KR20070071377A - 보강된 임팩트 빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부의 충격으로부터 보호가 필요한 각종 구조물 즉 일반적 예로 컨테이너와 같은 상자 형태나 자동차 구조물(샤시) 등에 응용될 수 있는 기술로서, 충격하중을 받는 부재의 강도를 높이는 방법에 관한 기술이다.

임팩트 빔은 일정 이상의 강도를 확보하여 일정 크기의 충격 하중을 받아도 파단(절단)이 일어나지 않아야 하고, 빔이 변형될 때 그 변형 에너지가 일정 이상이 되어 충격에너지를 흡수할 수 있어야 한다.

본 발명인 보강된 임팩트 빔은 빔의 전체 또는 중앙 부위를 보강한 임팩트 빔과, 빔 표면을 엠보싱 처리를 하여 좌굴에 대한 강도를 증가시킨 임팩트 빔이다.

본 발명인 보강된 임팩트 빔은 동일 량의 재료로도 종래의 임팩트 빔에 비하여 충격에너지를 많이 흡수할 수 있다. 따라서 동일 크기의 충격에너지 흡수량 성능을 가진 임팩트 빔을 만들기 위하여 적은 량의 재료가 소요되므로 가벼우며 재료비가 절약된다. 또한 본 발명인 보강된 임팩트 빔은 가장 경제적인 방법으로 임팩트 빔을 보강하여 제작비용을 줄일 수 있다.

임팩트 빔, 안전성, 강도, 좌굴, 충격,

Description

보강된 임팩트 빔{Reinforced Impact Beam}

도 1은 임팩트 빔이 차량의 도어에 장착된 형상이다.

도 2는 임팩트 빔의 일반적인 형상이다.

도 3은 중앙부위를 타원형상으로 보강한 임팩트 빔이다.

도 4는 중앙부위를 보강재로 피복하여 보강한 임팩트 빔이다.

도 5는 중앙부위를 이중관으로 보강한 임팩트 빔이다.

도 6은 전체를 엠보싱으로 보강한 임팩트 빔이다.

도 7은 중앙부위를 엠보싱으로 전체 보강한 임팩트 빔이다.

도 8은 중앙부위를 엠보싱으로 부분 보강한 임팩트 빔이다.

도 9는 타원형상의 중앙부위를 엠보싱으로 전체 보강한 임팩트 빔이다.

도 10은 타원형상의 중앙부위를 엠보싱으로 부분 보강한 임팩트 빔이다.

도 11는 타원형상의 중앙부위를 보강재로 피복하여 보강한 임팩트 빔이다.

도 12는 자동차용 임팩트 빔을 미연방자동차안전규정에 준하는 방법으로 실험한 결과이다.

본 발명은 외부의 충격으로부터 보호가 필요한 각종 구조물 즉 일반적 예로 교각의 기둥, 컨테이너와 같은 상자 형태나 자동차 구조물(샤시) 등에 응용될 수 있는 기술로서, 충격하중을 받는 부재의 강도를 높이는 방법에 관한 기술이다. 보다 구체적 예로 자동차의 도어 내부에 장착되어 있는 임팩트 빔과 같이, 충격을 받는 곳에 부착되어 충격 에너지를 흡수하고, 일정한 강도를 유지하여 구조안전성을 확보하는데 사용되는 임팩트 빔에 관한 것이다.

임팩트 빔(Impact Beam)이 사용되는 대표적인 경우인 자동차 도어에 장착된 임팩트 빔은 도 1과 같다. 만약에 자동차가 자동차끼리의 충돌 또는 자동차와 외부 구조물과의 충돌 등으로 측면에서 충격을 받을 경우 이 임팩트 빔이 충격에너지를 흡수하고 일정 강도를 유지하여, 자동차의 도어가 차체 내부로 깊게 변형되어 들어가지 않게 함으로써 차에 타고 있는 사람을 보호하는 역할을 한다.

임팩트 빔이 상기와 같은 기능을 수행하기 위해서는 일정이상의 강도를 확보하여 일정 크기의 충격 하중을 받아도 파단(절단)이 일어나지 않아야 하고, 빔이 변형될 때 그 변형 에너지가 일정 이상이 되어 충격에너지를 흡수할 수 있어야 한다. 통상적인 임팩트 빔의 설계는 굽힘 모멘트가 가장 큰 빔의 중앙에 하중을 가하여 일정 크기의 변형이 일어날 때, 그 빔에 작용하는 평균반력(변형에너지를 하중이 작용한 변위로 나눈 값, 충격에너지 흡수율을 평가하기 위한 척도)이 일정 이상이 되도록 한다.

자동차에 사용되는 임팩트 빔의 경우 미연방자동차안전규정(FMVSS, Federal Motor vehicle Safety Standard)의 측면충돌규정에 그 평균반력기준과 시험방법이 규정되어 있다.

종래의 임팩트 빔은 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 직경을 가진 원형 파이프로 제작되는 빔과 양단에 부착 브래킷을 가진 형상으로 제작된다. 이와 같은 통상의 임팩트 빔이 일정 이상의 강도를 가질 수 있게 하려면 빔을 직경이 큰 파이프로 제작하거나, 두께가 두꺼운 파이프로 제작하여야 한다.

안전한 임팩트 빔을 제작하기 위해서 빔의 재료로 직경이 크고 두꺼운 파이프를 사용할 경우 재료비가 상승하고, 중량이 증가하고, 설치 공간을 크게 차지하여 문제가 된다. 임팩트 빔의 파손(작은 하중에도 견디지 못하고 하중 방향으로 크게 변위가 커지는 상태)은 빔에 작용하는 굽힘 모멘트에 의한 아치형의 대변형이 하중이 직접 가해지는 부분에서 재료의 허용 응력을 초과하면서 생기는 국부변형으로 인해 그 형태를 유지하지 못하고 급격히 V자 형태로 무너지면서 발생한다. 이와 같이 굽힘 모멘트에 의한 빔의 파손을 방지하기 위한 한 방법으로 빔의 단면계수(Section Moduli)를 증대시키면 되는데, 같은 부피 또는 중량의 재료를 사용하더라도 직경이 크고 두께가 얇은 파이프를 사용하면 된다. 하지만 굽힘 모멘트를 받는 빔의 경우 그 단면의 중립축을 중심으로 한쪽은 인장하중을 받고, 다른 쪽은 압축하중을 받는데, 파이프의 두께를 너무 얇게 하면 압축을 받는 충격면에서 쉽게 좌굴(Buckling)을 일으켜 급격한 파손이 일어나므로 일정 이하로 파이프의 두께를 얇게 할 수 없다.

빔의 단면계수를 증대시키는 방법으로는 빔의 단면을 I빔 형태나 타원형으로 하는 방법을 생각할 수 있다. 실제로 단면이 전체적으로 타원인 임팩트 빔은 일부 사용되고 있다. 그러나, 자동차 도어에 사용되는 기존 타원형 임팩트 빔의 경우 양단이 타원이기 때문에 브래킷 장착에 어려움이 있고 본 발명인 중앙부위 타원형의 경우보다 하중분산 효과가 떨어져 평균반력도 적다. 또한 I빔의 경우 비틀림(Torsion) 하중과 좌굴에 취약하여 거의 사용되지 않고 있다.

외부의 충격으로부터 보호가 필요한 구조물에 사용되는 임팩트 빔의 경우, 가벼우면서도 강도가 높고, 충격에너지를 많이 흡수할 수 있고, 품질이 균일하여야 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 임팩트 빔의 단면계수가 크고, 좌굴이 잘 일어나지 않고, 파손이 주로 일어나는 중앙부위에서 특히 높은 강도가 요구된다.

본 발명인 임팩트 빔은 상기한 요구조건을 충족시킬 수 있는 임팩트 빔의 형상을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명인 보강된 임팩트 빔은 금속재료, 복합재료, 또는 엔지니어링 플라스틱 등의 경성 재료로 제작되고, 빔의 중간 부분을 보강한 임팩트 빔과, 빔 전체를 보강한 임팩트 빔이다.

본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의해 적용 예 별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 한 적용 예는 도 3에 도시한 바와 같이, 단면이 원형인 파이프 형상의 빔을 부착부를 제외한 전체 길이(Lo, 이하 전체길이)의 1/3에 해당하는 길이(L)만큼의 빔의 중앙부위를 계란형과 같은 유사 타원형상 또는 통상적 타원형상(이하 타원형상이란 유사 타원형상을 포함한 형상을 통칭함.)으로 가공하여 빔의 중앙부위을 보강한 임팩트 빔이다. 보강된 부위에서 타원 단면의 경우 장축방향을 하중이 작용하는 방향으로 하고 원형 단면의 경우 하중의 방향에 무관하다. 타원형 단면은 원형 단면에 비하여 중립축에서 먼 곳에 단면 요소가 많이 배치되어 원형 단면에 비하여 단면계수가 크다.

임팩트 빔에 있어서 빔의 양단 부위는 컨테이너 등과 같은 상자 형태의 경우 다른 두 판(옆판에 임팩트 빔이 부착된 경우라면 아래 판과 윗 판)들에 의해서 지지를 받으며, 차량 도어 등의 경우 브래킷과 함께 부착된 도어프레임 자체가 충분한 강도를 가지므로 구조적으로 취약한 중앙부위에 충격이 가해질 때가 주로 문제가 된다. 양단 부위가 지지된 빔 구조에서 중앙에 하중이 가해 질 경우 빔의 굽힘 모멘트는 하중이 작용하는 중앙 점에서 가장 크게 발생하므로 빔의 파손도 이 중앙부위에서 일어난다.

따라서 임팩트 빔의 전체를 보강하는 것보다 빔의 중앙부위만을 보강하는 것이 더 효율적이고 경제적일 수 있다. 이와 같이 임팩트 빔의 중앙부위를 보강하는데, 어느 정도의 범위를 보강하는 것이 가장 합리적인지를 생각해야 한다.

일반적으로 승용자동차의 도어에 사용되는 임팩트 빔에 대하여 중앙부위의 보강길이에 따른 평균반력을 실험을 해 본 결과는 도 12와 같이 나타났다. 도 12의 상단의 그래프는 횡축이 전체 빔 길이에 대한 보강 부위의 길이비율이고, 종축이 평균반력(단위 : kN)이다. 그리고, 각각의 보강 부위의 길이비율에 해당되는 I자형의 영역은 다수의 샘플에 대하여 시험한 결과 나타난 평균반력의 편차범위이다. 그리고, 도 12의 하단 그래프는 평균반력의 산포량을 평균반력의 평균값에 대한 백분율(%)로 나타낸 것이다. 이 그래프에서 보강 부위의 길이비율이 0인 것은 빔 전체가 원형 단면인 경우이고, 보강 부위의 길이비율이 1인 것은 빔 전체가 타원형 단면인 경우이다. 이 그래프에서, 전체 단면이 타원형인 임팩트 빔이 원형인 임팩트 빔의 평균반력 보다 더 높게 나오는 것을 볼 때, 타원형 단면의 빔이 원형 단면의 빔에 비하여 성능이 향상됨을 알 수 있다. 이는 힘을 받는 방향과 수직인 단면 축에 대한 단면의 단면계수가 증가하기 때문이다.

도 12에 도시한 바와 같이 일정 직경을 가진 임팩트 빔에서 보강부위의 길이 비율을 빔의 전체 길이의 1/3 길이만큼 보강한 것이 평균반력이 가장 클 뿐만 아니라 실험 편차(산포량)도 특별히 적어, 평균반력과 품질의 균일도 면에서 임계적 특성을 보인다. 이와 같은 성능향상은 중앙부위에 하중이 작용할 때 보강이 된 부위보다 상대적으로 약한 보강 경계부위에서 변형이 먼저 일어나 하중이 분산되면서 좌굴된 형태가 일반적으로 급격한 V자 형태로 발생하던 것이 완만한 V자 형태로 발생하기 때문이다.

이러한 빔을 보강(제작)하는 한 방법으로는, 금속재질의 경우 보강하고자 하는 원형 파이프를 소성변형이 되도록 프레스로 압착하여 단면 형상을 타원으로 형성하면 된다. 대량 생산의 경우 재질에 따라 프레스, 하이드로 포밍, 사출 등의 일 반적으로 잘 알려진 방법으로 제작할 수 있다.

또 다른 보강 방법으로는 도 4 도시한 바와 같이 임팩트 빔의 중앙부위를 탄소강화섬유 등의 복합재료 또는 여타 고강도 플라스틱 소재로 피복하여 보강할 수 있다.

또 다른 보강방법으로는 도 5에 도시한 바와 같이 임팩트 빔의 중앙부위에, 그 내경이 본래의 빔 파이프의 외경과 같은 금속, 복합재료, 엔지니어링 플라스틱 등의 고체 재료 파이프를 끼워 보강부위를 이중관 형태로 만들어 보강할 수 있다.

일반적으로 임팩트 빔은, 원형 단면이 다른 단면에 비해서 제작이 비교적 쉽고, 모든 방향의 충격에 대하여 균일하고 높은 강성(Stiffness)을 가지기 때문에 많이 사용된다. 동일한 량의 재료로 강성을 크게 하려면 빔의 단면 계수를 증대시켜야 하는데 이럴 경우 두께를 얇게 하고, 단면의 직경을 크게 하면 된다. 그러나 과도하게 두께를 얇게 하고 단면의 직경을 크게 한다면, 하중을 받을 때 굽힘 모멘트에 의하여 빔의 축방향으로 압축을 받는 부위(일반적으로 빔의 중앙부위)에서 좌굴이 쉽게 일어나서 빔이 파손된다.

즉, 좌굴이 쉽게 일어나지 않는 구조를 가진다면 임팩트 빔의 두께를 얇게 하고 단면의 직경을 크게 함으로써 가볍고 튼튼한 임팩트 빔을 만들 수 있다. 다른 관점에서 기존 빔보다 적은 량의 소재를 사용하여 재료비와 중량을 줄이면서도 빔의 보강을 통해 기존 빔과 동일한 성능을 얻을 수 있다.

파이프의 벽 그 자체는 판 형태인데, 이러한 판에서 좌굴이 쉽게 일어나지 않게 하려면 판에 일정한 굴곡을 주면 된다. 이러한 굴곡을 주는 방법으로는 도 6 에 도시한 바와 같이, 단면이 원형 또는 타원형인 파이프의 벽면에 원형 또는 기타 모양의 요철을 형성하거나, 홈(힘살)을 형성하면 된다. 이렇게 재료의 표면에 요철이나 홈을 형성하는 것을 통상 엠보싱(Embossing)이라고 한다.

빔의 길이 방향에 대한 엠보싱의 부위는 도 6과 같이 빔의 벽면 전체 부위를 엠보싱을 할 수도 있고, 성능을 극대화하기 위해 도 7에 도시한 바와 같이 하중을 크게 받는 중앙부위에만 할 수도 있다. 통상적인 임팩트 빔의 경우 하중이 모든 방향으로 작용할 수 있으므로 원주방향 전체에 엠보싱을 하는 것이 바람직하다.

그리고, 자동차 도어의 임팩트 빔과 같이 하중 방향이 일정한 경우에는 빔의 원주방향에 대한 엠보싱의 부위는, 임팩트 빔이 충격하중을 받아 굽힘 모멘트가 발생하고, 이 굽힘 모멘트에 의하여 파이프의 벽면에 압축응력이 작용하여 좌굴이 일어나는 부위에만 도 8에 도시한 바와 같이 부분적으로 엠보싱하여도 일정한 효과를 얻을 수 있다. 좌굴의 형태는 압축응력이 작용하는 면이 수축해 들어가면서 빔의 옆면이 돌출되어 나오므로 수축하는 충격면을 보강하면 빔의 옆면이 돌출되는 것을 완화시킬 수 있고 빔의 옆면을 보강하면 충격면의 수축을 완화시킬 수 있다. 따라서 충격면과 빔의 옆면을 각각 보강해도 충분한 보강 효과는 있지만 충격면과 빔의 옆면을 모두 보강하면 가장 효과적 보강이 될 수 있다. 이와 같은 부분 엠보싱으로 가공비를 줄일 수 있다.

중앙부위를 보강한 임팩트 빔에 대해서 그 보강 부위에다 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 전체 또는 부분적 엠보싱을 추가 하거나 도 11에 도시한 바와 같이 탄소강화섬유 등의 복합재료 또는 여타 고강도 플라스틱 소재로 피복 한다면 더 욱 강성이 큰 임팩트 빔을 만들 수 있다.

본 발명인 보강된 임팩트 빔은 같은 량의 재료로도 종래의 임팩트 빔에 비하여 충격에너지를 많이 흡수할 수 있다. 다시 말해서 동일한 평균반력(충격에너지 흡수 성능)을 가진 임팩트 빔을 만들기 위하여 적은 량의 재료가 소요되므로 기존의 임팩트 빔 보다 가벼우며 재료비가 절약된다.

그리고, 본 발명인 보강된 임팩트 빔은 가장 경제적이고 쉬운 방법으로 임팩트 빔을 보강하므로 제작비용을 줄일 수 있다.

본 임팩트 빔은 외부의 충격으로부터 보호가 필요한 각종 구조물의 보강재료로 활용될 수 있다.

Claims (11)

1. 종래의 임팩트 빔에 있어서,

   전체 임팩트 빔의 길이의 3/12 내지 5/12에 해당하는 길이 만큼 임팩트 빔의 중앙 부위에 보강부를 갖는 것을 특징으로 하는,

   보강된 임팩트 빔.
2. 제1항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

   상기 보강부는 그 길이가 전체 임팩트 빔의 길이의 1/3인 것을 특징으로 하는,

   보강된 임팩트 빔.
3. 제1항 또는 제2항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

   임팩트 빔은 그 단면이 원형인 파이프로 제작되고, 보강부는 그 장축이 외부 하중방향과 일치하는 타원형 단면인 것을 특징으로 하는

   보강된 임팩트 빔.
4. 제1항 또는 제2항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

   임팩트 빔은 그 단면이 원형인 파이프로 제작되고, 보강부는 탄소 섬유, 유리섬유 또는 기타 보강재료로 피복을 하여 보강한 것을 특징으로 하는

   보강된 임팩트 빔.
5. 제1항 또는 제2항의 보강된 임팩트 빔에 있어서, 임팩트 빔은 그 단면이 원형인 파이프로 제작되고, 보강부는 빔 본체의 외부에 파이프를 추가로 설치하여 이중관으로 구성된 것을 특징으로 하는

   보강된 임팩트 빔.
6. 종래의 임팩트 빔에 있어서,

   빔의 단면이 원형 또는 타원형인 파이프 형상이고, 파이프의 벽면 전면을 원형인 요철, 또는 파이프의 길이방향으로 형성된 홈으로 엠보싱한 것을 특징으로 하는,

   보강된 임팩트 빔.
7. 제6항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

   엠보싱 부위는 전체 임팩트 빔의 길이의 3/12 내지 5/12에 해당하는 길이 만큼 임팩트 빔의 중앙 부위에 엠보싱을 한 것을 특징으로 하는,

   보강된 임팩트 빔.
8. 제6항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

   엠보싱 부위는 전체 임팩트 빔의 길이의 1/3에 해당하는 길이 만큼 임팩트 빔의 중앙 부위에 엠보싱을 한 것을 특징으로 하는,

   보강된 임팩트 빔.
9. 제7항 또는 제8항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

   엠보싱 부위는 파이프의 원주면의 일부만인 것을 특징으로 하는,

   보강된 임팩트 빔.
10. 제3항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

    상기 보강부는, 그 보강부의 벽면 전면을 원형인 요철, 또는 파이프의 길이방향으로 형성된 홈으로 엠보싱한 것을 특징으로 하는,

    보강된 임팩트 빔.
11. 제3항의 보강된 임팩트 빔에 있어서,

    상기 보강부는, 파이프의 원주면의 일부에만 엠보싱을 한 것을 특징으로 하는,

    보강된 임팩트 빔.

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