KR20130074089A

KR20130074089A - 자동차 하중집중부재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130074089A
Application number: KR1020110141961A
Authority: KR
Inventors: 이재욱; 김재현; 임지호; 오필용
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-04
Also published as: KR101316417B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재는 보강제 없이 필요강도를 얻도록, 고강도강으로 성형된 상기 하중집중부재에 복수 개의 비드가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차 하중집중부재 제조방법은 상기 하중집중부재를 스템핑가공에 의해 성형하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

자동차 하중집중부재 및 그 제조방법{Concentrating load member of vehicle and manufacturing the same}

본 발명은 자동차 하중집중부재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고강도강으로 형성된 하중집중부재에 비드를 복수 개로 형성하여 부재를 고강도 경량화하는 발명에 관한 것이다.

일반적으로 도로상에는 만약의 사고에 대비하여 가드레일이나 중앙분리대 등 여러 가지 안전시설물들이 설치되어 있다.

또한, 도로상에는 지하차도나 고가도로, 터널 및 교량 하부 등 상기 안전시설물들 이외의 시설물들도 즐비하며, 이런 시설물들은 운전자의 부주의로 인해 자동차와 충돌이 일어날 수 있다.

자동차와 상기 시설물들의 충돌에 의해 교통사고가 발생한 경우에, 엄청난 크기의 충격에너지가 사고 차량에 가해지기 때문에 자동차의 파손뿐만 아니라 인명피해가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 자동차가 안전시설물이 아닌 일반적인 구조물 혹은 다른 자동차와 충돌하는 경우 차량 내부에서 충격에너지를 견뎌야 한다.

하지만, 소재의 에너지 흡수 특성만으로 발생하는 모든 충격에너지를 견디기 한계가 있으며, 대부분의 경우 소재의 두께를 두껍게 하여 이를 보상해주는 방법을 선택하고 있다.

이는 차체의 무게 증가와 직결되며, 최근 이슈화되고 있는 자동차 연비향상에 어려움을 겪을 수밖에 없다.

특히, 차량의 전복시에 자동차의 앞유리와 루프사이에 연결되는 루프헤더에 의해 실내를 보호하고 있기 때문에, 상기 루프헤더는 자동차의 충격을 견딜 수 있을 정도의 강도가 필요하다.

따라서, 상기 루프헤더에 충격에 견딜 수 있는 강도를 갖추도록 하기 위해 고강도강을 사용하는 루프헤더의 경우에는 일반강을 사용할 경우와 달리 보강재를 덧대는 형태로 제작되어 차체의 무게를 증가시키는 문제점이 있었다.

또한, 이런 루프헤더의 경량화를 위해 부품에 구멍을 내는 등의 추가공정이 필요하였고, 이런 추가공정 등은 추가적인 비용을 발생시켜 가격 경쟁력에서 불리해지는 문제점이 있었다.

한편, 기존의 루프헤더는 보강제를 루프헤더 본 제품에 결합시키는 용접공정이 추가되고 별도의 금형이 요구되는 것에 의한 추가비용 문제점도 있었다.

따라서, 자동차의 사고 발생시의 충격을 흡수할 수 있는 고강도의 자동차 부재를 제공하면서도 기존의 부재보다 경량화할 수 있는 고강도강을 사용한 자동차 부재 내지 루프헤더에 대한 연구가 필요하였다.

본 발명의 목적은 필요로 하는 강도를 충족하도록, TWIP강을 사용하여 부재에 복수의 비드를 형성하여 고강도 경량화의 자동차 하중집중부재 및 그 제조방법를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재는 보강제 없이 필요강도를 얻도록, 고강도강으로 성형된 상기 하중집중부재에 복수 개의 비드가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재는 루프판넬의 전후부에 설치되며, 하단평면부, 상기 하단평면부와 단차진 단턱부 및 상기 단턱부와 연결되는 상단평면부를 포함하는 수비드가 형성된 루프헤더인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재의 상기 루프헤더의 상단평면부에는 상기 상단평면부의 양 끝단을 제외한 부분에 상기 하단평면부를 향하며, 상기 루프헤더의 길이 방향으로 암비드가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재의 상기 암비드의 단부에는 상기 루프헤더의 성형시의 파단을 방지토록, 파단방지턱이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재의 상기 하단평면부에는 상기 루프판넬과의 결합을 용이하게 할 수 있는 하단비드가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재의 상기 루프헤더에 형성된 상기 수비드의 상단평면부에 암비드가 1 개 형성된 경우에 비드 모서리의 곡률반경은 5 ~ 8mm이며, 상기 암비드의 깊이는 30mm이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재의 상기 루프헤더에 형성된 상기 수비드의 상단평면부에 암비드가 2 개 형성된 경우에 비드 모서리의 곡률반경은 5 ~ 8mm이나, 상기 비드모서리 중에 상기 하단평면부의 상기 비드 모서리의 곡률반경은 8mm 이상이며, 상기 암비드의 깊이는 25mm이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재의 상기 고강도강은 TWIP강인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차 하중집중부재 제조방법은 상기 하중집중부재를 스템핑가공에 의해 성형하는 것을 특징으로 할 수 있다

본 발명에 따른 자동차 하중집중부재 및 그 제조방법은 보강제 없이도 필요로 하는 강도를 얻기 위해 TWIP강을 사용하여 상기 하중집중부재의 성형성을 향상시켜, 상기 하중집중부재에 복수의 비드를 형성함으로써, 고강도이면서도 경량화된 하중집중부재를 제공하여, 자동차의 연비를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기 하중집중부재의 강도를 향상시키기 위해, 복수의 부품 제작 또는 결합공정이 필요 없어 공정단순화에 의한 비용절감효과도 있다.

본 발명은 고강도강 중에 TWIP강의 활용범위를 넓혀주는 활용예로써의 의미도 가지고 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재를 포함한 자동차의 개략적인 부분절단 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재에 길이 방향으로 암비드가 형성된 루프헤더의 개략 사사도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재의 루프헤더에 암비드가 1 개 형성된 것을 도시한 개략 단면도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재의 루프헤더에 암비드가 2 개 형성된 것을 도시한 개략 단면도이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재의 성능을 실험하기 위한 구성도이고 도 5의 (b)는 그 결과 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재(1)를 포함한 자동차의 개략적인 부분절단 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재(1)는 보강제 없이 상기 하중집중부재(1)의 강도를 향상토록, 상기 하중집중부재(1)에 복수 개의 비드가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 하중집중부재(1)는 자동차에 사용되는 부재 중에 자동차의 사고 또는 전복시에 상기 자동차를 지지하며 자동차에 미치는 충격을 흡수하는 차체부재를 의미한다. 따라서, 상기 하중집중부재(1)로써 루프헤더(100), A-필러(A-pillar)(200) 또는 루프사이드레일(300) 등을 포함할 수 있다.

한편, 상기 루프헤더(100)는 루프판넬(2)의 전후부에 설치되는 하중집중부재(1)로써, 자동차의 측면에 충격이 가해질 경우에 이를 흡수하기 위한 역할을 한다.

상기 하중집중부재(1)에는 복수 개의 비드가 형성될 수 있는데, 이에 의해서 상기 하중집중부재(1)의 강도를 향상시킬 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.

상기 하중집중부재(1)는 TWIP강을 소재로 한 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 고강도 및 고연신의 TWIP강을 상기 하중집중부재(1)에 사용함으로써, 상기 하중집중부재(1)에서 필요로 하는 강도를 얻기 위한 자유로운 성형이 가능하게 할 수 있다.

이에 의해 후술할 바와 같이 상기 하중집중부재(1)의 성형성 향상에 의한 복수의 비드를 형성함으로써, 소재의 연신률을 높여 고강도이면서 경량화된 하중집중부재(1)를 제공하여, 자동차의 연비향상의 효과를 가져올 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재(1)에 길이 방향으로 암비드(120)가 형성된 루프헤더(100)의 개략 사사도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재(1)는 루프판넬(2)의 전후부에 설치되며, 하단평면부(111), 상기 하단평면부(111)와 단차진 단턱부(113) 및 상기 단턱부(113)와 연결되는 상단평면부(112)를 포함하는 수비드(110)가 형성된 루프헤더(100)인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 수비드(110)의 하단평면부(111)는 상기 루프헤더(100)에 하나의 수비드(110)가 형성된 경우에 상기 루프헤더(100)의 하단의 평면을 의미하며, 이에는 다른 요소와 결합시의 표면적을 넓혀주어 상기 루프판넬(2)과의 결합을 용이하게 하기 위한 하단비드(140)이 형성될 수 있다. 이의 개수 및 형상에는 제한이 없으며, 상기 루프판넬(2)과의 표면적을 넓히는 형상이라면 본 발명의 일 실시예가 될 수 있다.

상기 단턱부(113)는 상기 루프헤더(100)에 하나의 수비드(110)가 형성될 경우에 상기 수비드(110)의 측면에 형성되는 단차진 부분을 의미한다.

상기 상단평면부(112)는 상기 루프헤더(100)에 하나의 수비드(110)가 형성되는 경우에 상기 수비드(110)의 상단의 평면을 의미하며, 이에는 본 발명의 강도를 높이기 위해 추가적으로 암비드(120)들이 형성될 수 있다. 이런 암비드(120)의 형상에 대하여는 도 2를 참조하여 후술한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재(1)의 상기 루프헤더(100)의 암비드(120)는 상기 상단평면부(112)의 양 끝단을 제외한 부분에 상기 하단평면부(111)를 향하여, 상기 루프헤더(100)의 길이 방향으로 상기 상단평면부(112)에 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 상단평면부(112)에 형성된 상기 암비드(120)는 상기 루프헤더(100)의 길이 방향으로 형성될 수 있는데, 이에 의해 상기 루프헤더(100)를 연신시켜 가공경화(work hardening)에 의해 상기 루프헤더(100)의 강도를 향상시키게 된다.

또한, 상기 암비드(120)가 상기 하단평면부(111)를 향하여 형성되기 때문에, 상기 루프헤더(100)에는 방향을 반대로 하는 수비드(110) 및 암비드(120)가 형성되어, 상기 루프헤더(100)의 단면에서 보면 상기 루프헤더(100)의 단면의 기둥이 2 배가 된다.

따라서, 상기 루프헤더(100)의 측면에 충격이 가해질 경우에, 상기 루프헤더(100)가 충격에 대응하는 힘(Opposing Force: OF)을 높여주어, 상기 루프헤더(100)의 강도를 향상시키게 된다.

이에 대한 효과를 확인하기 위한 시뮬레이션(simulation)의 구성도 및 결과 그래프에 대해서는 도 5을 참조하여 후술한다.

이와 같이 상기 루프헤더(100)의 길이 방향으로 상기 암비드(120)가 형성된 경우에는 상기 루프헤더(100)의 측면에 대한 강도를 높여주는 효과가 있고, 상기 암비드(120)가 상기 루프헤더(100)의 길이 방향과 수직 방향으로 형성된 경우에는 상기 루프헤더(100)의 정면에 대한 강도를 높여주는 효과가 있다.

또한, 상기 루프헤더(100)의 길이 방향으로 형성된 길이 방향 암비드(121)와 상기 루프헤더(100)의 길이 방향과 수직 방향으로 형성된 수직 방향 암비드(122)를 혼합하여 형성할 수 있다. 이에 의하면, 상기 루프헤더(100)에 가해지는 충격이 상기 루프헤더(100)의 측면 방향이던 정면 방향이던 필요로 하는 강성을 얻을 수 있다. 즉, 상기 루프헤더(100)에 가해지는 충격의 방향을 예상하여, 상기 암비드(120)를 소정의 방향으로 혼합하여 형성할 경우에 필요로 하는 강도를 확보할 수 있게 된다.

이에 의해, 종래의 경우와 달리 필요로 하는 강도를 부수적인 요소의 추가 없이 얻을 수 있기 때문에, 복수의 부품 제작 또는 결합에 의한 추가 공정을 생략할 수 있어 비용절감의 이점이 있다.

한편, 상기 암비드(120)의 단부에는 상기 암비드(120)의 형성시에 발생할 수 있는 파단을 방지하기 위하여 파단방지턱(124)을 형성할 수 있다. 즉, 상기 암비드(120)의 성형시에 상기 암비드(120)의 단부는 다른 부분에 비해서 더 많은 연신을 해야하므로 상기 루프헤더(100)의 두께나 재료에 따라서는 파단이 발생할 있어, 이를 방지하기 위해서 상기 암비드(120)의 내부로 단차진 형상의 파단방지턱(124)을 형성하여 상기 암비드(120)의 파단을 방지하도록 하는 것이다.

다만, 상기 파단방지턱(124)은 상기 암비드(120)와 일정한 각도로 기울어진 단턱의 형상으로도 할 수 있으며, 이는 상기 암비드(120)의 성형시 발생할 수 있는 파단을 방지하기 위한 단턱 형상이라면 본 발명의 실시예에 모두 포함되기 때문이다.

도 3는 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재(1)의 루프헤더(100)에 암비드가 1 개 형성된 것을 도시한 개략 단면도이며, 도 4은 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재(1)의 루프헤더(100)에 암비드가 2 개 형성된 것을 도시한 개략 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재(1)의 상기 루프헤더(100)의 상단평면부(112)에 암비드(120)가 1 개 형성된 경우에 비드 모서리(130)의 곡률반경은 5 ~ 8mm이며, 상기 암비드(120)의 깊이(123)는 30mm이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 하중집중부재(1)의 상기 루프헤더(100)의 상단평면부(112)에 암비드(120)가 같은 방향으로 나란히 2 개 형성된 경우에 비드 모서리(130)의 곡률반경은 5 ~ 8mm이나, 상기 비드모서리(130) 중에 상기 하단평면부(111)의 상기 비드 모서리(131)의 곡률반경은 8mm 이상이며, 상기 비드의 깊이(123)가 25mm이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 암비드(120)의 깊이(123)는 상기 루프헤더(100)에 비드(110, 120)가 2 개 형성될 경우인 상기 상단평면부(112)에 암비드(120)가 1 개 형성된 경우에는 30mm까지만 성형이 가능하고, 상기 루프헤더(100)에 비드(110, 120)가 3 개 형성될 경우인 상기 상단평면부(112)에 암비드(120)가 2 개 형성된 경우에는 25mm까지만 성형이 가능하다.

이는 상기 암비드(120)의 성형을 위해 상기 암비드(120)을 연신하는 경우에 소재가 수축하려는 힘에 의한 상기 암비드(120) 깊이의 한계이다.

즉, 상기 소재가 파단하는 것을 방지하면서도 최대로 연신할 수 있는 상기 암비드(120)의 깊이(123)를 의미하는 것으로서, 가공경화에 의한 최대 강도를 가질 수 있는 성형 수치가 되는 것이다.

한편, 상기 비드의 모서리(130)에는 소정의 곡률반경을 주게 되며, 이는 상기 루프헤더(100)에 상기 암비드(120)을 성형하기 위해 스탬핑(stamping)하는 경우에 스탬핑 요소와 상기 루프헤더(100)의 마찰을 줄이기 위한 것이다.

즉, 상기 상단평면부(112)에 암비드(120)가 1 개 또는 2 개 형성된 경우에 상기 비드 모서리(130)의 곡률반경은 5 ~ 8mm이어야 한다. 다만, 상기 상단평면부(112)에 암비드(120)가 2 개 형성된 경우는 상기 하단평면부의 비드 모서리(131)의 곡률반경은 8mm 이상이어야 한다. 이는 상기 하단평면부 비드 모서리(131)가 소재유입부로써 다른 비드 모서리(130)에 비해서 더 많은 마찰이 발생할 수 있기 때문이다.

도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예인 자동차 하중집중부재(1)의 성능을 실험하기 위한 구성도이고 도 5의 (b)는 그 결과 그래프이다.

도 5의 (a)을 참조하면, 본 발명의 상기 하중집중부재(1)의 실험 하중(Test Force: TF)에 대한 상기 하중집중부재(1)의 대응력(Opposing Force: OF)을 시뮬레이션할 수 있다. 도시된 바와 같이 상기 하중집중부재(1)를 포함한 자동차의 측면을 실험부재에 의해 힘(TF)을 점점 크게 가하면서 데이터를 얻게 된다.

도 5의 (b)를 참조하면, 본 발명의 상기 실험부재가 가하는 힘(TF)은 상기 실험부재가 움직인 거리(Displacemet: D)에 비례하기 때문에 X축을 상기 실험부재의 움직인 거리로 하고, 상기 하중집중부재(1)의 대응하는 힘(OF)를 결과값으로 Y축으로 하여 그래프로 나타낼 수 있다.

도시된 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 하중집중부재(1)의 경우에는 최대 51KN 정도의 대응력을 가질 수 있다. 이는 IIHS, NHTSA RULE 등의 자동차 통과 규격을 판단하기 위한 기준값인 공차 중량(curb weight: 실험차량은 약 12KN)의 약 4 배 정도 되는 수치로써, 상기 자동차 통과 규격의 합격값(공차 중량의 3배 내지 4배)을 넘는 값으로써, 종래의 기술과 달리 추가적인 보강재 없이도 필요로 하는 강도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차 하중집중부재 제조방법은 상기 하중집중부재(1)를 스템핑(stamping)가공에 의해 성형하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기존의 경우에는 포밍(forming)가공에 의해 고강도 판재를 접어서 상기 하중집중부재(1)를 제조하였기 때문에, 성형성이 좋지 않았다. 또한, 복수 개의 비드를 형성하는 것이 어려워 상기 하중집중부재(1)만으로 부재에 필요한 강도를 충족시키지 못하였다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 성형성이 좋은 TWIP강을 사용하여 상기 하중집중부재(1)를 성형하기 때문에, 스템핑가공에 의한 제조가 가능하여 복수 개의 비드(110, 120) 형성에 의한 상기 하중집중부재(1)만으로 필요로 하는 강도를 충족할 수 있다.

이는 상기 하중집중부재(1)의 성형시에 금형을 스템핑하는 단계에 의하여 이루어지며, 종래보다 다양한 구조의 성형이 가능한 효과가 있다.

1 : 하중집중부재 2 : 루프판넬
100 : 루프헤더 110: 수비드
111: 하단평면부 112: 상단평면부
113: 단턱부 120: 암비드
121: 길이 방향 암비드 122: 수직 방향 암비드
123: 암비드 깊이 124: 파단방지턱
130: 비드 모서리 131: 하단평면부 비드 모서리
140: 하단비드 200: A-필라
300: 루프사이드레일

Claims

자동차에 사용되는 하중집중부재에 있어서,
보강제 없이 필요강도를 얻도록, 고강도강으로 성형된 상기 하중집중부재에 복수 개의 비드가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 1 항에 있어서,
상기 하중집중부재는 루프판넬의 전후부에 설치되며, 하단평면부, 상기 하단평면부와 단차진 단턱부 및 상기 단턱부와 연결되는 상단평면부를 포함하는 수비드가 형성된 루프헤더인 것을 특징으로하는 자동차 하중집중부재.
제 2 항에 있어서,
상기 루프헤더의 상단평면부에는 상기 상단평면부의 양 끝단을 제외한 부분에 상기 하단평면부를 향하며, 상기 루프헤더의 길이 방향으로 암비드가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 3 항에 있어서,
상기 암비드의 단부에는 상기 루프헤더의 성형시의 파단을 방지토록, 파단방지턱이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하단평면부에는 상기 루프판넬과의 결합을 용이하게 할 수 있는 하단비드가 형성된 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루프헤더에 형성된 상기 수비드의 상단평면부에 암비드가 1 개 형성된 경우에 비드 모서리의 곡률반경은 5 ~ 8mm이며, 상기 암비드의 깊이는 30mm이하인 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루프헤더에 형성된 상기 수비드의 상단평면부에 암비드가 2 개 형성된 경우에 비드 모서리의 곡률반경은 5 ~ 8mm이나, 상기 비드모서리 중에 상기 하단평면부의 상기 비드 모서리의 곡률반경은 8mm 이상이며, 상기 암비드의 깊이는 25mm이하인 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 상기 고강도강은 TWIP강인 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재.
제 8 항의 상기 하중집중부재를 스템핑가공에 의해 성형하는 것을 특징으로 하는 자동차 하중집중부재 제조방법.