KR102025153B1 - 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔은 중공형 금속봉(1); 및 상기 중공형 금속봉(1)의 중공 내부에 끼워져있는 섬유체/수지 복합재료봉(2);으로 구성된다.
본 발명은 충격이 직접적으로 집중되게 가해지는 임팩트 빔의 외부를 금속재질로 구성하여 연성특성을 향상시킴과 동시에 임팩트 빔의 내부를 섬유체/수지 복합재료로 구성하여 굽힘강도 및 탄성력을 높힘과 동시에 경량화도 구현한다.

Description

자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔{Hybrid impact beam for car door}

본 발명은 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔(Impact beam)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 중공형 금속봉 내에 섬유체/수지 복합재료봉이 끼워져 연성특성 및 내충격성이 우수함과 동시에 경량화된 자동차 도어용 임팩트 빔에 관한 것이다.

자동차 도어용 임팩트 빔은 자동차 도어내의 프레임에 지지, 설치되어 자동차의 측면 충돌시 충격에너지를 흡수, 차단하여 자동차 탑승자를 보호하는 역할을 한다.

이하, 본 발명에서는 섬유 또는 직물 등의 섬유체에 열경화성 수지가 함침된 프리프레그(prepreg)를 경화시킨 것을 섬유체/수지 복합재료라고 통칭한다.

종래 자동차 도어용 임팩트 빔으로는 중공 금속봉이 널리 사용되어 왔으나, 상기 중공 금속봉은 무게가 무거워 자동차의 연비가 떨어지는 문제가 있었다.

또 다른 종래의 자동차 도어용 충격흡수봉(임팩트 빔)으로서 대한민국 공개 실용신안 제1996-21081호에서는 유리섬유로 강화된 수지인 유리섬유 고분자 복합재료(유리섬유 프리프레그) 및 탄소섬유로 강화된 수지인 탄소섬유 고분자 복합재료(탄소섬유 프리프레그)로 제작된 충격흡수환봉의 중앙 또는 좌우 양측에 상기 유리섬유 프리프레그 및 탄소섬유 프리프레그로 제작된 충격흡수보강봉을 형성시킨 임팩트 빔을 게재하고 있다.

그러나, 상기 임팩트 빔은 금속재료를 포함하지 않고 모두 프리프레그 소재로만 구성되기 때문에 무게가 가벼워 자동차의 연비는 향상시킬 수 있지만 진동감쇄특성이 낮은 유리섬유 및 탄소섬유만 포함하기 때문에 내충격성이 저하되어 임팩트 빔의 고유기능이 떨어지는 문제가 있었다.

또 다른 종래의 자동차 도어용 충격흡수봉(임팩트 빔)으로서 대한민국 공개특허 제10-2010-26005호에서는 (ⅰ) 중공형 알루미늄 봉과, (ⅱ) 상기 중공형 알루미늄 봉 위에 일방향 탄소섬유 강화 복합재료가 적층된 중간 흡수봉 및, (ⅲ) 상기 중간 흡수봉 위에 직물형 탄소섬유 강화 복합재료가 적층된 외부 흡수봉으로 이루어진 임팩트 빔을 게재하고 있다.

또 다른 종래의 자동차 도어용 임팩트 빔으로서 대한민국 출원특허 제10-2012-0084391호에서는 (ⅰ) 강철봉과 (ⅱ) 상기 강철봉 위에 아라미드 섬유를 포함하는 프리프레그들이 적층된 구조를 갖는 보강층으로 구성되는 자동차 도어용 임팩트 빔을 제안하고 있다.

그러나, 상기 종래기술의 경우에는 충격이 직접 가해지는 임팩트 빔의 외부가 금속재질이 아닌 탄소섬유 강화 복합재료나 아라미드 섬유 강화 복합재료로 이루어지기 때문에 연성특성이 현저하게 저하되어 임팩트 빔에 가해지는 하중에 대한 굽힘강도가 현저하게 저하되는 문제가 있었다.

본 발명의 과제는 국부하중에 대한 굽힘강도가 특히 우수함과 동시에 무게가 가벼워 자동차의 연비를 향상시키고, 또한 자동차 측면 충돌시 내충격성도 우수한 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔을 제공하는 것이다.

이와 같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 자동차 도어용 임팩트 빔을 중공형 금속봉(1); 및 상기 중공형 금속봉(1)의 중공 내부에 끼워져있는 섬유체/수지 복합재료봉(2);으로 구성한다.

다시 말해, 본 발명은 충격이 직접적으로 집중되게 가해지는 임팩트 빔의 외부를 금속재질로 구성하여 연성특성을 향상시킴과 동시에 임팩트 빔의 내부를 섬유체/수지 복합재료로 구성하여 굽힘강도 및 탄성력을 높힘과 동시에 경량화도 구현한다.

본 발명은 충격이 직접적으로 집중되게 가해지는 임팩트 빔의 외부를 금속재질로 구성하여 연성특성을 향상시킴과 동시에 임팩트 빔의 내부를 섬유체/수지 복합재료로 구성하여 굽힘강도 및 탄성력을 높힘과 동시에 경량화도 구현할 수 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 자동차 도어용 임팩트 빔의 단면 개략도.
도 3은 본 발명에 선택적으로 포함되는 하이브리드 섬유/수지 복합재료의 평면 개략도.

이하, 첨부한 도면등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 자동차 도어용 임팩트 빔은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 중공형 금속봉(1); 및 상기 중공형 금속봉(1)의 중공 내부에 끼워져있는 섬유체/수지 복합재료봉(2);으로 구성된다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 단면 개략도이다.

상기 중공형 강철봉(1)은 내부에 중공부를 갖는 중공형태이다.

상기 섬유체/수지 복합재료봉(2)은 도 1에 도시된 바와 같이 내부가 중공형태일 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 내부가 채워져 있는 형태일 수도 있다.

본 발명에 따른 상기 하이브리드 임펙트 빔은 중공형 강철봉(1)과 섬유체/수지 복합재료봉(2)을 각각 따로 제조한 후, 압입공정을 거쳐 상기 섬유체/수지 복합재료봉(2)을 강철봉(1) 내에 끼워 넣은 후 접착하여 제조할 수 있다.

상기 섬유체/수지 복합재료봉(2)은 섬유체/수지 복합재료봉(2)은 (ⅰ) 일방향으로 배열되어 있는 아라미드 섬유와 열경화성 수지로 이루어진 아라미드 섬유/수지 복합재료, (ⅱ) 아라미드 직물과 열경화성 수지로 이루어진 아라미드 직물/수지 복합재료, (ⅲ) 일방향으로 배열되어 있는 탄소섬유와 열경화성 수지로 이루어진 탄소섬유/수지 복합재료, (ⅳ) 탄소섬유 직물과 열경화성 수지로 이루어진 탄소섬유 직물/수지 복합재료, (ⅴ) 일방향으로 교호로 배열되어 있는 아라미드 섬유 및 탄소섬유와 열경화성 수지로 이루어진 하이브리드 섬유/ 수지 복합재료 및 (ⅵ) 아라미드 직물 및 탄소섬유 직물과 열경화성 수지로 이루어진 하이브리드 직물/수지 복합재료 등으로 구성된다.

아라미드 섬유/수지 복합재료는 일방향으로 배열되어 있는 아라미드 섬유 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

아라미드 직물/수지 복합재료는 아라미드 직물 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

탄소섬유/수지 복합재료는 일방향으로 배열되어 있는 탄소섬유 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

탄소섬유 직물/수지 복합재료는 탄소섬유 직물 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

하이브리드 섬유/수지 복합재료는 도 3에 도시된 바와 같이 일방향으로 교호 배열되어 있는 아라미드 섬유 및 탄소섬유(총량기준) 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

도 3은 상기 하이브리드 섬유/수지 복합재료의 평면 개략도이다.

하이브리드 직물/수지 복합재료는 아라미드 직물 및 탄소섬유 직물(총량기준) 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 아라미드 섬유/수지 복합재료를 구성하는 아라미드 섬유의 일방향이 자동차 도어용 임팩트 빔의 길이방향과 일치하는 것이 바람직하다.

상기 탄소섬유/수지 복합재료를 구성하는 탄소섬유의 일방향이 자동차 도어용 임팩트 빔의 길이방향과 일치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하이브리드 섬유/수지 복합재료를 구성하는 아라미드 섬유 및 탄소섬유의 일방향이 자동차 도어용 임팩트 빔의 길이방향과 일치하는 것이 바람직하다.

상기 아라미드 섬유/수지 복합재료 또는 하이브리드 섬유/수지 복합재료를 구성하는 아라미드 섬유의 섬도는 500~3,000데니어이고, 상기 하이브리드 섬유/수지 복합재료 및 탄소섬유/수지 복합재료를 구성하는 탄소섬유의 섬도는 300~30,000데니어인 것이 바람직하다.

다음으로는, 실시예 등을 통해 본 발명에 따른 자동차 도어의 임팩트 빔을 제조하는 방법등을 구체적으로 살펴본다.

그러나 본 발명의 보호범위는 후술하는 실시예들로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

맨드럴 위에 1,500데니어의 아라미드 섬유들과 2,000데니어의 탄소섬유들이 일방향으로 교호로 배열되어 있으며 상기 아라미드/탄소섬유(총량기준) 35중량%와 에폭시 수지 65중량%로 구성되어 두께가 200㎛인 하이브리드 섬유/수지 프리프레그를 10회 감은 후, 이를 열풍 오븐에서 상기 에폭시 수지를 경화시켜 직경이 4.99㎝인 중공형 하이브리드 섬유/수지 복합재료봉(2)을 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 중공형 하이브리드 섬유/수지 복합재료봉(2)을 직경이 5㎝인 중공형 강철봉(1) 내부에 압입시킨 후 접착하여 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔을 제조하였다.

이와 같이 제조된 임팩트 빔의 평균반력(충격에너지 흡수성능)을 미연방자동차안전규정(Federal Motor Vehicle Safety Standard)의 측면충돌 시험방법으로 측정한 결과는 19.4kN 이였다.

실시예 2

맨드럴 위에 1,500데니어의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열되어 있으며 상기 아라미드 섬유 35중량%와 에폭시 수지 65중량%로 구성되어 두께가 200㎛인 아라미드 섬유/수지 프리프레그를 10회 감은 후, 이를 열풍 오븐에서 상기 에폭시 수지를 경화시켜 직경이 4.99㎝인 중공형 아라미드 섬유/수지 복합재료봉(2)을 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 중공형 아라미드 섬유/수지 복합재료봉(2)을 직경이 5㎝인 중공형 강철봉(1) 내부에 압입시킨 후 접착하여 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔을 제조하였다.

이와 같이 제조된 임팩트 빔의 평균반력(충격에너지 흡수성능)을 미연방자동차안전규정(Federal Motor Vehicle Safety Standard)의 측면충돌 시험방법으로 측정한 결과는 19.8kN 이였다.

실시예 3

맨드럴 위에 1,500데니어의 아라미드 섬유들로 제직된 아라미드 직물 35중량%와 에폭시 수지 65중량%로 구성되어 두께가 200㎛인 아라미드 직물/수지 프리프레그를 10회 감은 후, 이를 열풍 오븐에서 상기 에폭시 수지를 경화시켜 직경이 4.99㎝인 중공형 아라미드 직물/수지 복합재료봉(2)을 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 중공형 아라미드 직물/수지 복합재료봉(2)을 직경이 5㎝인 중공형 강철봉(1) 내부에 압입시킨 후 접착하여 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔을 제조하였다.

이와 같이 제조된 임팩트 빔의 평균반력(충격에너지 흡수성능)을 미연방자동차안전규정(Federal Motor Vehicle Safety Standard)의 측면충돌 시험방법으로 측정한 결과는 19.8kN 이였다.

실시예 4

맨드럴 위에 1,500데니어의 아라미드 섬유들과 2,000데니어의 탄소섬유들로 각각 제직된 아라미드 직물/탄소섬유 직물(총량기준) 35중량%와 에폭시 수지 65중량%로 구성되어 두께가 200㎛인 하이브리드 직물/수지 프리프레그를 10회 감은 후, 이를 열풍 오븐에서 상기 에폭시 수지를 경화시켜 직경이 4.99㎝인 중공형 하이브리드 직물/수지 복합재료봉(2)을 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 중공형 하이브리드 직물/수지 복합재료봉(2)을 직경이 5㎝인 중공형 강철봉(1) 내부에 압입시킨 후 접착하여 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔을 제조하였다.

이와 같이 제조된 임팩트 빔의 평균반력(충격에너지 흡수성능)을 미연방자동차안전규정(Federal Motor Vehicle Safety Standard)의 측면충돌 시험방법으로 측정한 결과는 20.5kN 이였다.

비교실시예 1

직경이 3㎝인 강철봉(1)상에 강철봉(1)의 축방향 전체길이에 걸쳐 3,000데니어의 유리섬유 들이 일방향으로 배열되어 있으며 상기 유리섬유 35중량%와 에폭시 수지 65중량%로 구성되어 두께가 200㎛인 유리섬유 프리프레그를 1회 감아주는 공정을 10회 반복실시하였다.

이때, 유리섬유 프리프레그내 유리섬유의 배열방향이 강철봉(1)의 축방향과 일치하도록 하였다.

다음으로, 열풍오븐에서 상기 유리섬유 프리프레그내 에폭시 수지를 경화시켜 자동차 도어용 임팩트 빔을 제조하였다.

이와 같이 제조된 임팩트 빔의 평균반력(충격에너지 흡수성능)을 미연방자동차안전규정(Federal Motor Vehicle Safety Standard)의 측면충돌 시험방법으로 측정한 결과는 11.8kN 이였다.

비교실시예 2

직경이 3㎝인 중공형 강철봉(1)의 중앙부에만 1,500데니어의 아라미드 섬유들과 2,000데니어의 탄소섬유들이 일방향으로 교호 배열되어 있으며 상기 아라미드 섬유/탄소섬유(총량기준) 35중량%와 에폭시 수지 65중량%로 구성되어 두께가 200㎛인 하이브리드 섬유 프리프레그(H)를 1회 감아주는 공정을 10회 반복실시하여 보강층(2)을 형성하였다.

이때, 하이브리드 섬유 프리프레그(H)내 탄소섬유 및 아라미드 섬유의 배열방향이 강철봉(1)의 축방향과 일치하도록 하였다.

다음으로, 열풍오븐에서 상기 하이브리드 섬유 프리프레그(H)내 에폭시 수지를 경화시켜 자동차 도어용 임팩트 빔을 제조하였다.

이와 같이 제조된 임팩트 빔용 평균반력(충격에너지 흡수성능)을 미연방자동차안전규정(Federal Motor Vehicle Safety Standard)의 측면충돌 시험방법으로 측정한 결과는 17.0kN 이였다.

1 : 강철봉
2 : 섬유체/수지 복합재료봉
H : 하이브리드 섬유 프리프레그
H1 : 아라미드가 배열된 부분
H2 : 탄소섬유가 배열된 부분.

Claims (13)

1. 중공형 금속봉(1); 및 상기 중공형 금속봉(1)의 중공 내부에 끼워져있는 섬유체/수지 복합재료봉(2);으로 구성되는 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔으로서,
   상기 섬유체/수지 복합재료봉(2)은, 일방향으로 교호로 배열되어 있는 아라미드 섬유 및 탄소섬유와 열경화성 수지로 이루어진 하이브리드 섬유/수지 복합재료, 또는 아라미드 직물 및 탄소섬유 직물과 열경화성 수지로 이루어진 하이브리드 직물/수지 복합재료로 구성되고,
   상기 하이브리드 섬유/수지 복합재료는, 일방향으로 교호 배열되어 있는 아라미드 섬유 및 탄소섬유(총량기준) 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 이루어지며,
   하이브리드 직물/수지 복합재료는, 아라미드 직물 및 탄소섬유 직물(총량기준) 20~80중량%와 열경화성 수지 80~20중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔.
2. 제1항에 있어서, 섬유체/수지 복합재료봉(2)은 내부가 중공 형태인 것을 특징으로 하는 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔.
3. 제1항에 있어서, 섬유체/수지 복합재료봉(2)은 내부가 채워져 있는 형태인 것을 특징으로 하는 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔.
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13. 제1항에 있어서, 하이브리드 섬유/수지 복합재료를 구성하는 아라미드 섬유 및 탄소섬유의 일방향이 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔의 길이방향과 일치하는 것을 특징으로 하는 자동차 도어용 하이브리드 임팩트 빔.

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