KR20140013086A

KR20140013086A - 충격 흡수 부재

Info

Publication number: KR20140013086A
Application number: KR1020137033741A
Authority: KR
Inventors: 사토시 히로세
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-04
Also published as: JPWO2013022001A1; US20140191532A1; WO2013022001A1; JP5488769B2; US9381881B2; KR101725303B1; CN103732942B; TW201330949A; TWI510304B; CN103732942A; KR20160042160A

Abstract

축선(O)과, 상기 축선(O)에 대하여 평행하게 뻗은 복수의 직사각형의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)와, 축선(O)에 대하여 수직인 다각형 단면을 가지고, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지를 축선(O) 방향으로 좌굴 변형하면서 흡수하는, 축선(O) 방향으로 뻗은 중공 주상의 충격 흡수 부재(1)에 있어서, 복수의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d) 중에서 적어도 1개의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d) 에 형성된 좌굴 변형의 단서를 제공하는 적어도 1개의 비드부(2a, 2b, 2c, 2d)를 구비하고, 이 적어도 1개의 비드부(2a, 2b, 2c, 2d)는 이 비드부(2a, 2b, 2c, 2d)가 형성되어 있는 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)의 축선(O)에 평행하게 뻗은 한쪽의 가장자리부에 치우치게 하여 배치되어 있다.

Description

충격 흡수 부재{SHOCK ABSORBING MEMBER}

본 발명은 외부로부터 가하여지는 충격 에너지를 좌굴 변형하면서 흡수하는 충격 흡수 부재에 관한 것이다.

최근, 자동차 등의 분야에서는 연비나 운동 성능의 향상을 꾀하는 한편, 충돌 안전성의 향상이 더욱 요구되고 있다. 자동차의 차체는 경량화와 고강성화를 양립시키기 위하여, 모노코크 바디라 불리는, 프레임과 바디를 일체화한 차체 구조가 일반적으로 채용되고 있다. 또한, 자동차의 차체에는 충돌시에 운전자 및 동승자의 생존 공간을 확보하기 위하여, 예를 들면 엔진 룸이나 트렁크 룸 등의 객실 이외의 공간을 우선적으로 찌그러뜨려서 객실에 가하여지는 충격을 가능한 한 완화하고, 객실의 변형을 최소한에 그치게 하는 이른바 충격 흡수 구조가 널리 채용되고 있다.

따라서, 충돌 안전성이 우수한 차체 구조로 하려면 충돌시의 충격 에너지를 어떻게 유효하게 흡수시킬 지가 중요한 과제가 된다. 이 때문에, 충돌시의 충격 에너지를 효율 좋게 흡수시키기 위한 충격 흡수 부재의 개발이 적극적으로 진행되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 15를 참조).

일반적으로, 충격 흡수 부재에는 강판을 프레스 성형한 것을 용접 등으로 접합하고, 중공 주상(柱狀)으로 성형한 박육(薄肉) 구조체(중공 주상 부재)가 사용된다. 또한, 충격 흡수 부재는 전술한 경량화와 고강성화를 양립시키기 위하여, 예를 들면 사각형이나 육각형 등의 다각형상의 단면을 가진 중공 부재로 구성한다. 이와 같은 충격 흡수 부재는, 예컨대 차체의 프런트 사이드 멤버 등에 사용되고 있는데, 충돌시에 그 일단측으로부터 충격 하중을 받았을 때에, 축선 방향으로 좌굴 변형(축 압궤)함으로써 충격 에너지를 흡수한다. 따라서, 충격 흡수 성능을 높이려면, 이와 같은 좌굴 변형을 효율 좋게 일으키게 하는 것과, 그 좌굴 하중을 높이는 것의 2 가지가 중요하다.

종래, 이와 같은 과제에 대한 재료면에서의 대책으로서, 충격 흡수 부재판을 제조하기 위하여, 비교적 두꺼운 강판이나, 비교적 강도가 높은 고강도 강판을 사용하거나 하여, 좌굴 하중을 높이는 것이 행해지고 있다. 한편, 구조면에서의 대책으로서는, 비드라 불리는 좌굴 변형의 단서를 제공하는 오목부(비드부)를 형성하여, 효율 좋게 좌굴 변형을 일으키게 하는 것이 행해지고 있다. 또한, 중공의 충격 흡수 부재의 단면을 다각형상으로 함으로써, 좌굴 하중을 높이는 것이 행해지고 있다.

그러나, 전술한 충격 흡수 부재의 판 두께를 두껍게 하는 것은 부재의 중량 증가로 이어지기 때문에, 이 충격 흡수 부재를 채용하는 차체의 중량 증가를 초래하고, 그 결과, 자동차의 연비나 주행 성능을 악화시키게 된다. 또한, 고강도 강판은 그 강도에 반비례하여 연신율이 저하하는 것이 일반적이다. 이 때문에, 성형성도 악화하여, 현재로서는 충격 흡수 부재용 강판의 고강도화에는 자연히 한계가 있다.

그런데, 단지 충격 흡수 부재의 좌굴 하중을 증가시키는 것은 좌굴을 일으키게 하는 최소 충격 하중의 증대로 연결된다. 이 경우, 충격 흡수 부재에 가해지는 충격 하중이 충격 흡수 부재의 변형에 의하여 흡수되지 않고, 그대로 객실 등의 다른 구조 부분으로 전달되게 된다. 또한, 본래는 변형되어서는 안되는 부분에 좌굴 변형이 생기거나, 객실의 변형에 의하여 운전자 및 동승자의 생존 공간을 확보하는 것이 곤란해지거나, 큰 가속도 변화가 운전자 및 동승자에게 가해지거나 하여, 운전자 및 동승자에 대한 상해의 위험성이 높아지게 된다.

이 때문에, 충격 흡수 부재에서는, 예를 들면 좌굴의 개시단에서부터 단면 형상을 매우 일정하게 유지하고, 또한, 좌굴에 의한 변형량을 확보하기 위하여, 충격 흡수 부재를 직선화하는 설계가 이루어지고 있다. 또한, 충격 흡수 부재에 가하여지는 초기 충격 하중을 저하시키기 위하여, 전술한 비드의 배치에 의하여 충돌시에 사복상(蛇腹狀)의 좌굴 변형을 안정적으로 일어나게 하는 것이 행해지고 있다.

그러나, 전술한 비드의 배치에 대하여는, 그것을 구하는 확고한 이론은 없고, 충격 흡수 부재에 대한 좌굴 시험이나 컴퓨터 시뮬레이션 등을 다수 반복하는 것에 의하여 구하고 있는 실정이다. 이 때문에, 각종의 차량마다 상기 실험이나 시뮬레이션을 반복할 필요가 있어서, 설계 효율이 좋지 않을 뿐만 아니라, 실제의 충돌시에 예상되는 여러 가지 하중 조건이나 좌굴 모드에 대응할 수 없기 때문에, 그러한 수법을 이용하여 비드의 배치를 최적화하는 것은 매우 곤란하다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 2009－286221호 특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 2009－285668호 특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 2009－168115호 특허 문헌 4: 일본 공개 특허 공보 2009－154587호 특허 문헌 5: 일본 공개 특허 공보 2009－113596호 특허 문헌 6: 일본 공개 특허 공보 2008－018792호 특허 문헌 7: 일본 공개 특허 공보 2007－030725호 특허 문헌 8: 일본 공개 특허 공보 2006－207726호 특허 문헌 9: 일본 공개 특허 공보 2006－207724호 특허 문헌 10: 일본 공개 특허 공보 2005－225394호 특허 문헌 11: 일본 공개 특허 공보 2005－153567호 특허 문헌 12: 일본 공개 특허 공보 2005－001462호 특허 문헌 13: 일본 공개 특허 공보 평10－138950호 특허 문헌 14: 일본 공개 특허 공보 평09－277954호 특허 문헌 15: 일본 공개 특허 공보 평09－277953호 특허 문헌 16: 일본 공개 특허 공보 평2011－56997호

그런데, 전술한 충격 흡수 부재를 사복상으로 좌굴 변형시키는 좌굴 모드(Compact-mode) 중에는 「요철 혼합 모드」라고 불리는 것과, 「요철 독립 모드」라고 불리는 것이 있다. 이 중, 요철 혼합 모드는 충격 하중을 가함으로써 사복상으로 좌굴 변형한 중공 주상의 충격 흡수 부재의 임의의 횡단면에 있어서, 사복의 골부(오목부)와 산부(볼록부)가 혼재하는 변형 모드이다. 한편, 요철 독립 모드는, 마찬가지로 임의의 횡단면에 있어서, 오목부 또는 볼록부만이 존재하는 변형 모드이다. 이 경우, 요철 독립 모드는 요철 혼합 모드보다 부재 전체에 대한 변형 부분의 비율이 커지기 때문에, 그 변형량(찌그러짐 량)에 대한 충격 에너지의 흡수량이 많아서, 우수한 충격 흡수 성능을 발휘하는 것이 가능해진다.

그러나, 종래의 충격 흡수 부재에서는 축선 방향으로 사복상으로 좌굴 변형 시키면서, 그 충격 에너지의 흡수량을 높이는 것에 대하여 여러 가지 연구가 이루어져 있으나, 전술한 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시키는 것에 대하여는 전혀 고려되지 않았다. 즉, 종래의 충격 흡수 부재에 의한 좌굴 모드는 요철 혼합 모드가 주(主)이고, 요철 독립 모드를 발생시키는 메커니즘까지는 해명되어 있지 않다.

이에, 본 발명은 이와 같은 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 충격 흡수 특성이 우수한 충격 흡수 부재, 특히, 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시키는 것을 가능하게 한 충격 흡수 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의하면, 축선과, 상기 축선에 대하여 평행하게 뻗은 복수의 직사각형의 벽부와, 상기 축선에 대하여 수직인 다각형 단면을 가지고, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지를 상기 축선 방향으로 좌굴 변형하면서 흡수하는, 상기 축선 방향으로 뻗은 중공 주상의 충격 흡수 부재에 있어서, 상기 복수의 벽부 중 적어도 1개의 벽부에 형성된 좌굴 변형의 단서를 제공하는 적어도 1개의 비드부를 구비하고, 이 적어도 1개의 비드부는 이 비드부가 형성되어 있는 벽부의 상기 축선에 평행하게 뻗은 한쪽의 가장자리부에 치우치게 하여 배치되어 있는 충격 흡수 부재가 제공된다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 충격 흡수 특성이 우수한 충격 흡수 부재를 제공하는 것이 가능하고, 특히, 상기 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시킴으로써, 축선 방향으로 효율 좋게 좌굴 변형을 일으키게 할 수 있고, 그 결과, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지의 흡수량을 높여서, 우수한 충격 흡수 성능을 발휘하는 것이 가능해진다.

도 1a는 정방형의 중공 단면을 가진 직선상의 중공 주상 부재에, 그 일단측으로부터 축선 방향으로 충격 하중을 가하였을 때에, 중공 주상 부재에 생기는 변형을 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도로서, 국소적인 좌굴에 의하여 절곡된 상태를 나타내는 도면이다.
도 1b는 도 1a와 같은 중공 주상 부재에 생기는 변형을 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도로서, 축선 방향으로 불규칙하게 좌굴 변형한 비컴팩트 모드를 나타내고 있다.
도 1c는 도 1a와 같은 중공 주상 부재에 생기는 변형을 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도로서, 축선 방향으로 사복상으로 좌굴 변형하는 컴팩트 모드 중에서 요철 혼합 모드를 나타내는 도면이다.
도 1d는 도 1a와 같은 중공 주상 부재에 생기는 변형을 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도로서, 축선 방향으로 사복상으로 좌굴 변형하는 컴팩트 모드 중에서 요철 독립 모드를 나타내는 도면이다.
도 2a는 요철 혼합 모드에 있어서의 중공 주상 부재의 축선에 대하여 수직인 임의의 횡단면을 예시하는 모식도이다.
도 2b는 요철 혼합 모드에 있어서의 중공 주상 부재의 축선에 대하여 수직인 도 2a와는 상이한 다른 횡단면을 예시하는 모식도이다.
도 3a는 요철 독립 모드에 있어서의 중공 주상 부재의 축선에 대하여 수직인 임의의 횡단면을 나타내는 모식도이다.
도 3b는 요철 독립 모드에 있어서의 중공 주상 부재의 축선에 대하여 수직인 도 3a와는 상이한 다른 횡단면을 예시하는 모식도이다.
도 4a는 비드부로서 이 충격 흡수 부재의 외표면으로부터 움푹 들어간 딤플을 형성한 충격 흡수 부재의 작용을 설명하는 모식도이다.
도 4b는 비드부로서 이 충격 흡수 부재의 외표면으로부터 팽출한 팽융부(膨隆部)를 형성한 충격 흡수 부재의 작용을 설명하는 모식도이다.
도 5a는 중공 주상 부재의 좌굴 변형 후의 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 횡단면도로서, 요철 독립 모드를 나타내는 도면이다.
도 5b는 중공 주상 부재의 좌굴 변형 후 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 횡단면도로서, 요철 혼합 모드를 나타내는 도면이다.
도 6a는 본 발명에 의한 충격 흡수 부재의 사시도이다.
도 6b는 도 6A에 있어서 원 A로 나타내는 부분의 확대도이다.
도 7a는 본 발명에 의한 충격 흡수 부재의 변형예의 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 충격 흡수 부재의 횡단면도이다.
도 8a는 비교예 1에 의한 충격 흡수 부재에 대하여 충격 하중을 가하기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도 8b는 실시예 1에 의한 충격 흡수 부재에 대하여 충격 하중을 가하기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도 8c는 실시예 2에 의한 충격 흡수 부재에 대하여 충격 하중을 가하기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도 8d는 비교예 2에 의한 충격 흡수 부재에 대하여 충격 하중을 가하기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도 8e는 비교예 3에 의한 충격 흡수 부재에 대하여 충격 하중을 가하기 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도 9는 비교예 1의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도이다.
도 10은 실시예 1의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도이다.
도 11은 실시예 2의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도이다.
도 12는 비교예 2의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도이다.
도 13은 비교예 3의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM 수치 해석에 의하여 구한 사시도이다.
도 14a는 실시예 1과 비교예 1의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 충격 흡수 부재로부터의 반력과 변형량(찌그러짐 량)과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 14b는 실시예 2와 비교예 1의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 충격 흡수 부재로부터의 반력과 변형량(찌그러짐 량)과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 14c는 비교예 1, 2의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 충격 흡수 부재로부터의 반력과 변형량(찌그러짐 량)과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 14d는 비교예 1, 3의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 충격 흡수 부재로부터의 반력과 변형량(찌그러짐 량)과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 15a는 실시예 1과 비교예 1의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형량(찌그러짐 량)과 흡수한 에너지량과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 15b는 실시예 2와 비교예 1의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형량(찌그러짐 량)과 흡수한 에너지량과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 15c는 비교예 1, 2의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형량(찌그러짐 량)과 흡수한 에너지량과의 관계를 측정한 그래프이다.
도 15d는 비교예 1, 3의 충격 흡수 부재에 충격 하중을 가하였을 때의 변형량(찌그러짐 량)과 흡수한 에너지량과의 관계를 측정한 그래프이다.

이하, 본 발명을 적용한 충격 흡수 부재에 대하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 정방형의 중공 단면을 가진 직선상의 중공 주상 부재에 대하여, 그 일단측으로부터 축선 방향으로 충격 하중을 가하였을 때에, 이 중공 주상 부재에 발생하는 각종 변형 모드가 나타나 있다. 도 1a 내지 도 1d에 도시하는 변형 모드는 이 중공 주상 부재들에 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM(Finite Element Method) 수치 해석(컴퓨터 시뮬레이션)에 의하여 구한 것이다.

도 1a는 국소적인 좌굴에 의하여 절곡된 상태를 나타내고 있다. 한편, 도 1b는 축선 방향으로 불규칙하게 좌굴 변형된 비컴팩트 모드를 나타내고 있다. 도 1c, 1d는 축선 방향으로 사복상으로 좌굴 변형하는 모드, 즉, 축선 방향에 있어서 산부와 골부를 교대로 반복하면서 압궤하는 컴팩트 모드를 나타내고 있다. 특히, 도 1c는 컴팩트 모드 중에서 요철 혼합 모드를 나타내고 있다. 이 요철 혼합 모드는 도 2a, 2b에 모식적으로 예시하는 중공 주상 부재의 임의의 횡단면에 있어서, 사복상의 골부(오목부)와 산부(볼록부)가 혼재되어 나타나는 모드이다. 이것에 대하여, 도 1d는 컴팩트 모드 중에서 요철 독립 모드를 나타내고 있다. 이 요철 독립 모드는 도 3a, 3b에 모식적으로 나타내는 중공 주상 부재의 임의의 횡단면에 있어서, 사복상의 골부(오목부) 또는 산부(볼록부)만 나타나는 모드이다. 「요철 독립 모드」 및 「요철 혼합 모드」라는 용어는 「확장 모드 (extension mode)」 및 「비확장 모드 (inextension mode)」라고 불리는 경우도 있다.

이 경우, 도 1a에 도시하는 변형 모드로부터 도 1d에 도시하는 변형 모드를 향하여 감에 따라서, 부재 전체에 대한 변형 부분의 비율이 커진다. 따라서, 부재의 변형량(찌그러짐 량)에 대한 충격 에너지의 흡수량이 가장 높은 것은 도 1d에 나타내는 요철 독립 모드이다. 즉, 이 요철 독립 모드는 축선 방향으로 가장 효율 좋게 좌굴 변형을 일으키게 할 수 있기 때문에, 매우 우수한 충격 흡수 성능을 나타내게 된다.

본 발명에서는 충격 흡수 부재의 복수의 벽부 중 적어도 1개의 벽부에 좌굴 변형의 단서를 제공하는 적어도 1개의 비드부가 형성되어 있고, 적어도 1개의 비드부는 이 비드부가 형성되어 있는 벽부의 상기 축선에 평행하게 뻗은 한쪽의 가장자리부 치우치게 하여 배치되어 있다. 이에 의하여, 상기 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시키는 것이 가능하다.

구체적으로는, 본 발명에서는, 예를 들면 도 4a에 나타내는 정방형의 중공 단면을 가진 충격 흡수 부재(1)는 중심 축선(O)과, 이 중심 축선(O)의 주위에 배치된 4개의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)를 가지고 있고, 이 4개의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)에 형성된 비드부로서 복수의 딤플(2a, 2b, 2c, 2d)이 형성되어 있다. 딤플(2a, 2b, 2c, 2d)은 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)의 한쪽 가장자리부에 치우치게 하여 배치되어 있다. 더 상세하게는, 도 4a에 나타내는 실시 형태에서는, 4개의 딤플(2a, 2b, 2c, 2d)이 중심 축선(O)에 대하여 수직인 단면 내에서 4개의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)의 각각에 있어서, 4개의 벽부(1a, 1b, 1c, 1d)의 중심(Pc)에 대하여, 화살표 Y로 나타내는 둘레 방향에 동일한 측에 위치하는 모서리부(1e, 1f, 1g, 1g)측에 치우치게 하여 배치되어 있다. 또한, 본 실시의 형태에서는 딤플(2a, 2b, 2c, 2d)은 바닥면이 구면(球面)의 일부를 포함하는 형상을 가지고 있다.

이 경우, 도 4a, 5a에 도시하는 바와 같이, 충격 흡수 부재(1)의 일단측으로부터 축선 방향으로 충격 하중을 가함으로써, 각 모서리부(1e, 1f, 1g, 1h)의 능선이 둘레 방향에 있어서 동일한 방향 Y, 즉, 딤플(1a, 1b, 1c, 1d)을 형성한 측 (X 방향)으로 무너지면서 좌굴하기 시작한다. 이에 의하여, 상기 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 비드부는 상기 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시키는 좌굴 유발부로서 충격 흡수 부재가 축선 방향으로 좌굴 변형할 때에, 각 모서리부의 능선이 둘레 방향에 있어서 동일한 방향으로 무너지면서 좌굴하기 시작하도록, 그 방향을 결정하는 기능을 가진다. 따라서, 본 발명의 비드부는 상기 종래의 비드부와 같이 좌굴 변형의 단서를 제공하는 기능과 달리, 직접적으로 좌굴 변형의 단서는 되지 않고, 오히려 모서리부의 능선이 무너진 후(좌굴 후)에, 요철 독립 모드로 신속하게 이행시키는 기능을 한다.

한편, 상기 요철 혼합 모드에서는 도 5b에 도시하는 바와 같이, 각 모서리부(1e, 1f, 1g, 1h)의 능선이 서로 다른 방향으로 무너지면서 좌굴하기 시작한다. 또한, 도 5b에서는 편의상, 상기 도 5a와 동등한 부분에 대하여 동일한 부호를 붙였다.

따라서, 본 발명을 적용한 충격 흡수 부재에서는 상기 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시킴으로써, 축선 방향으로 효율 좋게 좌굴 변형을 일으키게 할 수 있고, 그 결과, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지의 흡수량을 높이고, 우수한 충격 흡수 성능을 발휘하는 것이 가능해진다.

또한, 자동차 등의 차체에 있어서, 이와 같은 충격 흡수 부재를 채용하였을 경우에는 차체의 경량화와 고강성화를 양립시키면서, 연비 및 운동 성능의 향상을 도모하고, 충돌 안전성이 우수한 차체 구조로 하는 것이 가능하다.

본 실시 형태에서는 상기 도 4a에 나타내는 충격 흡수 부재(1)를 예시하였지만, 본 발명을 적용한 충격 흡수 부재에 대하여는, 이와 같은 형태에 한정하지 않고, 여러 가지 형태를 취하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명은 다각형상의 중공 단면을 가지고, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지를 축선 방향으로 좌굴 변형 (축 압궤)하면서 흡수하는 중공 주상의 충격 흡수 부재에 대하여 폭넓게 적용하는 것이 가능하다.

구체적으로는, 충격 흡수 부재로서는, 예를 들면 강판을 프레스 성형한 것을 용접 등으로 접합하고, 중공 주상으로 성형한 박육 구조체(중공 주상 부재)로 이루어지는 것을 들 수 있다. 비드부는 이 중공 주상 부재를 접합하기 전후에 프레스 가공 등에 의하여 형성할 수 있다.

또한, 충격 흡수 부재의 재질에 대하여는 전술한 강판으로 이루어지는 것에 한정하지 않고, 예를 들면, 철, 알루미늄, 구리, 또는 그 합금들 등의 금속 재료나, FRP 등의 수지 재료 등, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지를 축선 방향으로 좌굴 변형 (축 압궤)하면서 흡수 가능한 것이면 좋다. 또한, 용접 등에 의하여 접합한 것에 한정하지 않고, 압출 성형 등에 의하여 중공 주상으로 성형한 것이어도 좋다. 이 경우, 비드부는 성형 후에 프레스 가공 등에 의하여 형성할 수 있다. 또한, 충격 흡수 부재는 경량화와 고강성화를 양립시키기 위하여, 예를 들면 사각형이나 육각형 등 삼각형 내지 팔각형의 중공 단면 구조를 가지는 것이 좋다.

비드부는 도 4a에 나타내는 충격 흡수 부재(1)의 외표면에 형성한 복수의 오목부인 딤플에 한정되지 않고, 충격 흡수 부재(1)의 외표면으로부터 팽출한 복수의 팽융부이어도 좋다. 도 4b를 참조하면, 정방형의 중공 단면을 가진 충격 흡수 부재(1´)는 4개의 벽부(1a´, 1b´, 1c´, 1d´)와, 이 4개의 벽부(1a´, 1b´, 1c´, 1d´)에 형성된 비드부로서 복수의 팽융부(2a´, 2b´, 2c´, 2d´)를 포함하고, 팽융부(2a´, 2b´, 2c´, 2d´)는 벽부(1a´, 1b´, 1c´, 1d´)의 각각의 중앙(Pc´)에 대하여, 화살표 Y로 나타내는 둘레 방향에 동일한 측에 위치하는 모서리부(1e´, 1f´, 1g´, 1g´)측에 치우치게 하여 배치되어 있다. 또한, 팽융부(2a´, 2b´, 2c´, 2d´)는 구면의 일부를 가진 형상을 나타내고 있다.

비드부가 충격 흡수 부재(1)의 외표면에 형성한 복수의 오목부인 딤플의 경우에는, 상기 도 4a에 모식적으로 나타낸 충격 흡수 부재(1)와 같이, 각 모서리부(1e, 1f, 1g, 1h)의 능선이 둘레 방향에 있어서, 딤플(1a, 1b, 1c, 1d)을 형성한 측 (X 방향)으로 무너지면서 좌굴하기 시작한다. 이에 대하여, 도 4b에 모식적으로 나타내는 충격 흡수 부재(1´)와 같이, 그 외표면의 외측을 향하여 융기한 팽융부(1a´, 1b´, 1c´, 1d´)를, 둘레 방향에 있어서 동일한 방향(Y´)에 위치하는 모서리부(1e´, 1f´, 1g´, 1g´)측으로 치우쳐서 배치하였을 경우에는 각 모서리부(1e´, 1f´, 1g´, 1h´)의 능선이 둘레 방향에 있어서, 이들 팽융부(1a´, 1b´, 1c´, 1d´)를 형성한 것과 반대측 (X´방향)으로 무너지면서 좌굴하기 시작한다.

또한, 도 6a, 6b에 도시하는 바와 같이, 비드부로서의 딤플(2)은 충격 흡수 부재(1)의 좌굴의 개시 단측으로부터 축선 방향으로 나란히 배치할 수 있다. 이 경우, 딤플(2)은 벽부의 한 변의 길이 피치로 배치하는 것이 좋다. 또는 가장 개시 단측에 위치하는 딤플(2)은 이 개시단에서부터 벽부의 한 변의 길이의 1/2 이상 떨어진 위치에 배치하는 것이 좋다. 이에 의하여, 사복상의 좌굴 변형을 안정적으로 일으키게 할 수 있다. 이것은 또한 비드부가 충격 흡수 부재(1)의 외표면으로부터 팽출하는 팽융부의 경우도 마찬가지이다.

또한, 비드부의 형상에 대하여는, 상기 본 발명의 비드부의 기능을 발휘하는 것이면, 전술한 구면의 일부를 가진 형상의 딤플이나 팽융부에 한정되지 않고, 예를 들면 V자 모양이나 U자 모양 등의 단면 형상을 가지고 있어도 좋다. 도 7a, 7b에 도시하는 딤플(2)은 충격 흡수 부재(1)의 축선 방향과 직교하는 방향(횡단면 방향)으로 뻗은 홈통(trough) 형태의 오목한 모양으로 이루어진다. 이 경우, 상기 본 발명의 비드부로서의 기능을 더욱 높일 수 있다. 홈통 형태의 오목한 곳(2)의 충격 흡수 부재(1)의 축선(O)에 수직인 방향의 길이(L₁)는, 좋기로는 1/10W≤L₁≤3/4W (W：벽부의 폭이며 충격 흡수 부재(1)의 능선 사이의 거리)로 한다. 홈통 형태의 오목한 곳(2)의 충격 흡수 부재(1)의 축선(O)의 방향의 길이(L₂)는, 좋기로는, 1/20L₁≤L₂≤L₁로 한다. 또한, 오목한 곳(2)과 능선과의 사이의 거리(L₃)는, 좋기로는 T≤L₃≤1/5T (T：판 두께)로 한다.

본 발명에 의하면, 충격 흡수 부재의 중공 단면을 구성하는 적어도 1개 이상의 벽부에 있어서, 한쪽 모서리부에 치우쳐서 비드부를 배치함으로써, 상기 요철 독립 모드를 의도적으로 유발시키는 것이 가능하다. 즉, 본 발명에서는 적어도 1개의 벽부에 치우쳐서 형성된 비드부를 기점으로 하여, 이 비드부가 치우친 측에 있는 모서리부의 능선이 무너지는 방향이 정해지기 때문에, 기타의 모서리부의 능선에 대하여도, 그 기점이 된 모서리부의 능선과 동일한 방향으로의 무너짐을 유발시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 모서리부의 동일 방향으로의 무너짐을 안정화시키려면 2 이상의 벽부에 비드부를 모서리부측에 치우치게 배치하는 것이 더 좋고, 또한, 모든 벽부에 비드부를 모서리부측으로 치우쳐서 배치하는 것이 가장 좋다. 즉, 충격 흡수 부재의 중공 단면에 있어서 비드부를 형성한 부분은 좌굴 변형 후에 사복상의 골부(오목부)가 된다. 이 때문에, 모든 벽부에 비드부를 배치하였을 경우에는, 그 횡단면에 있어서 비드부가 부여되어 있지 않은 모서리부가 좌굴 변형 후에 사복상의 산부(볼록부)가 되는 것을 미연에 방지하는 것이 가능하다. 또한, 복수의 벽부에 비드부를 모서리부측으로 치우치게 하여 배치하는 경우에는, 다각형상을 가진 중공 단면의 대각을 이루는 벽부로부터 순서대로 배치해 나가는 것이, 비드부의 배치의 균형을 생각할 때 좋다.

또한, 본 발명에 있어서, 비드부를 모서리부측으로 치우치게 배치하는 것은 비드부가 벽부의 중앙부에 걸리지 않을(중앙부를 변형시키지 않을) 정도로 모서리부측으로 어긋나게 하여 배치하는 것을 말한다. 또는 비드부는 둘레 방향에 있어서 동일한 방향에 위치하는 모서리부의 근방에 배치하는 것이 좋다. 이 때, 모서리부의 근방이란, 모서리부의 능선에 걸리지 않을(모서리부를 변형 시키지 않을) 정도로 모서리부에 접근한 위치를 말하는 것으로, 비드부의 중심을 벽부의 폭에 대하여 1/4 이하 정도 모서리부측에 근접한 위치를 말한다. 본 발명에서는 비드부를 모서리부의 근방에 배치함으로써, 상기 모서리부의 능선이 무너지는 것을 안정적으로 일어나게 할 수 있다. 한편, 모서리부에 비드부가 형성되면, 좌굴은 안정적이지만, 모서리부가 지탱하는 하중이 저하되기 때문에, 그 결과적으로 좌굴 변형에 의한 흡수한 에너지량이 저하된다.

또한, 본 발명에서는 비드부를 치우치게 하는 방향을 충격 흡수 부재에 가하여지는 비틀림 방향의 하중의 방향과 일치시킴으로써, 이 비틀림 하중에 대하여도 유효하게 충격 흡수 성능을 발휘시킬 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의하여 본 발명의 효과를 더 분명하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.

본 실시예에서는, 먼저 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 충격 흡수 부재에 대하여, 그 일단측으로부터 축선 방향으로 충격 하중을 가하였을 때의 변형 상태를 FEM 수치 해석(컴퓨터 시뮬레이션)에 의하여 구하였다. 또한, 이 FEM 수치 해석에 의한 해석 조건은 판 두께 1.4 mm, 한 변이 50 mm, 길이가 300 mm인 정방형의 중공 단면을 가진 직선상의 중공 주상 부재를 모델로 하였다. 이 모델의 재료 정수는 아래의 표 1과 같다.

또한, 이 중공 주상 부재의 일단(상단) 측에 1000 ㎏의 강체 벽을 4.44m/s로 낙하시켰을 때의 변형 상태를 구하였다. 또한, 이 FEM 수치 해석에서 사용하는 구성 방정식은 아래에 나타내는 Swift＋Cowper－Symonds의 식이다. 또한, 분석 시간은 50 ms로 하였다.

(비교예 1)

비교예 1은, 도 8a에 도시하는 바와 같이, 상기 중공 주상 부재에 비드부를 형성하지 않은 경우이다. 이 경우, 도 9에 도시하는 바와 같이, 좌굴 변형의 초기 단계에서 요철 독립 모드가 일순간만 나타났지만, 곧바로 요철 혼합 모드가 되었고, 그 이후에는 요철 혼합 모드에서 변형이 진행되는 것을 알 수 있다.

(실시예 1)

실시예 1은, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 상기 중공 주상 부재를 구성하는 4개의 벽부에, 비드부로서 깊이 2.5 mm의 딤플을 둘레 방향에 있어서 동일한 방향에 위치하는 모서리부측에 치우치게 형성하고, 또한, 딤플을 축선 방향으로 50 mm 간격으로 나란히 배치한 경우이다. 이 경우, 도 10에 도시하는 바와 같이, 좌굴 변형의 초기 단계부터 요철 독립 모드로 좌굴 변형이 진행되는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

실시예 2는, 도 8c에 도시하는 바와 같이, 상기 중공 주상 부재를 구성하는 4개의 벽부에, 비드부로서 깊이 2.5 mm의 딤플을 둘레 방향에 있어서 동일한 방향에 위치하는 모서리부측에 치우치게 형성하고, 또한, 축선 방향의 상부에 일렬만 배치한 경우이다. 이 경우, 도 11에 도시하는 바와 같이, 좌굴 변형의 초기 단계로부터 요철 독립 모드로 좌굴 변형이 진행되는 것을 알 수 있다. 또한, 추가로 충격 하중의 추가에 의하여 좌굴 변형이 진행된다고 가정하였을 경우에는 비드부를 형성하지 않은 경우와 동일한 조건이 되고, 그 후에는 요철 혼합 모드로 좌굴 변형이 진행되는 것이 예상된다.

(비교예 2)

비교예 2는, 도 8d에 도시하는 바와 같이, 상기 중공 주상 부재를 구성하는 4개의 벽부에, 축선 방향으로 뻗은 홈부를 둘레 방향에 있어서 동일한 방향에 위치하는 모서리부측에 치우치게 형성한 경우이다. 이 경우, 도 12에 도시하는 바와 같이, 좌굴 변형의 초기 단계에서 요철 독립 모드가 일순간만 나타났지만, 곧바로 요철 혼합 모드가 되고, 그 이후에는 요철 혼합 모드로 변형이 진행되는 것을 알 수 있다.

(비교예 3)

비교예 3은, 도 8e에 도시하는 바와 같이, 상기 중공 주상 부재를 구성하는 3개의 벽부에, 축선 방향으로 뻗은 홈부를 둘레 방향에 있어서 동일한 방향에 위치하는 모서리부측에 치우치게 형성한 경우이다. 이 경우, 도 13에 도시하는 바와 같이, 좌굴 변형의 초기 단계부터 요철 혼합 모드로 좌굴 변형이 진행되는 것을 알 수 있다.

다음으로, 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 충격 흡수 부재에 대하여, 그 일단측으로부터 축선 방향으로 충격 하중을 가하였을 때에, 충격 흡수 부재로부터의 반력(충격 에너지에 대한 부재의 저항력)과 변형량(찌그러짐 량)과의 관계를 측정한 결과를 도 14a 내지 도 14d에 나타낸다. 도 14a 내지 도 14d에 있어서, 도 14a의 그래프는 실시예 1의 경우, 도 14b의 그래프는 실시예 2의 경우, 도 14c의 그래프는 실시예 3의 경우, 도 14d의 그래프는 실시예 4의 경우이며, 각 그래프는 비교예 1과의 비교로 나타내고 있다. 또한, 충격 흡수 부재로부터의 반력과 찌그러짐 량과의 곱이 흡수한 에너지량에 상당하기 때문에, 반력이 높을수록 우수한 충격 흡수 성능을 가지게 된다.

또한, 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 충격 흡수 부재에 대하여, 그 일단측으로부터 축선 방향으로 충격 하중을 가하였을 때에, 변형량(찌그러짐 량)과 흡수한 에너지량과의 관계를 측정한 결과를 도 15a 내지 도 15d에 나타낸다. 도 15a 내지 도 15d에 있어서, 도 15a의 그래프는 실시예 1의 경우, 도 15b의 그래프는 실시예 2의 경우, 도 15c의 그래프는 실시예 3의 경우, 도 15d의 그래프는 실시예 4의 경우이며, 각 그래프는 비교예 1과의 비교로 나타내고 있다.

도 14a 내지 도 14d 및 도 15a 내지 도 15d에 도시하는 바와 같이, 실시예 1, 2의 충격 흡수 부재에서는 요철 독립 모드를 유발시킴으로써, 비교예 1의 요철 혼합 모드보다 변형량(찌그러짐 량)에 대한 충격 에너지의 흡수량의 비율이 높아지고 있어서, 우수한 충격 흡수 성능을 발휘하고 있는 것을 알 수 있다.

1 충격 흡수 부재
1´　　 충격 흡수 부재
1a　　 벽부
1b　　 벽부
1c　　 벽부
1d　　 벽부
1a´　 벽부
1b´　　 벽부
1c´　　 벽부
1d´　　 벽부
1e　　 모서리부
1f　　 모서리부
1g　　 모서리부
1h　　 모서리부
1e´　　 모서리부
1f´　　 모서리부
1g´　　 모서리부
1h´　　 모서리부
2a　　 딤플
2b　　 딤플
2c　　 딤플
2d　　 딤플
2a´　　 팽융부
2b´　　 팽융부
2c´　　 팽융부
2d´　　 팽융부

Claims

축선과, 상기 축선에 대하여 평행하게 뻗은 복수의 직사각형의 벽부와, 상기 축선에 대하여 수직인 다각형 단면을 가지고, 외부로부터 가하여지는 충격 에너지를 상기 축선 방향으로 좌굴 변형하면서 흡수하는, 상기 축선 방향으로 뻗은 중공 주상의 충격 흡수 부재에 있어서,
상기 복수의 벽부 중 적어도 1개의 벽부에 형성된 좌굴 변형의 단서를 제공하는 적어도 1개의 비드부를 구비하고, 이 적어도 1개의 비드부는 이 비드부가 형성되어 있는 벽부의 상기 축선에 평행하게 뻗은 한쪽 가장자리부에 치우치게 하여 배치되어 있는 충격 흡수 부재.
제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 비드부는 1개의 벽부에 형성된 1개의 비드부를 구비하는 충격 흡수 부재.
제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 비드부는 복수의 비드부를 구비하는 충격 흡수 부재.
제3항에 있어서, 상기 복수의 비드부는 1개의 벽부에 있어서 상기 축선 방향으로 일직선상에 등간격으로 배치되어 있는 충격 흡수 부재.
제3항에 있어서, 상기 복수의 비드부는 상기 복수의 벽부 중 적어도 2개의 벽부의 각각에 1개씩 형성되고, 또한 상기 축선에 수직인 동일한 평면 내에서 상기 충격 흡수 부재의 축선 주위의 둘레 방향에 동일한 측의 가장자리부의 근방에 배치되어 있는 충격 흡수 부재.
제3항에 있어서, 상기 복수의 비드부는 상기 복수의 벽부 중 적어도 2개의 벽부의 각각에 동일한 개수로 형성되어 있고, 또한, 상기 축선에 수직인 복수의 평면 내에서 상기 충격 흡수 부재의 축선 주위의 둘레 방향에 동일한 측의 가장자리부의 근방에 상기 축선 방향으로 일직선상에 등간격으로 배치되어 있는 충격 흡수 부재.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 비드부는 상기 충격 흡수 부재의 외표면으로부터 움푹 들어간 딤플을 구비하는 충격 흡수 부재.
제7항에 있어서, 상기 비드부는 상기 충격 흡수 부재의 축선에 대하여 직교하는 방향으로 뻗은 홈통 형태의 오목한 곳인 충격 흡수 부재.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 비드부는 상기 충격 흡수 부재의 외표면으로부터 돌출한 팽융부를 구비하는 충격 흡수 부재.
제4항 또는 제6항에 있어서, 상기 비드부는 좌굴의 개시 단측으로부터 축선 방향으로 나란히 배치되어 있는 충격 흡수 부재.