KR20110023469A - 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 범퍼 레일에 장착되는 크래시 박스 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 크래시 박스의 전단부와 후단부의 두께를 상이하게 함으로써 범퍼에 가해지는 충격에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 크래시 박스 구조에 관한 것이다.

자동차, 크래시 박스, 충격

Description

자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조{Structure for crash box use for absobing impact of vehicle}

본 발명은 자동차의 범퍼 레일에 장착되는 크래시 박스 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 크래시 박스의 전단부와 후단부의 두께를 상이하게 함으로써 범퍼에 가해지는 충격에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 크래시 박스 구조에 관한 것이다.

자동차의 범퍼는 차량의 충돌 발생시 발생하는 충격 에너지를 1차적으로 완충시키는 기능을 수행하는 것으로서, 일반적으로 범퍼는 그 외부 부재를 이루는 범퍼 커버와, 범퍼 커버의 내측에 설치되는 충격 에너지 흡수부재(absorber)와, 흡수부재의 후방에 설치되는 범퍼 레일(일명 '범퍼 빔(beam)'이라고도 불리움)과, 범퍼 레일의 후면 양측에 설치된 크래시 박스(crash box, 일명 '범퍼 스테이'(bumper stay)라고도 불리움)으로 대분된다.

상기와 같이 이루어지는 범퍼는 자동차의 전방 또는 후방 방향으로의 충돌 또는 추돌 사고시에 차량에 가해지는 충격을 흡수하거나 완화 또는 분산시켜 차체 및 운전자를 보호하는 기능을 수행한다.

이러한 범퍼의 충격 흡수 기능은 차량의 충돌시 차체의 손상을 직접적으로 방지하게 되므로, 차량의 보험료 측정의 기반이 되는 손상 및 수리성 평가 시험인 RCAR(Research Council for Automobile Repairs: 세계 자동차 수리 기술위원회) 시험시 차량의 상품성을 평가하는 주요 기준을 이루기도 한다.

특히, 상기 크래시 박스는 범퍼 레일의 후면 양측에 부착됨으로써 차체의 플로어 사이드 멤버(미도시)와 연결되어 범퍼 전체를 지지하는 역할을 할 뿐만 아니라 플로어 사이드 멤버에 길이 방향으로 전달되는 충격을 흡수하는 역할을 겸하고 있는 부재로서, 범퍼의 충격 흡수 기능을 좌우할 수 있는 중요 부품중에 하나이다.

따라서, 자동차의 충격 흡수 효율을 향상시키기 위하여 크래시 박스를 포함한 범퍼 설계가 매우 중요시되고 있는데, 왜냐하면 범퍼의 설계시 차량의 경량화 및 디자인 개선 등을 위하여 프론트 오버항(전방 범퍼부터 전륜축까지 거리)이 축소되는 경우, 즉 후드나 냉각 부품 전단부의 공간이 충분하지 못한 경우에는, 저속충돌시 에너지를 흡수할 수 있는 공간이 줄어들게 되므로 결국 범퍼의 에너지 흡수 효율을 어떻게 개선시키느냐의 여부가 차량의 안전도를 보다 향상시킬 수 있는 주요 항목이 되기 때문이다.

또한, 상기 범퍼의 에너지 흡수효율은 제한된 공간 및 하중조건 하에서 흡수할 수 있는 충돌 에너지의 비율을 나타내는 것으로, 이러한 에너지 흡수 효율이 높아질수록 충돌 에너지를 흡수하기 위하여 요구되는 공간이 축소될 수 있어, 크래시 박스를 포함하는 범퍼의 설계가 효율적으로 이루어질수록 차량의 경량화 및 디자인 자유도 확보에 보다 유리한 환경을 조성할 수 있게 된다.

따라서, 저속 충돌시 차량의 손상성 관련 상품성 향상 및 디자인 자유도 확보 등을 위하여, 범퍼에 사용되는 크래시 박스의 충격 에너지 흡수 효율을 보다 향상시킬 수 있는 구조 개발이 절실한 실정인데, 종래 크래시 박스 중에도 충돌 에너지의 흡수 효율을 증가시키기 위한 폼 부재가 충전된 크래시 박스 구조 또는 축관(tube) 방식으로 충돌 에너지를 흡수하는 크래시 박스 구조가 개발된 바 있으나, 이러한 종래 방식들은 상대적으로 가격 상승분이 크기 때문에 제조 비용을 절감하거나 양산 차량의 원가 경쟁력을 저해한다는 측면에서 다소 불리한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하고자 창안된 것으로서, 충돌에너지의 흡수 효율을 높일 수 있게 하기 위한 범퍼의 크래시 박스의 구조를 제공함으로써 차량의 경량화 및 디자인 자유도 확보에 보다 유리한 환경을 도모하고, 아울러 제조 비용의 절감과 양산 차량의 원가 경쟁력을 제고시킬 수 있는 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조를 제공하는데 본 발명의 기술적 과제가 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조의 구성은, 크래시 박스의 전단부와 후단부의 단부 두께를 달리하고, 이 단부 두께를 달리하는 전단부와 후단부를 TWB 방식으로 접합시킨 구성을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명 크래시 박스 구조는, 별도로 초고장력 강판 등을 적용할 필요 없이, 기존의 재질을 사용하면서도 에너지 흡수 효율을 개선시킬 수 있어, 저속 충돌시 차량의 손상성 관련 상품성을 향상시키고 차량 설계상의 자유도를 최대한 확보할 수 있게 해주는 효과가 있다.

이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조를 상세하게 설명한다.

단, 개시된 도면들은 당업자게게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.

또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

< 실시예 >

도 1 은 본 발명 실시예의 크래시 박스의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1 에 도시된 본 발명 실시예의 크래시 박스의 구성은, 범퍼의 크래시 박스의 충돌 에너지 흡수 효율을 보다 향상시키기 위하여 크래시 박스의 두께를 전체적으로 증가시켜 그 강도를 증대시키는 구조로서 크래시 박스를 설계한 실시예이다.

도시된 바와 같이 본 발명 실시예의 크래시 박스(30)는 범퍼 레일(10)의 후면에 크래시 박스 마운팅브라켓(20)에 의하여 상기 범퍼 레일(10)과 결합한다.

그리고, 도 1 의 A-A' 선 단면도에 도시된 바와 같이 본 발명 실시예의 크래시 박스(30)는 범퍼 레일(10)의 중심부 방향으로 부착된 내측 부재(31)과 상기 범퍼 레일(10)의 말단부 방향으로 부착된 외측 부재(32)가 상호 결합되어 크래시 박스를 본체를 이루고 있다.

상기 본 발명 실시예의 크래시 박스(30)는 상술한 바와 같이 종래 크래시 박스와 대비하여 크래시 박스의 단부 두께(t0)를 증가시킨 것으로서, 본 발명자는 상기 크래시 박스(30)와 종래 기술과의 효과를 비교하기 위하여, 종래 크래시 박스의 두께와 대비하여 20% 정도 두께를 향상시킨 본 발명 실시예의 크래시 박스(30)를 구성하고, 개발 요구 조건을 최대 하중 140kN 이하, 제한 변위 105mm 이하, 에너지 흡수요구량을 10,000J 이상으로 부여하여 충돌 에너지 흡수 효율을 시험하였다.

하기의 표 1 은 본 발명 실시예의 크래시 박스(30)의 충돌에너지 흡수 효율을 위한 시험 결과를 나타낸다.

본 발명 실시예의 크래시 박스의 충돌에너지 흡수 효율 시험 결과

	크래시 박스 두께 비율	최대하중(kN)	최대변위(mm)	에너지흡수 요구량 (J)	에너지 흡수 효율
개발요구조건		140 이하	105 이하	10000 이상
종래 크래시 박스	1	132	118	10533	67.6%
실시예의 크래시 박스	1.2 (20% 증가)	161	102	10609	64.5%

상기 표 1 에 나타낸 바와 같이, 본 발명 실시예의 크래시 박스의 두께(t)를 종래 크래시 박스 사양 대비 20% 증가시킨 경우, 최대 변위는 102 mm 로서 개발 요구조건 기준인 최대 변위 105mm 이하를 만족시키는 결과를 얻을 수 있었다.

그러나, 최대 하중이 개발 요구조건 기존인 140 kN 을 초과하는 161 kN 을 나타내었는데, 이러한 최대하중의 증가로 말미암아 범퍼 구조물의 최대하중이 증가한 만큼 차체변형을 방지하기 위한 사이드 멤버의 강도 역시 증가되어야 하므로, 이러한 추가적인 차체구조의 보강으로 인한 차체 중량의 증가와 아울러 그 제조 원가도 증가되어야 하는 결과를 가져왔다.

또한, 에너지 흡수 요구량은 종래 크래시 박스보다 소폭 상승하였으나, 에너지 흡수효율은 오히려 3% 이상 악화되는 결과를 가져왔다.

그러므로, 상기 크래시 박스의 단부 두께를 종래 크래시 박스 사양 대비 그 두께를 20% 증가시킨 본 발명 실시예의 크래시 박스(30)의 경우, 최대 변위의 기준은 요구기준을 만족시킬 수 있으나, 추가적인 차체 구조 보강이 필요한 항목인 최대 하중이 증가되었을 뿐만 아니라 에너지 흡수 효율은 오히려 저하된 결과를 가져왔다.

< 최선 실시예 >

이에, 본 발명자는 범퍼의 크래시 박스의 충돌 에너지 흡수 효율 향상 및 원가 절감이라는 본 발명의 목적에 보다 부응할 수 있는 본 발명 최선(最善) 실시예의 크래시 박스의 구조를 다음과 같이 구성하였다.

도 2 는 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)의 구성도이다. 단, 범퍼 레일(10) 부분의 도시는 도 1 과 동일하므로 이의 도시를 생략하고, 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)의 단면만을 도시하였다.

본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)는, 최대 하중의 증가를 최대한 억제하면서 목표로 하는 충돌에너지 흡수 효율을 향상시키기 위하여, 크래시 박스의 전단부와 후단부의 단부 두께를 달리하고, 이 단부 두께를 달리하는 전단부와 후단부는 TWB(Tailor Welded Blanks, 맞춤식 재단 용접 강판) 방식으로 접합시킨 구성의 크래시 박스(40)이다.

상기 TWB 방식은 두께와 강도 재질 등이 서로 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단해 레이저 등으로 용접하여 소망하는 형태의 제품으로 가공하는 방식으로서, 필요한 형상의 강판을 자유롭게 가공할 수 있는 잇점을 가지는 가공 방식이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)는 범퍼 레일(10)의 후면에 위치한 크래시박스 마운팅브라켓(20) 면과 결합되는 전방부재(41)과 상기 전방부재(41)의 후단에 결합되는 후방부재(42)로서 이루어진다.

상기 후방부재(42)의 단부 두께 길이(t2)는 상기 전방부재(41)의 단부 두께 길이(t1)보다 크게 형성된다.

또한, 상기 전방부재(41)와 후방부재(42)는 접합라인(L)을 기준으로 TWB 방식으로 접합된다.

그리고, 도면의 실시예와 같이 상기 전방부재(41)는 상기 범퍼 레일(10)의 중심부 방향으로 부착된 내측전방부재(41a)와 상기 범퍼 레일(10)의 말단부 방향으로 부착된 외측전방부재(41b)를 포함하며, 상기 후방부재(42)는 상기 범퍼 레일(10)의 중심부 방향으로 부착된 내측후방부재(42a)와 상기 범퍼 레일(10)의 말단부 방향으로 부착된 외측후방부재(42b)를 포함한다.

이는 TWB 가공시 두께와 형상이 상이한 전방부재(41)와 후방부재(42)를 보다 용이하게 접합 가공하기 위하여 상기 전방부재(41)와 후방부재(42)를 이루는 각 부분을 개별 부품으로 분리시킨 것이다.

상기 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)와 실시예의 크래시 박스(30)와의 효과를 비교하기 위하여, 전술한 표 1 에 기재된 것과 동일한 개발 요구 조건을 적용하여 충돌 에너지 흡수 효율을 시험하였다.

하기의 표 2 은 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)의 충돌에너지 흡수 효율을 위한 시험 결과를 나타낸다.

본 발명 최선 실시예의 크래시 박스의 충돌에너지 흡수 효율 시험 결과

	크래시 박스 두께 비율			최대하중(kN)	최대변위(mm)	에너지흡수 요구량 (J)	에너지 흡수 효율
	전방 부재		후방 부재
개발요구조건				140 이하	105 이하	10000 이상
종래 크래시 박스	1			132	118	10533	67.6%
실시예의 크래시 박스	1.2 (20% 증가)			161	102	10609	64.5%
최선실시예의 크래시 박스	1		1.2 (20% 증가)	136	101	10280	74.8%

상기 표 2 에 나타난 바와 같이, 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)는 후방부재(42)의 단부 두께 길이(t2)를 전방부재(41)의 단부 두께 길이(t1) 보다 20% 향상시켜 접합시킨 크래시 박스(40)를 구성하여 충돌에너지 흡수 효율을 시험한 결과이다.

본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)의 그 전방부재(41) 단부 두께 길이(t1)를 종래의 설계 사양과 동일하게 유지하면서, 상기 전방부재(42)의 후단에 결합되는 후방부재(42)의 단부의 두께 길이(t2) 만을 20% 증가시킨 구성을 적용한 결과, 최대 하중은 종래 사양과 거의 동일한 수준을 유지하면서 최대 변위가 개발 요구 조건을 만족시켜, 실시예의 크래시 박스(30)와 비교하여 최대하중 증가에 따른 추가적인 사이드 멤버의 보강이 필요 없게 되어, 추가적인 차체 중량 증가나 제조 원가의 상승을 회피할 수 있다.

또한, 에너지 흡수효율도 실시예의 크래시 박스(30)의 에너지 흡수 효율 보다 월등한 74.8% 로 개선되었으며, 종래 사양과 대비하면 약 10% 이상 개선된 결과를 나타내었다.

따라서, 상기와 같은 결과를 나타내는 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)는 크래시 박스의 충돌 에너지 흡수 효율 향상 및 원가 절감이라는 본 발명의 목적에 부합되는 결과를 수득하게 되었다.

도 3 은 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스의 저속 충돌시의 변형에 대한 수치해석 결과를 도시한 것이다.

좌측에 도시된 (a)는 종래의 크래시 박스(100)의 저속 충돌시의 변형에 대한 수치해석 결과의 도면이고, 우측에 도시된 (b)는 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)의 저속 충돌시의 변형에 대한 수치해석 결과의 도면이다.

상기 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)는 종래 기술 대비 최대 변위가 감소하여 종래 기술의 크래시 박스의 미변형 구간(x) 보다 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스(40)의 미변형 구간(y)이 큰 것을 확인할 수 있다. 이러한 점은 저속 충돌시 차량의 손상성 관련 상품성을 향상시키고 차량 설계상의 자유도를 최대한 확보할 수 있게 해준다.

이상의 설명에서 본 발명의 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 은 본 발명 실시예의 크래시 박스의 구성을 나타낸 도면,

도 2 는 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스의 구성을 나타낸 도면,

도 3 은 본 발명 최선 크래시 박스의 저속충돌시의 변형에 대한 수치 해석결과의 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10; 범퍼 레일

20; 크래시 박스 마운팅브라켓

30; 본 발명 실시예의 크래시 박스

31; 내측 부재

32; 외측 부재

40; 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스

41; 전방 부재

41a; 내측 전방 부재

41b; 외측 전방 부재

42; 후방 부재

42a; 내측 후방 부재

42b; 외측 후방 부재

100; 종래 크래시 박스

t0; 본 발명 실시예의 크래시 박스 단부 두께

t1; 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스 전방부재 단부 두께

t2; 본 발명 최선 실시예의 크래시 박스 후방부재 단부 두께

Claims (4)

1. 범퍼 레일(10)에 부착되는 크래시 박스 구조에 있어서,

   전방 부재(41); 및

   상기 전방 부재(41)의 후단에 접합되는 후방 부재(42); 를 포함하고,

   상기 후방 부재의 단부 두께 길이(t2)는 상기 전방 부재의 단부 두께 길이(t1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전방 부재(41)와 후방 부재(42)는 TWB 방식으로 접합되는 것을 특징으로 하는 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전방 부재(41)의 단부 두께 길이(t1)와 상기 후방 부재(42)의 단부 두께 길이(t2)의 비율은 1:1.2 인 것을 특징으로 하는 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전방부재(41)는 상기 범퍼 레일(10)의 중심부 방향으로 부착된 내측전방부재(41a)와 상기 범퍼 레일(10)의 말단부 방향으로 부착된 외측전방부재(41b)를 포함하고,

   상기 후방부재(42)는 상기 범퍼 레일(10)의 중심부 방향으로 부착된 내측후방부재(42a)와 상기 범퍼 레일(10)의 말단부 방향으로 부착된 외측후방부재(42b)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 충격 흡수용 크래시 박스 구조.

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