KR101957659B1 - 금속관, 및 금속관을 이용한 구조 부재 - Google Patents

Abstract

금속관(1)은, 외경 D의 원형 단면을 가지며, 길이가 6D 이상이다. 금속관(1)은, 고강도부(1A)와, 저강도부(1B)를 구비한다. 고강도부(1A)는, 금속관 길이 방향의 치수 (2/3)D 이상, 3D 이하의 부분에, 금속관(1)의 전체 둘레에 걸쳐 배치된다. 고강도부(1A)의 항복 강도는, 500MPa(인장 강도라면 980MPa) 이상이다. 저강도부(1B)는, 고강도부(1A)의 금속관 길이 방향 양측에 금속관(1)의 전체 둘레에 걸쳐 배치된다. 저강도부(1B)의 항복 강도는 고강도부(1A)의 60~85%이다.

Description

금속관, 및 금속관을 이용한 구조 부재

본 발명은, 내충격성을 갖는 금속관 및 금속관을 이용한 구조 부재에 관한 것이다.

원형 단면을 갖는 금속관 즉 환관은, 경제성 및 범용성이 높다. 그 때문에, 환관은 여러가지 용도에 이용된다. 예를 들면, 차량, 건물, 대형 용기의 구조 부재에 환관이 이용된다. 이러한 구조 부재에는, 충격에 대한 내충격성이 요구된다.

예를 들면, 국제 공개 2005/058624호(특허 문헌 1)에는, 내충격용으로서, 자동차의 차체에 양단 지지의 구조로 장착되는 금속관이 개시되어 있다. 이 금속관은, 전체 길이 또는 부분적으로 굽음부를 갖는다. 굽음부의 외주측이 차체에 가해지는 충격 방향에 대략 합치하도록 배치된다. 이 금속관은, 진직관을 이용한 보강 부재에 비해, 차체 보강용으로서 뛰어난 내충격성을 갖는다.

국제 공개 2005/058624호

금속관은, 항복 강도를 초과하는 충격을 받으면 절곡되고, 절곡부가 돌출된다. 금속관을 경량화하기 위해 박육화하면, 충격으로 꺾였을 때의 돌출 정도가 커지기 쉽다. 이에 대해서, 예를 들면, 금속관을 구조 부재로서 이용하는 경우는, 충돌에 의한 충격으로 변형된 금속관이 절곡되어 돌출되는 정도는, 보다 작은 것이 승원 보호의 관점에서 바람직하다.

그래서, 본원은, 충격에 의한 변형시의 돌출 정도를 보다 작게 할 수 있는 금속관 및 그것을 이용한 구조 부재를 개시한다.

본 발명의 실시 형태에 있어서의 금속관은, 외경 D의 원형 단면을 가지며, 길이가 6D 이상인 금속관이다. 상기 금속관은, 고강도부와, 저강도부를 구비한다. 상기 고강도부는, 상기 금속관 길이 방향의 치수 (2/3)D 이상, 3D 이하의 부분에, 상기 금속관의 전체 둘레에 걸쳐 배치된다. 상기 고강도부의 항복 강도는, 500MPa(인장 강도라면 980MPa) 이상이다. 상기 저강도부는, 상기 고강도부의 상기 금속관 길이 방향 양측에 상기 금속관의 전체 둘레에 걸쳐 배치된다. 상기 저강도부의 항복 강도는 상기 고강도부의 60~85%이다.

본원 개시에 의하면, 충격에 의한 변형시의 돌출 정도를 보다 작게 할 수 있는 금속관 및 그것을 이용한 구조 부재를 제공할 수 있다.

도 1a는, 양단부가 지지된 환관의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 1b는, 도 1a에 나타내는 환관의 변형 거동예를 나타내는 도면이다.
도 1c는, 도 1a에 나타내는 환관의 다른 변형 거동예를 나타내는 도면이다.
도 2a는, 본 실시 형태에 있어서의 금속관(1)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2b는, 도 2a에 나타내는 금속관을 Y방향에서 본 측면도이다.
도 2c는, 도 2a에 나타내는 금속관을 X방향에서 본 측면도이다.
도 3은, 일정한 강도 분포를 갖는 금속관의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 고강도부를 사이에 두는 저강도부를 갖는 금속관의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는, 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 5b는, 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 5c는, 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 5d는, 만곡된 금속관의 예를 나타내는 측면도이다.
도 6a는, 차량에 배치되는 구조 부재의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6b는, 스페이스 프레임 구조의 차체를 갖는 차량의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, 저강도부와 고강도부의 경계를 포함하는 부분의 항복 강도의 분포의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8a는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8b는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9a는, 금속관의 변형의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9b는, 금속관의 변형의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은, 하중 및 흡수 에너지의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 꺾임 발생시의 임팩터 스트로크의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는, 저강도부와 고강도부의 강도비를 바꾸어 충격 하중을 입력한 경우의, 굽힘 변형에 의한 변형량을 나타내는 그래프이다.

발명자는, 환관을 구조 부재로서 이용한 경우의 충격에 대한 거동에 대해 조사했다. 환관을 구조 부재로서 이용하는 경우, 환관은, 예를 들면, 도 1a에 나타내는 바와 같이, 양단부가 지지된 상태로, 구조물(예를 들면, 차량, 건물 또는 용기 등)의 일부를 구성한다. 발명자는, 양단부가 지지된 환관의 충격에 대한 거동을 조사한 바, 환관의 지름에 대한 길이가 6배 정도 이상인 경우, 충격에 의한 변형 정도가 커지는 사태가 발생하는 것을 알 수 있었다.

예를 들면, 양단부가 지지된 환관의 길이 방향 중앙(도 1a의 y1)에 충격이 가해진 경우, 환관은, 충격 후 조기에 꺾여 변형된다(도 1b 참조). 이 조기 꺾임 변형의 돌출 정도는, 환관의 길이 방향 중앙과 한쪽의 지지부 사이의 위치(도 1a의 y2)에 충격이 가해진 경우(도 1c 참조)의 변형에 의한 돌출 정도보다 커진다. 해석의 결과, 양단부가 지지된 환관의 길이 방향 중앙에 충격이 가해진 경우에, 가장 모멘트의 부하가 높아지는 것을 알 수 있었다.

발명자는, 환관의 강도를 올리거나 또는 형상을 연구함으로써, 충격에 의한 환관의 변형 정도를 작게 하는 것을 검토했다. 그러나, 환관의 강도를 올려도 변형에 따른 돌출 정도는 변화하지 않는다. 또, 환관의 형상을 바꾸면, 환관이 갖는 경제성 및 범용성 등의 메리트가 없어져 버린다. 그래서, 발명자는, 환관의 강도 분포를 변화시킴으로써, 꺾임 변형을 억제하는 것을 더 검토했다.

발명자는, 환관의 재료 강도 및 강도 분포에 대해서, 예의 검토한 결과, 환관에, 다른 부분보다 강도가 낮은 저강도부를, 길이 방향으로 늘어놓아 배치하는 구성에 이르렀다. 즉, 고강도부의 양측에 고강도부보다 강도가 낮은 저강도부를 환관의 전체 둘레에 걸쳐 배치하는 구성에 이르렀다. 이 구성에 있어서, 고강도부에 가해진 충격에 의한 하중이 저강도부에 전달되고, 꺾임 변형이 억제되는 것을 알아냈다. 그리고, 거듭되는 시행 착오의 결과, 고강도부의 강도, 저강도부의 고강도부에 대한 강도비, 고강도부의 길이 방향의 치수를 적절히 설정함으로써, 고강도부에 대한 충격에 의한 변형 정도를 효과적으로 저감할 수 있는 것을 알아냈다. 이 지견에 의거하여, 하기 실시 형태의 환관에 이르렀다.

[실시 형태]

도 2a는, 본 실시 형태에 있어서의 금속관(1)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 2b는, 도 2a에 나타내는 금속관(1)을 길이 방향(Y방향)에서 본 측면도이다. 도 2c는, 도 2a에 나타내는 금속관(1)을 길이 방향에 수직인 방향(X방향)에서 본 측면도이다.

도 2a 및 도 2b에 나타내는 바와 같이, 금속관(1)은, 외경 D의 원형 단면을 가지며, 길이 LY가 6D 이상인 금속관이다. 금속관(1)은, 고강도부(1A)와, 그 양측에 배치되는 저강도부(1B)를 구비한다. 고강도부(1A) 및 저강도부(1B)는, 금속관(1)의 전체 둘레에 걸쳐 배치된다. 도 2c에 나타내는 바와 같이, 고강도부(1A)는, 금속관(1)의 길이 방향(Y방향)에 있어서, 외경 D의 (2/3)D 이상, 3D 이하의 치수 LA에 걸쳐 배치된다((2/3)D≤LA≤3D). 한 쌍의 저강도부(1B) 사이의 거리는, 고강도부(1A)의 치수 LA와 같다. 고강도부(1A)의 항복 강도는, 500MPa(인장 강도의 경우는, 980MPa) 이상이다. 저강도부(1B)의 항복 강도는, 고강도부(1A)의 60~85%이다. 또한, 저강도부(1B)의 인장 강도도, 마찬가지로 고강도부(1A)의 인장 강도의 60~85%로 한다.

고강도부(1A) 및 저강도부(1B) 이외의 부분 즉, 저강도부(1B)의 길이 방향 외측의 부분(1C)의 항복 강도는, 저강도부(1B) 이상으로 한다. 예를 들면, 저강도부(1B)의 길이 방향 외측의 부분(1C)의 항복 강도는, 고강도부(1A)의 항복 강도와 같게 할 수 있다. 본 예에서는, 저강도부(1B)는, 주위보다 항복 강도가 낮은 부분이다.

도 2a~도 2c에 나타내는 바와 같이, 고강도부(1A)의 양측에 저강도부(1B)를 전체 둘레에 걸쳐 배치함으로써, 충격 하중에 의한 변형을 고강도부(1A)에 집중시키지 않고, 저강도부(1B)에 분산시킬 수 있다. 그러기 위해서, 다음의 3점을 만족할 필요가 있다. 첫째, 고강도부(1A)의 항복 강도는, 500MPa(인장 강도의 경우는 980MPa) 이상으로 한다. 둘째, 저강도부(1B)의 고강도부(1A)에 대한 강도비를 60~85%로 한다. 셋째, 고강도부(1A)의 치수 LA를, 외경 D의 (2/3)D 이상, 3D 이하로 한다. 그렇게 함으로써, 고강도부(1A)에 대한 충격에 의한 하중에 따른 변형을, 조기에, 저강도부(1B)에 분산할 수 있다. 그 결과, 고강도부(1A)에 대한 충격에 의한 꺾임 변형을 억제할 수 있다.

금속관(1)과 같이, 길이 LY가 6D 이상인 가늘고 긴 금속관에서는, 길이 방향으로 이격한 2개의 지지부로 지지된 상태로, 2개의 지지부의 중앙 부근에 충격이 가해진 경우에, 금속관의 2개의 지지부의 중앙 부근에 생기는 굽힘 모멘트가 가장 커지는 것을 발명자의 조사에 의해 알았다. 이 지견에 의거하여, 2개의 지지부의 중앙 부근에 고강도부(1A)를 배치하고, 고강도부(1A)의 양측에 저강도부(1B)를 배치함으로써, 충격에 의한 금속관(1)의 중앙부의 꺾임을 피할 수 있다. 금속관의 지지부에 가까운 개소에 충격이 가해진 경우, 중앙에 충격이 가해진 경우에 비해, 굽힘 모멘트의 부하가 커지지 않는다. 그 때문에, 2개의 지지부의 중앙에 충격이 가해진 경우보다, 중앙보다 지지부에 가까운 위치에 같은 강도의 충격이 가해진 경우의 쪽이, 금속관은 꺾이기 어렵다. 이 관점에서, 금속관의 2개의 지지부의 중앙 부근의 강도 분포가 중요하다. 2개의 지지부의 중앙 부근에 비해, 금속관의 지지부에 가까운 개소의 강도 분포에 대해서는, 중요도는 낮다.

도 3은, 일정한 강도 분포를 갖는 원형 단면을 갖는 금속관(2)의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는, 도 2a~도 2c에 나타내는 바와 같은 저강도부(1B)를 갖는 금속관(1)의 변형 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4는, 금속관의 길이 방향의 수직 방향으로 압자를 충돌시킨 경우의 변형 거동을 나타낸다. 도 3 및 도 4는, 압자의 충돌 방향 및 금속관의 길이 방향에 수직인 방향에서 본 측면의 구성을 나타낸다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 일정한 강도 분포를 갖는 금속관(2)에서는, 충격에 의해, 굽힘 변형 기점(P)에서 발생한 변형은, 측면에서 볼 때 쐐기 형상이 되도록 진행한다. 그 결과, 굽힘 방향(충격 방향)으로 날카롭게 돌출되도록 절곡된다. 경우에 따라서는, 금속관(2)에 금이 가기도 한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 고강도부(1A)의 양측에 저강도부(1B)(도 4에서는 도트로 표시되는 영역)를 갖는 금속관(1)에서는, 고강도부(1A)의 굽힘 변형 기점(P)으로부터 내측으로 진행하는 변형은, 고강도부(1A)와 저강도부(1B)의 경계에 이르면, 비교적 강도가 낮은 횡 방향(금속관(1)의 길이 방향)으로 진행하기 쉬워진다. 그 때문에, 변형은 길이 방향으로 확대되고, 굽힘 방향(충격 방향)의 변형 정도가 작아진다.

또한, 도 3 및 도 4에 나타내는 변형 거동은, 압자를 금속관에 충돌시킨 경우로 한정되지 않는다. 예를 들면, 금속관을 길이 방향으로 압축하는 축력(軸力)에 의해 굽힘 변형하는 경우나, 3점 굽힘 시험과 같이, 금속관에 압자를 눌러 길이 방향에 수직인 방향의 힘을 정적으로 가했을 때의 굽힘 변형도, 같은 변형 거동이 될 수 있다.

도 2a~도 2c에 나타내는 금속관(1)에 있어서, 고강도부(1A)의 치수 LA는, 외경 D에 대해서, (2/3)D 이상, (4/3)D 이하로 하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 또한, 고강도부(1A)에 대한 충격에 의한 변형 정도를 보다 억제할 수 있다.

또, 저강도부(1B)의 길이 방향의 치수 LB는, (3/5)D 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 고강도부(1A)에 대한 충격에 의한 변형 정도를 보다 억제할 수 있다. 저강도부(1B)의 치수 LB는, 금속관(1)의 강도 확보의 관점에서, 예를 들면, 2D 이하, 바람직하게는, D 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 외경 D에 대한 고강도부(1A)의 치수 LA 및 저강도부(1B)의 치수 LB는, 상기의 관계, 즉, ((2/3D)≤LA≤3D), 바람직하게는 ((2/3)D≤LA≤(4/3)D) 또는, ((3/5)D≤LB)를 엄밀하게 만족하는 경우로 한정되지 않는다. 상기 관계를 만족한다고 간주할 수 있는 정도의 오차를 포함하는 경우도 포함된다. 또, 도 2에 나타내는 예에서는, 저강도부(1B)와 고강도부(1A)의 경계는, 금속관의 길이 방향에 수직인 선상에 있다. 저강도부와 고강도부의 경계의 형태는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 저강도부와 고강도부의 경계가 금속관의 길이 방향에 수직이 아니라 사행하고 있어도 된다. 이 경우, 사행하는 경계 중 가장 저강도부에 가까운 위치와 가장 고강도부에 가까운 위치의 중간에, 저강도부와 고강도부의 경계가 위치한다고 간주한다. 금속관의 단면이 타원인 경우는, 장축과 단축의 비가 1.5 이하까지를 허용한다. 타원인 경우, 충격 입력 방향의 지름을 외경 D로 간주한다. 예를 들면, 자동차의 골격 부재에 적용한 경우, 차체의 외측에서 내측으로 향하는 방향의 지름을 외경 D로 간주한다. 금속관이 타원이고 비틀어져 있는 경우, 단축을 외경 D로 간주한다.

또, 고강도부(1A)를 금속관(1)의 길이 방향 중앙에 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 고강도부(1A)의 적어도 일부가, 금속관(1)의 길이 방향 중앙의 부분에 위치하도록 구성하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 금속관(1)의 길이 방향 중앙부를 고강도부(1A)로 하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 금속관(1)의 중앙에 대한 충격에 의한 꺾임을 억제할 수 있다. 예를 들면, 양단부가 지지되는 금속관(1)에 있어서, 충격에 의한 모멘트가 가장 커지는 중앙의 꺾임 변형을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 2a에 나타내는 예에서는, 금속관(1)은, 길이 방향으로 직선 형상으로 연장되어 형성된다. 이에 대해서, 금속관(1)은, 길이 방향에 있어서 만곡되어 있어도 된다. 예를 들면, 금속관(1)은, 길이 방향에 수직인 방향으로 볼록해지도록 만곡된 형상으로 할 수 있다.

도 5a~도 5d는, 길이 방향에 있어서 만곡된 금속관(1)의 예를 나타내는 측면도이다. 도 5a~도 5d에 나타내는 예에서는, 금속관(1)은, 길이 방향에 수직인 방향으로 볼록해지도록 만곡되어 있다. 도 5a에서는, 금속관(1)은, 길이 방향 전체에 걸쳐 일정한 곡율로 만곡되어 있다. 도 5b 및 도 5c에서는, 금속관(1)의 길이 방향의 위치에 따라 곡율이 변화되어 있다. 도 5d에서는, 금속관(1)은, 길이 방향의 일부에 있어서 만곡되어 있다. 도 5a 및 도 5d에 나타내는 예에서는, 금속관(1)은, 길이 방향에 수직인 방향에서 볼 때 좌우 대칭이 되도록 만곡되어 있다. 도 5b, 도 5c, 및 도 5d의 금속관(1)은, 만곡되어 있는 부분(만곡부)과, 직선 상으로 연장되는 부분(직선부)을 갖는다. 도 5c에 나타내는 예에서는, 직선부의 길이 방향 양측에 만곡부가 배치된다. 즉, 만곡부 사이에 직선부가 배치된다. 도 5d에 나타내는 예에서는, 만곡부의 길이 방향 양측에 직선부가 배치된다.

이와 같이, 금속관(1)을 길이 방향에 수직인 방향으로 볼록해지도록 만곡시킴으로서, 만곡의 볼록 방향에 대향하는 방향의 충격에 대한 내충격성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 만곡된 금속관(1)의 양단부를 지지하여 이루어지는 구조 부재는, 만곡의 볼록 방향에 대향하는 방향의 충격에 대해서, 높은 내충격성을 갖는다.

도 5a 및 도 5d에 나타내는 예에서는, 한 쌍의 저강도부(1B)와 그 사이의 고강도부(1A)는, 모두 금속관(1)의 만곡부에 배치된다. 도 5b 및 도 5c에 나타내는 예에서는, 한 쌍의 저강도부(1B)와 그 사이의 고강도부(1A)는, 모두 금속관(1)의 직선부에 배치된다. 저강도부(1B)와 고강도부(1A)를 직선부에 배치하는 경우, 예를 들면, 직선부의 중앙에 고강도부(1A)를 배치할 수 있다. 이로 인해, 충격을 받았을 때의 모멘트가 높아지는 부분에 고강도부(1A)를 배치할 수 있다.

[구조 부재, 차량에 대한 적용예]

상기의 금속관(1)은, 구조 부재로서 이용할 수 있다. 이 경우, 예를 들면, 금속관(1)의 길이 방향으로 이격한 2개소에서 지지된 금속관(1)으로 구조 부재를 형성한다. 이 경우, 금속관(1)은, 다른 부재에 연결되는 부분인 연결부를 2개 갖는다. 금속관(1)은, 연결부에 있어서 다른 부재에 지지된다. 연결부는 지지부라고도 칭한다. 연결부에서는 금속관(1)은 다른 부재에 대해서 고정된다. 즉, 연결부에 있어서, 금속관(1)은 다른 부재에 대해서, 상대운동 불가능한 상태로 연결된다. 금속관(1)의 연결부는, 예를 들면, 체결 부재 또는 용접에 의해 다른 부재와 접합된다. 또한, 연결부는, 3개 이상이어도 된다.

2개의 연결부는, 금속관(1)의 길이 방향에 있어서 6D 이상 떨어진 위치에 배치된다. 연결부의 이격 거리가 6D 미만인 경우, 특별히 아무것도 배려하지 않아도 금속관이 꺾이기 어렵기 때문에, 발명의 효과가 그다지 없다.

예를 들면, 금속관(1)을 차량 구조 부재로서 이용하는 경우는, 금속관(1)은, 금속관(1)의 길이 방향으로 이격한 2개의 연결부로 지지한 상태로 차량에 부착된다. 금속관(1)은, 예를 들면, 차체, 범퍼 또는 차량 도어의 구조 부재가 된다. 그 때문에, 금속관(1)을 구비하는 차체, 범퍼 또는 차량 도어도, 본 발명의 실시 형태에 포함된다.

2개 연결부로 지지된 금속관(1)으로 형성되는 구조 부재에서는, 2개의 연결부 사이에, 한 쌍의 저강도부(1B)와 그 사이의 고강도부(1A)를 배치한다. 이로 인해, 금속관(1)에 있어서, 충격이 가해진 경우의 모멘트가 커지는 부분을 꺾이기 어렵게 할 수 있다. 그 결과, 내충격성이 높은 구조 부재를 얻을 수 있다.

예를 들면, 2개의 연결부로부터 동일한 거리의 부분(2개의 연결부 사이의 중앙)에 고강도부(1A)를 배치한다. 예를 들면, 길이 방향 중앙에 고강도부(1A)가 배치된 금속관(1)의 양단부를 지지한 구조 부재를 형성한다. 여기서, 양단부란, 금속관(1)의 양단 및 그 근방의 부분을 포함한다.

금속관(1)을 차량에 부착하는 경우, 금속관(1)의 길이 방향이 차량의 외형을 따르도록 금속관(1)을 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 차량이 충돌한 경우의 충격이 금속관(1)의 길이 방향에 수직인 방향이 되도록, 금속관(1)이 부착된다. 금속관(1)의 길이 방향 중앙에 고강도부(1A)가 배치되고, 그 양측에 저강도부(1B)가 배치된다. 이로 인해, 금속관(1)의 중앙에 차량의 외측으로부터 충격을 받은 경우에, 금속관(1)이 차량의 내측으로 돌출하는 정도가 작아진다. 그 때문에, 차량 내의 장치 또 사람이 금속관(1)에 접촉할 가능성이 보다 낮아진다. 예를 들면, 금속관(1)이, 충돌시에 객실 내를 향해 꺾이는 것을 피할 수 있다. 이로 인해, 안전성이 보다 향상된다.

금속관(1)은, 상기와 같이 만곡되어 있어도 된다. 예를 들면, 금속관(1)은, 차량의 외측을 향해 볼록해지도록 차량에 부착하는 것이 바람직하다. 이 경우, 금속관(1)은, 차량의 외측으로 볼록해지도록 만곡되어 있다. 이로 인해, 차량의 외측으로부터 충격을 받은 경우에, 금속관(1)을 보다 꺾이기 어렵게 할 수 있다.

금속관(1)은, 차체, 범퍼 또는 차량 도어의 일부를 구성하는 구조 부재로 할 수 있다. 예를 들면, A필러, B필러, 사이드실, 루프레일, 플로어 멤버, 프런트 사이드 멤버와 같은 차체를 구성하는 부재에 금속관(1)을 이용해도 된다. 혹은, 도어 임펙트 빔이나 범퍼와 같은 차체에 부착되는 부재에 금속관(1)을 이용해도 된다.

도 6a는, 모노코크 구조의 차량에 배치되는 구조 부재의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6a에 나타내는 예에서는, A필러(15), B필러(16), 사이드실(17), 루프레일(18), 범퍼(19), 프런트 사이드 멤버(20), 도어 임펙트 빔(21), 플로어 멤버(22), 및, 리어 사이드 멤버(23)가 차량용 구조 부재로서 이용된다. 이들 차량용 구조 부재 중 적어도 1개를, 상기의 금속관(1)으로 구성해도 된다.

범퍼(19)를 금속관(1)으로 형성하는 경우, 금속관(1)의 양단부를 프런트 사이드 멤버(20)로 지지하는 구성으로 한다. 이 구성에서는, 범퍼(19)의 중앙에 충격이 가해진 경우에, 하중의 모멘트가 최대가 된다. 범퍼(19)의 좌우 방향 중앙에 고강도부(1A)가 배치되고, 그 양측에 저강도부(1B)가 배치된다. 이로 인해, 범퍼(19)의 중앙에 대한 충격에 의한 꺾임 변형이 억제된다.

도어 임펙트 빔(21)을 금속관(1)으로 형성하는 경우, 금속관(1)의 양단부에 브래킷을 설치하여 부착된다. 브래킷을 설치하지 않고 용접해도 된다. 금속관(1)은, 양단부의 브래킷을 개재하여 도어 프레임에 부착된다. 어떤 경우도, 고강도부(1A)를 금속관(1)의 중앙에 배치함으로써, 충격을 받았을 때의 모멘트가 가장 커지는 부분에서의 꺾임 변형을 억제할 수 있다.

금속관(1)은, 모노코크 구조의 차량뿐만 아니라, 프레임 구조의 차체에 적용해도 된다. 도 6b는, 일본국 특허공개 2011-37313에 개시된 스페이스 프레임 구조의 차체를 갖는 차량이다. 스페이스 프레임 구조의 차체는, 복수의 파이프(31)와, 파이프(31)를 연결하는 조인트(32)를 구비한다. 파이프(31)는, 차체의 표면을 덮는 보디(30)의 내부에 배치된다. 복수의 파이프(31)는, 상하 방향으로 연장되는 파이프, 전후 방향으로 연장되는 파이프, 및, 좌우 방향으로 연장되는 파이프를 포함한다. 복수의 파이프(31) 중 적어도 일부를, 상기의 금속관(1)으로 형성할 수 있다. 이와 같이, 스페이스 프레임 구조의 차체를 구성하는 파이프(관재)에 상기의 금속관(1)을 적용하면, 파이프가, 승원이나 엔진이 있는 차체 내측으로 깊게 절곡되는 일이 없기 때문에, 효과적이다.

차량의 구조 부재를 구성하는 금속관(1)의 재료로서, 인장 강도(저강도부(1B) 이외의 부분의 인장 강도)가 780MPa 이상(항복 강도 400MPa 이상)인 초고강도강을 이용하면, 상기의 효과가 현저하게 나타난다. 또한, 금속관(1)의 저강도부(1B) 이외의 영역의 강도를, 인장 강도로 980MPa 이상(항복 강도로 500MPa 이상)으로 함으로써, 보다 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 금속관(1)을 적용할 수 있는 차량의 구조 부재는, 도 6에 나타내는 자동차와 같은 사륜차량으로 한정되지 않고, 예를 들면, 이륜차량의 구조 부재로서 금속관(1)을 이용해도 된다. 또, 금속관(1)으로 구성되는 구조 부재의 용도는, 차량용으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 내충격성 용기, 건축물, 선박, 또는, 항공기 등의 구조 부재로서 금속관(1)을 이용해도 된다.

또, 금속관(1)을 구조 부재로서 이용하는 형태는, 금속관(1)의 양단부를 다른 부재에 연결하는 형태로 한정되지 않는다. 금속관(1)의 길이 방향으로 6D 이상 떨어진 임의의 2개의 위치에서, 다른 부재를 연결해도 된다. 즉, 2개의 연결부는, 양단으로 한정하지 않고 , 금속관(1)의 임의의 위치에 배치해도 된다.

[제조 공정]

금속관(1)은, 전체를 동일 소재로 형성할 수 있다. 일례로서 금속관(1)은, 강판으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 1장의 강판을 둥글게 하여, 강판의 한쪽의 단부와, 대향하는 다른 쪽의 단부를 용접 등에 의해 접합함으로써, 원형의 단면을 갖는 관 형상의 구조 부재(환관)가 형성된다. 혹은, 중실(中實)의 원주에 축방향으로 구멍을 관통시켜 금속관(1)이 형성된다. 환관을 만곡시키는 경우는, 예를 들면, 프레스 굽힘, 인장 굽힘, 압축 굽힘, 롤 굽힘, 압통(押通) 굽힘, 또는 편심 플러그 굽힘 등의 굽힘 가공 방법을 이용할 수 있다.

금속관(1)의 제조 공정에는, 소재에 저강도부를 형성하는 공정이 포함된다. 저강도부를 형성하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 레이저 또는 고주파 가열 등의 방법으로, 재료를 국소적으로 가열, 담금질을 행함으로써, 경화 영역을 포함하는 금속관(1)을 만들어 낼 수 있다. 이 경우, 담금질을 행하지 않는 영역이, 상대적으로 강도가 낮은 저강도부가 된다. 또, 조질 처리를 행하여 환관의 전체를 강화한 후에, 부분적으로 소둔 처리를 행하여 저강도부를 형성할 수도 있다.

혹은, 관 형상 부재를, 축 방향으로 이동시키면서, 가열, 굽힘 모멘트 부여, 및 냉각을 순차적으로 실시함으로써, 길이 방향에 있어서 만곡된 금속관(1)을 제작할 수 있다. 이 방법으로는, 관 형상 부재의 외주에, 유도 가열 코일을 배치하여, 관 형상 부재를 국부적으로 소성 변형 가능 온도로 가열한다. 이 가열부를 관 형상 방향으로 이동시키면서, 유도 가열 코일보다 하류의 관 형상 부재에 설치된 가동 롤러 다이스 등의 가동 파지 수단을 동작시킴으로써, 굽힘 모멘트를 부여한다. 이와 같이 하여 만곡시킨 부분을, 유도 가열 코일과 가동 파지 수단 사이의 냉각 장치에 의해 냉각한다. 이 공정에 있어서, 예를 들면, 가열 및 냉각의 조건을 관 형상 부재의 외주 방향에 있어서 다르게 함으로써, 관 형상 부재에 저강도부를 형성할 수 있다.

또한, 금속관(1)의 제조 방법은, 상기 예로 한정되지 않는다. 테일러드 블랭크, 그 외 공지의 방법을 이용하여, 저강도부를 갖는 금속관(1)을 형성할 수 있다. 테일러드 블랭크를 채용하는 경우, 본 발명은 강관뿐만 아니라, 예를 들면, 알루미늄 등의 금속관에도 적용할 수 있다.

상기의 금속관(1)에 있어서는, 고강도부(1A)의 항복 강도의 분포가 일정하지 않은 경우가 있다. 정상역에서는, 항복 강도의 편차는, ±10% 이내가 되는 경우가 많다. 여기에서는, 고강도부(1A)의 항복 강도의 최대치(Smax)의 90%를, 고강도부(1A)의 항복 강도(SA)(기준 강도)라고 정의한다(SA=0.9Smax). 항복 강도가 0.85SA보다 크고 0.9SA보다 작은(SA의 85%~90%) 영역(전이역)은, 고강도부(1A)의 일부로 간주한다. 고강도부(1A)에 있어서의 항복 강도는, 0.85SA(SA의 85%)보다 크다. 즉, 항복 강도가 0.85SA보다 큰 영역이 고강도부(1A)이다.

도 7은, 저강도부와 고강도부의 경계를 포함하는 부분의 항복 강도의 분포의 일례를 나타내는 도면이다. 도 7에 있어서, 세로축은 항복 강도, 가로축은 y방향의 위치를 나타낸다. 도 7에 나타내는 예에서는, 고강도부의 항복 강도의 최대치(Smax)의 90%(0.9Smax)가, 고강도부의 항복 강도(SA)라고 정의된다. 고강도부에 있어서, 항복 강도가 0.9SA 이상인 영역은, 정상역이라고 칭한다. 또, 항복 강도가 0.85SA보다 크고 0.9SA보다 작은 영역은, 저강도부에서 고강도부의 정상역에 이르기까지의 전이역이다. 전이역은 고강도부로 간주한다. 즉, 항복 강도가 0.85A인 위치가, 저강도부와 고강도부의 경계가 된다. 즉, 항복 강도가 0.85SA보다 큰 영역은, 고강도부가 되고, 항복 강도가 0.85SA 이하인 영역은, 저강도부이다.

저강도부의 항복 강도는, 0.6SA 이상 0.85SA 이하(SA의 60~85%)이다. 또한, 금속관(1)의 저강도부로 둘러싸이는 부분에 0.6SA 이하의 부분이 포함되어 있어도, 그 부분이 금속관(1)의 변형 거동에 대한 영향을 무시할 수 있는 정도로 작은 경우는, 저강도부의 일부로 간주한다.

실시예

본 실시예에서는, 원형의 단면을 갖는 금속관에 압자를 충돌시킨 경우의 금속관의 변형을 시뮬레이션으로 해석했다. 도 8a는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 구성을 나타내는 도면이다. 본 시뮬레이션에서는, 금속관(10)을 2개의 대(3)에 걸쳐 놓은 상태로, 금속관(10)의 길이 방향의 중앙부에, 압자(임팩터)(4)를, 충돌시킨 경우의 변형 거동을 해석했다. 압자(4)의 질량은 350kg으로 하고, 압자(4)의 Y방향의 폭 WI는 160㎜, 압자(4)의 충돌면(4s)의 곡율 반경(R)은 150㎜로 하고, 압자(4)의 초속도는 4m/초로 했다. 마찰 계수는 0.1로 했다. 금속관(10)의 단면은 원형으로 했다. 금속관(10)의 외형 D는 50㎜, 금속관(10)의 판두께는 1.4㎜, 금속관(10)의 길이 LY는 1000㎜로 했다. 대(3)간의 거리 LS는 400㎜로 했다.

도 8b는, 시뮬레이션에 있어서의 해석 모델의 다른 구성을 나타내는 도면이다. 도 8b에 나타내는 예에서는, 금속관(10)의 양단이 2개의 대(3)에 접합되어 있다. 도 8b에 나타내는 해석 모델의 시뮬레이션의 결과는, 도 8a에 나타내는 해석 모델의 시뮬레이션의 결과와 같았다.

저강도부(10B)의 항복 강도를 100kgf/㎟, 고강도부(10A)를 포함하는 그 외의 영역의 항복 강도를 120kgf/㎟(고강도부(10A)와 저강도부(10B)의 강도비를 약 0.83)로 하여, 고강도부(10A)의 치수 LA 및 저강도부(10B)의 치수 LB를 변화시켜, 충돌 시뮬레이션을 행했다.

도 9a 및 도 9b는, 압자(4)의 침입량이 40㎜일 때의 금속관(10)의 변형의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 9a는, 저강도부(10B) 사이의 고강도부(10A)의 치수 LA를 금속관(10)의 외경 D와 같게 한 경우(LA=D)의 금속관(10)의 변형을 나타낸다. 도 9b는, 저강도부(10B)를 설치하지 않는 경우(LA=LB=0)의 금속관(10)의 변형을 나타낸다.

도 9a에 나타내는 결과는, 금속관(10)의 벽이 압자(4)에 눌려 찌그러지는, 이른바 「단면 찌그러짐」의 변형 모드를 나타내고 있다. 도 9a에 나타내는 결과에서는, 금속관(10)의 표면은, 임팩터(4)의 충격면(4s)의 형상에 따라 변형되고 있다. 도 9b에 나타내는 결과는, 금속관(10)의 벽이, 날카롭게 돌출되도록 절곡되는, 이른바 「꺾임」의 변형 모드를 나타내고 있다. 도 9b에 나타내는 결과에서는, 금속관(10)의 표면은, 절곡됨으로써, 임팩터(4)의 충격면(4s)으로부터 떨어져 있다. 이 시뮬레이션 결과에 의해, LA=D의 조건에 있어서, 압자(4)의 침입량 40㎜에서 꺾임이 발생하지 않고, 바람직한 변형 거동이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

하기 표 1은, 상기 강도비를 0.83(저강도부(10B)의 항복 강도를, YP100kgf/㎟, 고강도부(10A)를 포함하는 그 외의 부분의 항복 강도를, YP120kgf/㎟)으로 하고, 고강도부(1A)의 치수 LA 및 금속관(10)의 판두께(t)를 변화시킨 경우의 시뮬레이션 결과로부터 얻어지는 변형 거동을 나타낸다. 표 1에 있어서, 변형 거동란의 Excellent는 매우 양호, Good은 양호, Poor는 불량을 나타낸다. 이들 변형 거동의 평가는, 꺾임이 발생할 때의 압자의 침입량에 의거하여 판단했다. 압자의 침입량은, 임팩터 스트로크 또는 압자 변위라고 칭할 수도 있다.

도 10은, 상기 표 1에 나타내는 Case1, Case3, 및 Case6의 조건에 있어서의 금속관(10)에 걸리는 하중 및 흡수 에너지의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 10에 있어서, 가로축은 스트로크 즉 압자(4)의 침입량(㎜), 세로축은 하중(kN) 및 흡수 에너지(J)를 나타낸다. 실선(K1)은, Case1(LA=0)의 경우의 하중과 스트로크의 관계를 나타낸다. 실선(K3)은, Case3(LA=D)의 경우의 하중과 스트로크의 관계를 나타낸다. 실선(K6)은, Case6(LA=8D/3)의 경우의 하중과 스트로크의 관계를 나타낸다. 파선(E1)은, Case1의 경우의 흡수 에너지를 나타낸다. 파선(E3)은, Case3의 경우의 흡수 에너지를 나타낸다. 파선(E6)은, Case6의 경우의 흡수 에너지를 나타낸다.

Case6은, Case1에 비해, 꺾임 모드가 발생하기 어렵고, 하중은 고위를 유지하고 있다. 결과적으로, Case6의 흡수 에너지는, Case1에 비해 우위로 되어 있다. Case3은, Case1 및 Case6에 비해, 더 꺾임 모드가 발생하기 어렵기 때문에, 매우 높은 흡수 에너지를 달성할 수 있다.

도 11은, 표 1에 있어서의 Case1~12에 있어서의, 꺾임 발생시의 임팩터 스트로크의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에 나타내는 결과에서는, Case2~7, 10~12의 경우에, Case1 즉 저강도부(10B)를 설치하지 않는 경우보다, 꺾임 발생시의 임팩터 스트로크가 크게 되어 있다. 이로 인해, Case2~7, 10~12의 경우에는, 저강도부(10B)를 설치하지 않는 경우에 비해, 꺾임이 발생하기 어려운 것을 알 수 있었다. 또, Case2~4의 경우는, 꺾임 발생시의 임팩터 스트로크가 돌출되어 크게 되어 있다. 이로 인해, Case2~4의 경우는, 특히, 꺾임이 발생하기 어려워지는 것을 알 수 있었다.

또, 저강도부(10B)의 강도와, 고강도부(10A)를 포함하는 그 외의 부분의 강도의 강도비를 변화시켜, 충돌 시뮬레이션을 행했다. 도 12는, 저강도부(10B)와, 고강도부(10A)를 포함하는 다른 부분의 강도비를 바꾸어 충격 하중을 입력한 경우의, 굽힘 변형에 따른 변형량을 나타내는 그래프이다. 도 12에 있어서, 세로축은, 충격 방향(z방향)에 있어서의 금속관(10)의 침입량(돌출량)을 나타낸다. 가로축은, 저강도부(10B)의 강도의, 고강도부(10A)의 강도에 대한 비(강도비=저강도부의 강도/고강도부의 강도)를 나타낸다. 도 12의 그래프에서는, 마름모꼴의 플롯은, 고강도부의 항복 강도를 YS120kgf/㎟로 한 경우의 결과를 나타내고, 사각의 플롯은, 고강도부의 항복 강도를 145kgf/㎟로 한 경우의 결과를 나타낸다.

강도비가 0.60~0.85인 구간에서는, 강도비의 증가에 따라 침입량은 감소하고 있다(화살표 Y1). 이 구간에서는, 금속관(10)의 변형 모드는, 단면 찌그러짐으로 되어 있다. 이 구간에 있어서, 저강도부(10B)의 강도가 낮은(강도비가 0.60 이하) 경우, 단면 찌그러짐의 변형이 되지만, 침입량이 커지고, 강도비가 0.85를 초과하는 경우의 침입량과 대략 같아졌다. 강도비가 0.85를 초과하면, 침입량은, 급격하게 증가했다(화살표 Y2). 또한, 강도비 0.85 이상으로 강도비를 늘리면, 침입량은, 강도비의 증가에 따라 커졌다(화살표 Y3). 이것은, 강도비 0.85를 경계로, 변형 모드가, 단면 찌그러짐에서, 꺾임으로 변화했기 때문이라고 생각된다. 이와 같이, 저강도부(10B)의 강도가 너무 높으면(강도비가 높으면) 절곡되어 변형되고, 침입량이 커졌다. 도 12의 결과에 따라, 충격에 의한 굽힘 변형의 침입량을 적게 하는 관점에서, 강도비는 60~85%가 바람직하고, 강도비는 70~85%가 보다 바람직한 것이 확인되었다.

이상, 본 발명의 한 실시 형태를 설명했지만, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

금속관(1)의 단면 형상은, 엄밀하게 완전히 둥근 경우로 한정되지 않는다. 금속관(1)의 단면 형상은, 대략 원형으로 간주할 수 있는 정도로, 편평한 타원이어도 된다. 또, 금속관(1)의 단면에 있어서의 바깥 가장자리의 일부가, 원호가 아니라 직선으로 되어 있어도 된다. 본 발명의 금속관은, 넓은 분야에서 강관에 적합하게 적용되지만, 강관으로 한정하지 않고, 알루미늄관 그 외 금속관에 적용 가능하다.

1:금속관 1A:고강도부
1B:저강도부

Claims (11)

1. 외경 D의 원형 단면을 가지며, 길이가 6D 이상인 금속관으로서,
   상기 금속관 길이 방향의 치수 (2/3)D 이상, (4/3)D 이하의 부분에, 상기 금속관의 전체 둘레에 걸쳐 배치되고, 항복 강도가 500MPa 이상인 고강도부와,
   상기 고강도부의 상기 금속관 길이 방향 양측에 상기 금속관의 전체 둘레에 걸쳐 배치되고, 항복 강도가 상기 고강도부의 60~85%인 저강도부를 구비하는, 금속관.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 저강도부의 상기 금속관 길이 방향의 치수는 (3/5)D 이상인, 금속관.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고강도부는 상기 금속관 길이 방향 중앙에 배치되는, 금속관.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   만곡된, 금속관.
5. 외경 D의 원형 단면을 갖는 금속관을 구비한 차체, 범퍼 또는 차량 도어로서,
   상기 금속관은,
   상기 금속관 길이 방향에 있어서 6D 이상 떨어진 2개소에 있어서의 다른 부재에 연결되는 부분인 연결부와,
   상기 연결부의 사이에 있어서의 상기 길이 방향의 치수 (2/3)D 이상, (4/3)D 이하의 부분에 상기 금속관의 전체 둘레에 걸쳐 배치되고, 항복 강도가 500MPa 이상인 고강도부와,
   상기 고강도부의 상기 금속관 길이 방향 양측에 상기 금속관의 전체 둘레에 걸쳐 배치되고, 항복 강도가 상기 고강도부의 60~85%인 저강도부를 구비하는, 차체, 범퍼 또는 차량 도어.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 금속관의 상기 저강도부의 상기 금속관 길이 방향의 치수는 (3/5)D 이상인, 차체, 범퍼 또는 차량 도어.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 금속관의 상기 고강도부는, 상기 2개의 연결부 사이의 중앙에 배치되는, 차체, 범퍼, 차량 도어.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 금속관의 상기 고강도부는, 상기 2개의 연결부 사이의 중앙에 배치되는, 차체, 범퍼, 차량 도어.
9. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 금속관은, 상기 차량의 외측으로 볼록해지도록 만곡되어 있는, 차체, 범퍼, 차량 도어.
10. 청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차체는 스페이스 프레임 구조인, 차체.
    
11. 삭제

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