KR20100124586A - 충돌성능이 향상된 역 ｃ형 범퍼빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔에 관한 것으로, 개방부 측으로 휘어지고, 개방부가 전방의 범퍼 커버에 대향하는 역 C형 범퍼빔에 있어서; 상기 개방부에는 상기 역 C형 범퍼빔의 양단을 제외한 길이 전체에 걸쳐 상기 개방부와 동일폭을 갖는 보강판이 다수의 체결구로 고정된 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔을 제공한다.

본 발명에 따르면, 소재의 중량은 더 줄이면서 강성은 향상되고, 충돌시 역 C형 범퍼빔의 개방부 플랜지가 변형되면서 벌어지는 현상이 방지되어 자동차 제조사들의 충돌 테스트 규정을 만족시키면서 원가도 절감시킬 수 있어 경쟁력이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.

역 C형, 범퍼빔, GMT, 플랜지, 벌어짐, 보강판

Description

충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔{REVERSE C-TYPE BUMPER BEAM FOR VEHICLE WITH ENHANCED CRASH CAPABILITY}

본 발명은 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량에 장착되는 역 C형 범퍼빔의 충돌시 플랜지 부분이 벌어지는 현상을 방지하고, 법규 테스트와 북미 및 유럽 테스트 규정에 적합하도록 개선된 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용 범퍼빔은 차량의 저속 충돌시 탄성적으로 변형하여 차량의 물리적인 손상을 최초화하기 위한 것으로서, 다른 자동차나 고정체와의 충돌시 그 충격을 흡수하여 탑승자의 안전을 도모하며, 동시에 차체의 변형을 최소화 할 수 있도록 자동차 전,후방에 배치되는 완충수단이다.

이러한 범퍼빔은 강도를 높일 경우 중량과 비용이 급증하고, 중량 및 비용을 줄이게 되면 강도가 낮아져 그 기능을 충분히 수행할 수 없게 된다.

이에, 경량화 소재를 사용하면서 강도를 높인 GMT(Glass fiber Mat Thermoplastic) 소재가 개발된 바 있으며, 이를 이용하여 특히 충돌 강도가 적고 충돌 위치가 유리한 유럽 사양에 주로 적용되고 있는 역 C형 범퍼빔이 개시된 바 있다.

이때, GMT 소재는 범용수지인 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지와 글래스 피버 매트(Glass fiber Mat) 강화재로 이루어진 판상 형태의 복합 소재로서, 특히 T-Die를 통해 압출된 용융상태의 폴리프로필렌과 글래스 피버 넌-우번 매트(Glass fiber non-woven Mat)가 직접 함침되어 수지와의 결합력이 우수하고, 글래스(Glass) 자체의 강도가 매트(Mat)상으로 보강되어 기존의 어떤 소재보다도 우수한 강도를 보이며, 플라스틱 고유의 특성인 경량성, 디자인 자유도는 물론 열가소성 수지에서 기인하는 높은 생산성, 재활용성 등의 특징을 갖는 신소재이다.

이와 같은 GMT 소재는 경량화가 가능하고, 충돌 에너지의 흡수성이 우수하며, 디자인 자유도가 향상되고, 조립성은 물론 내부식성, 강성, 복원성, 차음성, 제진성, 탄성 내충격성 등이 우수하여 차세대 복합소재로서 주목 받고 있다.

그런데, 도 1의 예시와 같이, GMT 소재로 이루어진 범퍼빔들 중 역 C형 범퍼빔(10)의 경우 C형 범퍼빔(20)이나 혹은 H형 범퍼빔(30)과는 달리 개방부(12)가 차체가 아닌 차체 반대쪽으로 배치되어 있기 때문에 차량 충돌시 개방부(12)의 테두리를 구성하는 플랜지(14)가 벌어지면서 강성이 떨어지는 문제가 파생되었다.

따라서, GMT 소재로 된 역 C형 범퍼빔(10)의 경우에는 카 메이커(Car Maker)에서 요구하는 스펙(Spec), 특히 ECE R42 테스트 및 배리어(Barrier) 테스트를 만족시키지 못해 시장 선점 및 차량 적용상에 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 소재의 중량을 더 줄이되 이를 보강하는 보강판을 구비하여 강성 및 충돌시 개방부 플랜지의 벌어짐을 방지하여 원가는 더 줄이면서 카 메이커의 요구 조건을 모두 충족하고, 그에 따라 탑승자의 안전을 더욱 보장할 수 있도록 한 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔을 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 개방부 측으로 휘어지고, 개방부가 전방의 범퍼 커버에 대향하는 역 C형 범퍼빔에 있어서; 상기 개방부에는 상기 역 C형 범퍼빔의 양단을 제외한 길이 전체에 걸쳐 상기 개방부와 동일폭을 갖는 보강판이 다수의 체결구로 고정된 것을 특징으로 하는 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔을 제공한다.

이때, 상기 보강판은 금속판으로 이루어지고, 1~2mm의 두께를 갖는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 체결구는 직경이 5mm를 갖는 스크류인 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 스크류는 상기 보강판의 길이 내에서 18개가 동일 간격을 갖고 체결 고정된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 소재의 중량은 더 줄이면서 강성은 향상되고, 충돌시 역 C형 범퍼빔의 개방부 플랜지가 변형되면서 벌어지는 현상이 방지되어 자동차 제조사들의 충돌 테스트 규정을 만족시키면서 원가도 절감시킬 수 있어 경쟁력이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 예시적인 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 충돌성능 테스트를 위한 시편의 예시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 배리어 테스트 예를 보인 사진이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명과 비교를 위한 종래재의 배리어 테스트 예를 보인 사진이며, 도 8은 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 ECE R42 테스트 예를 보인 사진이고, 도 9는 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 ECE R42 테스트에 따른 분석예를 보인 분석자료이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔은 일반적으로 알려진 역 C형 범퍼빔(100)의 개방부(110)에 일정길이의 보강판(200)이 부착된 형태를 갖는다.

이때, 상기 보강판(200)은 단순히 덧대어져 강도를 보강하는 수준이 아니라, 정교한 정역학적 분석을 통한 설계를 거쳐야만 완성될 수 있는 매우 정교하고 난해한 결합구조를 갖는다.

즉, 보기에는 단순히 일정크기의 철판 혹은 그에 준하는 금속판을 덧댄 것 처럼 보이지만 실상은 보강판(200)을 고정하는 체결구(210)의 직경, 길이, 간격은 물론 보강판(200)의 두께, 재질 등이 수많은 충돌테스트를 거쳐 가장 이상적이고 적합한 선택과 설계를 통해 이루어진 것이다.

이는 상기 보강판(200)이 통상적인 보강판 처럼 충격이 가해지지 않는 어느 일부분의 단순 강도보강, 주로 작용하중에 대항하는 버팀목으로서 혹은 두께 보강용으로 사용되는 것이 아니라 항상 충격에 노출된 상태로 충격 발생시 어떤 거동을 보일 것인지에 대한 중요한 해석이 필요하고, 또 이는 사람의 생명과도 직결된 문제이기 때문에 더욱 더 중요하다.

특히, 역 C형 범퍼빔(100)의 경우 충돌시 개방부(110)가 벌어지기 때문에 더욱 더 집중적인 정역학적 해석이 요구된다.

본 발명에 따른 보강판(200)의 재질은 테스트 결과 금속판, 특히 스틸 플레이트(Steel Plate)일 경우 거의 비슷한 결과를 나타내었고, 두께의 경우에도 1~2mm의 범위 내에서는 정하중 테스트시 벌어짐이 발생하지 않았다.

그러나, 체결수단(체결구)과 갯수(간격)에 있어서는 상당한 차이가 있었는 바, 이하 도 3에 예시된 사진과 같은 실험예를 기준으로 본 발명에 대한 타당성을 설명하기로 한다.

이때, 도 3의 실험예는 도 4와 같은 배리어 테스트의 결과치이며, 수많은 테스트를 거친 평균치임을 밝혀둔다.

특히, 체결수단(체결구)의 직경이 5mm를 넘거나 그 이하일 경우, 이를 테면 6mm거나 4mm가 될 경우 어느 경우에서나 충돌시 개방부(110) 벌어짐이 발생되었기에 이들 직경은 아예 배제하였으며, 오직 5mm 직경에 한정하여 테스트를 실시하였다.

뿐만 아니라, 상기 보강판(200)의 길이는 상기 역 C형 범퍼빔(100)의 범퍼 체결부위인 양단을 제외한 거의 전체 길이에 걸쳐 부강되도록 하였으며, 실험에 쓰인 시편들은 모두 동일길이를 유지하였다.

그리고, 도 4에 예시된 배리어 테스트는 고속 충돌 테스트로서, 펜듈럼(Pendulum)을 각각 지상에서 16인치의 높이, 20인치의 높이에서 충돌했을 때 역 C형 범퍼빔의 변형 상태를 확인하는 형태로 진행하였다.

이에 따른 실험결과는 표 1과 같았다.

타입	체결구	리벳개수	볼트개수	스크류개수	결과(kgf)
A	GMT 단독				498
B	리벳	12			510
C	볼트		14		746
D			18		724
E			18		890
F			10		616
G	스크류			18	914

상기 표 1 및 도 3에서와 같이, GMT 소재로 이루어진 역 C형 범퍼빔(100)에 스틸 플레이트로 된 보강판(200)을 덧대어 보강하되, 체결구(210)로서 5mm 직경을 갖는 스크류로 체결시 테스트 결과, GMT 단독일 경우보다 54% 향상된 강도 보강은 물론 역 C형 범퍼빔(100)의 개방부(110)가 벌어지는 변형이 거의 없음을 확인할 수 있었다.

특히, 테스트 결과 동일 개수의 체결구라도 볼트 보다 스크류일 경우 체결 강도가 더 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

뿐만 아니라, D의 경우에는 GMT 소재의 양을 줄임으로써 중량 감소와 동시에 강도 향상 및 벌어짐 변형 방지 효과가 있는지를 확인하기 위해 보강판(200)의 일부를 절개하여 제거시킨 후 실험하였으나 절개부가 없고 체결 개수가 더 적은 C의 경우에 비해 더 낮은 결과가 나왔고, 개방부(110)의 벌어짐도 미세하게 발생하였다.

실험을 통해 최종적으로 G 타입과 같이 보강판(200)을 설치한다면 충분한 강도 향상과 중량 감소 효과 및 개방부(110) 벌어짐을 철저히 방지할 수 있을 것으로 판단되었다.

즉, 종래재의 충돌테스트 예를 보인 도 5(GMT단독), 도 6(PET), 도 7(Aramid)과 비교하여 볼 때, 종래재들은 파단되거나 혹은 극심한 변형을 일으켰지만 본 발명에 따른 발명재는 이들과 상반된 결과를 낳았음을 알 수 있어 그 효과가 지대한 것으로 확인되었다.

덧붙여, G 타입의 경우 ECE R42의 규정도 만족하는지를 확인할 필요가 있어, G 타입의 역 C형 범퍼빔(100)을 제작한 후 도 5와 같은 테스트를 수행하였다.

이때, 도 5의 테스트는 펜듈럼 중량(Car Weight), Car 중량(Car Weight + 75kg*3(유럽 5인승 기준), 속도(4km/h), 센터, 오프셋, 코너 임펙트시 기능 부품 무손상이어야 하는 조건이다.

이 경우 대비를 위해, GMT 단독형인 것과 본 발명 조건을 만족하는 G 타입을 함께 테스트하였으며, 그 결과는 도 6에 데이터로 잘 나타나 있다.

도 6의 결과에서와 같이, 본 발명 G 타입의 역 C형 범퍼빔(100)은 하기한 표 2와 같이, 규정된 스펙(Spec)을 모두 만족시키고 있음이 확인되었으며, 비교를 위해 테스스된 GMT 단독형은 규정 스펙을 모두 만족하지 못하고 있음이 확인되었다.

FEA Results	Intrusion(mm)	Stress(MPa)
SPEC.	65	260.0
GMT 단독	84mm(NG)	267(NG)
본 발명 G 타입	46.9mm(PASS)	196(PASS)

이와 같이, 본 발명에 따르면 GMT의 중량을 1.5kg 정도 줄이고도, 보강판(200)에 의해 보강작용에 의해 자동차 메이커에서 요구하는 ECE R42 스펙은 물론 배리어 테스트 스펙도 모두 만족시킬 수 있는 높은 성능의 역 C형 범퍼빔(100)을 제조할 수 있음을 확인하였다.

도 1은 GMT 소재를 이용한 종래 범퍼빔의 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 예시적인 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 충돌성능 테스트를 위한 시편의 예시도,

도 4는 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 배리어 테스트 예를 보인 사진,

도 5 내지 도 7은 본 발명과 비교를 위한 종래재의 배리어 테스트 예를 보인 사진,

도 8은 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 ECE R42 테스트 예를 보인 사진,

도 9는 본 발명에 따른 역 Ｃ형 범퍼빔의 ECE R42 테스트에 따른 분석예를 보인 분석자료.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....역 C형 범퍼빔 110....개방부

200....보강판 210....체결구

Claims (4)

1. 개방부 측으로 휘어지고, 개방부가 전방의 범퍼 커버에 대향하는 역 C형 범퍼빔에 있어서;

   상기 개방부에는 상기 역 C형 범퍼빔의 양단을 제외한 길이 전체에 걸쳐 상기 개방부와 동일폭을 갖는 보강판이 다수의 체결구로 고정된 것을 특징으로 하는 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔.
2. 제1항에 있어서;

   상기 보강판은 금속판으로 이루어지고, 1~2mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔.
3. 제1항에 있어서;

   상기 체결구는 직경이 5mm를 갖는 스크류인 것을 특징으로 하는 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔.
4. 제3항에 있어서;

   상기 스크류는 상기 보강판의 길이 내에서 18개가 동일 간격을 갖고 체결 고정된 것을 특징으로 하는 충돌성능이 향상된 역 Ｃ형 범퍼빔.

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