KR20030078937A - 자동차 구조용 부재 및 이를 이용한 자동차 차체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 우수한 굽힘 강도와 흡수 에너지 특성을 발휘할 수 있고, 게다가 경량화도 도모할 수 있는 자동차용 구조 부재를 제공하는 것이며, 인장 강도가 1400 ㎫ 이상, 신장율이 5 ％ 이상 재질 특성을 갖고, 장축 방향과 직각인 방향의 단면 형상이 폐쇄 단면 구조의 고장력 강관으로 형성되고, 이 단면 형상의 길이 방향의 최대 치수를 a, 이것과 직각 방향의 최대 치수를 b, 외주 길이를 L, 두께를 t라 한 경우에, 단면 형상이 하기 [수학식 1]을 충족시키는 자동차 구조용 부재이며,

[수학식 1]

0.65 ≤ b/a ≤ 0.75

0.014 ≤ t/L ≤ 0.020

차체에 부착한 경우에 바람직하게는 부재의 단면 형상의 길이 방향이 충돌 방향과 일치하도록 배치된다.

Description

자동차 구조용 부재 및 이를 이용한 자동차 차체 {STRUCTURAL MEMBER OF AUTOMOBILE AND AUTOMOBILE BODY COMPRISING IT}

종래부터, 자동차의 측면 충돌시에 운전자의 안전을 확보하기 위해 자동차용 구조 부재, 예를 들어 도어 보강 부재인 도어 충격 보호가 널리 사용되고 있다. 그리고, 이 도어 충격 보호로서는, 충돌 안전성을 확보하는 동시에 경량화에 의한 저연비화를 도모하기 위해 초고장력 강관이 채용되고 있다. 이러한 강관 재료로서는, 인장 강도가 1400 ㎫ 이상인 것이며, 그 단면 형상은 진원인 것이 일반적이었다.

한편, 자동차 부품 등의 경량화에 의해 저연비를 더욱 도모할 필요가 있고, 도어 충격 보호도 보다 가벼운 것이 요구되고 있으므로 가능한 한 두께가 얇은 것이 바람직하다. 그러나, 도어 충격 보호는 충돌시에 있어서의 안전성을 확보하는 것이며, 소정치 이상의 굽힘 강도와 흡수 에너지 특성을 확보할 필요가 있으나, 종래의 단면 형상이 진원인 것으로서는 경량화는 거의 한계에 부딪혔다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하여 자동차 충돌시(예를 들어, 정면 충돌, 측면 충돌 등), 특히 측면 충돌시에 있어서 종래의 원형 단면의 강관에 비해 거의 동등 혹은 그 이상의 높은 굽힘 강도와 흡수 에너지 특성을 갖고, 게다가 종래의 것보다도 더욱 경량화를 달성할 수 있는 예를 들어, 도어 보강 부재인 도어 충격 보호용 빔, 필러 보강 부재나 범퍼 보강 부재 등의 자동차용 구조 부재 및 이 부재를 이용한 차체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 우수한 굽힘 강도와 흡수 에너지 특성을 발휘할 수 있고, 게다가 경량화도 도모할 수 있는 자동차용 구조 부재, 예를 들어 도어 보강 부재인 도어 충격 보호용 빔, 필러 보강 부재나 범퍼 보강 부재 등 및 이 자동차 구조 부재를 이용한 차체에 관한 것이다.

도1은 ø31.8 ㎜ × t1.6 ㎜의 원형 단면과 동일 중량이고, a와 b의 비를 다양하게 바꾼 네 변형 형상의 빔을, 스팬 950 ㎜에서 3점 굽힘 시험을 한, b/a와 최대 하중 및 흡수 에너지의 관계를 나타낸 도면이다.

도2는 두께(t)와 외주 길이(L)의 관계의 예를 도시하는 도면이다.

도3은 스팬 950 ㎜에서 3점 굽힘 시험을 한 경우의 변위와 하중의 관계를 도시하는 도면이다.

도4는 본 발명의 실시 형태를 도시하는 단면도이다.

도5는 본 발명의 그 밖의 실시 형태를 도시하는 단면도이다.

도6은 본 발명의 그 밖의 실시 형태를 도시하는 단면도이다.

도7은 본 발명의 그 밖의 실시 형태를 도시하는 단면도이다.

도8은 본 발명의 그 밖의 실시 형태를 도시하는 단면도이다.

도9는 실시예 및 비교예의 3점 굽힘 시험을 한 결과를 나타내는 그래프이다.

도10은 3점 굽힘 시험에 있어서의 흡수 에너지를 도시하는 도면이다.

본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 요지로 하는 바는 이하와 같다.

(1) 인장 강도가 1400 ㎫ 이상, 신장율이 5 ％ 이상인 재질 특성을 갖고, 단면 형상이 폐쇄 단면 구조인 고장력 강관으로 형성되고, 상기 단면 형상의 길이 방향의 최대 치수를 a, 이와 직각 방향인 최대 치수를 b, 외주 길이를 L, 상기 강관의 두께를 t라 한 경우, 단면 형상이 하기 [수학식 1]을 충족시키는 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재이다.

[수학식 1]

0.65 ≤ b/a ≤ 0.75

0.014 ≤ t/L ≤ 0.020

(2) 상기 단면 형상은, 그 변의 적어도 1 부위에 직선부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 자동차 구조용 부재이다.

(3) 상기 단면 형상은, 그 변이 전부 곡선으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 자동차 구조용 부재이다.

(4) 상기 단면 형상은 타원 형상인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 자동차 구조용 부재이다.

(5) 상기 부재는 차체에 부착한 경우에, 그 단면 형상의 길이 방향이 차체의 충돌 방향과 일치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 자동차 구조용 부재이다.

(6) 상기 부재는 도어에 부착한 경우에, 그 단면 형상의 길이 방향이 도어의 측면 충돌 방향과 일치하도록 배치되는 도어 충격 보호용 빔으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 자동차 구조용 부재이다.

(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 자동차 구조용 부재를, 상기 부재의 단면 형상의 길이 방향이 차체의 충돌 방향과 일치하도록 배치한 자동차 차체가다.

이하에, 도면을 참조하면서 본 발명의 자동차 구조용 부재를 차체의 도어 충격 보호용 빔에 이용한 경우를 예로 들어 바람직한 실시 형태를 개시한다.

본 발명의 도어 충격 보호용 빔은, 성분 조성이, 예를 들어 중량 ％로 C : 0.24 ％, Si : 0.25 ％, Mn : 2.4 ％, Cr : 0.5 ％, Mo : 0.7 ％, Ti : 0.03 ％, B : 20 ppm, 잔부는 Fe 및 불가피적 원소로 이루어지며, 인장 강도가 1400 ㎫ 이상, 신장율이 5 ％ 이상인 재질 특성을 갖는 강띠를 이용하여 성형된, 장축 방향과 직각인 방향의 단면 형상이 폐쇄 단면 구조의 고장력 강관으로 형성되는 것이다.

그리고, 이 단면 형상의 길이 방향의 최대 치수를 a, 이것과 직각 방향의 최대 치수를 b, 외주 길이를 L, 두께를 t라 한 경우에, 단면 형상이 하기 [수학식 1]

[수학식 1]

0.65 ≤ b/a ≤ 0.75

0.014 ≤ t/L ≤ 0.020

을 충족하는 것이다. 바람직하게는, 도어에 부착한 경우에 빔 단면 형상에 있어서 상기 길이 방향이 측면 충돌 방향과 일치하도록 배치되는 것이다.

또, 본 발명의 빔 단면 형상은 직사각형에 내접하고 또한 각 코너부를 원호에 의해 라운딩한 형상을 기본으로 하는 것이며, 각 코너부를 원호형으로 함으로써 충격 하중이 가해진 경우, 각 코너부에의 지나친 응력 집중에 의해, 극단적인 깨짐이나 좌굴이 발생하는 것을 방지하고 있다.

이하에, 단면 형상을 상기의 치수를 한정한 이유에 대해 설명한다.

(1) 우선, b/a의 한정 조건에 대해 설명한다.

도1은 b/a를 여러 가지로 바꿔 동일 단면적의 강관을 단면 형상의 길이 방향과 동일한 방향으로부터의 하중에 의한 3점 굽힘 테스트를 한 경우의, 굽힘 특성을 최대 하중과 흡수 에너지량으로 평가한 그래프이다.

b/a를 원형(b/a = 1)으로부터 서서히 작게 해 가면, 최대 하중 및 흡수 에너지도 증가하고, 0.65 ≤ b/a ≤ 0.75에서는 급격히 커진다. 또한, b/a < 0.65에서도 굽힘 특성은 향상되지만, 긴 변(길이 방향의 최대 치수)(a)이 짧은 변(길이 방향과 직각인 방향의 최대 치수)(b)에 대해 지나치게 커져 형상적으로 불안정해지며, 측면 충돌시에 있어서 빔의 비틀림 및 회전이 발생하므로, 빔 본래의 성능이 발휘되지 않아 안전성면에서 문제가 있을 가능성이 있다. 또한, 도어 내에 배치한 경우, 공간 제약상, 배치할 수 없는 경우가 있다.

따라서, 0.65 ≤ b/a ≤ 0.75의 범위가 바람직하다.

(2) 다음에, t/L의 한정 조건에 대해 설명한다.

충돌시의 안전 확보를 위한 유효한 단면 형상을 결정하기 위해서는, b/a 외에 두께(t)와 외주 길이(L)의 비(t/L)가 중요한 변수이다.

도2는 b/a가 상기 범위(0.65 ≤ b/a ≤ 0.75) 내에 있어서의 t와 L과의 관계를 나타낸 것이다.

t/L < 0.014의 영역에서는 t에 대해 L이 크기 때문에, 좌굴이 발생하기 쉬워지고, 또한 좌굴 후의 깨짐도 커지기 쉽다. 한편, t/L > 0.020의 영역은 굽힘 특성으로서는 양호하지만, L에 반해 t가 크기 때문에 중량 증가의 방향이 되어, 경량화의 목적에 위배되게 된다.

또한, 이 빔을 실제 도어에 부착하는 경우는 0.014 ≤ t/L ≤ 0.020의 범위 이외에, 도어 내의 부착 공간으로부터 L이 제약되고, 경량화 등의 요구로부터 t가 제약된다. 또는, L과 t가 충분한 굽힘 성능을 갖는 영역에 있을 필요가 있으며, L과 t의 곱 L × t > K(K는, 도어의 요구 성능으로부터 결정되는 정수)로 둘러싸인 영역이 최적 영역이 된다(도2의 사선 부분, 단 K = 140인 경우).

빔 단면 형상은, 길이 방향과 직각인 방향의 중립축으로부터, 질량 분포가 떨어진 쪽이 빔(강관)의 장축 방향에 직각인 방향의 굽힘 강성이 향상되므로, 예를 들어 도4에 도시된 바와 같이 길이 방향의 2변에 직선 부분이 있는 타원 형상이나, 도5 내지 도6에 도시된 바와 같이, 길이 방향의 2변과 그 직각 방향의 2변에 직선 부분이 있는 대략 직사각형 형상인 것은, 빔(강관)의 장축 방향에 직각인 방향의 굽힘 강성을 크게 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.

또한, 길이 방향에 직선부가 있는 경우, 빔(강관)의 장축 방향에 직각인 방향의 굽힘 강성은 향상되지만 좌굴 후에 깨짐이 커지는 경향이 있고, 이 좌굴에 의한 깨짐을 경감시키기 위해서는, 도7에 도시된 바와 같이 길이 방향을 외측으로 볼록한 만곡부를 갖는 형상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 도8에 도시된 바와 같이 길이 방향과 그 직각 방향이 매끄러운 만곡으로 연결되어 있는 타원 형상은, 충돌에 의한 형상 유지가 불안정하고, 비틀림, 굽힘이 발생하기 쉬운 경향이 있지만, 죄굴되기 어렵고, 또한 좌굴에 의한 깨짐이 매우 작아지므로 빔에 채용할 수 있다.

(3) 다음에, 도어 또는 차체로의 배치에 대해 설명한다.

본 발명은, 원형 단면과 같이 전방위성(등방적)에서는 없기 때문에, 도어 내로의 배치는 굽힘 특성을 최대한으로 발휘하도록 방향성을 갖게 하는 것이 바람직하다. 즉, 도어에 부착한 경우에 빔 단면 형상의 길이 방향이 측면 충돌 방향과 일치하도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 부재의 차체로의 배치는 부재의 단면 형상의 길이 방향이 충돌 방향과 일치하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이것은, 상술한 바와 같이 부재가 단면 형상의 길이 방향과 동일한 방향의 굽힘 강성이 우수하기 때문이다.

본 발명의 자동차용 구조 부재는, 상기한 도어 충격 보호용 빔 이외에도, 필러 보강 부재나 범퍼 보강 부재 및 차체의 구조 부재로서도 이용할 수 있다.

<실시예>

표 1에 나타내는 제1 실시예 내지 제3 실시예의 치수 및 각 비율의 단면 형상을 갖는 빔을, 스팬 950 ㎜(I = 950 ㎜)에서 3점 굽힘 시험(속도 2 ㎜/s, 압입변위량 200 ㎜)을 행하였다. 어느 것이나 최대 하중 및 흡수 에너지 모두 만족하는 것이었다. 한편, 비교예로서 종래 타입의 Ø31.8 ㎜ × t1.8 ㎜의 원형 단면을 갖는 것(제1 비교예)과, 경량화를 도모한 Ø 31.8 ㎜ × t1.6 ㎜의 원형 단면을 갖는 것(제2 비교예)의 3점 굽힘 시험을 마찬가지로 행하였다. 또, 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예는, 각각 도4, 도5, 도6에 상당하는 것이다. 도3에, 제1 실시예, 제1 비교예, 제2 비교예의 3점 굽힘 시험의 하중 - 변위 곡선을 나타낸다.

실시예 및 비교예의 3점 굽힘 시험에 있어서의 최대 하중 및 흡수 에너지의 결과를 도9에 나타낸다. 또, 흡수 에너지는 도10에 도시한 바와 같이, 상기한 3점 굽힘 시험의 하중 - 변위 곡선의 하측 사선부의 영역이다.

이 결과로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명의 빔은 경량화 타입인 Ø31.8 ㎜ × t1.6 ㎜의 원형 단면을 갖는 것으로 동일 중량이면서, 최대 하중 및 흡수 에너지 모두 Ø31.8 × t1.8 ㎜의 원형 단면을 갖는 것과 동등 이상의 성능을 갖는 것이며, 우수한 형상 특성을 발휘할 수 있는 것을 확인할 수 있었다(도9).

	인장 강도(㎫)	신장(％)	치수	최대 하중(kN)(1 = 950 ㎜)	흡수 에너지(J)(1 = 950 ㎜)
			a			b	L	t	b/a	t/L
제1실시예	1608	12.2	34	24.5	100	1.6	0.72	0.016	10.59	1427
제2실시예	1625	11.8	33	23	100	1.6	0.70	0.016	11.18	1484
제3실시예	1636	11.2	34	22	100	1.6	0.65	0.016	11.43	1539
제1비교예	1642	12.2	31.8	31.8	100	1.6	1.00	0.016	9.07	1058
제2비교예	1651	12.7	31.8	31.8	100	1.6	1.00	0.016	10.69	1422

이상의 설명으로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명은 자동차 충돌시, 특히 측면 충돌시에 있어서 종래의 원형 단면의 강관에 비해, 높은 굽힘 강도와 흡수 에너지 특성을 가짐으로써 자동차용 구조 부재(예를 들어, 도어 보강 부재인 도어 충격 보호용 빔, 필러 보강 부재나 범퍼 보강 부재) 및 차체의 경량화를 가능하게 하는 것이다.

Claims (7)

1. 인장 강도가 1400 ㎫ 이상, 신장율이 5 ％ 이상인 재질 특성을 갖고, 단면 형상이 폐쇄 단면 구조인 고장력 강관으로 형성되고, 상기 단면 형상의 길이 방향의 최대 치수를 a, 이와 직각 방향의 최대 치수를 b, 외주 길이를 L, 상기 강관의 두께를 t라 한 경우에, 단면 형상이 하기 [수학식 1]을 충족시키는 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재.

   [수학식 1]

   0.65 ≤ b/a ≤ 0.75

   0.014 ≤ t/L ≤ 0.020
2. 제1항에 있어서, 상기 단면 형상은 그 변의 적어도 1 부위에 직선부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재.
3. 제1항에 있어서, 상기 단면 형상은 그 변이 전부 곡선으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재.
4. 제1항에 있어서, 상기 단면 형상은 타원 형상인 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재는 차체에 부착한 경우에, 그 단면 형상의 길이 방향이 차체의 충돌 방향과 일치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재는 도어에 부착한 경우에, 그 폐쇄 단면 형상의 길이 방향이 도어의 측면 충돌 방향과 일치하도록 배치되는 도어 충격 보호용 빔으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 자동차 구조용 부재.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 자동차 구조용 부재를, 상기 부재의 폐쇄 단면 형상의 길이 방향이 차체의 충돌 방향과 일치하도록 배치한 것을 특징으로 하는 자동차 차체.