KR20130077896A - 보강형 ｂｉｗ 및 이를 제조하고 사용하는 방법 - Google Patents

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KR20130077896A
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KR1020137013922A
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다넨드라 쿠마르 나그완쉬
수다카르 라마무시 마러르
매튜 더글라스 막스
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사빅 이노베이티브 플라스틱스 아이피 비.브이.
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Abstract

다양한 실시예에서, 차량의 구조체는 채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 차량 부품; 및 벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재를 포함하며, 상기 금속 차량 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 범퍼 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 상기 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치한다. 상기 금속 부품은 상기 챠량의 구조체의 부분일 수 있다.

Description

보강형 ＢＩＷ 및 이를 제조하고 사용하는 방법{REINFORCED BODY IN WHITE AND METHOD OF MAKING AND USING THE SAME}
본 개시는 차량의 구조체(structural body)와 이것의 중량 감소에 관한 것이다.
자동차 제조 업체들은 연료 효율과 배기가스의 감소에 대한 늘어나는 정부의 규제를 충족시키기 위해 승용차의 중량을 계속 감소시키고 있다. 일반적으로 BIW(body in white)로서 알려져 있는 차량의 구조체는 차량에서 가장 큰 구조체므로, 중량 감소를 고려할 때 이상적인 부분이다. BIW는, 다른 부품, 즉, 엔진, 섀시(chassis), 외부 및 내부 트림, 시트 등이 결합되는 차량 구조체를 형성하는, 용접된 시트 금속 부품을 의미한다. 하지만, 구조체 중량의 감소는, 구조체 강성, 즉. 차량의 동력, 내구성 및 내충돌성(crash worthiness)에 영향을 미치는 핵심 특성과 트레이드오프(trade off) 관계에 있다.
따라서, 내구성과 내충돌성을 희생시키지 않고, 중량을 감소시킬 수 있는 BIW를 설계할 필요가 발생한다.
다양한 실시예에서, 차량 본체의 플라스틱 보강형 구조적 요소뿐만 아니라 보강된 본체를 제조하고 이용하는 방법이 공개된다.
다양한 실시예에서, 차량의 구조체는 채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 부품; 및 벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재를 포함하며, 상기 금속 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 상기 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치한다. 상기 금속 부품은 상기 차량의 구조체의 부분이다.
일실시예에서, 차량은, 채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 차량 부품, 및 벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재를 포함하는 구조체; 엔진; 및 구동 메커니즘을 포함하며, 상기 금속 차량 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 범퍼 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 상기 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치한다.
이러한 특성들과 다른 특성들이 이하에서 더 구체적으로 설명되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서 도면이 간단하게 설명되어 있는데, 도면에서 유사한 구성요소는 유사한 참조번호로 나타내고, 이러한 도면은 본 명세서에서 공개되는 바람직한 실시예를 제한하려는 목적이 아니라 예시할 목적으로 도시된 것이다.
도 1 내지 4는 각기 다른 실시예에 따른 보강형 BIW 부품의 단면도이다.
도 5 내지 7은 다양한 예시적인 실시예에 따른 BIW에서 사용될 수 있는 플라스틱 보강재의 사시도이다.
도 8은 보강될 수 있는 BIW의 예시적인 영역을 나타내는 부분 사시도이다.
도 9는 플라스틱 보강재에 대한 바람직한 위치를 표시한 도면이다.
도 10은 BIW에 대한 충돌 결과 요구사항(crash result requirement)의 그래프이다.
도 11은 일실시예에 따른, B-필러와 플로어 로커(floor rocker)의 접합부에서의 벌집 인서트를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 12는. 도 11의 벌집 인서트의 분해 사시도이다.
도 13은 일실시예에 따른, B-필러에서의 벌집 인서트를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 14는 도 13의 벌집 인서트의 분해 사시도이다.
도 15는 일실시예에 따른, 플로어 크로스바(crossbar)에서의 벌집 인서트를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 16은 도 15의 벌집 형상 인서트의 분해 사시도이다.
전술한 바와 같이, 구조적 무결성(structural integrity) 및 내구성을 손상시키지 않고 챠량의 중량을 감소시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 강도를 희생시키지 않으면서 차량에서 사용되는 금속의 양을 감소시키는 것이 바람직하다. 중공의 금속 구조적 요소(hollow metal structural element)(예를 들어, 빔, 레일, 필러(pillar), 로커(rocker), 바 등)가 차량 전체에 걸쳐서 사용된다. 이러한 다양한 요소의 벽 두께는, 원하는 기능 및 각종 규제 사항을 충족시키도록 해당 요소에 원하는 구조적 무결성을 부여하기에 충분하다. 부품에서 국소화된 플라스틱 보강재를 사용함으로써 이러한 요소의 구조적 무결성을 유지하면서, 이러한 벽의 두께를 감소시킬 수 있어서, 부품의 중량, 즉, 차량의 중량을 감소시킬 수 있다는 것을 알게 되었다. 본 명세서에 있어서, 차량의 플라스틱 보강형 구조체, 예를 들어, 자동차의 플라스틱 보강형 중공의 금속부가 여러 실시 형태에서 공개된다. 공개된 에너지 흡수 장치는 하이브리드 금속 플라스틱 솔류션이다. 이러한 장치는, 플라스틱 보강재(예를 들어, 국소화된 플라스틱 보강재)가 구비된 금속 채널을 포함하는 변형 가능한 유닛이다. 필수적으로, 국소화된 플라스틱 벌집 보강재는, 중공의 금속 부품에 구조적 무결성을 제공하는데 사용될 수 있다.
고속 정면 충돌(예를 들어, 29kmph(km/h) 이상의 속도)의 경우, 차량 섀시(chassis)의 앞 부분(예를 들어, 범퍼 빔, 에너지 흡수체(energy absorber) 및 레일)은 충돌에너지의 최대량을 흡수한다. 고속 측면 충돌의 경우, B-필러, 플로어 로커 및 플로어 크로스바는 에너지 흡수에 중요한 역할을 한다. 전복(rollover) 또는 지붕 압착(crush)의 경우, A-필러, B-필러 및 지붕의 레일이 충돌 에너지 흡수에 중요한 역할을 한다. 일반적으로, 전술한 차량의 부품은 중공의 금속 부분이다. 전술한 차량의 부품의 내충돌성(crash worthiness)을 향상시키기 위해서, 국소화된 플라스틱 보강재를 구비한 채널을 포함하는 하이브리드 금속 플라스틱 솔루션이 본 명세서에서 공개된다. 공개된 충돌 대항 수단(crush countermeasure)을 통해, 전체적으로 금속으로 이루어진 종래의 시스템과 비교하여 더 경량화된 구조체에 충격 및/또는 보강 특성이 제공된다. 이러한 압착 대항 수단을 통해, 모두 금속으로 된 현재의 시스템에 필적하는 보호 기능을 갖는 경량화된 압착 시스템이 제공된다. 이와 같이, 승객의 안전을 감소시키지 않고, 차량의 전체 중량이 감소된다.
충돌 동안에 발생하는 손상을 최소화하는데 사용될 수 있는 플라스틱 보강형 구조적 부품이 공개된다. 플라스틱(예를 들어, 열가소성 수지) 보강형 구조적 부품은, 플라스틱 보강재를 둘러싸는 금속 부품을 포함한다. 열가소성 보강재는 구조성 부품 전체에 걸쳐서 배치되거나 구조성 부품의 내의 전략적 위치에 국소화될(localized) 수 있다. 보강될 수 있는 구조체의 요소로는, 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바, 및 기타 중공의 금속 부품뿐만 아니라 전술한 것 중 하나 이상의 요소들을 포함하는 조합이 포함된다.
플라스틱 보강재는 폐포형(alveolar) 구조를 가질 수 있고, 이는 보다 일반적으로 "벌집"(예를 들어, 컬럼 및 채널의 어레이)이라 지칭된다. 이러한 벌집 구조는, 원형, 타원, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다이아몬드형, 오각형, 육각형, 칠각형, 및 팔각형의 형상뿐만 아니라 전술한 형상 중 하나 이상을 포함하는 조합과 같은 임의의 다각형 또는 둥근 형상일 수 있다. 플라스틱 벌집은, 압출 플라스틱 튜브를 함께 접합시키거나, 플라스틱 벌집을 사출 성형하거나 벌집 구조를 압출함으로써 만들거나 다른 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 보강재는, 동일하거나 다른 재료의 벌집을 갖는 공압출된(co-extruded) 부품일 수 있는데, 예를 들어, 서로 인접한 벌집은 다른 재료의 조성을 포함할 수 있다. 선택적으로, 전체 또는 일부 벌집은 폼(foam)을 갖는다. 즉, 벌집은, 특정 벌집을 충전시키거나, 특정 벌집에 대해 다른 플라스틱을 사용하거나 전술한 방법들 중 하나 이상을 포함하는 조합으로 구조적 무결성이 수정되도록, 개별적으로 공동형으로 형성되거나 충전될 수 있다. 가능한 충전 재료 중 한가지는 폼이다.
채널에 대한 벌집의 배향(orientation)은, 보강형 구조성 부품(예를 들어, BIW)의 에너지 흡수 특성을 튜닝하도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 벌집은 채널 벽에 대하여 0도(예를 들어, 평행) 내지 90도(예를 들어, 수직)로 배향될 수 있는 채널을 형성할 수 있다. 즉, 일부 실시예에서, 벌집은 중공의 채널과 공동의 주축을 갖고 이 축에 평행하게 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 벌집은 중공의 채널의 주축에 수직으로 연장될 수 있다.
구조성 부품은 중공의 채널을 구비한 금속 요소이다. 플라스틱 보강재는 이런 채널에 배치된다. 플라스틱 보강재가 전체 채널에 걸쳐서 위치하지 않을 때, 차량 사용 또는 충돌 동안에 플라스틱 보강재가 이탈되는 것을 방지하도록, 플라스틱 보강재는 금속에 부착될 수 있다. 금속 요소와 플라스틱 보강재의 부착은, 결합제(도 3), 용접(도 1과 2), 고정 수단(도 4)뿐만 아니라 전술한 것 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함하는 여러 가지 메커니즘을 이용하여 달성할 수 있다.
가능한 금속 부품 재료로는, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 마그네슘, 아연, 철강뿐만 아니라 전술한 재료 중 하나 이상을 포함하는 조합물이 포함된다. 금속 부품의 벽 두께는 모두 동일하거나, 강성이 원하는 방향으로 향상되도록 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 한 세트의 양측 벽은 다른 세트의 양측 벽보다 더 크거나 작은 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 부품은 1.6mm 이하, 특히, 1.0mm 내지 1.5mm, 더 바람직하게는, 1.3mm 내지 1.4mm의 벽 두께를 갖는다. 일반적으로, 금속 벽(예를 들어, 플로어 로커, 레일, 필러, 범퍼 빔 등)은 1.8mm를 초과하는 벽 두께를 갖는다. 그러므로, 플라스틱 보강재를 사용함으로써, 10% 이상, 특히, 20% 이상, 심지어 25% 이상 벽 두께를 감소시킬 수 있다.
플라스틱 보강재는 다양한 플라스틱 재료, 예를 들어, 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 이것들의 조합물을 포함할 수 있다. 특정 재료는, 재료의 속성, 차량에서 원하는 위치 및 해당 위치의 특성에 근거하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 차량의 제조 조건(페인트 바이크(paint bike)를 통해 구조체를 따라 이동할 때, 플라스틱 인서트가 무결성을 유지하도록, 예컨대, 30분 동안 온도 40도(화씨)에서, 예를 들어, 용접, 페인팅 등)에 따라, 재료는 적절한 강성(예컨대, 0.8GPa 내지 7.0GPa의 영률(Young's module)), 양호한 신장율(elongation)(30%를 초과하는 신장율), 내약품성 및/또는 내열성을 갖는다. 바람직한 플라스틱 재료는 열가소성 재료뿐만 아니라 열가소성 재료에, 금속, 탄성 중합체재료 및/또는 열경화성 재료를 조합한 조합물을 포함한다. 가능한 열가소성 재료로는, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT); 아크릴로니트릴-부타디엔-스틸렌(ABS); 폴리카보네이트; 폴리카보네이트/PBT 블렌드(blend); 폴리카보네이트/ABS 블렌드; 코폴리카보네이트-폴리에스테르; 아크릴-스티렌-아크릴로니트릴(ASA); 아크릴로니트릴-(개질된 에틸렌-폴리프로필렌 다이아민)-스티렌(AES); 페닐렌 에테르 수지; 폴리페닐렌 에테르/폴리아미드의 블렌드; 폴리아미드; 페닐렌 황화물 수지; 폴리염화비닐(PVC); 고충격 폴리스티렌(HIPS); 저/고밀도 폴리에틸렌(L/HDPE); 폴리프로필렌(PP); 발포 폴리프로필렌(EPP); 및 열가소성 올레핀(TPO)이 포함된다. 예를 들어, 플라스틱 부품은 사빅 이노베이티브 플라스틱스(SABIC Innovative plastics IP B.V)사로부터 상용으로 입수가능한 제노이(Xenoy)® 수지를 포함한다. 플라스틱은, 예를 들어, 섬유, 입자, 플레이크(flake)뿐만 아니라 전술한 것 중 하나 이상을 포함하는 조합으로 선택적으로 보강될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 인서트는, 스타맥스(STARMAX)* 재료, 즉, 사빅 이노베이티브 플라스틱스사로부터 상용으로 입수가능한 기다란 유리 섬유 보강형 폴리프로필렌으로 형성될 수 있다. 플라스틱 부품은 전술한 재료 중 임의의 재료 및/또는 보강재, 예를 들어, 열경화성 재료와의 조합물 중 하나 이상을 포함하는 조합물로 만들어진다.
플라스틱 보강재의 전체 사이즈는, BIW 내부에서의 위치와, 관련된 채널의 사이즈에 따라 달라진다. 또한, 플라스틱 보강재의 특성은, 특정 영역에서의 원하는 에너지 흡수 특성, 예를 들어, 단위 면적당 벌집 수, 벌집 벽 두께 및 플라스틱 보강재의 특정 재료에 따라 달라질 것이다. 벌집 밀도(단위 면적당 벌집 수)는, 원하는 강성, 충돌 특성, 사용되는 재료에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 이러한 밀도로는 100mm2 당 1 내지 20개, 구체적으로는 100mm2 당 1 내지 10개, 더 구체적으로는 100mm2 당 1 내지 5개의 벌집이 있을 수 있다. 다양한 실시예에서, 플라스틱 보강재의 벽 두께는 0.5mm 내지 10mm, 구체적으로는 2mm 내지 5mm, 더 구체적으로는 2.5mm 내지 4mm일 수 있다.
금속 부품의 길이는 BIW의 특정 영역에 따라 달라지는 반면, 플라스틱 보강재의 길이는 금속 부품에서의 향상된 구조적 무결성의 양과 위치에 따라 달라진다. 플라스틱 보강재는 금속 부품의 길이에 상응하거나 금속 부품의 길이보다 작은 길이를 가질 수 있다(예를 들어, 국소화(localize), 즉, 특정 위치의 향상된 구조적 무결성을 달성하기 위해 특정 위치에만 배치될 수 있다). 바람직하게는, 중량을 최대로 감소시키기 위해, 원하는 구조적 무결성(예를 들어, 더 얇은 벽이 없는 표준 금속 부품의 구조적 무결성과 같거나 이보다 큰 구조적 무결성)을 달성하는데 필요한 최소한의 중량이 추가되도록, 플라스틱 보강재는 국소화될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스틱 보강재는 1,000mm 이하, 구체적으로는 800mm 이하, 더 구체적으로는 300mm 이하의 길이를 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 플라스틱 보강재의 길이는 금속 부품(즉, 플라스틱 보강재에 의해 보강되는 금속 부품)의 길이의 80% 이하, 구체적으로는 60% 이하, 더 구체적으로는 50%이하, 더욱 구체적으로는 10% 내지 35%일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 플라스틱 보강재는, 예를 들어, 필러 또는 레일에서의 사용을 위해, 150mm 내지 350mm, 구체적으로는 200mm 내지 250mm의 길이를 갖는다. 다른 실시예에서, 플라스틱 보강재는, 예를 들어, 플로어 로커에서의 사용을 위해 500mm 내지 800mm, 구체적으로는 600mm 내지 700mm의 길이를 갖는다.
전술한 바와 같이, 플라스틱 보강재는 차량의 여러 위치에 위치할 수 있는데, 예를 들어, 범퍼 빔 및/또는 BIW(예컨대, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바)뿐만 아니라 전술한 요소 중 하나 이상을 포함하는 조합의 여러 위치에 위치할 수 있다. 금속 부품에서의 보강재의 원하는 특정 위치는 충돌 결과를 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참조하면, 보강재는 B-필러(예를 들어, B-필러의 중앙 부근) 및/또는 B-필러와 만나는 플로어 로커에 필요하다(도 9의 바람직한 보강재 위치(70)를 참조).
본 명세서에서 공개되는 부품, 프로세스 및 장치는 첨부된 도면을 참조함으로써 더 완벽하게 이해할 수 있다. 이러한 도면들은, 본 개시의 설명의 편리성과 용이성을 위해 단지 개략적으로 나타낸 것이므로, 장치 또는 부품의 상대적인 사이즈와 치수를 나타내거나 예시적인 실시예의 범위를 한정하거나 제한하기 위한 것이 아니다. 명확성을 위해, 특정 용어가 후술하는 설명에서 사용되지만, 이러한 용어는 도면의 도시를 위해 선택되는 실시예의 특정한 구조를 단지 의미하는 것이고, 본 개시의 범위를 한정하거나 제한하기 위한 것이 아니다. 도면과 후술하는 설명에서, 유사하게 지정되는 참조 번호는 유사한 기능의 구성요소를 나타낸다는 것을 이해해야 한다.
도 1 내지 4는 플라스틱 보강형의 구조성 부품의 단면을 나타내는 예이다. 도시된 바와 같이, 부품은 용접될 수 있고(도 1 내지 4), 표준 벽 두께를 포함할 수 있고(도 1), 더 얇은 벽을 포함할 수 있고(도 2 내지 4), 부품에 플라스틱 보강재를 유지하기 위해 접착제를 포함할 수 있고(도 3), 및/또는 고정 수단을 포함할 수 있다(도 4). 이러한 고정 수단은 기계적 및/또는 화학적인 것일 수 있다. 예시적인 기계적 고정 수단으로는, 잠금 요소(예를 들어, 플라스틱(예컨대, 플라스틱 보강재를 BIW 부품의 외부면에 연결하는 벽에서의 개구부를 통해 압출되는 플라스틱)), 스냅(snap), 후크(hook), 나사, 볼트, 리벳, 용접, 크림프(crimp)(예컨대, 크림프형 금속벽), 금속 부품 벽으로부터 플라스틱 보강재(예를 들어, 플라스틱 보강재와 결합하기 위해 벽으로부터 채널로 연장되는 탭(tab) 등)로의 금속 돌출부, 등이 포함될 수 있다. 또한, 마찰 끼워맞춤(friction fit)이 보강재를 제자리에 유지시키는데 사용된다. 화학적 고정 수단으로는, 글루(glue), 접착제 등과 같은 결합제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 보강재는, 일부 플라스틱이 개구부를 통해 금속 벽을 통과하고 굳어져서 부품들을 함께 결합시키도록 금속 부품으로 이중 성형(co-mold)될 수 있다. 다른 실시예에서, 플라스틱 보강재는, 금속 탭이 외측으로 외팔보 지지되고 제자리로 탄성 복귀되어 플라스틱 보강재에 결합됨으로써 빠지는 것이 억제되도록 하는 방향으로 금속 보강재에 삽입될 수 있다. 선택적으로, 플라스틱 보강재는, 탭과 결합하여 금속 부품과 플라스틱 보강재의 분리를 더욱 억제하도록 구성되는 결합영역(예를 들어, 디봇(divot), 인덴테이션(indentation), 홀(hole) 등)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 부품은, 보강재가 움직일 수 없도록(예를 들어, 보강재가 금속 부품에 삽입될 수 있고, 이후 플라스틱 보강재가 빠지거나 움직이는 것을 억제하도록 부품이 보강재에 인접하여 크림프될 수 있음) 보강 전 및/또는 후에 사이즈가 감소할 수 있다.
도면에서, 플라스틱 부품(4)은 금속 부품(6)의 채널 내부에 위치하고, 금속 부품은 용접(2)을 이용하여 함께 유지된다. 금속 부품은 박막형태로 구성될 수 있다(16). 도 3은 플라스틱 부품(4)을 금속 부품(6)에 부착시키는 접착제(8)를 나타내는 반면, 도 4는 플라스틱과 금속 부품을 함께 유지하는 기계적 고정 수단(10)(예를 들어, 스냅)을 나타낸다.
도 5 내지 7은 벌집에 대한 몇몇 예시적인 형상을 포함하여, 플라스틱 보강재에 대한 예시적인 설계를 나타낸다. 플라스틱 보강재에 대한 예시적인 설계로는, 복수의 삼각형 구조층(예를 들어, 삼각형을 형성하는 대각선 리브(diagonal rib)를 갖는 층; 예컨대 도 5), 둥근 벌집 구조(예를 들어, 원형, 타원형 등), 다각형 벌집 구조(예를 들어, 육각형 구조(예컨대, 도 7), 4변형 벌집 구조(예를 들어, 도 6), 오각형 등)뿐만 아니라 전술한 구조 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함하는 층 구조가 있다.
도 8은 차량에서의 가능한 플라스틱 보강재 위치를 나타내는 도면이다. 여기서, 플라스틱 인서트는 확인된 위치들 중 한 위치에 또는 임의의 조합으로 여러 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 이러한 위치로는 A-필러(50)(예를 들어, A-필러의 길이의 중앙 근처), B-필러(52)(예를 들어, B-필러의 길이의 중앙 근처), C-필러(54)(예를 들어, C-필러의 길이의 중앙 근처), D-필러(56)(예를 들어, D-필러의 중앙 근처), 지붕 레일(58)(예를 들어, 지붕 레일의 길이를 따르는 복수의 별개위치; 예컨대, 유리창 위 중앙 부분) 및/또는 플로어 로커(60)(예를 들어, B-필러와 플로어 로커가 만나는 영역)이 있다. 예를 들어, 금속 부품의 길이의 대략 10 내지 30%를 차지하는 인서트는 A-필러(50), B-필러(52), 지붕 레일(58) 및 플로어 로커(60)에 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 단면의 상세는, 2개의 강철 채널이 함께 용접될 수 있어 중공의 공간에 플라스틱 인서트가 배치되는 "BIW"의 중공의 부품이 형성되는 것을 나타낸다. 이러한 플라스틱 인서트의 정확한 위치는 다양한 고속 충돌 요구사항에 대한 내충격성 성능에 따라 달라진다. 도면(예를 들어, 도 5 내지 7)으로부터 명확해지듯이, 벌집은 채널을 형성한다. 이러한 채널은 BIW 부품에 형성되는 중공의 공간의 주축에 평행으로 배향될 수 있고, 이러한 채널을 BIW 부품에 형성되는 중공의 공간의 주축에 수직으로 배향되도록 함으로써, 추가로 구조적 무결성을 제공한다(도 11, 13 및 15 참조).
도 9는, 국소화된 플라스틱 인서트가 A-필러, B-필러, 지붕 레일 및 플로어 로커 등의 확인된 위치에 제안되는 개념을 표시한 도면이다. 도 9에 도시된 단면의 상세는, 2개의 강철 채널이 함께 용접되어 BIW의 중공의 부품이 형성되고, 플라스틱 인서트는 전술한 중공의 공간에 배치되는 것을 나타낸다. 이러한 플라스틱 인서트의 정확한 위치는 다양한 고속 충돌 요구사항에 대한 내충격성 성능에 따라 달라진다.
일부 실시예에서, 플라스틱 보강재는 금속 부품과 이중 성형되어 캐비티(cavity)에 배치된다. 이것은 표준 인서트 성형 공정에 의해 달성될 수 있다.
에너지 흡수 조립체는 후술하는 예에 의해 추가로 설명되는데 이것에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들은 시뮬레이션이라는 점에 유의해야 한다.
(예시)
예 1: 충돌 성능: 고속 측면 충돌 FMVSS 214 테스트 성능
일반 전체 차량 모델이, 고속 측면 충돌 FMVSS 214 실험 프로토콜에 대한 차량 내충격성의 평가를 위해 고려된다. FMVSS 214 실험 프로토콜에 관해서는, 54kmph의 속도로의 평평한 장애물 충돌(flat barrier impact)과 32kmph의 속도로의 기둥 충돌(pole impact)이 연구된 바 있다. 차량 모델로는, 모든 BIW 부품(A-필러, B-필러, C-필러, D-필러, 전방 레일, 섀시 래더(chassis ladder), 지붕 크로스바, 플로어 크로스바, 지붕 레일 및 플로어 로커), 구조체 패널, 타이어 및 현가부품(suspension component)이 있고, 등가의 질량이 차량의 인테리어 부품과 같은 기타 부품을 위해 추가되었다. 모든 이러한 부품은 0.7mm 내지 2.0mm의 두께를 갖는 강철로 제조되도록 고려된다. 이러한 차량 모델의 고속 측면 충돌 성능은, BIW 부품에 플라스틱 벌집 보강재를 구비한 차량과 비교된다.
측면 충돌의 경우, 플로어 로커, B-필러 및 플로어 크로스바가 에너지 흡수에서 핵심 역할을 한다. 2.4mm의 두께를 갖는 재료, 노릴(Noryl) GTX* 수지(매사추세츠 주 피츠필드 소재의 사빅 이노베이티브 플라스틱스사로부터 상업적으로 입수가능한 폴리아미드 및 개질된 폴리페닐렌 에테르 폴리머)로 형성된 육각형의 벌집은, 도 11에 도시된 바와 같이, B-필러(52)와 플로어 로커(60)의 교차점, 도 13에 도시된 바와 같이, B-필러(52), 및 도 15에 도시된 바와 같이, 플로어 크로스바(62)에 통합된다. 도 12, 14 및 16은, 도 11, 13 및 15에서 각각 확인된 위치에 배치되는 플라스틱 인서트 배치구성을 나타낸다.
벌집 인서트의 사이즈는, 강철 채널 내부에서 이용가능한 패키징에 따라 달라진다. 플로어 로커에서의 인서트(도 12)는, 약 70mm의 깊이를 갖고, B-필러(52)와 플로어 로커(60)의 T 형상의 교차점에서 약 400mm × 200mm의 영역을 커버하도록 설계된다(도 11). B-필러에서의 벌집 인서트(도 14)는, 약 60mm의 깊이를 갖고, B-필러의 약 60mm × 350mm의 영역을 커버하도록 설계된다(도 13). 플로어 크로스바(62)에 대한 벌집 인서트(도 16)는, 약 80mm의 깊이를 갖고, 플로어 크로스바의 약 500mm × 90mm의 영역을 커버하도록 설계된다(도 15). 후술하는 바와 같이, 이러한 벌집 인서트의 조합의 다양한 사례들이 연구되고 있다.
표 1
사례 1 BIW 부품에 대한 플라스틱 보강재 없음
사례 2 플로어 로커와 B-필러의 교차점에서 보강되는 플라스틱 벌집
사례 3 플로어 로커와 B-필러의 교차점 및 B-필러에서 보강되는 플라스틱 벌집
사례 4 플로어 로커와 B-필러의 교차점, B-필러 및 플로어 크로스바에서 보강되는 플라스틱 벌집
고속 측면 충돌 동안, B-필러가 운전자 쪽으로 침범하여 다치게 할 수 있다. 그러므로, B-필러의 변형은 차량 내충격성을 평가하는 중요한 파라미터이다. B-필러와 운전자 시트의 중심선 사이에 남겨진 공간은, 안정성을 결정한다(도 10 참조). 평평한 장애물 충돌과 기둥 충돌에 대한 B-필러 변형은 표 2에 나타내었다.
표 2
사례 1 사례 2 사례 3 사례 4
고속 측면
충돌 실험
(FMVSS 214)		 평평한 장애물
충돌 (54kmph)		 B-필러의 최대
변형(mm)		 145 130 124 113
기둥 충돌
(32kmph) 		B-필러의 최대
변형(mm)		 166 134 128 118
전술한 연구들로부터, 고속 측면 충돌에 대하여, 플라스틱 보강재가 없는 설계와 비교하여, 여러 위치에서 플라스틱 벌집 보강재를 구비한 차량 BIW의 성능에서 15% 내지 30%의 향상이 관측된다.
고속 측면 충돌 동안 동일한 구조적 무결성(충돌 성능)을 달성하기 위해, BIW에 대한 플라스틱 보강재는, 여러 위치에서의 강철 치수(두께)의 감소 때문에, 플라스틱 보강재가 없는 설계와 비교하여 BIW의 중량이 10% 이상으로 감소하는데 도움이 된다.
실험 데이터에서 볼 수 있듯이, 국소화된 플라스틱 보강재(예를 들어, 내부를 통과하는 중공의 채널을 구비한 플라스틱 벌집 구조)를 사용함으로써, 구조적 무결성을 유지하면서 보강된 부품의 벽 두께를 15% 이상 감소할 수 있다.
폼 충전형(foam-filled) 부품을 사용하면, 중공부는 그것의 전체 볼륨이 폼으로 충전되고, 팽창된 폼 재료를 통해, 벽으로의 연결이 제공되므로 힘의 흡수와 하중의 분포가 제공된다. 보강 특성은 폼의 재료 속성을 기반으로 한다. 하지만, 폼 보강 시스템은, 특히 입사 온도(incident temperature) 측면에서, 차량의 제조 공정에 맞춰야 하는 화학 반응을 요구한다. 그러므로, 보강재 기능은 프로세스 파라미터에 대한 정확하고 일정한 준수에 따라 달라진다. 다른 단점으로는, 구조성 부품이 더 이상 서로 쉽게 분리될 수 없어서 재활용이 보다 어려워진다는 것이다. 또한, 폼으로 공간을 완전히 충전시킴으로써, 3 차원의 여러 설계 요구사항을 고려할 수 없는 경우에도, 대략 동질의 보강 효과가 달성된다.
열경화성 접착제를 통해 판금(sheet metal)에 고정되는 강철 스탬핑(steel stamping)을 포함하는 충돌 대항 수단 시스템(crush countermeasure system)에서, 본체가 페인트를 굽는 오픈을 통과하면서 접착제가 활성화되어 팽창될 것이다. 그러므로, 이러한 시스템은 최적이 아니다. 이런 스탬핑은 무겁고, 일반적으로, 대항 수단으로부터 본체로의 단단한 결합을 보장하도록 여분의 접착제가 사용될 필요가 있었다.
본 명세서에서 설명되는 플라스틱 보강재와 구조성 부품(예를 들어, 차량에서의 임의의 중공의 금속 로드 베어링 부품)을 결합시킴으로써, 몇 가지 장점이 실현될 수 있는데, 이런 장점으로서, (i) 모든 금속 부품과 비교하여 설계가 더 가벼워지면서도 동일한 구조적인 요구사항이 충족되고, (ii) 플라스틱 보강재는 다른 보강재(예를 들어, 폼, 팽창가능한 에폭시 및 강철 보강재)와 비교하여 중량에 비하여 높은 강성을 갖고, (iii) 폼 또는 에폭시 보강재 솔류션과 비교하여 페인트 사이클 동안 더 양호한 열적 성능을 나타내고, 및/또는 (iv) 기존 조립체 라인에서 변경이 필요하지 않고; 예를 들어, 압착 대항 수단은 추가 처리 단계를 이용하지 않고 제조되어 자동차에서 사용될 수 있는 점이 포함된다. 또한, 동일한 구조적 무결성이 감소된 중량으로 달성될 수 있거나 더 양호한 구조적 무결성이 동일한 표준 중량, 모든 구조성 강철 부품(예를 들어, BIW)에서 달성될 수 있으므로, 2016년에 발효되는 이산화탄소 배출 요건뿐만 아니라 미국 고속도로 교통 안전관리국(NHTSA)의 안전요건을 충족시키는데 더 적합하다.
일실시예에서, 차량의 구조체는 채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 차량 부품; 및 벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재를 포함하는데, 금속 차량 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 금속 차량 부품은 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치한다. 금속 부품은 차량의 구조체의 일부일 수 있다.
일실시예에서, 차량은 구조체; 엔진; 및 구동 메커니즘을 포함한다. 구조체는 구조체는 채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 차량 부품; 및 벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재를 포함하는데, 금속 차량 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치한다.
다양한 실시예에서, (i) 벌집은 충전되고; 및/또는 (ii) 플라스틱 보강재는 열가소성 수지를 포함하고; 및/또는 (iii) 플라스틱 보강재는 섬유 보강형 열가소성 수지를 더 포함하고; 및/또는 (iv) 플라스틱 보강재는 금속 부품 길이의 80% 이하인 플라스틱 보강재 길이를 갖고; 및/또는 (v) 플라스틱 보강재 길이는 금속 부품 길이의 10% 내지 35%이고; 및/또는 (vi) 플라스틱 보강재는 육각형 벌집 형상을 갖는 중공의 벌집 형상의 구조를 갖고 150mm 내지 350mm의 길이를 갖고; 및/또는 (vii) 플라스틱 보강재는 육각형 벌집 형상을 갖는 중공의 벌집 형상의 구조를 갖고 500mm 내지 800mm의 길이를 갖고; 및/또는 (viii) 플라스틱 보강재는 기계적 고정 수단을 이용하여 금속 차량 부품에 부착되고; 및/또는 (ix) 금속 차량 부품은 플로어 로커이고; 및/또는 (x) 금속 차량 부품은 범퍼 빔이고; 및/또는 (xi) 금속 차량 부품은 주축을 갖는 공간을 가지며, 벌집 형상의 구조체는 채널을 포함하고, 채널은 상기 주축에 수직으로 향하고; 및/또는 (xii) 금속 차량 부품은 주축을 갖는 공간을 가지며, 벌집 형상의 구조체는 채널을 포함하고, 채널은 상기 주축에 수직으로 배향된다.
본 명세서에서 공개되는 모든 범위는 종점(endpoint)이 포함되며, 종점은 독립적으로 서로 조합될 수 있다(예를 들어, "25wt%이하" 더 구체적으로는 "5wt% 내지 20wt%"의 범위는 종점과 "5wt% 내지 25wt%" 범위의 모든 중간값을 포함하는 등이다). "조합"은 블렌드(blend), 혼합물(mixure), 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 또한, 본 명세서에서의 "제 1" 및 "제 2" 등의 용어는 임의의 순서, 양 또는 중요성을 나타내는 것이 아니라 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 "하나의("a" 또는 "an")" 및 "상기(the)"의 용어는 양의 제한을 나타내는 것이 아니므로 본 명세서에서 달리 나타내어지거나 문맥에 의해 명백히 모순되지 않는 한, 단수와 복수 모두를 커버하는 것으로 해석돼야 한다. 본 명세서에서 사용되는 접미사 "(들)"은 이것이 수정하는 용어의 단수와 복수 모두를 포함하도록 의도하는 것이므로, 용어의 하나 이상을 포함한다(예를 들어, 필름(들)은 하나 이상의 필름을 포함한다). 본 명세서 전체에 걸쳐서, "일실시예" 또는 "다른 실시예" 등의 참조는, 실시예에 연관되어 설명되는 특정 요소(예를 들어, 특징(feature), 구조 및/또는 특성(characteristic))는 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 실시예에 포함되고, 다른 실시예에 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있다. 또한, 상기 설명되는 요소는 다양한 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
특정 실시예를 설명하였지만, 대안, 수정, 변형, 개선 및 현재 예상하지 못하거나 못할 수 있는 실질적인 균등물이 출원인이나 기타 당업자에 대해 발생할 수 있다. 따라서, 출원되고 보정될 수 있는 하기의 특허청구범위는 이러한 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 등가물 모두를 포함하는 것으로 보아야 한다.

Claims (14)

  1. 차량의 구조체(structural body)에 있어서,
    채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 차량 부품; 및
    벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재
    를 포함하며,
    상기 금속 차량 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 상기 금속 차량 부품은 범퍼 빔, 레일, 필러, 섀시(schassis), 플로어 로커(floor rocker) 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 상기 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치하는, 차량의 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌집은 충전되는, 차량의 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재는 열가소성 수지를 포함하는, 차량의 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재는 섬유 보강형 열가소성 수지를 더 포함하는, 차량의 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재는, 상기 금속 부품 길이의 80% 이하인 플라스틱 보강재 길이를 갖는, 차량의 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재 길이는, 상기 금속 부품 길이의 10% 내지 35%인, 차량의 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재는, 육각형의 벌집 형상을 갖는 중공의 벌집 구조를 갖고, 150mm 내지 350mm의 길이를 갖는, 차량의 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재는, 육각형의 벌집 형상을 갖는 중공의 벌집 구조를 갖고, 500mm 내지 800mm 길이를 갖는, 차량의 구조체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 보강재는, 기계적 고정 수단을 이용하여 상기 금속 차량 부품에 부착되는, 차량의 구조체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 차량 부품은 플로어 로커인, 차량의 구조체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 차량 부품은 범퍼 빔인, 차량의 구조체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 차량 부품은, 주축을 갖는 공간을 갖고, 상기 벌집 구조는 채널을 포함하고, 상기 채널은 상기 주축에 수직 방향으로 배향되는, 차량의 구조체.
  13. 차량에 있어서,
    채널을 형성하는 벽을 포함하는 중공의 금속 차량 부품, 및 벌집 구조를 갖는 플라스틱 보강재를 포함하는 구조체;
    엔진; 및
    구동 메커니즘
    을 포함하며,
    상기 금속 차량 부품은 금속 부품 길이를 갖고, 빔, 레일, 필러, 섀시, 플로어 로커 및 크로스바와 전술한 것 중에서 하나 이상을 포함하는 조합으로 구성되는 그룹에서부터 선택되고, 상기 플라스틱 보강재는 상기 채널에 위치하는, 차량.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 차량 부품은, 주축을 갖는 공간을 갖고, 상기 벌집 구조는 채널을 포함하고, 상기 채널은 상기 주축에 수직 방향으로 배향되는, 차량.
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