KR20080014619A - 주름진 관형의 에너지 흡수 구조 - Google Patents

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로버트 제이. 바우어
에디 알. 핀치
파울 씨. 글랜스
브라이언트 에이. 토카즈
시드니 티. 윈터
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오-플렉스 그룹, 인크.
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Abstract

에너지 흡수 관형의 구조는 성형 또는 압출된 폴리머로 구성된다. 관은 라운드된 코너를 갖는 사각형의 횡단면을 가진다. 관의 벽은 바람직하게 플랫 스폿이 없는 연속하는 일정 반경을 가지는 교차하는 볼록 및 오목 주름 표면을 가지고 주름진다. 주름진 벽은 일정한 두께를 가진다. 충격 동안에 주름은 단계적으로 변하므로 어떤 소정의 거의 일정한 힘 레벨에서 거의 완벽한 구형파의 힘 대 디플렉션 에너지 흡수 곡선을 제공한다. 관은 구조의 충격 동작을 변형하기 위해 폴리머 발포체로 충전할 수 있다.
주름진 관형의 에너지 흡수 구조

Description

주름진 관형의 에너지 흡수 구조{CORRUGATED TUBULAR ENERGY ABSORBING STRUCTURE}
본 출원은 참조에 의하여 통합되는 "AUTOMOTIVE TUBULAR ENERGY ABSORBER"으로 명칭되어 2006년 8월 10일자로 출원된 동시 계류 중인 미국 특허 출원 일련 번호 60/836,681호의 이익이 청구되는 비임시 출원이다.
본 발명은 자동차의 외부 및 내부 구성 부품에 가해지는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는데 사용하는 구조에 관한 것이다. 더 특히, 이 발명은 충격을 주는 동안에 에너지를 변형하고 흡수함으로써 실질적으로 일정한 반응력을 제공할 수 있는 관형의 에너지 흡수 구조에 관련한다.
연방 자동차 안전 기준(FMVSS)은 차량 충격에 의한 차량 손상을 최소화하기 위해 차량 범퍼에, 그리고 탑승자 상해의 위험을 낮추기 위해 내부 트림 구성 부품에 성능 필요 조건을 강요한다. 그러한 필요 조건을 만족시키기 위해서 자동차 제작은 외부 및 내부 차량 구성 부품과 결합하여 에너지 흡수 구조을 사용한다. 이러한 구조은 단순하여야하고 낮은 측면을 가져야하며, 차량 성능 및 연료 소모량에 두드러지게 영향을 주지 않도록 중량에서 가벼워야한다. 차량에서의 에너지 흡수 구조에 대한 전형적인 외부 및 내부 어플리케이션은 도 11에서 위치(P)에 의해 확인된다.
종래의 충격 에너지 흡수 구조은 에워싸는 형태의 구조 및 종이, 섬유질, 플라스틱 그리고/또는 금속의 얇은 판으로부터 만들어진 주름진 벽을 가지는 플렉시블 관을 가진다. 관은 관벽이 외부 충격력에 따라 변형될 때에 에너지를 흡수한다. 그러한 구조의 예는 미국 특허 번호 6,092,555호 및 5.680,886호에 개시되고, 그 명세는 참조에 의해 아래에 통합된다. 얇은 판으로 되거나 층을 이룬 벽 구조은 강화한 진동 완충을 제공할 수 있다. 형성된 에너지를 흡수 플렉시블 관을 손상시키거나 회전하게 하는 선행 기술의 한 예가 도 1~3에 나타내어진다. 도 3은 중심의 금속층(3)을 가지는 내부 및 외부 크라프트 종이층(2)을 나타내는 벽 부분의 확대도이다.
유감스럽게도, 선행 기술의 관형의 구조은 차량에 외부 충격에 의해 생성된 에너지를 흡수하는 것에 최적 효과를 갖지 않는다. 이러한 정황에서, 에너지 흡수의 효율은 구형파의 힘(또는 가속도) 대 디플렉션 곡선의 해석에 의해 결정된다. 관에 의해 흡수되는 실제 에너지는 힘 대 디플렉션 곡선 아래의 영역에 나타내어진다. 그리고, 에너지 흡수의 효율은 최대 힘의 시간 대 디플렉션으로서 계산되는 정사각형 또는 직사각형 영역에 의해 실제 흡수되는 에너지를 나눔으로써 계산된다.
이상적으로 에너지 흡수 구조은 충격, 즉 구형파의 힘 대 디프렉션 동안에 일정한 반응력이 제공되어야한다. 관형의 에너지 흡수 구조의 경우에서, 이것은 충격 및 에너지 흡수 동안에 관벽 내의 중압은 균일하여야 하고, 관은 단계적으로 균 일하게 변형되어야 한다("스트로크"). 유감스럽게도, 선행 기술의 구조은 이상적인 에너지 흡수 특성을 성취하는 방법론을 제공하지 못했다.
또한, 자동차 상에 또는 내에 사용되는 에너지 흡수 구조은 수송 및 저장을 위해 용이하게 포장되어야 하고, 차량 페시아 커버/트림 구성 부품과 차량 본체 구조 사이에 저가의 스페이서로서 사용될 수 있으며, 그리고/또는 내부 차량 구성 부품에 스냅 고정 결합을 위하여 일체식 파스너를 가진다. 선행 기술 에너지 흡수 구조은 결합에서의 이러한 특성들의 모두가 제공될 수 없다.
-관형의 스트로킹 에너지 흡수 구조에 있어서: 거의 일정한 힘 레벨에서의 충격 동안에 효율적으로 충격 에너지를 흡수할 수 있고; 차량 외부 어플리케이션에서 저가의 스페이서로서 기능하고; 차량 내부 어플리케이션을 위한 저가의 푸쉬 스냅 결합 장치을 통합할 수 있고; 고진동 및 노이즈 댐핑을 제공하고, 온도 및 환경적인 조건의 광범위에 걸쳐 일정한 충격 동작을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
그러므로, 본 발명의 에너지 흡수 구조은 관의 길이를 따라 연장된 하나 이상의 주름진 측벽을 가지는 폐단면의 다각형 관이다. 측벽에서의 주름은 바람직하게 플랫 스폿 없지만 주름당 단지 두개의 플랫 스폿을 가지는 연속적인 일정 반경을 가진다. 주름은 서로 연결된 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면에 의해 바람직하게 정의된다. 벽은 구조에 적용되는 충격력에 따라 단계적으로 균일하게 형성되는 주름과 같은 재료 두께을 가지는 재료로 구성된다.
일례에서, 에너지 흡수 구조은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 성형 또는 압출된 폴리머로 구성된 관이다. 그 관은 4개의 주름진 벽 및 라운드된 코너의 실질적으로 사각형의 단면을 가진다. 각 측벽 상의 주름은 관의 길이로 횡단하여 정렬된다. 선택적으로 관의 외부는 구조의 충격 동작을 변형시키기 위해 다른 밀도의 발포체로 충전할(또는 부분적으로 충전할) 수 있다.
다른 실시예에서, 에너지 흡수 구조은 하나 이상의 주름진 측벽에 부착된(또는 하나 이상의 주름진 측벽과 일체로 형성된) 하나 이상의 파스너를 포함한다. 파스너의 돌출부는 차량 내부 트림 부품 또는 외부 페시아 구성 부품에 에너지 흡수 구조의 스냅 고정 결합에 알맞다.
또 다른 실시예에서, 에너지 흡수 관은 자동차의 패신저 컴파트먼트에서 사용되는 트림 구성 부품과 결합된다. 관의 제 1 단부는 트림 구성 부품 벽의 내면에 부착된다. 관의 제 2 단부는 트림 구성 부품 벽으로부터 떨어져 돌출한다. 트림 마운팅 클립은 관의 제 2 단부에 부착된다. 관은 사각형의 단면으로 정의하는 4개의 주름진 측벽을 가진다. 관의 주름진 측벽의 각각은 서로 연결된 주름의 연속을 가진다. 각 주름은 측벽을 가로로 횡단하여 정렬된 연속적인 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면을 정의하는 주름 구조를 가진다. 주름은 트림 구성 부품의 외면에 가해진 충격력에 따라 단계적으로 변형될 수 있다.
다른 실시 예에서, 본 발명은 자동차에 가해진 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치이다. 연장된 관은 HDPE와 같이 성형 또는 압출된 폴리머로 형성된다. 관은 4개의 주름진 벽과 사각형의 단면을 가진다. 관은 축방향의 충격력을 받기 위 해 자동차에 배치된다. 주름진 벽은 관축에 횡단하여 정렬되는 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면에 의해 정의되는 주름을 가진다. 그 주름은 에너지 흡수 장치가 주름의 단계적인 균일한 변형에 의한 축방향의 충격력에 따라 실질적으로 일정한 반응력을 제공하는 것과 같이 선택된 주름 파라미터에 의해 더 정의된다. 선택된 주름 파라미터는 플랫 섹션 없이 연속적인 일정 반경을 가지는 주름을 정의한다.
바람직하게, 선택된 주름 파라미터는 볼록 반경 주름 표면에 의해 정의되는 길고 짧은 외부 치수(L 및 W)를 포함하고 L 및 W는 2.0과 같거나 작은 관의 종횡비를 정의한다. 선택된 주름 파라미터는 반경(R)을 가지는 볼록 및 오목 반경 주름 표면을 더 포함한다. 관의 단면의 짧은 외부 치수(W)는 N이 정수인 N*R에 의해서 정의된다. 또한, 바람직하게 선택된 주름 파라미터는 4*R과 실질적으로 같은 공칭 거리에 의해 분리된 측벽 상에 연속적으로 정렬된 볼록 반경 주름 표면을 포함한다. 이러한 실시예에서, 주름진 측벽은 균일한 재료 두께을 가지고, 오목 반경 주름 표면은 볼록 반경 주름 표면의 반경과 실질적으로 같은 반경을 가지므로 2*R과 같은 공칭 주름 깊이를 정의한다.
또한, 본 발명은 자동차에 가해지는 일정한 충격력에 따라 충격 에너지를 효율적으로 흡수하는 관을 설계하는 방법을 포함한다. 그 방법은 긴 외부 치수(L) 및 짧은 외부 치수(W)에 의해 정의되는 중공 내부 및 실질적으로 사각형의 단면을 가지는 관을 선택함으로 시작한다. 관은 각 측벽이 라운드된 코너를 가지고, 실질적으로 일정한 재료 두께(t)의 4개의 주름진 측벽과 함께 제공된다. L 및 W에 대한 공칭 및 최대 관의 치수는 관이 배치될 자동차에서의 위치에서 이용할 수 있는 공간에 따라 결정된다. 그 다음에 에너지 흡수 스트로크 거리는 관은 관의 변형량보다 작은 또는 90% 내의 충격 에너지의 모두를 흡수할 것이다. 치수(L 및 W) 중 하나는 예상된 스트로크 거리에 따라 선택된다. 치수(L 및 W) 중 다른 것은 종횡비(L/W)가 2.0과 같거나 실질적으로 작도록 선택될 것이다. 각 주름진 벽은 바람직하게 플랫 섹션 없이 연속적인 일정한 주름 반경(R)을 가지는 서로 연결된 가로의 볼록 및 오목 주름의 연속과 함께 제공된다. 주름 반경(R)은 짧은 관 치수(W)가 N이 정수인 N*R과 같도록 선택된다. 바람직하게, 주름진 벽의 재료는 파단시의 연장률이 100%보다 클 수 있도록 선택된다. 관의 에너지 흡수 효율은 하나 이상의 충격력에 따른 관 변형 초과 시간의 컴퓨터 모델링에 의해 최적화될 수 있다. 바람직하게, 컴퓨터 모델링은 벽 재료의 두께 및 주름 구조에 대한 반복값을 포함한다.
선택적으로, 설계 방법은 폴리머 발포체의 부피를 가지는 관의 내부의 적어도 일부를 제공됨으로써 다른 크기의 충격력에 관의 반응을 조정하는 단계 및 다른 일정한 힘 레벨에 대한 발포체의 부피 및 발포체 밀도를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 새로운 에너지 흡수 구조는 거의 일정한 힘 레벨에서의 충격 동안에 매우 능률적인 (구형파의 힘 대 디플렉션) 에너지 흡수를 제공함으로써 자동차 내부 , 외부 및 범퍼에서의 어플리케이션을 가진다. 이러한 구조는 유럽 연합(EU) 하퇴 형태 테스트 고정물를 가지는 40 KMH에서 충격이 가해졌을 때 150G보다 작은 "소프트" 최대 보행자 무릎 가속도를 제공할 수 있다. 또한, 이 구조는 높은 수준 의 진동/노이즈 댐핑을 통합한다. 자동차 어플리케이션에서, 본 발명의 에너지 흡수 구조는 차량 페시아 커버 및 차량 본체 구조 사이의 저가의 스페이서로서 그리고 내부 트림 어플리케이션에 대한 저가의 스냅 고정 결합 장치로서 기능할 수 있다. 본 발명은 FMVSS 2.5 및 5mph 테스트 기준, EU 보행자 하퇴 형태 40 KMH 테스트 필요 조건, 및 FMVSS 201u 헤드 충격 테스트 기준을 만족해야하는 차량 범퍼 시스템에 특정 어플리케이션을 가진다. 주름진 벽은 충격 동안에 단계적으로 변형(스트로크)하므로 어떠한 소정의 힘 레벨에서 거의 구형파의 힘 대 디플렉션 에너지 흡수 곡선을 제공하는 단계는 주름진 벽의 구조, 벽의 두께 및 벽의 재료의 기능이다.
본 발명의 에너지 흡수 구조의 상기 실시예는 도 4~8에 나타내어진다. 기본 구조는 폐단면의 다각형, 원형, 또는 실질적으로 사각형 관이다. 도 4~8의 실시예에서, 관(10)은 4개의 측벽(15a~d)에 의해서 정의되는 실질적으로 사각형 횡단면 및 중공 내부(20)를 가진다. 도 5, 6에 나타낸 바와 같이, 설계 및 모델링 목적에 대하여 관(10)은 특정 에너지 흡수 어플리케이션에서 이용할 수 있는 공간에 의해 결정되는 길이(E)를 가진다. 관의 사각형 횡단면은 긴 외부 치수(L) 및 짧은 외부 치수(W)에 의해 정의된다. 그러므로, 관(10)의 종횡비는 L/W에 의해 나타낼 수 있다.
이러한 실시예에서, 각 측벽(15a~d)은 라운드된 코너(31)를 가지고 주름진다. 도 5, 7 및 8에서의 최적의 화면에서와 같이, 측벽(15a~d)은 주름이 사이에 플 랫 스폿 없는 연속적인 일정 반경(R)을 가지는 상기 주름 구조를 가진다. 그러므로, 주름은 서로 연결된 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면(25 및 30)의 연속인 것이 바람직하다. 이러한 실시예에서 주름 표면(25 및 30)은 관(10)의 길이(E)를 횡단하여 벽(15a~d)의 표면을 따라 정렬된다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예에서 관(10)은 실질적으로 일정한 벽 두께(t) 및 상기 주름 구조를 제공함으로써 능률적인 에너지 흡수에 대하여 최적화된다. 이것을 관에서 충격력에 따라 실질적으로 일정한 반응력을 제공하는 부름 및 관 벽에서의 중압의 균일한 분배를 초래한다. 그러므로, 주름은 관에 가해지는 충격력에 따라 균일하고 단계적으로 형성된다. 이러한 상기 주름 구조에 따라, 횡단면의 외부 치수(W)는 N이 정수인 N*R에 의해 정의된다. 도 8에서의 최적의 화면에서와 같이, 측벽(15a~b) 상의 연속하여 정렬되는 볼록 반경 주름 표면(25)은 4*R과 실질적으로 같은 공칭 거리에 의해 분리된다. 오목 반경 주름 표면(30)은 볼록 반경 주름 표면(25)의 반경과 실질적으로 같은 반경을 가지므로 2*R과 같은 공칭 주름 깊이를 정의한다. 또한, 도 4~8에 나타낸 바와 같이, 관형의 에너지 구조의 테스트 및 모데링은 상기 관 종횡비(L/W)가 대략 1.0~2.0의 범위에 있어야 하다고 보여준다. 종횡비가 2.0보다 크거나 또는 어떤 어플리케이션에서 1.5보다 크면, 관(10)은 부하에서 불안정해 질 수 있다.
바람직하게, 관(10)은 압출된 HDPE와 같은 폴리머 또는 알루미늄과 같은 금속을 성형 또는 압출을 통하여 제작될 것이다.
에너지 흡수 관(10)이 여기에 설명되는 바와 같이 구성되면, 구조의 에너지 흡수 효율은 아래에 재연되는 힘-변형 곡선에서 나타낸 바와 같이 최적화된다. 관에 가해지는 힘은 세로축에 의해 나타내어진다. 가로축은 부하 적용의 방향에서 충격기에 의해 이동하는 거리의 기능으로서 관의 변형을 나타낸다. 그러므로, 힘 대 디플렉션 아래의 영역은 구조에 의해 흡수되는 실제 에너지를 나타낸다. 곡선 (a)는 본 발명에 따라 설계된 관의 충격 에너지 흡수 성능을 나타내고 상기 구형파의 힘 반응을 나타낸다. 비교하여, 곡선 (b)는 선행 기술에서 사용된 것과 같은 전형적인 발포체 구조의 충격 에너지 흡수 성능을 나타낸다. 흡수된 에너지(곡선 아래 영역)는 동일하지만 낮은 최대 힘 및 짧은 힘 때문에 곡선 (a)에 의해 나타내어진 에너지 흡수 성능은 곡선 (b)에 의해 나타내어진 것보다 뛰어나다.
Figure 112007056808424-PAT00001
여기에 설명된 바와 같이, 관(10)의 최적의 에너지 흡수 성능은 관 측벽(15a~d)에서의 주름의 균일하고 단계적인 변형을 통하여 일정한 반응력을 제공함으로써 얻어진다. 이것은 최적화된 벽 두께 및 주름 구조와 함께 4개의 주름진 측벽을 가지는 사각형의 관(10)에 충격을 주는 보행자 다리 형태를 이용하여 HDPE 관의 벤치 테스트를 시뮬레이트함으로써 증면된다. 아래의 그래프는 벤치 테스트 동안에 관에 대한 예상된 힘 대 변형 성능을 나타낸다.
Figure 112007056808424-PAT00002
시뮬레이트된 벤치 테스트의 결과는 도 22a 및 22b에 나타내어진다. 10a에서 관의 화상은 시간 단계 4에서 주름의 초기 단계적인 변형을 나타낸다. 도 22a에서 동반하는 그래프 G1은 마찬가지로 시간 단계 4에서 가속도 대 시간 곡선을 나타낸다. 도 22b에서의 10b에서 관의 화상은 시간 단계 18에서 주름의 더 단계적인 변형을 나타낸다. 동반하는 그래프 G2는 마찬가지로 시간 단계 18에서 가속도 대 시간 곡선을 나타낸다. 예상되고 모델된 성능 데이터로부터 이 기술에 익숙한 사람은 우수한 에너지 흡수 결과가 본 발명의 주름진 관형의 구조에 의해 성취된다는 것을 인지할 것이다.
관형의 에너지 흡수 구조에 대한 어떤 어플리케이션에서, 그것은 동일한 기본 구조는 다른 충격 필요 조건의 범위 및 차량 어플리케이션을 만족시킬 수 있도록 일정한 반응력의 범위를 제공하는데 편리하다. 이것은 몰리머 발포체로 관(10)의 내부(20)를 부분적으로 또는 완전히 충전함으로써 성취될 수 있다. 발포체의 부피 및/또는 밀도를 조정함으로써, 어떤 경우에서 관으로 제공되는 에너지 흡수의 효율 및 반응력 정도는 변경될 수 있다. 아래의 그래프는 도 24에 나타낸 바와 같 이, 실제 테스트된 전형적인 주름진 측벽 관형의 구조(10)의 힘 대 변형을 나타낸다. 테스트된 구조는 70x60㎜ 사각형의 횡단면을 가지는 8x8㎜ 주름진 HDPE 관이다. 벽 두께는 1.5㎜이다. "발포체 없는" 테스트에서 관(10)의 내부(20)는 비워진다. "발포체 충전된" 테스트에서 동일한 구조의 관은 입방 피트당 2.0 파운드의 밀도에서 우레탄 발포체로 충전된다.
Figure 112007056808424-PAT00003
테스트는 최적화된 에너지 흡수 성능을 유지하는 동안에 발포체를 첨가함으로써 변화하는 관의 반응력의 효율을 나타낸다.
도 9~10은 차량 트림 또는 페시아 구성 부품과 같은 자동차에 직접의 결합에 특히 적당한 본 발명의 관(10)의 다른 실시예를 나타낸다. 그러므로, 이 실시예에서 파스너(40)의 쌍은 하나의 벽(15d)에서부터 더 뒤로 떨어져 연장되는 돌출부(45)를 가지는 관(10)에 부착되거나 일체식으로 형성된다. 돌출부(45)의 정확한 위치, 사이즈 및 모양은 관 파스너(40)가 차량 구조 사에 배치된 대응하는 연결점으로 스냅될 수 있도록 구성된다.
도 12~13은 본 발명에 따르지만 3개의 주름진 측벽(15b,c,d)만을 가지는 관(10)의 다른 실시예를 나타낸다. 실질적으로 평면의 제 4 측벽(16)은 폐단부 구조를 완성하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 도 11에 나타낸 바와 같이, 차량 헤드라이너 및 내부에서 어플리케이션을 찾을 것이다.
도 14~15는 본 발명에 따르지만 2개의 마주보는 주름진 측벽(15b 및 d)과 2개의 마주보는 실질적으로 평면의 측벽(16a 및 b)을 가지는 관(10)의 다른 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예는 도 11에 나타낸 바와 같이, 차량 내부와 같은 제한된 포장 공간 위치에서 어플리케이션을 찾을 것이다.
도 16~17은 본 발명에 따르지만 단일 주름진 측벽(15d)과 3개의 마주보는 실질적으로 평면의 측벽(16a,b,c)을 가지는 관(10)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예는 평면의 벽이 표면에 보이는 차량 외부에 대한 어플리케이션을 찾을 것이다.
도 18~19는 주름진 시트(50)를 초래하는 (예를 들면, 도 4~7에 나타낸 바와같은) 기본적인 주름진 관의 단면 절단의 형태로 본 발명의 실시예를 나타낸다. 다른 실시예에서와 같이, 시트(50)는 서로 연결된 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면(25 및 30)을 포함한다. 주름 표면(25 및 30)은 라운드 폐단부(31)를 가지는 시트(50)의 길이를 따라 가로로 정렬된다. 이 실시예는 도 11에 나타낸 바와같이, 루프 헤드라이너에서 어플리케이션을 찾을 것이다.
본 발명의 에너지 흡수 구조는 자동차의 패신저 컴파트먼트에서 사용되는 트림 구성 부품과 결합될 수 있다. 또한, 그러한 어플리케이션에서 에너지 흡수 구조 는 차량 구조에 트림 구성 부품을 부착하는 스페이서로서 기능할 수 있다. 결합의 일례가 도 21에 나타내어진다. (도 4~7에 일반적으로 나타낸 바와 같이,) 주름진 벽을 가지는 폐단면 다각형의 관(10)의 제 1 단부는 자동차 A-필러 트림 구성 부품(60)의 내면(65)에 부착되다.(양쪽의 앞유리 창틀 상에 루프 및/또는 차량 앞유리를 지지하는 구조 qnwoms "A-필러"로 보통 명칭된다.) 관(10)의 제 2 단부는 표면(64)로부터 떨어져 돌출된다. 트림 마운팅 클립(70)은 관(10)의 제 2 단부에 부착된다. 트림 마운팅 클립은 차량의 A-필러(도시되지 않음) 상에 해당하는 결합점으로 스냅한다.
종래의 A-필러 트림 부품 및 마운팅 클립(70)을 나타내는 도 20에 참조되어, 본 발명의 에너지 흡수 관(10)이 종래의 클립 타워(75)를 대체하는 것을 볼 수 있다. 도 21에서 관(10)은 차량으로부터 떨어져 트림 부품(60)을 적당히 두도록 충분한 단단함을 가지고 제작된다. 그러나, 종래의 클립 타워와 다르게 최적화된 주름진 구조를 가지는 주름진 관(10)은 또한 차량 탑승자에 의해 A-필러로 충격을 다시 전달하기 위해 필요한 에너지 흡수 기능을 수행한다.
도 23은 본 발명의 에너지 흡수 구조의 다른 실시예를 나타낸다. 구조는 일반적으로 (도 4~7에 나타낸 바와 같이,) 최적화된 주름 구조의 4개의 주름진 벽 및 실질적으로 사각형의 횡단면을 가지는 관(10)이다. 그러나, 도 23의 실시예에서 관(10)은 변형가능한 프로파일을 갖는다. 관(10)의 축은 관부(95)에서 변한다. 게다가, 관의 횡단면 영역은 2.0과 같거나 작은 동일한 종횡비 제한을 유지하면서 관부(100)에서 변한다. 도 23의 실시예는 페시아와 범퍼 빔 사이에 장착된 범퍼 흡수 재로서 사용될 수 있다.
본 발명의 기본적인 주름진 관형의 구조는 예상가능한 설계 방법론을 사용하여 에너지 흡수 어플리케이션의 변화에서 사용하기 위해 최적화될 수 있다. 자동차에 가해지는 일정한 충격력에 따라 충격 에너지를 효율적으로 흡수하는 관을 설계하는 방법은 전형적으로 다각형의 폐횡단면을 가지는 관을 선택하는 단계로 시작할 것이다.
그 다음에 설계자는 관이 배치될 자동차에서의 위치에서 이용가능한 공간에 따라 공칭 및 최대 관 치수를 결정해야 한다. 또한, 수송 및 저장의 목적을 위한 관의 포장재 치수는 설계의 이러한 각도에서 고려되어야 한다.
설계자를 위해서 상기 관 횡단면은 도 4에 나타낸 바와 같이, L이 긴 치수인 2.0과 같거나 작은 길이(L)에 폭(W) 비율(L/W)의 라운드된 코너를 가지는 기본적인 사각형이다. 관형의 구조는 종횡비(L/W)가 2.0보다 크면 불안정한 버킹 모드에서 변형할 수 있다.
그 다음에 설계자는 주름이 플랫 섹션이 없거나 몇몇을(주름당 단지 두개의) 가지는 연속적인 일정 반경을 가지는 상기 주름 구조를 채용해야 한다. 이러한 구조는 충격 및 에너지 흡수 동안에 각 주름의 단계적인 균일한 변형 및 더 균일한 중압 분배를 초래할 것이다.
상기 벽 재료는 파단시 100% 또는 더 큰 연장률을 제공하기 위해 충분한 정도의 유연성을 가지는 금속, 복합물 또는 압출된 HDPE와 같은 폴리머이다.
그 다음에 설계자는 주어진 일정한 힘 레벨(또는 가속도 레벨)에 대하여 전 체 관 치수보다 낮거나 90% 내의 충격 에너지 모두를 흡수하기 위한 스트로킹 치수를 선택한다. 예를 들면, 보행자 하퇴 충격 테스트는 테스트에서 사용되는 13.3㎏ 무게의 다리 형태 및 40km/hour 충격 속도에 의해 지정되는 전체 충격 에너지와 함께 150G보다 작은 최대 가속도를 요한다. 예로서, 120G (3,511 LBF = 15.59 K N)의 일정한 설계 가속도 레벨에 대하여 기본적인 주름진 관형의 구조는 충격 에너지의 100%를 흡수하기 위해서 대략 53㎜를 변형(스트로크)해야만 한다. 따라서, 53㎜보다 큰 총 치수(L)를 가지는 관형의 구조가 선택되어야 한다.
우선, 일정한 반응력 또는 가속도 레벨는 측벽 주름 구조 및 벽 두께의 기능이다. 이것은 LS_DYNA와 같은 공용가능한 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 사용함으로써 계산될 수 있다. LS_DYNA는 3차원 구조의 비선형 동적 응답의 외연적 유한 요소 해석을 위한 소프트웨어 프로그램이다. 도 22a 및 22b는 차량 범퍼 사에 장착될 때 본 발명의 기본적인 주름진 관형의 에너지 흡수재의 하퇴 형태 테스트의 전형적인 LS_DYNA 시뮬레이션을 나타낸다. 출력 시뮬레이션 그래프는 120G의 거의 일정한 가속도 레벨 대 시간을 나타낸다.
에너지 흡수의 효율은 최대 디플렉션에 의해 증가된 최대 힘으로서 계산되고 사각형 또는 직사각형 영역에 의해 나누어지는 실제 에너지(힘 대 디플렉션 곡선 아래의 영역)의 비율에 의해 결정된다. 효율은 주름 구조, 재료 및 벽 두께의 키 입력값을 반복하기 위해 LS_DYNA와 같은 소프트웨어를 사용함으로써 최적화될 수 있다. 그러한 반복적인 설계 과정은 벽의 두께 및 주름의 구조의 입력 파라미터의 하나 이상의 설정에 대한 거의 완벽히 일정한 힘 레벨 변형을 일으킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 일정한 힘 레벨의 범위를 제공할 수 있는 것은 주름진 관형의 에너지 흡수 구조를 설계하는데 유익할 수 있다. 다른 차량 어플리케이션 및 다른 충격 필요 조건의 범위를 수용하는 것은 기본적인 구조 설계를 허락할 것이다. 앞의 것을 성취하기 위해서, 설계 방법은 변화하는 부피 및 밀도의 폴리머 발포체로 기본적인 구조를 충전하는 단계를 포함할 수 있다. 어떤 경우에서, 발포체의 밀도는 에너지 흡수의 효율을 더 향상시키기 위해 선택될 수 있다.
요약하여 말하면, 에너지 흡수 구조를 설계하는 방법의 상기 실시예에 있어서, a. 긴 관 치수(L) 및 짧은 관 치수(W)에 의해 정의되는 실질적으로 사각형의 횡단면과 중공 내부를 가지는 관을 선택하는 단계; b. 각 측벽이 라운드된 코너를 가지는 실질적으로 일정한 재료 두께의 주름진 측벽과 함께 관을 제공하는 단계; c. 관이 배치될 자동차에서의 위치에서 이용가능한 공간에 따라 L 및 W에 대하여 공칭 및 최대 관 치수를 결정하는 단계; d. 관이 관의 변형률보다 작거나 90% 이내의 충격 에너지의 모두를 흡수하도록 에너지 흡수 스트로크 거리를 예상하는 단계; e. 예상된 스트로크 거리에 대응하여 치수(L 및 W) 중 하나를 선택하는 단계; f. 종횡비(L/W)가 대략 1.0~2.0의 범위 내에 있도록 치수(L 및 W) 중 다른 것을 선택하는 단계; g. 플랫 섹션 없이 연속적인 일정한 주름 반경(R)을 가지는 서로 연결된 가로의 볼록 및 오목 주름의 연속을 가지는 각 주름진 벽을 제공하는 단계; 및 h. 짧은 관 치수(W)가 N이 정수인 N*R과 같도록 주름 반경(R)을 선택하는 단계를 포함할 것이다.
설계 방법은 파단시의 연장률이 100%보다 클 수 있는 금속, 복합물 또는 폴 리머 벽 재료를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 설계 방법에 따라서, 관의 에너지 흡수 효율은 하나 이상의 충격력에 따라 관 변형 초과 시간 및 디플렉션의 컴퓨터 모델링에 의해 최적화될 수 있다. 컴퓨터 모델링은 소망의 힘 레벨에서 구형파의 힘 대 디플렉션이 성취될 때까지 주름 반경(R)을 포함하는 주름 구조 및 벽 재료 두께에 대하여 반복값의 입력을 포함해야 한다.
설계 방법의 다른 실시예에서, 다른 크기의 일정한 충격력에 대한 관의 반응은 알려진 발포체 밀도를 가지는 폴리머 발포체 의 부피로 관의 내부의 적어도 일부를 제공함으로써 조정될 수 있다. 그 다음에 발포체의 부피 및 발포체 밀도는 다른 일정한 힘 레벨을 수용하기 위해 변경된다.
그러므로, 새롭고 유용한 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 본 발명의 특정 실시예가 설명되지만, 이것은 참조가 아래의 청구항에서 설명 이외의 본 발명의 범위 상의 제한으로서 해석되도록 의도된 것이 아니다.
도 1은 종래의 회전 형태의 관형 에너지 흡수 본체의 투시도이다.
도 2는 도 1의 에너지 흡수 본체의 측면 단면도이다.
도 3은 도 1 및 2의 에너지 흡수 본체의 벽 부분(X)의 확대된 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 주름진 관형 에너지 흡수 구조의 일례의 투시도이다.
도 5는 도 4의 에너지 흡수 구조의 측면도이다.
도 6은 도 4의 에너지 흡수 구조의 단부 단면도이다.
도 7은 도 4의 에너지 흡수 구조의 횡단면도이다.
도 8은 도 4 및 7의 에너지 흡수 구조의 주름진 벽 부분(B)의 횡단면도이다.
도 9는 일체식 파스너를 가지는 본 발명의 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 실시예의 투시도이다.
도 10은 도 9의 에너지 흡수 구조의 실시예의 측면도이다.
도 11은 본 발명에 의한 에너지 흡수 구조의 위치 어플리케이션의 위치를 나타내는 투시도이다.
도 12은 3개의 주름진 벽을 가지는 본 발명의 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 다른 실시예의 투시도이다.
도 13은 도 12에 나타낸 에너지 흡수 구조의 3개의 벽 실시예의 단부 단면도이다.
도 14는 2개의 주름진 벽을 가지는 본 발명의 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 다른 실시예의 투시도이다.
도 15은 도 14에 나타낸 에너지 흡수 구조의 2개의 벽 실시예의 단부 단면도이다.
도 16은 단일 주름진 벽을 가지는 본 발명의 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 또 다른 실시예의 투시도이다.
도 17은 도 16에 나타낸 에너지 흡수 구조의 단일 벽 실시예의 단부 단면도이다.
도 18은 주름진 시트 구조를 형성하는 단일 주름진 벽을 가지는 본 발명의 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 다른 실시예의 투시도이다.
도 19는 도 18에 나타낸 에너지 흡수 구조의 주름진 시트 실시예의 단부 단면도이다.
도 20은 종래의 사출 성형 클립 타워를 나타내는 전형적인 자동차 A-필러 트림 구성 부품의 투시 내부도이다.
도 21은 도 20에 나타낸 전형적인 자동차 A-필러 트림 구성 부품의 투시 내부도이지만 마운팅 클립이 본 발명에 의한 주름진 관형의 에너지 흡수 구조에 부착되었다.
도 22a는 본 발명에 의한 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 충격 동작의 컴퓨터 시뮬레이션의 (시간 단계 4에서의) 결과를 나타낸다.
도 22b는 본 발명에 의한 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 충격 동작의 컴퓨터 시뮬레이션의 (시간 단계 18에서의) 결과를 나타낸다.
도 23은 변형가능한 구조의 프로파일를 가지는 본 발명에 의한 주름진 관형 의 에너지 흡수 구조의 다른 실시예의 투시도이다.
도 24는 70x60㎜ 직사각형 횡단면을 가지는 HDPE 재료로 형성되고 입방 피트당 2.0 파운드의 밀도에서 우레탄 발포체로 충전하는 8x8mm 주름진 관을 가지는 본 발명에 의한 주름진 관형의 에너지 흡수 구조의 테스트된 실시예의 투시도이다.

Claims (37)

  1. a. 길이 및 폭을 가지는 하나 이상의 주름진 벽을 포함하며;
    b. 상기 주름진 벽은 복수의 서로 연결된 주름으로 이루어지고, 각 주름은 연속적인 일정 반경 및 주름당 단지 2개의 플랫 스폿을 가지며;
    c. 상기 주름은 벽에 가해지는 충격력에 따라 단계적으로 변형가능한 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주름은 벽의 길이를 실질적으로 횡단하고 벽의 폭을 가로질러 정렬된 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면은 벽의 길이를 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 벽은 폴리머, 금속 또는 복합 재료 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 벽은 성형 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 벽은 압출된 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 벽은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  8. a. 길이를 가지는 폐단면의 다각형 관을 포함하며;
    b. 상기 관은 관의 길이를 따라 연장되는 하나 이상의 주름진 측벽으로 이루어지고;
    c. 상기 주름진 측벽은 복수의 서로 연결된 주름으로 이루어지며, 각 주름은 연속적인 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면을 정의하는 주름 구조를 갖고;
    d. 상기 주름은 관에 가해지는 충격력에 따라 단계적으로 변형가능한 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 관은 고밀도 폴리에틸렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 관은 라운드된 코너를 가지는 실질적으로 사각형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 관은 관의 내부를 정의하는 4개의 주름진 측벽으로 이루어지고, 각 측벽 상의 주름은 관의 길이를 횡단하여 정렬되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 관의 내부의 적어도 일부를 충전하는 발포 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 관의 사각형의 단면은 볼록 반경 주름 표면에 의해 정의되는 길고 짧은 외부 치수(L 및 W)를 갖고, L 및 W는 2보다 작은 관 종횡비를 정의하는 것을 특징 으로 하는 에너지 흡수 구조.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 관 종횡비는 대략 1.0~2.0의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각 볼록 반경 주름 표면은 반경(R)을 갖고, 관 단면의 짧은 외부 치수(W)는 N*R에 의해 정의되고, N이 정수인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 측벽 상의 연속으로 정렬된 볼록 반경 주름 표면은 4*R과 실질적으로 같은 공칭 거리에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 주름진 측벽은 실질적으로 균일한 재료 두께를 갖고, 상기 오목 반경 주름 표면은 볼록 반경 주름 표면의 반경과 실질적으로 같은 반경을 가져서 2*R과 같은 공칭 주름 깊이를 정의하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  18. 제 11 항에 있어서,
    하나 이상의 주름진 측벽에 부착되고 이것으로부터 돌출되는 하나 이상의 파스너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 파스너의 돌출부는 자동차 트림/페시아 구성 부품에 에너지 흡수 구조를 이동가능하게 부착하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 관은 3개의 주름진 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 관은 2개의 주름진 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 관은 단일 주름진 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  23. 자동차의 패신저 컴파트먼트를 위한 트림 구성 부품에 있어서:
    a. 외면 및 내면을 가지는 트림 벽;
    b. 상기 트림 벽의 내면에 부착된 제 1 단부 및 트림 벽의 내부로부터 떨어져 돌출된 제 2 단부를 가지는 에너지 흡수 관; 및
    c. 상기 관의 제 2 단부에 부착된 트림 마운팅 클립을 포함하며;
    d. 상기 관은 폐횡단면을 정의하는 주름진 측벽을 가진 폐단면 다각형으로 이루어지고;
    e. 상기 관의 각 주름진 측벽은 복수의 서로 연결된 주름으로 이루어지며, 각 주름은 측벽을 가로로 횡단하여 정렬된 연속적인 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면을 정의하는 주름 구조를 갖고;
    f. 상기 주름은 트림 구성 부품의 외면에 가해진 충격력에 따라 단계적으로 변형가능한 것을 특징으로 하는 트림 구성 부품.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 관은 압출된 고밀도 폴리에틸렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 트림 구성 부품.
  25. 자동차에 가해진 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치에 있어서:
    a. 파단시의 연장률이 100%보다 큰 재료로 구성된 연장된 관을 포함하며;
    b. 상기 관은 관축을 정의하는 주름진 측벽을 가진 다각형의 폐단면으로 이루어지고;
    c. 상기 관은 축방향의 충격력을 받기 위해 자동차에 배치되고;
    d. 상기 주름진 측벽은 관축을 가로로 횡단하여 정렬된 연속적인 시리즈의 교차하는 볼록 및 오목 반경 주름 표면에 의해 정의되는 주름으로 이루어지고;
    e. 상기 주름은 에너지 흡수 장치가 주름의 균일하고 단계적인 변형에 의한 축방향의 충격력에 따라 실질적으로 일정한 충격력을 제공하도록 선택된 주름 파라미터에 의해 더 정의되며;
    f. 상기 선택된 주름 파라미터는 주름당 단지 2개의 플랫 섹션으로 연속적인 일정 반경을 갖는 주름을 정의하는 것을 특징으로 하는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 선택된 주름 파라미터는 볼록 반경 주름 표면에 의해 정의되는 길고 짧은 외부 치수(L 및 W)를 더 포함하고, L 및 W는 2.0보다 크지 않은 관 종횡비를 정의하는 것을 특징으로 하는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 선택된 주름 파라미터는 반경(R)을 가지는 볼록 반경 주름 표면을 더 포함하고, 관 횡단면의 짧은 외부 치수(W)는 N*R에 의해 정의되고, N이 정수인 것을 특징으로 하는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 선택된 주름 파라미터는 4*R과 실질적으로 같은 공칭 거리에 의해 분리되는 측벽 상의 연속적으로 정렬된 볼록 반경 주름 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 선택된 주름 파라미터는 실질적으로 균일한 재료 두께를 갖는 주름진 측벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 선택된 주름 파라미터는 볼록 반경 주름 표면의 반경과 실질적으로 같은 반경을 갖는 오목 반경 주름 표면을 더 포함하여 2*R과 같은 공칭 주름 깊이를 정의하는 것을 특징으로 하는 충격력으로부터 에너지를 흡수하는 장치.
  31. 제 11 항에 있어서,
    상기 관은 관의 제 1 단부에서 관의 제 2 단부로 변화되는 횡단면 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 관은 관의 제 1 단부에서 관의 제 2 단부로 벗어나는 축을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 구조.
  33. 자동차에 가해지는 일정한 충격력에 따라 충격 에너지를 효율적으로 흡수하는 관을 설계하는 방법에 있어서:
    a. 긴 관 치수(L) 및 짧은 관 치수(W)에 의해 정의되는 실질적으로 사각형의 횡단면과 중공 내부를 가지는 관을 선택하는 단계;
    b. 라운드된 코너를 가지는 실질적으로 일정한 재료 두께(t)의 주름진 측벽을 제공하는 단계;
    c. 관이 배치될 자동차의 위치에서 이용가능한 공간에 따라 L 및 W에 대하여 공칭 및 최대 관 치수를 결정하는 단계;
    d. 상기 관이 관의 변형률보다 작거나 90% 이내의 충격 에너지의 모두를 흡수하도록 에너지 흡수 스트로크 거리를 예상하는 단계;
    e. 상기 예상된 스트로크 거리에 대응하는 치수(L 및 W) 중 하나를 선택하는 단계;
    f. 종횡비(L/W)가 실질적으로 1.0~2.0의 범위 내에 있도록 치수(L 및 W) 중 다른 것을 선택하는 단계;
    g. 플랫 섹션 없이 연속적인 일정 주름 반경(R)를 갖는 시리즈로 서로 연결된 가로의 볼록 및 오목 주름을 가지는 각 주름진 벽을 제공하는 단계; 및
    h. 짧은 관 치수(W)가 N이 정수인 N*R과 같도록 주름 반경(R)을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    파단시의 연장률이 100%보다 클 수 있는 벽 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관을 설계하는 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    하나 이상의 충격력에 따라 관 반응력 초과 시간 및 디플렉션의 컴퓨터 모델링에 의해 관의 에너지 흡수 효율을 최적화하는 단계를 더 포함하고, 상기 컴퓨터 모델링은 벽 재료 두께(t) 및 주름 반경(R)에 대한 반복 입력값을 포함하는 것을 특징으로 하는 관을 설계하는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    발포체 밀도를 가지는 폴리머 발포체의 부피를 관의 내부의 적어도 일부를 제공함으로써 다른 크기의 일정한 충격력으로 관의 반응을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관을 설계하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    다른 일정한 힘 레벨에 대한 발포체의 부피 및 발포체의 밀도를 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관을 설계하는 방법.
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