KR20140127814A - 에너지 흡수 조립체 및 그 제작 방법 및 사용 방법 - Google Patents

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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

하나의 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체는 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지; 및 프레임 및 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지로서, 상기 크러시 로브는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 열가소성 스테이지를 포함한다. 다른 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법은 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 형성하는 단계로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지를 형성하는 단계; 프레임 및 상기 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 갖는 열가소성 스테이지를 형성하는 단계; 및 상기 에너지 흡수 조립체를 형성하기 위해 상기 리세스와 상기 크러시 로브를 맞물림시키는 단계를 포함한다.

Description

에너지 흡수 조립체 및 그 제작 방법 및 사용 방법{ENERGY ABSORBING ASSEMBLY AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME}
본 개시는 일반적으로(예를 들면, 탑승자(들), 보행자(들), 등에 대한) 부상을 감소시키기 위해 및/또는 차량 손상을 감소시키기 위해, 예를 들면, 차량에서 사용하기 위한 에너지 흡수체에 관한 것이다.
현대의 차량은 차량 대 차량 충돌 중에 특유의 에너지 흡수를 위해 튜닝(tuning)된 범퍼 시스템을 갖고 있다. 그러나, 범퍼 시스템의 튜닝은 범퍼 시스템(즉, 에너지 흡수체 및/또는 범퍼 빔)이 점유하는 패키징 공간 상의 제약, 범퍼 빔의 후방의 공간 내로의 범퍼 빔 만곡 및 후방 침입(rear intrusion) 상의 제약, 및 비용, 품질, 치수 일관성 및 충돌 타격 자체 중의 충돌 에너지-흡수 프로파일의 일관성/예측가능성 상의 제약과 같은 복잡한 설계 요건에 기인되어 난제가 될 수 있다. 최근, 이러한 충돌 중에 보행자 부상을 감소시키기 위한 노력에서 보행자 충돌에 대처하기 위한 관심 및 후속 규제가 점차 증가되고 있다. 이것은 범퍼 시스템 설계 및 범퍼 시스템 튜닝성(tunability)에 어느 정도의 곤란성 및 복잡성을 더하였다.
안전성 문제 이외에, 충돌한 차량의 수리 문제 및 정부 및 보험 시험 표준의 양자 모두에 부합하는 것도 범퍼 시스템과 같은 차량 부품의 구조에서 고려되는 요인이다. 일반적으로, 범퍼 시스템과 같은 차량 부품은, 특정 차량 구성요소가, 예를 들면, 4 내지 15 킬로미터/시(kph)(2.5 - 9 마일/시간(mph))의 속도의 저속 충돌에 견딜 수 있는 저속 보험 시험과 같은 정부 시험 표준에 부합하도록 설계된다.
현재의 경쟁적인 자동차 시장에서 복잡성이 증대함에 따라, 최근의 연료 효율에 관한 정부 명령과 조화되도록 범퍼 시스템의 전체 중량을 감소시키는 것은 비용을 감소시키기 위해서 뿐만 아니라 연료 효율을 증가시키기 위해서 설계 엔지니어의 과제일 수도 있다.
종래에, 비용 및 중량이 동시에 낮은 시스템은 성능의 절충을 통해서만 달성될 수 있었다. 따라서, 엄격하고 때로는 모순되는 구조적 제약에 부합할 수 있는 저중량 및 저비용의 에너지 흡수 시스템을 제공할 필요성이 대두되었다.
다양한 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체 및 이것을 제작 및 사용하는 방법이 개시된다.
하나의 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체는, 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지(foam stage)로서, 상기 제 2 표면은 리세스(recess)를 포함하는, 발포체 스테이지; 및 프레임 및 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지로서, 상기 크러시 로브(crush lobe)는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 열가소성 스테이지를 포함한다.
하나의 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법은, 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 형성하는 단계로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지를 형성하는 단계; 프레임 및 상기 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 갖는 열가소성 스테이지를 형성하는 단계; 및 상기 에너지 흡수 조립체를 형성하기 위해 상기 리세스와 상기 크러시 로브를 맞물림시키는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서, 차량은, 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지; 및 프레임 및 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지로서, 상기 크러시 로브는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체; 상기 에너지 흡수 조립체의 상기 제 1 표면 상에 배치되는 페이시아(fascia); 및 범퍼 빔으로서, 상기 에너지 흡수 조립체의 상기 열가소성 스테이지가 상기 범퍼 빔에 부착되는, 범퍼 빔을 포함한다.
이하에서 이들 및 다른 특징을 더 구체적으로 설명한다.
다음은 유사한 요소는 유사한 번호로 표시되는 도면의 간단한 설명이고, 이것은 본 명세서에 개시된 예시적 실시형태를 설명하기 위해 제시된 것으로서 그것을 제한하기 제시된 것이 아니다.
도 1은 에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지의 실시형태를 도시한다.
도 2는 에너지 흡수 조립체의 열가소성 스테이지의 실시형태를 도시한다.
도 3은 도 1의 발포체 스테이지 및 도 2의 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체의 실시형태의 좌상측 사시도를 도시한다.
도 4는 도 1의 발포체 스테이지 및 도 2의 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체의 실시형태의 평면도를 도시한다.
도 5는 도 1의 발포체 스테이지 및 도 2의 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체의 실시형태의 횡단면 측면도를 도시한다.
도 6은 에너지 흡수체의 실시형태의 등각 사시도를 도시한다.
도 7은 도 1의 발포체 스테이지 및 도 2의 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체를 구비하는 차량을 도시한다.
도 8은 도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체와 도 6에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수체를 비교하는 가속도 대 시간 곡선을 표시한다.
도 9는 도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체와 도 6에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수체의 5 마일/시간에서의 에너지 흡수를 비교하는 힘 대 시간 곡선을 표시한다.
도 10은 도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체의 힘 대 변형 곡선을 표시한다.
예를 들면, 충돌 중에 보행자 및/또는 차량의 손상 및/또는 부상을 최소화하기 위해 차량의 다른 구성요소(예를 들면, 범퍼 빔)와 연결하여 사용될 수 있는 에너지 흡수 조립체가 다양한 실시형태로 본 명세서에 개시된다. 에너지 흡수 조립체는 열가소성 스테이지에 부착되는 발포체 스테이지를 포함할 수 있고, 여기서 열가소성 스테이지는 프레임으로부터 돌출되는 크러시 로브를 구비하는 프레임을 포함할 수 있다. 발포체 스테이지는 제 1 표면 및 제 2 표면을 포함할 수 있고, 여기서 발포체 스테이지의 제 2 표면은 프레임으로부터 돌출되는 크러시 로브와 결합되도록 구성될 수 있는 리세스를 포함할 수 있다. 에너지 흡수 조립체는 보행자 충돌 및 차량 손상성의 양자 모두를 위한 에너지를 흡수하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 에너지 흡수 조립체는, 보행자 충돌의 경우, 4 kph 내지 10 kph의 속도에서, 예를 들면, 1,000 줄(J)의 에너지 수준으로 에너지를 흡수할 수 있고, 차량 손상성의 경우, 10 kph 내지 15 kph의 속도에서, 예를 들면, 5,000 J 내지 6,000 J의 에너지 수준으로 에너지를 흡수할 수 있다. 이러한 구조는 패키징 공간을 상당히 증가시키지 않고, 또는 설계의 자유의 절충 없이 더 낮은 중량 및 비용이라는 전체 시스템 요건에 부합할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서, 예를 들면, (예를 들면, 탑승자(들), 보행자(들), 등에 대한) 부상을 감소시킬 뿐만 아니라 충돌의 결과로서의 차량 손상을 감소시키기 위해, 차량에서 사용하기 위한 에너지 흡수 조립체가 제공된다.
본 명세서에 개시된 에너지 흡수 조립체는 차량의 임의의 위치에서 사용될 수 있으나, 일반적으로 이것은 충돌 시 화이트 바디(BIW) 내에 위치되는 구성요소를 손상으로부터 보호하기 위해, (예를 들면, 일반적으로 엔진, 라디에이터, 등이 위치되는 차량의 부분에서) 범퍼 빔의 전방에서 차량의 전방 부분에서 사용하기 위한 것이다. 범퍼 빔은 일반적으로 엔진 구성요소 및 라디에이터와 같은 범퍼 빔의 후방에 위치되는 차량 구성요소의 손상을 감소 및/또는 제거하기 위해 제공된다. 일반적으로, 본 명세서에서 설명되는 에너지 흡수 조립체는 차량의 전방 범퍼 및/또는 후방 범퍼에 위치될 수 있고, 충돌 중의 차량의 보호체로서의 역할을 하기 위해 BIW에 부착되는 범퍼 빔(예를 들면, 금속, 플라스틱, 등)에 부착될 수 있다. 예를 들면, 에너지 흡수 조립체는 차량 레일(rail) 및/또는 횡부재에 부착되는 범퍼 빔에 부착될 수 있다. 에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지는, 예를 들면, 충돌 시 보행자의 부상을 감소시키기 위해, 열가소성 스테이지 및 범퍼 빔의 전방에 위치될 수 있다. 발포체 스테이지 상에 장식 페이시아가 배치될 수 있다.
높은 에너지 수준의 저속 충돌 중에, 에너지 흡수 조립체는 충돌 에너지를 흡수함으로써 차량 손상 및 이에 따라 차량 구성요소 내로의 침입 및 차량 구성요소의 손상을 감소시키도록 하고, 동시에 차량의 레일 부하 한계(예를 들면, BIW가 변형을 개시하는 점)를 초과하지 않도록 한다. 또한, 일부의 에너지 흡수 조립체는 낮은 에너지 수준의 저속 충돌 중에 충돌의 결과로서의 보행자 부상을 감소시키도록 한다. 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 본 명세서에 기술되는 에너지 흡수 조립체는 하퇴 충돌 단계 II 목표 요건(예를 들면, 낮은 에너지 수준) 및 연방 자동차 안전성 표준(FMVSS)에서 발표한 차량 손상성 5 mph 요건(예를 들면, 높은 에너지 수준)에 부합할 수 있다.
자동차 제작자들은 에너지 흡수 조립체의 전체 질량의 감소를 지속적으로 원하고, 이것은 일반적으로 에너지 흡수 조립체의 제작비의 감소와 관련이 있다. 발포체 에너지 흡수 조립체는 비용 및 중량 면에서 더 낮지만 열가소성 에너지 흡수 조립체와 같은 높은 에너지 흡수를 갖지 않고, 한편 모든 열가소성 에너지 흡수 조립체는 더 비싸다. 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 본 명세서에서 설명하는 에너지 흡수 조립체는 허용할 수 있는 에너지 흡수를 제공할 수 있고, 동시에 에너지 흡수 조립체의 비용 또는 중량을 상당히 증가시키지 않는다. 예를 들면, 열가소성 에너지 흡수 조립체에 비해 20 % 이상의 중량의 감소는 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체를, 구체적으로, 25% 이상, 더 구체적으로, 30% 이상, 더 구체적으로, 35% 이상을 사용함으로써 달성될 수 있다.
에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지는 보행자와의 충돌 중에 에너지를 흡수하여 변형되도록 설계될 수 있고, 한편 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지는, 예를 들면, 16 kph(9 mph) 이하의 속도에서, 구체적으로, 8 kph(5 mph) 이하의 속도에서, 차량 충돌에 대해 소성적으로 변형되어 차량 내의 에너지를 흡수하도록 설계될 수 있고, (예를 들면, 알리안즈(Allianz) 충돌 시험 중에) 4000 J 내지 6000 J의 에너지를 흡수할 수 있고, 또한 발포체 스테이지를 지지할 수 있다. 일반적으로, 에너지 흡수 조립체가 부착되는 범퍼 빔은 에너지 흡수 조립체를 지지할 수 있고, 또한 충돌(예를 들면, 진자(pendulum) 충돌 및 장벽 충돌) 중에 탄성적으로 변형되어 에너지를 흡수하는 강성(stiff) 부재의 역할을 할 수도 있다.
본 명세서에서 설명하는 에너지 흡수 조립체는 저속 충돌을 위해 발표된 요건, 예를 들면, 10 kph 충돌에서의 손상성 완화를 위한 49 C.F.R. 581 및 미국 도로 안전 보험 협회(IIHS)의 요건에 부합하거나 및/또는 그 요건을 초과할 수 있고, 뿐만 아니라, 예를 들면, European Enhanced Vehicle-safety Committee(EEVC), Association des Constructeurs europeens d'Automobiles(ACEA, Phase II), 및 Global Technical Regulations(GTR)를 포함하는 다양한 규제 기관에 의해 발표된 보행자 충돌 규제 요건에 부합하거나 및/또는 이 요건을 초과할 수 있다.
일반적으로 본 명세서에 개시된 에너지 흡수 조립체는 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 포함할 수 있고, 여기서 제 2 표면은 리세스를 포함하고, 열가소성 스테이지는 프레임 및 크러시 로브를 포함한다. 크러시 로브는 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 리세스 내로 연장될 수 있다.
에너지 흡수 조립체의 예시적 특징은 높은 인성/전성, 열적 안정성(예를 들면, -30℃ 내지 60℃), 높은 에너지 흡수 효율, 우수한 탄성율 대 연신율 비율, 및 그 중에서도 리사이클 가능성을 포함하고, 여기서, "높은" 및 "우수한"이라 함은 그 특징이 소정의 구성요소/요소를 위한 현재의 차량 안전성 법규 및 요건에 적어도 부합함을 의미한다.
프레임 및 이 프레임으로부터 돌출되는 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지는 원하는 형상으로 형성될 수 있는, 그리고 원하는 특성을 제공할 수 있는 임의의 열가소성 재료 또는 열가소성 재료들의 조합물을 포함할 수 있다. 예시적 재료는 열가소성 재료 뿐만 아니라 열가소성 재료와 탄성중합체 재료의 조합물 및/또는 열경화성 재료를 포함한다. 가능한 열가소성 재료는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT); 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS); 폴리카보네이트(SABIC Innovative Plastics로부터 상업적으로 구입할 수 있는 LEXAN* 및 LEXAN* EXL 수지); 폴리카보네이트/PBT 블렌드; 폴리카보네이트/ABS 블렌드; 코폴리카보네이트-폴리에스테르; 아크릴릭-스티렌-아크릴로니트릴(ASA); 아크릴로니트릴-(에틸렌-폴리프로필렌 디아민 변성된)-스티렌(AES); 페닐렌 에테르 수지; 폴리페닐렌 에테르/폴리아미드의 블렌드(SABIC Innovative Plastics로부터 상업적으로 구입할 수 있는 NORYL GTX* 수지); 폴리카보네이트/폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)/PBT의 블렌드; 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 내충격성 개량제(SABIC Innovative Plastics로부터 상업적으로 구입할 수 있는 XENOY* 수지); 폴리아미드; 페닐렌 설파이드 수지; 폴리비닐 클로라이드 PVC; 내충격용 폴리스티렌(HIPS); 저/고 밀도 폴리에틸렌(L/HDPE); 폴리프로필렌(PP); 발포 폴리프로필렌(EPP); 폴리에틸렌 및 섬유 복합재; 폴리프로필렌 및 섬유 복합재(Azdel, Inc.로부터 상업적으로 구입할 수 있는 AZDEL Superlite* 시트); 장섬유 강화 열가소성(SABIC Innovative Plastics로부터 상업적으로 구입할 수 있는 VERTON* 수지) 및 열가소성 올레핀(TPO), 뿐만 아니라 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물을 포함한다.
예시적 충전 수지는 역시 SABIC Innovative Plastics로부터 상업적으로 구입할 수 있는 유리 장섬유 충전 폴리프로필렌 수지인 STAMAX* 수지이다. 몇몇 가능한 강화용 재료는 유리, 탄소, 등과 같은 섬유 뿐만 아니라 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물, 예를 들면, 유리 장섬유 및/또는 탄소 장섬유 강화 수지를 포함한다. 열가소성 스테이지는 또한 위에서 설명한 임의의 재료 중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 일부의 실시형태에서, 열가소성 스테이지의 각 요소(예를 들면, 프레임 및 크러시 로브)를 제조하기 위해 동일한 재료가 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 에너지 흡수 시스템의 다양한 요소를 제조하기 위해 상이한 재료가 사용될 수 있다(예를 들면, 하나의 재료는 프레임을 제조하기 위해 사용될 수 있고, 다른 재료는 크러시 로브를 제조하기 위해 사용될 수 있음). 예를 들면, 압착(crush) 특성을 향상시키고, 손상성을 감소시키는 등을 위해 임의의 재료의 조합이 사용될 수 있음이 고찰된다.
에너지 흡수 조립체의 열가소성 스테이지는 단일체의 조립체(예를 들면, 일체형으로 형성된 프레임 및 크러시 로브(들))를 제공하기 위해 다양한 성형 공정(예를 들면, 사출 성형, 열성형, 압출, 등)을 사용하여 제조될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 발포체 스테이지는 낮은 에너지 수준의 충돌 중에 에너지 흡수를 제공할 수 있다. 발포체 스테이지는 폴리포스파젠, 폴리(비닐 알코올), 폴리아미드, 폴리에스테르 아미드, 폴리(아미노산), 폴리앤하이드라이드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리알킬렌, 폴리아크릴아미드, 폴리알킬렌 글리콜, 폴리알킬렌 옥사이드, 폴리알킬렌 테레프탈레이트, 폴리오르토 에스테르, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 에스테르, 폴리비닐 할라이드, 폴리에스테르, 폴리락티드, 폴리글리콜리드, 폴리실록산, 폴리우레탄, 폴리에테르, 폴리에테르 아미드, 폴리에테르 에스테르, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(에틸 메타크릴레이트), 폴리(부틸 메타크릴레이트), 폴리(이소부틸 메타크릴레이트), 폴리(헥실 메타크릴레이트), 폴리(이소데실 메타크릴레이트), 폴리(라우릴 메타크릴레이트), 폴리(페닐 메타크릴레이트), 폴리(메틸 아크릴레이트), 폴리(이소프로필 아크릴레이트), 폴리(이소부틸 아크릴레이트) 및 폴리(옥타데실 아크릴레이트), 폴리스티렌, 폴리프로필렌(PP), 발포 폴리프로필렌(EPP), 폴리비닐 페놀, 폴리비닐피롤리돈, 염소화 폴리부틸렌, 폴리(옥타데실 비닐 에테르), 에틸렌 비닐 아세테이트, (발포) 폴리에틸렌(EPE), 폴리(에틸렌 옥사이드)-폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리에틸렌/나일론(그라프트 코폴리머), 폴리카프로락톤-폴리아미드(블록 코폴리머), 폴리(카프로락톤) 디메타크릴레이트-n-부틸 아크릴레이트, 폴리(노르보닐-다면체 올리고머 실세스키옥산), 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 우레탄/부타디엔 코폴리머, 폴리우레탄 블록 코폴리머, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 코폴리머, 뿐만 아니라 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물을 포함하는 다양한 폴리머를 포함하는 발포체로 형성될 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. 발포체 스테이지는 열가소성 스테이지에 관하여 기재된 임의의 재료 뿐만 아니라 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 발포체 스테이지는 폴리프로필렌/발포 폴리프로필렌/폴리스티렌 코폴리머를 포함할 수 있다. 대안적으로, 발포체 스테이지는 폴리에틸렌의 코폴리머 및 폴리스티렌을 포함할 수 있다.
하나의 실시형태에서, 발포체는 독립 기포(closed-cell) 발포체 또는 연속 기포(open-cell) 발포체(여기서, 독립 및 연속이라 함은 ASTM D6226-05에 따라 측정된 바와 같은 폴리머 기포 재료 내의 연속 기포 체적 백분율의 정량분석을 참조함) 또는 이들의 조합체일 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지는 변동하는 밀도를 갖는 수 개의 발포체 층을 포함할 수 있고(예를 들면, 독립 기포 발포체 및 연속 기포 발포체의 양자 모두를 포함할 수 있음), 여기서 밀도는 발포체 스테이지의 제 1 표면으로부터 제 2 표면까지의 거리의 함수로서 증가할 수 있다. 다시 말하면, 발포체 스테이지는 제 1 표면으로부터 제 2 표면까지 가변 밀도(예를 들면, 증가 또는 감소하는 밀도)를 가질 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 발포체 스테이지는 신테틱(syntactic) 발포체, 예를 들면, 이전에 설명한 바와 같은 폴리머를 포함하는 매트릭스 내에 매립된 중공 스피어(hollow sphere)를 포함하는 발포체를 포함할 수 있다. 신테틱 발포체는 금속, 폴리머, 또는 세라믹 매트릭스를 마이크로벌룬(microballoon)이라고 부르는 중공 입자로 충전시킴으로써 합성되는 복합재 재료이다. 중공 입자를 제공하면 더 낮은 밀도, 더 높은 강도, 및 더 낮은 열팽창계수가 얻어진다. 조정가능성(tailorability)은 이들 재료의 최대 장점 중 하나이다. 매트릭스는 임의의 금속, 폴리머, 또는 세라믹 재료로부터 선택될 수 있다. 마이크로벌룬의 예는 세노스피어(cenosphere), 유리 마이크로스피어, 탄소 마이크로벌룬, 및 폴리머 마이크로벌룬을 포함한다. 마이크로벌룬 대신, 티타늄 다이옥사이드, 바륨 설페이트, 실리콘(silicon) 다이옥사이드, 실리콘(silicone) 스피어, 또는 마이크로스피어(예를 들면, TOSPEARL*), 폴리메틸메타크릴레이트 입자 등, 또는 상기한 것 중의 적어도 하나를 포함하는 조합물과 같은 다른 충전재.
신테틱 발포체의 압축 특성은 마이크로벌룬의 특성에 주로 의존하고, 반면에 그 인장 특성은 이 마이크로벌룬을 함께 파지하고 있는 매트릭스 재료에 의존한다. 신테틱 발포체의 특성을 조절하는 수 개의 방법이 있다. 제 1 방법은 신테틱 발포체 조직 내의 마이크로벌룬의 체적 분율을 변화시키는 것이다. 제 2 방법은 상이한 벽 두께의 마이크로벌룬을 사용하는 것이다. 일반적으로, 재료의 압축 강도는 그 밀도에 비례한다.
유리 마이크로스피어는 초음파 분사 열분해로서 공지된 공정으로 용해된 물유리의 극히 작은 액적을 가열함으로써 제조될 수 있다. 마이크로스피어는 또한 복합재에서 중량, 연마성(sandability), 및 실링 표면과 같은 특이적 특성을 위해 폴리머 수지를 충전하기 위해 사용된다.
유리, 세라믹, 폴리머, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 형성될 수 있는 신테틱 발포체 내의 스피어는 100 나노미터(nm) 내지 5 밀리미터(mm), 구체적으로 500 nm 내지 1,000 nm, 더 구체적으로 1 마이크로미터(μm) 내지 300 μm, 및 더 구체적으로 10 μm 내지 200 μm의 직경을 가질 수 있다. 신테틱 발포체의 가변 밀도는 다양한 직경의 스피어 및 용융 열가소성 재료를 주형 내에 충전함으로써 얻어질 수 있다. 이 발포체의 밀도는 또한 발포체의 독립 기포의 분율을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 따라서, 발포체 스테이지는 하나의 층의 신테틱 발포체를 포함할 수 있고, 여기서 신테틱 발포체는 전체를 통해 연속적 밀도를 가지거나 전술한 바와 같은 가변 밀도를 갖는다. 선택적으로, 발포체 스테이지는 수 개의 층의 발포체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 발포체 스테이지는 2 개의 상이한 발포체를 포함할 수 있고, 예를 들면, 발포체 스테이지의 제 1 표면은 제 1 발포체 밀도를 갖는 발포체를 포함할 수 있고, 발포체 스테이지의 제 2 표면은 상이한 제 2 발포체 밀도를 갖는 제 2 발포체를 포함할 수 있다. 이와 같은 실시형태에서, 발포체 스테이지의 제 1 표면 및 제 2 표면은 상호 사용 가능하게 결합될 수 있다.
본 명세서에서 기술되고 사용되는 "사용 가능하게 결합된다"함은 2 개의 부재가 상호 직접적으로 또는 간접적으로 접합되는 것을 말한다. 이와 같은 접합은 사실 상 고정될 수 있고, 또는 사실 상 이동가능할 수 있다. 이와 같은 접합은 단지 2 개의 부재로 또는 이 2 개의 부재 및 상호 단일의 단위체로서 일체적으로 형성되는 임의의 추가의 중간 부재로, 또는 2 개의 부재 또는 이 2 개의 부재 및 상호 부착되는 임의의 추가 부재로 달성될 수 있다. 이와 같은 접합은 사실 상 영구적일 수 있고, 또는 사실 상 제거될 수 있거나 또는 해제될 수 있다.
예를 들면, 발포체 스테이지는 폴리프로필렌/발포 폴리프로필렌 블렌드 및/또는 코폴리머를 포함할 수 있고, 이것은 밀도를 변화시킬 수 있으므로, 예를 들면, 소정의 패키징 공간 및 성능 요건을 위한 조립체의 요건에 의존하여 에너지 흡수 조립체를 튜닝할 수 있다. 발포체 스테이지의 밀도는 최대의 충돌에 노출될 발포체 스테이지의 구역에서 증대될 수 있고, 큰 충돌에 노출되지 않을 발포체 스테이지의 구역에서는 감소될 수 있다.
전체 크기, 예를 들면, 에너지 흡수 조립체의 특정 치수는 차량 내에서의 그 위치 및 기능 뿐만 아니라 대상으로 하는 특정의 차량에 의존한다. 예를 들면, 에너지 흡수 조립체의 길이(l), 높이(h), 및 폭(w)은 원하는 사용 위치에서 사용할 수 있는 공간의 크기 뿐만 아니라 필요한 에너지 흡수의 크기에 의존한다. 에너지 흡수 조립체의 다양한 구성요소의 깊이 및 벽 두께도 또한 사용할 수 있는 공간, 원하는 강성, 및 사용되는 재료(또는 재료의 조합)에 의존한다. 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지의 깊이 "d"는 일반적으로 페이시아와 범퍼 빔 사이의 거리 내에 존재한다.
에너지 흡수 조립체는 주조성형, 성형가공, 또는 임의의 다른 적절한 제조 기법과 같은 수 개의 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 에너지 흡수체 및/또는 크러시 로브는 사출 성형, 열성형, 압출, 또는 상기한 것 중 적어도 하나의 조합으로부터 선택되는 공정에 의해 성형될 수 있다.
마찬가지로, 발포체 스테이지는 기계적 성형 공정(예를 들면, 폴리우레탄 발포체)에 의해 또는 발포제(예를 들면, 폴리올레핀 발포체)의 사용에 의해 성형될 수 있다. 발포제는 물리적 발포제 또는 화학적 발포제로 분류될 수 있다. 물리적 발포제를 사용하는 경우, 발포현상은 압력을 감소시킴으로써 용융 폴리머 내에 용해되거나 현탁된 기체의 팽창을 허용함으로써 달성될 수 있다. 화학적 발포제를 사용하는 경우, 기포 조직은 발포제의 화학적 분해에 의해 형성될 수 있다. 기계적 발포 공정에서, 발포체 조직은 이 조직 내에 기체를 기계적으로 포획함으로써 달성될 수 있고, 예를 들면, 공기는 적절한 혼합기를 사용한 폴리머 슬러리의 철저한 휘핑(whipping)을 통해 포획될 수 있다. 발포체 스테이지는 이 공정들 중 임의의 공정, 뿐만 아니라 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합 공정으로 형성될 수 있다.
물리적 발포제를 사용하는 경우, 발포체 스테이지는 균질계(homogeneous system)를 형성하도록 폴리머 또는 그 블렌드의 유리 전이 온도보다 더 높은 온도에서 고압 하에서 발포 기체를 폴리머 발포 용액에 침지시킴으로써 형성될 수 있다. 다음에 기포 압력과 폴리머 재료의 강도 사이에 평형이 달성될 때까지, 폴리머 발포 용액 내에 용해된 기체가 기포를 핵생성 및 분리할 수 있도록, 불안정한 과포화 계를 생성하기 위해 압력이 급격하게 제거되고, 마지막으로 폴리머 용액이 응고되어 폴리머 발포체가 얻어진다. 하나의 실시형태에서, 이산화탄소(CO2) 또는 질소(N2) 기체가 발포 기체로서 사용될 수 있다. 균질 핵생성은 일반적으로 더 높은 에너지를 필요로 하고, 그리고 불균질 핵생성보다 적은 핵생성 사이트를 가지고, 이것은 얻어지는 발포체 내의 기포 크기를 더 커지게 하므로, 발포 공정 중에 핵생성 사이트를 증가시키기 위한 핵생성제를 첨가함으로써 핵생성 에너지는 감소될 수 있고, 따라서 폴리머 용액 내에 포함되는 발포 기체를 위한 불균질 핵생성을 제공한다. 본 명세서에서 설명하는 에너지 흡수 조립체에서 사용되는 발포체의 다양한 특성(예를 들면, 직경과 같은 물리적 특성)은 사용되는 핵생성제의 종류, 및/또는 발포체의 제조에 이용되는 온도/압력 프로파일, 및/또는 사용되는 발포 기체에 의해 영향을 받을 수 있다. 발포체는 폴리머를 가열 및 용융시키는 압축-성형 공정에 의해 형성될 수 있고; 핵생성제 및 발포제는 용융 폴리머 또는 폴리머 블렌드 내에 첨가되고; 그 혼합물은 폴리머 발포 용액 내에 블렌딩되고; 그리고 폴리머 발포 용액은 적절한 온도에서 압출 및 발포되어 발포체를 형성한다.
물리적 발포제의 예는 수소 원자-함유 성분을 포함하는 것으로, 이것은 단독으로 또는 상호 혼합물로서, 또는 물 또는 아조(azo) 화합물과 같은 다른 유형의 발포제와의 혼합물로서 사용될 수 있다. 이들 발포제는 탄화수소, 에테르, 에스테르, 및 부분적 할로겐화 탄화수소, 에테르 및 에스테르 등을 포함하는 광범위한 재료로부터 선택될 수 있다. 물리적 발포제는 일반적으로 약 -50℃ 내지 약 100℃, 구체적으로 약 -25℃ 내지 약 50℃의 끓는점을 갖는다. 사용 가능한 수소-함유 발포제 중에는 1,1-디클로로-1-플루오로에탄, 1,1-디클로로-2, 2,2-트리플루오로-에탄, 모노클로로디플루오로메탄, 및 1-클로로-1,1-디플루오로에탄과 같은 HCFC(할로 클로로플루오로카본); 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판, 2,2,4,4-테트라플루오로부탄, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-메틸프로판, 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판, 1,1,1,2,2-펜타플루오로프로판, 1,1,1,2,3-펜타플루오로프로판, 1,1,2,3,3-펜타플루오로프로판, 1,1,2,2,3-펜타플루오로프로판, 1,1,1,3,3,4-헥사플루오로부탄, 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄, 1,1,1,4,4,4-헥사플루오로부탄, 1,1,1,4,4-펜타플루오로부탄, 1,1,2,2,3,3-헥사플루오로프로판, 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판, 1,1-디플루오로에탄, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄, 및 펜타플루오로에탄과 같은 HFC(할로 플루오로카본); 메틸-1,1,1-트리플루오로에틸에테르 및 디플루오로메틸-1,1,1-트리플루오로에틸에테르와 같은 HFE(할로 플루오로에테르); 및 n-펜탄, 이소펜탄, 및 시클로펜탄과 같은 탄화수소, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물이 있다.
통상적으로 기체 및 액체인 발포제 중에는 메틸 플루오라이드, 메틸 클로라이드, 디플루오로메탄, 메틸렌 클로라이드, 퍼플루오로메탄, 트리클로로메탄, 디플루오로-클로로메탄, 디클로로플루오로메탄, 디클로로디플루오로메탄(CFC-12), 트리플루오로클로로메탄, 트리클로로모노플루오로메탄(CFC-11), 에틸 플루오라이드, 에틸 클로라이드, 2,2, 2-트리플루오로-1,1-디클로로에탄(HCFC-123), 1,1,1-트리클로로에탄, 디플루오로테트라클로로에탄, 1,1-디클로로-1-플루오로에탄(HCFC-141b), 1,1-디플루오로-1-클로로에탄(HCFC-142b), 디클로로테트라플루오로에탄(CFC-114), 클로로트리플루오로에탄, 트리클로로트리플루오로에탄(CFC-113), 1-클로로-1,2,2, 2-테트라플루오로에탄(HCFC-124), 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a), 1,1,1-트리플루오로에탄(HFC-143a), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 퍼플루오로에탄, 펜타플루오로에탄, 2,2-디플루오로프로판, 1,1,1-트리플루오로프로판, 퍼플루오로프로판, 디클로로프로판, 디플루오로프로판, 클로로헵타플루오로프로판, 디클로로헥사플루오로프로판, 퍼플루오로부탄, 퍼플루오로시클로부탄, 황-헥사플루오라이드, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물과 같은 메탄 및 에탄의 할로겐 유도체가 포함된다.
사용될 수 있는 다른 통상적으로 기체 및 액체인 발포제는 탄화수소 및 아세틸렌, 암모니아, 부타디엔, 부탄, 부텐, 이소부탄, 이소부틸렌, 디메틸아민, 프로판, 디메틸프로판, 에탄, 에틸아민, 메탄, 모노메틸아민, 트리메틸아민, 펜탄, 시클로펜탄, 헥산, 프로판, 프로필렌, 알코올, 에테르, 케톤 등과 같은 기타 유기 화합물이다. 불활성 기체 및 이산화탄소, 질소, 아르곤, 네온, 또는 헬륨과 같은 화합물은 만족스러운 결과를 갖는 발포제로서 사용될 수 있다. 물리적 발포제는 압출 다이로부터 직접 발포체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이 조성물은 추가의 팽창을 위한 화학적 발포제를 선택적으로 포함할 수 있다. 예시적인 물리적 발포제는 이산화탄소 및 질소이다.
상승된 온도에서 분해되어 기체를 형성하는 고체의 화학적 발포제가 사용될 수 있다. 일반적으로, 분해가능한 발포제는(기체상 재료의 결과적인 유리(liberation)와 함께) 약 130℃ 내지 약 350℃의 분해 온도를 갖는다. 대표적인 화학적 발포제는 아조디카본아미드, p,p'-옥시비스(벤젠) 술포닐 히드라지드, p-톨루엔 술포닐 히드라지드, p-톨루엔 술포닐 세미카바지드, 5-페닐테트라졸, 에틸-5-페닐테트라졸, 디니트로소 펜타메틸렌테트라민, 및 다른 아조, N-니트로소, 카보네이트 및 술포닐 히드라지드 뿐만 아니라 가열되었을 때 분해되는 다양한 산/바이카보네이트 화합물을 포함한다.
하나의 실시형태에서, 폴리머 발포체의 기포는 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터, 구체적으로 1 마이크로미터 내지 80 마이크로미터, 및 더 구체적으로 5 내지 50 마이크로미터의 기포 크기를 가질 수 있다.
또한 에너지 흡수 조립체를 제조하기 위한 방법을 고찰한다. 예를 들면, 에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법은 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 형성하는 단계로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지를 형성하는 단계; 프레임 및 상기 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 갖는 열가소성 스테이지를 형성하는 단계; 및 상기 에너지 흡수 조립체를 형성하기 위해 상기 리세스와 상기 크러시 로브를 맞물림시키는 단계를 포함한다.
첨부한 도면을 참조함으로써 본 명세서에 개시된 구성요소, 공정 및 장치를 보다 완전히 이해할 수 있다. 이들 도면(본 명세서에서 또한 "도"라 함)은 본 개시의 설명의 편의 및 용이화에 기초한 단순한 개략도이고, 그러므로 예시적 실시형태의 장치 또는 구성요소의 상대적 크기 및 치수를 나타내거나 및/또는 예시적 실시형태의 범위를 한정하거나 제한하고자하지 않는다. 명확화를 위해 이하의 설명에서 구체적 용어가 사용되지만, 이들 용어는 도면의 설명을 위해 선택되는 실시형태의 특정 구조에만 참조되고, 본 개시의 범위를 한정하거나 제한하고자하지 않는다. 도면 및 이하의 설명에서, 유사한 도면부호는 유사한 기능의 구성요소를 참조한다고 이해해야 한다.
도 1은 에너지 흡수 조립체를 위한 발포체 스테이지(20)의 실시형태를 도시하고, 도 2는 에너지 흡수 조립체를 위한 열가소성 스테이지(10)의 실시형태를 도시하고, 도 3, 4, 및 5는 에너지 흡수 조립체(30)를 제조하기 위해 조립된 발포체 스테이지(20) 및 열가소성 스테이지(10)의 다양한 구성을 도시한다. 도 1에 표시된 바와 같이, 발포체 스테이지(20)는
제 1 표면(203) 및 제 2 표면(202)을 포함할 수 있고, 여기서 제 1 표면(203)은 일반적으로 조립체의 페이시아 측(40)을 향해 배향되고, 제 2 표면(202)은 일반적으로 에너지 흡수 조립체(30)의 범퍼 측(50)을 향해 배향된다. 제 2 표면(202)은 리세스(201)를 포함할 수 있고, 이것은 열가소성 스테이지(10) 상의 크러시 로브(101)(예를 들면, 도 2)와 결합하도록 구성된다. 리세스(201)의 형상 및 다양한 치수(예를 들면, 길이, 폭, 두께, 및 깊이)는 크러시 로브(101)의 형상 및 치수에 따라 변화될 수 있다. 그러나, 리세스(201)의 형상 및 치수는, 선택적으로 크러시 로브(101) 및/또는 발포체 스테이지(20)의 열팽창을 수용하기 위해 리세스(201)와 크러시 로브(101) 사이에 간극을 남긴 상태로, 도 2에 도시된 크러시 로브(101)가 리세스(201) 내에 끼워맞춤될 수 있도록, 설계되어야 한다. 발포체 스테이지(20)의 제 1 표면(203)은 발포체 스테이지(20)의 길이를 따라 연장하는 만곡된 형상 또는 평평한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 표면(203)은 만곡된 형상을 가질 수 있으므로 제 1 표면(203)은 발포체 스테이지(20)의 양단부로부터 발포체 스테이지의 중앙을 향해 증가하는 두께인 t1을 갖고, 발포체 스테이지(20)의 중앙은 더 두꺼운 두께인 t2를 갖는다. 발포체 스테이지(20)가 평평한 제 1 표면(203)을 갖는 경우, 두께는 발포체 스테이지(20)의 일단부로부터 타단부까지 일정하다.
도 1은 또한 발포체 스테이지(20)의 제 2 표면(202)이 크러시 로브(101) 및 프레임(100)을 포함하는 도 2에 도시된 열가소성 스테이지(10)와 맞물릴 수 있는 평평한 표면을 포함할 수 있음을 보여준다. 그러나, 발포체 스테이지(20)의 제 2 표면(202)은 평평한 형상에 제한되지 않고, 열가소성 스테이지(10)의 크러시 로브(101)가 발포체 스테이지(20)의 리세스(201) 내에 끼워맞춤되도록, 그리고 발포체 스테이지(20)가 열가소성 스테이지(10)를 포위함으로써 도 3, 4 및 5에 도시된 바와 같은 에너지 흡수 조립체(30)를 형성하도록, 열가소성 스테이지(10)의 프레임(100)과 맞물릴 수 있는 임의의 형상을 포함할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 열가소성 스테이지(10)가 도시되어 있다. 이 열가소성 스테이지(10)는 프레임(100) 및 이 프레임(100)으로부터 돌출하는 크러시 로브(101)를 포함할 수 있다. 프레임(100)은 제 1 단부 벽(114) 및 제 2 단부 벽(116)에 의해 연결되는 상부 측벽(110) 및 저부 측벽(112)을 구비하는 대체로 직사각형인 형상을 포함할 수 있다. 프레임(100)의 형상은 일반적으로 발포체 스테이지의 형상에 상보적이므로 에너지 흡수 조립체의 2 개의 구성요소는 상호 결합될 수 있다. 프레임의 형상은 원하는 에너지 흡수를 제공하는, 그리고 발포체 스테이지(20)와 맞물려서 에너지 흡수 조립체를 형성할 수 있는 임의의 형상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 프레임(100) 및 마찬가지로 발포체 스테이지(20)는 도시된 바와 같은 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 원통형 등, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합형을 포함하는 형상을 가질 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. 하나의 실시형태에서, 프레임(100)은 플랜지형 프레임일 수 있다(예를 들면, 프레임의 에지의 주위에 돌출 림(rim)을 가질 수 있음). 또한, 프레임(100)은 중실형(즉, 이 중실형 프레임의 다양한 부분으로부터 돌출하는 크러시 로브를 구비하는 상부 측벽(110)과 저부 측벽(112) 사이에 개방된 공간을 갖지 않는) 열가소성 부재일 수 있다. 선택적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 측벽(110)과 저부 측벽(112) 사이에는 프레임(100)에 추가의 강도 및 강성을 제공하기 위한 횡단 리브(traverse rib; 102)가 배치된다. 리브(102)에 의해 에너지 흡수 조립체는 충돌 시 에너지를 더 흡수할 수 있고, 차량 손상성을 더 감소시킬 수 있다. 리브 간격은 벽의 안정성 및 에너지 흡수의 하나의 요인이 될 수 있다. 리브(102)는 삼각형, 트러스형, 톱니형, 파형, 2차 곡선형, 사다리꼴, 육각형, 오각형, 팔각형, 반원형, 사인곡선형, 층상, 절대치함수형(abs(sin)), 사이클로이드, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합형일 수 있는 형상을 포함할 수 있다.
크러시 로브(101)는 도 2에 도시된 바와 같이 횡단 리브(102)로부터 돌출될 수 있다. 크러시 로브(101)는 전체 에너지 흡수 조립체에 원하는 에너지 흡수 특성을 제공하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 크러시 로브(101)는 도 2에 도시된 바와 같은 C자형 단면, 박스형 단면, 원추형 단면, 원통형 단면, 원추 형상, 또는 원추대 형상, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합형을 포함하는 형상을 가질 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 크러시 로브(101)는 리세스(201)를 향하는 크러시 로브(101)의 표면에서 더 작은 단면적을 갖는, 그리고 크러시 로브(101)가 프레임(100)에 부착되는 위치에서 더 큰 단면적을 갖는 원추형 또는 원추대형과 같은 형상을 가질 수 있다. 크러시 로브(101)는 이 크러시 로브(101)가 발포체 스테이지(20)의 리세스(201) 내에 끼워맞춤되어 발포체 스테이지(20)의 리세스(201)와 맞물리도록 구성될 수 있다. 열가소성 스테이지(10)의 원하는 구조에 따라, 다수의 크러시 로브(101)가 단일의 리세스(201) 내에 끼워맞춤될 수 있고, 또는 단일의 크러시 로브(101)가 단일의 리세스(201) 내에 끼워맞춤될 수 있다. 예를 들면, 발포체 스테이지(20) 내의 리세스(201)는, 예를 들면, 1 내지 20 개의 크러시 로브(101)가 리세스(201) 내에 끼워맞춤될 수 있도록, 구체적으로 1 개 이상, 더 구체적으로 2 개 이상, 더 구체적으로 3 개 이상, 더 구체적으로 5 개 이상, 및 더 구체적으로 10 개 이상의 크러시 로브(101)가 리세스(201) 내에 끼워맞춤될 수 있도록, 크러시 로브(101)에 대해 상보적일 수 있고, 예를 들면, 순차적 크러시 로브에 대해 상보적일 수 있다. 크러시 로브(101)는 중공체 및/또는 중실체일 수 있다. 중공 크러시 로브(103)의 실시예는 도 2 및 도 3에 도시되어 있고, 여기서 중공 크러시 로브(103)는 크러시 로브(101)들 사이에 도시되어 있다. 중공 크러시 로브(103)는 양 측면 상의 크러시 로브(101)에 의해 포위될 수 있고, 선택적으로 중공 크러시 로브(103)는 중공 크러시 로브(103)의 완전한 압착을 허용할 수 있는 중공 크러시 로브(103)의 표면 내에 개구(104)를 포함할 수 있다. 개구(104)에 의해 중공 크러시 로브(103)는 내방으로 압착될 수 있고, 한편 크러시 로브(101)는 외방으로 압착될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 페이시아 측(40) 상에 제 1 표면(203)을 갖는 발포체 스테이지(20)는 본 명세서에서 설명하는 낮은 에너지 수준에서 그리고 또한 보행자와의 충돌 중에 에너지에 관여하여 흡수하도록 구성될 수 있고, 리세스(201)를 구비하는 제 2 표면은 열가소성 스테이지(10)로부터 돌출되는 크러시 로브(101)를 갖는 열가소성 스테이지(10)와 맞물리도록 구성될 수 있다.
발포체 스테이지(20)의 밀도는 제 1 표면(203)으로부터 제 1 표면(203)까지 변화될 수 있고, 또는 발포체 스테이지(20)의 전체를 통해 일정할 수 있다. 밀도가 변화되는 경우, 제 1 표면(203)은 제 2 표면(202)보다 낮은 밀도일 수 있고, 그 결과 충돌 시 다단계의 에너지 흡수를 가능하게 한다. 하나의 실시형태에서, 발포체 스테이지(20)는 폴리프로필렌/발포 폴리프로필렌/폴리스티렌/발포 폴리스티렌/폴리스티렌/발포 폴리에틸렌을 포함하는 코폴리머를 포함할 수 있다. 선택적으로, 발포 폴리스티렌은 (예를 들면, 75 % 내지 100 %의 독립 기포를 갖는) 독립 기포 발포체일 수 있다. 원하는 강성에 따라 열가소성 스테이지(10) 상에 제공되는 리브(102) 및/또는 측벽(110, 112)의 갯수 또는 두께 또는 양자 모두는 증대되거나 감소될 수 있다는 것이 또한 고려된다. 마찬가지로, 발포체 스테이지(20) 내의 리세스(201)의 깊이 및 열가소성 스테이지(10) 내의 크러시 로브(101)의 크기는 비용 및/또는 중량을 최적화하도록 튜닝될 수 있다.
다시 도 3, 4, 및 5를 참조하면, 발포체 스테이지(20) 및 열가소성 스테이지(10)를 포함하는 에너지 흡수 조립체(30)의 다양한 실예가 도시되어 있다. 도 3은 크러시 로브(101) 상에 끼워맞춤된, 그리고 열가소성 스테이지(10) 상에 사용 가능하게 배치된 발포체 스테이지(20)의 등각도를 도시한다. 도 3에는 또한 에너지 흡수 조립체(30)가 부착되는 범퍼 빔(60)이 도시되어 있다. 도 4는 이전에 설명한 바와 같이 발포체 스테이지(20)가 에너지 흡수 조립체(30)의 길이에 걸쳐 가변 두께를 가질 수 있는 에너지 흡수 조립체(30)의 예시를 도시한 것으로, 이것은 차량의 범퍼 빔(60)(도 3)의 길이에 걸치도록 구성될 수 있다. 도 5는 크러시 로브(101) 상의 발포체 스테이지(20)의 제 2 표면(202) 내의 리세스(201)의 상보적 특징을 도시하는 에너지 흡수 조립체(30)의 단면도를 도시한다.
도 7은 발포체 스테이지(20) 및 열가소성 스테이지(10)를 포함하는 에너지 흡수 조립체(30)를 갖는 범퍼 빔(60)을 구비하는 차량(70)을 도시한다. 페이시아(62)는 에너지 흡수 조립체(30)의 상측에 위치될 수 있다.
에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법은 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 형성하는 단계, 발포체 스테이지를 형성하는 단계, 프레임 및 상기 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 갖는 열가소성 스테이지를 형성하는 단계, 및 상기 에너지 흡수 조립체를 형성하기 위해 상기 리세스와 상기 크러시 로브를 맞물림시키는 단계를 포함할 수 있다.
이하의 비제한적 실시예를 통해 에너지 흡수체를 더 설명한다. 실시예의 모두는 구체적으로 다르게 언급되지 않는 한 시뮬레이션(simulation)임에 주의한다.
실시예
실시예 1:
발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체가 전술한 다양한 특성에 대해 시험되고, 도 6에 도시된 구조를 갖는 크러시 로브를 구비하는 모든 열가소성 에너지 흡수체와 비교된다. 발포체 스테이지는 30 g/리터의 밀도를 갖는 발포 폴리프로필렌을 포함하고, 한편 열가소성 스테이지는 폴리카보네이트와 폴리부틸렌 테레프탈레이트의 블렌드(SABIC Innovative Plastics로부터 상업적으로 구입할 수 있는 Xenoy*)을 포함한다. 에너지 흡수 조립체의 전체 치수는 1,200 mm의 길이, 120 mm의 높이, 및 85 mm의 깊이이다. Euro New Car Assessment Program(NCAP) 하퇴 충돌 시험 프로토콜에 따른 하퇴 충돌 시험에 의하면, 보행자는 충돌 시 무릎 관절의 연조직 부상 또는 인접하는 다리 뼈의 골절 부상을 당하는 것으로 시뮬레이션된다. 이러한 부상은 전형적으로 차량 대 보행자 충돌의 초기에 발생한다. 이 시험 장치는 무릎 관절을 포함하는 사람의 하퇴를 시뮬레이션한다. 충돌은 최대 40 kph의 속도에서 발생하고, 무릎의 관절의 평면에 수직하게 발생하고, 관절의 축선에 대해 직각으로 무릎 관절의 각운동이 측정되고, 회전 각도로 보고된다. 경골 감속도(즉, G-부하) 및 무릎 전단 변위가 또한 측정되어 보고된다. 일반적으로, 더 낮은 회전 각도, 더 낮은 부하, 및 더 높은 전단 변위는 더 높은 에너지 흡수 효율을 나타낸다.
도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체와 도 6에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수체가 설명된 하퇴 충돌 특성을 위해 시험되었다. 결과는 표 1 및 도 8에 도시되어 있고, 이것은 비교 샘플 1(C1, 이것은 도 6에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수체임) 및 샘플 1(이것은 도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체임)에 대한 가속도(지표면에서의 중력 가속도(g)) 대 시간(초)의 그래프(plot)이다. 샘플 1의 질량은 약 0.75 킬로그램(kg)이었고, 한편 비교 샘플 1의 질량은 약 1.1 kg이었다. 표 1에서, G-부하는 g로 측정되고, 회전은 각도로 측정되고, 그리고 전단(shear)은 mm로 측정된다. 시험은 Y=0에서 실행되었고, 여기서 Y는 충돌 위치를 말한다. 이 시험에서, 충돌 위치는 에너지 흡수 조립체의 중앙의, 예를 들면, 중공 크러시 로브(103)(예를 들면, 도 4 참조)에 위치한다. 에너지 흡수 조립체의 전체 길이는 대체로 1,000 미터(m)(예를 들면, Y=0의 양측으로 500 m)이다.
Y=0에서의 하퇴 충돌 G-부하(g) 회전(각도) 전단(mm)
샘플 1 152 14.9 2.4
C1 159.5 15.2 2.1
표 1에 표시된 바와 같이, 샘플 1은 C1(159.5 g)에 비해 더 낮은 감속도(G-부하)(152 g), C1(15.2)에 비해 의 더 낮은 회전 각도(14.9), 및 C1(2.1 mm)에 비해 의 더 높은 무릎 전단 변위(2.4 mm)를 보여준다. 도 8은 샘플 1이 C1보다 더 짧은 시간 내에 최대 G-부하를 경험하고, 샘플 1은 또한 C1보다 조기에 수평상태가 된 후 감소되기 시작한다. 이러한 결과는 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체가 전적으로 열가소성으로 제조된 에너지 흡수 구조보다 하퇴 충돌로부터 보행자를 보호하는데 효과적임을 보여준다.
실시예 2
에너지 흡수 조립체의 효율은 어떤 거리에 걸쳐 흡수되는 에너지의 양으로서, 또는 어떤 부하에 걸쳐 흡수되는 에너지의 양으로서 설명될 수 있다. 높은 효율의 에너지 흡수 조립체는 낮은 효율을 갖는 에너지 흡수 조립체보다 더 짧은 거리에 걸쳐 더 많은 양의 에너지를 흡수한다. 높은 효율은 보호 대상물(예를 들면, 보행자 다리, 자동차 레일, 등)의 부하 한계 직하까지 신속하게 부하를 증가시키고, 충돌 에너지가 소실될 때까지 그 부하를 일정하게 유지함으로써 달성될 수 있다.
효율은 FMVSS 표준에 따라 5 mph 장벽 충돌 시험으로 시험되고, 여기서 샘플 1은 1,600 킬로그램(kg) 차량에 설치되고, 비교 샘플 1과 비교된다. 결과는 표 2 및 도 9에 제공되어 있다. 표 2에서, 힘은 킬로뉴톤(kN)으로 측정되고, 변위(예를 들면, 타격, 침입) 및 빔의 배면 변위(BoB)는 mm로 측정된다. BoB는 일반적으로 범퍼 빔의 배면에서의 굴곡 양의 크기를 말한다.
5 mph에서의 장벽 충돌(FMVSS) 힘(kN) 변위(mm) BoB(mm)
샘플 1 93 103 13
C1 92 105 15
표 2는 거의 동일한 힘이 가해진 경우 샘플 1은 C1보다 낮은 변위(103 mm 대 105 mm) 및 C1보다 낮은 BoB 값(13 mm 대 15 mm)을 갖는다는 것을 보여준다. 도 9는 약 38 밀리초(ms)에서의 발포체 스테이지와 관련되는 샘플 1에 대한 약 80 kN의 제 1 단계 피크(peak)를 보여주고, 그 후 C1에 비해 더 짧은 타격 거리에 걸쳐 열가소성 스테이지에 의해 흡수되는 부하는 상승된다.
도 10은 단계 1의 보행자 충돌(120) 및 단계 2의 손상성(130)에 대해 도 3에 도시된 구조를 갖는 에너지 흡수 조립체를 위해 kN으로 측정된 힘 대 mm로 측정된 침입의 그래프이다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 50 mm 이하의 침입에서는 발포체 스테이지만이 관련된다. 50 mm를 초과하는 침입에서, 열가소성 스테이지가 관련되고, 그리고 차량 손상성에 영향을 준다.
하퇴 충돌 시험 및 장벽 충돌 시험의 양자의 결과는 에너지 흡수 조립체의 중량 감소가 달성될 수 있음을 나타낸다. 구체적으로, 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체를 사용하면, 도 6에 도시된 것과 같은 에너지 흡수 구조에 비해, 35 % 이하, 구체적으로 30 % 이하, 더 구체적으로 25 % 이하, 더 구체적으로 20% 이하의 중량의 감소가 달성될 수 있다. 열가소성 스테이지를 위한 재료와 도 6의 구조를 위한 재료가 동일한 경우, 이와 같은 중량의 감소는 도 6에 도시된 바와 같은 에너지 흡수체에 비해 발포체 스테이지 및 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 구조(예를 들면, 도 3에 도시된 것)의 경우 비용의 절약으로 이어질 수 있다.
하나의 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체는, 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지(foam stage)로서, 상기 제 2 표면은 리세스(recess)를 포함하는, 발포체 스테이지; 및 프레임 및 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지로서, 상기 크러시 로브(crush lobe)는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 열가소성 스테이지를 포함한다.
다른 실시형태에서, 에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법은, 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 형성하는 단계로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지를 형성하는 단계; 프레임 및 상기 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 갖는 열가소성 스테이지를 형성하는 단계; 및 상기 에너지 흡수 조립체를 형성하기 위해 상기 리세스와 상기 크러시 로브를 맞물림시키는 단계를 포함한다.
하나의 실시형태에서, 차량은, 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지; 및 프레임 및 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지로서, 상기 크러시 로브는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체; 상기 에너지 흡수 조립체의 상기 제 1 표면 상에 배치되는 페이시아(fascia); 및 범퍼 빔으로서, 상기 에너지 흡수 조립체의 상기 열가소성 스테이지가 상기 범퍼 빔에 부착되는, 범퍼 빔을 포함한다.
다양한 실시형태에서, (i) 발포체 스테이지는 폴리프로필렌, 발포 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 상기한 것의 임의의 코폴리머, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 발포체를 포함하고; 및/또는 (ii) 여기서 발포체 스테이지는 독립 기포 발포체를 포함하고; 및/또는 (iii) 발포체 스테이지는 가변 밀도를 갖고; 및/또는 (iv) 발포체 스테이지는 제 1 표면으로부터 제 2 표면을 향해 증가하는 밀도를 갖고, 여기서 발포체 스테이지는 제 2 표면으로부터 제 1 표면을 향해 증가하는 밀도를 갖고; 및/또는 (v) 열가소성 스테이지의 프레임은 종방향 측면들 사이에 배치되는 횡단 리브를 더 포함하고, 여기서 크러시 로브는 횡단 리브로부터 돌출되고; 및/또는 (vi) 횡단 리브는 삼각형, 트러스형, 톱니형, 파형, 2차 곡선형, 사다리꼴, 육각형, 오각형, 팔각형, 반원형, 사인곡선형, 층상, 절대치함수형(abs(sin)), 사이클로이드, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 형상을 포함하고; 및/또는 (vii) 크러시 로브는 프레임을 향하는 표면으로부터 발포체 스테이지를 향하는 표면을 향해 발산하는 원추형 구조물을 포함하고; 및/또는 (viii) 열가소성 스테이지의 프레임은 프레임의 에지의 주위에 배치되는 돌출하는 림을 갖는 플랜지형 프레임을 포함하고; 및/또는 (ix) 크러시 로브는 플랜지형 프레임으로부터 돌출한다.
본 명세서에 개시된 모든 범위는 종점(endpoint)을 포함하고, 이 종점은 독립적으로 상호 결합될 수 있다(예를 들면, "최대 25 중량%, 또는 더 구체적으로 5 중량% 내지 20 중량%"의 범위는 종점을 포함하고, 그리고 "5 중량% 내지 25 중량%"의 범위 내의 모든 중간 값들을 포함함). "조합물"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다. 더욱이, 본 명세서의 "제 1", "제 2" 등의 용어는 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 표시하지 않고, 하나의 요소를 다른 요소를 표시하기 위해 사용된다. 본 명세서에서 "하나의" 및 "상기"라는 용어는 양의 제한을 나타내지 않고, 본 명세서에서 다르게 표시되지 않는 한 또는 문맥에 의해 명확하게 반대되지 않는 한 단수형 또는 복수형의 양자 모두를 포함하도록 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용되는 접미어 "(들)"은 이것이 수식하는 용어의 단수형 및 복수형의 양자 모두를 포함하는 것이 의도되고, 그 결과 하나 이상의 그 용어를 포함한다(예를 들면, 필름(들)은 하나 이상의 필름을 포함한다). 명세서 전체를 통해 "하나의 실시형태", "다른 실시형태", "실시형태", 등에 대한 참조는 그 실시형태와 관련하여 설명되는 구체적인 요소(예를 들면, 기구, 구조 및/또는 특징)가 본 명세서에서 설명하는 적어도 하나의 실시형태에 포함되고, 다른 실시형태 내에 제시될 수 있거나 제시되지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 설명되는 요소는 다양한 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
특정 실시형태가 설명되었으나, 대안, 개조, 변경, 개량, 및 현재 예측되지 않거나 예측할 수 없는 실질적 등가가 출원인 또는 본 기술분야의 당업자에게 일어날 수 있다. 따라서, 출원되는 그리고 보정될 수 있는 첨부된 청구항은 이와 같은 대안, 개조, 변경, 개량, 및 실질적 등가의 모두를 포함하는 것이 의도된다.

Claims (16)

  1. 에너지 흡수 조립체로서,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지(foam stage)로서, 상기 제 제2 표면은 리세스(recess)를 포함하는, 발포체 스테이지; 및
    프레임 및 크러시 로브(crush lobe)를 포함하는 열가소성 스테이지를 포함하고;
    상기 크러시 로브는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 에너지 흡수 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발포체 스테이지는 폴리프로필렌, 발포 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 임의의 상기한 것의 코폴리머, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 발포체를 포함하는, 에너지 흡수 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발포체 스테이지는 독립 기포(closed-cell) 발포체를 포함하는, 에너지 흡수 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발포체 스테이지는 가변 밀도를 갖는, 에너지 흡수 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발포체 스테이지는 상기 제 1 표면으로부터 상기 제 2 표면을 향해 증가하는 밀도를 갖고, 또는 상기 발포체 스테이지는 상기 제 2 표면으로부터 상기 제 1 표면을 향해 증가하는 밀도를 갖는, 에너지 흡수 조립체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열가소성 스테이지의 프레임은 종방향 측면들 사이에 배치되는 횡단 리브(traverse rib)를 더 포함하고, 상기 크러시 로브는 상기 횡단 리브로부터 돌출하는, 에너지 흡수 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 횡단 리브는 삼각형, 트러스형, 톱니형, 파형, 2차 곡선형, 사다리꼴, 육각형, 오각형, 팔각형, 반원형, 사인곡선형, 층상, 절대치함수형(abs(sin)), 사이클로이드, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 형상을 포함하는, 에너지 흡수 조립체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크러시 로브는 상기 프레임을 향하는 표면으로부터 상기 발포체 스테이지를 향하는 표면을 향해 발산하는 원추형 구조물을 포함하는, 에너지 흡수 조립체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열가소성 스테이지의 프레임은 상기 프레임의 에지의 주위에 배치되는 돌출하는 림(rim)을 갖는 플랜지형 프레임을 포함하는, 에너지 흡수 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 크러시 로브는 상기 플랜지형 프레임으로부터 돌출하는, 에너지 흡수 조립체.
  11. 에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법으로서,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지를 형성하는 단계로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지를 형성하는 단계; 및
    프레임 및 상기 프레임으로부터 돌출하는 크러시 로브를 갖는 열가소성 스테이지를 형성하는 단계; 및
    상기 에너지 흡수 조립체를 형성하기 위해 상기 리세스 및 상기 크러시 로브를 맞물림시키는 단계를 포함하는, 에너지 흡수 조립체를 제조하는 방법.
  12. 차량으로서,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 발포체 스테이지로서, 상기 제 2 표면은 리세스를 포함하는, 발포체 스테이지; 및 프레임 및 크러시 로브를 포함하는 열가소성 스테이지로서, 상기 크러시 로브는 상기 열가소성 스테이지의 프레임으로부터 상기 리세스 내로 연장되는, 열가소성 스테이지를 포함하는 에너지 흡수 조립체;
    상기 에너지 흡수 조립체의 상기 제 1 표면 상에 배치되는 페이시아(fascia); 및
    범퍼 빔으로서, 상기 에너지 흡수 조립체의 상기 열가소성 스테이지가 상기 범퍼 빔에 부착되는, 범퍼 빔을 포함하는, 차량.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 조립체는 더 포함하고, 여기서 상기 발포체 스테이지는 폴리프로필렌, 발포 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 임의의 상기한 것의 코폴리머, 및 상기한 것 중 적어도 하나를 포함하는 조합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 발포체를 포함하는, 차량.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지는 독립 기포 발포체를 포함하는, 차량.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지는 가변 밀도를 갖는, 차량.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 흡수 조립체의 발포체 스테이지는 상기 제 1 표면으로부터 상기 제 2 표면을 향해 증가하는 밀도를 갖고, 또는 상기 발포체 스테이지는 상기 제 2 표면으로부터 상기 제 1 표면을 향해 증가하는 밀도를 갖는, 차량.
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