KR20120007041A - 범퍼 구조 - Google Patents

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도모까주 나까가와
다꾸노리 야마구찌
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겐이찌 와따나베
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명은, 전체의 중량을 억제하는 동시에 좌굴에 대한 강도를 확보할 수 있는 범퍼 구조에 관한 것이다. 본 발명에 관한 범퍼 구조는, 강재로 이루어지는 전방 플랜지(2), 후방 플랜지(3), 상부 웹(4), 및 하부 웹(5)으로 이루어지는 상자 형상의 외형 형상을 갖고 있다. 상부 웹(4) 및 하부 웹(5) 사이에는, 강재 이외의 재료로 이루어지는 중간 웹(6)이 배치되어 있다. 여기서, 강재의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 중간 웹(6)을 구성하는 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 할 때, E1/ρ1 3<E2/ρ2 3을 충족시키고 있다.

Description

범퍼 구조{BUMPER STRUCTURE}
본 발명은, 중공의 공간을 내포하는 상자형 형상을 갖는 범퍼 구조에 관한 것이다.
종래, 자동차의 차체 등에 설치되는 범퍼는, 외력에 의한 굽힘 하중이 작용하는 굽힘 부재의 일례이며, 박육 재료에 의해 구성된다. 이와 같은 범퍼는, 예를 들어 980㎫급의 강판을 사용하여 성형함으로써 형성되어 있다.
범퍼의 주된 역할은, 충돌시에 변형되어 에너지를 흡수하는 동시에, 충격 하중을 좌우의 사이드 멤버에 전달하고, 사이드 멤버를 변형시킴으로써 충돌시의 에너지를 흡수시키는 것이다. 즉, 사이드 멤버를 변형시켜 에너지를 흡수시킴으로써, 자동차의 캐빈의 변형이 설계대로 억제되어, 탑승원이 충격으로부터 지켜지고 있다.
특허 문헌 1에는, 중공 직사각형 단면을 구성하는 웹의 굽힘 중립축으로부터 압축 플랜지측의 부분의 두께가, 인장 플랜지측의 부분의 두께보다도 두껍게 형성되어 있는 자동차용 범퍼 레인포스먼트가 개시되어 있다. 특허 문헌 2에는, 범퍼 레인포스의 3개의 리브 중, 중간 리브의 판 두께를 다른 리브보다도 두껍게 함으로써, 3개의 리브가 좌굴되었을 때의 에너지 흡수 능력의 저하를 방지하는 차량용 범퍼 장치가 개시되어 있다. 특허 문헌 3에서는, 1매의 원판을 되꺾음으로써, 단면이 「日」자형의 범퍼를 일체로 형성하는 것이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 4에는, 굽힘 하중이 작용하는 플랜지측과 반대측의 플랜지면에 FRP(Fiber Reinforced Plastics)재가 설치되는 동시에, 압축측의 플랜지의 폭과 두께의 비를 12 이하로 함으로써, 에너지 흡수량이 높여진 굽힘 강도 부재가 개시되어 있다. 특허 문헌 5에는, 강관의 내벽을 따르는 외측 형상을 갖는 동시에, 내부에 리브가 형성된 보강관을 삽입함으로써 강도를 확보할 수 있는 차량의 복합 구조 부재가 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 6에는, 내식성을 확보하기 위해, 에너지 흡수 성능이 우수한 충전재가 중공 부재의 내부에 삽입되는 동시에 중공 부재에 고정되어 있는 충전 구조체가 개시되어 있다. 특허 문헌 7에는, 굽힘 하중을 다른 부재에 분산시킴으로써 에너지 흡수 효율을 향상시키기 위해, 비틀림 모멘트가 발생하도록, 강도가 다른 복수의 부재에 의해 구성되어 있는 차체 구조 부재가 개시되어 있다. 특허 문헌 8에는, 좌굴 변형에 의한 충격 에너지의 흡수 능력을 향상시키기 위해, 범퍼 보강판의 중공부 내에 찌그러짐 방지체를 배치한 범퍼 구조가 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 평11-59296호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-148915호 공보 일본 특허 출원 공개 평11-170934호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-129611호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-312404호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-88651호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-248336호 공보 일본 특허 출원 공개 제2000-52897호 공보
범퍼 구조에 있어서, 웹(전후에 연장되는 벽부)의 압축 좌굴이 발생하면, 단면 성능을 충분히 발휘할 수 없어, 굽힘에 대한 강도가 저하된다고 하는 문제가 있다. 좌굴에 대한 웹의 강도는, 웹을 구성하는 재료의 영률과 웹의 판 두께의 3제곱에 비례한다. 이로 인해, 좌굴을 억제하기 위해서는, 강도가 높은 재료를 사용하는 것보다도, 판 두께를 증가시킨 쪽이 효율적이라고 하는 일면도 있다.
그러나, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2와 같이 단순히 판 두께를 증가시키는 것만으로는, 중량이 과대해질 우려가 있다. 특히, 강제의 범퍼는 롤 폼에 의해 성형되는 경우가 많고, 이 경우에는 범퍼 전체가 동일한 판 두께를 갖는다. 따라서, 웹의 좌굴을 억제하기 위해 판 두께를 증대하면, 그 증대분에 비례하여 전체 중량이 증가하기 때문에, 좌굴에 대한 중량당의 내구 성능은 그만큼 향상되지 않는다.
또한, 특허 문헌 5 내지 8과 같이, 범퍼의 내부에 비교적 복잡한 구조의 부가물을 설치하기 위해서는, 제조상의 곤란이 크다. 또한, 큰 부가물이 설치되는 경우에는, 중량의 증가가 문제로 된다. 특허 문헌 4와 같은 FRP에서는, 압축에 의한 좌굴을 방지하는 것은 거의 기대할 수 없다. 또한, 이들 부가물을 사용하는 경우에는, 비용 상승이 과대해진다고 하는 문제도 있다.
한편, 특허 문헌 3과 같이, 롤 폼을 활용한 폐단면 구조를 사용하는 것도 제안되어 있다. 이와 같은 폐단면을 사용하면, 이론상은 굽힘 강도(전체 소성 모멘트)를 향상시킬 수 있다. 그러나, 웹의 좌굴에 대해서는 별도, 효율적인 강도 향상이 필요해진다.
본 발명의 목적은, 전체의 중량을 억제하는 동시에 굽힘 강도를 확보할 수 있는 범퍼 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은, 중공의 공간을 내포하는 상자형 형상을 갖는 범퍼 구조에 관한 것이다. 그리고, 본 발명은, 상기 범퍼의 전방면 및 배면을 형성하는 금속제의 전방 플랜지 및 후방 플랜지와, 상기 범퍼의 상면 및 하면을 형성하는 금속제 상부 웹 및 하부 웹이, 상기 상자형 형상을 형성하도록 서로 연결되어 있고, 상기 중공의 공간이 상하로 분단되도록, 상기 상부 웹 및 하부 웹 사이에 있어서, 금속제의 중간 웹이 상기 전방 플랜지 및 후방 플랜지와 연결되어 있고, 상기 전방 플랜지, 후방 플랜지, 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중, 상기 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중 적어도 하나가 제2 재료로 구성되는 동시에, 나머지가 제1 재료로 구성되고, 상기 제1 재료의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 상기 제2 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 할 때, E1/ρ1 3<E2/ρ2 3을 충족시키고 있다.
본 발명의 범퍼 구조에 따르면, 3개의 웹 중 적어도 하나가 E1/ρ1 3<E2/ρ2 3을 충족시키는 제2 재료에 의해 구성되어 있다. 이와 같은 재료는, 제1 재료에 비해 좌굴에 대한 중량당의 강도를 확보하기 쉬운 재료이다. 이로 인해, 범퍼 전체의 중량을 억제하는 동시에, 웹의 좌굴 강도를 확보할 수 있는 범퍼 구조가 실현된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 중간 웹이, 상기 제2 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상하 방향의 중간에 위치하는 웹이 제2 재료로 구성되기 때문에, 전체로서 강도의 밸런스를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹의 모두가 상기 제2 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 좌굴에 대한 중량당의 강도를 확보하면서, 전체의 중량을 경량화할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 중간 웹이, 상기 제2 재료로 구성되어 있고, 상기 전방 플랜지 및 상기 상부 웹에 의해 형성되는 코너부의 표면과, 상기 전방 플랜지 및 상기 하부 웹에 의해 형성되는 코너부의 표면의 각각에, 상기 코너부를 따라서 갈고리형으로 구부러진 금속제의 보강판이 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 굽힘에 대한 강도를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 전방 플랜지, 후방 플랜지, 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중, 상기 제2 재료로 구성되는 웹의 두께가 t2인 동시에, 상기 제1 재료로 구성되는 부분의 두께가 t1일 때, t2≤(ρ1/ρ2)ㆍt1을 충족시키고 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 전체를 제1 재료로 구성하는 경우에 비해, 웹의 좌굴 강도를 유지하면서 경량화할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 전방 플랜지, 후방 플랜지, 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중, 상기 제2 재료로 구성되는 웹의 두께가 t2인 동시에, 상기 제1 재료로 구성되는 부분의 두께가 t1이고, 상기 제1 재료의 항복 응력이 σy1인 동시에, 상기 제2 재료의 항복 응력이 σy2일 때, (t2ㆍσy2)/(t1ㆍσy1)≥0.5를 충족시키고 있는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 굽힘에 대한 강도를 더 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 범퍼를 도시하는 모식적인 사시도이다.
도 2는 제1 실시예에 관한 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 제2 실시예에 관한 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 4는 제3 실시예에 관한 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 5는 제4 실시예에 관한 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 6의 (a)는 제1 비교예에 관한 범퍼의 종단면도이며, 도 6의 (b)는 제2 비교예에 관한 범퍼의 종단면도이다.
도 7은 범퍼의 강도 해석에 사용한 3점 굽힘 시험의 설명도이다.
도 8은 제1 및 제2 실시예, 제1 및 제2 비교예의 해석 결과를 플롯한 그래프이다.
도 9는 제3 및 제4 실시예, 제1 및 제2 비교예의 해석 결과를 플롯한 그래프이다.
도 10은 각 실시예에 관하여 A값에 대한 종국 모멘트를 플롯한 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 범퍼(1)를 도시하는 모식적인 사시도이다. 본 실시 형태는, 범퍼(1)의 구체예로서 제1 내지 제4 실시예를 포함하고 있고, 도 1은 이들 공통된 구성을 도시한다. 도 2 내지 도 5는 각각, 제1 내지 제4 실시예를, 도 1에 도시하는 범퍼(1)의 A-A 단면 모식도로서 도시한다. 이 A-A 단면은, 범퍼(1)의 길이 방향과 수직인 면에 의한 단면에 상당하다. 이하, 도 1에 있어서의 화살표 X로 나타내는 방향을 차량의 폭 방향, 화살표 Y로 나타내는 방향을 차량의 전후 방향(Y1:전방, Y2:후방), 화살표 Z로 나타내는 방향을 차량의 상하 방향(Z1:상방, Z2:하방)으로서 설명한다.
[범퍼(1)의 개략]
우선, 본 실시 형태에 있어서 제1 내지 제4 실시예 중 어느 것에도 공통된 구성에 대해 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 범퍼(1)는, 차량의 폭 방향으로 연장되는 상자형 형상의 부재이며, 차량 전후 방향으로 연장되는 사이드 멤버(10)의 전방 단부에 설치된다.
도 1 내지 도 5에 도시하는 바와 같이, 범퍼(1)는, 차량 전방에 위치하는 전방 플랜지(2)와, 전방 플랜지(2)보다도 차량 후방에 위치하는 후방 플랜지(3)와, 전방 플랜지(2)와 후방 플랜지(3)를 연결하는 3개의 웹[상부 웹(4), 하부 웹(5), 중간 웹(6)]을 구비하고 있다. 이들 플랜지 및 웹은, 각각 판 형상으로 형성되어 있다.
전방 플랜지(2)는, 범퍼(1)의 전방면을 형성하는 판 형상부이다. 후방 플랜지(3)는, 범퍼(1)의 후방면을 형성하는 판 형상부이며, 전방 플랜지(2)와 대략 평행하게 대향하도록 배치되어 있다. 후방 플랜지(3)는, 사이드 멤버(10)의 전단부에 고정된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 전방 플랜지(2) 및 후방 플랜지(3)는 약간 만곡된 판으로서 형성되어 있지만, 이 경우에 한정되지 않고, 평판 등이어도 된다.
상부 웹(4)은, 범퍼(1)의 상면을 형성하는 판 형상부이며, 전방 플랜지(2)의 상단부와 후방 플랜지(3)의 상단부를 연결하고 있다. 하부 웹(5)은, 범퍼(1)의 하면을 형성하는 판 형상부이며, 전방 플랜지(2)의 하단부와 후방 플랜지(3)의 하단부를 연결하고 있다. 이들 전방 플랜지(2), 후방 플랜지(3), 상부 웹(4) 및 하부 웹(5)에 의해, 범퍼(1)의 상자형 형상의 외형이 형성되어 있다. 중간 웹(6)은, 범퍼(1)가 내포하는 공간 내에 형성된 판 형상부이며, 전방 플랜지(2)의 상하 방향 중앙부와 후방 플랜지(3)의 상하 방향 중앙부를 연결하고 있다. 중간 웹(6)은, 범퍼(1)가 내포하는 공간을 상하로 분할하고 있고, 이에 의해, 중공의 2개의 공간(7 및 8)이 형성되어 있다. 웹(4 내지 6)은, 모두 전방 플랜지(2) 및 후방 플랜지(3)와 거의 직교하도록 배치되어 있고, Y 방향에 관한 길이가 서로 동등하다.
(각 실시예의 구성)
다음에, 제1 내지 제4 실시예에 대해서 보다 상세하게 설명한다. 이하, 제1 내지 제4 실시예에 있어서의 범퍼(1)를 각각 「범퍼(1a)」 내지 「 범퍼(1d)」라고 부르고, 서로 구별하여 기재한다.
제1 실시예의 범퍼(1a)는, 도 2에 도시하는 바와 같이 외형 부재(11) 및 중간 부재(12)를 갖고 있다. 외형 부재(11)는, 제1 실시예에 있어서의 범퍼(1a)의 외형을 형성하는 부재이며, 전방 플랜지(2), 후방 플랜지(3), 상부 웹(4) 및 하부 웹(5)을 갖는다. 외형 부재(11)는, 강재(제1 재료)제의 원판을 성형함으로써 제작되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 영률이 21000㎫이며, 밀도가 7874㎏/㎥인 강재가 사용되고 있다.
중간 부재(12)는, 중간 웹(6)과, 중간 웹(6)의 양단부에 연결된 접합판(12a 및 14)을 갖고, 「H」형의 단면 형상을 갖는 부재이다. 중간 부재(12)는, 범퍼(1a)의 상하 방향의 중간에 배치되어 있다. 중간 웹(6)은, 전방 플랜지(2)에 형성된 관통 구멍(2a)을 관통하여 외형 부재(11)의 내부로부터 전방으로 튀어 나와 있고, 전방 플랜지(2)의 전방에서 접합판(12a)과 연결되어 있다. 접합판(12a)은, 전방 플랜지(2)를 따라서 연장되는 동시에 전방 플랜지(2)의 전방면에 접합되어 있다. 접합판(12b)은, 후방 플랜지(3)를 따라서 연장되는 동시에 후방 플랜지(3)의 전방면에 접합되어 있다.
중간 부재(12)는, 알루미늄 합금 등, 외형 부재(11)와는 다른 금속 재료(제2 재료)로 구성되어 있다. 여기서, 외형 부재(11)를 구성하는 재료의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 중간 부재(12)를 구성하는 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 한다. 중간 부재(12)를 구성하는 재료는, 이하의 관계(수학식 1)를 충족시키는 재료로 선택된다.
Figure pct00001
제2 실시예의 범퍼(1b)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 전방 플랜지(2), 후방 플랜지(3), 상측 부재(21), 하측 부재(22) 및 중간 부재(12)를 갖고 있다. 이 중, 제2 실시예에 있어서의 중간 부재(12)는, 제1 실시예에 있어서의 중간 부재(12)와 마찬가지의 구성을 갖고 있고, 전방 플랜지(2) 및 후방 플랜지(3)에 대하여 마찬가지로 접합되어 있다.
제2 실시예에 있어서의 상측 부재(21)는, 상부 웹(4)과, 상부 웹(4)의 양단부에 연결한 접합판(21a 및 21b)을 갖고 있고, 하방으로 개방된 「コ」자형의 단면 형상을 갖고 있다. 접합판(21a)은, 전방 플랜지(2)를 따라서 연장되는 동시에 전방 플랜지(2)의 전방면에 접합되어 있다. 접합판(21b)은, 후방 플랜지(3)를 따라서 연장되는 동시에 후방 플랜지(3)의 전방면에 접합되어 있다.
하측 부재(22)는, 하부 웹(5)과, 하부 웹(5)의 양단부에 연결된 접합판(22a, 22b)을 갖고 있고, 상방으로 개방된 「コ」자형의 단면 형상을 갖고 있다. 접합판(22a)은, 전방 플랜지(2)를 따라서 연장되는 동시에 전방 플랜지(2)의 전방면에 접합되어 있다. 접합판(22b)은, 후방 플랜지(3)를 따라서 연장되는 동시에 후방 플랜지(3)의 전방면에 접합되어 있다.
전방 플랜지(2) 및 후방 플랜지(3)는 강제인 것에 대해서, 상측 부재(21) 및 하측 부재(22)는, 중간 부재(12)와 마찬가지로, 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 구성되어 있다. 여기서, 전방 플랜지(2) 등을 구성하는 재료의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 상측 부재(21) 등을 구성하는 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 관계(수학식 1)가 충족되어 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 제3 실시예의 범퍼(1c)에는, 제1 실시예의 범퍼(1a)에 더하여, 보강판(31, 32)이 설치되어 있다. 보강판(31)은, 전방 플랜지(2)와 상부 웹(4)의 연결 부분에 형성된 코너부(51)에 설치되어 있고, 코너부(51)를 따라서 갈고리형으로 구부러진 형상을 갖고 있다. 보강판(31)의 전방 플랜지(2)를 따른 부분은, 전방 플랜지(2)의 전방면에 접합되어 있고, 보강판(31) 상부 웹(4)을 따른 부분은, 상부 웹(4)의 상면에 접합되어 있다.
보강판(32)은, 전방 플랜지(2)와 하부 웹(5)의 연결 부분에 형성된 코너부(52)에 설치되어 있고, 코너부(52)를 따라서 갈고리형으로 구부러진 형상을 갖고 있다. 보강판(32)의 전방 플랜지(2)를 따른 부분은, 전방 플랜지(2)의 전방면에 접합되어 있고, 보강판(32) 하부 웹(5)을 따른 부분은, 하부 웹(5)의 하면에 접합되어 있다.
보강판(31, 32)은, 중간 부재(12)와 마찬가지로, 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 구성되어 있다. 여기서, 전방 플랜지(2) 등을 구성하는 강재의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 보강판(31) 등을 구성하는 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 관계(수학식 1)가 충족되어 있다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 제4 실시예의 범퍼(1d)는, 제3 실시예에 있어서의 중간 부재(12)와 보강판(31 및 32)이 일체화된, 보강판(41)을 갖고 있다. 보강판(41)은, 전방 플랜지(2)의 전방면에 접합된 접합판(41a)을 갖고 있다. 접합판(41a)은, 전방 플랜지(2)의 상단부로부터 하단부까지 연장되어 있다. 접합판(41a)의 상단부 부분에는, 전방 플랜지(2)를 따른 부분으로부터 상부 웹(4)을 따른 방향으로 갈고리형으로 구부러진 절곡부(41b)가 형성되어 있다. 절곡부(41b)는 상부 웹(4)의 상면에 접합되어 있다. 접합판(41a)의 하단부 부분에는, 전방 플랜지(2)를 따른 부분으로부터 하부 웹(5)을 따른 방향으로 갈고리형으로 구부러진 절곡부(41c)가 형성되어 있다. 절곡부(41c)는 하부 웹(5)의 하면에 접합되어 있다. 이들 절곡부(41b, 41c)에 의해, 외형 부재(11)의 코너부(51, 52)가 보강되어 있다.
중간 웹(6)은, 전방 플랜지(2)에 형성된 관통 구멍(2a)으로부터 전방으로 튀어 나오는 동시에 접합판(41a)에 연결되고, 보강판(41)의 일부를 구성하고 있다. 중간 웹(6)의 후단부에는, 접합판(41d)이 연결되어 있다. 접합판(41d)은 후방 플랜지(3)의 전방면에 접합되어 있다.
보강판(41)은, 알루미늄 합금 등의 금속 재료로 구성되어 있다. 여기서, 전방 플랜지(2) 등을 구성하는 강재의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 보강판(41) 등을 구성하는 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 관계(수학식 1)가 충족되어 있다.
(재료의 선택)
상기한 바와 같이, 제1 내지 제4 실시예에 관한 범퍼에 있어서는, 강재로 이루어지는 부분과, 알루미늄 합금 등, 강재 이외의 재료로 이루어지는 부분이 설치되어 있다. 강재 이외의 재료로 이루어지는 부분에 있어서는, 중량을 억제하는 동시에 강재와 동일한 정도의 강도를 확보함으로써, 강도를 효율적으로 확보할 수 있다. 상기의 수학식 1을 충족시키는 재료가 선택되는 경우에는, 이하와 같이, 웹의 좌굴에 대한 강도를 효율적으로 확보하기 쉽다.
제1 내지 제4 실시예에 관한 범퍼(1a)에 대하여, 도 2 내지 도 5의 흰색 화살표를 따른 굽힘 하중이 발생한 것으로 한다. 이때, 상부 웹(4), 하부 웹(5), 중간 웹(6)에는, Y 방향의 압축에 의한 좌굴이 발생할 우려가 생긴다. 여기서, 웹의 판 두께를 t, 웹을 구성하는 재료의 영률을 E로 하면, 웹의 좌굴 하중 Pcr은, 하기의 관계(수학식 2)를 충족한다. 또한, 좌굴 길이에 상당하는 Y 방향에 관한 길이는, 웹끼리에 있어서 동등한 것으로 한다.
Figure pct00002
수학식 2로부터, 좌굴 하중은 영률과, 판 두께의 3제곱에 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이하의 수학식 3의 관계를 충족시킨 경우에, 강재 이외의 재료로 이루어지는 웹의 강도가 향상 가능하다. 또한, 강재의 영률을 E1, 강재로 이루어지는 부분의 판 두께를 t1로 하고, 강재 이외의 재료로 이루어지는 부분을 구성하는 재료의 영률을 E2, 그 부분의 판 두께를 t2로 한다.
Figure pct00003
한편, 웹의 밀도를 ρ로 하면, 판 두께 이외의 크기가 바뀌지 않을 때, 웹의 중량 W는 하기의 수학식 4로 나타낸다.
Figure pct00004
따라서, 강재 이외의 재료로 웹을 구성할 때에도 강재로 구성하는 경우와 동일한 중량을 얻기 위해, 수학식 5가 유도된다.
Figure pct00005
상기의 수학식 5 및 수학식 3으로부터, 상술한 수학식 1의 관계가 도출된다. 따라서, 수학식 1을 충족시키는 재료가 선택된 경우, 웹이 동일한 정도의 중량을 갖는 두께로 되도록 형성되면 확실하게 강도를 향상시킬 수 있으므로, 중량당의 좌굴 하중(Pcr/W)을 효율적으로 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 상술한 바와 같이, 강재의 영률은 21000㎫이며, 밀도는 7874㎏/㎥이다. 이때, 수학식 1의 좌변은, 21000/78743=4.302×10-8로 된다. 한편, 예를 들어, 강재 이외의 재료로서, 영률이 6900㎫이며, 밀도가 2700㎏/㎥인 알루미늄 합금을 사용한 것으로 한다. 이때, 수학식 1의 우변은, 6900/27003=3.506×10-7로 된다. 따라서, 상기의 수학식 1이 충족되어 있기 때문에, 효율적인 강도 향상을 기대할 수 있다. 7000계의 알루미늄 합금에 의해서도 수학식 1을 충족시킬 수 있으므로, 좌굴에 대하여 효율적인 강도 향상을 기대할 수 있다.
또한, 강재 이외의 재료를 사용하였을 때, 강재를 사용한 경우와 비교하여 경량화하기 위해서는, 수학식 5로부터 이하의 수학식 6이 유도된다. 따라서, 경량화를 위해서는, 수학식 6을 충족시키도록 재료 및 판 두께를 설정하는 것이 바람직하다.
Figure pct00006
또한, 범퍼에 대하여, 도 2 내지 도 5의 흰색 화살표를 따른 굽힘 하중이 가해진 경우, 웹이 담당하는 압축력에 대하여 웹이 항복하게 되면, 하중에 대하여 저항할 수 없게 되어 버린다. 이를 방지하기 위해, 재료를 강재로부터 변경한 경우에도 웹의 강도를 필요 이상으로 저하시키지 않도록, 항복에 충분히 견딜 수 있는 강도를 확보하기 위한 기준으로서, 이하의 수학식 7과 같이 A값이 정의된다. 또한, σy1은 강재의 항복 응력이며, σy2는 강재 이외의 재료의 항복 응력이다. 강재 이외의 재료를 사용한 부분이 충분한 강도로 되기 위해서는, 이와 같은 A값이 소정값 이상일 필요가 있다. A값의 구체적인 조건에 대해서는 후술한다.
Figure pct00007
(굽힘 모멘트의 시뮬레이션 결과)
다음에, 상술한 제1 내지 제4 실시예에 대해서, 굽힘에 대한 강도를 해석한 결과에 대해 설명한다. 본 해석에서는, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 도시된 범퍼(100 및 200)가, 제1 및 제2 비교예이다.
제1 비교예에 관한 범퍼(100)에 있어서는, 제1 내지 제4 실시예와 달리, 전체가 강재로 구성되어 있다. 또한, 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 제1 비교예에 관한 범퍼(100)에 있어서는, 단면의 기본 형상이, 제1 내지 제4 실시예와는 다르다. 범퍼(100)는, 전체의 높이가 150㎜, 폭이 65㎜인 상자형의 개략 형상을 갖고 있다.
범퍼(100)는, 전방 플랜지(102)의 상단부와 연결된 부분이 후방으로 절곡되어 형성된 볼록부(111)와, 전방 플랜지(102)의 하단부와 연결된 부분이 후방으로 절곡되어 형성된 볼록부(112)를 갖고 있다. 볼록부(111 및 112)는, 모두 직사각형의 단면 형상을 갖고 있다. 전방 플랜지(102)로부터 후방으로 절곡된 부분은, 볼록부(111)와 볼록부(112) 사이에 위치하는 중간 부분(113)에 있어서, 전방 플랜지(102)의 배면과 접합되어 있다. 볼록부(111, 112)의 높이는, 도 6의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 각각 52㎜이다.
제2 비교예에 관한 범퍼(200)에 대해서는, 제1 비교예와 마찬가지로, 전체가 강재로 구성되어 있다. 범퍼(200)의 단면 형상은, 제1 실시예의 범퍼(1a)와 거의 마찬가지이지만, 「H」형의 단면 형상을 갖는 중간 부재(206)가, 전방 플랜지(202)를 관통하는 동시에 후방 플랜지(203)도 관통하고 있는 점에 있어서 제1 실시예와 다르다. 범퍼(200)의 높이는 150㎜이며, 폭은 65㎜이다. 본 해석에 있어서는, 하기의 표 3에 나타내어지는 바와 같이, 각 비교예에 있어서 강재의 판 두께가 1.4㎜인 경우와 2.0㎜인 경우의 각 값을 산출하였다.
본 해석에 있어서 사용된 제1 내지 제4 실시예의 각 부의 치수 H1∼H3, W1, W2는, 하기의 표 1 및 표 2와 같다. 또한, 표 4에 나타내어지는 바와 같이, 본 해석에 있어서, 제1 내지 제4 실시예에 대해서, 강재 부분의 판 두께는 1.4㎜이다. 제1 실시예에 있어서는, 알루미늄 합금제의 웹의 판 두께가 2.0㎜, 3.0㎜, 3.6㎜인 각각의 경우에 대해서 각 값을 산출하고, 제2∼제4 실시예에 있어서는, 알루미늄 합금제의 웹의 판 두께가 3.6㎜의 경우에 대해서 각 값을 산출하였다. 제1 실시예에 있어서, 알루미늄 합금제의 웹의 판 두께가 3.6㎜인 경우에 대해서는, 알루미늄 합금이 7000계인 경우와, 6000계인 경우의 각각에 대해서 각 값을 산출하였다. 제3 실시예에 있어서, 보강판(31 및 32)의 판 두께는 3.0㎜이다. 제4 실시예에 있어서는, 접합판(41a), 절곡부(41b, 41c)의 판 두께가 3.0㎜인 경우와 2.0㎜인 경우의 각각에 대해서, 각 값을 산출하였다.
이상의 조건에 기초하여, 도 7에 도시하는 바와 같이 3점 굽힘 시험을 행함으로써, 제1 내지 제4 실시예에 관한 범퍼(1a 내지 1d)에 있어서의 굽힘에 대한 강도와, 제1 및 제2 비교예에 있어서의 굽힘에 대한 강도를 산출하였다. 도 7에 있어서, 범퍼(1)는, 양단부에서 지지부 α에 의해 후방 플랜지(3)측으로부터 단순 지지되어 있고, 2개의 지지부 α의 중앙에서 압자 β의 원호면을 전방 플랜지(2)측으로부터 접촉시키고, 범퍼 빔의 길이 방향과 직교하는 방향(도 7에 있어서의 화살표 방향)으로 압자를 압박하였다. 그리고, 압자 β에 의한 하중을 크게 하는 것에 수반하여 하중이 어느 크기에 도달하였을 때, 굽힘에 의해 범퍼(1)의 단면 전체가 항복하거나, 단면 중 어느 하나에 좌굴이 발생하거나 하였다. 이와 같은 항복이나 좌굴이 발생하기 직전의 하중이, 압자 β에 의한 최대 하중이다. 이하에서는, 이와 같은 최대 하중이 가해졌을 때에 굽힘 모멘트가 최대로 되는 압자 β의 접촉 위치에서의 굽힘 모멘트를 「종국 모멘트」라고 호칭한다. 종국 모멘트는, 측정된 최대 하중에 기초하여 산출되었다.
표 3은, 제1 및 제2 비교예에 대한 본 해석의 결과, 표 4는 제1 내지 제4 실시예에 대한 본 해석의 결과를 나타내고 있다. 표 4에 있어서, A값은 (t2ㆍσy2)/(t1ㆍσy1)의 값을 나타내고 있다. 여기서, σy1은 강재의 항복 응력을, σy2는 알루미늄 합금의 항복 응력을 나타낸다.
표 3 및 표 4에 나타내어지는 「중량비」는, 강재 부분의 판 두께가 1.4㎜일 때의 제1 비교예의 중량을 1.00으로 한 경우의, 각 비교예, 실시예의 중량의 비이다. 또한, 표 3 및 표 4에 나타내어지는 「종국 모멘트비」는, 상기의 3점 굽힘 시험에 의한 산출 결과에 기초하여, 강재 부분의 판 두께가 1.4㎜일 때의 제1 종국 모멘트를 1.00으로 한 경우의, 각 비교예, 실시예의 종국 모멘트의 비이다.
또한, 표 4에 있어서, 「제4(3.0)」은 접합판(41a), 절곡부(41b, 41c)의 두께가 3.0㎜인 경우의 제4 실시예를 나타낸다. 또한, 「제4(2.0)」은 접합판(41a), 절곡부(41b, 41c)의 두께가 2.0㎜인 경우의 제4 실시예를 나타낸다.
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
Figure pct00011
도 8은, 표 3 및 표 4에 기초하여, 제1 및 제2 비교예와 제1 및 제2 실시예의 해석 결과를 그래프로 나타낸다. 도 9는, 표 3 및 표 4에 기초하여, 제1 및 제2 비교예와 제3 및 제4 실시예의 해석 결과를 그래프로 나타낸다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 제2 비교예에서는, 중량비당의 종국 모멘트비가 제1 비교예보다 향상되어 있다.
또한, 도 8에 도시되는 바와 같이, 1점 쇄선 g1에 둘러싸인 실시예에 대해서는, 제1 및 제2 비교예에 대하여, 중량비당의 종국 모멘트비가 향상되어 있다. 즉, 제1 실시예에 있어서, 중간 웹(6)에 7000계의 알루미늄 합금이 사용되는 동시에 중간 웹(6)의 판 두께가 3.0㎜ 또는 3.6㎜인 경우에는, 중량당의 굽힘 강도가 효율적으로 향상되어 있다. 또한, 7000계의 알루미늄 합금이 모든 웹[상부 웹(4), 하부 웹(5), 중간 웹(6)]에 사용되고 있는 제2 실시예에 있어서, 중량당의 굽힘 강도가 가장 많이 향상되어 있다.
한편, 1점 쇄선 g2에 둘러싸인 실시예에 대해서는, 종국 모멘트비가 1.0을 하회하고 있었다. 즉, 제1 실시예에 있어서, 중간 웹(6)에 7000계의 알루미늄 합금이 사용되는 동시에 중간 웹(6)의 판 두께가 2.0㎜인 경우와, 중간 웹(6)에 6000계의 알루미늄 합금이 사용되는 동시에 중간 웹(6)의 판 두께가 3.6㎜인 경우에서는, 제1 및 제2 비교예에 대하여 경량화할 수 있어도, 굽힘 강도를 향상시킬 수 없는 것이 나타내어졌다.
또한, 도 9에 도시되는 바와 같이, 제3 및 제4 실시예에 대해서는, 제1 및 제2 비교예에 대하여, 중량비당의 종국 모멘트비가 향상되어 있다. 즉, 제3 및 제4 실시예에 있어서, 중량당의 강도가 효율적으로 향상되어 있는 것이 나타내어져 있다.
또한, 6000계 또는 7000계의 알루미늄 합금의 밀도는 2700㎏/㎥ 내지 2800㎏/㎥이다. 따라서, 범퍼 전체를 판 두께 1.4㎜의 강재로 구성하는 경우와 비교하면, 각 실시예에 있어서, 수학식 6의 우변의 값은 모두 약 4.1 정도로 된다.
표 4로부터, 제1 내지 제4 실시예는 모두 알루미늄 웹의 판 두께가 약 4.1㎜보다도 작은 값이며, 수학식 6이 충족되어 있는 것을 알 수 있다. 실제, 표 4에도 나타내어지는 바와 같이, 각 실시예의 중량비는 1정도나 그 미만으로 억제되어 있다.
도 10은, 표 4에 기초하여, 각 실시예에 관하여 A값에 대한 종국 모멘트비를 플롯한 그래프이다. 표 4 및 도 10에 따르면, 제1 실시예에 있어서 A값이 0.5를 하회하는 경우, 즉, 중간 웹(6)에 7000계의 알루미늄 합금이 사용되는 동시에 중간 웹(6)의 판 두께가 2.0㎜인 경우와, 중간 웹(6)에 6000계의 알루미늄 합금이 사용되는 동시에 중간 웹(6)의 판 두께가 3.6㎜인 경우에서는, 종국 모멘트비가 1을 하회하고 있다. 즉, 이들 경우에는, 충분한 강도가 확보되어 있지 않다. 이 점으로부터, 강재 이외의 재료를 사용하는 경우는, A값이 0.5 이상으로 되는 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
(본 실시 형태의 개요)
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 범퍼(1)[범퍼(1a 내지 1d)]는, 전방면 및 배면을 형성하는 금속제의 전방 플랜지(2) 및 후방 플랜지(3)와, 상면 및 하면을 형성하는 금속제 상부 웹(4) 및 하부 웹(5)을 갖고 있다. 그리고, 상부 웹(4)과 하부 웹(5) 사이에는 금속제의 중간 웹(6)이 배치되어 있고, 이 중간 웹(6)에 의해, 범퍼(1) 내에 2개의 중공의 공간(7, 8)이 형성되어 있다. 또한, 상부 웹(4), 하부 웹(5) 및 중간 웹(6) 중 적어도 1개는 강재 이외의 재료로 구성된다. 그 재료로서, 상술한 수학식 1을 충족시키는 재료가 선정되어 있다. 따라서, 웹 중 적어도 1개는, 중량당의 좌굴 강도를 확보하기 쉬운 재료에 의해 구성되어 있다.
또한, 제1 내지 제4 실시예에 관한 범퍼(1a 내지 1d) 중 어느 것에 있어서도, 중간 웹(6)은 강재 이외의 재료로 구성되어 있다. 중간 웹(6)은 웹 중에서도 중간에 배치되어 있기 때문에, 강재 이외의 재료로 중간 웹(6)을 구성함으로써 범퍼 전체적으로 강도의 밸런스가 유지된다.
또한, 제2 실시예에 관한 범퍼(1b)에 있어서는, 상부 웹(4), 하부 웹(5) 및 중간 웹(6)이, 모두 강재 이외의 재료로 구성되어 있다. 따라서, 전체의 중량이 보다 경량화될 수 있다.
또한, 제3 또는 제4 실시예에 관한 범퍼(1c 또는 1d)에 있어서는, 외형 부재(11)의 코너부를 보강하는 보강판(31, 32, 41)이 설치되어 있다. 이들에 의해, 범퍼 전체의 굽힘에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 강재 이외의 재료가, 수학식 6을 충족시키도록 선정되어 있음으로써, 범퍼 전체를 강재로 구성하는 것보다도 경량화하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 수학식 7로 정의되는 A값이 0.5 이상으로 되도록 강재 이외의 재료가 선정되어 있음으로써, 굽힘에 대한 내구성이 확보 가능하다.
(그 밖의 변형예)
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 상기한 기재의 범위 내에 있어서 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 것이다.
예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 웹은 알루미늄 합금에 의해 구성되어 있지만, 그 밖의 금속 재료에 의해 구성되어 있어도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 접합 방법은 특별히 규정되어 있지 않지만, 용접, 접착, 볼트 등, 충분한 접합 강도를 갖는 방법이 채용 가능하다.
본 출원은 2009년 5월 14일 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2009-117814)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로 하여 원용된다.
본 발명은, 자동차의 차체에 설치되는 범퍼 구조로서 이용할 수 있다.
1, 1a 내지 1d : 범퍼
2 : 전방 플랜지
3 : 후방 플랜지
4 : 상부 웹
5 : 하부 웹
6 : 중간 웹
31, 32, 41 : 보강판

Claims (6)

  1. 중공의 공간을 내포하는 상자형 형상을 갖는 범퍼 구조이며,
    상기 범퍼의 전방면 및 배면을 형성하는 금속제의 전방 플랜지 및 후방 플랜지와, 상기 범퍼의 상면 및 하면을 형성하는 금속제의 상부 웹 및 하부 웹이, 상기 상자형 형상을 형성하도록 서로 연결되어 있고,
    상기 중공의 공간이 상하로 분단되도록, 상기 상부 웹 및 하부 웹 사이에 있어서, 금속제의 중간 웹이 상기 전방 플랜지 및 후방 플랜지와 연결되어 있고,
    상기 전방 플랜지, 후방 플랜지, 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중, 상기 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중 적어도 하나가 제2 재료로 구성되는 동시에, 나머지가 제1 재료로 구성되고,
    상기 제1 재료의 영률을 E1, 밀도를 ρ1로 하고, 상기 제2 재료의 영률을 E2, 밀도를 ρ2로 할 때, E1/ρ1 3<E2/ρ2 3을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는, 범퍼 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 웹이, 상기 제2 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는, 범퍼 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹의 모두가 상기 제2 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 범퍼 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간 웹이, 상기 제2 재료로 구성되어 있고,
    상기 전방 플랜지 및 상기 상부 웹에 의해 형성되는 코너부의 표면과, 상기 전방 플랜지 및 상기 하부 웹에 의해 형성되는 코너부의 표면의 각각에, 상기 코너부를 따라서 갈고리형으로 구부러진 금속제의 보강판이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 범퍼 구조.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전방 플랜지, 후방 플랜지, 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중, 상기 제2 재료로 구성되는 웹의 두께가 t2인 동시에, 상기 제1 재료로 구성되는 부분의 두께가 t1일 때, t2≤(ρ1/ρ2)ㆍt1을 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는, 범퍼 구조.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전방 플랜지, 후방 플랜지, 상부 웹, 하부 웹 및 중간 웹 중, 상기 제2 재료로 구성되는 웹의 두께가 t2인 동시에, 상기 제1 재료로 구성되는 부분의 두께가 t1이며, 상기 제1 재료의 항복 응력이 σy1인 동시에, 상기 제2 재료의 항복 응력이 σy2일 때, (t2ㆍσy2)/(t1ㆍσy1)≥0.5를 충족시키고 있는 것을 특징으로 하는, 범퍼 구조.
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