KR20010089819A - 경사진 폴리머 층을 갖춘 적층식 보강 비임 - Google Patents

경사진 폴리머 층을 갖춘 적층식 보강 비임 Download PDF

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KR20010089819A
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죠셉 위세크
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웨인 씨. 제쉬크
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Abstract

적층식 보강 비임 조립체는 이격된 측면 벽에 의해 형성된 채널형 비임을 포함한다. 상기 비임은 힘을 받는 지점인 접촉 위치를 가진다. 보강층이 각각의 측면 벽에 제공된다. 보강 층은 경화 상태로 구조재 발포체를 형성하고 상기 접촉 위치로부터 멀어지는 방향으로 서로를 향해 측면 에지가 경사진 형상을 갖는 폴리머로 제조된다.

Description

경사진 폴리머 층을 갖춘 적층식 보강 비임{LAMINATE REINFORCED BEAM WITH TAPERED POLYMER LAYER}
비임(beam)과 같은 여러 구조재는 한 점에 가해지는 하중을 받게 된다. 이런 구조재의 예로는, 도어 비임이나 자동차 또는 차량 범퍼 또는 기타 유사한 비임을 위한 중앙 보강재가 있다. 하중 조건을 최대로 하기 위해서는 이러한 비임을 보강하는 것이 바람직하다. 또 성능을 희생시키지 않으면서 중량 조건 및 그에 따른 비용을 감소시킬 필요도 있다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 구조재용의 중앙 적층식 보강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보강재 재료를 최적화시킴으로써 비임을 보강하는 기술을 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시에 고려되는 굽힘 모멘트 다이어그램을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 보강된 차량 비임의 사시도이다.
도 3 및 4는 각각 도 2의 선 3-3 및 4-4를 따라 취해진 단면도이다.
도 5는 도 2-4에 나타난 본 발명의 실시예에의 사용을 위해, 폴리머 층을 가지고 드롭인 인서트로서 작용하는 캐리어의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 인서트의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 C자 형상인 보강 비임 어셈블리의 평면도이다.
도 8은 도 7에 나타난 어셈블리의 측면도이다.
도 9는 도 8과 유사한 본 발명의 또 다른 실시예의 정면도이다.
도 10은 도 9에 나타난 조립체의 정면도이다.
본 발명에 의하면, 긴 비임 형태의 구조재에 특히 적합한 기술이 제공되는데, 긴 비임의 경우에는, 점 하중을 받을 수 있고 따라서 굽힘 모멘트 다이어그램이 보통 삼각형 또는 포물선 형태이다. 이러한 비임에는 보강재 층이 제공되는데, 이 층은 경화 상태에서 구조 발포체(structural foam)을 형성하는 폴리머 재료로 만들어진다. 폴리머 층의 특징은, 그 에지가, 점 하중의 위치로부터 멀어지는 방향으로, 서로를 향해 경사진다는 점이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 폴리머 층은 먼저 캐리어 위에 코팅되며, 이후 이 캐리어가 채널 형상의 비임의 이격된 측벽 사이의 인서트 내에, 드롭(drop)으로서 삽입된다. 폴리머 층은 경화됨에 따라, 캐리어 및 비임의 측벽 양자에 밀접하게 접합된다.
비임의 단면은, 예를 들어 U자형, C자형, 각진 형태, L자형과 같이 다양한형태일 수 있고, 하나의 셀이거나 다수의 셀(multi-cell)로 이루어질 수 있다.
본 발명은 비임 보다 구체적으로는 다양한 차량 비임과 같은 구조재는, 특정한 점에 부과되는 하중을 받을 수 있고, 그 결과 굽힘 모멘트 다이어그램이 삼각형 형태로 된다는 점에 기초하고 있다. 예를 들어 도 1a 및 1b는 이러한 굽힘 모멘트 다이어그램을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 지지점(P, P)에 의해 단부에서 유지되는 비임(B)의 중심점에 힘(F)이 가해진다. (m-PL)/4의 관계식에 따라, 굽힘 모멘트 다이어그램(D)은 대체로 삼각형 형태로 되며, 그 최대 거리는 힘(F)과 같은 선 상에 있고, 그 최소 거리는 각 단부에서 지지점(P, P)과 같은 선 상에 있다.
본 발명은, 대체로 삼각형인 굽힘 모멘트 또는 예를 들어 중심점에 분배된 하중에 기인한 포물선 형태의 굽힘 모멘트가 있는 경우, 이 굽힘 모멘트 다이어그램에 대응되는 형태의 폴리머 보강재 층만을 제공할 필요가 있음을 고려한 것이다. 그 결과, 효율성을 희생하지 않으면서 보강층에 대해 사용되는 폴리머 재료의 양에 있어서 중량을 경감시키고 비용을 절감하게 된다. 따라서, 본 발명은 광선의 중심 또는 로딩 지점으로부터 분포가 희박해지는 위치 및 패턴으로 일정량의 폴리머를 구비함으로써 실시가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 폴리머층이 처음에 캐리어에 도포되어 인서트에 드롭을 초래한다. 바람직하게는, 폴리머에 대한 캐리어가 광선의 길이에 걸쳐서 균일한 섹션으로 형성되어 보강되며 대체로 약 1/6 내지 1/3 스팬에 이를 것이다. 그러나 필요하다면, 캐리어가 폴리머 층의 형상에 보다 밀접하게 부합될 수 있고 따라서 역시 대체로 삼각형의 측면을 가질 수 있을 것이다. (용어 "대체로 삼각형"이라는 것은 삼각형 및 사다리꼴 형상을 포함하도록의도된 것임) 그러나, 인지하는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시는 폴리머에 의해 덮여지는 영역보다 큰 표면을 갖는 캐리어를 사용한다.
본 발명의 개념은 다양한 단면 형상의 보강 비임에 사용될 수 있다. 대체로, 비임은 측벽에 의해 형성되는 채널 형상을 가질 수 있다. 따라서, 비임은 U-형상, C-형상, V-형상 또는 각형상 또는 L, 그리고 다중-셀 또는 단일 셀의 단면 형상을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층 보강 비임 어셈블리(10)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 비임은 벽(19)에 의해 상호 연결된 한쌍의 이격된 U-형상 섹션(14,16)에 의해 형성된 금속 구조 부재(12)를 포함하여 이루어지고, 각 섹션의 단부들은 내측으로 향하는 플랜지(20)에서 마감된다. 압축 캡(22)이 섹션(14,16)의 채널의 개방 단부 위로 설치된다.
비임(12)은 다양한 목적으로 이용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 비임은 차량 도어 비임 또는 자동차 범퍼 또는 유사한 차량 비임에 대한 중심 적층 보강 부재일 수 있다.
도시된 바와 같이, 각각의 U-형상 섹션(14,16)에 대해 인서트(24)내에 드롭이 제공된다. 도 5-6은 인서트 내의 적절한 드롭을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 인서트(24)는 각각의 비임 섹션(14,16)의 U-형상에 대체로 부합하는 형상으로 이루어진 내부 캐리어(26)를 포함하여 이루어진다. 따라서, 캐리어(26)는 단부벽(30)에 의해 연결되는 한쌍의 측벽(28)을 갖는다. 벽(28,30)의 외측 표면 상에 보강 폴리머(32)층이 제공된다. 도 5-6 및 도 2에 도시된 바와 같이, 또한 도 3-4에 도시된 바와 같이, 폴리머(32)는 연결 벽(30)의 외측 표면 전체를 거의 덮으나, 캐리어(26)의 모서리(34)가 노출되거나 여기에 폴리머 재료가 없도록 대체로 삼각형 또는 사다리꼴 패턴으로 측벽(28) 상에 배치된다. 그 다음에 인서트(24)내의 드롭을 형성하는, 폴리머-피복 캐리어가 각각의 U-형상 셀 또는 채널(14,16)내에 배치되며, 단부벽(30)이 각 U-형상 섹션(14,16)의 개방 단부에 위치된다. 인서트(24) 내의 드롭은, 그의 중심점이 화살표(F)로 지시되는 로딩 지점의 위치에 있도록 배치된다. 폴리머 층의 측면 엣지(36,36)가 중심 로드의 위치로부터 멀어지는 방향으로 서로를 향해 테이퍼지도록 함으로써, 폴리머 층의 총 깊이(D)가 중심점 위치에서 보강부재로 사용된다. 중심점 위치로부터 횡방향 외부로(예컨대, 도 3에서 거리 d1으로 지시된 것과 같이), 보강 필요성이 크지 않은 이들 지점에는 보다 적은 양의 보강 폴리머가 존재한다.
바람직하게는, 보강층(32)은 비임에 강성의 보강을 제공하도록, 큐어링 시에 구조적 포말(foam)을 형성하는 폴리머 재료이다. 큐어링될 때, 구조적 포말은 그의 캐리어(24) 뿐만 아니라, 다른 구조적 부재들에도 밀접하게 접착되어, 채널 섹선(14,16)의 측벽, 플랜지(20) 및 압축 캡(22)의 내부 표면 등에 접촉한다. 도 3-4를 참조하라. 구조적 포말이 팽창가능한 경우, 캐리어(26)는 비임의 측벽으로부터 충분한 공간을 허용함으로써, 팽창된 포말 재료를 수용할 수 있도록 크기가 설정된다. 바람직한 폴리머 발포체는 본 명세서에 참고 문헌으로서 첨부된 미국 특허 제 5,575,526호에 상술된 바와 같은 열 팽창 발포체가다. 차량 비임과 관련된열 팽창 발포체의 장점은 비임(12)을 포함하는 차량의 부분이 차량의 제조시 이용되는 통상적인 코팅 프로세스에 의한 것과 같이 열 처리될 때 발포체가 팽창한다는 것이다. 그러므로, 개별적인 가열 단계가 발포체를 활성화시키기 위하여 필요하지 않다.
열 팽창 홈이 바람직하지만, 본 발명은 예를 들면 화학적으로 활성화되는 다른 타입의 발포체으로 실시될 수 있다. 따라서, 열경화성 수지 및/또는 팽창 레진 기재 발포체과 같은 소정의 적절한 발포체 재료가 본 발명의 실시예에 이용될 수 있다.
도 2 내지 도 4에는 비임(12)이 다수의 U형상 섹션(14, 16)을 가지는 멀티-셀 비임인 본 발명의 실시예가 도시된다. 그러나, 본 발명은 다른 형상의 비임으로 실시될 수 있다. 도 7 및 도 8에는 예를 들면, C형 채널을 형성하는 이격된 벽을 가지는 비임이 도시된다. 캐리어(24A)는 상응하는 형상을 가지며 발포체(32A)을 수용하도록 비임(38)으로부터 이격된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 발포체의 측면 엣지(36A)는 힘(F)의 위치로부터 이격된 방향으로 서로를 향하여 테이퍼진다.
비임의 횡단면 형상은 선택적으로 V 형상 또는 L 형상 또는 각진 형상의 소정의 발포체과 같은 다른 형상일 수 있다. 도 9 내지 도 10은 예를 들면, 상응하는 형상을 가지고 폴리머 층(32B)을 수용하도록 비임(40)으로부터 이격되는 캐리어(24B)를 구비한 각진 형상을 가지는 비임(40)이 도시된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 폴리머 층(32B)의 측면 엣지(36B)는 힘(F)의 위치로부터 이격된 방향으로 테이퍼진다.
U형상이 아닌 C 형상 또는 각진 형상과 같은 비임용 캐리어가 있는 위치에서, 중간 벽(30)에 유사한 연결부는 캐리어의 외측으로 이격된 벽들 사이 중앙에 위치한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 캐리어는 형상 및 크기를 가짐으로써 인서트(insert)에서의 드롭(drop)이 인서트가 배치되는 채널 형상에 전체적으로 따를 때 용이하게 기능할 수 있도록 하는 크기이다. 이것은 부품의 조립체를 간단하게 한다. 그러나, 본 발명은 캐리어를 완전히 생략하고 비임 자체의 내부면에 직접 폴리머 층을 제공함으로써 넓게 실시된다. 그러나, 이 같은 선택은 인서트에서의 드롭을 이용하여 실시예 만큼 바람직하지 않다. 인서트에서의 드롭을 위한 캐리어가 폴리머 층의 정확한 크기 및 형상에 따르는 형상이 되는 것보다 일정하거나 균일한 크기가 되도록 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 원하는 경우 캐리어 자체는 예를 들면 도 5에 도시된 노출부(34)가 존재하지 않는 폴리머 층과 동일한 형상을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 비임(12)은 예를 들면 길이가 약 60 인치일 수 있으며 전체 높이가 약 6 인치일 수 있다. 캐리어(24) 및 캐리어의 발포체 층(32)은 중앙에 위치하고 비임 길이의 약 1/6으로부터 1/3까지 덮을 수 있다.
캐리어(26)는 적절한 재료로 제작될 수 있으며 자체적으로 또한 보강적인 측면에서 보조하는 강성 재료로 제작되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 넓은 실시내에서, 캐리어는 비임에 대해 소정의 위치에서 폴리머 층의 배치를 가능하게 하는 예비 성형된 폴리머 층(32)에 대한 지지부를 제공하는 기능을 할 만큼 강성일필요는 없다. 그러나, 비록 캐리어가 강성인 다른 재료로 제작되거나 큐어링(curing) 또는 다른 처리를 할때 강성을 가지더라도 캐리어(26)는 적절한 금속으로 제작되는 것이 바람직하다. 그러므로, 캐리어는 폴리머 층(32)에 대한 지지부로서 기능할 수 있도록 충분한 강성을 가지는 다양한 플라스틱 또는 폴리메릭 재료 또는 다양한 목재 타입의 섬유성 재료로 제작될 수 있다. 열 팽창 발포체가 이용될 때 지지부는 열 큐어링동안 발생하는 열을 견딜 수 있다.
다른 형태의 기포 재료가 사용되는 경우에, 지지체 또는 캐리어가 고온에 견딜수 있게 할 필요는 없다. 캐리어에 대한 기본 요구조건 대신에, 의도한 방법으로 기능하기에 충분한 강성을 가지게 한다. 또한, 경화 또는 추가의 처리 시 강성으로 되는 재료를, 캐리어로서 사용할 수 있다. 본 발명이 금속으로 만든 비임과 금속으로 만든 캐리어에 사용되면, 경화 기포는 양 재료에 밀접하게 결합된다. 그러나, 본 발명은 여전히 비임에 경화 기포의 충분한 결합을 야기할 수 있다면, 다른 재료로 만든 비임에 사용될 수 있다. 기포가 팽창가능한 기포인 경우에, 비임과 캐리어 뿐만 아니라 기포로 선택된 재료가, 팽창시 얇은 팽창되지 않은 기포가 구조적 층상체를 가져오도록 비임과 캐리어와 강한 결합을 형성할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 특히 자동차 분야에 유용하지만, 본 발명은 비임, 특히 점 하중을 받을 수 있고 따라서 굽힘 모멘트 다이어그램이 중심점 분배된 하중을 가지는 비임을 보강할 필요가 있는 다른 분야에서도 실행될 수 있다.

Claims (30)

  1. 적층식 보강 비임 조립체로서,
    이격된 측벽들로 형성된 채널형상을 가진, 양단부로 길게 뻗은 비임, 상기 양 단부사이의 상기 비임상의 접촉 장소, 상기 측벽의 각각상의 보강층을 포함하며,
    상기 보강층은 경화상태에 있을 때 구조적 기포를 형성하는 폴리머로 만들어져 있으며, 상기 보강층은 상기 접촉 장소로부터 멀어지는 방향으로 서로를 향해서 테이퍼지는 측면 에지들을 가진 형상을 하고 있는 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보강층은 캐리어에 밀접하게 결합되어 있으며, 상기 캐리어는 연결부에 의해 상호연결된 외면과 함께진 이격된 측벽들을 가지며, 상기 연결부는 상기 접촉 장소에 위치되어 있으며, 상기 보강층은 상기 캐리어와 상기 비임사이에 있으며 상기 비임의 상기 측벽에 밀접하게 결합되어 있는 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 캐리어와 상기 보강층은 드롭 인 인서트를 포함하는 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 캐리어의 상기 측벽은 상기 보강층에 의해 커버되지 않은 부분을 가진 크기로 되어 있는 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 캐리어의 상기 측벽은 직사각형 형상이고, 상기 캐리어의 상기 측벽 각각상의 상기 보강층은 전체적으로 삼각형 형상인 조립체.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 캐리어는 상기 비임의 길리의 1/6 내지 1/3까지 대칭적으로 연장하는 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 비임에 고정되고 상기 채널을 폐쇄하는 압축 캡을 포함하며, 상기 보강층은 상기 압축 캡에 결합되어 있는 조립체.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 비임은 U형상 단면을 가짐으로써, 상기 채널은 U형상이고, 상 캐리어의 상기 연결부는 상기 U의 폐쇄단부로부터 먼 상기 U의 개방 단부를 연결하는 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 비임에 고정되고 상기 채널을 폐쇄하는 압축 캡을 포함하며, 상기 보강층은 상기 압축 캡에 결합되어 있는 조립체.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 비임은 다수의 평행 U형상 채널의 단면을 가지며, 상기 채널 각각내에 있는 상기 캐리어중 하나는 상기 U의 폐쇄단부로부터 먼 상기 U의 개방 단부를 연결하는 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 채널의 상기 개방 단부를 연결하는 압축 캡을 포함하는 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 비임은 복수의 평행한 U형 채널를 구비한 크로스 섹션을 갖는 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 채널의 개방단부를 연결하는 압축 캡을 포함하는 조립체.
  14. 제 2 항에 있어서, 상기 비임은 C형 크로스 섹션을 가지며, 상기 캐리어는 대응하는 형상을 갖는 조립체.
  15. 제 2 항에 있어서, 상기 비임은 각진 형상의 크로스 섹션을 가지며, 상기 캐리어는 대응하는 형상을 갖는 조립체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 비임은 차량용 도어 비임인 조립체.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 비임은 차량용 범퍼인 조립체.
  18. 제 2 항에 있어서, 상기 폴리머 층은 신축성 발포체인 조립체.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 발포체는 열적으로 신축가능한 조립체.
  20. 외측 면을 구비한 이격된 벽들을 갖는 캐리어와,
    상기 이격된 벽들을 서로 연결하며, 상기 이격된 벽의 외측면에 결합되는 외측 면을 갖는 연결부, 및
    상기 이격된 벽 및 연결부의 외측면 상에 놓이며, 경화된 상태로 구조재 발포체를 형성하는 재료로 제조되며, 상기 연결부로부터 멀어지는 방향으로 서로를 향해 경사진 측면 에지를 갖는 폴리머 층을 포함하는 비임 보강용 드롭 인 인서트.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 캐리어의 측면 벽은 상기 보강층에 의해 덮여지지 않는 부분을 가질 수 있는 크기인 인서트.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 캐리어의 측면 벽은 직사각형 형상이며, 상기 캐리어 측면 벽의 각각에 놓이는 보강 층은 일반적으로 삼각형 형상인 인서트.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 캐리어는 U형 크로스 섹션을 갖는 인서트.
  24. 제 20 항에 있어서, 상기 인서트는 C형 크로스 섹션을 갖는 인서트.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 인서트는 각진 크로스 섹션을 갖는 인서트.
  26. 제 20 항에 있어서, 상기 폴리머는 열적으로 신축가능한 발포체인 인서트.
  27. 비임의 단부들 사이의 위치에 힘이 가해질 때 일반적으로 삼각형 굽힘 모멘트를 가지며 힘의 위치에서 채널을 형성하는 대향 측면을 갖는 비임의 보강 방법으로서,
    폴리머 층이 힘의 위치로부터 멀어지는 방향으로 서로를 향해 경사진 경사 측면 에지를 갖는 형태로 상기 폴리머 층을 비임의 측면에 도포하는 단계, 및
    구조재 발포체가 될 상기 폴리머 층에 의해 상기 비임을 보강하는 단계를 포함하는 비임의 보강 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 채널을 횡단하는 비임에 압축 캡을 가하는 단계, 및 상기 압축 캡에 힘을 가하는 단계를 포함하는 비임의 보강 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 드롭 인 인서트를 형성하도록 캐리어 상에 폴리머를 도포하는 단계와, 상기 인서트를 채널 내측에 위치시키는 단계, 및 발포체가 경화될 때 캐리어, 비임 및 압축 캡에 상기 발포체를 친밀하게 접합하는 단계를 포함하는 비임의 보강 방법.
  30. 제 27 항에 있어서, 드롭 인 인서트를 형성하도록 캐리어에 폴리머를 도포하는 단계와, 상기 인서트를 채널 내측에 위치시키는 단계, 및 발포체가 경화될 때 상기 캐리어와 비임에 발포체를 친밀하게 접합시키는 단계를 포함하는 비임의 보강 방법.
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