 않아야 하는 등 복잡한 테스트 규정들을 만족해야 한다.

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

이와 관련하여 초창기 개시된 크래쉬 박스들은 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, 크래쉬 박스가 가져야 할 기본 성질로서, 충돌시 변형은 이루어지되 쉽게 파단되지 않도록 하여 충돌에너지가 범퍼빔 또는 차체 사이드멤버 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 있었다.

상술한 문제를 개선하면서 충돌성능을 향상시키기 위한 크래쉬 박스의 예로, 공개특허 제2014-0127812호, 등록특허 제1513550호, 공개특허 제2015-0060451호, 등록특허 제1537861호 등 다수가 개시되어 있다.

아울러, 이러한 구조적 측면이 아닌 재료적 측면에서 접근한 예로 최근에는 알루미늄을 활용한 크래쉬 박스들이 출시되고 있다.

그런데, 알루미늄 크래쉬 박스는 도 2의 예시와 같이, 알루미늄을 압출하여 압출재(10)를 만든 다음 알루미늄 판재(20)와 용접을 통해 고정하였는 바, 아무리 잘 용접한다고 해도 차량이 고속충돌하게 되면 용접부를 중심으로 찢어짐이 발생하여 충격 흡수능력이 떨어져 크래쉬 박스 본연의 기능을 충실히 수행하지 못하는 단점이 발생되었다.

특히, 알루미늄 용접은 매우 어려운 용접기술로서, 용접에 따른 작업시간, 작업인력 낭비도 컸다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 특히 알루미늄 소재를 이용하여 경량화와 강도 향상에 기여하면서 충돌성능 증대를 목적으로 한 크래쉬 박스 제조시 용접이 아닌 끼움 체결식으로 개량하여 조립용이성, 고정안정성 및 충돌 안정성을 증대시킬 수 있도록 한 알루미늄 크래쉬 박스 조립체를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 압출재와 판재가 합체되어 크래쉬 박스 조립체를 구성함에 있어서; 상기 압출재의 하단부 양측면에는 적어도 하나 이상의 압출재 볼트공이 형성되고, 상기 판재의 상면에는 상기 압출재의 하단에 끼워지는 끼움고정부가 돌출되며, 상기 끼움고정부의 양측면에는 상기 압출재 볼트공과 대응되는 판재 볼트공이 형성되고, 상기 압출재 볼트공과 판재 볼트공에는 이들을 관통하여 상호 체결시키는 체결볼트가 고정되되, 상기 압출재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 판재는 스틸로 이루어져 하이브리드형 크래쉬 박스를 구현한 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체를 제공한다.

이때, 상기 압출재의 내부에는 적어도 하나 이상의 격벽이 더 형성되고, 상기 끼움고정부에는 상기 격벽이 끼워질 수 있도록 절개된 격벽끼움슬릿이 더 형성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 판재의 둘레에는 상향 만곡지게 포밍 가공된 포밍부가 더 형성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 압출재와 판재는 인장강도가 서로 다르게 유지되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 압출재와 판재 중 압출재의 인장강도가 판재의 인장강도 보다 상대적으로 더 크게 형성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 압출재는 철에 알루미늄과 실리콘이 포함된 트윕강으로 압출 성형되고, 상기 판재는 스틸로 성형된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 압출재의 인장강도는 890-980MPa이고, 상기 판재의 인장강도는 600-800MPa 인 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 알루미늄 소재를 이용한 크래쉬 박스 제조시 끼움 체결식으로 개량하여 조립용이성, 고정안정성 및 충돌 안정성을 증대시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 범퍼시스템의 예시적인 분해도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 크래쉬 박스의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 크래쉬 박스 조립체의 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 크래쉬 박스 조립체를 구성하는 압출재와 판재의 분해도이다.
도 5는 종래 용접부를 갖는 알루미늄 압출재와 알루미늄 판재로 된 크래쉬 박스의 고속충돌시 변위량을 보인 그래프이다.
도 6은 종래 용접부를 갖는 스틸 압출재와 스틸 판재로 된 크래쉬 박스의 고속충돌시 변위량을 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 볼트 체결식 알루미늄 압출재와 스틸 판재로 된 하이브리드형 크래쉬 박스 조립체의 고속충돌시 변위량을 보인 그래프이다.

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 알루미늄 크래쉬 박스 조립체는 알루미늄 재질로 압출 성형된 압출재(100)와, 상기 압출재(100)의 일단과 합체되어 동체를 구성하는 스틸로 된 판재(200)로 이루어진다.

이때, 상기 압출재(100)는 알루미늄 또는 알루미늄을 주성분으로 한 합금강을 사용할 수 있으며, 특히 바람직하기로는 Fe에 Si와 Al을 혼합하여 만든 트윕강 형태로서, 인장강도가 890-980MPa를 갖는 고장력강판을 이용하여 압출 성형하는 것이 적합하다.

여기에서, 상기 압출재(100)를 완전히 알루미늄으로 구성하지 않고 트윕강 형태로 구성하는 것은 충격흡수력을 현격히 증대시키기 위한 것이며, 트윕강은 국내 포스코에서 생산중인 소재이다.

그리고, 상기 판재(200)는 기존처럼 압출재(100)와 동일 소재로 하지 않고, 스틸 플레이트로 구성하되, 이 또한 600-800MPa의 인장강도를 갖는 고장력강판을 사용함이 바람직하다.

이때, 상기 판재(200)와 압출재(100)는 인장강도에 있어 차이를 가져야 하는데, 이는 고속충돌시 충돌에너지가 판재(200)에 비해 높은 인장강도를 갖는 압출재(100)가 1차 변형되면서 충격이 흡수되고, 상대적으로 낮은 인장강도를 갖는 판재(200)와의 계면을 지나면서 변곡이 생기도록 하여 충돌에너지 분산을 유도함으로써 충돌에너지가 곧바로 차체로 전달되지 못하도록 차단하는 중요한 기능을 수행하도록 하기 위한 것이다.

때문에, 판재(200)와 압출재(100)의 계면은 완전히 접합된 상태보다는 서로 분리된 상태지만 합체된 구조, 바람직하게는 덧댄 형태로 밀착되어 있는 구조가 좋다.

이를 위해, 본 발명에서는 압출재(100)의 서로 마주보는 면의 하단 일부에 적어도 하나 이상의 압출재 볼트공(110)을 형성한다.

또한, 상기 압출재(100)의 내부 공간은 격벽(120)에 의해 구획되는데, 이는 내부가 비어 있는 상태에서 충돌시 찌그러지는 것 보다 격벽(120)이 더 있는 상태에서 충돌시 찌그러지면 저항력이 커져 충돌 흡수력을 더 높일 수 있기 때문에 구비되는 것이다.

그리고, 상기 판재(200)에는 둘레를 따라 상향 만곡지게 포밍가공된 포밍부(210)가 더 형성되는데, 상기 포밍부(210)는 판재(200)가 단순한 수평상의 판부재일 때에는 충돌에너지에 의한 반력으로 판 떨림 현상이 발생하지만, 상기 포밍부(210)를 구성함으로써 판 떨림 현상을 최소화시켜 반력을 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기 판재(200)의 상면에는 상기 압출재(100)의 하단에 끼워질 수 있도록 일정 높이 돌출되는 사각틀 형태의 끼움고정부(220)가 일체로 성형되어 형성되며, 뿐만 아니라 상기 끼움고정부(220)의 양측면에는 상기 압출재 볼트공(110)과 대응되는 판재 볼트공(222)이 더 형성되고, 나아가 상기 판재 볼트공(222)과 직교되는 방향의 측면 양쪽에는 상기 격벽(120)이 끼워질 수 있는 격벽삽입슬릿(224)이 절개 형성된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같이 조립 사용된다.

먼저, 압출재(100)의 하단을 판재(200)의 끼움고정부(220)에 삽입시킨다.

그러면, 압출재(100)의 하단은 판재(200)의 상면에 안착되고, 압출재(100) 내부에 구비된 격벽(120)의 하단부는 상기 끼움고정부(220)에 형성된 격벽끼움슬릿(224)에 끼워져 조립된다.

이 상태가 되면, 압출재 볼트공(110)과 판재 볼트공(222)은 서로 일치되며, 이들을 관통하여 체결볼트(300)를 체결한다.

이때, 상기 체결볼트(300)는 면 당 적어도 하나 이상, 바람직하게는 각 면당 2개씩 체결됨이 고정안정성 측면에서 좋다.

이렇게 체결되면, 압출재(100)와 판재(200)는 일체를 이루게 되는데, 압출재(100)는 알루미늄, 판재(200)는 스틸로 된 일종의 하이브리드형 크래쉬 박스 조립체가 구현된다.

이와 같은 구성에 따른 크래쉬 박스 조립체의 특성을 확인하기 위해 고속 충돌시 변위량 그래프는 서로 비교하여 확인하였으며, 각각의 그래프는 도 5 내지 도 7에 나타내었다.

즉, 도 5는 종래 용접부를 갖는 알루미늄 압출재와 알루미늄 판재로 된 크래쉬 박스의 고속충돌시 변위량을 보인 그래프이고, 도 6은 종래 용접부를 갖는 스틸 압출재와 스틸 판재로 된 크래쉬 박스의 고속충돌시 변위량을 보인 그래프이며, 도 7은 본 발명에 따른 볼트 체결식 알루미늄 압출재와 스틸 판재로 된 하이브리드형 크래쉬 박스 조립체의 고속충돌시 변위량을 보인 그래프인데, 이들은 비교를 위해 제시된 것이다.

실험 결과, 도 5의 경우에는 반력 15.8ton, 변위량(Displacement) 141mm으로 나타났으며, 도 6의 경우에는 반력 14ton, 변위량 135mm로 나타났고, 본 발명인 도 7의 경우에는 반력 12ton, 변위량 141mm로 나타났다.

즉, 본 발명에 따른 하이브리드형의 경우, 반력은 줄었으나 변위량이 도 5에 준하는 결과를 가져왔기 때문에 1차 충돌흡수력(찌그러짐 변형)이 매우 우수한 것으로 확인되었다.

100: 압출재 200: 판재
300: 체결볼트

Claims (7)

1. 압출재와 판재가 합체되어 크래쉬 박스 조립체를 구성함에 있어서;
   상기 압출재의 하단부 양측면에는 적어도 하나 이상의 압출재 볼트공이 형성되고,
   상기 판재의 상면에는 상기 압출재의 하단에 끼워지는 끼움고정부가 돌출되며, 상기 끼움고정부의 양측면에는 상기 압출재 볼트공과 대응되는 판재 볼트공이 형성되고,
   상기 압출재 볼트공과 판재 볼트공에는 이들을 관통하여 상호 체결시키는 체결볼트가 고정되되,
   상기 압출재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 판재는 스틸로 이루어져 하이브리드형 크래쉬 박스를 구현하고;
   상기 압출재의 내부에는 적어도 하나 이상의 격벽이 더 형성되고, 상기 끼움고정부에는 상기 격벽이 끼워질 수 있도록 절개된 격벽끼움슬릿이 더 형성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 판재의 둘레에는 상향 만곡지게 포밍 가공된 포밍부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체.
   
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 압출재와 판재는 인장강도가 서로 다르게 유지되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체.
   
5. 청구항 1에 있어서;
   상기 압출재와 판재 중 압출재의 인장강도가 판재의 인장강도 보다 상대적으로 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체.
   
6. 청구항 1에 있어서;
   상기 압출재는 철에 알루미늄과 실리콘이 포함된 트윕강으로 압출 성형되고, 상기 판재는 스틸로 성형된 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체.
   
7. 청구항 1에 있어서;
   상기 압출재의 인장강도는 890-980MPa이고, 상기 판재의 인장강도는 600-800MPa 인 것을 특징으로 하는 알루미늄 크래쉬 박스 조립체.

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