KR20110007140A - 리바운드 제어 재료 - Google Patents

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Abstract

본원은 리바운드 제어에 협조하기 위해 약 0.05 이상의 tanδ를 가진 에너지 흡수 재료로 된 초탄성 부재를 포함하는 충격 감쇠기 시스템에 관한 것이다.

Description

리바운드 제어 재료{REBOUND CONTROL MATERIAL}
본원은 2008년 3월 17일자로 동일한 발명의 명칭으로 가 특허출원한 일련번호 61/037,067호를 우선권으로 주장한다.
본원은 리바운드 제어에 협조하기 위해 에너지 흡수 재료로된 초탄성(hyperelastic) 부재를 포함하는 충격 감쇠기(impact attenuator) 시스템에 관한 것이다.
고속도로와 레이스트랙을 따라서 많은 형태의 에너지 흡수장치를 설치하여 차량이 고정 구조물과 충돌하는 것을 예방하고, 차량 탑승자의 피해를 줄이고, 그리고 차량에서 발생할 충격과 손상을 줄이고 있다.
지금까지, 많은 이러한 장치는 차량의 고속도로 이탈을 억제하는 단단한 구조물이었다. 종래 장치의 문제는 차량 자체의 파손 및 충격을 정면에서 맞는 것이다. 단단한 장벽(rigid barrier)이 갖는 다른 문제는 차량이 고속도로 및 다가오는 차량 쪽으로(oncoming traffic) 다시 리바운드 되는 것이다. 예를 들어, 1974년 11월 5일자로 허여된 보데커 2세의 미국특허 3,845,936호는 정렬된 장벽으로 구성된 단단한 장벽을 기재한 것이다.
고속도로와 레이스웨이를 따라서 배치된 에너지 흡수 장벽 장치를 포함하는 그외 다른 형태의 장벽이 있다. 그러한 장벽으로 많은 형태가 제안되었다. 예를 들어, 한 형태의 장벽 장치는 충돌되거나 충격 시 박살나는 한 번에 접혀질 수 있는 에너지 흡수재료(one-time collapsible energy absorbing materials)를 사용한다. 이러한 형태의 장치는 충격을 받는 과정에서 손상되거나 파괴되며, 시간을 소비하고, 비용이 드는 1회 충격(single impact) 후에 대체되어야 하며, 그리고 수리 시간 동안 도로는 보호받지 못하게 된다. 예를 들면, 1976년 9월 28일자로 허여된 워커의 미국특허 3,982,734호; 1982년 3월 30일자로 허여된 마인저의 미국특허 4,321,989호; 1982년 10월 5일자로 허여된 거츠 등의 미국특허 4,352,484호; 1989년 3월 28일자로 허여된 식킹 등의 미국특허 4,815,565호; 1998년 8월 25일자로 허여된 마차도의 미국특허 5,797,592호; 1998년 12월 22일자로 허여된 뮬러 등의 미국특허 5,851,005호; 1999년 9월 28일자로 허여된 브론스타드의 미국특허 5,957,435호; 2000년 10월 3일자로 허여된 헐쉬 등의 미국특허 6,126,144호; 2002년 6월 25일자로 허여된 뮬러 등의 미국특허 6,409,417호; 2003년 3월 25일자로 허여된 알브리톤의 미국특허 6,536,985호; 2001년 8월 16일자로 공고된 알브리톤의 US2001/0014254호; 2002년 7월 11일자로 공고된 알브리톤의 US2002/0090260호; 2003년 9월 18일자로 공고된 알브리톤의 US2003/0175076A1호; 2003년 12월 25일자로 공고된 브론스타드의 US2003/0234390호; 2004년 1월 29일자로 공고된 브론스타드의 US2004/0016916호; 1985년 7월 24일자로 공고된 듀푸이스의 EP 000149567A2호; 1982년 9월 공고된 우르버거의 DE 003106694A1호에 기재되어 있다.
1987년 6월 23일자로 허여된 거츠의 미국특허 4,674,911호는 장벽에 탄성을 주기위해 에어 챔버를 이용하였다.
1983년 10월 4일자로 허여된 마인저의 미국특허 4,407,484호는 차량 충격에 대한 탄성과 감쇠를 위해 스프링에 의지한 장벽 시스템을 기재하였다.
각종 장벽 시스템이 차량 충격을 줄이는데 유체를 사용하였다. 예를 들면, 1984년 6월 5일자로 허여된 스테판스 등의 미국특허 4,452,431호와, 1986년 4월 22일자로 허여된 스테판스 등의 미국특허 4,583,716호는 피봇식 다이어프램 내에 케이블로 억제되는 물이 채워진 장벽 카트릿지를 기재하였다. 유사하게, 1972년 6월 27일자로 허여된 영 등의 미국특허 3,672,657호와, 1972년 7월 4일자로 허여된 영 등의 미국특허 3,674,115호는 장벽 시스템 내에 배치된 액체로 채워진 컨테이너를 기재하였고; 1972년 8월 1일자로 허여된 워커 등의 미국특허 3,680,662호에서는 액체로 채워진 버퍼의 클러스터를 나타내었다.
그 밖의 다른 시스템은 재사용할 수 있는 에너지 흡수 장치를 포함하였다. 예를 들면, 1992년 5월 12일자로 허여된 라터너의 미국특허 5,112,028호; 1994년 5월 24일자로 허여된 스테판스의 미국특허 5,314,261호; 2000년 1월 4일자로 허여된 피치의 미국특허 6,010,275호; 2000년 7월 11일자로 허여된 아라키 등의 미국특허 6,085,878호; 2000년 11월 21일자로 허여된 뱅크스 등의 미국특허 6,149,134호; 2003년 3월 18일자로 허여된 윌리암스 등의 미국특허 6,553,495호; 2003년 4월 29일자로 허여된 스테판스 등의 미국특허 6,554,429호; 2003년 11월 13일자로 공고된 윌리암스 등의 US 2003/0210953A1; 1981년 10월 15일자로 공고된 미우라 등의 JP 356131848A; 1991년 7월 17일자로 공고된 구에라의 EP 000437313A1이 있다.
1980년 12월 2일자로 허여된 자르 등의 미국특허 4,237,240호는 충격 시에 고 부하(load)를 견디는 능력과 대형 에너지 흡수 능력을 가진 가요성 폴리우레탄 발포체(foam)를 기재하였다.
1988년 2월 2일자로 허여된 호스테틀러의 미국특허 4,722,946호는 에너지 흡수작용 폴리우레탄 엘라스토머 및 발포체를 기재하였다.
2002년 6월 25일자로 허여된 테일러 등의 미국특허 6,410,609호는 저압력 폴리우레탄 발포체를 기재하였다.
현재, 차량 탑승자가 받는 상해를 최소로 하거나 방지하는 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 충격 시 완전하게 회복할 수 있는 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 경제적이고, 신뢰할 수 있게 작동하고, 그리고 설치 및 유지가 용이한 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 예를 들어 일반 고속도로, 레이스트랙, 및 부두(pier) 보호작용을 가진 해상 용도를 포함한 다양한 환경에서 유용한 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 고속으로 주행하는 트럭 및 승용차로부터 충격 에너지를 흡수하는 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 충격을 받았을 때 해체되지 않아서 충격 부위 둘레로 파편이 산개되지 않는 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 리바운드의 비율을 제어하는 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 리바운드의 비율을 제어하는 자기(self)-회복하는 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
또한, 에너지 흡수 재료가 리바운드의 비율을 제어하기 위해 사용되는 자기-회복 충격 감쇠기 장벽 시스템이 필요하다.
본원의 차량 안전용 충격 감쇠기 장벽 시스템은 다음과 같은 다수의 특징들이 상호 관련하여 작용하여 유익한 결과를 만들어 내는 것이다. 즉, 충격 감쇠기 장벽 시스템에 주조(cast) 열경화 폴리우레탄 엘라스토머 조성물의 사용, 특정하여 규정된 혼합 및 처리 단계를 사용하여 그런 엘라스토머 조성물을 형성하는 방법, 엘라스토머제 장벽 부재의 형상(들), 충격 감쇠기 장벽 시스템에 장벽 부재를 조립 및 배치하는 것이 있다.
다른 실시예에서, 충격 감쇠기 시스템은 사이드 빔 조립체와 상기 사이드 빔 조립체에 고정된 노즈(nose) 조립체를 갖는다. 상기 사이드 빔 조립체는 사이드 패널 부재가 둥지형태의 선형 배열(nested linear arrangement)이 되도록 인접한 사이드 패널이 겹쳐지는 복수개의 사이드 패널을 포함한다. 적어도 1개의 다이어프램 패널이 대향하는 사이드 패널들 사이에 위치하고 그리고 적어도 1개의 고정 메카니즘에 의해 대향하는 사이드 패널들에 고정된다. 대향하는 사이드 패널과 다이어프램 패널은 적어도 1개의 베이(bay)를 한정한다. 적어도 1개의 초탄성 부재가 적어도 1개의 베이에 배치되고, 상기 초탄성 부재는 상이한 강직성(stiffness)을 갖는다. 적어도 1개의 정착 시스템(anchoring system)은 상기 사이드 패널과 다이어프램 패널을 함께 고정하는 적어도 1개의 케이블을 포함한다.
다른 실시예에서, 충격 감쇠기 시스템은 -15℃ 내지 45℃ 사이의 온도에 대해 0.05 이상의 tanδ를 갖는 에너지 흡수 재료를 포함하는 초탄성 부재를 갖는다.
다른 실시예에서, 초탄성 재료는 다음을 포함한 혼합물로부터 형성된다. 다음은: 프리폴리머(prepolymer)가 약 10% 내지 약 15%의 유리(free) 이소시아네이트 용량을 가진, MDI-폴리에테르 프리폴리머; 폴리올이 약 20 내지 약 80의 OH#를 가진, 적어도 1개의 긴 사슬 폴리에테르 또는 폴리에스테르 폴리올; 디올(diol)이 총 하이드록실-함유성분의 약 30% 내지 약 45% 인, 적어도 1개의 짧은 사슬 디올; 적어도 1개의 촉매이며 상기 성분들의 비율은 약 2% 내지 약 10% 과잉의 이소시아네이트 그룹이 제공된다.
초탄성 재료는 광범위한 다른 형식의 제품에 대해서도 적절할 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그런 제품의 예로는 한정하지 않는 기재로서 헬맷과 패드, 차량 시트, 헬리콥터의 페데스탈 시트, 하역 부두용 범퍼, 등을 포함하는 작업 및 운동을 위한 보호용 용구를 포함한다.
본원의 여러 목적 및 이점에 대한 설명을 당업자가 용이하게 이해할 수 있게 첨부 도면을 참고로 이하에 기술한다. 상기 첨부 도면은 본원의 발명을 설명하기 위한 실시예를 상세하게 나타낸 것이다. 미국특허 7,300,223호가 이 명세서의 일 부분으로 기재되고 구성하고 있다.
도1은 충격 감쇠기 시스템의 실시예를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도2는 도1에 도시한 실시예를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도3은 본원을 개략적으로 나타낸 단부 입면도이다.
도4는 본원을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도5는 도1에 도시한 실시예를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도6은 압축된 상태의 도1에 도시한 충격 감쇠기 시스템의 실시예를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도7은 충격 감쇠기 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도8은 충격 감쇠기 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도9는 충격 감쇠기 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단부 입면도이다.
도10은 예1에서 만들어진 재료에 대한 온도 대 저장 계수(E'), 손실 계수(E"), 및 댐핑(tan δ)을 그래프로 나타낸 도면이다.
도11은 다양한 변형률로 예1에서 만들어진 재료의 공학 인장 응력-변형을 그래프로 나타낸 도면이다.
도12는 다양한 변형률로 예1에서 만들어진 재료의 공학 압축 응력-변형을 그래프로 나타낸 도면이다.
도13은 20in/s 부하 비율(load rate)로 5-인치 직경 실린더 시험과 한정된 요소의 모의시험을 그래프로 나타낸 도면이다.
도14는 20.8mph(33.5km/hr)로 시제품에의 반-단단한(semi-rigid) 차량의 충격에 대한 시간 대 힘의 그래프를 나타낸 도면이다.
도15는 20.8mph(33.5km/hr)로 시제품에의 반-단단한 차량의 충격에 대한 시간 대 속도의 그래프를 나타낸 도면이다.
도16은 시험 물품의 충격 직전(a)과 최대 동적 변위(dynamic displacement)(b)를 찍은 사진이다.
도17은 부하(load)가 시험 물품으로부터 제거된 후에 시험 물품을 찍은 사진이다.
점탄성 폴리머 재료를 특징지우는 한 방법은 그 복합 계수(complex modulus) E*=E'-iE" 를 측정하는 것이고, 여기서 E'와 E"는 각기 저장 계수와 손실 계수를 지칭한다. 복합 계수의 크기는, │E*│는 [(E')2 + (E")2]1/ 2 로 정의되고, 또한 최대 응력 대 최대 변형(σ0/ε0)으로도 나타낸다. 저장 계수와 손실 계수의 측정은 에너지 손실 능력에 대한 에너지 복원 능력의 재료의 비교를 가능하게 한다. 상기 저장 계수(E')와 손실 계수(E")는 DMA(Dynamic Mechanical Analysis)로 측정할 수 있다.
저장 계수(E')는 주기적인 변형 중의 에너지 저장 및 방출과 관련된다. 손실 계수(E")는 에너지의 소산과 열로의 변환에 관련된다. 이들 효과의 비율(E"/E')은 tanδ 이고, 여기서 δ는 작용된 힘과 그 힘에 반응하는 재료와의 사이의 위상지연(phase lag)이다. 매개변수 tanδ는 점탄성 재료의 댐핑 용량을 측정하는데 널리 사용된다.
응력이 엘라스토머로부터 제거되고 그리고 그들이 원래의 형상으로 복원됨에 따라, 상기 운동은 리바운드를 감쇠하는 에너지 손실을 초래하는 발열성(exothermic)이다. 큰 tanδ를 가진 재료는 큰 손실 계수를 가지어서, 결과적으로 리바운드의 비율을 감소된다.
장치(DEVICE)
충격 감쇠기 장벽 시스템은 레이스트랙과 고속도로와 같은 차량 적용에 또는 부두와 같은 곳을 보호하는데 사용한다. 시스템에는 독특하고, 완전히 회복될 수 있는 초탄성 에너지 흡수요소가 합체된다.
충격 감쇠기 장벽 시스템은 적어도 1개의 초탄성 부재를 포함하는 도로 장벽이고, 상기 초탄성 부재는 비율이 독립적인(rate-independent) 초탄성 방식으로 작동하는 에너지 흡수 재료를 포함하고, 그 영구 세트(permanent set)를 최소로 하여서 에너지 흡수 재료가 완전한 복원이 가능하게 남아 있으면서 광범위한 충격 속도에 걸쳐 일관된 힘-변위 특성을 유지하게 한다.
도1 내지 도6은 충격 감쇠기 시스템(10)의 실시예를 나타낸 도면이다. 충격 감쇠기 시스템(10)은 제1사이드 빔 조립체(12)(표시되지 않음)와 대향하는 또는 제2사이드 빔 조립체(14)(표시되지 않음)를 포함한다. 상기 제1 및 제2사이드 빔 조립체(12, 14)는 서로 대향하는 관계로 있다. 도시된 실시예에서, 제1 및 제2빔 조립체(12, 14)는 서로 대향하고 평행한 관계로 있다.
한 실시예에서, 상기 빔 조립체는 평행하고 그리고 전방에서 후방으로의 각 베이 내의 에너지 흡수작용 유닛은 전방에서 후방으로 점증적 (증가) 강직성을 갖는다. 전방에서 후방으로 증가하는 이러한 전체 강직성의 기울기는 다수의 수단으로, 통상적으로, 한정적이지 않은 기재로서, 에너지 흡수작용 요소의 벽 두께, 기하 형상, 또는 재료 성질을 변경하여 이룰 수 있다. 예를 들면, 어떤 고속도로 용도에서는 접촉부 기하형상을 수용하고 그리고/또는 시스템으로부터의 단계별 반발력을 제공하기 위한 구조를 갖는다. 즉, 충격의 초기 단계에서는 보다 연성의 반응을 나타내고 그리고 차량이 시스템 안으로 더욱 진행할 때에는 보다 큰 강직성의 반응을 나타내도록 된 구조를 갖는다. 한 실시예에서, 상기 에너지 흡수작용 유닛은 후방에서 전방으로 증가하는 강직도의 기울기를 갖는다. 다른 실시예에서, 상기 에너지 흡수작용 유닛은 강직도를 변경하였지만, 임의적인 순서로 정렬하였다.
다른 실시예에서는 상기 빔 조립체가 평행할 필요가 없다. 예를 들면, 어떤 고속도로 용도에서 바람직하게 빔 조립체가 접촉부 기하형상을 수용하고 그리고/또는 시스템으로부터의 단계별 반발력을 제공하도록 테이퍼진 형상을 갖는다(예를 들면, 후방 베이를 에너지 소산 재료의 보다 좁은 배열에 합체하는 반면에 전방 베이는 에너지 소산 재료의 보다 좁은 배열에 합체하여 충격의 초기 단계에서는 보다 연성의 반응을 나타내고 그리고 차량이 시스템 안으로 더욱 진행함에 따라 보다 큰 강직도의 반응을 나타낸다). 상기 제1빔 조립체(12)는 제1 또는 리딩(leading) 단부(15)와 제2단부(16)를 갖는다. 유사하게, 상기 제2빔 조립체(14)는 제1 또는 리딩 단부(17)와 제2단부(18)를 갖는다.
또한, 충격 감쇠기 시스템(10)은 제1빔 조립체(12)의 제1단부(15)에 그리고 제2빔 조립체(14)의 제1단부(17)에 적절한 방식으로 고정된 노즈 조립체(19)도 포함한다.
각 사이드 빔 조립체(12, 14)는 본원에서 20a, 20b, 20c, 20d, 20e로 나타낸 복수개의 사이드 패널을 부가로 포함한다. 설명을 용이하게 하기 위해서, 각 사이드 빔 조립체(12, 14)는 사이드 빔 조립체(12)를 포함하는 사이드 패널이 20a-20e로 표시되고 그리고 사이드 빔 조립체(14)를 포함하는 사이드 패널이 20a'-20e'로 표시된 유사한 사이드 패널 부재를 갖는 것으로 이해하여야 한다. 즉 설명을 용이하게 하기 위해 오직 1개 사이드 만을 상세하게 설명할 것이다. 제1사이드 패널(20a)은 제1단부(22a)(표시되지 않음)와 제2단부(24a)를 갖고; 유사하게 각각의 그 뒤의 패널(20b), 등은 제1단부(22b), 등과 제2단부(24b) 등을 갖는다. 제2단부(24a)는 인접 패널(20b)의 제1단부(22b)와 겹쳐진다. 유사하게, 각 인접한 패널은 겹쳐지는 제1 및 제2단부를 갖는다. 상기 사이드 패널 부재(20a-20d)는 둥지형상의 선형 배열로 되어있다. 사이드 패널 부재(20a'-20d')도 또한 둥지형태의 선형 배열로 되어있다. 각 사이드 패널(20)은 도3 및 도5에 도시된 바와 같이 파도 또는 주름 형태와 같은 3차원 형상으로 이루어진다. 사이드 패널(20)은 후술하는 바와 같은 다른 적절한 치수를 갖는다.
각 사이드 패널(20)은 일반적으로 적어도 1개의 긴 길이방향으로 신장된 구멍(26)을 한정한다. 도2에 도시된 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 사이드 패널(20)은 상호 평행한 상부 길이방향 신장 구멍 또는 슬롯(26a)과 하부 길이방향 신장 구멍 또는 슬롯(26b)을 갖는다. 상기 사이드 패널(20a) 상의 슬롯(26a)은 적어도 부분적으로 인접한 사이드 패널(20b) 상의 인접한 슬롯(26a)과 겹치고; 유사하게 각 인접한 사이드 패널은 겹쳐지는 슬롯(26)을 갖는다.
충격 감쇠기 시스템(10)은 본원에서 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f로 나타낸 복수개의 다이어프램 패널을 부가로 포함한다. 설명을 용이하게 하기 위해서, 각 다이어프램 패널은 동일한 특징을 가질 수 있고, 그리고 오직 1개의 다이어프램 패널 만이 설명을 용이하게 하기 위해서 상세하게 설명되는 것으로 이해하여야 한다. 도3에 도시된 바와 같이, 각 다이어프램 패널(30)은 제1 및 제2직립 부재(32, 34)와 상기 제1 및 제2직립 부재(32, 34) 사이로 신장된 일반적으로 36a, 36b, 36c, 36d로 나타낸 적어도 1개의 횡단 부재를 포함한다. 제1 및 제2직립 부재(32, 34)는 복수개의 간격을 둔 구멍(38)을 포함한다. 각 구멍(38)은 고정 메카니즘(40)을 수용할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 다이어프램 패널(30)은 X 형상(도시하지 않음) 또는 다른 적절한 형상으로 형성되는 것과 같이 횡단 부재(36)에 적합한 다른 형상을 가질 수 있다.
제1다이어프램 패널(30a)은 대향하는 사이드 패널(20a, 20a') 사이에 대략 직각으로 배치된다. 상기 제1다이어프램 패널(30a)은 고정 메카니즘(40)에 의해 대향하는 사이드 패널(20a, 20a')에 고정된다. 상기 고정 메카니즘(40)은 슬롯(26)의 폭보다 더 넓은 헤드를 가질 수 있는 적어도 1개의 스크루 타입 부재(42)를 포함할 수 있으며; 선택적으로 상기 고정 메카니즘(40)은 와셔 타입 부재가 슬롯(26)의 폭보다 더 큰 길이와 폭의 치수를 갖도록 스크루 타입 부재(42)에 축방향으로 설치하는 적어도 1개의 와셔 타입 부재(44)를 포함할 수 있다. 상기 스크루-타입 부재(42)는 슬롯(26)과 다이어프램 패널(30)의 직립 부재(32 또는 34)에 인접한 구멍(38)을 통해 사이드 패널(20)의 외부 면으로부터 신장하고, 그리고 6각 너트와 같은 적절한 잠금 부재(46)로 제 위치에 유지된다. 상세하게 후술하는 바와 같이 상기 고정 메카니즘(40)은 슬롯(26)을 따라 길이방향으로 이동될 수 있는 것으로 이해된다.
적어도 부분적으로 조립되면, 충격 감쇠기 시스템(10)은 복수개의 대향하는 사이드 패널(20a-20e; 20a'-20e')과 복수개의 다이어프램 패널(30a-30f)을 포함한다. 조립되면, 대향하는 제1사이드 패널(20a, 20a')은 제1다이어프램 패널(30a)에 고정된다. 즉, 직립 부재(32 또는 34)의 인접한 구멍(38)을 통해 그리고 사이드 패널(20)의 슬롯(26)을 통해 신장된 고정 메카니즘을 가져서, 다이어프램 패널(30)의 제1직립 부재(32)가 제1사이드 패널(20a)에 고정되고 그리고 다이어프램 패널(30a)의 제2직립 부재(34)가 대향하는 제1사이드 패널(20a')에 고정된다. 유사하게, 나머지 사이드 패널은 나머지 다이어프램 패널에 고정된다.
따라서, 충격 감쇠기 시스템(10)은 복수개의 베이(50a-50f)를 한정한다. 각각의 베이(50)는 대향하는 사이드 패널(20)과 다이어프램 패널(30)로 한정된다. 도1에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 상기 베이(50a)는 대향하는 사이드 패널(20a, 20a')과 다이어프램 패널(30a) 및 노즈 조립체(19)에 의해 한정된다. 유사하게, 나머지 베이(50b-50f)는 상응하는 사이드 패널과 다이어프램 패널에 의해 한정된다. 상기 충격 감쇠기 시스템(10)은 수개 이상의 사이드 패널과 다이어프램 패널을 포함할 수 있고, 그리고 그런 사이드 패널과 다이어프램 패널의 수와 치수는 적어도 부분적으로 보호를 받게 되는 물체와 최종 용도에 따르는 것으로 이해된다.
충격 감쇠기 시스템(10)은 복수개 또는 어레이의 초탄성 부재(60)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 각 초탄성 부재(60)는 대략 관형의 측벽(62)을 갖는다. 상기 초탄성 부재(60)는 최종 용도 요건과 가장 잘 맞는 치수를 가질 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 한 실시예에서, 본원의 도면에 도시한 바와 같이, 상기 초탄성 부재(60)는 결합된 관형 형상을 갖고, 그 벽 두께는 추가로 후술하는 바와 같이 전방 초탄성 부재에서의 가장 얇은 두께로부터 후방 초탄성 부재(60) 쪽으로 더 두터워지는 초탄성 부재 벽 두께로 변하여, 충격 에너지를 가장 효과적으로 흡수한다.
부가로, 충격 감쇠기 시스템(10)은 제1 및 제2정착 시스템(70a, 70b)을 포함한다. 설명을 명료하게 하기 위해서, 각 정착 시스템(70a, 70b)은 동일한 특징을 갖고, 그리고 한 개만의 정착 시스템(70)을 설명을 간략하게 하기 위해 상세하게 설명하는 것으로 이해된다. 도시된 실시예에서, 상기 정착 시스템(70)은 루프 또는 다른 장치와 같은 제1 또는 전방 정착 메카니즘(76)에 각각 그들의 제1단부(71, 73)가 고정된 상부와 하부 케이블(72, 74)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 상부와 하부 케이블(72, 74)은 제2 또는 후방 정착 메카니즘(80)에 각각 그들의 제2단부(75, 77)가 고정된다. 다른 실시예에서, 상기 정착 시스템(70)은 수 개 이상의 케이블을 포함할 수 있다. 전방 정착 메카니즘(76)은 충격 감쇠기 시스템(10)의 전방에서 지면수준으로 또는 그 밑으로 적절한 방식으로 지면(도시하지 않음)에 앵커로 고정된다. 도4의 실시예에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 하부 케이블(74)은 각 다이어프램 패널(30)의 직립 부재(32)의 각각에서 하부 케이블 안내 구멍(82)을 통해 신장된다. 도시된 실시예에서, 하부 케이블(74)은 지면 위로 대략 3인치 후방방향으로 신장하여, 충격 감쇠기 시스템(10)의 후방에서의 케이블 높이로 정착 시스템(80)에 부착된다.
상부 케이블(72)은 각 다이어프램 패널(30)의 각 직립 부재(32)에 상부 케이블 안내 구멍(84)을 통해 신장된다. 도시된 실시예에서, 제1다이어프램 패널(30a)은 하부 케이블 안내 구멍(82a)으로부터 간격을 둔 제1거리에서 상부 케이블 안내 구멍(84a)을 갖고; 제2다이어프램 패널(30b)은 하부 케이블 안내 구멍(82b)으로부터 간격을 둔 제2거리에서 상부 케이블 안내 구멍(84b)을 갖는다. 상기 제1거리는 상기 제2거리보다 짧아서, 상부 케이블(72)이 전방 정착 메카니즘(76)으로부터 상향하여 먼저 안내되고 그리고 제1다이어프램 패널(30a)로부터 제2다이어프램 패널(30b)로 상향 안내된다. 그 후, 상기 상부 케이블(72)은 하부 케이블(74)에 대해 대체로 평행한 후방 방향으로 다이어프램 패널(30c-30f)을 통해 제2다이어프램 패널(30b)로부터 신장된다. 상부 케이블(72)과 하부 케이블(74)은 모두 제2정착 메카니즘(80)에 정착된다. 도시한 실시예에서, 다이어프램 패널(30c-30f)을 통해 신장된 상부 케이블(72)의 부분은 지면 위로 약 15인치에 있다.
부가로, 충격 감쇠기 시스템(10)은 적어도 1개의 중간-길이 정착 시스템(90)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 상기 정착 시스템(90)은 그 제1단부(78a)에서 고정되고, 그리고 지면 밑에 있는 대형 직경(12"-14" 직경) 둘레를 감싸고(wrap), 그리고 제2단부(78b)가 고정된 반대-사이드 위치로 귀환하는 적어도 1개의 중간 케이블(78)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 중간 케이블은 그 제2단부(78b)에서 제2 또는 후방 정착 메카니즘에 고정된다. 다른 실시예에서, 중간 정착 시스템(90)은 수 개 이상의 케이블을 포함한다. 중간 정착 메커니즘(90)은 다이어프램 사이에서 지면에 또는 지면 밑으로 적절한 방식으로 지면(도시하지 않음)에 앵커로 고정된다. 도4의 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 중간 케이블(78)은 각 다이어프램 패널(30)의 복수개의 직립 부재(32)에서 중간 케이블 안내 구멍(82)을 통해 신장된다. 도시된 실시예에서, 중간 케이블(78)은 지면 위로 대략 6인치 후방으로 신장하여, 충격 감쇠기 시스템(10)의 후방으로 케이블 높이로 정착 시스템(도시하지 않음)에 부착된다.
도5 및 도6에 개략적으로 나타낸 바와 같이 차량이 노즈 조립체(19)와 처음 충돌하는 정면 충격에서, 상기 충격 감쇠기 시스템(10)은 인접한 사이드 패널로 신축자재하는 둥지형태의 사이드 패널(20a-20a' 내지 20f-20f') 세트를 가짐으로써 변형한다. 즉, 적어도 1개 세트의 인접한 사이드 패널(20b-20b' 내지 20f-20f')을 통하는 사이드 패널(20a-20a')이 충돌 차량에 의해 이동되어, 충격 감쇠기 시스템(10)이 길이방향으로 편향 가능하게 한다. 각 세트의 사이드 패널(20a-20a' 내지 20f-20f')이 대응하는 슬롯(26)에 배치된 복수개의 개별 고정 메카니즘(40)으로 대응하는 다이어프램 패널(30a-30f)에 연결되므로, 제1세트의 사이드 패널(20a-20a')은 제2세트의 사이드 패널(20b-20b')의 슬롯(26)을 따라 활주하고, 그리고 이런 식으로 계속된다. 상기 세트의 사이드 패널의 거리는 후방으로 변위되고 그리고 후방 변위되는 사이드 패널 세트의 수는 충격 감쇠기 시스템(10)의 충격에 따른다.
충격 감쇠기 시스템(10)의 이런 신축자재한 동작의 특징은 그 끝에서 시스템(10)과 충돌하는 차량을 안전하게 정지 위치까지 오게 하고 그리고 그 후에 원래의 위치로 시스템(10)이 돌아가게 하는 것이다. 베이(50)의 수, 베이에 대한 초탄성 부재(60)의 수, 및 초탄성 부재(60)의 기하형상은 예상 범위의 충격 에너지에 따라서 시스템(10)의 특정 용도에 부합하게 용이하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 도1에 도시한 초탄성 부재(60)의 형상과 베이(50)의 수는 차량 정면 충돌 시 50mph의 속도로 충돌하는 3400-lb 차량을 안전하게 정지시킬 것이다. 이런 경우 최대 10ms 의 평균 추적 가속도는 50mph 로 강직한 벽으로의 차량의 정면 충격과 비교할 때 충격력의 70-75% 를 감소시키는 대략 25-30g 이다.
충격 감쇠기 시스템(10)은 시스템(10)의 사이드와 충돌하는 차량의 방향을 바꾸는 능력을 갖는다. 그런 사이드 충격을 수용하도록, 정면 충돌 시 시스템의 성능에 손해를 주지 않으면서, 사이드 패널(20)은 바람직하게 사이드 충격을 받는 동안에 시스템의 각 베이(50) 사이의 충격력을 분배하는 짧은 구간의 겹침 스틸 또는 HDPE 패널로 구성된다. 시스템(10)의 사이드가 충격을 받을 때, 충격력은 사이드 패널(20)로부터 다이어프램(30)을 통해 케이블(72, 74)로 전해지며, 상기 케이블은 인장으로 작용하여 충격 부하를 앵커로 전함으로써, 시스템이 위험한 상태로부터 벗어나게 안전하게 차량의 방향을 바꿀 수 있다. 패널을 제조하는 재료는 한정적이지 않은 기재로서, 고밀도 폴리에틸렌, 스틸, 알루미늄, 플라스틱, 파이버 보강된 플라스틱 및 각종 조성물 재료를 포함한다. 어떤 실시예에서, 바람직하게 상기 재료는 회복성 또는 반-회복성이 있고 차량에 의해 충격을 받았을 때 파편을 전혀 발생하지 않거나 매우 조금 발생하는 것이고, 그리고 교체되기 전에는 복수의 차량 충격을 견딜 수 있는 것이다. 도시된 실시예에서, 사이드 패널은 주름진 시트 스틸(예를 들어, 10-게이지 트라이-빔)로 제조된다.
한 실시예에서, 후방 정착 메카니즘(190)은 도7-9에 도시한 I-빔과 같은 1쌍의 간격을 두고 평행한 지지 부재(192a, 192b)를 포함한다. 마지막 긴 다이어프램 패널(130e)은 마운팅 브래킷과 같은 적어도 1개 또는 그 이상의 적절한 연결 수단(194)으로 지지 부재(192a, 192b)에 연결된다. 상부 케이블(172)의 제2단부(175)는 지지 부재(192)에 고정된다. 하부 케이블(174)의 제2단부(175)도 지지 부재(192)에 고정된다. 후방 정착 메카니즘(190)은 부가로 제1 I빔 지지부재(192a)에 장착된 제1엘보우 케이블 가드(196a)와 제2 I빔 지지부재(192b)에 장착된 제2엘보우 케이블 가드(196b)를 포함한다. 사이드 빔 패널(120)은 차량으로부터 받는 직접적인 충격으로부터 시스템의 내부 부품들을 보호하기에 충분한 높이를 가진 구성 부재이고 그리고 패널 면 상의 임의 지점에서 충격을 받았을 때 다이어프램(130)으로 부하를 전달하기에 적절한 강도를 제공하는 것이다. 상기 패널을 제조하는 재료는 한정적이지 않은 기재로서 고밀도 폴리에틸렌, 스틸, 알루미늄, 플라스틱, 파이버 보강 플라스틱 및 각종 조성물 재료를 포함한다. 어떤 실시예에서, 바람직하게 상기 재료는 회복성 또는 반-회복성이 있고 차량에 의해 충격을 받았을 때 파편을 전혀 발생하지 않거나 아주 조금 발생하는 것이고, 그리고 교체되기 전에는 복수의 차량 충격을 견딜 수 있는 것이다. 도시된 실시예에서, 사이드 패널은 주름진 시트 스틸(즉, 10-게이지 트라이-빔)로 제조된다.
다른 실시예에서는 상기 정착 시스템(170)이 수 개 또는 그 이상의 케이블을 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 전방 정착 메카니즘(176)은 충격 감쇠기 시스템(10)의 전방에 지면 수준으로 또는 그 밑으로 적절한 방식으로 지면에(도시하지 않음) 정착되어 고정된다. 도8에 도시한 실시예에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 하부 케이블(174)은 각 다이어프램 패널(130)의 각 직립 부재(132)의 하부 케이블 안내 구멍(178)을 통해 신장된다. 도시된 실시예에서, 하부 케이블(174)은 지면 위로 대략 3인치에서 후방으로 신장되고 그리고 충격 감쇠기 시스템(110)의 후방으로 케이블 높이에서 정착 시스템(도시하지 않음)에 부착된다.
상부 케이블(172)은 각 다이어프램 패널(130)의 각 직립 부재(132)의 상부 케이블 안내 구멍(184)을 통해 신장된다. 도시된 실시예에서, 제1다이어프램 패널(130a)은 하부 케이블 안내 구멍(182a)으로부터 제1거리로 간격을 둔 곳에서 상부 케이블 안내 구멍(184a)을 갖고; 제2다이어프램 패널(130b)은 하부 케이블 안내 구멍(182b)으로부터 제2거리로 간격을 둔 곳에서 상부 케이블 안내 구멍(184b)을 갖는다. 상기 제1거리는 제2거리보다 작아서 하부 케이블(174)이 먼저 전방 정착 메카니즘(176)으로부터 상향 안내되고 그리고 제1다이어프램 패널(130a)로부터 제2다이어프램 패널(130b)로 상방향으로 안내된다. 그 후, 상부 케이블(172)은 하부 케이블(174)에 대해 대체로 평행한 후방으로 다이어프램 패널(130c-130e)을 통해 제2다이어프램 패널(130b)로부터 신장된다. 상부 케이블(172)과 하부 케이블(174)은 제2정착 메카니즘(190)에 정착된다. 도시된 실시예에서, 다이어프램 패널(130c-130e)을 통해 신장된 상부 케이블(172) 부분은 지면 위로 약 15인치 이다.
어떤 실시예에서, 사이드 빔 조립체는 예를 들어 스틸과 같은 금속과, 고밀도 폴리에틸렌과 같은 플라스틱을 포함한 조성물 재료로 바람직하게 제조된 강직한 U-형상의 구조를 형성한다. 상기 조성물 재료는 회복성 또는 반-회복성이 있고, 차량에 의해 충격을 받았을 때 파편을 전혀 발생하지 않거나 아주 조금 발생하는 것이고, 그리고 교체되기 전에는 복수의 차량 충격을 견딜 수 있는 것이다. 초탄성 부재는 주 에너지 소산 메카니즘이 있는 충격 방향으로 파괴된다. 현재 실시예에 도시된 초탄성 부재의 기하형상으로 인해서, 초탄성 부재도 이들이 파괴되었을 때는 외부 방향으로 흩어진다.
여기에 사용된 초탄성 재료는 독립-비율 초탄성 방식으로 작용하는 새로운 에너지 흡수 재료이다. 상기 초탄성 재료는 그 영구 세트가 에너지 흡수재료가 광범위한 충격속도 범위에 걸쳐 일관된 힘-변위 특징을 유지하면서 완전한 회복성이 남아있도록 최소로 되는 방식으로 작용한다.
초탄성 재료( HYPERELASTIC MATERIALS)
초탄성 재료는 적어도 약 900-1000s-1에 이르는 고 변형률의 동적 부하를 받는 초탄성 방식으로 작용한다. 초탄성 재료는 독특하게 직접 충격이 가능하고 그리고 제조된 재료로부터 순간적인 성분 회복도 가능한 것이다. 초탄성 재료는 에너지 흡수작용 용도에서 비-선형 탄성 반응을 갖는다.
초탄성 재료는 각종 충격 감쇠 환경 및 물품에 사용하기에 적합한 것이다. 따라서, 광범위하게 다양한 다른 타입의 제품을 제조하는데 상술한 초탄성 재료를 사용하는 것이 고려되었다. 그런 제품의 예로는 한정적이지 않은 기재로, 헬맷과 패드, 자동차 시트, 헬리콥터의 페데스탈 시트, 하역 독크용 범퍼, 및 기타 등,등을 포함한, 작업과 운동을 위한 보호 용구를 포함한다.
엘라스토머는 폴리머 재료의 특정 클래스에 속하며, 이들의 특징은 부하 하에서 적어도 2회 그들의 원래 길이로 변형하고, 다음 상기 부하를 제거하면 그 원래의 형상에 가깝게 되돌아오는 성질이 있다. 엘라스토머는 낮은 변형과 낮은 변형율 하에서 선형 탄성 고형물로서 작용하는 등방성의 비압축성에 가까운 재료이다. 상기 재료가 준-정적 부하 하에서 대형 변형을 받으면서, 그들은 비-선형 방식으로 작용한다. 이러한 독특한 기계적 작용을 초탄성이라고 한다. 초탄성 재료는 작은 점성 감쇠, 열 소산(마찰 힘으로부터 발생) 또는 영구 변형(즉, 영구 세트)을 갖는 탄성 변형을 통한 충격으로부터 전달된 운동 에너지를 흡수하여 일을 하는 성질을 갖는다. 이런 기계적 에너지는 극소의 변형을 갖는 충격 전의 원래의 형상으로 요소가 거의 100% 회복 가능하게 복귀할 수 있다.
엘라스토머의 작용은 점탄성으로 불리는 동적 부하 하에서 변형률과 변형 히스토리에 따른다. 엘라스토머의 점탄성 성질은 이력현상(hysteresis), 이완(relaxation), 크리프(creep) 및 영구 세트를 초래하는 문제를 일으킨다. 영구 세트는 엘라스토머가 영구 변형을 받을 때 재료가 제로 응력에서 제로 변형으로 돌아오지 않는 것이다. 그런데, 이러한 변형은 동일한 고정된 변형으로 반복된 변형동작을 할 때 안정적이게 한다. 또한, 엘라스토머의 특징은 뮬린스 효과이다 - 물리적 교차결합의 파손으로 인해 제2 및 연속적인 이력현상 루프가 제1의 것보다 덜한 면적을 나타내는 현상이 영구적 또는 역전(permanent or reversible)가능한 것. 또한, 엘라스토머의 결정작용(crystallization)은 이력현상을 유도하여 수행하고, 그것은 고 변형에 점탄성 효과와 변형률 민감성(sensitivity)이 우세하다. 엘라스토머의 기계적 작용의 복잡함에 부가하여 특징지우고 시험하기가 곤란한 동적 부하 하의 고 변형에서의 점성-초탄성 반응을 더한다. 흔히 다수 모드의 단순한 변형으로부터의 응력-변형 데이터(즉, 인장, 압축 및 전단)가 그들의 성과를 예측하는 재료 모델에 입력하는데 필요하게 된다.
한 실시예에서, 초탄성 재료는 전체 회복 능력을 유지하면서 상당한 양의 기계적 에너지를 흡수한다. 통상적으로, 고무의 점성 성분이 동적 부하 하에서 우세하며; 변형률 종속성은 점성-초탄성 모델에 의해 설명되고, 여기서 정적 반응은 변형률과 변형 히스토리 종속 점탄성을 고려하는 맥스웰 모델과 병행하여 초탄성 모델(탄성 변형 에너지 퍼텐셜에 기초)에 의해 나타난다.
재료 제조 방법(METHOD OF MAKING MATERIALS)
폴리우레탄 엘라스토머는 초탄성 작용을 갖는 것으로 알려진 재료의 클래스를 대표한다. 그러한 재료는 설계 관점에서 볼 때 매우 다용도다. 적절한 생 재료, 형식화(formulation) 및/또는 프로세스 선택을 통해서, 폴리우레탄 엘라스토머가 충격 감쇠기 시스템이 리바운드를 제어할 수 있는 감쇠 특성을 포함하는 광범위한 성질을 달성하도록 맞추어 질 수 있다.
특히, 적절한 성분을 선택하고 엘라스토머의 상분리의 정도(the degree of phase segregation)를 제어하여, 필요한 감쇠 성능을 이루게 할 수 있다.
폴리우레탄 주조 엘라스토머 시스템에는 이소시아네이트 성분, 통상적으로는 MDI(methylene diphenyl diisocyanate), 긴 사슬 폴리올 또는 폴리올의 혼합물, 및 짧은 사슬 글리콜이 포함된다. 그런 시스템은 일반적으로 경화 및 후기(post)-경화 사이클 동안에 부가의 반응을 하는데 이용할 수 있는 약간 과잉한 이소시아네이트 그룹과 혼합된다. 이러한 반응은 약간 교차 결합한 완전 경화된 폴리머 시스템을 초래하여, 변형에 이어서 고도의 재회복 성능을 나타낸다. 이러한 특징은 충격 감쇠기 장벽 시스템의 초탄성 부재용으로 적합한 이들 폴리머 재료를 만든다. 초탄성 재료는 다음과 같은 특징을 갖는다. 다음: 약 40 내지 약 70의 쇼어(D) 경도 값, 약 4000 내지 약 7000psi 범위의 최대 인장 응력, 약 150% 내지 약 700% 파손 범위에서의 신장, 및 최소 계수 변화와 중요한 온도 범위에 걸쳐 0.05 이상의 tanδ 값.
적절한 리바운드 반응을 하는 초탄성 재료는, 차례로 엘라스토머를 생산하도록 짧은-사슬 글리콜과 반응하는 이소시아네이트 터미네이트 프리폴리머를 생산하도록 전체 긴 사슬 폴리올 성분이 이소시아네이트 성분과 선(pre)-반응하는 완전 프리폴리머 어프로치에 의해 형성된다.
선택적 어프로치는 긴-사슬 폴리올 부분이 이소시아네이트 성분과 선-반응하는 준(quasi) 프리폴리머 시스템을 사용한다. 이런 경우, 상기 엘라스토머는 짧은 사슬 글리콜을 가진 준 프리폴리머의 반응 제품과 긴-사슬 폴리올 성분의 나머지로 형성된다.
성분을 함께 가져오는 프로세스는 온도를 처리하도록 상기 성분을 가열하는 공정과, 용해된 또는 동반된 가스를 제거하도록 성분을 가스제거(degas)하는 공정과, 혼합실의 성분을 정확하게 계량하는 공정과, 상기 성분을 동적으로 혼합하는 공정, 및 혼합된 재료를 경화된 파트가 그로부터 이어서 취출되며 적절한 후기 경화 사이클로 가게되는 주형 안으로 분배하는 공정을 포함한다. 성분 용융점과 점성이 다름으로 인해서, 적절한 성분 온도와 주형 온도는 대략 100℉ 내지 250℉ 범위에 있다.
반응성 성분들은 총 혼합물에서 이소시아네이트 그룹이 약 1% 내지 약 10% 초과하거나 또는 총 혼합물에서 이소시아네이트 그룹이 약 2% 내지 약 5% 초과하는 비율로 조합된다. 촉매 패키지는 상기 성분들의 화학적 반응을 촉진하며 적절한 시간 내에 파트의 취출을 가능하게 하는데 사용된다. 시스템의 겔 시간 또는 작업 수명은 상기 파트의 모든 구간을 통해서 균일한 재료 성질을 보장하도록 주형 충전 시간보다 짧지 않아야 한다.
본원의 다양한 실시예로 상세하게 기재한 상술한 기술내용은 본원을 한정하는 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 본원은 첨부 청구범위에 의해 한정되며, 당 기술분야의 기술자는 본원 명세서로부터 추가적인 개량 및 개조를 하여 용이하게 나타낼 수 있을 것이다.
예(EXAMPLES)
예1: 재료
초탄성 재료가 MDI-폴리에테르 준-프리폴리머 시스템을 사용하여 준비된다. 상기 프리폴리머는 대략 13.3%의 유리-이소시아네이트 함량을 갖는다. 폴리테트라메틸렌 글리콜에 기초한 긴 사슬 폴리에테르 성분이 이용된다. 폴리올은 대략 56의 OH#를 갖는다. 이용된 짧은-사슬 디올은 히드로퀴논 비스(2-하이드록시에틸) 에테르(HQEE)이고, 혼합물의 총 하이드록실-함유성분의 대략 40중량% 를 차지한다.
반응성 성분은 총 혼합물에서 이소시아네이트 그룹의 대략 5% 초과하여 제공된 비율로 조합된다. 전형적인 폴리우레탄 촉매 패키지를 이용하여 반응을 가속을 가속하며 취출 시간을 단축한다. 촉매 부하는 대략 3분의 겔 시간을 제공하도록 조정된다.
성분들을 정밀하게 계량하기 위해 정밀한 기어 펌프와 적절한 혼합 품질과 가열 성능을 구하기 위해 동적 혼합헤드가 장착된 3개 성분 액체 주조기(casting machine)가 사용된다. 프리폴리머, 폴리올, 및 짧은-사슬 디올 반응성 성분들이 가열된 데이 탱크(heated day tanks) 안에 채워져서 적절한 처리온도에서 유지된다. 프리폴리머와 폴리올은 160-180℉ 사이의 온도로 유지된다. 상기 HQEE는 240℉에서 유지된다. 촉매 성분은 짧은 사슬 디올을 보유한 탱크에 첨가되어 완전하게 혼합된다. 다음, 용해된 모든 가스가 제거될 때까지 28인치Hg의 최소 진공 하에서 모든 성분들의 가스가 제거되었다. 다음, 건(dry) 질소 패드가 각 탱크에 적용되어 습기 노출로부터 성분들을 보호한다. 패드 압력은 계량 펌프의 흡입 측으로 재료 이송을 보장하기에 적절하여야 한다. 각각의 펌프는 혼합실로 각 성분의 적절한 양의 전달을 보장하도록 눈금 측정된다. 총 재료 처리율은 대략 20pounds/분 이다. 주형은 공동 내로 혼합된 재료를 분배하기에 앞서 대략 200℉ 내지 240℉ 범위로 가열된다. 주형 온도는 파트를 취출하기에 앞서 재료의 적정한 경화를 보장하도록 주입 후에 약 200℉ 로 온도로 유지된다. 상기 파트는 대략 20분에서 취출되고, 이어서 화학적 반응의 완료 재료 성질의 달성을 보장하도록 대략 12 내지 36시간 동안 약 200℉ 내지 250℉ 사이의 온도에서 후기-경화 된다.
예2: 시험 재료
충격 감쇠기 시스템의 초탄성 요소를 제조하기 위해 사용하는 열경화성, 주조 폴리우레탄 성분을 위한 재료가 형식화되었다. DMA 시험은 TA Instruments Q800 DMA시스템을 사용하여 실시하여 저장 계수(E'), 손실 계수(E"), 및 기계적 손실(감쇠), 분 당 3℃의 비율로 변하는 -150℃ 내지 150℃ 온도 범위에 걸친 tanδ를 1Hz에서 측정하였다. 이들 시험의 결과를 도10에 나타내었다. tanδ는 0.05보다 크고 그리고 비교적 일정한 값을 갖는다. tanδ는 0.1보다 크고 그리고 비교적 일정한 값을 갖는다. 예1에서 제조된 재료의 tanδ는 -15℃ 내지 45℃의 작동 온도범위 전체를 통해서 0.10과 0.14 사이에 있다. 저장 계수에 의해 결정되는 것으로서, 유리전이온도(Tg)의 발생(onset)은 대략 -27℃에서 측정되었고 그리고 여기에는 용융 변화는 존재하지 않았다.
샘플은 다음의 물리적 성질을 가진 형식화로부터 준비되었다. 다음: 도10에 도시된 바와 같이 대략 25℃의 온도로 측정하였을 때, 대략 679MPa의 저장 계수, 대략 86MPa의 손실 계수, 대략 0.13의 tanδ.
상기 샘플은 초탄성 시험용으로 제출되었다. 이런 시험의 결과를 도11과 도12에 나타내었다. 도11은 0.001/s 내지 100/s 범위의 변형률에서 인장 시 재료의 공학 응력-변형 반응(engineering stress-strain response)을 나타낸 그래프이다. 도12는 0.001/s 내지 100/s 범위의 변형률에서 압축 시 재료의 공학 응력-변형 반응을 나타낸 그래프이다.
이 재료는 50s-1 밑에서 적당한 변형률 종속성을 나타내지만, 50s-1보다 크면 변형률에 대해 매우 둔감하게 되는 것에 주의하여야 한다. 충격 감쇠기 시스템에 사용하는 재료는 50과 1000s-1 사이에서 최소 변형률 종속성을 갖는다.
상기 재료를 포함하는 충격 시스템(5인치 직경, ¾인치 두께, 4인치 길이 관)의 부가적인 시험은 새로운 에너지 흡수 재료의 전형적인 반응을 나타내며, 여기서 폴리우레탄 재료는 부하 동안에 에너지를 흡수하며, 힘이 상당히 감소될 때 부하가 해제(unload)되며, 결국에는 그 기하형태와 기계적 성질이 거의 완전하게 회복된다. 도13은 시험의 결과로 힘 대 변위(force vs displacement)를 그래프로 나타낸 것이다. 충격 시스템은 3.2인치의 최대 변위로 비율 20in/s 로 변위 제어 하에 단축 시험기(uniaxial testing machine)에서 부하되고 그리고 동일한 비율로 즉시 부하 해제된다. 에너지 손실 양은 부하 및 부하 해제 곡선에 의해 경계를 이룬 영역의 면적과 동일하다.
초탄성 재료는 주어진 높은 운동 에너지, 변형 및 변형률에서 이런 독특한 성능 기준과 제약을 나타낸다.
예3: 충격 감쇠기 성분
초탄성 재료를 포함하는 충격 시스템의 부가적인 대형의 동적 시험은 소망하는 성질을 보였으며, 여기서 상기 재료는 고 수준의 에너지 흡수, 리바운드 제어 및 복원성을 나타낸다. 충격 시스템의 시제품 부재는 예1의 재료로 준비하였다.
상기 시제품 부재는 20.8mph(33.5km/hr)의 속도로 카트와 시험물품의 중앙선에서 정면충돌하는 2.857 lb(1,296kg)의 반-강직성 카트에 의한 충격을 받았다. 도16은 (a)충돌 직전과 (b)최대 동적 변위에서의 시험물품을 나타낸 것이다. 도17은 상기 성분의 복원성을 나타낸 시험 후에 찍은 시험물품의 사진이다. 도14는 시제품 부재의 뒤에서 계측된 벽에 의해 측정된 충돌사고 시의 힘 대 시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도15는 차량에 장착된 가속도계로부터 측정된 충돌 시의 속도 대 시간의 관계를 나타낸 그래프이다.

Claims (20)

  1. 에너지 흡수 초탄성 재료에 있어서, 상기 재료는 -15℃ 내지 45℃ 사이의 온도에 대해 약 0.05 이상의 tanδ를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 tanδ는 약 0.10 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초탄성 재료는 약 40 내지 약 70의 쇼어(D) 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수작용 초탄성 재료.
  4. 제1항에 있어서, 상기 초탄성 재료는 약 4000 내지 약 7000psi 범위의 최대 인장응력을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  5. 제1항에 있어서, 상기 초탄성 재료는 약 150% 내지 약 700% 범위의 파손 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  6. 제1항에 있어서, 초탄성 재료는 -15℃ 내지 45℃ 사이의 온도에 대해 0.1 이하로 변하는 tanδ를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  7. 에너지 흡수 초탄성 재료에 있어서, 상기 재료는 약 -15℃ 내지 약 45℃ 사이에서 약 0.05 이상의 tanδ를 가지며, Tg는 갖지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재료는 Tm을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  9. 제7항에 있어서, 상기 재료는 약 -15℃ 내지 약 45℃ 사이에서 Tm 을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  10. 혼합물로부터 형성된 에너지 흡수 초탄성 재료가:
    프리폴리머가 약 10% 내지 약 15%의 유리 이소시아네이트 함량을 가진, MDI-폴리에테르 프리폴리머와;
    폴리올이 약 20 내지 약 80의 OH#를 갖는, 적어도 하나의 긴 사슬 폴리에테르 또는 폴리에스터 폴리올과;
    디올이 총 히드록실-함유 성분의 약 30% 내지 약 45%인, 적어도 하나의 짧은 사슬 디올과;
    적어도 하나의 촉매를 포함하며 성분의 비율이 약 2% 내지 약 10% 과잉 이소시아네이트 그룹을 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  11. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 짧은 사슬 디올은 하이드로퀴논 비스(2-하이드록시에틸) 에테르인 것을 특징으로 하는 에너지 흡수 초탄성 재료.
  12. 에너지 흡수 초탄성 재료를 포함하는 충격 감쇠기 시스템에 있어서, 상기 재료는 -15℃ 내지 45℃ 사이의 모든 온도에 대해 0.05 이상의 tanδ를 갖는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 에너지 흡수 초탄성 재료의 tanδ는 약 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 에너지 흡수 초탄성 재료는 약 -15℃ 내지 약 45℃ 사이에서 Tg를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 에너지 흡수 초탄성 재료는 Tm을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 에너지 흡수 초탄성 재료는 약 -15℃ 내지 약 45℃ 사이에서 Tm 을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  17. 충격 감쇠기 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    제1 또는 리딩 단부와 제2단부를 가진 제1빔 조립체와, 제1 또는 리딩 단부와 제2단부를 가진 제2빔 조립체로서, 상기 제1 및 제2빔 조립체는 서로 대향하는 관계인, 적어도 1개의 제1사이드 빔 조립체와 적어도 1개의 대향하는 또는 제2사이드 빔 조립체와;
    상기 제1빔 조립체의 제1단부와 상기 제2빔 조립체의 제1단부에 고정된 적어도 1개의 노즈 조립체와;
    상기 대향하는 사이드 패널 사이에 배치되고 그리고 적어도 1개의 고정 메카니즘에 의해 대향하는 사이드 패널에 고정된 적어도 1개의 다이어프램 패널과;
    상기 대향하는 사이드 패널과 상기 다이어프램 패널에 의해 한정된 적어도 1개의 베이와;
    초탄성 부재의 강직도가 모두 동일하지 않은, 각 베이에 배치된 적어도 1개의 초탄성 부재; 및
    제1정착 메카니즘에 제1단부가 고정되고 그리고 제2정착 메카니즘에 제2단부가 고정된 적어도 1개의 케이블을 가진 적어도 1개의 정착 시스템을 포함하고;
    각각의 사이드 빔 조립체는 부가로 복수개의 사이드 패널을 포함하고, 각각의 사이드 패널은 제1단부와 제2단부를 갖고, 제1패널의 제2단부는 인접한 패널의 제1단부와 겹쳐짐으로써 사이드 패널 부재가 둥지형태의 선형 배열이 되게;
    각각의 상기 사이드 패널은 인접한 사이드 패널 상의 인접 슬롯과 적어도 부분적으로 겹쳐지는 적어도 1개의 길이방향 신장 구멍을 한정하며 고정 메카니즘이 슬롯을 통해서 사이드 패널의 외부 면으로부터 신장하고 슬롯을 따라서 길이방향으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 노즈 조립체로부터 먼 부가의 초탄성 부재의 강직성은 노즈 조립체에 근접한 초탄성 부재보다 높은 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 초탄성 부재는 결합된 관형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 초탄성 부재는 -15℃ 내지 45℃ 사이에서 모든 온도에 대해 0.05 이상의 tanδ를 갖는 것을 특징으로 하는 충격 감쇠기 시스템.
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