KR20110096756A - 충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼 - Google Patents

충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼에 관한 것으로, 탄성 반발력에 의해 충돌 시에 발생하는 충격에너지의 일부를 흡수함과 동시에 진행방향을 변환시켜 차체에 전달되는 충격에너지를 완화함으로써, 충격에너지의 전달에 의한 차체의 파손 및 탑승자의 인명피해를 감소시킬 수 있는, 충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명의 충격에너지 변환 장치는, 외부에 접한 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재; 상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링; 상기 회전부재 및 상기 완충 스프링을 내장하며, 일측에 상기 회전부재의 회전 거동을 허용하고 타측에 상기 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및 상기 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 후단으로 전달하기 위한 회전축을 포함한다.

Description

충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼{IMPACT ENERGY CONVERTING APPARATUS AND VEHICLE BUMPER USING THE SAME}
본 발명은 충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄성 반발력에 의해 충돌 시에 발생하는 충격에너지의 일부를 흡수함과 동시에 진행방향을 변환시켜 차체에 전달되는 충격에너지를 완화함으로써, 충격에너지의 전달에 의한 차체의 파손 및 탑승자의 인명피해를 감소시킬 수 있는, 충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼에 관한 것이다.
대부분의 차량에는 다른 차량 또는 외부 물체와 충돌시, 차체에 가해지는 충격을 흡수하여 차체와 해당 차량에 탑승한 인명을 보호하기 위한 장치로서 차량용 범퍼(bumper)가 차체 전후방에 설치된다.
일반적으로, 차량용 범퍼는 차량 전면에 부착되는 범퍼 커버(bumper cover), 범퍼커버의 내부에 삽입되고 '충격에너지 흡수용 발포재료'(즉, 충격흡수부재)로 이루어진 에너지 업소버(energy absorber), 범퍼 커버 및 에너지 업소버를 차체에 고정시키는 범퍼빔(bumper beam), 브래킷(bracket), 범퍼 스테이(bumper stay) 등으로 구성된다. 여기서, 에너지 업소버는 충격흡수부재로서, 내충격성과 복원성이 우수한 폴리프로필렌계 발포재료인 EPP(Expanded Polypropylene)가 주로 사용되며, EPP 이외에 스티로폼, 우레탄폼 등과 같은 다양한 폼(foam)재와 서로 다른 재질의 발포재료를 혼합한 복합재료가 사용될 수도 있다. 또한, 브래킷 및 범퍼 스테이는 완충스프링이나 유압실린더와 같은 완충장치를 설치하여 충격에너지를 흡수할 수도 있다.
이러한 차량용 범퍼는 에너지 업소버의 충격흡수부재를 이용하여 차량의 파손 및 탑승자의 인명을 보호한다. 즉, 차량용 범퍼는 저속충돌시에 충격흡수부재의 자체 탄성력에 의해 압축 변형 또는 굽힘 변형을 통해 차량의 파손을 방지하고, 큰 충격이 가해지는 고속충돌시에 충격흡수부재의 소성변형이나 파괴에 의해 충돌에너지를 흡수하여 충격의 완충을 통해 탑승자의 인명을 보호한다.
상기와 같은 기능을 수행하기 위한 차량용 범퍼는 에너지 업소버 및 범퍼빔 등의 범퍼 어셈블리 형태와 재질에 대해 지속적으로 연구되고 있다.
구체적으로, 공개특허 제 2009-65678 호에는 전방 업소버와 후방 업소버를 걸치는 다단의 충격 에너지 흡수 구조를 구비하여 지속적인 완충 효과를 얻을 수 있는 기술이 제안되었다. 즉, 공개특허 제 2009-65678 호에는 차량 자체에 고정되는 백 빔의 전면에 고정되고, 중앙에 후방 완충수단이 구비된 후방 업소버, 후방 업소버의 전면에 고정되고 다공성 호형 단면 구조로 이루어진 전방 업소버를 구비함으로써, 충돌 과정에서 쉽게 파손됨이 없이 지속적인 완충효과를 얻을 수 있다.
또한, 공개특허 제 2002-52305 호에는 전면 충돌사고시 전면으로부터 후방으로 전달되는 충격력을 그에 대응되는 공압으로 변환시켜 완충 및 감쇠시킬 수 있는 기술이 제안되었다. 즉, 공개특허 제 2002-52305 호에는 차량의 전면 충돌시 그 충격력을 공압으로 변환시키는 공압실린더, 공압실린더에 적정 압력으로 에어를 공급하는 에어공급부, 충격력을 적정 공급압력과 비교하여 충돌여부를 판단하여 제어신호를 출력하는 제어부, 제어부의 제어신호에 따라 충돌시 전달되는 충격력에 대응되는 공압을 외부로 배출하는 에어배출부를 구비함으로써, 차량의 충돌시 운전자 또는 탑승객의 안전을 보호해줄 수 있다.
또한, 공개특허 제 2008-89484 호에는 차량범퍼구조의 앞범퍼보강재의 전방에 차량 폭방향으로 광섬유센서가 배치된다. 앞범퍼업소버는 광섬유센서의 전방에 배치되고 연성업소버 및 경성업소버로 형성된다. 이때, 경성업소버는 범퍼의 두께가 증가되는 범퍼 중앙영역에 배치됨에 따라 연성업소버의 두께가 실질적으로 차량 폭방향으로 균일하게 되어, 대상물과 물체의 충돌 위치에 관계없이 실질적으로 균일한 하중이 광섬유센서로 입력되도록 한다. 그 결과, 하중감지유닛의 출력의 변동이 감소된다.
그러나, 이러한 종래의 차량용 범퍼는 해당 충격력 전부에 대한 충격에너지를 그대로 흡수하여 완충하는 구조를 가진다. 즉, 종래의 차량용 범퍼는 해당 충격력에 대한 충격에너지를 전부 수용한 후 이에 대응하기 위해 범퍼 자체의 탄성력에만 의존하여 범퍼 본연의 기능을 제공한다.
일반적으로, 차량의 전후방 정면 충돌시에 충격력은 차체에 전달되면서 충격에너지로 전환되어, 일부는 범퍼에서 흡수되고, 나머지는 차체에 그대로 전달되어 운전석 등의 내부 충격완화수단에 의해 흡수된다. 이에 따라, 차량용 범퍼는 차체에 전달된 충격에너지의 대부분을 흡수하여 완충시킬 때 차량의 파손뿐만 아니라 탑승자의 인명피해를 방지하는 본연의 기능을 제공하게 된다. 즉, 차량용 범퍼는 해당 충격에너지에 대한 흡수 또는 완충 정도에 따라 차량의 파손 및 탑승자의 인명피해 정도를 좌우한다.
하지만, 시속 60㎞ 이상으로 주행중에 고속충돌이 발생하는 경우에는 충격에너지의 일부가 범퍼에서 흡수되고 나머지가 내부 충격완화수단에 의해 흡수되더라도 여전히 큰 충격량이 남을 수 있기 때문에, 차량의 파손 및 탑승자의 인명피해를 방지하기 어렵다. 이러한 경우에 종래의 차량용 범퍼는 에너지 업소버와 범퍼빔의 탄성력에만 의존하므로, 차체에 전달된 큰 충격에너지를 흡수 또는 완충하기 어렵다.
즉, 종래의 차량용 범퍼는 에너지 업소버의 에너지 흡수성능과 복원성능이 아무리 우수하더라도 여전히 남아 있는 충격에너지의 진행방향이 변환되지 않고 동일한 방향으로 작용하므로, 차량과 탑승자에 대한 안정성 제공에 있어 물리적인 한계가 있다.
따라서, 종래의 차량용 범퍼는 에너지 업소버 및 범퍼빔 이외에 차체에 전달된 충격에너지를 보다 효과적으로 흡수 및 완충함으로써, 차량의 파손 및 탑승자의 인명피해를 방지할 수 있는 범퍼구조에 대한 기술이 제안될 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은, 탄성 반발력에 의해 충돌 시에 발생하는 충격에너지의 일부를 흡수함과 동시에 진행방향을 변환시켜 차체에 전달되는 충격에너지를 완화함으로써, 충격에너지의 전달에 의한 차체의 파손 및 탑승자의 인명피해를 감소시킬 수 있는, 충격에너지 변환 장치 및 그를 이용한 차량용 범퍼를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 충격에너지 변환 장치에 대한 제 1 실시예는, 외부에 접한 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재; 상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링; 상기 회전부재 및 상기 완충 스프링을 내장하며, 일측에 상기 회전부재의 회전 거동을 허용하고 타측에 상기 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및 상기 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 후단으로 전달하기 위한 회전축을 포함한다.
또한, 본 발명의 충격에너지 변환 장치에 대한 제 2 실시예는, 외부에 접한 상하 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 상하측에 대해 수행하기 위한 제 1 및 제 2 회전부재; 상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 제 1 및 제 2 완충 스프링; 상기 제 1 및 제 2 회전부재 및 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링을 내장하고, 상하측에 상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전 거동을 허용하고 중심측에 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및 상기 제 1 및 제 2 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 전달하기 위한 회전축을 포함한다.
또한, 본 발명의 충격에너지 변환 장치에 대한 제 3 실시예는, 외부에 접한 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재; 상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링; 상기 회전부재의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 전달하는 회전축; 상기 회전부재를 내장하여 상기 회전축이 충격에너지의 진행방향으로 움직일 수 있는 구멍이 형성되어 있는 케이스; 및 상기 회전축에 대해 충격에너지의 진행방향에 저항하는 인장력을 작용하기 위한 인장 스프링을 포함한다.
한편, 본 발명의 차량용 범퍼는, 범퍼커버 내부에 위치하여 차량 충돌시 충격에너지를 일부 흡수하기 위한 에너지 업소버; 상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지의 진행방향이 변환됨에 따라 탄성 반발력을 작용하여 상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지를 완화시키기 위한 하나 이상의 충격에너지 변환부; 및 상기 충격에너지 변환부로부터 전달된 충격에너지를 범퍼빔으로 전달하기 위한 지지 프레임을 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은, 충돌시에 발생하는 충격에너지의 진행방향이 변환됨에 따라 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화함으로써, 충격에너지의 전달에 의한 차체의 파손 및 탑승자의 인명피해를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 차량용 범퍼에 적용되는 경우에, 일차적으로 회전부재의 거동에 의해 에너지 업소버에서 감소된 충격력의 방향을 변환시키고, 이차적으로 완충 스프링 등 저항장치의 압축거동에 의해 충격에너지를 흡수하여 작은 충격만 차체에 전달시킴으로써 범퍼 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1a 내지 도 1c은 본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치에 대한 제 1 실시예에 대한 도면,
도 2는 제 1 실시예의 충격에너지 변환 장치를 이용한 차량용 범퍼에 대한 분해 사시도,
도 3은 상기 도 2의 차량용 범퍼에 탑재된 충격에너지 변환 장치에 대한 단면도,
도 4a 내지 도 4c는 제 1 실시예에 나타난 회전부재를 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도,
도 5a 내지 도 5c는 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 1 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 6a 내지 도 6c는 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 2 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 7은 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 3 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 8은 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 4 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치에 대한 제 2 실시예에 대한 도면,
도 10은 제 2 실시예의 충격에너지 변환 장치를 이용한 차량용 범퍼에 대한 분해 사시도,
도 11은 상기 도 10의 차량용 범퍼에 탑재된 충격에너지 변환 장치에 대한 단면도,
도 12a 내지 도 12c는 제 2 실시예에 나타난 회전부재에 회전각이 45°인 완충 스프링을 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도,
도 13a 내지 도 13c는 제 2 실시예에 나타난 회전부재에 회전각이 60°인 완충 스프링을 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도,
도 14a 내지 도 14c는 제 2 실시예에 나타난 회전부재에 회전각이 90°인 완충 스프링을 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도,
도 15는 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 1 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 16은 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 2 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 17은 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 3 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 18은 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 4 실시 변형예를 나타내는 단면도,
도 19는 본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치에 대한 제 3 실시예에 대한 도면,
도 20은 상기 도 19의 충격에너지 변환 장치에 대한 단면도,
도 21a 내지 도 21c는 본 발명에 적용되는 완충 스프링에 대한 예시도,
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 충격에너지 변환 장치를 수직축(종축)에 기초하여 배치한 구조에 대한 예시도,
도 23a 내지 도 23d는 본 발명의 충격에너지 변환 장치를 차량에 배치한 구조에 대한 예시도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 설명에 앞서, 본 발명의 충격에너지 변환 장치는 회전부재의 형상에 따라 '상하 비대칭형 구조(후술할 도 1a 내지 8 참조)'와 '상하 대칭형 구조(후술할 도 9a 내지 18 참조)'로 구현될 수 있으며, 부가적으로 상하 비대칭형 구조이나 회전축이 움직이는 '회전축 이동형 구조(후술할 도 19 및 20)'로 구현될 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은 후술할 각각의 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c은 본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치에 대한 제 1 실시예에 대한 도면이고, 도 2는 제 1 실시예의 충격에너지 변환 장치를 이용한 차량용 범퍼에 대한 분해 사시도이고, 도 3은 상기 도 2의 차량용 범퍼에 탑재된 충격에너지 변환 장치에 대한 단면도이다.
본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치(100)는, 충격완화장치가 필요한 객체(예를 들어, 승용차나 트럭 등의 차량, 비행기나 여객기 등의 항공기, 어선이나 페리보트 등의 선박 등, 각종 구조물 등)에서 외부 대상물과의 충돌시에 전해지는 충격에너지의 진행방향 변환을 통해 해당 충격에너지를 최대로 흡수 및 완화한다. 바람직하게는, 이러한 충격에너지 변환 장치(100)는 차량용 범퍼에 적용되어, 차량의 충돌시 차체에 전달되는 충격에너지를 흡수 및 완화하여 차량의 파손과 탑승자의 인명피해를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 충격에너지 변환 장치(100)를 차량용 범퍼에 적용한 경우에 대해 설명하지만 이에 한정되어 해석되지는 않는다.
충격에너지 변환 장치(100)는 회전축(110), 회전부재(120), 완충 스프링(spring, 130), 격판(140), 케이스(case, 150), 지지 프레임(frame, 160), 스토퍼(stopper, 170)를 포함한다. 상기와 같은 충격에너지 변환 장치를 이용한 차량용 범퍼는, 범퍼커버(bumper cover, 10), 에너지 업소버(energy absorber, 20), 충격에너지 변환 장치(100), 범퍼빔(30)을 포함한다. 본 발명의 충격에너지 변환 장치(100)는 도 3과 같이 범퍼커버(10)에 내장된 에너지 업소버(20)와 범퍼빔(30) 사이에 탑재된다.
충격에너지 변환 장치(100)는 도 2에서와 같이 다수의 충격에너지 변환 유닛(100a 내지 100f)을 차량의 폭 방향으로 회전방향을 상하 교차로 동작하도록 배치(즉, 주기적으로 반전 배치)하거나, 회전방향을 하나의 방향으로만 동작하도록 배치할 수도 있다.
범퍼커버(10)는 차량 일측에 충돌시 발생하는 충격에너지를 전방위로 분산시켜 에너지 업소버(20)로 전달한다. 이는 차량의 어느 일측에 충돌이 발생하더라도 고르게 힘을 분산시켜 에너지 업소버(20)로 전달함으로써, 궁극적으로 차량용 범퍼에 내장된 각각의 충격에너지 변환 장치(100)에 고르게 충격에너지를 전달할 수 있다. 범퍼커버(10)에 내장된 에너지 업소버(20)는 충격에너지 변환 장치(100)의 전면에 설치되어 1차적으로 충격에너지를 흡수한다. 이때, 에너지 업소버(20)는 회전부재(120)와의 접촉면을 통해서만 충격에너지를 전달한다.
특히, 에너지 업소버(20)는 차량의 충돌 종료 후에 변형된 상태에서 충격에너지 변환 장치(100)의 회전축(110)에 닿지 않도록, 충격에너지 변환 장치(100)를 향하는 배면에 경량강판 등으로 보강판(21)을 구비한다. 이는 차량의 충돌시에 발생되는 충격력이 회전축(110)에 직접 전달되지 않고 충격에너지 변환 장치(100)의 회전부재(120)의 접촉면을 통해 온전히 전달되도록 하기 위함이다. 이러한 에너지 업소버(20)의 보강판(21)은 후술할 실시예에 대해서도 동일하게 적용되며, 이후 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 차량용 범퍼는 차량 충돌시 발생하는 충격에너지를 1차적으로 에너지 업소버(20)를 통해 흡수하고, 2차적으로 충격에너지 변환 장치(100)를 통해 흡수 및 완충하여 최종적으로 남아 있는 나머지 충격에너지를 범퍼빔(30)을 통하여 차체에 전달한다. 특히, 충격에너지 변환 장치(100)는 최종적으로 남아 있는 나머지 충격에너지를 차체에 전달할 때, 회전축(110)을 통해 양단의 지지 프레임(160)에 전달하고, 양단의 지지 프레임(160)을 통해 범퍼빔(30)에 전달한다. 따라서, 충격에너지 변환 장치(100)는 에너지 업소버(20) 및 범퍼빔(30)의 충격에너지 흡수성능에 대한 한계를 극복하여 최종적으로 차체에 전달되는 충격에너지를 감소시킴으로써, 차량의 파손 및 탑승자의 인명피해를 방지할 수 있도록 한다.
이하, 이를 위한 충격에너지 변환 장치(100)의 구성요소에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 회전축(110)은 도 1a에서 'A' 부분을 분해하여 도시하는 도 1b를 참조하여 설명한다. 회전축(110)은 회전부재(120)의 회전을 위한 축으로서, 케이스(150) 및 지지 프레임(160)에 회전부재(120)를 결합시킨다. 이때, 강철봉으로 이루어진 회전축(110)은 회전부재(120)에 형성된 회전부재 구멍(121), 케이스(150)에 형성된 케이스 구멍(151) 및 지지 프레임(160)에 형성된 프레임 구멍(161)을 관통하여 하나로 핀 결합(pin coupling)한다. 여기서, 회전부재 구멍(121)은 회전부재(120)의 회전시에 회전축(110)에 대한 마찰력을 최소화하기 위해 정밀하게 가공된다. 케이스 구멍(151) 및 프레임 구멍(161)에는 회전축(110)의 회전에 의한 마찰력을 감소시키기 위한 베어링(122)이 설치된다.
한편, 회전축(110)의 길이는 충격에너지 변환 장치(100)의 길이에 대응하므로, 충격에너지의 흡수능력 및 설치방향에 따라 조절된다. 여기서, 케이스(150) 및 지지 프레임(160)은 케이스 구멍(151) 및 프레임 구멍(161)을 일치시킨 상태로 용접 등의 방식으로 고정할 수 있다.
회전부재(120)는 부채꼴로 회전축(110)을 중심으로 비대칭형 구조로 구현되어 있고, 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격에너지를 흡수 및 완화한다.
구체적으로, 회전부재(120)는 회전부재 구멍(121)을 관통하는 회전축(110)을 이용해 회전함으로써, 외부로부터 전달되는 충격에너지의 진행방향을 변환하여 충격에너지를 완화한다. 다시 말하면, 회전부재(120)는 에너지 업소버(20)를 통하여 외부로부터 전달된 충격에너지에 대해, 본래의 충격에너지 진행방향과 역으로 충격력이 작용할 수 있도록 충격에너지의 진행방향을 변환하여 차체로 전달되는 충격에너지를 완화할 수 있다. 또한, 회전부재(120)는 에너지 업소버(20)로부터 전달되는 충격에너지의 일부를 흡수한다. 즉, 회전부재(120)는 단일 에너지 흡수 부재로 구현된 형태(도 3 참조) 또는 부채살 형상의 경량화 부재와 단위 에너지 흡수 부재의 교차 결합으로 구현된 형태(도 5a 및 도 6a 참조)와 같이 충격에너지를 흡수할 수 있다.
회전부재(120)는 회전축(110)의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상이 핀 결합 방식을 이용하여 각각 체결된다. 이때, 회전부재(120)는 회전축(110)에 고정하기 위한 회전축 지지대(123a)를 양 끝단에 구비하며, 회전축 지지대(123a)를 회전축(110)의 내측 및 외측에 대해 중첩으로 핀 결합 방식을 이용하여 고정한다.
또한, 회전부재(120)는 에너지 업소버(20)와의 접촉면을 톱니형태(∧) 또는 물결형태(∼)로 형성하여 접촉면의 접촉면적을 증가시켜 마찰력을 증대시킬 수 있다.
완충 스프링(130)은 도 1a에서 'B' 부분의 내부를 도시하는 도 1c와 도 3을 참조하여 설명한다.
완충 스프링(130)은 격판(140)에 일측이, 케이스(150)에 타측이 고정되며, 적어도 하나 이상의 개수로 케이스(150) 내부에 서로 평행하게 이격 배치된다. 이때, 완충 스프링(130)은 부채꼴인 케이스(150)의 곡률을 따라 배치되는데, 바람직하게는 각각의 스프링이 독립적으로 동작하도록 케이스(150)의 내부 표면에 돌출된 형상의 안내틀(도면에 미도시)을 따라 배치된다.
완충 스프링(130)은 외부 물체와의 충격으로 인해 회전부재(120)로부터 전달된 충격에너지를 완화시킨다. 즉, 완충 스프링(130)에는 회전부재(120)로부터 진행방향이 변환된 충격에너지가 전달되면, 충격에너지에 의해 변형이 일어나고 원상태로 되돌아 가려는 탄성 반발력(즉, 탄성 저항력)이 작용하고, 해당 탄성 반발력이 케이스(150)의 측벽에 작용한다. 이때, 해당 탄성 반발력은 충격에너지의 진행방향과 반대로 작용하는 모멘트 즉, 충격에너지를 완화시키는 힘으로 회전축(110)을 중심으로 작용한다.
한편, 완충 스프링(130)은 회전부재(120)로부터 전달된 충격에너지에 대응할 수 있는 탄성 반발력을 제공하는 크기와 형태를 가진다. 이는 완충 스프링(130)의 스프링 상수를 하기와 같이 설정하여 완충 스프링(130)을 설계할 수 있다.
먼저, 차량 충돌시의 충격력과 그에 따라 완충 스프링(130)의 스프링 상수 설정하기 위한 충격력 계산 과정을 예를 들어 설명하기로 한다.
일직선상을 주행하는 무게 m1인 차량 A가 v1인 속도로 정차중인 무게 m2인 차량 B를 정면 충돌하는 경우에 완전 비탄성 충돌이라 가정하면, 차량 A 및 B는 충돌 후 같은 속도 v′로 운동한다.
운동량 보존 법칙을 이용하여 차량 A 및 B에 가해지는 충격력을 계산하면 다음과 같다.
충돌 전 운동량은 m1v1이고, 충돌 후 운동량은 (m1＋m2)v′이다. 이때, 운동량 보전 법칙에 의해 충돌 전후의 운동량이 보존되므로, 충돌 후의 속도 v′는
Figure pat00001
이다.
앞차인 차량 B에 가해지는 충격량은 F·Δt=m2v′이고, 뒷차인 차량 A에 가해지는 충격량은 F·Δt=m1v1―m2v′이며, 차량 A 및 B의 충격량이 동일하므로, 충격력 F는
Figure pat00002
이다.
본 발명의 충격에너지 변환 장치(100)는 에너지 업소버(20)와 범퍼빔(30) 사이에 설치되는데, 회전부재(120)와 완충 스프링(130)의 압축 거동에 의해 에너지 업소버(20)에서 1차로 지연시킨 충돌시간을 다시 2차로 지연시킨다. 이 경우, Δt는 범퍼커버(10) 및 에너지 업소버(20)에 의한 충돌지연시간(Δt1)과 충격에너지 변환 장치(100)에 의한 충돌지연시간(Δt2)의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, Δt＝Δt1＋Δt2와 같다.
따라서, 본 발명의 충격에너지 변환 장치(100)가 탑재된 차량용 범퍼에서 완충 스프링(130)에 가해지는 충격력 F는
Figure pat00003
이며, 이는 궁극적으로 전체 충돌시간이 늘어남으로써 차체에 전달되는 충격력이 줄어드는 효과를 제공한다.
한편, 충격에너지 변환 장치(100)에 내장된 단위 완충 스프링(130)의 1개당 반발력(탄성 저항력) Fs은 Fs＝kx(단, k는 스프링 상수, x는 최대내력 시 변위량)로 나타낼 수 있고, n개의 완충 스프링(130)이 저항할 수 있는 합력 Fts은 Fts＝nFs＝nkx로 나타낼 수 있다. 이에 따라, 완충 스프링(130)은 n개의 단위 완충 스프링(130)이 저항할 수 있는 합력(Fts)이 충돌에 의해 충격에너지 변환 장치(100)의 단위 완충 스프링(130)에 가해지는 충격력(F)보다 작거나 같은 조건이 만족되도록 설계되어야 한다(하기 수학식 1 참조).
Figure pat00004
구체적으로, 완충 스프링(130)은 상기 수학식 1이 만족되는 스프링 상수(k), 수량(n) 및 변위량(x)을 가정하여 설계된다. 이때, 가정된 스프링 상수를 편의상 완충 스프링(130)의 설계 과정에 대한 예를 설명할 때 "예상 스프링 상수"라 하자.
여기서, 충격력 F는 전술한 바와 같이 완충 스프링(130)의 동작 조건에 대한 예상 환경에서 설정된다. 이는 완충 스프링(130)의 동작 환경을 예상하여 가정한 조건을 대입하여 완충 스프링(130)을 설계하는 것으로서, 적어도 이러한 예상 동작 환경을 극복할 수 있는 완충 스프링(130)의 물리적 조건에 대해서는 스프링 상수(하기 수학식 2 참조)에 기초하여 설계한다.
일반적으로, 압축 스프링의 스프링 상수는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서, G는 횡탄성 계수로서 스프링의 선재로 고탄소강인 피아노선 및 오일템퍼선을 사용할 경우에 G=8×103㎏f/㎜이다. d는 스프링 선경이고, Na는 유효권수(감긴수)이며, D는 코일의 평균경(중심경)으로서 내경과 외경의 평균을 나타낸다. 이때, 물리적 조건(즉, 스프링 선경 d, 유효권수 Na, 평균경 D)이 가정되어 상기 수학식 2에 의해 계산된 스프링 상수를 편의상 완충 스프링(130)의 설계 과정에 대한 예를 설명할 때 "계산 스프링 상수"라 하자.
이를 토대로, 완충 스프링(130)은 계산 스프링 상수 및 예상 스프링 상수를 비교하여 소정의 조건(즉, 계산 스프링 상수가 예상 스프링 상수보다 크거나 같은 조건)을 만족하도록 설계한다.
이와 같이, 본 발명에서는 충돌시 스프링에 작용되는 동작 환경을 예상하고, 해당 예상 결과에 기초하여 이를 극복할 수 있는 스프링의 물리적 조건을 설정함으로써 실제로 충격에너지 변환 장치(100)에 적용될 수 있는 완충 스프링(130)을 설계한다. 부가적으로, 상기 수학식 1에서 스프링 상수 k는
Figure pat00006
이므로, 수량(n), 변위량(x) 및 충돌시간(Δt1＋Δt2)에 반비례함을 알 수 있다.
이하, 완충 스프링(130)의 설계 과정에 대해 예를 들어 설명하기로 한다.
무게 1500㎏인 차량 A가 80㎞/h의 속도로 같은 무게의 정차중인 차량 B를 정면 충돌한 경우에 완전 비탄성 충돌로 가정하여 설명한다. 이때, 차량 A 및 B는 이상적으로 완전 비탄성 충돌일 때 동일 방향(즉, 차량 A의 진행방향)으로 40㎞/h의 속도로 움직인다. 차량 A 및 B에 가해지는 충력량은 F·Δt＝mve―mvi＝1500㎏×(80㎞/h―40㎞/h)＝1700㎏f·sec이다.
또한, 차량 A 및 B는 고속충돌이지만 충돌 후 범퍼커버(10) 및 에너지 업소버(20), 충격에너지 변환 장치(100)의 회전부재(120)와 완충 스프링(130)에 의해 감속된다. 이때, 충격력의 작용시간(즉, 충돌시간)은 0.15sec로 가정한다. 차량 A 및 B에 가해지는 충격력은 F＝(mve―mvi /)/Δt＝1700㎏f·sec/0.15sec＝111.1kN이다.
범퍼커버(10) 및 에너지 업소버(20)의 충격력 흡수율은 극히 미비하기 때문에, 해당 충격력은 그대로 차체에 전달된다.
먼저, 완충 스프링(130)의 예상 동작 환경에서 설계하면, 완충 스프링(130)의 스프링 상수(즉, 예상 스프링 상수)를 k=20㎏f/㎜, 최대내력 시 변위량을 x=50㎜로 가정한다. 이때, 완충 스프링(130)의 1개당 반발력은 Fs＝kx＝20㎏f/㎜×50㎜＝9.8kN이다. 충격에너지 변환 장치(100)에는 2∼3개의 완충 스프링(130)이 내장되며, 범퍼 전체에는 12∼18개 정도의 완충 스프링(130)이 설치된다. 이러한 완충 스프링(130) 전체가 저항할 수 있는 최소한의 힘의 크기는 Fts＝nFs＝12×9.8kN＝117.6kN이다.
상기 수학식 1과 같이 F＜Fts(즉, 111.1kN＜117.6kN)를 만족하므로, 본 발명의 실시예에서는 예상 스프링 상수를 k=20㎏f/㎜로 하여 계산 스프링 상수를 위한 물리적 조건을 설정하여 설계한다.
이하, 완충 스프링(130)의 물리적 조건을 설정하여 계산 스프링 상수를 계산함으로써 완충 스프링(130)을 설계하는 과정에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 충격에너지 변환 장치(100)에 적용된 완충 스프링(130)은, 일정한 곡률(회전)반경을 가지면서 스프링 상수가 커야한다. 이에, 완충 스프링(130)의 계산 스프링 상수는 회전각(즉, 45°, 60°, 90°)에 따라 각각 다음과 같이 계산된다.
회전각이 45°인 경우에, 스프링의 선경(d)이 12㎜, 유효권수(Na)가 4.5, 코일 평균경(D)이 60㎜라 가정하면, 상기 수학식 2를 통해 도출된 계산 스프링 상수는 21.33㎏f/㎜이다. 이러한 계산 스프링 상수는 예상 스프링 상수(20㎏f/㎜)보다 크기 때문에, 해당 물리적 조건에 따라 완충 스프링(130)을 설계할 수 있다.
회전각이 60°인 경우에, 스프링의 선경(d)이 13㎜, 유효권수(Na)가 5, 코일 평균경(D)이 65㎜라 가정하면, 상기 수학식 2를 통해 도출된 계산 스프링 상수는 20.8㎏f/㎜이다. 이러한 계산 스프링 상수는 예상 스프링 상수(20㎏f/㎜)보다 크기 때문에, 해당 물리적 조건에 따라 완충 스프링(130)을 설계할 수 있다.
회전각이 90°인 경우에, 스프링의 선경(d)이 12㎜, 유효권수(Na)가 9(즉, 4.5×2), 코일 평균경(D)이 60㎜라 가정하면, 상기 수학식 2를 통해 도출된 계산 스프링 상수는 10.67㎏f/㎜이다. 이러한 계산 스프링 상수는 예상 스프링 상수(10㎏f/㎜)보다 크기 때문에, 해당 물리적 조건에 따라 완충 스프링(130)을 설계할 수 있다. 이 경우에 계산 스프링 상수는 스프링의 자유길이가 길고 감긴수가 많아 반비례하여 1/2로 작아지며, 회전각이 45°. 60°인 경우와 같은 저항력을 가지기 위해서는 최대 내력 시의 변위량이 2배로 커진다. 이때, 완충 스프링(130)의 반발력은 Fs＝10.67㎏f/㎜×100㎜＝10.46kN이다. 여기서, 스프링 상수는 1/2로 작아지고, 변위량은 2배 커진다.
이와 같이, 본 발명에서는 충격에너지 변환 장치(100)에 내장된 완충 스프링(130)의 설계 과정을 통해, 차량 간의 고속충돌 시에 큰 충격력에 저항하여 차량의 안전을 확보할 수 있는 범퍼구조를 구현할 수 있다.
한편, 완충 스프링(130)은 인장강도가 큰 선재로 열간성형된 압축 코일 스프링(coiled spring)이 주로 사용되지만, 폴리프로필렌계 수지폼(EPP), 폴리올레핀계 수지폼 등의 발포재 내에 압축 코일 스프링이 매립된 형태의 스프링, 2중 압축 코일 스프링 구조의 이너 스프링(inner spring)(도 21a 내지 21c 참조), 압축 코일 스프링의 외부 둘레를 나선형의 탄성고무로 감은 형태의 에리고 스프링(Eligo spring), 고무용기(벨로스)에 압축공기를 넣어 공기와 내장스프링의 탄성을 동시에 이용하는 형태의 공기 스프링(air spring) 등과 같이 다양한 종류의 스프링이 사용될 수 있다.
또한, 완충 스프링(130)은 폴리프로필렌계 수지폼(EPP), 폴리올레핀계 수지폼 등의 발포재에 강도와 탄성이 높은 액체금속(즉, 지르코늄에 티타늄, 구리, 니켈 등을 섞어 만든 합금소재)을 선형으로 내장하는 형태의 액체금속 발포체, 에너지 흡수 부재로서 유니버설 조인트(universal joint)를 갖는 유압실린더 등과 같이 스프링 이외의 부재로 대체될 수 있다.
격판(140)은 회전부재(120) 및 완충 스프링(130) 사이에 위치한다. 이때, 격판(140)은 회전축(110)에 핀 결합으로 연결되어 있거나, 회전부재(120)에 일체형으로 부착될 수 있다. 특히, 격판(140)은 도 3의 'C' 부분에 도시된 바와 같이, 회전축(110)으로부터 회전부재(120)의 반경보다 조금 더 길게 구현됨으로써, 회전부재(120)의 회전 거동시에 스토퍼(170)에 걸려 구속되어 완충 스프링(130)의 반발 거동을 제어한다.
한편, 격판(140)은 스틸 소재를 주로 사용하나, 경량화 소재로서 GMT(Glass fiber Mat Thermoplastic)와 같은 유리섬유 등을 사용할 수도 있다.
케이스(150)는 종단면이 부채꼴으로 이루어진 용기 형상을 가지며, 회전부재(120)의 일부, 격판(140) 및 완충 스프링(130)이 내측에 삽입되어 있고, 충격에너지에 의한 회전부재(120)의 회전 거동시에 격판(140)의 지지를 위한 스토퍼(170)가 내측 곡면에 돌출되어 있다.
또한, 케이스(150)는 부채꼴의 특성상 외측 표면의 곡률에 의해 범퍼빔(30)과 접촉되지 않는 공간에 강판 등을 수직으로 접합하여 범퍼빔(30)과 직접적으로 결합되며, 이를 통해 범퍼빔(30)과의 결합력을 증가시켜 단단하게 고정할 뿐만 아니라 범퍼빔(30)과의 면접촉을 통해 충격에너지를 분산 및 전달한다. 이때, 케이스(150)는 회전축(110)을 기준으로 하방 우측에 위치한다.
아울러, 케이스(150)는 범퍼빔(30)에 고정되어 있는 지지 프레임(160)의 프레임 구멍(161)과 부채꼴의 케이스 구멍(151)을 동시에 관통하는 회전축(110)에 의해 범퍼빔(30)과 간접적으로 결합된다.
이와 같이, 케이스(150)는 범퍼빔(30)과 직/간접으로 결합됨으로써, 기본적으로 충격에너지 변환 장치(100)가 범퍼에 구조적인 안정성을 확보한 상태로 결합한다.
또한, 케이스(150)에는 회전부재(120)로부터 전달되는 충격에너지를 흡수 및 분산하기 위한 회전방향의 내측면에 완충 스프링(130)이 지지 및 고정된다.
지지 프레임(160)은 회전부재(120), 케이스(150) 및 회전축(110)을 범퍼빔(30)에 연결하여 지지한다. 이때, 강철봉으로 이루어진 지지 프레임(160)은 범퍼빔(30)과 동일 재질로서 용접으로 결합되는 것이 바람직하다. 이때, 지지 프레임(160)은 에너지 업소버(20)와 회전부재(120)의 미접촉 부분을 지지하여, 충돌시 회전축(110)에 직접적인 파손을 방지한다.
또한, 지지 프레임(160)은 충격에너지의 변환 과정에서 발생하는 모멘트에 저항하기 위해, 회전축(110)의 지지부위에 적어도 하나 이상의 로드(rod)가 연결되어 있는 구조를 갖는다. 이는 회전축(110)의 지지부위에 집중되는 편심 하중을 적어도 하나 이상의 로드를 통해 분산하여 범퍼빔(30)에 전달되도록 하기 위함이다.
스토퍼(170)는 케이스(150)의 내측 곡면에 돌출되어 있으며, 선형 스프링이 내장되어 있다. 이러한 스토퍼(170)는 충돌시에 완충 스프링(130)의 휨-압축 거동 후 격판(140)의 단부(도 3의 'C' 부분 참조)를 구속하여 완충 스프링(130)의 반발력에 의한 거동을 제어한다. 이때, 스토퍼(170)는 완충 스프링(130)의 반발력이 작용하는 상태를 충돌 완료시까지 유지함으로써, 충격에너지의 진행방향과 반대로 완충 스프링(130)의 반발력이 작용하도록 함으로써 충격에너지의 완화 작용이 실제로 반영될 수 있도록 한다.
스토퍼(170)는 케이스(150)에 돌출되는 위치를 조정함으로써, 충격에너지에 대한 완충 스프링(130)의 반발력 세기를 조절한다. 즉, 스토퍼(170)는 회전부재(120)에 가깝게 위치시킬수록 완충 스프링(130)의 반발력 세기를 줄일 수 있다. 이를 통해, 도 2의 충격에너지 변환 장치(100)에서, 다수의 충격에너지 변환 유닛(100a 내지 100f)은 각기 스토퍼(170)의 위치를 조정하여 다양한 충격에너지에 대해 완충 스프링(130)의 반발력 세기를 갖도록 구성될 수 있다. 일례로, 하나의 그룹으로 충격에너지 변환 유닛(100a, 100c, 100e)은 30㎞ 이상 50㎞ 미만의 속도로 주행할 때의 충격에너지를 위한 완충 스프링(130)의 반발력 세기를 갖도록 구성하고, 다른 그룹으로 충격에너지 변환 유닛(100b, 100d, 100f)은 60㎞ 이상의 속도로 주행할 때의 충격에너지를 위한 완충 스프링(130)의 반발력 세기를 갖도록 구성한다. 이는 후술할 도 10에서 충격에너지 변환 장치(200)의 충격에너지 변환 유닛(200a 내지 200i)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 상기 도 1a 내지 상기 도 3에 도시된 회전부재(120)의 응력 전달 매커니즘에 대해 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 제 1 실시예에 나타난 회전부재를 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도이다.
여기서, 회전부재(120)는 회전각이 180°이며, 하단에 회전각이 45°인 완충 스프링(130)이 설치되어 있다. 또한, 회전부재(120)는 완충 스프링(130)에 힘이 작용하지 않을 때의 자유길이에서 회전각(α)이 45°이고, 완충 스프링(130)의 반발력이 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력과 힘의 평형일 때 완충 스프링(130)의 회전각(θ)이 30°를 유지하도록 설계된다.
회전부재(120)가 회전하면서 충격에너지의 진행방향이 변환되므로, 힘의 평형 상태에서 회전축(110)에 전달되는 힘은 수평방향의 힘(Px)으로 계산된다(도 4b 참조). 힘의 평형 상태에서 회전축에 전달되는 수평방향의 힘(Px)은 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력(Pco)과, 완충 스프링(130)의 반발력이 충격력과 평형상태(단, Pco=Rs)일 때의 수평분력(-Rscos30°)의 합력으로 나타낸다[즉, Px=Pco+(-Rscos30°)=Pco(1-cos30°)=0.134Pco].
이와 같이, 하측 케이스 측벽면에는 완충 스프링(130)의 반발력이 발생하고, 이 반발력에 의해 하측 케이스 내부에는 회전축(110)을 중심으로 한 모멘트(M)가 발생한다(도 4c 참조).
그 결과, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 충격에너지 변환 장치(100)는 에너지 업소버(20)로부터 인가된 충격력(Pco)의 13.4%만 범퍼빔(30)으로 전달하기 때문에 차체의 파손 및 탑승자의 손상을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 충격에너지가 에너지 업소버(20)의 상부 측면을 통해 전달되는 경우에 대해 설명하였으나, 충격에너지가 에너지 업소버(20)의 하부 측면을 통해 전달되는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있는 바, 이에 자세한 내용은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 생략하기로 한다.
도 5a 내지 도 5c는 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 1 실시 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 회전부재(120a)는 부채살 형상인 경량화 부재(121a)와 에너지 흡수 부재(122a)를 교차로 결합하여 형성함으로써, 충격에너지의 진행방향을 변환시킬 뿐만 아니라 주름 형상을 구현하여 충격에너지를 어느 정도 흡수할 수 있도록 한다. 여기서, 경량화 부재(121a)는 GMT와 같은 유리섬유, 탄소섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer: CFRP), 아라미드 섬유(aramid fiber), 경량 강화 열가소성 플라스틱(Low Weight Reinforced Thermo-plastics: LWRT) 및 경량 금속성 재질(예를 들어, 알루미늄, 경량강판, 고강도 마그네슘 등) 등이 이용될 수 있다. 에너지 흡수 부재(122a)는 발포비율이 낮은 EPP와 같은 발포재료가 이용될 수 있다.
도 5b 및 도 5c와 같이, 경량화 부재(121a)와 에너지 흡수 부재(122a)는 회전축 지지대(123a)를 좌우측에 형성하여 회전축(110)에 핀 결합하여 고정한다. 이때, 경량화 부재(121a) 및 에너지 흡수 부재(122a)의 회전축 지지대(123a)는 하나의 회전축(110)에 서로 겹쳐지지 않도록 회전축(110)의 길이방향을 따라 순차적으로 연결할 수 있도록 형성되어 있다.
도 6a 내지 도 6c는 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 2 실시 변형예를 나타내는 단면도이다. 이때, 도 6c는 도 6b의 A-A' 선의 단면에서 경량화 부재(121b)와 에너지 흡수 부재(122b)를 서로 결합한 상태를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5c의 회전부재(120a)는 경량화 부재(121a) 및 에너지 흡수 부재(122a) 각각에 대해 독립적으로 개체로 회전축(110)의 결합을 통해 연결되는 형태인 반면에, 도 6a 내지 도 6c의 회전부재(120b)는 경량화 부재(121b)와 에너지 흡수 부재(122b)를 일체형으로 결합된 각각에 대해 회전축(110)의 결합을 통해 연결되는 형태를 나타낸다.
도 6b 및 도 6c와 같이, 경량화 부재(121b)에는 에너지 흡수 부재(122b)와 일체형으로 결합하기 위한 삽입공(123b)이 형성되어 있고, 에너지 흡수 부재(122b)에는 경량화 부재(121b)에 형성되어 있는 삽입공(123b)에 끼워져 일체형으로 결합하기 위한 돌출부(124b)가 형성되어 있다.
전술한 바와 같이, 경량화 부재(121b)는 유리섬유, 탄소섬유강화섬유(CFRP), 아라미드 섬유, 알루미늄, 경량 철판 등이 이용될 수 있다. 에너지 흡수 부재(122b)는 발포비율이 낮은 EPP와 같은 발포재료가 이용될 수 있다.
도 7은 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 3 실시 변형예를 나타내는 단면도이고, 도 8은 제 1 실시예의 회전부재에 대한 제 4 실시 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 회전부재(120c, 120d)에는 범퍼커버(10)에서 범퍼빔(30)에 이르는 범퍼의 폭을 줄이기 위한 구조를 갖도록 한다. 이를 위해, 에너지 업소버(20)는 범퍼커버 측에 경성 업소버(20a)와 회전부재 측에 연성 업소버(20b)와 같이 이중 충격 흡수 구조로 이루어져 있으며, 지지 프레임은 추가로 배치될 수 있다.
한편, 회전부재(120c, 120d)는 중심부분이 뚫어져 있는 부분 도넛 형태로서, 에너지 업소버로부터 전달된 힘의 전달매체로서의 경량화 부재(121c, 121d)와 강철 케이스로서의 프레임(122c, 122d)으로 구성된다.
이 경우, 경량화 부재(121c, 121d)는 에너지 업소버(20)와 접촉하는 선단부의 길이가 단축된 구조를 이루고 있다.
특히, 도 7의 회전부재(120c)는 프레임(122c)에 의해 형성된 폐쇄형 프레임 내부에 경량화 부재(121c)를 포함하고 있어 충격시 경량화 부재(121c)가 휨, 압축 변형이 되지 않는 상태로 충격력의 전달이 진행되도록 한다. 이에 따라, 경량화 부재(121c)는 충격 흡수 효율이 좋은 부재(일례로, GMT, CFRP, LWRT 또는 알루미늄, 경량강판 등)를 이용할 수 있다.
한편, 도 8의 회전부재(120d)는 프레임(122d)에 의해 형성된 개방형 프레임에 경량화 부재(121d)를 고정하여 충격시 경량화 부재(121d)에 의한 힘전달이 진행되도록 한다. 이때, 경량화 부재(121d) 및 프레임(122d)은 소정의 결합 방식(일례로, 피스 고정, 금속부재인 경우 용접 등)에 의해 접합된다.
케이스 지지대(123c, 123d)는 에너지 업소버와 케이스 사이의 공극에 배치하여 에너지 업소버와 케이스 사이의 밀착상태를 유지하도록 함으로써, 궁극적으로 에너지 업소버로부터 전달되는 충격에너지가 회전부재(120c, 120d)로 전달되도록 한다. 이때, 케이스 지지대(123c, 123d)는 충돌시에 연성 업소버의 형태를 변형시켜 에너지 업소버로부터 전달되는 충격력의 일부를 흡수한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치에 대한 제 2 실시예에 대한 도면이고, 도 10은 제 2 실시예의 충격에너지 변환 장치를 이용한 차량용 범퍼에 대한 분해 사시도이고, 도 11은 상기 도 10의 차량용 범퍼에 탑재된 충격에너지 변환 장치에 대한 단면도이다.
충격에너지 변환 장치(200)는, 제 1 실시예의 충격에너지 변환 장치(100)의 다른 실시예로서, 상기 도 1a 내지 도 3에 도시된 충격에너지 변환 장치(100)의 상하 비대칭형 구조와 달리 상하 대칭형 구조를 형성함으로써 상하측 접촉면을 통해 충격에너지를 에너지 업소버(20)로부터 전달받는다.
도 9a 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 충격에너지 변환 장치(200)는 상하 대칭형 구조로 구성되며, 회전축(210), 회전부재(220a, 220b), 완충 스프링(230a, 230b), 격판(240a, 240b), 케이스(250), 지지 프레임(260), 스토퍼(270a, 270b), 스프링 지지판(280)을 포함한다. 또한, 격판(240a, 240b)에는 도 11의 'D1' 및 'D2' 부분이 회전축(210)으로부터 회전부재(220a, 220b)의 반경보다 조금 더 길게 구현되어 있다.
충격에너지 변환 장치(200)는 다수의 충격에너지 변환 유닛(200a 내지 200i)을 포함하며, 각 구성요소는 상기 도 1 내지 상기 도 3의 충격에너지 변환 장치(100)의 구성요소에 대응되므로, 각 구성요소에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 충격에너지 변환 장치(200)는 상하 대칭형 구조를 형성하는 특성으로 인해, 완충 스프링(230a, 230b)에 대한 지지판의 기능을 수행하는 스프링 지지판(280)을 케이스(250) 내부에 형성한다.
특히, 충격에너지 변환 장치(200)는 완충 스프링(230a, 230b)의 회전각이 커짐에 따라 차체에 전달되는 충격에너지를 감소시킨다. 이는 충격에너지 변환 장치(200)가 완충 스프링(230a, 230b)의 회전각이 커짐에 따라 충격에너지 변환 장치(200)에서 에너지 업소버(20)로부터 전달되는 충격에너지의 완화 정도가 커진다는 것을 의미한다.
이하, 상기 도 9a 내지 도 11에 도시된 회전부재(220a, 220b)의 응력 전달 매커니즘에 대해 상세히 설명한다.
도 12a 내지 도 12c는 제 2 실시예에 나타난 회전부재에 회전각이 45°인 완충 스프링을 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도이다.
먼저, 회전부재(220a, 220b)에 회전각이 45°인 완충 스프링(230a, 230b)이 설치된 경우에 대하여 설명한다(도 12a 내지 도 12c 참조).
회전부재(220a, 220b)는 완충 스프링(230a, 230b)에 힘이 작용하지 않을 때의 자유길이에서 회전각(α)이 45°이고, 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력이 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력과 힘의 평형일 때 완충 스프링(230a, 230b)의 회전각(θ)이 30°를 유지하도록 설계된다(도 12a 참조).
힘의 평형 상태에서 회전축(210)에 전달되는 힘은 수평방향의 힘(Px)으로 계산된다(도 12b 참조). 힘의 평형 상태에서 회전축에 전달되는 수평방향의 힘(Px)은 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력(Pco)과, 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력이 충격력과 평형 상태(단, Pco=Rs)일 때의 수평분력(-Rscos60°)의 합력으로 나타낸다[즉, Px=Pco+(-Rscos60°)=Pco(1-cos60°)=0.5Pco].
완충 스프링(230a, 230b)이 상하 대칭으로 설치되므로, 회전축(210)에는 Pco의 수평력과 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력(Rs) 중 최대 50%가 스프링 지지판(280)으로부터 전달된다. 이때, 스프링 지지판(280)에는 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력(Rs)이 상하부에서 수직방향으로 같은 크기로 작용하게 되므로 두 힘은 서로 상쇄된다(도 12c 참조).
따라서, 최종적으로 회전축(210) 및 지지 프레임(260)을 통해 차체에 전달되는 충격력은 2Pco→Pco로 감소되어, 전체 충격력의 50%만 전달된다.
도 13a 내지 도 13c는 제 2 실시예에 나타난 회전부재에 회전각이 60°인 완충 스프링을 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도이다.
다음으로, 회전부재(220a, 220b)에 회전각이 60°인 완충 스프링(230a, 230b)이 설치된 경우에 대하여 설명한다(도 13a 내지 도 13c 참조).
회전부재(220a, 220b)는 완충 스프링(230a, 230b)에 힘이 작용하지 않을 때의 자유길이에서 회전각(α)이 60°이고, 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력이 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력과 힘의 평형일 때 완충 스프링(230a, 230b)의 회전각(θ)이 45°를 유지하도록 설계된다(도 13a 참조).
힘의 평형 상태에서 회전축(210)에 전달되는 힘은 수평력으로 계산된다(도 13b 참조). 즉, 힘의 평형 상태에서 회전축에 전달되는 힘(Px)은 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력(Pco)과, 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력이 충격력과 평형 상태(단, Pco=Rs)일 때의 수평분력(-Rscos45°)의 합력으로 나타낸다[즉, Px=Pco+(-Rscos45°)=Pco(1-cos45°)=0.293Pco].
완충 스프링(230a, 230b)이 상하 대칭으로 설치되므로, 회전축(210)에는 0.586Pco의 수평력과 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력(Rs) 중 최대 50%가 스프링 지지판(280)으로부터 전달된다. 이때, 스프링 지지판(280)에는 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력(Rs)이 상하부에서 수직방향으로 같은 크기로 작용하게 되므로 두 힘은 서로 상쇄된다(도 13c 참조).
따라서, 최종적으로 회전축(210) 및 지지 프레임(260)을 통해 차체에 전달되는 충격력은 2Pco→0.586Pco로 감소되어, 전체 충격력의 29.3%만 전달된다.
도 14a 내지 도 14c는 제 2 실시예에 나타난 회전부재에 회전각이 90°인 완충 스프링을 이용한 응력 전달 매커니즘에 대한 설명도이다.
다음으로, 회전부재(220a, 220b)에 회전각이 90°인 완충 스프링(230a, 230b)이 설치된 경우에 대하여 설명한다(도 14a 내지 도 14c 참조).
회전부재(220a, 220b)는 완충 스프링(230a, 230b)에 힘이 작용하지 않을 때의 자유길이에서 회전각(α)이 90°이고, 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력이 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력과 힘의 평형일 때 완충 스프링(230a, 230b)의 회전각(θ)이 60°를 유지하도록 설계된다(도 14a 참조).
힘의 평형 상태에서 회전축(210)에 전달되는 힘은 수평력으로 계산된다(도 14b 참조). 힘의 평형 상태에서 회전축에 전달되는 힘(Px)은 에너지 업소버(20)로부터 전달된 충격력(Pco)과, 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력이 충격력과 평형 상태(단, Pco=Rs)일 때의 수평분력(-Rscos30°)의 합력으로 나타낸다[즉, Px=Pco+(-Rscos30°)=Pco(1-cos30°)=0.134Pco].
지지 프레임(260)에 전달되는 완충 스프링(230a, 230b)의 반발력(Rs)은 회전축(210)과 스프링 지지판(280)에서 서로 상쇄된다(도 14c 참조).
따라서, 최종적으로 회전축(210) 및 지지 프레임(260)을 통해 차체에 전달되는 충격력은 2Pco→0.268Pco로 감소되어, 전체 충격력의 13.4%만 전달된다.
도 15는 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 1 실시 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 15의 회전부재(200)는 상하 대칭형 구조이며, 이에 대응되는 도 5a 내지 도 5c는 비대칭형 구조를 나타낸다. 도 15의 회전부재(200)의 구성방식에 대한 설명은 전술한 도 5a 내지 도 5c에 대한 설명을 통해 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 생략한다.
도 16은 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 2 실시 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 16의 회전부재(200)는 상하 대칭형 구조이며, 이에 대응되는 도 6a 내지 도 6c는 비대칭형 구조를 나타낸다. 도 16의 회전부재(200)의 구성방식에 대한 설명은 전술한 도 6a 내지 도 6c에 대한 설명을 통해 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 생략한다.
도 17은 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 3 실시 변형예를 나타내는 단면도이고, 도 18은 제 2 실시예의 회전부재에 대한 제 4 실시 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 17의 회전부재(200)는 상하 대칭형 구조이며, 이에 대응되는 도 7은 비대칭형 구조를 나타낸다. 도 17의 회전부재(200)의 구성방식에 대한 설명은 전술한 도 7에 대한 설명을 통해 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 생략한다.
또한, 도 18의 회전부재는 상하 대칭형 구조이며, 이에 대응되는 도 8은 비대칭형 구조를 나타낸다. 도 18의 회전부재의 구성방식에 대한 설명은 전술한 도 8에 대한 설명을 통해 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 생략한다.
특히, 도 17 및 도 18의 회전부재는 완충 용수철의 회전각(일례로, 45° 이상의 회전각)을 크게 설정하여 회전 거동이 크게 이루어지는 구조를 갖는다. 이는 에너지 업소버의 강성/연성으로 이루어진 이중 충격 흡수 구조와 더불어 범퍼커버에서 범퍼빔에 이르는 범퍼폭을 줄이기 위해 충격에너지의 흡수율을 향상시켜줄 수 있도록 하기 위함이다.
도 19는 본 발명에 따른 충격에너지 변환 장치에 대한 제 3 실시예에 대한 도면이고, 도 20은 상기 도 19의 충격에너지 변환 장치에 대한 단면도이다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 또 다른 실시예로서, 충격에너지 변환 장치(300)는, 회전축(310), 회전부재(320)의 경량화 부재(321)와 프레임(322), 완충 스프링(330), 인장 스프링(340), 케이스(350), 지지 프레임(360), 스토퍼(370)를 포함한다.
도 19 및 도 20에 도시된 충격에너지 변환 장치(300)는 회전축 이동형 구조로서, 충돌시에 1차적으로 완충 스프링(330)을 이용하여 회전부재(320)의 회전 거동에 의해 충격에너지의 진행방향을 변환함으로써 충격에너지를 완화시키며, 2차적으로 회전축(310)에 연결되어 있는 인장 스프링(340)을 이용하여 충격에너지를 흡수하는 이중 충격 흡수 구조로 형성되어 있다. 이러한 충격에너지 변환 장치(300)는 차량용 범퍼에 탑재되는 경우에 에너지 업소버에 의해서도 충격에너지가 흡수되므로, 총 3차에 걸쳐 충격에너지를 흡수 또는 완화시키는 과정을 거치게 된다. 여기서, 충격에너지 변환 장치(300)에서 완충 스프링(330)에 의한 동작에 대한 설명은 전술한 실시예를 통해 쉽게 이해할 수 있으므로, 이를 위한 구성요소의 설명에 대해 생략하기로 한다.
다만, 회전축(310)은 회전부재(320)의 회전 거동을 위한 축의 기능을 수행하면서, 인장 스프링(340)에 연결되어 회전축 변이 구멍(311)에 걸쳐 있다. 특히, 회전축(310)은 충돌시에 회전축 변이 구멍(311) 내에서 좌우 방향으로 동작한다.
회전 부재(320)는 부분 도넛 형태이므로, 프레임(322)에 의해 형성된 폐쇄형 프레임 내부에 경량화 부재(321)를 포함하여 충격시 경량화 부재(321)가 휨, 압축 변형이 되지 않는 상태로 충격력의 전달이 진행되도록 한다.
완충 스프링(330)은 압축 스프링을 나선형을 감은 고무외피로 구성하여 댐퍼 기능을 수행하는 에리고 스프링, 고무로 된 용기안에 압축공기를 넣어 공기의 탄성을 이용한 에어 스프링으로 구현되는 것이 바람직하다.
인장 스프링(340)은 회전축(310)에 연결되어, 평소 회전축(310)의 위치를 유지시키고 충돌시 회전축(310)의 이탈에 있어서 평소 회전축(310)의 위치로 회복시키려는 인장력을 회전축(310)에 작용한다. 이로써, 인장 스프링(340)은 충격에너지를 흡수하여 차체에 전달되는 충격에너지를 감소시킬 수 있다.
케이스(350)는 완충 스프링(330)을 보호하기 위한 부분, 회전축(310) 및 인장 스프링(340)을 지지하고 회전축 변이 구멍(311)을 형성하기 위한 부분으로 형성되어 있으며, 이러한 구조로 각 부분 간 지지를 위한 케이스 측면 프레임(351)을 추가로 설치하여 구비할 수 있다.
도 21a 내지 도 21c는 본 발명에 적용되는 완충 스프링에 대한 예시도이다.
도 21a 내지 도 21c에 도시된 바와 같이, 완충 스프링은 회전각[즉, 도 21a에서 회전각 90°, 도 21b에서 회전각 60°, 도 21c에서 회전각 45°]을 다양하게 설정할 수 있다. 완충 스프링은 회전축을 중심으로 한 회전각의 변화에 따라 곡선형 또는 직선형(즉, 곡률이 커지는 경우에)으로 설치할 수 있다.
특히, 회전각이 90°인 경우에는 회전각이 크고 완충 스프링의 길이가 길어지므로 압축변형 형상구현이 어렵기 때문에, 회전각 45°에 해당되는 지점에 보조격판을 부가적으로 설치하고 2개의 스프링을 분리하여 구성할 수 있다.
한편, 완충 스프링은 이너 스프링을 적용하여 탄성 반발력을 증가시키는 이중 스프링 구조를 형성할 수 있으며, 이때 완충 스프링에서 내부와 외부의 스프링상수를 동일하게 설정하는 것이 바람직하다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 충격에너지 변환 장치를 수직축(종축)에 기초하여 배치한 구조에 대한 예시도이다.
전술한 충격에너지 변환 장치(100 내지 300)는 수평축(횡축)에 기초하여 배치한 구조로서, 하나의 회전축(110 내지 310)에 적어도 하나 이상이 결합한 형태로 구현될 수 있다. 이는 회전축(110 내지 320)이 서로 분리되어 있지 않기 때문에 회전축(110 내지 320)에 의해 지지되는 힘이 크고, 인접 장치로 힘을 전달하기 쉬워 집중하중 형태의 큰 충격력에 대한 저항성능과 내구성을 가질 수 있는 장점이 있다.
반면에, 도 22a 및 도 22b의 충격에너지 변환 장치(500a, 500b)는 수직축(종축)에 기초하여 배치한 구조로서, 차량용 범퍼의 두께가 소정 두께 이내로 제한될 수밖에 없어 수직축을 따라 복수의 회전부재를 서로 연결한 구조를 갖기 어렵다. 이에, 충격에너지 변환 장치(500a, 500b)는 단일 회전부재가 포함된 완성형 구조로 차량의 폭 방향을 따라 일련의 장치군을 형성한다. 이때, 충격에너지 변환 장치(500a, 500b)는 차량의 폭 방향에서 회전부재의 회전방향에 따라 서로 동일한 방향 또는 서로 다른 방향으로 회전되도록 다양하게 배치된다.
충격에너지 변환 장치(500a, 500b)는 각각 독립적으로 배치된 구조이므로 파손시 수리가 용이하며, 장치에서 회전부재의 직경(즉 크기)을 조절하여 수량을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 충격에너지 변환 장치(500a, 500b)는 차체에 전달되는 힘(즉, 감소된 충격에너지)을 상/하부 지지 프레임을 통해 분산지지하여 힘이 한곳으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다.
도 23a 내지 도 23d는 본 발명의 충격에너지 변환 장치를 차량에 배치한 구조에 대한 예시도이다.
도 23a 내지 도 23d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 충격에너지 변환 장치는 차량용 범퍼의 곡률에 따라 배치구조를 설정할 수 있다. 도 23은 7∼8개의 충격에너지 변환 장치를 조합하여 차량의 전방(도 23a 및 도 23b 참조) 및 후방(도 23c 및 도 23d 참조)에 배치 구조를 나타낸다. 여기서, 충격에너지 변환 장치는 차량의 폭 방향으로 회전축을 일체로 하여 적어도 하나 이상의 단위 장치를 직선으로 범퍼빔에 체결하거나, 차량용 범퍼의 곡률에 따라 2개 이상의 단위 장치 각각에 대해 회전축을 서로 구분하여 범퍼빔에 체결한다.
전술한 바와 같이 차량용 범퍼는 일반적으로 범퍼커버(10), 에너지 업소버(20) 및 범퍼빔(30) 등으로 구성되어 있고, 충돌 시에 범퍼커버(10)와 에너지 업소버(20)의 변형에 의해 충돌시간이 지연되고, 줄어든 충격력을 범퍼빔(30)에서 일부 흡수하는 구조로 이루어진다.
그런데, 본 발명의 충격에너지 변환 장치(100 내지 300)를 적용하는 경우에는 1차로 에너지 업소버(20)에 의해 충돌시간이 지연되고, 다시 2차로 충격에너지 변환 장치(100 내지 300)의 회전부재와 완충 스프링[충격에너지 변환 장치(300)의 경우에 인장 스프링 포함]에 의해 충돌시간이 지연됨으로써, 전체 충돌시간이 늘어나 차체로 최종적으로 전달되는 충격에너지를 감소시킬 수 있게 된다. 이는 본 발명의 충격에너지 변환 장치(100 내지 300)를 차량용 범퍼에 적용함으로써 충돌시 충격에너지를 충분히 흡수 또는 완화시켜 차량의 파손 및 탑승자의 인명피해를 방지할 수 있음을 의미한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 범퍼커버 20: 에너지 업소버
30: 범퍼빔 100, 200, 300: 충격에너지 변환 장치
110, 210, 310: 회전축 120, 220, 320: 회전부재
130, 230a, 230b, 330 : 완충 스프링 140: 격판
150, 250, 350: 케이스 160, 260, 360: 지지 프레임
170, 270a, 270b, 370: 스토퍼 280: 스프링 지지판
311: 회전축 변이 구멍 340: 인장 스프링

Claims (24)

  1. 외부에 접한 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재;
    상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링;
    상기 회전부재 및 상기 완충 스프링을 내장하며, 일측에 상기 회전부재의 회전 거동을 허용하고 타측에 상기 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및
    상기 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 후단으로 전달하기 위한 회전축
    을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부재는, 단일체로 형성되는 충격에너지 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부재는, 부채살 형상의 적어도 하나 이상의 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재에 인접하여 결합하는 에너지 흡수 부재를 포함하며,
    상기 경량화 부재 및 상기 에너지 흡수 부재를 교차로 결합하는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부재는,
    부채살 형상으로 삽입공이 형성되어 있는 적어도 하나 이상의 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재의 삽입공에 일체로 결합하는 돌출부를 형성하고 있는 에너지 흡수 부재를 포함하며,
    상기 에너지 흡수 부재가 결합된 상기 경량화 부재를 다수개 연결하여 형성하는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부재는,
    부분 부채꼴인 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재를 폐쇄형 프레임에 내장하고 상기 회전축에 연결하기 위한 프레임을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부재는,
    부분 부채꼴인 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재를 개방형 프레임에 결합하고 상기 회전축에 연결하기 위한 프레임을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전부재 및 상기 완충 스프링 사이에 상기 회전부재의 반경보다 긴 격판; 및
    상기 회전부재의 회전 거동시에 상기 완충 스프링의 압축 상태를 유지시키기 위해 상기 격판의 움직임을 구속시키기 위한 스토퍼
    를 더 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  8. 외부에 접한 상하 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 상하측에 대해 수행하기 위한 제 1 및 제 2 회전부재;
    상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 제 1 및 제 2 완충 스프링;
    상기 제 1 및 제 2 회전부재 및 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링을 내장하고, 상하측에 상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전 거동을 허용하고 중심측에 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및
    상기 제 1 및 제 2 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 전달하기 위한 회전축
    을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 회전부재는,
    단일체로 형성되는 충격에너지 변환 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 회전부재는,
    부채살 형상의 하나 이상의 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재에 인접하여 결합하는 에너지 흡수 부재를 포함하되,
    상기 경량화 부재 및 상기 에너지 흡수 부재를 교차로 결합하는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 회전부재는,
    부채살 형상으로 삽입공이 형성되어 있는 하나 이상의 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재의 삽입공에 일체로 결합하는 돌출부를 형성하고 있는 에너지 흡수 부재를 포함하되,
    상기 에너지 흡수 부재가 결합된 상기 경량화 부재를 다수개 연결하여 형성하는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 회전부재는,
    부분 부채꼴인 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재를 폐쇄형 프레임에 내장하고 상기 회전축에 연결하기 위한 프레임을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 회전부재는,
    부분 부채꼴인 경량화 부재; 및
    상기 경량화 부재를 개방형 프레임에 결합하고 상기 회전축에 연결하기 위한 프레임을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 완충 스프링은, 곡선형 또는 직선형으로 설치하며, 각각 다수개로 이루어지는 충격에너지 변환 장치.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 회전부재 및 상기 제 1 및 제 2 완충 스프링 사이에 상기 회전부재의 반경보다 긴 격판;
    상기 제 1 및 제 2 회전부재의 회전 거동시에 상기 완충 스프링의 압축 상태를 유지시키기 위해 상기 격판의 움직임을 구속시키기 위한 스토퍼
    를 더 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  16. 외부에 접한 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재;
    상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 외부로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링;
    상기 회전부재의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 전달하는 회전축;
    상기 회전부재를 내장하여 상기 회전축이 충격에너지의 진행방향으로 움직일 수 있는 구멍이 형성되어 있는 케이스; 및
    상기 회전축에 대해 충격에너지의 진행방향에 저항하는 인장력을 작용하기 위한 인장 스프링
    을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 회전부재 및 상기 완충 스프링 사이에 상기 회전부재의 반경보다 긴 격판;
    상기 회전부재의 회전 거동시에 상기 완충 스프링의 압축 상태를 유지시키기 위해 상기 격판의 움직임을 구속시키기 위한 스토퍼
    를 더 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  18. 범퍼커버 내부에 위치하여 차량 충돌시 충격에너지를 일부 흡수하기 위한 에너지 업소버;
    상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지의 진행방향이 변환됨에 따라 탄성 반발력을 작용하여 상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지를 완화시키기 위한 하나 이상의 충격에너지 변환부; 및
    상기 충격에너지 변환부로부터 전달된 충격에너지를 범퍼빔으로 전달하기 위한 지지 프레임
    을 포함하는 차량용 범퍼.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 충격에너지 변환부는,
    상기 에너지 업소버의 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재;
    상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링;
    상기 회전부재 및 상기 완충 스프링을 내장하며, 일측에 상기 회전부재의 회전 거동을 허용하고 타측에 상기 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및
    상기 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 상기 지지 프레임으로 전달하기 위한 회전축
    을 포함하는 차량용 범퍼.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 충격에너지 변환부는,
    상기 에너지 업소버의 상하 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 상하측에 대해 수행하기 위한 회전부재;
    상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링;
    상기 회전부재 및 상기 완충 스프링을 내장하고, 상하측에 상기 회전부재의 회전 거동을 허용하고 중심측에 상기 완충 스프링의 탄성 반발력의 작용을 지지하며, 상기 회전부재의 회전을 위한 소정의 곡률을 갖는 부채꼴의 케이스; 및
    상기 회전부재와 상기 케이스의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 상기 지지 프레임으로 전달하기 위한 회전축
    을 포함하는 차량용 범퍼.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 충격에너지 변환부는,
    상기 에너지 업소버의 일 측면으로부터 전달된 충격에너지에 저항하도록 진행방향을 변환시키는 회전 거동을 수행하기 위한 회전부재;
    상기 회전부재의 회전 거동에 의해 압축됨에 따라, 상기 에너지 업소버로부터 전달된 충격에너지에 저항하는 방향으로 탄성 반발력을 작용하여 충격에너지를 완화시키는 완충 스프링;
    상기 회전부재의 중심을 관통하는 축으로 연결하고 상기 완충 스프링에 의해 완화된 충격에너지를 상기 지지 프레임으로 전달하는 회전축;
    상기 회전부재를 내장하여 상기 회전축이 충격에너지의 진행방향으로 움직일 수 있는 구멍이 형성되어 있는 케이스; 및
    상기 회전축에 대해 충격에너지의 진행방향에 저항하는 인장력을 작용하기 위한 인장 스프링
    을 포함하는 충격에너지 변환 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 충격에너지 변환부는,
    비대칭 구조로 이루어지며, 주기적으로 반전되어 조합되는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
  23. 제 19 항 또는 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전축은, 수직방향 또는 수평방향으로 설정되는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
  24. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 충격에너지 변환부는, 직선 또는 범퍼의 곡률에 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 충격에너지 변환 장치.
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