KR20140008030A - 에너지 흡수율을 향상시킨 복합 재료 범퍼 백빔 및 이를 포함하는 범퍼 - Google Patents

Abstract

섬유 강화 복합 재료 재질의 범퍼 백빔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충돌에 의한 변형시 인장 응력을 받는 부위를 확대함으로써 에너지 흡수율을 향상시킨 복합 재료 범퍼 백빔에 관하여 개시한다.
본 발명은 아치 형상을 가지는 충돌면과, 상기 충돌면에서 박스 형상으로 연장형성되는 측면과, 상기 측면에서 외측으로 절곡되어 형성되는 플랜지면을 포함하며, 섬유 강화 복합 재료 재질로 이루어지고, 스테이와 체결되는 플랜지면이 체결점을 기준으로 복수개로 절개된 복합 재료 범퍼 백빔; 및 상기 범퍼 백빔에 체결되며, 상기 체결점에 대응하는 체결공이 장공형태로 형성된 스테이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 범퍼를 제공한다.

Description

에너지 흡수율을 향상시킨 복합 재료 범퍼 백빔 및 이를 포함하는 범퍼{FIBER REINFORCED PLASTIC BUMPER BACK BEAM AND BUMPER COMPRISE THE SAME}

본 발명은 섬유 강화 복합 재료 재질의 범퍼 백빔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충돌에 의한 변형시 인장 응력을 받는 부위를 확대함으로써 에너지 흡수율을 향상시킨 복합 재료 범퍼 백빔에 관한 것이다.

자동차의 범퍼 어셈블리는 외곽부터 범퍼 페이샤(Bumper fascia), 에너지 옵서버(Energy absorber), 백빔(Back beam), 스테이(Stay) 및 기타 부품으로 구성된다.

이 중 스테이는 백빔과 차체 사이에 위치하여 이들을 연결하는 역할을 수행한다. 통상의 경우 백빔과 스테이에 대응하는 체결공을 구비하고, 체결공에 볼트, 너트 등의 체결수단을 이용하여 체결한다.

한편, 법규가 정하는 일정 속도에서의 충돌시, 그 충돌 에너지는 에너지 옵서버의 변형, 백빔의 변형 및 파괴, 스테이의 변형 등으로 흡수된다. 이 때 백빔은 여려 형태의 응력을 받게 되는데, 힘의 방향에 따라 인장, 압축, 전단 응력으로 나눌 수 있으며, 백빔의 국부적인 위치에 따라 다른 종류의 응력이 나타난다.

충돌에너지 흡수를 원활하게 하기 위해 다양한 형상의 백빔이 연구 개발되고 있으며 재료 또한 다양해지고 있다.

특히 최근에는 경량화를 목적으로 강화섬유와 플라스틱(합성수지)을 혼합하여 만드는 섬유강화 복합 재료를 주재료로 하는 백빔 개발이 활성화 되고 있다.

복합 재료 백빔은 섬유의 길이에 따라 단섬유, 장섬유, 연속섬유 등으로 나눌 수 있고, 섬유의 길이가 길어질 수도록 기계적 물성이 좋아져 경량화 효과가 높은 것으로 알려져 있다.

때로는 단섬유+연속섬유, 장섬유+연속섬유 복합재를 동시에 사용하여 제조하기도 하는데, 연속섬유의 기계적 물성과 단섬유 또는 장섬유 복합재의 성형성을 이용하기 위함이다. 그리고 이들 복합재 백빔은 사출, 압축, RTM, Welding 등 다양한 공법으로 제조될 수 있다.

그러나, 섬유 강화 복합 재료는 그 특성상 인장응력을 받았을 때에는 높은 에너지 흡수율을 보이나 압축 응력 및 전단 응력이 가해졌을 때에는 에너지 흡수율이 낮은 것으로 알려져 있다.

관련선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0115485호 (공개일자 2005년 12월 8일) '범퍼 스테이 조립 구조'가 있다.

본 발명의 목적은 복합재 범퍼 백빔의 형상에 변화를 주어 압축응력으로 인해 발생하는 전단응력을 인장응력으로 변화시팀으로써 범퍼 백빔의 에너지 흡수율을 향상시킴에 있다.

본 발명의 다른 목적은 복합재 범퍼 백빔이 스테이에 슬라이딩 가능하게 체결되도록함으로써 범퍼 백빔에 부여되던 압축 응력을 인장 응력으로 변화시킴으로써 범퍼 백빔의 에너지 흡수율을 향상시킴에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 아치 형상을 가지는 충돌면; 상기 충돌면에서 박스 형상으로 연장형성되는 측면; 및 상기 측면에서 외측으로 절곡되어 형성되는 플랜지면;을 포함하며, 섬유 강화 복합 재료 재질로 이루어지고, 스테이와 체결되는 플랜지면이 체결점을 기준으로 복수개로 절개된 것을 특징으로 하는 복합 재료 범퍼 백빔을 제공한다.

상기 측면은 상기 플랜지면과 함께 아치형으로 절개되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 플랜지면은 4개의 체결점을 기준으로 4개 영역으로 절개되면 더욱 바람직하다.

그리고, 본 발명은 아치 형상을 가지는 충돌면과, 상기 충돌면에서 박스 형상으로 연장형성되는 측면과, 상기 측면에서 외측으로 절곡되어 형성되는 플랜지면을 포함하며, 섬유 강화 복합 재료 재질로 이루어지고, 스테이와 체결되는 플랜지면이 체결점을 기준으로 복수개로 절개된 복합 재료 범퍼 백빔; 및 상기 범퍼 백빔에 체결되며, 상기 체결점에 대응하는 체결공이 장공형태로 형성된 스테이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 범퍼를 제공한다.

상기 범퍼 백빔은 상기 스테이에 슬라이딩 가능하게 체결되는 것이 바람직하며, 상기 체결공은 내측에 한쌍, 외측에 한쌍 구비되며, 상기 외측 체결공의 경사각이 내측 체결공의 경사각보다 크게 형성되면 더욱 바람직하다.

또한, 상기 범퍼 백빔은 상기 스테이에서 슬라이딩되며 복수개의 체결점 사이의 거리가 멀어지도록 형성됨으로써 압축 응력을 받던 부위가 인장 응력을 받게된다.

본 발명에 따른 복합 재료 범퍼 백빔은 압축 응력이 가해지던 부분에 인장 응력이 가해지도록 함으로써 에너지 흡수율을 향상시키는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 복합 재료 범퍼 백빔은 압축 응력이 받는 부분을 감소시킴으로써 범퍼 백빔의 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 범퍼 백빔을 나타낸 사시도,
도 2는 범퍼 백빔의 충돌시 형상 변화를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 범퍼 백빔의 체결점 부분을 나타낸 정면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스테이의 체결공의 형상을 나타낸 정면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 범퍼 백빔의 충돌시 거동을 나타낸 측면도임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 에너지 흡수율을 향상시킨 복합 재료 범퍼 백빔 및 이를 포함하는 범퍼에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 살펴본다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 범퍼 백빔을 나타낸 사시도이다.

본 발명은 복합 재료 재질의 범퍼 백빔의 형상에 변화를 주고, 범퍼 백빔이 스테이에 슬라이딩 가능한 상태로 체결되도록 함으로써, 충돌시 범퍼 백빔에 압축 응력이 인가되던 부분에 인장 응력이 유도되도록 함으로써 에너지 흡수율을 향상시킨 것이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 범퍼 백빔(110)은 아치 형상을 가지는 충돌면(112)과, 상기 충돌면(112)에서 박스 형상으로 연장 형성되는 측면(114)과, 상기 측면(114)에서 외측으로 절곡되어 형성되는 플랜지면(116)을 포함한다.

본 발명에 따른 범퍼 백빔(110)은 섬유강화 복합 재료로 일체형으로 형성된다. 강화 섬유로는 단섬유, 장섬유, 단섬유+연속섬유, 장섬유+연속섬유 등이 사용될 수 있다.

범퍼 백빔(110)은 양측이 스테이에 체결되는데, 본 발명은 스테이에 체결되는 플랜지면(116)이 체결점(117)을 기준으로 절개된 것을 특징으로 한다.

또한, 플랜지면(116)의 절개부(111)는 측면(114)까지 아치 형상으로 연장 형성된다.

다시말해, 본 발명은 복수개의 체결점(117)을 절개부(111)로 분할한 것인데, 도시한 실시예의 경우 양측에 각각 4개의 체결점(117)을 구비하며, 플랜지면(116) 또한 체결점(117)의 개수와 대응하게 분할되어 있다.

도 2는 범퍼 백빔의 충돌시 형상 변화를 나타낸 개념도이다.

도시한 바와 같이, 아치 형상을 가지는 범퍼 백빔(21)은 양측이 스테이(22)와 결합되어 있는데, 전방에서 충격력이 가해지게 되면, 아치 형상을 가지는 범퍼 백빔(21)의 중앙부가 눌려지면서 전체 길이가 짧아져 범퍼 백빔(21) 전체에 압축 응력을 받게 된다.

복합 재료는 재료의 특성상 인장강도는 매우 우수하나, 상대적으로 취약한 압축강도를 가진다. 이는 복합 재료에 압축응력이 가해질 때 복합재가 층분리가 발생하여 응력 집중부위에 급속한 변형이나 파손이 발생하기 때문이다.

본 발명은 스테이와 체결되는 범퍼 백빔을 체결점(117)을 기준으로 분할하되, 충돌시 체결점이 방사상으로 벌려지도록 함으로써, 압축 응력이 작용되던 부분에 인장 응력이 유도될 수 있도록 한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 범퍼 백빔의 체결점 부분을 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스테이의 체결공의 형상을 나타낸 정면도이다.

도시한 도면은 범퍼 백빔(110)의 좌측 체결점 부분을 확대하여 나타낸 것이다.

범퍼 백빔에는 4개의 체결점(117a, 117b)이 형성되어 있는데, 한 쌍(117b)은 범퍼의 중심측인 내측에 형성되어 있고, 나머지 한 쌍(117b)은 범퍼의 외측에 형성되어 있다.

스테이(200)에는 각각의 체결점의 형상에 대응하는 체결공(210a, 210b)가 장공형태로 형성되어 있다.

스테이(200)에 체결공(210a, 210b)을 장공형태로 형성하는 것은, 충돌시 범퍼 백빔(110)의 체결점(117a, 117b)이 스테이(200)상에서 슬라이딩하며 이동할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이러한 구조로 인하여, 범퍼 백빔(110)의 분할된 플랜지면(116a, 116b)들이 체결공(210a, 210b)의 형성 방향으로 유도될 수 있다.

도 4를 참조하면, 내측의 체결공(210b)의 경사각(θ1)보다 외측 체결공(210a)의 경사각(θ2)이 크게 형성되어 있다.

이러한 구조로 인하여, 범퍼 백빔(110)의 분할된 플랜지면(116a, 116b)들은 압축력이 가해졌을 때 사방으로 멀어지며 압축력을 인장력으로 변화시키게 된다.

즉, 체결점(117a, 117b)들이 체결공(210a, 210b)들을 따라 이동하면서 상호간에 이격되는 형태로 변화하게 되고, 이러한 형상의 변화는 범퍼 백빔의 측면에 인장력을 가하게 된다.

범퍼 백빔(110)의 체결점(117a, 117b)과 스테이(200)의 체결공(210a, 210b)의 연결은 볼트와 너트 또는 리벳 등의 체결수단에 의하여 이루저리 수 있으며, 이 때 범퍼 백빔(110)의 체결점(117a, 117b)이 스테이(200)의 체결공(210a, 210b)을 따라 슬라이딩 가능하도록 연결되어야 한다.

도시한 실시예의 경우 4개의 체결점을 가지고 있어서, 플랜지면이 4개로 분할되어 있으나, 내측 한쌍와 외측 한쌍의 2개로 분할하거나, 상부 한쌍 하부 한쌍의 2개로 분할할 수도 있으며, 다른 형태로의 분할도 가능하다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 범퍼 백빔의 충돌시 거동을 나타낸 측면도이다.

도면에서 점섬은 충돌 이전의 범퍼 백빔(110)의 형태를 나타낸 것이고, 실선은 충돌 이후의 범퍼 백빔(110)의 형상을 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이, 충돌에 의하여 범퍼 백빔(110)의 형상이 변화하게 되면, 내측 체결점에 연결된 측면(110b)와 외측 체결점에 연결된 측면(110a) 모두 우측으로 이동하게 되는데, 외측 체결점에 연결된 측면(110a)의 이동량이 더 많다.

따라서, 내측 체결점에 연결된 측면(110b)과 외측 체결점에 연결된 측면(110a)이 벌어지는 형태가 되며, 절개부(111)의 아치 형상이 벌어지면서 인장력이 가해지게 된다.

따라서, 충돌시 범퍼 백빔에 작용하던 압축 응력을 인장응력으로 변화시킴으로써 복합 재료 범퍼 백빔의 에너지 흡수율이 향상되는 효과를 가져오게 된다.

이러한 효과는 백빔 재료의 구성 조합 중(단섬유, 장섬유, 단섬유+연속섬유, 장섬유+연속섬유) 연속섬유를 포함하는 구성에서 가장 큰 효과가 발휘된다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 재료 범퍼 백빔 및 이를 포함하는 범퍼는 스테이와 연결되는 부분인 플랜지면이 체결점을 기준으로 분할 형성되고, 충돌시 체결점들이 서로 멀어지게 변형됨으로써 충돌시 범퍼 백빔에 압축 응력 대신 인장 응력이 가해지는 효과를 가져온다.

복합 재료는 압축 응력이 가해지면, 복합재가 층분리가 유발되어 파손이 발생하게 되므로, 인장 강도가 압축 강도에 비하여 상대적으로 높은 특성을 가지고 있으는데, 본 발명은 압축 응력이 집중되던 부분에 인장 응력이 가해지도록 함으로써 복합 재료 범퍼 백빔에 있어서 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110 : 범퍼 백빔
112 : 충돌면
114 : 측면
116 : 플랜지면
200 : 스테이

Claims (9)

1. 아치 형상을 가지는 충돌면;
   상기 충돌면에서 박스 형상으로 연장형성되는 측면; 및
   상기 측면에서 외측으로 절곡되어 형성되는 플랜지면;을 포함하며, 섬유 강화 복합 재료 재질로 이루어지고, 스테이와 체결되는 플랜지면이 체결점을 기준으로 복수개로 절개된 것을 특징으로 하는 복합 재료 범퍼 백빔.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 측면은 상기 플랜지면과 함께 아치형으로 절개된 것을 특징으로 하는 복합 재료 범퍼 백빔.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 플랜지면은 4개의 체결점을 기준으로 4개 영역으로 절개된 것을 특징으로 하는 복합 재료 범퍼 백빔.
   
4. 아치 형상을 가지는 충돌면과, 상기 충돌면에서 박스 형상으로 연장형성되는 측면과, 상기 측면에서 외측으로 절곡되어 형성되는 플랜지면을 포함하며, 섬유 강화 복합 재료 재질로 이루어지고, 스테이와 체결되는 플랜지면이 체결점을 기준으로 복수개로 절개된 복합 재료 범퍼 백빔;
   상기 범퍼 백빔에 체결되며, 상기 체결점에 대응하는 체결공이 장공형태로 형성된 스테이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 범퍼.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 범퍼 백빔은 상기 스테이에 슬라이딩 가능하게 체결되는 것을 특징으로 하는 범퍼.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 체결공은
   내측에 한쌍, 외측에 한쌍 구비되며,
   상기 외측 체결공의 경사각이 내측 체결공의 경사각보다 큰 것을 특징으로 하는 범퍼.
   
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 범퍼 백빔은
   상기 스테이에서 슬라이딩되며 복수개의 체결점 사이의 거리가 멀어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 범퍼.
   
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 측면은 상기 플랜지면과 함께 아치형으로 절개된 것을 특징으로 하는 복합 재료 범퍼.
   
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 플랜지면은 4개의 체결점을 기준으로 4개 영역으로 절개된 것을 특징으로 하는 복합 재료 범퍼.

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