KR20090115881A - 차량용 금속제 업소버, 차량용 범퍼 시스템, 자동차 범퍼용 업소버 및 자동차 범퍼 시스템 - Google Patents

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아끼히로 우에니시
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신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
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Abstract

보행자와 자동차의 충돌시에 있어서, 보행자의 다리부로부터 받는 충격 에너지를 짧은 스트로크로 효율적으로 흡수하고, 또한 압궤 잔류를 적지 않게 하여 보행자의 다리부를 보호하기 위한 차량용 금속제 업소버이고, 중앙 플랜지, 중앙 플랜지의 양측에 이어지는 상부 웨브 및 하부 웨브, 상부 웨브에 이어지는 상부 플랜지 및 하부 웨브에 이어지는 하부 플랜지로 이루어지고, 일체적으로 단면을 모자형으로 성형한 장척의 업소버이며, 모자형 단면에서, 상부 웨브가, 상부 플랜지와 하부 플랜지를 포함하는 플랜지면과 이루는 내각(α1) 및 하부 웨브가, 상기 플랜지면과 이루는 내각(α2)이 각각 0(도) 초과 90(도) 미만이고, 상부 웨브 및 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽에, 차량의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 구비한다.
차량용 금속제 업소버, 플랜지, 웨브, 비드, 범퍼 시스템

Description

차량용 금속제 업소버, 차량용 범퍼 시스템, 자동차 범퍼용 업소버 및 자동차 범퍼 시스템{VEHICULAR METAL ABSORBER, VEHICULAR BUMPER SYSTEM, VEHICULAR BUMPER ABSORBER, AND AUTOMOBILE BUMPER SYSTEM}
본 발명은 자동차 외의 차량과 보행자의 충돌시에 발생하는 충격 에너지를 흡수하고, 보행자의 다리부 보호에 이바지하는 범퍼 부품에 관한 것이다.
현재, 각국·지역의 법률이나 NCAP(New Car Assessment Program/신형 자동차 안전성 평가 시험)에 있어서, 자동차의 충돌에 관한 규제·평가가 행해지고 있다. 그 중에서도 최근, 보행자의 머리부 보호에 부가하여, 다리부의 보호에 관한 검토가 진행되고(「European Enhanced Vehicle-safety Committee, Improved Test Methods to Evaluate Pedestrian Protection Afforded by Passenger Cars」, EEVC Working Group 17 Report, December 1998 등 참조), 보행자와 자동차의 충돌시에 있어서의 다리부 보호 요구가 높아지고 있다.
지금까지의 자동차는, 대물·대차량에서의 충돌을 전제로 하여 범퍼의 내충격 설계가 시도되어 왔다. 그러나 이 설계에 의한 자동차가 보행자에 충돌한 경우, 보행자 다리부의 무릎 인대·경골에 후유 장애를 미칠 가능성이 높다. 그로 인해, 장해를 경감시키기 위한 범퍼 설계가 요구되고 있다.
해결의 방책으로서, 범퍼 페이셔(bumper fascia)와 리인포스의 사이에 수지제 업소버를 설치하여, 보행자와의 충돌시에 발생하는 충격 에너지를 흡수하는 것이 일본 특허 출원 공개 제2004-322861호 공보(문헌 1)에 개시되어 있다.
또한, 금속제의 모자형 단면 형상에 관해서는, 차량용 충돌 보강재(범퍼 리인포스)로서, 웨브의 좌굴(buckling)을 방지하기 위해, 웨브의 두께를 중앙의 플랜지 두께보다 두껍게 한 형상이 일본 특허 출원 공개 제2005-178695호 공보(문헌 2)에 개시되어 있다.
또한, 자동차용의 범퍼 빔에 있어서, 정면 충돌시의 에너지 흡수량의 증대를 목적으로 하여, 금속 재료제의 정면측 베이스부판 및 후방측 베이스부판과, 그들 사이에 상하에 배치된 2매의 금속제의 코어와, 금속 재료제의 에너지 업소버를 구비하고, 2매의 코어는 각각 차체 전후 방향으로 신장되는 볼록부 및 오목부의 연속체를 구비하는 구조가, 일본 특허 출원 공표 제2003-503272호 공보(문헌 3)에 기재되어 있다.
페이셔와 범퍼 빔의 사이에 설치하는 업소버이며, 수지제로 사료되는 업소버에 관하여, 각각 차체 전후 방향으로 신장되는 볼록부 및 오목부의 연속체를 구비하는 상측 수평 부분 및 하측 수평 부분과, 그들을 연결하는 중간 수평 부분을 갖고, 상측 수평 부분 및 하측 수평 부분은 중간 수평 부분의 전방으로 연장되는 상측 전방 노즈 부분과 하측 전방 노즈 부분을 갖는 에너지 흡수체(업소버)가, 일본 특허 출원 공표 제2005-534555호 공보(문헌 4)에 기재되어 있다.
또한, 볼록부의 일 형태로서, 차체 전후 방향에 작은 단면적의 전방 로프 부 분과 큰 단면적의 후방 로프 부분으로 이루어지는 복수의 압괴 가능 로프를 갖고, 단면이 대략 모자형 형상으로 이루어지는 수지제의 보행자용 에너지 흡수체가, 일본 특허 출원 공표 제2005-536392호 공보(문헌 5)에 기재되어 있다.
또한, 지붕재로서 사용되는 절판(折板)에 있어서, 금속제의 대판(帶板)을 모자형 단면 형상으로 성형하고, 또한 폭 방향을 따른 요철부를 부재 길이 방향을 따라 교대로 반복하는 파형을 갖는 부재를 제조하는 롤 성형 장치가 일본 특허 출원 공개 평10-175020호 공보(문헌 6)에 기재되어 있다.
또한, 차체 전후 방향으로 볼록부 및 오목부는 갖지 않지만, 차체의 전후 방향의 도중에서 굴곡부를 갖고, 강판을 프레스 성형하여 제조한 끝이 확대되는 형상의 상부 에너지 업소버와, 전단부가 상부 에너지 업소버보다 후방에 위치하는 하부 에너지 업소버로 이루어지는 차량의 전방부 구조가 일본 특허 출원 공개 제2006-232042호 공보(문헌 7)에 기재되어 있다.
그러나 예를 들어 문헌 1에 개시되어 있는 수지제 업소버는, 충격 에너지를 흡수하는 데 있어서 많은 변형량과 압궤 잔류를 필요로 한다. 그로 인해, 수지제 업소버 본체가 커져 범퍼 페이셔와 리인포스의 사이의 치수가 커지고, 차량의 최소 회전 반경을 증대시켜 디자인적으로도 바람직하지 않다. 또한, 수지제 업소버는 재료·제조 비용이 높아, 차량 전체의 비용 악화의 한 요인으로 되어 있다.
또한, 문헌 2에 개시되어 있는 차량용 충돌 보강재도, 웨브를 강화함으로써 웨브의 좌굴을 방지하여 충돌시의 흡수 에너지를 국부적으로 증대시키는 것이므로, 보행자 보호의 관점에서는 오히려 보행자에게 보다 큰 장해를 미칠 가능성이 있어, 바람직하지 않다.
또한, 문헌 3에 개시되어 있는 볼록부 또는 오목부는, 2매의 코어의 판 두께를 얇게 하는 것을 가능하게 하는 동시에, 굴곡에 대한 저항성을 유지하기 위한 형상이며(명세서 단락 번호 0023 참조), 역시 보행자 보호의 관점에서는 오히려 보행자에게 보다 큰 장해를 미칠 가능성이 있어, 바람직하지 않다.
또한, 문헌 4에 개시되어 있는 발명은, 상측 수평 부분 및 하측 수평 부분 중 어느 하나를 상방으로 이동시킴으로써, 비교적 낮은 에너지 흡수를 행하는 것이다. 그러나 수지의 소성 변형에 의한 에너지 흡수는, 후술하는 바와 같이 변형 초기에 있어서 작기 때문에, 시속 40㎞로 보행자와 충돌하였을 때에 보행자를 짧은 스트로크로 보호할 수 없고, 구조도 복잡하기 때문에, 디자인상으로도 바람직하지 않다고 하는 문제가 있다.
또한, 문헌 5에 개시되어 있는 발명도 수지제이므로, 문헌 4에 개시된 발명과 마찬가지로, 시속 40㎞로 보행자와 충돌하였을 때에 짧은 스트로크로 보행자를 보호할 수 없어, 작은 변위로 충돌 에너지를 흡수할 수 없다고 하는 문제가 있다.
또한, 문헌 6에 개시되어 있는 발명은, 지붕재를 대상으로 하여, 만곡 상태로 소성 변형하는 것을 용이하게 하는 것을 목적으로 하는 것이며, 자동차용 범퍼업소버에 이용한다고 하는 용도도, 보행자의 다리부로부터 받는 충격 에너지를 흡수한다고 하는 과제도 기재되어 있지 않다.
또한, 문헌 7에 개시된 발명은, 차체의 전후 방향으로 볼록부 및 오목부를 갖지 않고, 상부 에너지 업소버와 하부 에너지 업소버를 갖는 복잡한 구조이므로, 문헌 4와 동일한 문제가 있다.
본 발명은, 보행자와 자동차의 충돌시에 있어서, 보행자의 다리부로부터 받는 충격 에너지를 짧은 스트로크로 효율적으로 흡수하고, 또한 압궤 잔류를 적게 하여 보행자의 다리부를 보호하기 위한 자동차 범퍼용 업소버 및 자동차 범퍼 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은, 이 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 바는 이하와 같다.
(1) 중앙 플랜지, 중앙 플랜지의 양측에 이어지는 상부 웨브 및 하부 웨브, 상부 웨브에 이어지는 상부 플랜지 및 하부 웨브에 이어지는 하부 플랜지로 이루어지고, 일체적으로 단면을 모자형으로 성형한 장척(長尺)의 차량용 금속제 업소버이며, 모자형 단면에서, 상부 웨브가, 상부 플랜지와 하부 플랜지를 포함하는 플랜지면과 이루는 내각(α1) 및 하부 웨브가, 상기 플랜지면과 이루는 내각(α2)이 각각 0(도) 초과 90(도) 미만이고, 상부 웨브 및 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽에, 차량의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 구비하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
(2) 또한, 모자형 단면에서, 상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽의 도중에 굴곡부를 갖고, 상기 상부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β1)이 0(도) 초과 α1(도) 미만이고, 상기 하부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β2)이 0(도) 초과 α2(도) 미만인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(3) 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 비드의 폭이 H/5 내지 H/2.5(㎜), 또한 피치가 H/2.5 내지 H/1.25(㎜), 또한 깊이가 H/50 내지 H/10(㎜)인 것을 특징으로 하는, (1) 또는 (2)에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(4) 비드의 피치를 L(㎜)로 하였을 때, 상하면의 비드의 배치가 상하에서 L/4 내지 L/2(㎜) 어긋나 있는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(5) 상부 웨브와 하부 웨브의 최대 폭을 W(㎜)로 하였을 때, H/3≤W≤H/1.5(㎜)를 만족하는 것을 특징으로 하는, (3) 또는 (4)에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(6) 재료의 인장 강도(㎫)와 판 두께(㎜)가, 인장 강도를 y축에 취하고 판 두께를 x축에 취하는 x-y 직교 좌표계에 있어서, 각 (x, y) 좌표의 점 ATS(0.2, 1200), BTS(0.2, 400), CTS(0.4, 400), DTS(0.4, 200), ETS(1.6, 200), FTS(1.6, 400), GTS(1.4, 400), HTS(1.4, 600), ITS(1.2, 600), JTS(1.2, 800), KTS(1.0, 800), LTS(1.0, 1000), MTS(0.6, 1000), NTS(0.6, 1200), ATS(0.2, 1200)를 차례로 직선으로 연결하는 범위 내에서 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(7) 재료의 항복 강도(㎫)와 판 두께(㎜)가, 항복 강도를 y축에 취하고 판 두께를 x축에 취하는 x-y 직교 좌표계에 있어서, 각 (x, y) 좌표의 점 AYS(0.2, 1000), BYS(0.2, 300), CYS(0.4, 300), DYS(0.4, 150), EYS(1.6, 150), FYS(1.6, 300), GYS(1.4, 300), HYS(1.4, 400), IYS(1.2, 400), JYS(1.2, 600), KYS(1.0, 600), LYS(1.0, 800), MYS(0.6, 800), NYS(0.6, 1000), AYS(0.2, 1000)를 차례로 직선으로 연결하는 범위 내에서 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(8) α1 = α2인 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(9) β1 및 β2가 각각 α1-30<β1<α1-5(도), α2-30<β2<α2-5(도)를 만족하는 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(10) β1 = β2인 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (9) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(11) 또한, 모자형 단면에서, 상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽이 복수의 굴곡부를 갖고, 상기 상부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β1,n)이, 0<β1,n<β1, n-1<α1(도)을 만족하고, 상기 하부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β2,n)이, 0<β2,n<β2,n-1<α2(도)를 만족하는 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (10) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
단, n = 2, …, N(N은 정수로 하고, 상부 플랜지 또는 하부 플랜지에 가까운 쪽으로부터 차례로 1, 2, … N번째로 함)
(12) β1,n = β2,n인 것을 특징으로 하는, (11)에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(13) 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 굴곡부를, 상부 플랜지 또는 하부 플랜지로부터 차체 전후 방향으로 0.3H 내지 0.7H(㎜)를 만족하는 영역에 갖는 것을 특징으로 하는, (2) 내지 (12) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(14) 자동차 범퍼용인 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (13) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(15) 직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8(㎏)으로 이루어지는 임팩터를 초속 40(㎞/hr)로 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 업소버에 충돌시켰을 때, 임팩터에 작용하는 최대 하중이 2(kN) 이상 12(kN) 이하이고, 또한 임팩터에 작용한 하중이 대략 일정하고, 임팩터가 정지할 때까지 필요한 업소버의 전후 방향 치수가 50(㎜) 이하인 것을 만족하는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (14) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버.
(16) 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버의 전후에, 페이셔와 리인포스를 설치한 것을 특징으로 하는, 차량용 범퍼 시스템.
(17) 자동차용 범퍼의 페이셔와 리인포스의 사이에 설치되는 금속제 업소버이며, 상하면이 차체의 후방향을 향해 끝이 확대되는 형상의 모자형 형상으로 이루어지고, 상하면에 차체의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼용 업소버.
(18) 상하면의 확대 각도가 차체의 전후 방향의 도중에서 변화되는 것을 특징으로 하는, (17)에 기재된 자동차 범퍼용 업소버.
(19) 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 비드의 폭이 H/5 내지 H/2.5(㎜), 또한 피치가 H/2.5 내지 H/1.25(㎜), 또한 깊이가 H/50 내지 H/10(㎜)인 것을 특징으로 하는, (17) 또는 (18)에 기재된 자동차 범퍼용 업소버.
(20) 비드의 피치를 L(㎜)로 하였을 때, 상하면의 비드의 배치가 상하에서 L/4 내지 L/2(㎜) 어긋나 있는 것을 특징으로 하는, (17) 내지 (19) 중 어느 한 항에 기재된 자동차 범퍼용 업소버.
(21) 재료의 인장 강도와 판 두께가 도 12의 실선 18의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는, (17) 내지 (20) 중 어느 한 항에 기재된 자동차 범퍼용 업소버.
(22) 상기 (17) 내지 (21) 중 어느 한 항에 기재된 자동차 범퍼용 업소버의 전후에, 페이셔와 리인포스를 설치한 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼 시스템.
또한, 본 발명에서 대략 평행이라 함은, 비드를 수평면에 투영하였을 때, 비드의 능선이, 차체의 전후 방향에 대해 ±10(도) 이내의 범위 내에 있는 것을 말하는 것으로 한다.
또한, 임팩터에 작용한 하중이 대략 일정이라 함은, 임팩터에 작용하는 하중의 변동 폭이 임팩터에 작용하는 하중이 초기 극대값에 도달한 후 임팩터가 정지하기 직전까지 하중의 평균값 ±25％ 이하로 정의한다.
이상과 같은 본 발명의 모자형 금속제 업소버는, 보행자와 자동차의 충돌시에 상하 방향으로 넓어지도록 압궤된다. 이에 의해, 보행자의 다리부로부터 받는 충격 에너지를 짧은 스트로크로 효율적으로 흡수하고, 또한 압궤 잔류가 적어지므로, 최소의 부재 치수로 보행자의 다리부를 보호하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 시속 40(㎞)로 보행자와 충돌하였을 때에, 50(㎜) 이하의 스트로크로 충격 에너지를 흡수하여, 보행자의 다리부를 보호하는 것이 가능해진다.
도 1은 금속제 업소버의 리인포스에의 장착 개략도이다.
도 2는 본 발명예의 금속제 업소버의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 3은 종래 기술의 금속제 업소버와 다리부 임팩터의 충돌 시험을 도시하는 도면이다.
도 4는 종래 기술의 금속제 업소버의 변형을 도시하는 도면으로, 도 4의 (a)는 충돌 초기를, 도 4의 (b)는 충돌 말기를 도시하는 도면이다.
도 5는 종래 기술의 금속제 업소버의 충돌시의 하중 내지 변위 관계도이다.
도 6은 본 발명의 업소버와 다리부 임팩터의 충돌 시험을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 금속제 업소버의 변형을 도시하는 도면으로, 도 7의 (a)는 충돌 초기를, 도 7의 (b)는 충돌 중기를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 금속제 업소버의 변형을 도시하는 도면으로, 도 7에 이어서 도 8의 (c)는 충돌 후기를, 도 8의 (d)는 충돌 말기를 도시하는 도면이다.
도 9는 수지제 업소버와 다리부 임팩터의 충돌 시험을 나타내는 도면이다.
도 10은 금속제 업소버의 상세도이다.
도 11은 다른 본 발명예의 금속제 업소버의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 12는 재료의 인장 강도 및 판 두께 범위도를 나타내는 도면이다.
도 13은 재료의 항복 강도 및 판 두께 범위도를 나타내는 도면이다.
도 14는 다른 본 발명예의 금속제 업소버의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 15는 금속제 업소버의 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 업소버와 다리부 임팩터의 충돌 시험을 도시하는 도면이다.
도 17은 금속제 업소버의 변형을 도시하는 도면(좌우 방향 2분의 1 길이의 중앙 단면)이다.
도 18은 수지제 업소버의 변형을 도시하는 도면(좌우 방향 2분의 1 길이의 중앙 단면)이다.
도 19는 충돌시의 하중 내지 변위 관계도이다.
도 20은 상부 웨브·하부 웨브에 굴곡부가 없는 업소버의 변형을 도시하는 도면으로, 도 20의 (a)는 충돌 전을, 도 20의 (b)는 충돌 후를 도시하는 도면이다.
도 21은 상부 웨브·하부 웨브에 굴곡부가 없는 업소버의 충돌시의 하중 내 지 변위 관계도이다.
도 22는 비드의 배치를 설명하기 위한 도면으로, 도 22의 (a)는 상부 웨브·하부 웨브의 볼록 비드끼리 및 오목 비드끼리가 대향하지 않도록 반파장 어긋나게 하여 비드를 배치한 업소버를 도시하는 도면이고, 도 22의 (b)는 상부 웨브·하부 웨브의 볼록 비드끼리 및 오목 비드끼리가 대향 배치로 되어 있는 업소버를 도시하는 도면이다.
도 23은 비드의 배치와 충돌시의 하중 내지 변위 관계를 설명하기 위한 도면으로, 도 23의 (a)는 상부 웨브·하부 웨브의 볼록 비드끼리 및 오목 비드끼리가 대향하지 않도록 반파장 어긋나게 하여 비드를 배치한 업소버의 충돌시의 하중 내지 변위 관계를 나타내는 도면이고, 도 23의 (b)는 상부 웨브·하부 웨브의 볼록 비드끼리 및 오목 비드끼리가 대향 배치로 되어 있는 업소버의 충돌시의 하중 내지 변위 관계를 나타내는 도면이다.
상기 (1) 내지 (22)의 본 발명에 대해 차례로 설명한다.
우선, (1)에 관한 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 관한 금속제 업소버는, 가드 레일 등에 단독으로 이용해도 좋지만, 도 1에 본 발명의 금속제 업소버(1)를 리인포스(2)에 장착할 때의 개략을 도시하는 바와 같이, 차체 폭 방향분의 길이를 갖고, 그 전방면에 배치되는 범퍼 페이셔(도시하지 않음)와, 그 후방면에 배치되는 리인포스(2)의 사이에 설치되는 것이 적합하다.
이 금속제 업소버는, 박(薄)강판을 프레스에 의해 성형한 대략 모자형 형상을 하고 있고, 이 개구부가 차체의 후방향을 향해 끝이 확대되는 형상으로 설치된다.
즉, 본 발명에 관한 금속제 업소버는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 중앙 플랜지(0201)와, 그 양측부에 각각 연속해서 형성되는 상부 웨브(0204) 및 하부 웨브(0205)와, 상부 웨브(0204) 및 하부 웨브(0205)의 각각의 단부로부터, 중앙 플랜지(0201)와는 반대측에 연속해서 형성되는 상부 플랜지(0202) 및 하부 플랜지(0203)로 이루어지고, 박강판으로 일체로 성형된 것이다.
또한, 모자형 단면에서 상부 웨브(0204)와 상부 플랜지(0202)의 교점(0206)을 중심으로 하여, 상부 웨브(0204)가 상부 플랜지(0202)와 하부 플랜지(0203)를 포함하는 플랜지면(0208)과 이루는 내각(α1) 및 하부 웨브(0205)와 하부 플랜지(0203)의 교점(0207)을 중심으로 하여, 하부 웨브(0205)가 플랜지면(0208)과 이루는 내각(α2)을 각각 0(도) 초과 90(도) 미만으로 한다.
상부 웨브 및 하부 웨브의 소성 변형에 의해 충격 에너지를 흡수하기 위해, α1, α2 모두 각각 0(도) 초과로 하는 것이 필요하고, 바람직하게는 45(도) 이상, 더욱 바람직하게는 60(도) 이상으로 한다. α1, α2가 45(도) 미만인 경우, 상부 웨브, 하부 웨브가 소성 변형하지 않아 부재 단면이 붕괴되어 버리기 때문이다.
한편, α1, α2가 각각 90(도) 이상이 되면, 박강판을 프레스 성형할 때, 볼 록 금형과 오목 금형의 맞물림이 생기지 않아 성형 불능이 되므로, 모두 90(도) 미만이라고 규정하고, 바람직하게는 85(도) 이하로 한다.
또한, 업소버를 금속제로 하는 것과, 상기한 바와 같이 끝이 확대되는 형상으로 하는 것, 또한 상부 웨브 및 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽에, 차량의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 설치함으로써, 업소버의 어느 위치에 있어서 보행자와 충돌해도, 우선적으로 전체면 좌굴을 일으키기 쉬워지기 때문에, 보행자의 다리부에 중대한 손상을 미치지 않고 충격 에너지를 흡수하는 것이 가능해진다.
종래 기술의 예로서, 인장 강도 300(㎫), 항복 강도 150(㎫), 판 두께 1.0(㎜), 상하 치수 40(㎜), 전후 치수 80(㎜), 좌우 치수 500(㎜), 상부 플랜지 및 하부 플랜지의 길이(편측)가 8(㎜)이고, 단면이 직사각형인 웨브를 갖는 업소버(도 3 참조)가 직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8(㎏)으로 이루어지는 임팩터를 초속 40(㎞/hr)로 충돌시켰을 때의 변형 양식을, 도 4에 도시한다. 또한, 임팩터의 변위와 임팩터에 작용하는 하중을 도 5에 나타낸다.
도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 충돌 초기에, 갑자기 부재 단면 전체가 좌굴[초기 하중 대(大)]하여, 단면이 붕괴되고, 하중이 급격하게 저하된다(도 5, 0501 참조). 그리고 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 충돌 후기에 있어서, 단면이 내측으로 꺾여 들어가, 압궤 잔류가 크고, 꺾여 들어간 상하의 부재끼리가 충돌하므로 지나치게 높은 하중이 발생한다(도 5, 0502 참조).
따라서, 에너지 흡수 완료까지 큰 스트로크가 필요하며, 50(㎜)로 에너지를 흡수할 수는 없다. 한편, 판 두께를 크게 하면 스트로크를 작게 할 수 있지만, 부재 중량이 커지므로 후술하는 본 발명에 뒤떨어진다.
그에 대해, 도 6에 도시하는 바와 같이, 상하 치수 45(㎜), 전후 치수 50(㎜), 좌우 치수 500(㎜), 상부 플랜지 및 하부 플랜지의 길이(편측)가 20(㎜)이고, α1 = α2 = 85(도)로 하고, 상부 웨브 및 하부 웨브의 도중을 굴곡시켜 굴곡부를 형성하고, 그 굴곡부의 각도(β1, β2)(도 11 참조)를 β1 = β2 = 77.5(도), 굴곡부의 위치를 전후 방법에서 상부 플랜지 및 하부 플랜지로부터 25(㎜)로 하고, 비드 형상을, 비드 폭 12.5(㎜), 비드 피치(L) 25(㎜), 비드 깊이 3(㎜)로 하고, 그 비드를, 비드 배치 : 상하에서 12.5(㎜)(L/2) 어긋나게 하여 배치, 비드의 방향 : 수평면에 투영하였을 때, 차체의 전후 방향에 대해, 비드의 능선을 ±2.9(도)로 배치로 한 업소버에, 상기 종래 기술과 동일한 조건에서 임팩터를 충돌시키는 실험을 행하였다.
그 결과를 도 7, 도 8에 도시한다. 충돌 초기[도 7의 (a)]에서는 접촉부만이 국소적으로 찌그러져 하중을 확보할 수 있고, 충돌 중기[도 7의 (b)]에서는 굴곡부로부터 외측으로 꺾여 부재 단면 전체가 좌굴을 개시한다. 또한, 변형이 진행된 충돌 후기[도 8의 (c)]에서는 인접하는 비드가 차례로 찌그러지고 각 비드가 찌그러져 하중을 확보하고, 충돌 말기[도 8의 (d)]에서는 압궤 잔류 없이 부재의 변형이 완료되어, 시속 40(㎞)로 차량이 충돌해도 임팩터에 작용하는 하중을 크게 유지할 수 있어(10kN 이상), 임팩터의 변위를 50(㎜) 이하로 하는 것이 가능해진다.
즉, 도 6에서는 상부 웨브 및 하부 웨브에 차체의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상의 비드를 갖는 예로 설명하였지만, 도 2에 도시하는 바와 같이 상부 웨브(0204), 하부 웨브(0205) 중 한쪽 또는 양쪽에 차체의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상의 비드(7-1) 또는 볼록 형상의 비드(7-2)(도 10 참조)를 전체면에 설치함으로써, 차량과 보행자가 차량의 전방면의 어디에 충돌해도 비드가 좌굴하고, 판 두께가 작은 금속판에 의한 업소버라도, 시속 40(㎞)로 충돌하는 경우라도 보다 큰 충격 에너지를 50(㎜) 이하의 작은 변위량으로 흡수하는 것이 가능해져, 업소버를 경량화하고, 또한 보행자의 다리부를 보호할 수 있게 된다.
상기한 작용 효과는, 수지로는 얻을 수 없다. 도 6과 동일한 형상[단, 강성 확보를 위해 두께 = 2(㎜)로 한]으로 한 수지(폴리에스테르·폴리카보네이트제) 부재의 경우, 도 9에 하중 내지 변위 곡선을 나타내는 바와 같이, 충돌 초기에서 약 10(kN)의 하중을 얻지만, 수지 부재의 좌굴·파단에 의해 하중이 급격하게 저하되어, 임팩터 변위 100(㎜) 부근까지 하중이 낮은 상태로 추이하고, 마지막에 수지 부재의 배면(범퍼 리인포스)에 임팩터가 격돌하여 큰 하중이 발생한다. 즉, 수지 부재로는 작은 임팩터 변위로는 충격 에너지를 흡수할 수 없기 때문에 보행자의 다리부는 보호할 수 없고, 또한 충격 에너지를 흡수하기 위해서는 부재 단면 치수의 대형화 및 부재 판 두께의 증대에 따라 차량의 디자인에의 영향·부재 중량의 증대를 초래한다.
따라서, 본 발명에 관한 자동차 범퍼용 업소버의 재질은 강판, 알루미늄, 티탄 등의 금속을 이용함으로써, 금속의 소성 변형에 수반되는 충격 에너지를 흡수할 수 있으므로, 금속으로 한정한다.
(2)에 관한 본 발명은, 금속제 업소버의 상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽의 각도(α1, α2)가 도중에서 변화된다. 각도의 변화는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 웨브의 도중에서 볼록해지도록 변화시킨다. 즉, 도 11에 도시하는 바와 같이, 상부 웨브(1101), 하부 웨브(1102) 중 한쪽 또는 양쪽의 도중에 굴곡부(1103, 1104)를 갖고, 상부 웨브(1101)의 굴곡부(1103)가 플랜지면(1105)과 평행한 면과 이루는 내각(β1)을 0(도) 초과 α1(도) 미만으로 하고, 상기 하부 웨브(1102)의 굴곡부(1104)가 플랜지면과 평행한 면과 이루는 내각(β2)을 0(도) 초과 α2(도) 미만으로 한다.
소성 변형에 의해 충격 에너지를 흡수하기 위해, 상부 웨브의 굴곡부(1103)의 내각(β1), 하부 웨브의 굴곡부(1104)의 내각(β2)을, 각각 0(도) 초과로 하는 것이 바람직하고, 45(도) 이상, 또한 60(도) 이상으로 하는 것이 적합하다.
β1, β2가 45(도) 미만인 경우, 상부 웨브, 하부 웨브가 소성 변형하지 않아 부재 단면이 붕괴되어 버리기 때문이다. 한편, β1, β2가 각각 α1, α2 이상이 되면, 굴곡부를 기점으로 상부 웨브 및 하부 웨브가 부재 내측으로 절곡되어, 압궤 잔류가 발생하기 때문에, 모두 α1 미만, α2 미만으로 하는 것이 바람직하다.
즉, 상부 웨브, 하부 웨브의 도중에서, 볼록해지도록 굴곡부를 설치하는 것이 바람직하다.
이러한 구조로 함으로써, 상하면이 외측으로 꺾이는 변형 모드를 안정적으로 확보할 수 있게 되므로 압궤 잔류가 적어지고, 시속 40(㎞)로 충돌하는 경우라도 임팩터에 작용하는 하중을 크게 유지하면서 충격을 흡수할 수 있고(10kN 이상), 임팩터의 변위를 50(㎜) 이하로 하는 것이 가능해지므로, 업소버를 콤팩트하게 할 수 있다.
(3)에 관한 본 발명은, 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 한 경우, 비드의 폭을 H/5 내지 H/2.5(㎜), 피치를 H/2.5 내지 H/1.25(㎜), 깊이를 H/50 내지 H/10(㎜)로 규정한다. 비드의 폭이 H/5(㎜)보다 작으면 업소버의 제작 비용이 악화되고, H/2.5(㎜)를 초과하면 보행자의 다리부와 업소버의 충돌 위치가 변화되었을 때, 보행자 다리부에 미치는 장해가 변동되므로, 비드의 폭을 H/5 내지 H/2.5(㎜)로 하는 것이 바람직하다.
또한, 비드의 피치가 H/2.5(㎜)보다 작으면, 업소버의 제작 비용이 악화되고, H/1.25(㎜)를 초과하면 보행자의 다리부와 업소버의 충돌 위치가 변화되었을 때, 보행자 다리부에 미치는 장해가 변동되므로, 비드의 피치를 H/2.5 내지 H/1.25(㎜)로 하는 것이 바람직하다.
또한, 비드의 깊이가 H/50(㎜)보다 얕으면 충돌시의 충격 에너지를 충분히 흡수할 수 없고, H/10(㎜)를 초과하면 업소버의 강도가 지나치게 높아 보행자 다리부에의 장해가 커지므로, 비드의 깊이를 H/50 내지 H/10(㎜)로 하는 것이 바람직하다.
(4)에 관한 본 발명은, 비드의 피치를 L(㎜)로 하였을 때, 상하면의 비드의 배치가 상하에서 L/4 내지 L/2(㎜) 어긋나게 하는 것을 특징으로 한다.
도 10은 L/2(㎜) 어긋나게 한 예를 도시하지만, 비드의 배치의 어긋남이 상하에서 L/4(㎜)보다 작으면 보행자의 다리부와 업소버의 충돌 위치가 변화되었을 때의 보행자의 다리부에 미치는 장해가 변동되고, 또한 L/2(㎜)를 초과하면 마찬가지로 보행자의 다리부와 업소버의 충돌 위치가 변화되었을 때의 보행자의 다리부에 미치는 장해가 변동되므로, 상하의 비드 배치를 어긋나게 하는 길이를 L/4 내지 L/2(㎜)로 하는 것이 바람직하다.
(5)에 관한 본 발명은, 상부 웨브(1101)와 하부 웨브(1102)의 최대 폭을 W(㎜)로 하였을 때(도 11 참조), H/3≤W≤H/1.5(㎜)를 만족하는 것을 특징으로 한다.
굴곡부가 없는 모자형 단면 형상과 마찬가지로 상부 또는 하부 웨브가 상부 또는 하부 플랜지와 가까운 장소에서 좌굴해 버려 하중 유지를 할 수 없게 되므로, 최대 폭(W)을 H/3(㎜) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 최대 폭(W)이 H/1.5(㎜)를 초과하면, 상부 또는 하부 웨브의 중앙 플랜지에 가까운 부위가 좌굴하여 하중 유지를 할 수 없게 되므로, 상기한 범위로 하는 것이 바람직하다.
(6)에 관한 본 발명은, 재료의 인장 강도와 판 두께가 도 12의 실선의 범위 내를 만족하는 것을 특징으로 한다.
인장 강도 및 판 두께가 도 12의 실선으로 나타내는 범위로부터 벗어난 좌측 하방의 영역이면 업소버의 강도가 지나치게 낮기 때문에 충격을 흡수할 수 없게 되고, 우측 상방의 영역이면 업소버 강도가 지나치게 높기 때문에 보행자 다리부에 미치는 장해가 커지므로, 업소버의 재료의 인장 강도와 판 두께가 도 12의 실선 18의 범위 내를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 재료 제조·가공시의 치수 변동에 의해 업소버의 강도가 변동될 가능성이 있으므로, 재료의 인장 강도와 판 두께의 범위가 도 12의 파선 19의 범위 내로 설정되는 것이 특히 바람직하다.
파선 19의 범위 내라 함은, 인장 강도를 y축에 취하고 판 두께를 x축에 취하는 x-y 직교 좌표계에 있어서, 각 (x, y) 좌표의 점 (0.2, 1000), (0.2, 600), (0.4, 600), (0.4, 200), (1.2, 200), (1.2, 400), (1.0, 400), (1.0, 600), (0.8, 600), (0.8, 800), (0.6, 800), (0.6, 1000), (0.2, 1000)을 차례로 직선으로 연결하는 범위 내인 것을 의미한다.
또한, 업소버의 재료를 강판으로 함으로써, 신장을 수반하는 소성 변형에 의해 에너지 흡수를 저렴하고, 또한 효율적으로 실현할 수 있으므로 바람직하다.
(7)에 관한 본 발명은, 재료의 항복 강도와 판 두께가 도 13의 실선 1301의 범위 내를 만족하는 것을 특징으로 하고, 또한 도 13의 파선 1302의 범위를 만족하는 것이 특히 바람직하다. 재료의 소성 변형은 항복 강도에 의존하므로, 항복 강도와의 관계로 규정한 것이다. 상세한 설명은, (6)에 관한 발명과 동일하므로 생략한다.
(8)에 관한 발명은, α1 = α2인 것을 특징으로 한다. 임팩터가 충돌하였을 때에 상부 웨브 및 하부 웨브가 동일하게 소성 변형하고, 부재 전체가 상하 대칭으 로 변형하여 효율적으로 하중 유지·충격 에너지 흡수를 하기 위해, α1과 α2의 차는 5(도) 이하로 하는 것이 바람직하고, 동일한 이유에 의해 특히 α1 = α2로 하는 것이 바람직하다.
(9)에 관한 발명은, β1, β2의 상한을 각각 α1-5(도) 이하, α2-5(도) 이하로 하고, β1, β2의 하한을 각각 α1-30(도) 이상, α2-30(도) 이상으로 하는 것을 특징으로 한다.
β1의 상한이 α1-5도 이하, β2의 상한이 α2-5도 이하이면, 부재의 상하면이 굴곡부를 기점으로 하여 안정적으로 외측 꺾임 변형 모드로 되므로 바람직하다. 또한, β1의 하한이 α1-30(도) 이상, β2의 하한이 α2-30(도) 이상이면, 상부 웨브, 하부 웨브가 적절하게 소성 변형되어 부재 단면의 붕괴를 방지할 수 있으므로 바람직하다.
(10)에 관한 발명은, β1 = β2인 것을 특징으로 한다. 상부 웨브(1101), 하부 웨브(1102)에 굴곡부를 설치하는 것을 특징으로 한다.
임팩터가 충돌하였을 때에 상부 웨브 및 하부 웨브가 동일하게 소성 변형하고, 부재 전체가 상하 대칭으로 변형하여 효율적으로 하중 유지·충격 에너지 흡수하기 위해, β1과 β2의 차는 5(도) 이하로 하는 것이 바람직하고, 동일한 이유에 의해 특히 β1 = β2로 하는 것이 바람직하다.
(11)에 관한 발명은, 도 14에 도시하는 바와 같이, 상부 웨브(1401), 하부 웨브(1402) 중 한쪽 또는 양쪽에, 전후 방향에서 복수의 굴곡부(볼록부)(1403, 1404, 1405, 1406)를 구비하고, 상부 웨브(1401)의 복수의 굴곡부(1403, 1404)가 플랜지면(1407)과 평행한 면과 이루는 내각(β1,n), 하부 웨브(1402)의 복수의 굴곡부(1405, 1406)가 플랜지면과 평행한 면과 이루는 내각(β1,n)이, 각각 0<β1,n<β1,n-1<α1(도)을 만족하고, 상기 하부 웨브의 굴곡부와 플랜지면과 평행한 면과 이루는 내각(β2,n)이, 0<β2,n<β2,n-1<α2(도)를 만족하는 것을 특징으로 한다[단, n = 2, …, N(N은 정수로 하고, 상부 플랜지 또는 하부 플랜지에 가까운 쪽으로부터 차례로 1, 2, … N번째로 함)].
소성 변형에 의해 충격 에너지를 흡수하기 위해, 상부 웨브의 굴곡부(1404)의 내각(β1,n), 하부 웨브의 굴곡부(1406)의 내각(β2,n)을 각각 0(도)보다 크게 하는 것이 바람직하다. 한편, 부재를 프레스 성형할 때의 볼록 금형과 오목 금형 맞물림을 위해, β1,n, β2,n은 각각 인접하는 상부 플랜지 또는 하부 플랜지에 가까운, 즉 플랜지면(1407)에 가까운 굴곡부의 내각(β1,n-1, β2,n-1)보다 작게 해야 한다.
또한, 임팩터 충돌시, 상부 웨브의 복수의 굴곡부·하부 웨브의 복수의 굴곡부를 기점으로 하여 상부 웨브·하부 웨브가 외부 꺾임되는 변형 모드를 안정적으로 얻기 위해, 내각(β1,n-1, β2,n-1)은 각각 α1, α2보다 작은 것이 바람직하다.
즉, 상부 웨브, 하부 웨브가 볼록 형상이 되도록 복수의 굴곡부를 설치하면, 부재의 상하면이 안정적으로 외부 꺾임의 변형 모드를 확보하고, 압궤 잔류 없이 효율적으로 충격 에너지를 흡수할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
(12)에 관한 발명은, 상기 (11)에 관한 발명에 있어서, β1,n = β2,n인 것을 특징으로 한다. 임팩터가 충돌하였을 때에 상부 웨브 및 하부 웨브가 동일하게 소성 변형하고, 부재 전체가 상하 대칭으로 변형하여 효율적으로 하중 유지·충격 에너지 흡수하기 위해, β1,n과 β2,n의 차는 5(도) 이하로 하는 것이 바람직하고, 동일한 이유에 의해 특히 β1,n = β2,n으로 하는 것이 바람직하다.
(13)에 관한 발명은, 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 상기 굴곡부를 상기 상부 플랜지 또는 상기 하부 플랜지로부터 차체 전후 방향으로 0.3H 내지 0.7H(㎜)를 만족하는 영역에 설치하는 것을 특징으로 한다.
상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽에 굴곡부를 설치하는 경우, 상부 웨브 및 하부 웨브의 중앙 플랜지에 가까운 부위에서의 좌굴을 방지하기 위해, 상부 플랜지 또는 상기 하부 플랜지로부터 차체 전후 방향으로(중앙 플랜지를 향해) 0.3H(㎜) 이상의 영역에 설치하는 것이 바람직하다. 한편, 굴곡부를 설치하는 위치가, 상부 플랜지 또는 상기 하부 플랜지로부터 차체 전후 방향으로(중앙 플랜지를 향해) 0.7H(㎜)를 초과하면 상부 웨브 및 하부 웨브의 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 가까운 부위에서 좌굴하여, 부재 단면 전체가 붕괴되므로 상기한 범위에 굴곡부를 설치하는 것이 바람직하다.
(14)에 관한 발명은, 차량용 금속제 범퍼가 자동차용 금속제 범퍼인 것을 특 징으로 한다.
자동차용 범퍼로 함으로써, 시속 40(㎞)로 충돌하였을 때에 충격을 흡수할 수 있고(10kN 이상), 임팩터의 변위를 50(㎜) 이하로 하는 것이 가능해지므로 보행자의 다리부 보호에 적합하다.
(15)에 관한 발명은, 직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8(㎏)으로 이루어지는 임팩터를 초속 40(㎞/hr)로, 상기 (1) 내지 (14)의 발명에 관한 업소버에 충돌시켰을 때, 임팩터에 작용하는 최대 하중이 2(kN) 이상 12(kN) 이하이고, 또한 임팩터에 작용한 하중이 대략 일정하고, 임팩터가 정지할 때까지 필요한 업소버의 전후 방향 치수가 50(㎜) 이하인 것을 만족하는 것을 특징으로 한다.
상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽에, 차량의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 설치함으로써, 임팩터에 작용하는 최대 하중이 2(kN) 이상 12(kN) 이하가 되고, 보행자 보호에 적합한 업소버를 얻을 수 있다.
또한, 임팩터에 작용한 하중이 대략 일정해지므로, 콤팩트한 부재로 효율적으로 충격 에너지를 흡수할 수 있어, 부재를 경량으로 한다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 임팩터가 정지할 때까지 필요한 업소버의 전후 방향 치수를 50(㎜) 이하로 함으로써, 시속 40(㎞)로 보행자에 충돌하였을 때에도, 보행자의 다리부의 골절을 방지하여 보행자의 다리부에 부여하는 상해를 최소한으로 하는 것이 가능해진다.
(16)에 관한 본 발명은, 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 자동차 범퍼용 업소버의 전후에, 페이셔와 리인포스를 설치한 자동차 범퍼 시스템이다.
페이셔와 리인포스는 특별히 한정하는 일 없이, 공지의 부품을 사용할 수 있다. 본 발명의 자동차 범퍼용 업소버를 배치함으로써, 시속 40(㎞)로 자동차와 보행자가 충돌하였을 때에, 비드부가 우선적으로 좌굴하여 충격 에너지를 흡수하므로, 보행자의 다리부를 보호하는 것이 가능해진다.
다음에, (17)에 관한 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1에 본 발명의 자동차 범퍼 업소버의 리인포스에의 장착 개략을 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 금속제 업소버(1)는 차체 폭 방향분의 길이를 갖고, 그 전방면에 배치되는 범퍼 페이셔(도시하지 않음)와, 그 후방면에 배치되는 리인포스(2)의 사이에 설치되는 것이다.
금속제 업소버는, 박강판을 프레스에 의해 성형한 대략 모자형 형상을 하고 있고, 이 개구부가 차체의 후방향을 향해 끝이 확대되는 형상으로 설치된다. 「차체의 후방향을 향해」라 함은, 전방면에 배치되는 범퍼 페이셔에 대해, 범퍼 페이셔와 반대측의 차체 방향을 향해라고 하는 것을 의미한다. 따라서, 후방부 범퍼에 장착하는 경우도, 개구부는 범퍼 페이셔와 반대측의 차체 방향을 향해, 개구부가 끝이 확대되는 형상으로 설치되게 된다.
업소버를 금속제로 하는 것과, 끝이 확대되는 형상으로 함으로써, 우선적으로 전체면 좌굴을 일으키기 쉬워지므로, 보행자의 다리부에 중대한 손상을 미치지 않고, 충격 에너지를 흡수하는 것이 가능해진다.
또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, 상하면에 차체의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상의 비드(7-1) 또는 볼록 형상의 비드(7-2)를 전체면에 설치함으로써, 자동차와 보행자가 자동차의 전방면의 어디에 충돌해도, 비드가 좌굴함으로써 판 두께가 작은 금속판에 의한 업소버라도 보다 큰 충격 에너지를 흡수하는 것이 가능해져, 업소버를 경량화하고, 또한 보행자의 다리부를 보호할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 자동차 범퍼용 업소버의 재질은 강판, 알루미늄, 티탄 등의 금속을 이용함으로써, 금속의 소성 변형에 수반되는 충격 에너지를 흡수할 수 있으므로, 금속으로 한정한다.
(18)에 관한 본 발명은, 금속제 업소버의 상하면의 확대 각도가 도중에서 변화되는 것을 특징으로 한다. 각도의 변화는, 도 1, 도 10에 도시하는 바와 같이, 도중에서 볼록[산형(山型)]해지도록 변화시킨다.
이러한 구조로 함으로써, 상하면이 외측으로 꺾이는 변형 모드를 안정적으로 확보할 수 있게 되므로 압궤 잔류가 적어져, 업소버를 콤팩트하게 할 수 있다.
(19)에 관한 본 발명은, 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 한 경우, 비드의 폭을 H/5 내지 H/2.5(㎜), 피치를 H/2.5 내지 H/1.25(㎜), 깊이를 H/50 내지 H/10(㎜)로 규정한다. 상세한 설명은, (3)에 관한 발명과 동일하므로 생략한다.
(20)에 관한 본 발명은, 비드의 피치를 L(㎜)로 하였을 때, 상하면의 비드의 배치가 상하에서 L/4 내지 L/2(㎜) 어긋나게 하는 것을 특징으로 한다. 상세한 설명은, (4)에 관한 발명과 동일하므로 생략한다.
(21)에 관한 본 발명은, 재료의 인장 강도와 판 두께가 도 12의 실선의 범위 를 만족하는 것을 특징으로 한다. 상세한 설명은, (6)에 관한 발명과 동일하므로 생략한다.
(22)에 관한 본 발명은, 상기 (17) 내지 (21) 중 어느 한 항에 기재된 자동차 범퍼용 업소버의 전후에, 페이셔와 리인포스를 설치한 자동차 범퍼 시스템이다. 상세한 설명은, (16)에 관한 발명과 동일하므로 생략한다.
다음에, 본 발명의 업소버의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 요철의 금형(15, 16)을 이용하여 금속판(17)을 프레스 성형하고, 금속판에 금형 형상을 전사함으로써 제조된다.
금형은 강재(鋼材)로 기계 가공을 행하여 제작되어 있고, 그 표면에는 본 발명의 업소버 형상과 동일한 비드가 형성되어 있다.
이들 금형을 프레스 장치의 베드 및 슬라이드에 장착하고, 요철의 금형(15, 16) 사이에 금속판(17)을 끼워 상하로부터 가압한다. 업소버의 형상·재료에 의해 성형성을 확보하기 위해, 오목 금형(15)의 중앙부에 패드(도시하지 않음)를 설치하고, 일정 압력으로 업소버 선단을 압박하는 경우가 있다.
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
[제1 실시예]
제1 본 발명예의 금속제 업소버로서, 이하의 재료·공법·형상으로 시험체로 하였다.
재료 : 인장 강도 440(㎫)급 및 판 두께 0.6(㎜)의 박강판을 사용하였다.
성형 : 도 15에 도시하는 금형을 이용하여 프레스에 의해 대략 모자형으로 성형하 였다.
형상 :
상하 치수(상부 웨브와 하부 웨브의 최대 폭) 45(㎜),
전후 치수(상부 웨브와 하부 웨브의 전후 방향 길이) 50(㎜),
좌우 치수(차폭 방향 길이) 500(㎜),
상부 플랜지부 및 하부 플랜지의 길이(편측) 20(㎜),
상부 플랜지 및 하부 플랜지 중, 도중의 굴곡부로부터 중앙 플랜지까지의 길이 30(㎜),
상부 웨브 및 하부 웨브의 차체 후방으로의 확대 각도
수평면에 대해 상부 웨브 및 하부 웨브로부터 각각 12.5(도)(차체 전방측), 즉 β1 : 77.5(도), β2 : 77.5(도),
전후 방향에서 25(㎜) 이후는 수평면에 대해 5(도)(차체 후방측), 즉 α1 : 85(도), α2 : 85(도),
비드 폭 12.5(㎜), 비드 피치(L) 25(㎜),
비드 깊이 3(㎜),
비드 배치 상하에서 12.5(㎜)(L/2) 어긋나게 하여 배치,
비드의 방향 수평면에 투영하였을 때, 차체의 전후 방향에 대해 비드의 능선을 ±2.9(도)로 배치.
또한, 제1 비교예로서 발포 수지(폴리프로필렌제)를 이용한 중실(中實)의 수 지제 업소버[상하 치수 90(㎜), 전후 치수 90(㎜), 좌우 치수 500(㎜)]를 시험체로 하였다. 상부 웨브 및 하부 웨브의 전후 방향 45(㎜)의 위치에, 각각 굴곡부를 설치하고, 상하 치수, 전후 치수 및 좌우 방향을 상기한 수치로 한 것 외에는, 상기한 본 발명예와 동일한 치수로 하였다.
성능 평가로서, 유한 요소법을 이용한 수치 해석에 의해 충격 해석을 실시하였다. 도 16에 도시하는 바와 같이, 보행자 다리부를 모의한 임팩터(8)[직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8(㎏)]를 초속 40(㎞/hr)로 업소버에 충돌시키고, 충돌시에 임팩터에 작용하는 하중 추이(하중 내지 변위 관계) 및 업소버의 변형 상황을 확인하였다.
도 17 및 도 18에 금속제 및 수지제 업소버의 변형 후의 상황을 도시한다. 금속제 업소버는 상하 방향으로 확대되도록 압궤하여, 압궤 잔류가 적다(도 17). 이에 대해, 도 18에 도시하는 바와 같이, 수지제 업소버는 초기 형상(11)에 대해, 충돌 후에도 수지 재료가 외부로 유동할 수 없어, 압궤 잔류가 많다(도 18의 변형 후 형상 12 참조). 도 19에 충돌시의 하중 내지 변위 관계를 나타낸다. 금속제 업소버는 짧은 스트로크로 충격을 흡수하고 있는 것에 대해(도 19의 선 13 참조), 수지제 업소버는 충격 흡수에 긴 스트로크를 필요로 하고 있다(도 19의 선 14 참조).
[제2 실시예]
제2 본 발명예의 금속제 업소버로서, 이하의 재료·공법·형상으로 시험체로 하였다.
재료 : 인장 강도 590(㎫)급 및 판 두께 0.6(㎜)의 박강판을 사용하였다.
성형 : 프레스에 의해 대략 모자형으로 성형하였다.
형상 :
상하 치수(상부 웨브와 하부 웨브의 최대 폭) 45(㎜),
전후 치수(상부 웨브와 하부 웨브의 전후 방향 길이) 50(㎜),
좌우 치수(차폭 방향 길이) 500(㎜),
상부 플랜지부 및 하부 플랜지의 길이(편측) 20(㎜),
상부 웨브 및 하부 웨브의 차체 후방으로의 확대 각도
수평면에 대해 상부 웨브 및 하부 웨브로부터 각각 5(도), 즉 α1 : 85(도), α2 : 85(도),
비드 폭 25㎜, 비드 피치(L) 50(㎜),
비드 깊이 3(㎜),
성능 평가로서, 유한 요소법을 이용한 수치 해석에 의해 충격 해석을 실시하였다. 제1 실시예와 마찬가지로, 보행자 다리부를 모의한 임팩터(8)[직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8(㎏)]를 초속 40(㎞/hr)로 업소버에 충돌시키고, 충돌시에 임팩터에 작용하는 하중 추이(하중 내지 변위 관계) 및 업소버의 변형 상황을 확인하였다.
도 20의 (b)에 업소버의 변형 후의 상황을 도시한다. 업소버는 상부 웨브가 하방향으로 절곡되고, 하부 웨브가 상방향으로 절곡되도록 압궤하였다. 도 21에 충돌시의 하중 내지 변위 관계를 나타낸다. 충돌 초기 단계에서 하중이 급격하게 상승하고 바로 하강하였다. 그 후 하중은 완만하게 상승을 계속하고, 충돌 후기에 큰 하중을 발생하여 충격 에너지 흡수를 행하고 있다. 본 실시예에서는, 상하부 플랜지가 내향으로 절곡되므로 압궤 잔류가 발생하고, 또한 하중은 상승·하강하였다. 그러나 수지제의 업소버(도 19 참조)와 비교하면 임팩터가 흡수하는 하중은 증가하고, 게다가 임팩터가 정지할 때까지 필요한 업소버의 전후 방향 치수를 50(㎜) 이하로 할 수 있어, 충돌 에너지의 흡수에 어느 정도 유효한 것을 확인할 수 있었다. 금속제 업소버 단일 부재에서는 목표 최대 하중을 초과하여 보행자 다리부에 상해를 부여할 우려가 있지만, 탄성체 등의 완충 부재를 병용하면 보행자 보호를 실현하는 것도 가능하다.
[제3 실시예]
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
제3의 (a) 본 발명예의 금속제 업소버로서, 이하의 재료·공법·형상으로 시험체로 하였다.
재료 : 인장 강도 440(㎫)급 및 판 두께 0.7(㎜)의 박강판을 사용하였다.
성형 : 도 15에 도시하는 금형을 이용하여 프레스에 의해 도 22의 (a)에 도시하는 대략 모자형으로 성형하였다.
형상 :
상하 치수(상부 웨브와 하부 웨브의 최대 폭) 45(㎜),
전후 치수(상부 웨브와 하부 웨브의 전후 방향 길이) 50(㎜),
좌우 치수(차폭 방향 길이) 500(㎜),
상부 플랜지부 및 하부 플랜지의 길이(편측) 20(㎜),
상부 플랜지 및 하부 플랜지 중, 도중의 굴곡부로부터 중앙 플랜지까지의 길이 25(㎜),
상부 웨브 및 하부 웨브의 차체 후방으로의 확대 각도
수평면에 대해 상부 웨브 및 하부 웨브로부터 각각 12.5(도)(차체 전방측), 즉 β1 : 77.5(도), β2 : 77.5(도)
전후 방향에서 25(㎜) 이후는 수평면에 대해 5도(차체 후방측), 즉 α1 : 85(도), α2 : 85(도),
비드 폭 12.5(㎜), 비드 피치(L) 25(㎜),
비드 깊이 3(㎜),
비드 배치 상하에서 12.5(㎜)(L/2) 어긋나게 하여 배치,
비드의 방향 수평면에 투영하였을 때, 차체의 전후 방향에 대해 비드의 능선을 ±2.9(도)로 배치.
또한, 제3의 (b) 본 발명예로서, 도 22의 (b)에 도시하는 바와 같이, 상부 웨브·하부 웨브의 볼록 비드끼리 및 오목 비드끼리가 대향하도록 배치한 업소버를 시험체로 하였다.
성능 평가로서, 유한 요소법을 이용한 수치 해석에 의해 충격 해석을 실시하였다. 도 16과 마찬가지로, 보행자 다리부를 모의한 임팩터(8)[직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8 (㎏)]를 초속 40(㎞/hr)로 업소버에 충돌시키고, 충돌시에 임팩터에 작용하는 하중 추이(하중 내지 변위 관계) 및 업소버의 변형 상황을 확인하였다. 이때 임팩터 충돌 위치를, 각각 비드 중앙·비드 경계로 하고, 임팩터 충돌 위치에 의한 성능 변화를 확인하였다.
제3의 (a) 본 발명예 및 제3의 (b) 본 발명예의 업소버는 모두 상하 방향으로 확대되도록 압궤하여, 압궤 잔류가 적다(도시하지 않음). 도 23에 충돌시의 하중 내지 변위 관계를 나타낸다. 상하의 비드 어긋남이 있는 경우, 임팩트 위치에 관계없이 동일한 하중 내지 변위 특성을 나타내고 있는 것에 대해[도 23의 (a)], 상하의 비드 어긋남이 없는 경우는, 비드 중앙을 임팩트하였을 때에 충돌 초기의 하중이 극단적으로 커지고[도 23의 (b)의 선 2304 참조], 임팩트 위치에 의해 하중 내지 변위 특성에 변동이 발생되어 있지만, 수지제의 업소버(도 19의 점선 14 참조)와 비교하면 임팩터가 흡수하는 하중은 증가하고, 게다가 임팩터가 정지할 때까지 필요한 업소버의 전후 방향 치수를 50(㎜) 이하로 할 수 있어, 충돌 에너지의 흡수 및 보행자의 다리부 보호에 어느 정도 유효한 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따르면, 보행자와 자동차의 충돌시에 모자형 금속제 업소버가 상하 방향으로 확대되도록 압궤함으로써, 보행자의 다리부로부터 받는 충격 에너지를 짧은 스트로크로 효율적으로 흡수하고, 또한 압궤 잔류가 적어지므로, 최소의 부재 치수로 보행자의 다리부를 보호하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 시속 40(㎞)로 보행자와 충돌하였을 때에, 50(㎜) 이하의 스트로크로 충격 에너지를 흡수하여, 보행자의 다리부를 보호하는 것이 가능해진다.

Claims (22)

  1. 중앙 플랜지, 중앙 플랜지의 양측에 이어지는 상부 웨브 및 하부 웨브, 상부 웨브에 이어지는 상부 플랜지 및 하부 웨브에 이어지는 하부 플랜지로 이루어지고, 일체적으로 단면을 모자형으로 성형한 장척의 차량용 금속제 업소버이며, 모자형 단면에서, 상부 웨브가, 상부 플랜지와 하부 플랜지를 포함하는 플랜지면과 이루는 내각(α1) 및 하부 웨브가, 상기 플랜지면과 이루는 내각(α2)이 각각 0(도) 초과 90(도) 미만이고, 상부 웨브 및 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽에, 차량의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 구비하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  2. 제1항에 있어서, 모자형 단면에서, 상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽의 도중에 굴곡부를 더 설치하고, 상부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β1)이 0(도) 초과 α1(도) 미만이고, 하부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β2)이 0(도) 초과 α2(도) 미만인 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 비드의 폭이 H/5 내지 H/2.5(㎜), 또한 피치가 H/2.5 내지 H/1.25(㎜), 또한 깊이가 H/50 내지 H/10(㎜)인 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 비드의 피치를 L(㎜)로 하였을 때, 상하면의 비드의 배치가 상하에서 L/4 내지 L/2(㎜) 어긋나 있는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상부 웨브와 하부 웨브의 최대 폭을 W(㎜)로 하였을 때, H/3≤W≤H/1.5(㎜)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 재료의 인장 강도(㎫)와 판 두께(㎜)가, 인장 강도를 y축에 취하고 판 두께를 x축에 취하는 x-y 직교 좌표계에 있어서, 각 (x, y) 좌표의 점 ATS(0.2, 1200), BTS(0.2, 400), CTS(0.4, 400), DTS(0.4, 200), ETS(1.6, 200), FTS(1.6, 400), GTS(1.4, 400), HTS(1.4, 600), ITS(1.2, 600), JTS(1.2, 800), KTS(1.0, 800), LTS(1.0, 1000), MTS(0.6, 1000), NTS(0.6, 1200), ATS(0.2, 1200)를 차례로 직선으로 연결하는 범위 내에서 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 재료의 항복 강도(㎫)와 판 두께(㎜)가, 항복 강도를 y축에 취하고 판 두께를 x축에 취하는 x-y 직교 좌표계에 있어서, 각 (x, y) 좌표의 점 AYS(0.2, 1000), BYS(0.2, 300), CYS(0.4, 300), DYS(0.4, 150), EYS(1.6, 150), FYS(1.6, 300), GYS(1.4, 300), HYS(1.4, 400), IYS(1.2, 400), JYS(1.2, 600), KYS(1.0, 600), LYS(1.0, 800), MYS(0.6, 800), NYS(0.6, 1000), AYS(0.2, 1000)를 차례로 직선으로 연결하는 범위 내에서 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, α1 = α2인 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, β1 및 β2가 각각 α1-30<β1<α1-5(도), α2-30<β2<α2-5(도)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, β1 = β2인 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 모자형 단면에서, 상부 웨브, 하부 웨브 중 한쪽 또는 양쪽이 복수의 굴곡부를 더 갖고, 상기 상부 웨브의 굴곡 부가 플랜지면과 이루는 내각(β1,n)이, 0<β1,n<β1,n-1<α1(도)을 만족하고, 상기 하부 웨브의 굴곡부가 플랜지면과 이루는 내각(β2,n)이, 0<β2,n<β2,n-1<α2(도)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
    단, n = 2, …, N(N은 정수로 하고, 상부 플랜지 또는 하부 플랜지에 가까운 쪽으로부터 차례로 1, 2, … N번째로 함)
  12. 제11항에 있어서, β1,n = β2,n인 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  13. 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 굴곡부를, 상부 플랜지 또는 하부 플랜지로부터 차체 전후 방향으로 0.3H 내지 0.7H(㎜)를 만족하는 영역에 설치하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 자동차 범퍼용인 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 직경 70(㎜), 길이 200(㎜), 질량 8(㎏)으로 이루어지는 임팩터를 초속 40(㎞/hr)로 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 업소버에 충돌시켰을 때, 임팩터에 작용하는 최대 하중이 2(kN) 이상 12(kN) 이하이고, 또한 임팩터에 작용한 하중이 대략 일정하고, 임팩터가 정지할 때까지 필요한 업소버의 전후 방향 치수가 50(㎜) 이하인 것을 만족하는 것을 특징으로 하는, 차량용 금속제 업소버.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 차량용 금속제 업소버의 전후에, 페이셔와 리인포스를 설치한 것을 특징으로 하는, 차량용 범퍼 시스템.
  17. 자동차용 범퍼의 페이셔와 리인포스의 사이에 설치되는 금속제 업소버이며, 상하면이 차체의 후방향을 향해 끝이 확대되는 형상의 모자형 형상으로 이루어지고, 상하면에 차체의 전후 방향에 대략 평행한 오목 형상 또는 볼록 형상의 비드를 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼용 업소버.
  18. 제17항에 있어서, 상하면의 확대 각도가 차체의 전후 방향의 도중에서 변화되고, 상하면이 각각 산부를 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼용 업소버.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 업소버의 전후 방향 치수를 H(㎜)로 하였을 때, 비드의 폭이 H/5 내지 H/2.5(㎜), 또한 피치가 H/2.5 내지 H/1.25(㎜), 또한 깊이가 H/50 내지 H/10(㎜)인 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼용 업소버.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 비드의 피치를 L(㎜)로 하였을 때, 상하면의 비드의 배치가 상하에서 L/4 내지 L/2(㎜) 어긋나 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼용 업소버.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 재료의 인장 강도와 판 두께가 도 12의 실선 18의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼용 업소버.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 기재된 자동차 범퍼용 업소버의 전후에, 페이셔와 리인포스를 설치한 것을 특징으로 하는, 자동차 범퍼 시스템.
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