KR101969245B1

KR101969245B1 - 충격 흡수 부재

Info

Publication number: KR101969245B1
Application number: KR1020177009630A
Authority: KR
Inventors: 야스노리 사와; 요시아키 나카자와; 고이치 하마다; 야스노리 이토; 히로시 요시다
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2019-04-15
Also published as: EP3208487B1; KR20170052657A; EP3208487A4; TW201623053A; US20170233005A1; TWI627082B; EP3208487A1; CA2964622A1; MX2017004767A; CN106795933B; WO2016060255A1; RU2664857C1; CA2964622C; JP6625545B2; CN106795933A; BR112017007230A2; US10336371B2; JPWO2016060255A1

Abstract

흡수 에너지를 확보하면서 경량화할 수 있는, 축 방향으로 부하되는 충격 하중을 주기적인 좌굴에 의하여 흡수하는 충격 흡수 부재(10)이며, 충격 흡수 부재(10)는, 금속판으로 구성되고, 축 방향과 수직인 단면에서의 형상이 다각 형상인 본체(20)와, 금속판으로 구성되고, 본체 내의 중공부에 축 방향을 따라 설치되는 중판(30)을 구비하고, 본체(20)의 다각 형상은, 서로 대향하는 1쌍의 긴 변(20a, 20b)을 갖고, 중판(30)은, 본체(20)의 다각 형상의 각 긴 변(20a, 20b)에 접합되고, 본체(20)의 판 두께 t1(㎜) 및 중판(30)의 판 두께 t2(㎜)가 1.3×t1≤t2를 만족시킨다.

Description

충격 흡수 부재 {IMPACT ABSORPTION MEMBER}

본 발명은, 축 방향으로 부하되는 충격 하중을 주기적인 좌굴에 의하여 흡수하는 충격 흡수 부재에 관한 것이다.

자동차나 철도, 선박 등의 수송 기계에서는 충격 흡수 부재가 사용된다. 그 충격 흡수 부재는 충돌 시에 충격 하중을 받아 변형됨으로써 충돌의 에너지를 흡수할 수 있으며, 이에 수반하여 승원의 안전을 확보할 수 있다. 이러한 충격 흡수 부재로서, 예를 들어 자동차의 골격 부재나 크래쉬 박스가 있다.

도 1은, 자동차에 있어서의 골격 부재 및 크래쉬 박스의 배치를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이 자동차의 측부에는 프론트 사이드 멤버(2), 리어 사이드 멤버(3) 및 사이드 실(7)이 배치되어 있다. 이들 부재는 모두 자동차의 전후 방향을 따라 설치된다. 프론트 사이드 멤버(2)는 자동차의 측부 중의 전방부에, 리어 사이드 멤버(3)는 자동차의 측부 중의 후방부에, 사이드 실(7)은 자동차의 측부 중의 중간부에 배치된다.

자동차의 전후 방향의 중간부에는 바닥(플로어)이 설치된다. 그 플로어에는 플로어 크로스 멤버(4, 4')가 배치되며, 플로어 크로스 멤버(4, 4')는 자동차의 폭 방향으로 연장된다.

크래쉬 박스(1a, 1b)는 상술한 골격 부재로 구성되는 프레임의 선단에 배치된다. 더 구체적으로는, 제1 크래쉬 박스(1a)가 프론트 사이드 멤버(2)의 전단에 설치되고, 제2 크래쉬 박스(1b)가 리어 사이드 멤버(3)의 후단에 설치된다.

이들 프론트 사이드 멤버(2), 리어 사이드 멤버(3), 사이드 실(7) 및 플로어 크로스 멤버(4, 4')와 같은 골격 부재, 그리고 크래쉬 박스(1a, 1b)는 충돌 시에 그것들의 축 방향으로 부하되는 경우가 있다. 이 경우, 그 부재가 축 방향으로 주름 상자상으로 수축되도록 좌굴 변형됨으로써 충격 하중을 흡수한다.

이러한 충격 흡수 부재는 재료인 금속판을 굽힘이나 겹치기 용접함으로써 제작할 수 있다. 금속판으로부터 제작되는 충격 흡수 부재는 통 형상이다. 즉, 축 방향과 수직인 단면에서의 형상이 폐쇄되어 있다. 이 때문에 충격 흡수 부재는 그 내부가 중공이다.

충격 하중을 주기적인 좌굴에 의하여 흡수하는 충격 흡수 부재에 관하여, 종래로부터 다양한 제안이 이루어져 있다.

특허문헌 1에는 크래쉬 박스가 기재되어 있다. 그 크래쉬 박스는, 중공 단면을 형성하는 부재에 추가하여, 중공 단면의 상하 방향의 중앙 부근에서 중공 영역을 상하로 구획하도록 수평상으로 연장된 중판을 구비한다. 중판을 구비함으로써 크래쉬 박스가 충돌 시에 좌굴하여 찌부러지지 않아, 구부러지는 것이 억제된다고 되어 있다. 그 구성예에서는, 중공 단면을 형성하는 부재(제1 부재, 제2 부재) 및 중판을 구성하는 제3 부재는 그것들의 금속판의 판 두께가 모두 동일하다.

특허문헌 2에도 크래쉬 박스가 기재되어 있다. 그 크래쉬 박스는 프론트 사이드 멤버와 그 차량 전방측의 범퍼 멤버와의 사이에 배치된다. 또한 크래쉬 박스는, 통 형상의 박스 본체와, 박스 본체의 서로 대향한 1쌍의 대향 벽부를 연결하는 레인포스를 구비한다. 이와 같이 박스 본체의 중공부에 레인포스를 설치하면, 크래쉬 박스의 성능을 목표로 하는 성능으로 설정하는 경우, 레인포스의 형상이나 크기에 따라 원하는 성능으로 설정할 수 있다고 되어 한다. 이 특허문헌 2에서는, 박스 본체 및 레인포스에 사용되는 금속판의 판 두께에 대하여 전혀 검토되어 있지 않다.

일본 특허 제4766422호 공보 일본 특허 제5168477호 공보

충격 흡수 부재는 상술한 바와 같이 금속판으로부터 제작되는 경우가 있다. 이 경우, 축 방향과 수직인 단면에서의 형상은 폐쇄되어 있으며, 예를 들어 다각 형상이다. 이 때문에 충격 흡수 부재는 그 내부가 중공이다.

이러한 금속판으로부터 제작되는 충격 흡수 부재에 있어서, 축 압궤 성능을 확보하는 방법으로서, 단면 형상이 직사각형이면 짧은 변의 직선부의 폭 Wp{후술하는 도 2의 (b) 참조, 단위: ㎜}와 판 두께 t(㎜)의 비(Wp/t)를 작게 하는 방법을 채용할 수 있다. 이 방법에서는, Wp/t를 작게 함으로써 좌굴 파장이 짧아져 충격 흡수 부재의 흡수 에너지를 증가시킬 수 있다.

또한 변과 변을 연결하는 능선부의 단면적의 합계를 증가시키는 방법도 채용할 수 있다. 이 방법에서는, 좌굴 하중이 높아짐과 함께 좌굴 거동이 안정되어 충격 흡수 부재의 흡수 에너지를 증가시킬 수 있다.

한편, 특허문헌 1 및 2에는, 중공부에 축 방향을 따라 중판이나 레인포스와 같은 금속 판재를 설치하는 것이 기재되어 있다. 이하에서는, 중공부를 형성하는 금속 판재를 「본체」라고도 하고, 중공부에 축 방향을 따라 설치되는 금속 판재를 「중판」이라고도 한다.

이와 같이 충격 흡수 부재를 본체 및 중판으로 구성하면, 본체에 의한 에너지의 흡수를 중판이 보조하는 것이 가능해진다. 이 때문에 충격 흡수 부재의 흡수 에너지를 크게 할 수 있어, 예를 들어 대형차의 충격 흡수 부재에 있어서 유효하다.

충격 흡수 부재를 본체 및 중판으로 구성하는 경우, 에너지의 흡수를 주로 본체가 담당하고 보조적으로 중판이 담당한다. 이 때문에 중판의 판 두께는 본체의 판 두께보다 얇다. 또는 특허문헌 1의 구성예에서 나타낸 바와 같이 중판의 판 두께는 본체의 판 두께와 동일하다.

그런데 자동차에서는 연비 향상의 관점에서 부품의 경량화가 요구되고 있다. 이 때문에 충격 흡수 부재에서는, 흡수 에너지를 확보하면서 경량화할 것이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 흡수 에너지를 확보하면서 경량화할 수 있는 충격 흡수 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 충격 흡수 부재를, 흡수 에너지를 확보하면서 경량화하는 방법에 대하여 예의 검토하였다.

충격 흡수 부재를 경량화하기 위해서는 본체의 판 두께를 얇게 하는 것이 생각된다. 그러나 일반적으로 본체의 판 두께를 얇게 하면, 충격 흡수 부재가 충격 하중을 받은 경우, 변형은 면 외 변형(폐쇄된 단면의 외측을 향한 변형)에 지배되어 충격 흡수 에너지는 작아진다.

본 발명자들의 검토 결과, 충격 흡수 부재의 중판을 적절히 설계하면, 중판의 양측에서 위상이 상이한 좌굴 변형을 발생시켜, 변형의 진폭을 작고 파장을 짧게 할 수 있는 것이 가능한 것을 알아내었다. 이것에 의하여, 충격 흡수 부재가 충격 하중을 받은 경우의 변형은 좌굴이 지배적으로 되고, 그 결과, 충격 흡수 부재의 흡수 에너지가 증가할 뿐만 아니라, 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서 본체의 판 두께를 얇게 한 경우에도 흡수 에너지를 확보할 수 있어, 흡수 에너지를 확보하면서 경량화를 행하는 것이 가능해지는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 상기의 지견에 기초하여 이루어진 것이며, 그 요지는 이하와 같다.

[1] 축 방향으로 부하되는 충격 하중을 흡수하는 충격 흡수 부재이며, 상기 충격 흡수 부재는, 금속판으로 구성되고 상기 축 방향과 수직인 단면에서의 형상이 다각 형상인 본체와, 금속판으로 구성되고 상기 본체 내의 중공부에 상기 축 방향을 따라 설치되는 중판을 구비하고, 상기 본체의 상기 다각 형상은 서로 대향하는 1쌍의 긴 변을 갖고, 상기 중판은 상기 본체의 상기 다각 형상의 각 긴 변에 접합되고, 상기 본체의 판 두께가 2㎜ 이하이고, 상기 중판의 판 두께가 상기 본체의 판 두께보다도 두꺼운 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.

[2] 상기 본체의 판 두께가 2.3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 상기 [1]의 충격 흡수 부재.

[3] 상기 본체의 판 두께 t1(㎜), 상기 중판의 판 두께 t2(㎜)가 하기 (1) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 또는 [2]의 충격 흡수 부재.

1.3×t1≤t2 … (1)

[4] 상기 1쌍의 긴 변은 어느 것이나 상기 긴 변의 폭 W1(㎜)이 하기 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 한 항의 충격 흡수 부재.

W1/t1≥20 … (2)

[5] 상기 본체는 1매의 금속판으로 이루어지고, 상기 중판은 상기 본체의 상기 다각 형상의 각 긴 변에 겹치기 용접에 의하여 접합되고, 상기 1쌍의 긴 변은 어느 것이나 상기 중판의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 상기 중판의 판 두께 중심으로부터 상기 긴 변의 양 단부점까지의 상기 긴 변의 폭 방향을 따른 거리 d1a(㎜) 및 d1b(㎜)가 하기 (3) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 한 항의 충격 흡수 부재.

0.5≤d1a/d1b≤2 … (3)

[6] 상기 본체는, 상기 다각 형상의 일부로 되는 제1 금속판, 및 상기 다각 형상의 잔부로 되는 제2 금속판으로 구성되고, 상기 제1 금속판 및 상기 제2 금속판은 상기 다각 형상의 각 긴 변에서 상기 중판과 함께 겹치기 용접에 의하여 접합되고, 상기 1쌍의 긴 변은 어느 것이나 상기 중판의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 상기 중판의 판 두께 중심으로부터 상기 제1 금속판에 있어서의 상기 긴 변의 단부점까지의 상기 긴 변의 폭 방향을 따른 거리 d3a(㎜), 및 상기 중판의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 상기 중판의 판 두께 중심으로부터 상기 제2 금속판에 있어서의 상기 긴 변의 단부점까지의 상기 긴 변의 폭 방향을 따른 거리 d3b(㎜)가 하기 (4) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 한 항의 충격 흡수 부재.

0.5≤(d3a/t1a)/(d3b/t1b)≤2 … (4)

단, t1a(㎜)은 제1 금속판의 판 두께, t1b(㎜)는 제2 금속판의 판 두께이다.

[7] 상기 본체를 구성하는 금속판은 인장 강도 780㎫ 이상의 강판인 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 내지 [6] 중 어느 한 항의 충격 흡수 부재.

[8] 상기 중판을 구성하는 금속판의 영률이 180㎬ 이상인 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 내지 [7] 중 어느 한 항의 충격 흡수 부재.

[9] 자동차의 크래쉬 박스, 또는 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버, 사이드 실 혹은 플로어 크로스 멤버인 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 내지 [8] 중 어느 한 항의 충격 흡수 부재.

본 발명의 충격 흡수 부재는, 중판의 양측에서 위상이 상이한 좌굴 변형이 발생하여, 그 변형의 진폭이 작아짐과 함께 파장이 짧아진다. 이것에 의하여, 충격 흡수 부재의 흡수 에너지가 증가할 뿐만 아니라 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서 본체의 판 두께를 얇게 한 경우에도 흡수 에너지를 확보할 수 있어, 흡수 에너지를 확보하면서 경량화를 행하는 것이 가능해진다.

도 1은 자동차에 있어서의 골격 부재 및 크래쉬 박스의 배치를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 충격 흡수 부재의 구성예를 도시하는 모식도이며, 동 도면의 (a)는 정면도, 동 도면의 (b)는 A-A 단면도이다.
도 3은 중판의 판 두께를 변화시킨 경우의 본체의 판 두께와 단위 질량당 흡수 에너지와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본체가 1매의 금속판으로 이루어지는 경우의 다른 구성예를 도시하는 단면도이며, 동 도면의 (a)는 중판의 직선상부가 본체의 긴 변에 대하여 비수직인 구성예를 도시하고, 동 도면의 (b)는 본체가 사다리꼴상인 구성예를 도시한다.
도 5는 본체가 2장의 금속판으로 이루어지는 경우의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 6은 실시예의 하중과 변위(축 방향 변위)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 충격 흡수 부재의 긴 변면에 있어서의 X 방향의 변위를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명예 1 및 비교예 2에 있어서의 충격 흡수 부재의 긴 변면에 있어서의 X 방향의 변위를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 2는, 본 발명의 충격 흡수 부재의 구성예를 도시하는 모식도이며, (a)는 정면도, (b)는 A-A 단면도이다. 도 2에 도시하는 충격 흡수 부재(10)는 본체(20)와 중판(30)을 구비한다.

본체(20)는 축 방향과 수직인 단면에서의 형상이 다각 형상이다. 도 2의 (b)에 도시하는 본체(20)는 단면 형상이 사각 형상이다. 본체(20)는 단면 형상이 폐쇄되어 있어 통 형상이다.

다각 형상의 각 변은 직선상이며, 인접하는 변과 원호로 접속되어 있다. 또한 다각 형상은 서로 대향하는 1쌍의 긴 변을 갖는다. 여기서 긴 변이란, 다각 형상의 각 변 중 가장 긴 변을 말한다. 도 2의 (b)에 도시하는 본체(20)의 다각 형상에서는, 제1 긴 변(20a) 및 제2 긴 변(20b)이 1쌍의 긴 변에 해당한다. 제1 긴 변(20a) 및 제2 긴 변(20b)은 그것들 이외의 변에 비하여 길다.

긴 변에 있어서, 금속판은 연속되어 있을 필요는 없으며, 도중에 접속부를 포함해도 된다. 도 2의 (b)에서는, 제2 긴 변(20b)은 연속된 금속판으로 이루어지지만, 제1 긴 변(20a)은 금속판이 긴 변 상에서 연속되어 있지 않으며, 도중에 접속부를 포함한다. 본 발명의 다각 형상은 이와 같은 구성이어도 된다.

중판(30)은 본체(20) 내의 중공부에 축 방향을 따라 설치된다. 그 중판(30)은, 본체(20)와 접합되는 2개소의 에지부와, 그것들 양 에지부 사이에 설치되는 직선상부를 가지며, 양쪽 에지부와 직선상부는 각각 원호로 접속된다.

또한 중판(30)은 본체의 다각 형상의 각 긴 변(20a, 20b)에 접합된다. 구체적으로는, 본체(20)가 형성하는 다각 형상의 제1 긴 변(20a)의 중간으로부터 제2 긴 변(20b)의 중간에 이르도록 설치된다. 도 2의 (b)에 도시하는 충격 흡수 부재에서는, 중판(30)의 양 에지부가 다각 형상의 제1 긴 변(20a)의 중간 및 다각 형상의 제2 긴 변(20b)의 중간에서 본체(20)와 겹침되어 용접된다.

이러한 구성예를 채용할 수 있는 본 실시 형태의 충격 흡수 부재에서는, 본체(20)의 판 두께는 2.3㎜ 이하이고, 중판(30)의 판 두께는 본체(20)의 판 두께보다 두껍다.

중판(30)의 판 두께를 본체(20)의 판 두께보다 두껍게 함으로써, 충격 흡수 부재에 충격 하중이 가해진 때의 본체의 면 외 변형을 억제하여 연속적인 좌굴 변형을 발생시킬 수 있으므로, 본체(20)의 판 두께를 얇게 하더라도 흡수 에너지를 크게 할 수 있다.

도 3은, 중판의 판 두께를 변화시킨 경우의 본체의 판 두께와 단위 질량당 흡수 에너지와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서의 중판의 판 두께가 2㎜인 경우에는, 그 시험을 후술하는 실시예의 본 발명예에 준거하여 행하였다. 또한 중판의 판 두께가 1㎜인 경우에는, 그 시험을 후술하는 실시예의 비교예 1에 준거하여 행하였다. 중판 없음의 경우에는 그 시험을, 중판을 형성하지 않고 후술하는 실시예의 비교예 2에 준거하여 행하였다. 어느 경우에도 본체의 판 두께를 0.8 내지 2.0㎜의 범위에서 변화시켰다. 도 3에 나타내는 단위 질량당 흡수 에너지(단위 없음)는, 단위 질량당 흡수 에너지(kJ/㎏)를 본체의 판 두께를 0.8㎜로 하고, 중판을 설치하지 않는 경우의 단위 질량당 흡수 에너지(kJ/㎏)로 나눈 것이다. 즉, 본체의 판 두께를 0.8㎜로 하고, 중판을 설치하지 않는 경우의 단위 질량당 흡수 에너지를 기준으로 하여, 상대값으로 나타낸다.

도 3으로부터, 단위 질량당 흡수 에너지는 중판의 판 두께에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 중판의 판 두께가 두꺼울수록 단위 질량당 흡수 에너지가 커진다. 즉, 중판의 판 두께를 증가시키면 단위 질량당 흡수 에너지를 향상시킬 수 있다.

그러나 중판의 판 두께가 증가하면 충격 흡수 부재의 질량이 커지므로, 질량의 증가와 흡수 에너지의 향상의 균형을 고려하여 본체와 중판의 판 두께를 결정하면 된다. 질량의 증가와 흡수 에너지의 향상의 균형을 고려하면, 본체의 판 두께 t1, 중판의 판 두께 t2가 하기 (1) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

1.3×t1≤t2 … (1)

계속해서, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재의 변형 거동을 종래의 충격 흡수 부재의 변형 거동과 대비하면서 설명한다.

본 실시 형태의 충격 흡수 부재는, 축 방향으로 주름 상자상으로 수축하는 주기적인 좌굴 변형에 의하여 충격 하중을 흡수한다. 구체적으로는, 도 2에 도시하는 충격 흡수 부재이면, 중판과의 접합부(겹치기 용접부)를 포함하는 본체의 긴 변(면, 부호:20a, 20b)이, 그 긴 변(면)과 수직인 방향(도 2의 X 방향)으로 변위가 발생하도록 변형됨으로써, 주름 상자상으로 변형된다.

도 7은, 종래의 충격 흡수 부재의 긴 변면에 있어서의 X 방향의 변위를 나타내는 도면이며, 후술하는 비교예 1의 시험 결과를 나타내는 도면이다. 비교예 1에서는, 본체의 판 두께를 0.8㎜, 중판의 판 두께를 1.0㎜로, 본체의 판 두께와 중판의 판 두께를 동일한 정도로 하였다. 도 7에는 비교예 2의 시험 결과를 함께 나타내고 있다. 비교예 2는 중판을 설치하지 않은 예이다. 도 7에 나타내는 X 방향 변위는 긴 변면에 있어서의 변위이며, 그 긴 변면 중에서 중판의 양측{도 2의 (a)의 P1 및 P2)에 대하여 각각 나타내고 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 종래의 충격 흡수 부재(비교예 1)에서는, 변위에 의한 파형(좌굴의 주기)이 중판의 양측(P1, P2)로 동위상으로 된다. 여기서, 종래의 충격 흡수 부재에서는 중판의 판 두께가 본체의 판 두께보다 얇거나 또는 동일한 정도이다. 이 때문에 중판의 강성이 본체의 강성과 비교하여 낮아지고, 그 결과, 변위에 의한 파형이 중판의 양측에서 동위상으로 된다.

또한 중판은 본체의 긴 변면에 추종하도록 변형된다. 이 때문에, 종래의 충격 흡수 부재에서는, 중판을 설치하고 있지 않은 경우(도 7의 비교예 2)와 파장이 동일한 정도로 된다. 그 결과, 중판을 설치함으로써 흡수 에너지는 증가하지만, 단위 질량당 흡수 에너지는 대체로 변화되지 않는다.

또한 비교예 1은 본체의 판 두께가 0.8㎜, 중판의 판 두께가 1.0㎜이며, 엄밀하게는 중판의 판 두께는 본체의 판 두께와 비교하여 약간 두껍다. 이와 같이 중판의 판 두께가 본체의 판 두께와 동일한 정도의 경우의 변형 거동은 시험 결과를 생략하지만, 종래의 충격 흡수 부재, 즉, 중판의 판 두께가 본체의 판 두께와 비교하여 얇은 경우 및 중판의 판 두께가 본체의 판 두께와 동일한 경우와 마찬가지이다.

도 8은, 본 발명에 따른 충격 흡수 부재에 있어서의 X 방향의 변위를 나타내는 도면이며, 후술하는 본 발명예 1의 시험 결과를 나타내는 도면이다. 본 발명예 1에서는, 본체의 판 두께를 0.8㎜, 중판의 판 두께를 2.0㎜로, 중판의 판 두께를 본체보다 두껍게 하였다. 도 8에는 비교예 2의 시험 결과를 함께 나타내고 있다. 비교예 2는 중판을 설치하지 않은 예이다. 도 8에 나타내는 X 방향 변위는 본체의 긴 변면에 있어서의 변위이며, 그 긴 변면 중에서 중판의 양측{도 2의 (a)의 P1 및 P2}에 대하여 각각 나타내고 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재에서는 변위에 의한 파형의 일부가 중판의 양측에서 역위상으로 된다. 이는, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재에서는, 중판의 판 두께가 본체의 판 두께보다 두꺼운 점에서, 중판의 강성이 높은 것에 의존한다.

이 때문에 중판은 본체의 긴 변면에 추종하도록 변형되지만, 그 변형은 대폭 저감된다. 이 경우, 본체의 긴 변면은 중판의 양측에서 각각 독립적으로 변형되는 것이 가능해진다. 그 결과, 본체의 긴 변면의 일부는 중판의 양측에서 역위상으로 되도록 변형된다. 또한 중판을 설치하고 있지 않은 경우(도 8의 비교예 2)와 비교하여, 변위에 의한 파형의 진폭이 작아짐과 함께 파장이 짧아진다. 이들로부터, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재는, 흡수 에너지가 증가할 뿐만 아니라 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재는 단위 질량당 흡수 에너지도 증가시킬 수 있으므로, 본체의 판 두께를 얇게 한 경우에도 흡수 에너지를 확보할 수 있다. 이 때문에 흡수 에너지를 확보하면서 경량화를 행하는 것이 가능해진다.

본체(20)의 판 두께 t1 및 중판(30)의 판 두께 t2가 상기 (1) 식을 만족시키면, 즉, 판 두께 t2가 (1.3×t1) 이상이면, 본체에 대한 중판의 강성을 확보할 수 있다. 이 때문에, 도 8을 참조하면서 설명한 바와 같은 변형 거동이 발생하여 흡수 에너지가 증가할 뿐만 아니라, 단위 질량당 흡수 에너지도 증가시킬 수 있다. 이 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시키는 효과를 향상시키는 관점에서 판 두께 t2는 (1.4×t1) 이상으로 하는 것이 바람직하고, (1.5×t1) 이상으로 하는 것이 더 바람직하다.

한편, 중판의 판 두께를 두껍게 하는 것에 의한 효과는, 판 두께 t2가 (8×t1)을 초과하면 포화되는 경향을 갖는다. 이 때문에 판 두께 t2는 (8×t1) 이하로 하는 것이 바람직하고, (5×t1) 이하로 하는 것이 더 바람직하다.

도 3을 이용하여 설명한 바와 같이, 본체의 판 두께가 얇을수록, 중판의 판 두께 증가에 의하여 단위 질량당 흡수 에너지가 향상되는 효과가 크다. 부품의 경량화의 관점에서 본체의 판 두께는 2.3㎜ 이하가 바람직하고, 2.0㎜ 이하가 더 바람직하며, 1.6㎜ 이하가 더욱 바람직하다.

본체는 축 방향과 수직인 단면에서의 형상이 다각 형상이다. 예를 들어 상술한 구성예와 같이 사각 형상으로 할 수 있다. 사각 형상으로 하는 경우, 직사각 형상이나 사다리꼴상, 평행사변형 형상으로 해도 된다. 또한 사각 형상 이외의 다각형 형상으로 할 수 있으며, 예를 들어 육각 형상으로 해도 된다.

1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 긴 변의 폭 W1(㎜)이 하기 (2) 식을 만족시키는 것이 바람직하다(도 2의 (b) 참조). 본 실시 형태에 있어서, 「긴 변의 폭 W1」은 능선부를 제외한 직선상의 부분 길이를 의미한다.

W1/t1≤20 … (2)

본체의 1쌍의 긴 변은 어느 것이나 중판이 접합된다. 그들 긴 변의 폭 W1이 어느 것이나 본체의 판 두께 t1에 대한 비율(W1/t1)로 20 이상이면, 본체의 긴 변면이 변형될 때 중판의 양측에서 각각 독립적으로 변형되기 위한 폭을 충분히 확보할 수 있다. 이 때문에, 본 실시 형태에 의한 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시키는 효과가 안정된다. 그 효과를 더 안정시키는 관점에서 W1/t1은 25 이상으로 하는 것이 더 바람직하다.

한편, W1/t1은, 200을 초과하면, 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시키는 효과가 포화된다. 이 때문에 W1/t1은 200 이하로 하는 것이 바람직하다.

본체와 중판의 접합은, 충돌 시에 본체와 중판이 분리되지 않고 일체로 변형 가능한 한 다양한 방법에 의하여 행할 수 있으며, 예를 들어 겹치기 용접을 채용할 수 있다. 이 경우, 예를 들어 연속 용접이나 소정 피치로의 스폿 용접을 채용할 수 있다.

본체는, 예를 들어 단일의 금속판으로부터 제작할 수 있다. 이 경우, 금속판을 단면이 다각형 형상으로 되도록 구부려서, 상기 도 2에 도시한 바와 같이 그 양단부를 중판과 함께 겹치기 용접하면 된다.

이와 같이 본체(20)가 1매의 금속판으로 이루어짐과 함께, 겹치기 용접으로 접합하는 경우, 1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 중판(30)의 판 두께 중심 C로부터 긴 변(20a, 20b)의 양 단부점까지의 긴 변(20a, 20b)의 폭 방향을 따른 거리 d1a(㎜) 및 d1b(㎜)가 하기 (3) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.

0.5≤d1a/d1b≤2 … (3)

d1a(㎜) 및 d1b(㎜)에 대하여, 중판의 직선상부가 본체의 긴 변에 대하여 비수직인 구성예나 본체가 사다리꼴상인 구성예를 참조하면서 설명한다.

도 4는, 본체가 1매의 금속판으로 이루어지는 경우의 다른 구성예를 도시하는 단면도이며, (a)는 중판의 직선상부가 본체의 긴 변에 대하여 비수직인 구성예, (b)는 본체가 사다리꼴상인 구성예이다. (a)에 도시하는 구성예에서는 본체(20)의 단면 형상이 직사각 형상이다. 한편, 중판(30)은 그 직선상부가 본체의 긴 변에 대하여 비수직이다. (b)에 도시하는 구성예에서는 본체가 사다리꼴상이며, 중판(30)이, 그 직선상부가 본체의 긴 변에 대하여 비수직이다.

도 2의 (b), 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 거리 d1a 및 거리 d1b는, 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 중판(30)의 판 두께 중심 C로부터 긴 변(20a, 20b)의 양 단부점까지의 거리이다. 이러한 거리 d1a 및 거리 d1b는 어느 것이나 긴 변(20a, 20b)의 폭 방향의 거리이다. 달리 말하면, 거리 d1a 및 거리 d1b는, 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 중판(30)의 판 두께 중심 C로부터 긴 변(20a, 20b)의 판 두께 중심선에 수선을 긋고, 그 수선과 긴 변(20a, 20b)의 판 두께 중심선과의 교점으로부터 긴 변(20a, 20b)의 양 단부점까지의 직선 거리이다.

본 실시 형태에 있어서 「중판의 폭 방향의 중앙 위치」는, 중판 중에서 직선상부의 폭 방향의 중앙 위치를 의미한다. 또한 본 실시 형태에 있어서 「긴 변의 단부점」은, 능선부를 제외한 직선상의 부분의 단부점을 의미한다.

(3) 식을 만족시킴으로써, 본체의 긴 변에 관한 거리(d1a, d1b)가 어느 것이나 적합해져, 본체의 긴 변면이 변형될 때 중판의 양측에서 각각 독립적으로 변형되기 위한 폭을 충분히 확보할 수 있다. 이 때문에, 본 실시 형태에 의한 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시키는 효과가 안정된다.

본체는 2매의 금속판을 겹치기 용접함으로써 제작할 수도 있으며, 이 경우, 2매의 금속판의 판 두께가 상이해도 된다.

도 5는, 본체가 2장의 금속판으로 이루어지는 경우의 구성예를 모식적으로 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시하는 본체(20)는 제1 금속판(21)과 제2 금속판(22)으로 이루어진다. 제1 금속판(21)은 다각 형상의 일부로 되고, 제2 금속판(22)은 다각 형상의 잔부로 된다. 달리 말하면, 본체(20)는 각 긴 변(20a, 20b)의 중간에서, 즉, 중판(30)이 용접되는 부위에서 제1 금속판(21)과 제2 금속판(22)의 2개로 분할된다. 이 때문에, 겹치기 용접되는 부위에서는 본체의 제1 금속판(21) 및 제2 금속판(22)이 중판(30)과 함께 겹침된 상태에서 용접된다.

이와 같이 본체가 겹치기 용접된 2장의 금속판으로 이루어지고, 또한 2매의 금속판의 판 두께가 상이한 경우, 상술한 본 실시 형태의 변형 거동을 얻기 위하여 2매의 금속판 중 어느 것의 판 두께도 (1) 식을 만족시킬 필요가 있다. 또한 중판의 판 두께 t2는, 본체의 2매의 금속판 중 어느 것에 대해서도 (1.4×t1) 이상인 것이 바람직하고, (1.5×t1) 이상인 것이 더 바람직하다. 한편, 중판의 판 두께 t2는, 본체의 2매의 금속판 중 어느 것에 대해서도 (8×t1) 이하인 것이 바람직하고, (5×t1) 이하인 것이 더 바람직하다. 또한 본체는, 2매의 금속판 중 어느 것의 판 두께도 2.3㎜ 이하인 것이 바람직하고, 1.6㎜ 이하인 것이 더 바람직하다.

본체가 겹치기 용접된 2장의 금속판으로 이루어지는 경우, 1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 거리 d3a(㎜) 및 거리 d3b(㎜)가 하기 (4) 식을 만족시키는 것이 바람직하다. 여기서 거리 d3a는, 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 중판(30)의 판 두께 중심으로부터 제1 금속판(21)에 있어서의 긴 변(20a, 20b)의 단부점까지의 거리이다. 또한 거리 d3b는, 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 중판(30)의 판 두께 중심으로부터 제2 금속판(22)에 있어서의 긴 변(20a, 20b)의 단부점까지의 거리이다. 이들 거리 d3a 및 거리 d3b는 어느 것이나 긴 변(20a, 20b)의 폭 방향의 거리이다(도 5 참조).

0.5≤(d3a/t1a)/(d3b/t1b)≤2 … (4)

(4) 식을 만족시킴으로써, 본체의 긴 변에 관한 거리(d3a, d3b)가 어느 것이나 적합해져, 본체의 긴 변면이 변형될 때 중판의 양측에서 각각 독립적으로 변형되기 위한 폭을 충분히 확보할 수 있다. 이 때문에, 본 실시 형태에 의한 단위 질량당 흡수 에너지를 증가시키는 효과가 안정된다.

본체에 사용되는 금속판은 특별히 한정되는 것은 아니다. 본체로서 인장 강도 780㎫ 이상의 강판을 사용하면, 자동차용의 충격 흡수 부재로서 사용하는 경우에 강도면에서 유리하고, 인장 강도 980㎫ 이상의 강판을 사용하면 더욱 유리하다.

중판에 사용되는 금속판은 특별히 한정되는 것은 아니다. 중판으로서 영률 180㎬ 이상의 금속판을 사용하면, 본체의 면 외 변형을 억제하는 데 있어서 바람직하다.

본 실시 형태의 충격 흡수 부재는, 자동차나 철도, 선박 등의 수송 기계에 있어서의 충격 흡수 부재로서 사용할 수 있다. 더 구체적으로는, 자동차의 충격 흡수 부재로서 사용하는 경우이면 크래쉬 박스 또는 골격 부재에 사용할 수 있다. 골격 부재의 경우, 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버, 사이드 실 또는 플로어 크로스 멤버에 사용할 수 있다.

실시예

본 실시 형태의 충격 흡수 부재에 의한 효과를 확인하기 위하여 충격 시험을 행하였다.

본 시험에서는 낙추식 충격 시험을 모의한 해석을 행하였다. 구체적으로는, 도 2에 도시하는 형상의 충격 흡수 부재를, 그 축 방향을 연직 방향을 따라 배치한 상태에서 질량 700㎏의 충돌체를 높이 13.8m에서 낙하시킴으로써 충격 흡수 부재의 일단부에 충돌시켰다. 그때, 충돌체의 축 방향의 하중과 축 방향의 변위를 산출하고 하중과 변위의 관계를 구하였다. 또한 충격 시험 후의 충격 흡수 부재의 긴 변면 중의 한쪽에 대하여, 그 용접부를 포함하는 면과 수직인 방향(X 방향)의 변위를 구하였다. X 방향의 변위는 중판의 양측, 구체적으로는 도 2의 (a)의 P1 및 P2 위치에서 구하였다.

충격 흡수 부재(10)는 축 방향의 길이를 300㎜로 하였다. 본체(20)는 단면 형상이 직사각 형상이었다. 1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 W1이 128㎜, d1a가 56.6㎜, d1b가 83.4㎜, 대향하는 긴 변 사이의 거리를 70㎜로 하였다. 또한 직사각 형상의 긴 변과 짧은 변을 연결하는 능선부는 어느 것이나 반경 6㎜의 원호로 하였다. 중판(30)은, 그 중의 본체(20)의 짧은 변과 평행으로 배치되는 부분이, 대향하는 짧은 변의 중앙에 위치하도록 설치하였다. 본체(20) 및 중판(30)은 어느 것이나 인장 강도가 980㎫급인 강판을 사용하였다.

본체(20)와 중판(30)의 용접부는 스폿 용접을 모의한 경계 조건을 설정하고, 더 구체적으로는 직경 5㎜의 스폿 용접을 45㎜ 피치로 행한 경우를 모의하여 경계 조건을 설정하였다.

본 발명예에서는 본체(20)의 판 두께를 0.8㎜, 중판(30)의 판 두께를 2㎜로 하였다. 비교예 1에서는 본체(20)의 판 두께를 0.8㎜, 중판(30)의 판 두께를 1㎜로 하였다. 비교예 2에서는 중판(30)을 형성하지 않고 본체(20)의 판 두께를 0.8㎜로 하였다.

도 6은, 실시예의 하중과 변위(축 방향 변위)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6에서는 하중(kN)을 단위 질량당 하중(kN/㎏)으로 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 변형 초기에서 변위가 10㎜ 정도 미만인 경우에는 본 발명예 및 비교예에서 하중이 동일한 정도이지만, 변위가 10㎜ 이상인 경우에는 본 발명예의 하중이 비교예 1 및 2보다도 대부분에서 높다. 즉, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재는 에너지 흡수 효율이 우수한 것이 밝혀졌다.

도 7은, 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 충격 흡수 부재의 긴 변면에 있어서의 X 방향의 변위를 나타내는 도면이다. 도 7로부터, 비교예 1에서는 변위에 의한 파형은 중판의 양측에서 동위상이었다. 또한 비교예 1에서는 중판을 설치하지 않는 비교예 2과 파장이 동일한 정도로 되었다.

도 8은, 본 발명예 1 및 비교예 2에 있어서의 충격 흡수 부재의 긴 변면에 있어서의 X 방향의 변위를 나타내는 도면이다. 도 8로부터, 본 발명예에서는 변위에 의한 파형의 일부가 중판의 양측에서 역위상으로 되었다. 또한 중판을 설치하고 있지 않은 경우(도 8의 비교예 2)와 비교하여 진폭이 작아짐과 함께 파장이 짧아졌다.

이와 같이, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재는 중판의 양측에서 위상이 상이한 좌굴 변형이 발생하고, 그 변형의 진폭이 작아짐과 함께 파장이 짧아졌다. 이것에 의하여, 본 실시 형태의 충격 흡수 부재는 에너지 흡수 효율이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 충격 흡수 부재는 흡수 에너지를 확보하면서 경량화할 수 있다. 이 때문에, 자동차의 크래쉬 박스나 골격 부재에 적용하면 연비의 향상에 크게 기여할 수 있다.

1a, 1b: 크래쉬 박스
2: 프론트 사이드 멤버
3: 리어 사이드 멤버
4, 4': 플로어 크로스 멤버
5: 범퍼 레인포스먼트
6: 센터 필러
7: 사이드 실
10: 충격 흡수 부재
10a: 용접 위치
20: 본체
20a: 제1 긴 변
20b: 제2 긴 변
21: 제1 금속판
22: 제2 금속판
30: 중판

Claims

축 방향으로 부하되는 충격 하중을 흡수하는 충격 흡수 부재(10)이며,
상기 충격 흡수 부재(10)는,
금속판으로 구성되고, 상기 축 방향과 수직인 단면에서의 형상이 다각 형상인 본체(20)와,
금속판으로 구성되고, 상기 본체 내의 중공부에 상기 축 방향을 따라 설치되는 중판(30)
을 구비하고,
상기 본체(20)의 상기 다각 형상은 서로 대향하는 1쌍의 긴 변(20a, 20b)을 갖고,
상기 중판(30)은 상기 본체(20)의 상기 다각 형상의 각 긴 변(20a, 20b)에 접합되고,
상기 본체(20)의 판 두께 t1(㎜), 상기 중판(30)의 판 두께 t2(㎜)가 하기 (1) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
1.3×t1≤t2 … (1)
제1항에 있어서,
상기 본체(20)의 판 두께가 2.3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 상기 긴 변의 폭 W1(㎜)이 하기 (2) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
W1/t1≥20 … (2)
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 본체(20)는 1매의 금속판으로 이루어지고,
상기 중판(30)은 상기 본체의 상기 다각 형상의 각 긴 변(20a, 20b)에 겹치기 용접에 의하여 접합되고,
상기 1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 상기 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 상기 중판(30)의 판 두께 중심으로부터 상기 긴 변(20a, 20b)의 양 단부점까지의 상기 긴 변(20a, 20b)의 폭 방향을 따른 거리 d1a(㎜) 및 d1b(㎜)가 하기 (3) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
0.5≤d1a/d1b≤2 … (3)
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 본체(20)는, 상기 다각 형상의 일부로 되는 제1 금속판(21), 및 상기 다각 형상의 잔부로 되는 제2 금속판(22)으로 구성되고,
상기 제1 금속판(21) 및 상기 제2 금속판(22)은 상기 다각 형상의 각 긴 변(20a, 20b)에서 상기 중판(30)과 함께 겹치기 용접에 의하여 접합되고,
상기 1쌍의 긴 변(20a, 20b)은 어느 것이나 상기 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 상기 중판(30)의 판 두께 중심으로부터 상기 제1 금속판(21)에 있어서의 상기 긴 변(20a, 20b)의 단부점까지의 상기 긴 변(20a, 20b)의 폭 방향을 따른 거리 d3a(㎜), 및 상기 중판(30)의 폭 방향의 중앙 위치에 있어서의 상기 중판(30)의 판 두께 중심으로부터 상기 제2 금속판(22)에 있어서의 상기 긴 변(20a, 20b)의 단부점까지의 상기 긴 변(20a, 20b)의 폭 방향을 따른 거리 d3b(㎜)가 하기 (4) 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
0.5≤(d3a/t1a)/(d3b/t1b)≤2 … (4)
단, t1a(㎜)은 제1 금속판(21)의 판 두께, t1b(㎜)는 제2 금속판(22)의 판 두께이다.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 본체(20)를 구성하는 금속판은 인장 강도 780㎫ 이상의 강판인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 중판(30)을 구성하는 금속판의 영률이 180㎬ 이상인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
자동차의 크래쉬 박스, 또는 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버, 사이드 실 혹은 플로어 크로스 멤버인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부재.
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