KR102166884B1 - 충격 흡수 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 10 이상의 세장비를 갖는 복수의 세장형 금속 구조체를 포함하는 충격 흡수 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 장치를 사용하는 시스템 및/또는 구성요소에 관한 것이다.

Description

충격 흡수 장치 {SHOCK-ABSORBING DEVICE}

본 발명은 개선된 충격 흡수 장치 및 이러한 충격 흡수 장치를 사용하는 시스템 및/또는 구성요소에 관한 것이다. 용어 "장치"는 그의 가장 넓은 의미로 해석되어야 하며, 유한 및 독립형 장치/충격 흡수 시스템 뿐만 아니라 더 크거나 더 복잡한 시스템에 통합되는 부분 또는 하위조립체를 포함한다.

외부적 근원으로부터의 복수의 타격을 견디는 능력, 즉 내구성, 뿐만 아니라 더 효율적인 에너지 소산 메카니즘, 즉 향상된 보호에 관한 개선점에 있어서 개선된 충격 흡수 장치가 다양한 응용예에서 요구되고 있다.

충격 흡수기의 응용 분야는 매우 다양하며, 자동차 산업 (승용차, 트럭)을 위한 범퍼와 같은 기계적 하위조립체로부터 모터바이크 재킷과 같은 안전 의복 또는 의류를 위한 텍스타일 직물 내에 통합되도록 의도된 구성요소에 이른다. 특정 응용예 또는 사용 분야에 따라 내구성 또는 향상된 보호가 우세한 이점을 제공할 수도 있지만, 본 발명에 따른 개선된 충격 흡수 장치는 높은 내구성 및 향상된 보호 둘 다를 특징으로 한다.

예를 들어 문, 창문 및 게이트를 위한 정지 완충재의 응용예를 위한, 폐쇄 시스템의 분야에서는 둘 다의 이들 특징이 동시에 관련되어 있다.

본 발명의 다른 주목할만한 측면은 그의 구조적 특징부가 매우 다양한 크기를 갖는 시스템 및 구성요소에 대해 용이하게 적합화될 수 있으며, 그에 의해 충격 흡수 장치가 다양한 응용예를 위한 최종 시스템/구성요소에 용이하게 통합될 수 있다는 점이다.

본 발명의 제1 측면에서, 본 발명은 제1 보유지지 요소와, 10 이상의 세장비(slenderness ratio)를 갖는 복수의 세장형 금속 구조체를 포함하며, 여기서 세장형 금속 구조체는 그의 제1 단부에서 상기 제1 보유지지 요소에 대해 각각 고정된 것인 충격 흡수 장치이며,

ㆍ 세장형 금속 구조체는 상기 제1 보유지지 요소의 상이한 지점에서 각각 고정되고,

ㆍ 세장형 금속 구조체의 적어도 하나의 쌍의 세장형 금속 구조체 사이의 상호 거리는 그의 길이 L의 0.75배, 즉 0.75*L 이하이고, 상기 거리는 그의 제1 단부에 대해 측정되고,

ㆍ 인접한 세장형 요소에 대해 수직인 평면의 적어도 90%는 상호 평행하거나 20°미만의 각도를 형성하는 것임

을 특징으로 하는, 충격 흡수 장치에 관한 것이다.

본 발명은 이하의 도면을 참조하여 추가로 예시될 것이다:
- 도 1a 및 1b는 각각 층상 또는 시트 세장형 요소를 포함하는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 평면도 및 정면도를 각각 개략적으로 도시한다.
- 도 2a 및 2b는 층상 세장형 요소를 포함하는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 대안적 실시양태의 평면도 및 정면도를 각각 개략적으로 도시한다.
- 도 3a 내지 3c는 사상형 세장형 요소를 포함하는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 평면도 및 대안적 정면도들을 각각 개략적으로 도시한다.
- 도 4 및 4a 및 5는 사상형 세장형 요소를 포함하는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 대안적 실시양태를 도시한다.
- 도 6은 구형 형상을 갖는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 대안적 실시양태를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
- 도 7은 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 일부를 개략적으로 도시하는 부분 파단도이다.
- 도 8은 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 사진이다.
- 도 9는 선행 기술에 따라 형성된 충격 흡수 장치의 사진이다.
- 도 10은 도 8에 도시된 장치 중 하나와 도 9에 도시된 장치의 성능 사이의 비교를 도시하는 차트이다.
- 도 11은 본 발명에 따른 충격 흡수 장치를 포함하는 시스템의 예시적 동작 체계이다.

도면이 보다 용이하게 이해되도록 하기 위해, 세장형 금속 구조체의 높이 및 폭에 대한 특정하고 비배제적인 언급과 함께, 요소의 치수 및 치수 비는 경우에 변경된다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치에 사용되기에 용이한 세장형 금속 구조체는 세장비, 즉 그의 길이 L과 보다 작은 횡단 치수 w 사이의 비가 10 이하이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 세장형 금속 구조체는 평탄 층상 또는 시트 요소 및/또는 직선 사상형 또는 와이어 요소이다. 도 1 내지 8에 도시된 본 발명의 실시양태는 이하에서 상세히 논의된 바와 같이 평탄 층상 또는 시트 요소, 또는 직선 사상형 또는 와이어 요소를 포함한다. 본 발명의 충격 흡수 장치는 또한 평탄 층상 또는 시트 요소와 직선 사상형 또는 와이어 요소의 조합을 포함할 수 있다.

명료성을 위해, 본 발명에 따른 세장형 구조체는 직선/선형 (사상형) 또는 평면/선형 (층상)이며, 즉 그의 길이 접선의 적어도 90%에 대해 이들은 세장형 구조체의 축 (직선) 또는 중앙 평면 (선형)과 5°미만의 각도를 형성한다. 90% 길이 조건은 세장형 구조체가 실제적이며 이상적이지 않은 부재인 점, 및 세장형 구조체의 말단 부분이 본 발명의 충격 흡수 장치 내에 배치된 결과로서 왜곡/변형될 수 있다는 점을 감안한 것이다. 유사하게, 접선과 세장형 구조체 사이의 각도가 5°미만인 조건은, 이들 부재가 완전하게 직선형 또는 평면형인 이상적인 조건으로부터의 벗어나는 것을 감안한 것이다.

또한, 우선적 해결책은 직선 세장형 구조체로 이루어지는 요소 모두를 고려하지만, 이들 중 소수 (10% 미만)가 상기 정의에 준하여 비-선형 형상을 갖는 것이 가능하다. 상기 분율은 바람직하게는 5% 미만, 보다 바람직하게는 1% 미만이다.

이들 고려사항은, 본 발명에 따른 충격 흡수 시스템이 일부 특정 실시양태에서 많은 수의 선형 또는 층상 세장형 구조체를 포함할 수 있고, 따라서 이들 중 일부가 시스템 내에서의 장착의 결과로서 이상적인 선형성 조건으로부터 벗어나는 것이 가능하지만, 시스템의 전체 성능을 훼손시키거나 유의한 영향을 미치지는 않는다는 것에 기인하며, 이를 감안한 것이다.

상기 설명에 준하여, 본 발명의 충격 흡수 시스템의 세장형 요소는, 추후에 최신 기술을 참조하여 논의될 다연선 케이블의 경우와는 달리, 개선된 충격 흡수 특징의 기술적 효과를 협력적으로 달성하는 별개의 요소이다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 전체 구성은 직선 및/또는 평탄 세장형 구조체가 사상형 또는 와이어 요소의 경우에는 그의 축을 따라 유도된 압축 부하, 또는 층상 또는 시트 요소의 경우에는 그의 평면에 대해 평행한 압축 부하를 견디도록 한다.

따라서, 본 발명의 충격 흡수 장치는 직선 또는 평탄 세장형 구조체의 소위 "좌굴(buckling) 효과", 즉 압축 부하 및 충격 하에 결과적인 큰 변형과 함께 단순 압축으로부터 굴곡으로의 전이를 갖는 그의 능력을 효과적으로 활용한다.

기계 과학에서, 좌굴은 불안정성에 기인한 현상이며 파괴 모드를 초래한다. 좌굴은 평형 구성이 부하의 매개적 변화 하에 불안정해지고 그 자체로 다수의 현상을 나타낼 수 있는 지점을 규정한다. 이론적으로, 좌굴은 정적 평형 방정식에 대한 해의 분기에 의해 유발된다. 증가하는 부하 하의 특정 스테이지에서, 추가적 부하가 두 평형 상태 중 하나에서 지탱될 수 있다. 압축 부하를 받는 직선 구조의 특정 경우에, 평형은 이론적으로 단일 압축 또는 측방향 변형 상태 중 어느 하나에서 발견될 수 있다. 실제로, 두 번째 상태는 대부분 가장 유망한 것이며, 이는 큰 변형을 암시한다.

세장형 구조체가 큰 변형을 견딜 수 있는 재료로 이루어지는 경우, 흡수된 에너지는 본질적으로 증가한다. 본 발명은 충격 흡수 조립체 및 장치에 사용되도록, 최대한의 정도까지 이러한 물리적 현상을 활용하기에 적합한 세장형 구조체의 원래 레이아웃에 의존한다.

상기 설명 및 도시된 실시양태의 견지에서, 또한 본 발명의 충격 흡수 장치에 사용되는 세장형 구조체가 서로 인접할 수 있지만 서로 얽히지 않고 결합되거나 서로 꼬이지도 않는 단일 직선 사상형 요소 및/또는 평탄 층상 요소라는 것을 유의하는 것이 중요하다.

따라서, 예를 들어 로프 또는 다연선 케이블 같은 세장형 구조체는 명백히 본 발명의 범주를 벗어나며, 그 이유는 이들이 어떠한 압축 부하도 지지할 수 없고 좌굴을 받을 수도 없기 때문이다. 이들 유형의 구조체는 국제 특허 공보 WO 2013/042152 및 미국 특허 3360225에 게시되어 있고, 충격을 흡수 또는 완충하기 위한 능동적 요소로서 사용되는 복수의 연선/와이어로 이루어진 케이블 구조의 특수성 및 강도에 의존한다. 이러한 경우에, 완충은 인접한 와이어 사이의 마찰의 도움으로 달성되고 본 발명에 따라 변위가 발생할 때 변위로부터 초래되는 변형을 통해서 달성되지는 않는다는 것이 강조되어야 한다.

이미 설명한 바와 같이, 본 발명은 사용 동안 좌굴을 받는 직선 및/또는 평탄 세장형 구조체의 사용을 기반으로 한다. 선행 기술 충격 흡수 장치는 대신 명백히 좌굴 변형을 받지 않는 유럽 특허 출원 2639476, 미국 특허 출원 2009/0126288 및 미국 특허 출원 2011/0031665에 설명된 것들 같은 비-직선 또는 비-평탄 구조체에 의존한다.

선행 기술 충격 흡수 장치와 본 발명에 따른 충격 흡수 장치 사이의 차이를 추가로 이해하기 위해, 이하에 비교 실시예가 설명되며, 이러한 비교 실시예에서는 유럽 특허 출원 2639476에 게시된 충격 흡수 장치와 유사한 선행 기술 충격 흡수 장치 (도 9 참조)가 사용된다.

본 발명에서, 직선 및/또는 평탄 세장형 구조체는, 또한 세장형 구조체에 대해 수직을 이루는 평면에 대해 수직인 방향으로 작용하는 충격 에너지, 예를 들어 직선 사상형 세장형 구조체의 경우에 실질적으로 그의 축을 따라 유도된 충격력을 흡수하도록 배열된다.

우선 붕괴 방향이 필요할 때, 예로서, 사고에 후속한 측방향 이동 및 변위를 방지하도록 구성되는 차량 좌석의 헤드 지지부의 경우에, 평탄 층상 또는 시트 요소의 형태의 세장형 구조체가 선호된다.

L과 임의의 횡단 치수 사이에 10 이상의 비를 갖는 직선 사상형 요소의 형태의 세장형 구조체는 연성 보유지지 요소, 예로서, 금속 와이어를 통합하는 직물의 경우에 선호된다.

사상형 요소는 관형 (즉, 그의 코어가 비어있음)일 수 있거나, 와이어의 형태일 수 있다.

세장형 금속 구조체를 사용한 충격 흡수 장치는 예를 들어, 미국 특허 6,530,564에 게시되어 있고, 여기서 와이어 형태의 세장형 금속 사상형 요소는 보유지지 요소와 공통적 접촉점을 갖는다. 이러한 구성은 본 발명에 따라 형성된 것에 비해 빈약한 성능의 충격 흡수 시스템을 초래하며, 그 이유는 이들이 단지 좌굴이 아닌 굴곡 변형에만 의존하기 때문이다.

진동 완충을 위한 흡수 구조의 다른 유형이 국제 특허 출원 WO 2010/053602에 게시되어 있으며, 여기서 초탄성 재료의 이격 배치된 필라(pillar)가 MEMS를 위한 진동 흡수 장치로서 개시되어 있다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치(10)의 평면도의 개략적 표현이 도 1a에 도시되어 있고, 그의 정면도가 도 1b에 도시되어 있다.

본 실시양태에서, 세장형 구조체(12, 12', 12", …, 12ⁿ)는 모두 상호 평행하면서 각각 그의 제1 단부에서 제1 보유지지 요소(11) 상에 고정되어 있는 층상 요소이며, 이러한 제1 보유지지 요소는 충격 흡수 장치(10)의 베이스를 형성한다. 본 발명에 따라서, 세장형 요소의 적어도 하나의 쌍, 예를 들어 요소(12, 12')의 세장형 요소의 상호 거리는 0.75*L 이하이고, 여기서 L은 금속 세장형 요소의 제1 단부에 대해 측정된 금속 세장형 요소의 길이를 나타낸다.

충격 흡수 장치(10)는 또한 세장형 금속 구조체의 제1 단부에 대향한 그의 제2 단부에서 세장형 금속 구조체에 연결된 제2 보유지지 요소를 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b의 충격 흡수 장치(10)와 유사하게 베이스 보유지지 부재와 그에 대해 고정된 복수의 평행한 세장형 금속 구조체를 포함하는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치(20)의 평면도 및 정면도를 각각 도시한다. 또한, 충격 흡수 장치(20)는 세장형 금속 구조체의 제2 단부에 연결된 제2 보유지지 부재(23)를 포함한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제2 보유지지 부재(23)는 단지 부분적으로 세장형 금속 구조체에 대해 고정될 수 있지만, 2개의 보유지지 요소가 서로 중첩하도록 크기설정되는 것이 바람직하다.

이들 실시형태 둘 다를 위한 대안적인 흥미로운 구성은 거의 균등하게 이격된 평행한 세장형 구조체를 사용하는 것을 고려하며, 그의 상호 거리는 0.75*L 이하이다.

도면에 개략적으로 도시된 구조체가 동일한 구조체임을 유의하는 것이 중요하다. 실제 충격 흡수 장치에서, 사실 세장형 금속 구조체는 서로 완벽하게 평행하지 않을 수 있다. 본 발명에 따라서, 세장형 금속 구조체에 대해 수직을 이루는 평면은 또한 충격 흡수 장치의 성능에 영향을 주지 않고 20°이하의 각도를 형성한다. 또한, 상기 조건은 세장형 금속 구조체의 적어도 90%에 대하여 참이어야 하고, 세장형 금속 구조체 중 미소한 양은 상기 조건에 부합되지 않는 것이 허용된다.

사상형 세장형 금속 구조체를 사용하는, 본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 다른 실시양태(30)가 도 3a의 평면도에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 본 실시양태에 따라서, 충격 흡수 장치는 두 가지 다른 유형의 사상형 세장형 금속 구조체를 포함한다. 세장형 금속 구조체 사이의 차이점은 그의 형상, 예를 들어 단면, 직경 등, 금속 재료 또는 이들 둘 다이다. 이러한 경우에, 제1 보유지지 요소(31) 상으로 예를 들어 원형 단면을 갖는 복수의 세장형 금속 구조체(32, 32',32",32"', … 32ⁿ)가 고정되고, 예를 들어 정사각형 단면을 갖는 다른 유형의 금속 세장형 구조체(33)는 충격 흡수 장치(30)의 중앙 부분에 배열된다. 적어도 2개의 세장형 구조체가 0.75*L 이하의 상호 거리로 배열되는 조건은 세장형 금속 구조체(33)와 인접한 금속 세장형 구조체(32, 32', 32", 32"', … 32ⁿ) 중 임의의 하나에 의해 형성되는 쌍 중 임의의 하나에 의해 보증될 수 있다.

충격 흡수 장치(30)의 제1 변형은 충격 흡수 장치(300)이며, 그의 정면도가 도 3b에 도시되어 있다. 충격 흡수 장치(300)는 상부 보유지지 요소로서 작용하는 제2 보유지지 요소(303)를 포함한다.

충격 흡수 장치(30)의 다른 변형은 충격 흡수 장치(310)이며, 그의 정면도가 도 3c에 도시되어 있다. 이러한 경우에, 금속 세장형 구조체는 서로 다른 높이를 가지며, 장치의 중앙 부분에 배열된 것들은 그의 주연부를 향해 점진적으로 배열된 것들보다 높다. 충격 흡수 장치(310)는 또한 돔 형상을 가지면서 세장형 금속 구조체의 자유 단부에 고정된 제2 보유지지 요소(313)를 포함한다.

또한, 이러한 경우에, 금속 사상형 요소의 대부분, 특히, 90% 이상은 서로 실질적으로 평행하며, 즉 이들은 3차원 공간의 사상형 요소이고, 이는 그의 수직 평면이 평행하거나 20°이하의 각도를 형성한다는 것을 의미한다.

도 3b 및 도 3c에 도시된 요소 및 구조의 치수 및 치수 비는 명료성을 위해 변경되어 있을 수 있으며, 사상형 세장형 금속 구조체는 사상형 금속 구조체 높이의 1/10 이하인 최대 폭을 갖는다는 것을 유의하는 것이 중요하다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치는 형상 또는 구조에 대해 특정 보유지지 요소를 필요로하지 않는다. 도 4는 예를 들어 세장형 금속 구조체(42, 42',42", … 42ⁿ)가 그 위에 일 열로 고정 및 정렬되는 긴 스트립(41) 형태의 베이스 보유지지 요소를 포함하는 충격 흡수 장치(40)의 일부의 평면도를 개략적으로 도시한다. 도 4에 도시된 특정 실시양태에서, 모든 세장형 금속 구조체는 서로 동일하고 등거리 이격 배치되지만, 이미 설명한 바와 같이, 이는 본 발명의 요건은 아니다. 도 4a는 충격 흡수 장치(40)의 일부의 개략적 정면도를 도시한다. 시스템(40)은 단지 베이스 또는 하부 보유지지 요소(41)만을 갖는 상태로 도시되어 있지만, 이는 또한 상부 보유지지 요소를 포함할 수 있다.

달리 말하면, 보유지지 요소의 주된 기능은 단지 세장형 금속 구조체를 고정 및 보유지지하고 세장형 금속 구조체에 대해 수직을 이루는 평면에 대한 기하학적 조건이 충족되는 것을 보증하는 것이다.

도 5의 정면도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 충격 흡수 장치(50)의 보유지지 부재(51)는 심지어 평면형이 아닐 수 있다. 또한, 이미 언급 바와 같이, 인접한 세장형 금속 구조체의 10% 미만의 백분율은 예를 들어, 도 5에 도시된 인접한 세장형 금속 구조체(52, 52')의 경우와 같이 보유지지 부재(51)의 비평면형 형상에 기인하여 그의 수직 평면이 상호 평행하거나 20°이하의 각도를 형성하는 기하학적 조건을 준수하지 않는 것이 허용될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 충격 흡수 장치(60)의 다른 실시예의 단면을 개략적으로 도시한다. 본 경우에, 충격 흡수 장치는 구형 기하형상을 가지며, 세장형 금속 구조체(62, 62', …, 62ⁿ)는 중앙 보유지지 요소(61) 상에 고정된다. 도 6에 도시된 충격 흡수 장치(60)는 또한 세장형 금속 구조체(62, 62', …, 62ⁿ)의 대향 단부에 연결된 외부 보유지지 요소(63)를 포함할 수도 있다. 충격 흡수 장치(60)의 구형 기하형상에 기인하여, 세장형 금속 요소는 평행할 수 없으며, 이러한 경우에 이들 중 적어도 90%는 인접한 세장형 금속 구조체들에 대해 수직인 평면들이 20°이하의 각도를 형성하는 조건을 충족한다.

보유지지 요소 상에 금속 세장형 구조체를 고정하기 위한 가능한 방식이 도 7에 도시되어 있으며, 도 7은 본 발명에 따른 충격 흡수 장치(70)의 부분 파단도를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 세장형 금속 구조체(72, 72')는 그의 길이의 특정 부분에 대해 보유지지 요소(71) 내에 삽입된다.

이 경우에, 세장형 금속 구조체를 고정하기 위해 2개의 주된 가능성이 고려된다. 한 가지 경우에, 보유지지 요소(71)는 내부에 삽입된 세장형 금속 구조체보다 큰 공동을 포함한다. 글루 충전제(gluing filler)는 공동을 충전하며 따라서 유지 기능을 달성한다. 이러한 해결책은 베이스/기재로서 작용하는 강성 또는 경질 보유지지 요소의 경우에 바람직하다. 예로서 직물 같은 더 연성의 재료의 경우에, 구조체의 세장성은 이들을 보유지지 요소 상에 억지끼워맞춤할 수 있게 한다.

두 경우에, 세장형 구조체의 말단 부분은 바람직하게는 세장형 금속 구조체 L의 적어도 10%가 보유지지 구조체 내로 진입한다.

보유지지 요소 상에 세장형 금속 구조체를 고정하는 다른 가능성은 보유지지 요소에 부착되어 제 위치에 세장형 금속 구조체를 유지하는 적절한 충전재에 매설되는 세장형 구조체에 의한 것이다. 이러한 경우에, 세장형 금속 구조체의 대향 단부에 고정된 보유지지 요소 쌍을 제공하는 것이 바람직하며, 그 이유는 이들 둘 다가 충전재를 수용하는 데 기여하기 때문이다.

연성 보유지지 요소의 경우에, 세장형 금속 구조체는 예를 들어 연속적 금속 와이어, 즉 금속 사상형 세장형 구조체로부터 시작하여 재봉에 의해 매설될 수 있으며, 재봉 동작은 본 발명의 기하학적 제약 및 조건을 충족하는 금속 세장형 구조체를 초래한다. 이러한 유형의 충격 흡수 장치를 위한 응용예의 비제한적 예는 보강된 승용차 안전 벨트의 제조를 위한 것이다.

상기 논의된 바와 같이, 본 발명에 따른 모든 충격 흡수 장치는 적어도 2개의 세장형 금속 구조체 사이의 상호 거리가 0.75*L 이하인 것을 특징으로 하며, 여기서 L은 세장형 금속 구조체의 길이이다. 이러한 거리는 바람직하게는 0.25*L보다 작다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 양호한 서브클래스에 대한 다른 대안적 정의는 세장형 금속 구조체가 그 위에 고정되는 충격 흡수 장치의 보유지지 요소의 전체 표면적과 세장형 금속 구조체에 의해 점유된 면적 사이의 비로서 규정되는, 단위 면적당 세장형 금속 구조체의 밀도에 의한 것이다. 이러한 비는 10^-4 이상, 바람직하게는 10^-3 이상이어야 한다.

보유지지 요소 또는 요소들을 제조하기 위한 적절한 재료는 금속, 플라스틱, 직물 또는 폴리머 재료일 수 있다. 보유지지 요소 또는 요소들의 두께는 바람직하게는 사상형 구조체가 사용될 때 세장형 금속 구조체의 직경 이상이거나, 층상 또는 시트 구조체가 사용될 때 그의 두께 이상이며, 더욱 바람직하게는 직경 또는 두께의 5배 이상이다. 일반적 규칙으로서, 보유지지 요소 또는 요소들이 형성되는 재료가 더 경질일수록, 그의 두께는 더 작다. 세장형 금속 구조체를 포함하는 직물은 이들 기준을 받지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 보유지지 요소는 동일하거나 다른 재료로 이루어질 수 있으며, 동일하거나 다른 기하형상을 가질 수 있다.

세장형 금속 구조체를 위해 사용되기에 특히 적합한 금속 재료는 강철, 바람직하게는 하모닉 강철, 알루미늄 및 그의 합금, 구리 및 그의 합금, 티타늄 및 그의 합금, 마그네슘 및 그의 합금, 니켈 및 그의 합금이다.

본 발명의 충격 흡수 장치의 직선 및/또는 평탄 세장형 금속 구조체의 제조에 특히 유용한 것은 스마트 금속의 사용이다. 스마트 금속은 초탄성 합금 및 형상 기억 금속을 포함하고, 형상 기억 금속은 또한 동의어 "SMA"로 기술 분야에 알려져 있다. 이들 재료는 기술 분야에 널리 알려져 있으며, 예를 들어 초탄성 및 형상 기억 Ni-Ti 합금에 관련한 유럽 특허 EP0226826에 설명되어 있다.

비록, 스마트 금속 (SMA 및 초탄성)의 다양한 조성이 알려져 있지만, 기술 분야에서 가장 많이 사용되는 스마트 금속은 Ni-Ti 합금을 기재로 하는 것이며, 니켈 및 티타늄이 합금의 적어도 70 중량%를 형성한다. 대부분의 일반적 합금은 54 내지 55.5 중량%의 니켈과, 잔연부 티타늄 (미량의 다른 성분이 가능하며, 통상적으로, 그의 전체 함량은 1 중량% 미만임)을 포함한다.

이들 합금은 일반적으로 그의 조성에 의한 것 뿐만 아니라 2개의 안정한 상 (오스테나이트, 마르텐사이트) 사이의 그의 전이를 유발하는 (통상적으로, 제어된 전류를 그에 공급하는 것에 의한) 가열 공정을 받을 때의 그의 거동에 의해서도 완벽히 특징지어진다. 특히, As 및 Af는 오스테나이트 상 변환이 시작되는 개시 및 종료 온도이고, 대신, Ms 및 Mf는 마르텐사이트 상을 특징짓는 것들이며; 니티놀 같은 가역적 오스테나이트-마르텐사이트 변환을 받는 합금의 거동에 대한 더 많은 세부사항과 정보는 예로서 미국 특허 4,067,752 같은 다양한 공보에서 찾을 수 있다.

또한, 다른 유용한 합금은 하나 이상의 다른 원소의 양들의 추가를 고려한다. 이에 관하여, 기술 분야에서 인지된 다른 합금은 미국 특허 4,144,057에 설명된 합금 같은 Ni-Ti-Cu 합금 또는 국제 특허 출원 WO2011053737에 설명된 바와 같은 10%까지의 추가 원소를 포함하는 다른 니티놀 삼원 합금이며, 이러한 니티놀 삼원 합금에 대해 특히 양호한 것은 Ni-Ti-Co 및 Ni-Ti-Cr 합금이다. SMA 재료의 유용한 특성은 이들이 열처리를 받을 때 그의 원래 형상으로 복귀하는 것이며, 따라서, 본 발명에 따른 충격 흡수 장치에서 이들은 두 가지 주요 이용 방식을 찾으며; 이들은 너무 많은 수의 타격 또는 과도한 부하를 받고 난 이후 충격 흡수 장치의 특성을 회복할 수 있거나, 이들은 초탄성 재료 같은 더 높은 탄성을 나타내는 다른 재료와 결합 사용될 때 입증체(witness)로서 사용될 수 있다.

상기 견지에서, 본 발명에 따른 충격 흡수 장치를 위한 일부 양호한 구성이 존재한다.

제1 양호한 구성은 초탄성 금속 재료로 이루어진 금속 세장형 금속 구조체의 적어도 30%, 더욱 바람직하게는, 적어도 90%의 사용을 고려한다. 이들 충격 흡수 장치는 최고 저항을 나타내는 것이다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치의 다른 양호한 구성은 적어도 하나의 형상 기억 세장형 금속 구조체의 존재를 고려한다. 이는 높은 수의 초탄성 세장형 구조체를 포함하는 충격 흡수 장치의 경우에 특히 유리하며, 그 이유는 형상 기억 요소가 시스템이 충격을 받았다는 유일한 입증체일 수 있기 때문이다. 충격 흡수 장치의 가열은 형상 기억 필라멘트의 형상을 회복할 수 있고, 따라서, 시스템 내의 충격 센서로서의 그의 기능을 재설정한다.

또한, 다른 스마트 재료로 이루어진 직선 및/또는 평탄 세장형 구조체의 혼합체를 사용하는 충격 흡수 장치, 특히, 적어도 30%의 초탄성 세장형 구조체와 30%의 형상 기억 세장형 구조체를 포함하는 충격 흡수 장치 또는 세장형 금속 구조체의 대부분이 형상 기억 재료로 이루어지는 충격 흡수 장치가 유리하다.

형상 기억 금속으로 이루어진 세장형 금속 구조체의 형상 재설정 특성은 두 가지 다른 방식으로 사용될 수 있다. 한편으로, 충격 흡수 장치의 기능은 제어된 가열에 의해 (예로서, 금속 세장형 요소에 전류를 제공함으로써) 회복될 수 있어서, 변형된 형상 기억 요소가 그의 원래 형상으로 복귀되게 할 수 있다. 다른 한편, 예를 들어 특정 상황, 용도 또는 응용예에 따른 초탄성 거동이 아닌 형상 기억 거동을 나타내는 세장형 금속 구조체를 선택함으로써, 그 온도를 제어함으로써 충격 흡수 장치의 특성을 조율하는 것이 가능하다.

이미 개요 설명한 바와 같이, 형상 기억 세장형 구조체의 특성을 제어하기 위한 양호한 방식은 전류를 공급하는 것에 의한 가열에 의한 것이다. 충격 흡수 장치의 전류 공급은 통상적으로 SMA 와이어 저항에 대한 피드백 제어를 제공받는 것이 유리할 수 있다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치는 또한 이들이 설치되는 장치 뿐만 아니라 그와 상호작용하는 요소를 보호하기 위해서 사용될 수도 있다. 더 구체적으로, 이들은 사고의 경우 향상된 안전 조건을 제공하기 위해 신호등, 고속도로 보호 레일, 경주트랙 안전 시스템 같은 도시의 요소의 일부일 수 있다.

제어된 형상 기억 세장형 구조체를 포함하는 충격 흡수 장치를 사용하는 이러한 구조 및 개념의 일 예는 도 11의 평면도에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 경우에, 시스템(110)은 충격 흡수 장치(111)를 포함하며, 이러한 충격 흡수 장치는 베이스로서 작용하는 보유지지 요소(1111)를 포함하며, 그의 베이스 위에는 복수의 금속 세장형 구조체가 고정된다. 도 11에 도시된 특정 예에서, 충격 흡수 장치는 참조 번호 1112, 1112',..1112ⁿ 및 1113, 1113', 1113ⁿ에 의해 각각 표시되는 두 가지 다른 유형의 세장형 금속 구조체를 포함한다. 세장형 금속 구조체(1113, 1113', 1113ⁿ)는 형상 기억 금속으로 이루어진다. 도 11은 단순화된 체계이며, 요소(111)는 더 복잡할 수 있거나 더 큰 장치의 가장 적절한 부분 (본 발명의 목적을 위해)일 수 있다는 것을 언급해둔다. 충격 흡수 장치(111)는 전류 (I)를 공급할 수 있는 제어기(112) (미도시)에 연결된다. 전류 강도는 다른 유형 및 특성으로 이루어질 수 있는 하나 이상의 외부 입력의 함수로서 조정될 수 있다. 도 11에 도시된 특정 예에서, 세 가지 다른 센서 유형, 즉 재구성 시나리오 (즉, 웹캠)(113), 압력/충격 센서(114) 및 수동 작동식 입력부(115)가 존재한다. 더 많거나 더 적은 요소가 존재할 수 있으며, 또한, 특성은 서로 다를 수 있으며, 이미 강조한 바와 같이 도 11의 체계가 바로 예시적인 것이다.

다른 유용한 응용예 중에서, 부상자를 위한 들것, 안전 의복, 안전 벨트, 가정용 및 산업용 기기를 위한 충격 흡수체, 바이크용 악세사리, 범퍼, 폐쇄 시스템용 정지 완충재, 파열성 물품이나 장비를 위한 패키지의 부분이 존재한다.

안전 벨트는 본 발명에 따른 충격 흡수 장치가 추가적 장점을 제공하는 차량 및 수송 시스템 내의 유일한 가능한 배치/용도는 아니며, 예로서, 이들은 사고의 경우에 안전성을 증가시키기 위해 측부 문, 좌석 등 같은 요소에 통합될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 충격 흡수 장치는 베어링 같은 지지 시스템 또는 장치에 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 충격 흡수 장치는 다른 시스템의 일부일 수 있으며, 따라서, 그의 보유지지 요소 또는 요소들과 접촉하는 추가적 요소 또는 층을 가질 수 있다. 또한, 최종 시스템에서, 예로서, 하나의 시스템의 제1 보유지지 구조체가 후속되는 것의 제2 보유지지 구조체인, 중첩된 시스템들의 순서열로서 본 발명에 따른 하나보다 많은 충격 흡수 장치가 존재할 수 있다. 이러한 경우에, 적층된/증가하는 보호를 갖는 일종의 복합 충격 흡수 장치를 제공하는 다른 충격 저항체에 시스템을 결합하는 것이 특히 유리할 수 있다.

본 발명은 이하의 비제한적 예에 의해 추가로 설명된다.

실시예 1

본 발명에 따른 일련의 충격 흡수 장치가 준비된다. 모든 이들 시스템은 도 8에 도시된 바와 같은 공통적 기하형상 특징을 갖는다. 이들은 10 mm 두께를 갖는 알루미늄으로 이루어진 70 x 18 mm 판의 형태의 2개의 평행한 금속 보유지지 요소로 이루어지며, 이들 판들은 세 개의 평행한 열에 배치된 39개 세장형 금속 구조체에 의해 이격된다. 이들 요소는 본질적으로 상호 평행하며, 최소 거리는 5 mm이다.

세장형 금속 구조체는 0.5 mm의 직경과 30 mm의 길이를 갖는 원형 와이어의 형태이고, 5 mm은 상부 및 하부 보유지지 요소 내로 진입하는, 따라서, 20 mm만큼 이격되는 세장형 요소의 길이이다. 보유지지 요소는 세장형 금속 구조를 수용하기 위해 0.6 mm 직경 구멍을 갖고; 세장형 금속 와이어를 구멍형성된 보유지지 구조체 내에 고정 및 유지하기 위해 시아노아크릴레이트 글루가 사용되었다.

충격 흡수 장치의 네 개의 다른 샘플이 세장형 구조체를 위해 다양한 금속을 사용하여 특히 다음과 같이 형성된다:

샘플 1 (S1): 아연도금된 강철 와이어

샘플 2 (S2): 하모닉 강철 와이어

샘플 3 (S3): 형상 기억 니티놀 와이어 (As: 90℃)

샘플 4 (S4): 초탄성 니티놀 와이어 (As: -25℃)

충격 흡수 장치는 충격 흡수 장치의 저항 및 충격시 흡수된 에너지를 확인할 수 있게 하는, 암슬러 진자(Amsler pendulum)를 사용한 충격 시험에서 시험되었다. 샘플 1, 2, 4는 동일한 에너지로 다수의 충격을 받고 (5 스트로크), 그후, 에너지가 0.325J로부터 시작하여 2.925J까지 0.325J의 단차로 증가되었다. 또한, 단지 샘플 4만이 11.7 J에서 시험되었다.

형상 기억 와이어를 포함하는 샘플 3은 일종의 가속화된 시험을 받았고, 에너지 레벨 당 2회 타격을 받았으며, 그 이유는 암슬러 기계에서의 각 타격 이후, 와이어/세장형 구조체를 원래 형상으로 회복시키기 위해 열처리를 받기 때문이다.

다양한 샘플을 위한 시험은 충격 흡수 장치가 그의 구조적 완전성을 소실하였을 때, 즉 보유지지 요소 거리에 현저한 변화가 존재하게 되고/되거나 금속 와이어의 대부분이 그의 직선 구성을 소실하였을 때 중단되었으며; 샘플 3의 경우, 이는 와이어가 그의 형상을 회복하지 못한다는 사실, 즉 충격 흡수 장치가 비가역적으로 손상되었다는 사실에 대응한다.

얻어진 결과가 아래에 보고된 표 1에 요약되어 있다.

<표 1>

따라서, 본 발명에 따라 형성된 샘플 각각이 표준 충격 흡수 장치, 특히 샘플 1에 대해 유리한 특징을 제공하며, 더 높거나 더 길어진 타격을 견딜 수는 없지만, 매우 양호한 에너지 흡수 특징을 가지며, 샘플 2에 대해 매우 상반된 상황이다.

샘플 3 (형상 기억) 및 샘플 4 (초탄성)는 내구성 및 에너지 흡수 둘 다에서 양호한 특징을 가지며, 따라서, 충격 흡수 장치로서 추가적 장점을 제공한다. 이미 설명한 바와 같이, 샘플 3은 각 스트로크 이후 열 회복 처리를 필요로 한다.

실시예 2

각 경우에, 샘플 4는 선행 기술에 따라 형성된 충격 흡수 장치에 대한 다른 실험에 비교된다.

특히 비교 구조 (C1)는 샘플 4의 동일 유형의 요소 (초탄성 니티놀)로 이루어지지만, 와이어는 도 9에 도시된 바와 같이 직선이 아니라 굴곡된 보유지지 요소를 연결하며, 따라서, 금속 세장형 구조체에 대해 수직을 이루는 평면의 평행관계에 대한 조건을 위반한다. 비교 실시예 (C1)는 상기 인용된 미국 특허 6,530,564에 설명된 바와 같은 충격 흡수 장치의 거동을 나타낸다.

샘플 S4 및 C1은 전체 부하 페이즈를 위한 힘-스트로크 곡선을 그릴 수 있게 하는, 채틸런(Chatillon) TCD110 디지털 힘 시험기에서 비교 시험을 받았다.

시험 결과가 도 10에 도시되어 있으며, 도 10에서 x축 상에는 mm 단위로 표현된 2개의 보유지지 요소 사이의 거리 감소가 존재하고, y축 상에는 뉴톤(Newton)으로 표현된 힘이 존재한다.

히스테리시스 사이클의 면적은 시스템에 의해 흡수된 에너지를 나타내고, 샘플 S4 (더 두꺼운 곡선(1001))는 비교 실시예 C1 (곡선(1002))에 대해 매우 우수한 특성을 소유한다는 것이 바로 명백하다.

또한, 샘플 S4는 다른 놀라운 특징을 소유하며, 특히, 이는 일종의 임계치 효과를 특징으로 하고, 충격 흡수 장치는 매우 강성적이고, 초기 압축 동안 저항성이고, 그후, 변형하고 따라서 에너지를 흡수한다. 이러한 거동은 부하를 증가시키기 위해 그의 강성/저항성을 증가시키는 일반적 충격 흡수 장치와는 다르고 반대이며, 예로서, 들것이나 운반장치 같은 부상자 수송 시스템을 위한 일부 응용예에서 특히 유익하다.

Claims (32)

1. 제1 보유지지 요소(11; 31 41; 51; 61; 1111), 및 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 복수의 세장형 금속 구조체(12, 12', 12", 12ⁿ; 32, 32', 32", 32ⁿ, 33; 42, 42', 42", 42ⁿ; 52, 52'; 1112, 1112', 1112ⁿ, 1113, 1113', 1113ⁿ)를 포함하며, 상기 세장형 금속 구조체는 10 이상의 세장비를 각각 갖고, 여기서 세장형 금속 구조체는 세장형 금속 구조체의 제1 단부에서 상기 제1 보유지지 요소에 각각 고정되고, 세장형 금속 구조체는 상기 보유지지 요소의 상이한 지점에 각각 고정된 것인 충격 흡수 장치(10; 20; 30; 300; 310; 40; 50; 60; 111)로서,
   충격 흡수 장치(20; 300; 310)는 제2 보유지지 요소(23; 303; 313; 63)를 추가로 포함하며, 여기서 상기 세장형 금속 구조체의 제1 단부에 대향한 상기 세장형 금속 구조체의 제2 단부는 상기 제2 보유지지 요소에 고정되고, 상기 세장형 금속 구조체는 상기 제2 보유지지 요소의 상이한 지점에 각각 고정된 것이며,
   - 세장형 금속 구조체 중 적어도 한 쌍(12, 12'; 32, 33; 42, 42'; 52; 52', 62, 62'; 1112, 1113)의 세장형 금속 구조체 사이의 상호 거리는 세장형 금속 구조체의 길이 L의 0.75배 이하이고, 상기 거리는 그의 제1 단부에 대해 측정되고,
   - 인접한 세장형 구조체에 대해 수직인 평면의 적어도 90%는 상호 평행하거나 20°이하의 각도를 형성하고,
   - 세장형 금속 구조체는 평탄 층상 또는 시트 요소 및 직선 사상형 또는 와이어 요소로부터 선택된 1종 이상인 것이고,
   여기서 세장형 금속 구조체의 적어도 90%가 초탄성 합금으로 이루어진 것이고, 상기 길이 L은 3 mm 내지 30 cm에 포함되고, 세장형 금속 구조체에 의해 점유된 면적과 세장형 금속 구조체가 고정된 보유지지 요소의 전체 표면적 사이의 비는 10^-4 이상이며, 세장형 금속 구조체는, 또한 세장형 구조체에 대해 수직을 이루는 평면에 대해 수직인 방향으로의 충격 에너지를 흡수하도록 배열된 것임
   을 특징으로 하는 충격 흡수 장치(10; 20; 30; 300; 310; 40; 50; 60; 111).
2. 제1항에 있어서, 장치의 전체 구성이, 사용시 세장형 구조체가 사상형 또는 와이어 요소의 경우에는 그의 축을 따라 유도된 압축 부하, 또는 층상 또는 시트 요소의 경우에는 그의 평면에 대해 평행한 압축 부하를 받도록 하는 것인 충격 흡수 장치.
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5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보유지지 요소가 평면형 요소인 충격 흡수 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 충격 흡수 장치(60)가 구형 형상을 갖고, 상기 제1 보유지지 요소(61)가 그의 중앙 부재인 충격 흡수 장치.
7. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세장형 금속 구조의 제1 단부에 대향한 상기 세장형 금속 구조의 제2 단부가 자유 단부인 충격 흡수 장치.
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10. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 세장형 금속 구조체 중 적어도 하나가 형상 기억 금속으로 이루어진 것인 충격 흡수 장치.
11. 제10항에 있어서, 세장형 구조체의 적어도 30%가 형상 기억 금속으로 이루어진 것인 충격 흡수 장치.
12. 제1항에 있어서, 세장형 금속 구조체의 제1 단부가 보유지지 요소 내로 연장되고 그의 내부에 봉쇄된 것인 충격 흡수 장치.
13. 제1항에 따른 충격 흡수 장치를 포함하는 시스템.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 지지 요소의 부분 또는 구성요소인 시스템.
16. 제13항에 있어서, 차량인 시스템.
17. 제16항에 있어서, 충격 흡수 장치가 상기 차량의 범퍼에 통합되는 것인 시스템.
18. 제16항에 있어서, 충격 흡수 장치가 상기 차량의 안전 벨트에 통합되는 것인 시스템.
19. 제16항에 있어서, 충격 흡수 장치가 상기 차량의 좌석에 통합되는 것인 시스템.
20. 제13항에 있어서, 부상자를 위한 수송 시스템인 시스템.
21. 제13항에 있어서, 의류인 시스템.
22. 삭제
23. 제13항에 있어서, 패키지인 시스템.
24. 제어기(112)로부터의 제어된 전류 (I)를 형상 기억 재료로 이루어진 세장형 금속 구조체로 공급하는 단계를 포함하는, 제10항에 따른 충격 흡수 장치(1111)를 작동하는 방법이며, 여기서 상기 제어기(112)의 작동은 하나 이상의 센서의 외부 입력을 기반으로 하여 제어되는 것인, 제10항에 따른 충격 흡수 장치(1111)를 작동하는 방법.
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