KR20020065500A - 충돌 에너지를 흡수하기 위한 에너지 흡수기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충돌 에너지를 흡수하기 위한 에너지 흡수기에 관한 것이다. 상기 에너지 흡수기는 실질적으로 동일한 방향으로 지향되며 서로 인접하기 위해 배열된 복수의 벌집형 셀(2)이 제공되는 몰딩(4)을 포함한다. 또한, 본 발명의 에너지 흡수기는 몰딩이 압출 폴리카보네이트로부터 제조되며 벌집형 셀이 압출 방향으로 연장된다는 것을 특징으로 한다.

Description

충돌 에너지를 흡수하기 위한 에너지 흡수기{ENERGY ABSORBER FOR ABSORBING IMPACT ENERGY}

원동기 차량의 개발 분야 및 기타의 분야에서, 수동 안전은 점점 더 집중적인 연구의 대상이 되고 있다. 이 점에 있어서, 높은 에너지 흡수력을 갖는 구조물 및 재료는 무엇보다도 높은 관심의 대상이다. 예컨대, 자동차 산업에서 폴리우레탄(PU) 또는 탄성체 변형 폴리프로필렌(EPP)으로 구성된 발포제가 사용된다. 이들 재료는 거의 이상적인 거동에 의해 구별되는데, 이들 재료에 의하면, 초기의 힘의 가파른 증가 후에, 일정한 힘을 받는 수평 정체 상태가 일시적으로 진행을 지속하는 에너지 흡수 동안 발생한다. 상기 과정에서 흡수되는 일은 힘-변위 곡선 하부의 영역으로 정의되는데, 이러한 영역은 가능한한 넓어야 한다. 최신식의 다양한 발포제는 에너지 흡수 능력에 있어서 이러한 이상에 매우 근접하게 접근한다.

그러나, 이들 에너지 흡수기에 있어서, 도로 교통 사고 또는 다른 사고의 경우에서 발생되는 가속도가 너무 커서 인간의 충돌에 허용되는 한계치를 초과하는 문제가 발생한다. 머리부 충돌의 경우에, 80 g의 가속도 값은 3 ms보다 짧은 시간 동안 초과되는 것만이 허용된다.

측면 부재 구조물의 소성 변형은 원동기 차량의 경우에서 에너지 흡수의 다른 예로서 인용될 수도 있다. 이러한 경우에, 측면 부재 구조물의 금속은 정해진 하중 하에서 구조물이 파괴될 때까지, 즉 구조물이 휘어지고 안쪽으로 구부러질 때까지 압축된다. 이러한 경우에, 금속은 소성 변형되며 많은 에너지를 흡수하게 된다.

지금까지 에너지 흡수를 위하여 사용된 재료가 높은 에너지 흡수 용량을 갖기는 하지만, 에너지 흡수기의 하중은 알루미늄 같은 경금속으로 제작된 경우에서도 가볍지 않다. 하중 감소는 특히 자동차 산업에서 중요한 역할을 하기 때문에, 높은 에너지 흡수력을 갖는 매우 가벼운 재료에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

또한, 하중의 더 큰 감소는 고상 재료의 형태를 취하기보다 예컨대 우선 방향에서 특히 높은 에너지 흡수력을 나타내도록 생성된 샌드위치 구조물 같은 공동 구조물을 취하는 에너지 흡수기에 의한 최신 기술에서 달성된다. 이러한 목적을 위하여, 공동 구조물은 실질적으로 동일한 방향으로 정렬되며 서로 인접하여 배치된 다수의 벌집형 챔버를 포함한다. 그러나, 이러한 경우에도 금속 또는 경금속이 사용될 때 특정 하중 이하로 유지하는 것은 가능하지 않다.

그러므로, 본 발명의 기초를 이루는 기술적 문제는 매우 가벼운 하중 및 높은 에너지 흡수력을 모두 나타내는 에너지 흡수기를 명시하는 것이다.

본 발명은 충돌 에너지를 흡수하기 위한 에너지 흡수기에 관한 것이다.

본 발명은 후속하는 실시예 및 참조 도면으로써 더욱 상세하게 설명된다. 참조 도면은 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 에너지 흡수기의 제1 실시예의 사시도이다.

도2는 본 발명에 따른 에너지 흡수기의 제2 실시예의 사시도이다.

도3은 도1에 도시된 에너지 흡수기의 단면도이다.

도4는 도2에 도시된 에너지 흡수기의 만곡된 윤곽을 갖는 단면도이다.

도5는 머리부 충돌 실험의 힘-변위 그래프이다.

본 발명에 있어서, 몰딩이 압출 방향으로 연장된 벌집형 챔버와 함께 압출폴리카보네이트로부터 생성된다는 것이 인지되어 왔다. 경금속과 비교하면, 폴리카보네이트는 본질적으로 매우 탄력적이고 매우 경량인 재료이다. 또한, 폴리카보네이트는 충격에 매우 강해서 힘이 갑작스럽게 인가되더라도 깨어지지 않고 탄성 변형을 하며 적당한 곳에서는 용융된다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 흡수 재료로서의 작용은 동시에 매우 경량이기도 한 에너지 흡수기인 폴리카보네이트에 의해 보장된다.

몰딩의 제조를 위하여, 폴리카보네이트는 그러한 방식으로 압출되므로, 사용되는 압출 공구에 따라서, 옆으로 나란히 배치된 복수의 벌집형 챔버는 압출 방향으로 형성되며 각각 두 개의 인접하여 배치된 벌집형 챔버는 각각의 공동 벽에 의해 서로 분리된다. 몰딩의 크기 및 둘레에 따라서, 제조 과정에서, 압출 후 재료 폐쇄에 의해 서로 연결되는 벌집형 챔버를 갖는 수 개의 압출 폴리카보네이트 층이 제조된다. 개별의 시트가 결과적으로 형성되는 블록으로부터 분리되는 것은 예컨대 블록으로부터 분리된 시트의 두께에 상응하는 길이를 갖는 복수의 대응 벌집형 챔버를 포함하는 고온 와이어의 도움으로 가능하다.

벌집형 챔버는 양호하게는 사각형 또는 육각형 중의 하나인 다각형 단면을 갖는다. 양호한 방식에서, 벌집형 챔버의 외부 치수는 1 mm 내지 6 mm의 범위 내에 놓이고, 또한 개별의 경우에서 이들 범위의 한계를 넘는 것이 가능하다. 벌집형 챔버의 치수 크기가 작기 때문에, 벌집형 챔버는 모세관으로 선정될 수도 있다. 또한, 벌집형 챔버는 50 ㎛ 내지 400 ㎛의 범위 내의 벽 두께를 갖는다. 이는 벌집형 챔버의 치수에 대한 벽 두께의 비율을 매우 낮게 초래하고 하중의 추가 감소를 위한 기초로서 작용한다.

따라서, 몰딩의 밀도는 예컨대 30 kg/m³내지 50 kg/m³의 범위 내에 놓이고, 경금속으로 만들어진 에너지 흡수기와 비교시 명백히 더 낮은 값을 나타낸다.

전술한 바와 같이, 시트에 관련된 벌집형 챔버가 실질적으로 미리 결정된 길이를 갖도록 하기 위하여, 시트는 예컨대 수 개의 압출 벌집형 챔버 층으로 구성된 블록으로부터 절단된다. 이어서, 이러한 유형의 몰딩은 벌집형 시트로서 선정될 수도 있다.

따라서, 에너지 흡수기의 몰딩의 평면적 구성도 가능하다.

몰딩의 평면 설계 외에도, 몰딩은 또한 에너지 흡수기로 만곡된 표면의 윤곽을 갖도록 만곡된 표면을 가질 수도 있다. 따라서, 몰딩은 연결에 있어서 몰딩의 두께에 따라 작은 반경이 설정될 수도 있는 표면에 적용될 수도 있다. 모든 경우에 있어서 벌집형 챔버는 윤곽을 갖춘 표면의 각각의 곡률에 관하여 실질적으로 반경 방향으로 연장된다. 따라서, 충돌 보호는 만곡된 내부 표면의 경우에 있어서도 효과적으로 보장될 수 있다.

몰딩의 다른 구성에서 벌집형 챔버의 개구를 포함하는 하나 이상의 단부면에는 실질적으로 폐쇄된 층이 제공된다. 상기 폐쇄층은 양호하게는 재료 폐쇄에 의해 각각의 단부면에 연결되므로 평면 또는 만곡된 표면에 관하여 몰딩을 형성하기 위한 작용 외에 몰딩을 안정화시키는 작용도 한다. 또한, 이러한 층은 시트 또는 막의 형태를 취할 수도 있고 폴리카보네이트 또는 다른 합성 물질로부터 유사하게제조될 수도 있다. 또한, 층이 직물의 형태를 취하는 것도 가능하다. 바람직하게는, 충격이 가해진 때 부서지지 않게 하기 위하여 층은 몰딩과 같은 탄성 구조물이어야 한다. 또한, 덮개 층에 의하여 실제로 층 없이 충돌하는 벌집형 챔버에 의해서 뿐만 아니라 실제 충돌 지점을 둘러싸는 필드 내에 배치된 벌집형 챔버에 의해서도 충돌이 흡수되기 때문에, 층은 상대적으로 많은 수의 벌집형 챔버 상에 힘의 인가를 분산하는 기능을 한다.

특히 양호한 방식에서, 몰딩은 차량, 특히 원동기 차량의 내부 표면 상에 배열되고, 그 결과로서 통상 강성인 차량의 내부 표면이 보호된다. 따라서, 탑승자가 있는 충돌의 경우 머리부가 특히 신뢰성 있게 보호된다. 이와 관련한 내부 표면으로서 지붕 구조, 대시보드 및 지붕의 내부에도 필요한 기둥이 고려된다. 또한, 전술된 몰딩은 차량의 범퍼의 적어도 일부를 형성할 수도 있다. 또한, 전술된 몰딩은 차량의 범퍼의 적어도 일부를 형성할 수도 있다. 따라서, 차량의 상당한 하중 감소가 매우 경량인 구조물에 의해서 달성될 수 있다.

원동기 차량, 특히 자동차 외에도 철도 차량 및 항공기가 고려된다. 에너지 흡수력 외에도 재료의 저인화성 또한 필요하므로, 폴리카보네이트의 사용시 폴리카보네이트는 자기 소화성 재료이고 따라서 낮은 연소 용량을 갖는 연소 등급에 속한다는 추가적인 장점이 생긴다. 폴리카보네이트의 인화성은 예컨대, 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 또는 폴리스티렌 같이 특히 차량 내부에서 에너지 흡수기로 채용되는 다른 재료보다 작다.

다른 양호한 적용에서, 몰딩은 건물의 벽에 배열될 수도 있다. 따라서, 에너지 흡수기는 자동차 공학에서의 사용 외에도 운동 경기에 참여 중 사고로 벽에 부딪치는 사람의 충돌 보호를 실현하기 위하여 예컨대 운동 경기장 또는 유치원에 채용될 수도 있다. 이와 관련하여, 에너지 흡수기를 경기장 또는 체육관의 바닥을 완충할 목적으로 사용하는 것 또한 생각할 수 있다.

반투명성 때문에, 폴리카보네이트는 특정 광학 성질을 나타내야 하는 건축 자재를 위한 재료로서 널리 사용된다. 예컨대, 폴리카보네이트는 반투명성을 요하는 스크린 및 창을 위해 채용된다. 반면, 이러한 요건은 에너지 흡수기의 경우에는 존재하지 않으므로, 바람직하게는, 제작 결함에 의해 투명하지 않고 적어도 일부가 변색되고 흑색의 또는 착색된 색소를 나타내는 폴리카보네이트 불량 재료가 사용될 수 있다. 따라서, 투명 몰딩의 제조를 위해 사용될 수 없는 불량 재료가 에너지 흡수기의 제조를 위하여 채용될 수 있다.

도1은 복수의 벌집형 챔버(2)를 포함하는 몰딩(4)을 갖는 본 발명에 따른 에너지 흡수기의 제1 실시예이다. 벌집형 챔버(2)는 실질적으로 동일한 방향으로 정렬되고 서로 인접하여 배치된다. 두 개의 인접하여 배치된 벌집형 챔버(2) 각각은 공통의 벽(3)을 가지므로 도1에 도시된 벌집형 구조물이 생긴다. 본 발명에 따르면, 몰딩(4)은 압출 방향으로 연장되는 벌집형 챔버(2)와 함께 폴리카보네이트로부터 압출된다.

제조 공학의 관점에서 임의의 수의 벌집형 챔버(2)가 서로의 상부에서 압출되는 것은 불가능하므로 예컨대 서로의 상부에 위치된 벌집형 챔버(2)의 다섯 개의 행을 갖는 복수의 층이 평행 압출에 의해서 제조된다. 이어서, 도1에 도시된 몰딩(4)의 단면을 가능케 하기 위해 층은 서로 연결된다. 후에 도1에 도시된 형상을 갖는 개별 시트(4)는 결과적으로 형성되는 스트랜드(strand)로부터 절단된다. 개별의 벌집형 챔버(2)의 개구는 본 실시예에서 사각형이며 벌집형 챔버(2)는 도1의 우측에서 좌측으로 도시된 시트(4)의 전체 폭에 걸쳐 연장된다. 몰딩(4)의 높은 에너지 흡수력은 무엇보다도 벌집형 챔버(2)의 종방향에서 얻어진다. 매우 작은 벽 두께 및 몰딩의 작은 전체 밀도에도 불구하고, 높은 에너지 흡수력이 생긴다. 반면, 벌집형 챔버(2)의 종방향에 대한 우측 각도에서, 한편, 도1에 도시된 에너지 흡수기는 단지 근소한 정도로 에너지를 흡수할 수 있다. 따라서, 벌집형 챔버(2)는 각각의 경우에서 에너지 흡수의 방향에 평행하게 정렬되는 방식으로 배열되어야 한다.

통상, 벌집형 챔버(2)는 다각형 단면을 가지며, 본 실시예에서는 사각형의단면을 가진다. 벌집형 챔버(2)의 외부 치수는 1 mm 내지 6 mm, 양호하게는 2 mm 내지 5mm, 보다 양호하게는 3.5 mm 내지 4.5 mm의 범위 내이다. 정확한 외부 치수는 에너지 흡수기의 특수 요건에 맞추기 위해 각각의 경우에서 조정된다.

또한, 벌집형 챔버(2)는 50 ㎛ 내지 400 ㎛, 양호하게는 100 ㎛ 내지 350 ㎛, 보다 양호하게는 150 ㎛ 내지 300 ㎛의 범위 내의 벽 두께를 갖는다. 벽 두께는 안정성, 에너지 흡수력 및 경량화의 관점에서 최적의 조건을 갖추기 위해 벌집형 챔버(2)의 외부 치수의 함수에 따라 조정된다.

앞서 명시된 외부 치수 및 벌집형 챔버(2)의 벽 두께로부터 몰딩은 30 kg/m³내지 50 kg/m³, 양호하게는 35 kg/m³내지 45 kg/m³, 보다 양호하게는 37 kg/m³내지 43 kg/m³의 범위 내의 밀도를 갖는다. 이러한 매우 낮은 밀도에도 불구하고, 벌집형 구조물 및 폴리카보네이트의 탄성에 의해 양호한 큰 에너지 흡수가 달성된다.

벌집형 챔버(2)의 형상 및 정렬은 도1에 도시된 에너지 흡수기의 단면을 도시하는 도3에서 구별될 수도 있다.

도1 및 도3에서 도시되고 벌집형 시트로서 선정될 수도 있는 몰딩(4)은 평면 내에서 실질적으로 연장된 표면을 갖는다. 따라서, 이러한 몰딩(4)은 특히 평표면을 채우는데 적당하다.

반면, 도4는 곡률에 관해 실질적으로 반경 방향으로 연장된 벌집형 챔버(2)와 함께 벌집형 시트(4)의 만곡된 윤곽을 도시한다. 이러한 구성에서, 몰딩(4)은 특히 차량 내의 만곡된 표면을 채우는데 사용될 수도 있다.

도2에서 본 발명에 따른 에너지 흡수기의 다른 실시예가 도시되며, 여기서 벌집형 챔버(2)를 포함하는 몰딩(4)에는 벌집형 챔버(2)의 개구를 포함하는 단부면(6) 상의 실질적으로 폐쇄된 층(8)이 제공된다. 이들 층(8)은 재료 폐쇄에 의해 각각의 단부면(6)에 연결되고 막의 형태를 갖는다. 본 실시예에서, 층(8)은 폴리카보네이트, 즉 몰딩(4) 자체와 같은 재료로부터 제조된다. 반면, 층(8)은 몰딩(4)의 형상, 예컨대 도2에 도시된 평표면 형상 또는 도4에 도시된 만곡 형상을 안정시키는 기능을 한다. 따라서, 몰딩(4)의 두께에 따라 예컨대 원동기 차량 내부의 적당하게 만곡된 표면이 에너지 흡수기로 덮일 수 있도록 작은 반경이 얻어질 수 있다.

또한, 층(8)은 층(8)이 없는 경우보다 많은 수의 벌집형 챔버 상에 충돌 에너지를 분배하는 기능을 한다. 이는 머리부 충돌 실험의 기초에서 후술된 바와 같이 충돌 시 발생하는 가속도에 영향을 미친다.

머리부 충돌 실험에서는 형상이나 하중 면에서 인간의 머리를 일정 수준 본뜬 구형 부분이 일정한 높이로부터 에너지 흡수기 상으로 자유 낙하된다. 구형 부분이 충돌할 때 발생하는 작용 힘 및 가속도는 에너지 흡수기의 변위의 함수로서 기록된다. 대응 힘-변위 그래프가 도5에 도시된다.

낙하 시험은 4,533 g의 하중과 2 m의 높이로 수행되었으며 변형되지 않은 전체 높이 25 mm의 에너지 흡수기가 사용된다. 도5에 도시된 바와 같이, 에너지 흡수기의 몰딩은 약 17 mm 부근에서 안으로 밀리며, 힘의 증가는 대체로 선형적이다. 구형 부분이 에너지 흡수기에 의해 완전히 감속된 후에, 힘은 빠르게 감소하고(측정 곡선의 우측편 참조), 구형 부분의 변위는 약 12.5 mm 로 다시 조정된다. 이는 에너지 흡수기의 몰딩이 영구적으로 소성 변형되었음을 의미한다. 그 이유는 폴리카보네이트의 탄성 변형은 에너지 흡수의 한계치 까지만 가능하기 때문이다. 이어서 한계치를 넘게되면, 운동 에너지의 열 에너지로의 전환이 증가하게 되고, 그 결과로써 녹는점에서부터 시작하여 벌집형 챔버의 재료가 용융되며 영구적인 소성 변형이 발생한다. 여기서 중요한 점은 폴리카보네이트의 재료는 부서지지 않고 용융된다는 점이며 이로써 본 발명에 따른 에너지 흡수기의 경우에서 안전성 측면의 장점을 가져온다.

전술된 머리부 충돌 실험은 커버 층을 사용하지 않는 도1에 따른 에너지 흡수기 및 커버 층을 사용하는 도2에 따른 에너지 흡수기 모두에 대해서 수행된다. 이들 시험에서 층이 몰딩의 전체적인 구조물을 안정화시키는 영향을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 양 측면 상이 코팅된 몰딩의 경우에서 약 150 g의 가속도가 발생한 반면, 코팅되지 않은 몰딩에서는 단지 90 g의 가속도가 발생한다. 흡수되는 에너지의 절대값 뿐만 아니라 발생하는 가속도의 수준도 에너지 흡수기를 위하여 중요하기 때문에 이러한 사실은 특히 중요하다. 따라서, 머리부 충돌의 경우에서, 예컨대 80 g를 초과하는 가속도가 3 ms 미만의 시간 동안만 허용된다.

Claims (20)

1. 충돌 에너지를 흡수하기 위한 에너지 흡수기에 있어서,

   복수의 벌집형 챔버(2)를 포함하는 몰딩(4)과,

   실질적으로 동일한 방향으로 정렬되고 서로 인접하게 배치된 벌집형 챔버(2)를 포함하고,

   몰딩(4)은 압출 방향으로 연장된 벌집형 챔버(2)와 함께 압출 폴리카보네이트로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
2. 제1항에 있어서, 벌집형 챔버(2)는 에너지 흡수의 방향에 평행하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 벌집형 챔버(2)는 다각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
4. 제3항에 있어서, 단면은 사각형 또는 육각형인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 벌집형 챔버(2)의 외부 치수는 1 mm 내지 6 mm, 양호하게는 2 mm 내지 5 mm, 보다 양호하게는 3.5 mm 내지 4.5 mm의범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 벌집형 챔버(2)는 50 ㎛ 내지 400 ㎛, 양호하게는 100 ㎛ 내지 350 ㎛, 보다 양호하게는 150 ㎛ 내지 300 ㎛의 범위 내의 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 몰딩(4)은 30 kg/m³내지 50 kg/m³, 양호하게는 35 kg/m³내지 45 kg/m³, 보다 양호하게는 37 kg/m³내지 43 kg/m³의 범위 내의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 벌집형 챔버(2)는 실질적으로 미리 결정된 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
9. 제8항에 있어서, 몰딩(4)은 벌집형 시트의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
10. 제9항에 있어서, 몰딩(4)의 표면은 실질적으로 평면 내로 연장되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 몰딩(4)은 각각의 곡률에 관하여 실질적으로 반경 방향으로 연장된 벌집형 챔버(2)와 함께 만곡된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 벌집형 챔버(2)의 개구를 포함하는 벌집형 시트의 하나 이상의 단부면(6)에는 실질적으로 폐쇄된 층(8)이 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
13. 제12항에 있어서, 층(8)은 재료 폐쇄에 의해 단부면(6)에 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 층(8)은 시트 또는 막의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 층(8)은 폴리카보네이트 또는 다른 합성 재료로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 층(8)은 직물로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 몰딩(4)은 차량, 특히 원동기 차량의 내부 표면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
18. 제17항에 있어서, 몰딩(4)은 차량의 충격 흡수기의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
19. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 몰딩(4)은 빌딩, 특히 스포츠 홀 또는 유치원의 벽 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 몰딩(4)은 변색된 폴리카보네이트로부터 적어도 일부가 제조되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수기.