KR20160075693A - 충격 흡수 부품 - Google Patents

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Abstract

충격 하중이 부하되는 방향이 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이어도, 보다 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생하고, 또한 경량의 충격 흡수 부품을 제공한다. 본 발명에 따른 충격 흡수 부품은, 코어층(5)의 양측면에, 금속판으로 이루어지는 표층(3A, 3B)을 접합 적층하여 이루어지는 적층 금속판(1)을 성형한 부재로 구성되어 있다. 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판(1)의 중심층의 변형률을 제어함으로써, 충격 하중의 부하 방향에 상관없이, 작은 파장으로 변형되기 때문에, 본 발명의 충격 흡수 부품은, 보다 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 가능해진다.

Description

충격 흡수 부품{SHOCK-ABSORBING PART}
본 발명은 자동차 등의 수송 기관에 사용되는 충격 흡수 부품에 관한 것이다.
수송 기관의 안전 기준은 해마다 높아지고 있고, 충돌 시에, 수송 기관의 기능을 손상시켜도, 캐빈의 탑승원을 지키는 것이 중요해지고 있다. 이 때문에, 캐빈 주위의 프레임에는, 충돌 시의 에너지를 흡수하여, 캐빈 내에 전해지는 충격을 완화시킬 목적으로, 고강도 강판의 적용이 진행하여, 충돌 안전성의 향상이 도모되고 있다.
또한, 최근 들어, 충돌 안전성 뿐만 아니라, 충돌 후의 보수성을 고려하여, 크래쉬 박스와 같은 교환 가능한 충격 흡수 부품으로 충격을 흡수시키는 차종이 증대하고 있다. 당해 충격 흡수 부품은, 캐빈의 전방면 및 후방면에 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향이 자동차의 길이 방향이 되도록 장착되고, 충돌 시에 충격 흡수 방향에 대하여 벨로즈 형상으로 압궤 변형됨으로써 충격 에너지를 흡수한다. 또한, 상기 충격 흡수 부품의 형상은, 차종에 따라 약간 상이하지만 설치 스페이스에 따른 제약이 있다.
여기서, 벨로즈 형상의 압궤 변형이란, 도 1의 (가)∼(마)에 도시한 바와 같이, 어떤 좌굴 파장 H로 형성되는 좌굴 주름 bw가 절첩되는 변형을 반복함으로써 벨로즈 형상으로 압궤 변형되는 것이다. 이 변형 이외에, 부품 전체에서 절곡되는 불안정적인 변형이 발생되는 경우가 있는데, 이러한 변형으로는, 충분히 충격 에너지를 흡수할 수 없다는 것이 밝혀져 있다.
또한, 자동차의 충돌은 반드시 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향과 평행인 것은 아니기 때문에, 충격 흡수 방향과 교차하는 방향(예를 들어, 충격 흡수 방향과의 교차 각도가 10도인 경사 방향)으로부터 충격 하중이 부하되는 경우에 있어서도, 충격 에너지를 흡수할 필요가 있다.
이상으로부터, 충격 흡수 부품에 요구되는 것은, 경충돌 시(예를 들어, 15km/h 시의 충돌)의 충격 에너지를 모두 흡수하고, 다른 부재의 손상을 억제한다는 관점에서, 충격 하중이 부하되는 방향에 상관없이, 확실하고 또한 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생하는 것이다. 또한, 연비 향상의 관점에서, 부재의 경량화도 매우 중요한 과제이다.
종래, 충격 흡수 부품이 보다 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형을 하기 위해서, 충격 흡수 부품의 재료 및 형상 파라미터를 엄밀하게 제어하는 대처가 이루어져 있다.
예를 들어, 비특허문헌 1에서는, 축방향의 압축 하중을 받는 얇은 원통 부재의 압궤 거동은, 재료의 항복 응력 σy와 종탄성 계수(영률 E)의 비 σy/E에 지배되어, σy/E가 작은 경우에는, 축대칭의 좌굴 모드가 발생하기 쉽고, 큰 경우에는, 비축대칭의 좌굴 모드가 발생하는 것이 보고되어 있다.
마찬가지로, 비특허문헌 2에서는, 얇은 원통 부재의 압궤 거동은, 부재의 직경 d와 판 두께 t의 비 d/t에 따라 압궤 모드가 변화하는 것이 보고되어 있다.
또한, 특허문헌 1에서는, 단면 형상이 사각형 이상의 다각형 단면을 갖는 충격 흡수 부품의 판 두께 t와 단면의 둘레 길이 M의 비 t/M을 0.0025 이상으로 제어함으로써, 충격 흡수 부품을 벨로즈 형상으로 압궤 변형시키는 대처가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 단면 형상이 다각형인 충격 흡수 부품의 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비를 2.3 이하로 제어함으로써, 충격 흡수 부품을 벨로즈 형상으로 압궤 변형시키는 대처가 개시되어 있다.
상기 충격 흡수 부품의 재료 및 형상 파라미터를 엄밀하게 제어하는 대처는, 일반적인 금속 재료를 포함하는 충격 흡수 부품을 벨로즈 형상으로 압궤 변형시키는 것에 대해서 유용한 지견이다. 한편, 코어층의 양측면에 금속판으로 이루어지는 표층을 접합 적층하여 이루어지는 적층 금속판으로 구성되는 충격 흡수 부품의 경우, 상술한 재료 및 형상 파라미터를 제어하는 것만으로는, 중량이 금속판과 비교하여 경량이며, 또한 작은 좌굴 파장으로 변형되는 적층 금속판의 특징을 최대한 활용한 충격 흡수 부품을 제공하는 것은 곤란하다.
적층 금속판으로 구성되는 충격 흡수 부품에 대해서는, 표층의 금속판의 영률과 코어층의 영률의 비를 제어함으로써, 작은 좌굴 파장으로 벨로즈 형상으로 압궤 변형시키는 것이 보고되고 있고, 이 변형의 메커니즘은 이하와 같다.
적층 금속판은, 코어층이 양면의 금속판을 접합 구속하고 있기 때문에, 탄성 스프링(11)으로 서로를 구속한 2매의 금속판(12, 12)으로서 모델화할 수 있다(도 2의 (가)). 금속판(12)의 변형 자유도에 차이가 있지만, 이 2매의 금속판(12, 12)의 압궤 변형 모드는, 탄성 바닥(13) 상의 금속판(12)의 압궤 변형 모드(도 2의 (나))와 등가이다. 탄성 바닥(13)이 구속 탄성 스프링에 상당한다. 탄성 스프링(11)으로 구속한 2매의 금속판(12, 12)(도 2의 (가))에서는 금속판(12) 양쪽이 비고정, 탄성 바닥(13) 상의 금속판(12)(도 2의 (나))에서는 1매의 금속판(12)만이 비고정이다. 이 때문에, 탄성 스프링(11)으로 구속한 2매의 금속판(12, 12)을 압궤 변형시킨 경우의 탄성 스프링(11)의 변형은 전단 변형에 상당하고, 탄성 바닥(13) 상의 금속판(12)을 압궤 변형시킨 경우의 탄성 스프링(11)의 변형은 신장 변형에 상당한다. 그러나, 양쪽 모두 압궤 에너지를 탄성체의 변형과 금속판의 변형으로 흡수한다. 또한, 변형 시에는, 변형 에너지의 총합이 최소가 되는 변형이 된다. 여기서, 표층의 금속판(12)은 직선부와 동등한 좌굴 파장 H1(도 2의 (다))으로 변형되었을 때, 에너지 ef가 최소가 된다. 한편, 탄성 바닥의 변형은, 신장을 최대한 작게 한 쪽이 에너지를 작게 할 수 있다. 이 결과, 도 2의 (라)에 도시하는 바와 같이 작은 좌굴 파장 H2로 변형되었을 때에, 에너지 ec가 최소가 된다. 따라서, 탄성 바닥 상의 판의 좌굴 파장은, ec, ef의 크기의 밸런스로 결정되고, H1보다 작고, 또한 H2보다도 큰 값이 된다(도 2의 (다)(라)).
적층 금속판도 동일한 원리에 의해, 작은 좌굴 파장으로 압궤 변형된다. 즉, 큰 좌굴 파장으로 변형된 경우에 변형 에너지가 작아지는 표층과, 작은 좌굴 파장으로 변형된 경우에 변형 에너지가 작아지는 코어층의 변형 에너지의 대소 관계에서 밸런스를 이루고, 또한, 양쪽의 변형 에너지의 합이 최소가 되는 좌굴 파장으로 변형된다. 작은 좌굴 파장으로 변형된 경우에 변형 에너지가 작아지는 코어층의 변형 기여가 있기 때문에, 단일 재료로 구성된 충격 흡수 부품과 비교하여, 적층 금속판으로 구성된 충격 흡수 부품은, 작은 파장으로 압궤 변형되는 것이 가능해진다. 그러나, 코어층의 영률이 높고, 또한 접합재에 납재와 같은 변형되기 어려운 재료를 사용한 적층 금속판에서는, 코어층이 거의 변형되지 않게 되어, 작은 좌굴 파장으로 변형되기 어려워지기 때문에, 충격 흡수 부품은, 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 얻어지지 않을 가능성이 있다.
또한, 특허문헌 3에서는, 내부를 향하여 오목해진 홈부를 갖는 다각형 폐단면으로 구성하고, 또한, 단면의 일부에 굽힘 모멘트에 차를 설정한 충격 흡수 부품이 개시되어 있다. 이러한 복잡한 단면 형상으로 함으로써, 좌굴 파장을 작게 하여, 경사 방향으로부터의 충돌에 대해서도 안정적인 벨로즈 형상의 압궤 변형이 얻어져서, 충분한 충격 에너지 흡수가 가능하게 되는 것이 나타나 있다. 그러나, 상기 대처는, 금속판을 대상으로 하고 있고, 적층 금속판으로 동일한 복잡한 형상으로 할 경우, 성형 시에 표층의 파단 등의 성형 불량이 발생하여, 원하는 형상이 얻어지지 않을 가능성이 높다.
이상과 같이, 종래, 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이어도, 벨로즈 형상으로 압궤 변형시키기 위해서, 충격 흡수 부품의 재료 및 형상 파라미터를 제어하고 있지만, 경량의 재료로 구성되고, 또한, 보다 안정적으로 벨로즈 형상으로 압궤 변형시킴으로써, 수송 기관의 연비 향상과 충분한 충격 에너지 흡수량의 확보를 양립할 정도까지는 이르지 않았다.
일본 특허 공개 평9-277953호 공보 일본 특허 공개 제2011-218935호 공보 일본 특허 공개 제2006-207724호 공보
M&M 재료 역학 컨퍼런스 2008, "OS0905-1"-"OS0905-2" 일반 사단법인 일본 기계 학회 간사이 지부 강연회 강연 논문집 2005(80)
본 발명의 목적은, 충격 하중이 부하되는 방향이 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이어도, 더욱 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생하고, 또한 경량의 충격 흡수 부품을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 적층 금속판으로 이루어지는 충격 흡수 부품에 관하여 보다 상세하게 연구한 결과, 코어층의 영률이 높고, 또한 접합재에 납재와 같은 변형되기 어려운 재료를 사용한 적층 금속판에서는, 코어층이 거의 변형되지 않게 되어, 작은 좌굴 파장으로 변형되기 어려워지기 때문에, 하중이 부하되는 방향에 따라, 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 얻어지지 않을 가능성이 있는 것을 발견하였다.
당해 과제에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과, 적층 금속판을 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 압궤 변형시키기 위해서는, 접합층의 변형 특성도 중요한 인자인 것으로부터, 코어층과 접합층을 포함하는 층의 변형을 엄밀하게 제어해야 한다는 결론에 이르렀다.
상술한 적층 금속판 특유의 과제를 해결하여, 충격 하중이 부하되는 방향이 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이어도, 보다 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생하고, 또한 경량의 충격 흡수 부품을 제공하는 수단으로서, 이하의 항목을 알아냈다.
(1) 부품의 충격 흡수 방향의 한쪽 단부에 충격 하중이 부하된 때에, 충격 에너지를 흡수하는 충격 흡수 부품으로서, 코어층의 양면에 금속판으로 이루어지는 표층이 접합 적층된 적층 금속판을 성형 가공하여 구성되고, 상기 적층 금속판은, 표층을 제외한 중심층의, 상기 적층 금속판의 구성으로부터 산출할 수 있는 계산 강성에 대한 실험으로 측정한 굽힘 강성의 감소율인 변형률이 7.0％ 이상 75.0％ 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
(2) 상기 표층은 상기 코어층보다 영률이 큰 금속판으로 이루어지고, 상기 표층의 판 두께 tf와, 상기 코어층의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf가 2.0 이상 7.0 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(3) 상기 표층은 상기 코어층보다 영률이 큰 금속판으로 이루어지고, 상기 표층의 판 두께 tf와, 상기 코어층의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf가 3.5 이상 5.0 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(4) 상기 표층의 영률 Ef와, 상기 코어층의 영률 Ec의 영률비 Ef/Ec가 1×10-3 이상 1×10-1 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(5) 상기 중심층의 변형률이 7.0％ 이상 50.0％ 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(6) 충격 흡수 방향에 수직한 임의의 단면의 형상이, 최소 곡률 반경이 7.0mm 이상인 곡선부를 갖고, 그 단면의 둘레 길이 중 상기 곡선부가 30.0％ 이상이며,
또한, 상기 단면의 형상이, 폐쇄 구조, 또는 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만의 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(7) 충격 흡수 방향에 수직한 단면에, 곡률 반경이 7.0mm 이상 15mm 이하인 곡선으로 구성되는, 상기 단면의 중심측에 오목하게 들어간 곡선부인 홈부를 4개 이상 갖는 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(8) 상기 표층의 항복 응력은, 100MPa 이상 1000MPa 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(9) 상기 코어층의 밀도 ρc는, 표층의 밀도 ρf에 대하여 ρc/ρf가 1/300 이상 1/2 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
(10) 상기 적층 금속판은, 상기 표층 및 상기 코어층의 사이에 접합층을 더 구비하고, 상기 접합층의 전단 탄성률이 50MPa 이상 500MPa 이하인 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 충격 흡수 부품.
본 발명에 따르면, 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이어도, 더욱 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생하고, 또한 경량의 충격 흡수 부품을 제공할 수 있다. 이 결과, 본 발명의 충격 흡수 부품을 사용하면, 정면뿐만 아니라 경사 방향으로부터의 충돌에 대해서도 벨로즈 형상으로 압궤 변형되어, 충격 에너지를 흡수할 수 있다. 또한, 경량재로 구성되므로 부품 자체도 경량화할 수 있다. 이 결과, 연비 향상에도 유효하다.
본 발명의 충격 흡수 부품은, 상기 효과를 발현할 수 있으므로, 보통 승용차 뿐만 아니라, 경자동차부터 트럭, 버스 등의 대형차에 이르는 자동차 전반, 전철 등의 수송 기관의 충격 흡수 부품으로서 적절하게 사용하는 것이 가능하다.
도 1은 충격 흡수 방향으로 충격 하중을 부하한 경우의 대표적인 변형 거동을 도시하는 모식도이며, (가)∼(라)는 변형 과정, (마)는 변형 후의 사진을 나타낸다.
도 2는 적층 금속판의 압궤 변형 시의 표층 및 코어층의 변형 거동을 도시하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 4는 개구부를 갖는 충격 흡수 부품의 압궤 거동의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 7은 일부 개구부를 갖는 충격 흡수 부품의 모식도이다.
도 8은 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 9는 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 10은 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 11은 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 12는 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 13은 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 14는 비교예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 15는 비교예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 16은 실시예에서 사용한 적층 강판과 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 17은 비교예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 18은 비교예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 19는 실시예에서 사용한 충격 흡수 부품의 단면의 중심선의 형상을 도시하는 모식도이다.
도 20은 충격 흡수 부품에 경사 하중을 부하하는 시험 방법을 도시하는 모식도이다.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 관한 충격 흡수 부품의 형상을 도시한 설명도이다.
도 22는 실시예 24, 비교예 14 및 15에 있어서, Ec/Ef에 대한 평균 좌굴 파장을 도시한 그래프도이다.
도 23은 충격 흡수 부품의 형상에 대한 평균 좌굴 파장을 도시한 그래프도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.
본 발명의 충격 흡수 부품은, 충격 흡수 방향의 한쪽 단부에 충격 하중이 부하된 때에, 충격 에너지를 흡수하는 충격 흡수 부품이다.
또한, 본 발명의 충격 흡수 부품은, 충격 흡수 방향과 교차하는 방향으로부터 충격 하중이 부하된 경우에도, 보다 안정적으로 벨로즈 형상으로 압궤 변형됨으로써, 충격 에너지를 흡수할 수 있다. 여기서, 본 발명에 있어서, 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이란, 충격 흡수 방향과의 교차 각도가 0° 이상 60° 미만이고, 0° 초과 60° 미만의 방향을 경사 방향, 이 방향으로부터 가해지는 충격 하중을 경사 하중으로 한다. 60° 이상의 경우, 충격 하중에 의한 그 부품의 변형 모드는, 압궤 변형이 아니라 횡하중(충격 흡수 방향과 직각의 하중)에 의한 부품 전체가 절곡되는 변형 모드가 주가 되는 경우가 많다. 바람직하게는, 충격 하중의 입력 방향이, 45° 이하, 보다 바람직하게는 30° 이하로 되도록 설치하는 것이다. 그것에 의하여, 벨로즈 형상으로 압궤 변형하는 모드가 차지하는 비율이 보다 커져서, 한층 효율적으로 충격 에너지를 흡수할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 상기에서 설명한 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품의 구성에 대하여 설명을 행한다. 도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품의 구성을 도시하는 설명도이다.
(적층 금속판의 구성)
처음에, 도 3을 참조하여 본 발명의 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판에 대하여 설명한다.
본 발명의 적층 금속판은, 코어층의 양측면에 금속판으로 이루어지는 표층을 접합재로 접합 적층하여 이루어지는 판이다. 여기서, 적층 금속판의 코어층이란, 표층 금속판보다 낮은 밀도를 갖는 판상층이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판(1)은 접합층(7A 및 7B), 및 금속판으로 이루어지는 표층(3A 및 3B)이, 코어층(5)의 양면에 적층 접합된 적층 금속판이다. 단, 코어층(5)의 영률은 표층(3A 및 3B)의 영률보다도 작다.
표층(3A 및 3B)은, 코어층(5)보다 영률이 큰 금속판이면 되고, 항복 응력이 100MPa 이상 1000MPa 이하인 금속판이 바람직하고, 발현시키고자 하는 충격 에너지 흡수량에 따라 적절히 선택하면 된다. 표층의 항복 응력이 100MPa보다 작은 경우, 충분한 충격 에너지 흡수량을 확보하기 위해서는, 표층의 두께를 증대시키거나 또는 충격 흡수 부품의 단면의 둘레 길이를 증대시켜야만 하여, 양쪽 모두 충격 흡수 부품의 중량 증가가 문제로 된다. 또한, 표층의 항복 응력이 1000MPa보다 큰 금속판은, 일반적으로 두꺼운 금속판이 대상으로 되기 때문에, 중량 증가가 문제로 된다. 따라서, 충격 흡수 부품의 경량화 효과를 대폭으로 높여서, 종래품보다 경량의 충격 흡수 부재를 제공하기 위해서는, 표층의 항복 응력이 100MPa 이상 1000MPa 이하의 금속판인 것이 바람직하다. 또한, 경충돌 시의 충격 에너지를 모두 충격 흡수 부품만으로 흡수하고, 다른 접속 부재의 손상을 억제할 목적으로 사용하는 경우에는, 충격 흡수 부품의 변형 저항력을 접속 부재의 저항력 미만으로 할 필요가 있기 때문에, 표층의 항복 응력이 100MPa 이상 590MPa 이하인 것이 보다 바람직하다. 표층(3A 및 3B)을 실현하는 재료로서는, 구체적으로는, 탄소강, 알루미늄 합금, 순티타늄, 티타늄 합금, 마그네슘 합금 등을 사용할 수 있다. 또한, 적층 금속판(1)의 제조 비용의 면으로부터, 표층(3A 및 3B)은, 탄소강, 알루미늄 합금 등인 것이 보다 바람직하다. 또한, 표층(3A 및 3B)은, 내부식성을 확보하기 위해서 각종 도금 처리(예를 들어, 아연 도금, 합금 도금)가 실시되어도 되고, 크로메이트 처리, 인산염 처리, 유기 수지 처리 등의 공지된 표면 처리가 실시되어도 된다.
또한, 표층(3A 및 3B)의 판 두께는, 바람직하게는 0.2mm 이상이다. 표층(3A 및 3B)의 판 두께가 0.2mm 미만인 경우, 충격 흡수 부품을 제조할 때의 굽힘 가공 시에, 표층(3A 및 3B)의 파단이 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 표층(3A 및 3B)의 판 두께가 2.0mm를 초과하는 경우, 적층 금속판(1)의 총 판 두께가 두꺼워져, 질량이 증가해버리기 때문에, 충격 흡수 부품의 경량화의 관점에서는, 표층(3A 및 3B)의 판 두께는 2.0mm 이하인 것이 바람직하다.
코어층(5)은 표층(3A 및 3B)보다 영률이 작은 재료이기만 하면 특별히 한정되지 않고 공지된 재료를 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 코어층(5)을 실현하는 재료로서는, 구체적으로는, 알루미늄 합금, 티타늄, 구리 등의 금속 재료, 세라믹스, 수지, 섬유 강화 수지, 종이 등의 비금속 재료, 및 이들의 조합 복합화한 복합 재료를 들 수 있다. 복합 재료의 예로서는, 하니컴 구조체의 공공에 발포 수지를 충전한 복합 재료, 수지 시트와, 망상 구조체를 순차 적층한 복합 재료 등을 들 수 있다.
또한, 적층 금속판으로 이루어지는 충격 흡수 부품을 장착한 자동차 등의 연비 효율의 확보를 위해서는, 적층 금속판은 보다 경량인 것이 바람직하다. 이러한 경량화된 적층 금속판을 구성하기 위해서 바람직한 코어층으로서는, 전술한 금속 재료, Fe 합금, 및 스테인리스강 등에 공극을 갖는 공지된 구조를 부여한 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 공극을 갖는 공지된 구조란, 예를 들어, 망상 구조, 하니컴 구조, 익스팬드, 펀칭 등의 구멍을 형성한 구조, 물결형 구조체, 코러게이트 구조, 롤 구조, 발포 구조 등이다. 특히, 금망, 익스팬드 메탈, 펀칭 메탈 등의 범용성 재료는, 용이하게 제조 가능하기 때문에 더 바람직하다. 이러한 구조체의 경우, 코어층의 밀도(ρc)를 목적에 따라서 용이하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 펀칭 메탈의 밀도는, 개공률이 50％가 되도록 강판에 복수의 구멍을 형성함으로써 강판의 밀도의 절반으로 제어하는 것이 가능하다.
또한, 코어층의 밀도(ρc)는 표층의 밀도(ρf) 이하이면 되지만, ρc/ρf는 1/300 이상 1/2 이하가 바람직하다. ρc/ρf>1/2의 경우, 일반적인 금속판과의 중량 차이가 작아지기 때문에, 당해 적층 금속판으로 이루어지는 충격 흡수 부품에 의한 중량 삭감 효과가 작아져, 대폭적인 연비 개선 효과는 얻어지지 않을 가능성이 있다.
ρc/ρf가 1/300보다 작은 코어층으로서, 수지 등의 경량 재료이고 또한 매우 많은 공기층을 갖는 발포체(예를 들어 50배 발포 폴리스티렌)를 들 수 있다. 그 코어층은, 강성이 매우 작은 공기층을 많이 포함하기 때문에, 적층 금속판의 강성이 작아져, 충격 흡수 부품으로서 충분한 충격 에너지 흡수량이 얻어지지 않을 가능성이 있다. 따라서, 경충돌 이상의 심한 충돌 시에도 충분한 충격 에너지 흡수량을 확보하고, 경량화 효과를 높이기 위해서는, ρc/ρf는 1/300 이상 1/2 이하가 바람직하다.
또한, ρc/ρf가 1/20 이상 1/2 이하의 범위로부터 재료를 선택하면, 원료를 입수하기 쉽고, 적층 금속판의 제조 비용을 싸게 할 수 있기 때문에, 더 바람직하다. 예를 들어, ρc/ρf가 1/20 이상 1/2 이하의 범위의 재료로서, 표층에 강판, 코어층에 금망 등의 금속 구조체, 또는, 표층에 Al판, 코어층에 수지 등을 들 수 있다.
여기서, 적층 금속판(1)에 있어서, 표층(3A 및 3B)의 판 두께 tf와, 코어층(5)의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf는, 2.0 이상 7.0 이하이다. 후술하는 실시예에서 실증되는 바와 같이, 적층 금속판(1)의 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 판 두께비 tc/tf가 이 범위의 값으로 되는 경우에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품은, 좌굴 파장을 작게 할 수 있다.
구체적으로는, 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 판 두께비 tc/tf가 2.0 미만인 경우, 축압궤 변형 시의 변형 에너지에 있어서의 코어층(5)의 변형 에너지의 기여가 작아지기 때문에, 좌굴 파장을 작게 할 수 없다. 또한, 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 판 두께비 tc/tf가 7.0을 초과하는 경우, 표층(3A 및 3B)에 비하여 코어층(5)이 매우 두꺼워지기 때문에, 표층(3A 및 3B)과, 적층 금속판(1) 사이에서 강성에 큰 괴리가 발생한다. 그로 인해, 충격 흡수 부품은, 접합층(7A 및 7B)이 파괴되어, 안정적으로 벨로즈 형상의 축압궤 변형을 할 수 없을 가능성이 있다.
또한, 적층 금속판(1)에 있어서, 표층(3A 및 3B)의 판 두께 tf와, 코어층(5)의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf는, 바람직하게는, 3.5 이상 5.0 이하여도 된다. 적층 금속판의 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 판 두께비 tc/tf가 이 범위의 값으로 되는 경우에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품은, 좌굴 파장을 보다 작게 하여, 안정적으로 벨로즈 형상의 축압궤 변형을 일으킬 수 있게 된다. 구체적으로는, 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 판 두께비 tc/tf가 3.5 이상 5.0 이하인 경우, 축압궤 변형 시의 코어층(5)의 변형 에너지와, 표층(3A 및 3B)의 변형 에너지의 밸런스가 바람직하게 되기 때문에, 좌굴 파장을 더욱 작게 할 수 있다.
또한, 적층 금속판(1)에 있어서, 표층(3A 및 3B)의 영률 Ef와, 코어층(5)의 영률 Ec의 영률비 Ec/Ef는, 1×10-3 이상 1×10-1 이하여도 된다. 적층 금속판의 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 영률비 Ec/Ef가 이 범위의 값으로 되는 경우에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품은, 충격 에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 적층 금속판의 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 영률비 Ec/Ef가 1×10-3 미만인 경우, 적층 금속판(1)은 충격 흡수 부품의 좌굴 파장을 작게 할 수는 있지만, Ec의 저하에 의해 좌굴 변형 시의 평균 하중 W를 저하시키고, 충격 에너지의 흡수 효율을 저하시켜버리기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 적층 금속판의 표층(3A 및 3B)과 코어층(5)의 영률비 Ec/Ef가 1×10-1을 초과하는 경우, 코어층(5)의 영률 Ec가 커서, 전단 변형되기 어려워진다. 그 때문에, 축압궤 변형 시의 거동이 단일 재료의 금속판과 가까워져서, 좌굴 파장을 작게 할 수 없게 되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 표층(3A 및 3B), 코어층(5)의 영률에 대해서는, 예를 들어, ASTM-D638에 준거한 인장 시험 등으로 측정하는 것이 가능하다.
접합층(7A 및 7B)은 공지된 접합재에 의해 형성된다. 예를 들어, 접합층(7A 및 7B)은, 접착제, 도전성 접착제, 납재 등으로 형성되어도 된다. 접착제로서는, 예를 들어, 에폭시계 접착제, 아크릴계 접착제, 및 우레탄계 접착제 등을 사용할 수 있고, 도전성 접착제로서는, 전술한 접착제에 알루미늄, 니켈, 철 등의 금속 분말을 소정량 첨가한 것을 사용할 수 있다. 또한, 납재로서는, 납, 주석, 안티몬, 카드뮴, 아연 등이 합금을 포함하는 연질납(땜납), Ni-Cr계 납재, 구리납, 금납, 팔라듐납, 은납, 알루미늄납 등의 경질납을 사용할 수 있다.
이들 중, 코어층(5)이 도전 재료일 경우, 접합층(7A 및 7B)은, 도전성 접착제 또는 납재로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 적층 금속판(1) 전체가 도전성이 되기 때문에, 용접성을 확보할 수 있어, 용접 등의 방법으로 적층 금속판(1)을 접합하는 것이 가능해진다.
또한, 접합층(7A 및 7B)은, 코어층(5)과 접합층(7A 및 7B)을 포함하는 층의 전단 변형을 제어하기 위해서, 전단 탄성률이 50MPa 이상 500MPa 이하인 것이 바람직하다. 접합층(7A 및 7B)의 전단 탄성률이 50MPa 미만인 경우, 접합층(7A 및 7B)이 과잉으로 전단 변형됨으로써, 표층(3A 및 3B)이 서로 독립하여 변형될 가능성이 있어, 안정된 좌굴 변형이 발생되기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 접합층(7A 및 7B)의 전단 탄성률이 500MPa를 초과하는 경우, 코어층(5)과 접합층(7A 및 7B)을 포함하는 층의 전단 변형이 발생되기 어려워지기 때문에, 좌굴 파장이 커질 가능성이 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 전단 탄성률에 대해서는, JIS-K6850에 준거한 인장 전단 시험에 의해 측정할 수 있다.
전단 탄성률이 500MPa보다 큰 접합재로서, 납재를 들 수 있다. 납재의 경우, 가열하여 납재를 용융시킬 필요가 있기 때문에, 접합 가능한 코어층은, 납재 이상의 융점을 갖는 금속 재료 및 금속 재료에 구조를 부여한 구조체가 대상으로 된다. 그 코어층은, 수지 등의 비금속 재료와 비교하여 전단 변형되기 어려운 재료이기 때문에, 상술한 바와 같이, 납재를 사용한 적층 금속판은, 금속판과 동일한 큰 좌굴 파장으로 변형될 우려가 있다. 또한, 전단 탄성률이 50MPa보다 작은 접합재를 사용한 적층 금속판에서는, 접합층이 과잉으로 전단 변형되고, 표층 금속판이 각각 독립하여 변형된다. 이 결과, 코어층에서 사용하는 재료에 따라서는, 금속판과 동일한 큰 좌굴 파장으로 변형될 가능성이 있다. 따라서, 적층 금속판이 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 변형되기 위해서는, 접합재의 전단 탄성률이 50MPa 이상 500MPa 이하인 것이 바람직하다.
또한, 접합재의 전단 탄성률이 100MPa 이상 300MPa 이하이면 접합층이 적절하게 전단 변형될 수 있어, 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 적층 금속판을 변형시키는 것이 가능해진다. 전단 탄성률이 100MPa 이상 300MPa 이하인 접합재로서, 구체적으로는, 에폭시계의 접착제, 아크릴계 접착제, 우레탄계 접착제를 들 수 있다.
또한, 코어층이 도전 재료일 경우, 적층 금속판의 용접성을 확보하는 관점에서, 접합재가 도전성 접착제인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 후술하는 접착제에, 알루미늄분, 니켈분이나 철분 등의 금속분을 소정량 첨가한 것 등을 들 수 있다. 또한, 안정적으로 용접을 할 수 있도록, 도전성 접착제의 전기 저항률은, 1.0×10-4Ω·cm 이상 1.0×10-3Ω·cm 이하인 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판(1)에 대하여 설명을 행하였다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판(1)은 공지된 적층 방법을 적용하여 제조하는 것이 가능한데, 구체적으로는, 이하의 제조 방법으로 제조할 수 있다.
(적층 금속판의 제조 방법)
코어층(5)의 양면에 접합재(예를 들어, 접착제 등)를 도포하고, 표층(3B), 코어층(5), 표층(3A)의 순서로 적층하고, 상온에서, 또는 가열하면서 가압함으로써 적층 금속판(1)을 얻는다. 또한, 표층(3A 및 3B)의 편면에 접합재를 도포하고, 접합재를 도포한 면끼리 사이에 코어층(5)을 끼워 넣어서 적층하고, 상온에서, 또는 가열하면서 가압하는 것에 의해서도 적층 금속판(1)을 얻는 것이 가능하다.
이하에, 전술한 적층 금속판으로 충격 흡수 부품을 제작한 경우의 효과에 대하여 설명한다.
적층 금속판은, 표층보다도 작은 밀도를 갖는 코어층을 적층하고 있기 때문에, 적층 금속판의 총 두께와 동등한 판 두께의 금속판과 비교한 경우, 중량이 작다. 따라서, 그 적층 금속판으로 구성된 충격 흡수 부품은, 금속판으로 구성된 충격 흡수 부품에 비하여 대폭적인 경량화가 도모된다. 또한, 충격 흡수 부품에 충격 하중이 부하된 경우의 변형은 전술한 바와 같이, 형성된 좌굴 주름이 절첩되는 변형이다. 이러한 변형에서는, 변형 시의 저항력(강성, 강도)이 총 두께의 2승, 또는 3승에 비례하는 굽힘 변형이 주체가 되기 때문에, 중량 증가를 억제하면서, 총 두께를 증대할 수 있는 적층 금속판으로 이루어지는 충격 흡수 부품은, 중량이 동등한 금속판과 비교하면, 충격 에너지 흡수량의 향상이 가능해진다.
(적층 금속판의 중심층의 변형률)
이어서, 본 발명의 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판의 중심층의 변형률에 대하여 설명한다.
충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판의 중심층의 변형률은 7.0％ 이상 75.0％ 이하이다. 여기서, 적층 금속판의 중심층이란, 적층 금속판의 표층을 제외한 층이며, 구체적으로는 코어층과 접합층을 포함하는 층이다. 또한, 적층 금속판의 중심층의 변형률이란, 압궤 변형 시에 중심층이 전단 변형되는 지표이며, 구체적으로는, 적층 금속판의 구성으로부터 산출할 수 있는 계산 강성(Dcal)으로부터 실험으로부터 측정한 굽힘 강성(Dexp: 이후, 실측 강성이라고 칭한다)의 감소율이다.
(적층 금속판의 중심층의 변형률)=100×(Dcal-Dexp)/Dcal
이하에, 적층 금속판의 중심층의 변형률을 7.0％ 이상 75.0％ 이하로 제어 해야 할 이유에 대하여 설명한다.
압궤 변형 시에는, 접합층도 크게 변형되기 때문에, 코어층과 접합층 양쪽의 전단 변형을 제어하는 것이 중요하다. 한편, 전술한 바와 같이, 적층 금속판으로 이루어지는 충격 흡수 부품의 압궤 변형에 관한 지금까지의 보고로는, 코어층의 변형은 엄밀하게 제어되고 있었지만, 접합층의 변형은 고려되고 있지 않기 때문에, 작은 좌굴 파장의 압궤 변형이 얻어지지 않는 경우가 있었다. 따라서, 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 압궤 변형시키기 위해서는, 코어층과 접합층의 혼합층인 적층 금속판의 중심층의 전단 변형을 적절하게 파악하여 제어할 필요가 있다. 한편, 압궤 변형 시에 있어서의 적층 금속판의 중심층의 전단 변형을 파악하는 시험법은 확립되어 있지 않기 때문에, 본 발명에서는, 3점 굽힘 시험으로 얻어지는 실측 강성과, 적층 금속판의 구성으로부터 예측되는 계산 강성의 차이로부터 산출 가능한 중심층의 변형률을 적층 금속판의 중심층의 전단 변형의 지침으로 하였다. 실측 강성은, 중심층의 전단 변형을 반영한 값인 것에 비해, 계산 강성은, 중심층의 전단 변형이 반영되어 있지 않기 때문에, 실측 강성과 계산 강성의 차이가 중심층의 전단 변형의 영향이라고 생각할 수 있다.
적층 금속판의 중심층의 변형률이 7.0％ 이상 75.0％ 이하이면 중심층이 적절하게 전단 변형됨으로써, 중심층이 보다 작은 변형 에너지로 변형되게 되어, 적층 금속판은 작은 좌굴 파장으로 변형된다. 따라서, 적층 금속판의 중심층의 변형률은, 7.0％ 이상 75.0％ 이하가 바람직하다.
한편, 중심층의 변형률이 7.0％ 미만인 경우, 중심층은 전단 변형되기 어려워지기 때문에, 단일 재료와 동일한 큰 좌굴 파장으로 압궤 변형된다. 또한, 중심층의 변형률이 75.0％초과일 경우, 중심층의 과잉의 전단 변형에 의해, 표층이 중심층의 구속의 영향을 거의 받지 않게 된다. 이 결과, 표층은 큰 좌굴 파장으로 변형된 쪽이 변형 에너지는 작아지기 때문에, 단일 재료와 동일한 좌굴 파장으로 압궤 변형된다. 따라서, 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판의 중심층의 변형률을 7.0％ 이상 75.0％ 이하로 제어함으로써, 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 압궤 변형시킬 수 있다.
또한, 기본적으로 적층 금속판의 경우, 굽힘 강성의 크기는 중심층의 변형률에 의존하기 때문에, 상기 적층 금속판의 중심층의 변형률이 7.0％ 이상 50.0％ 이하인 것이 더 바람직하다. 중심층의 변형률이 50.0％ 이하인 경우, 중심층의 전단 변형에 의한 적층 금속판의 강성 저하량은 작기 때문에, 충분한 충격 에너지 흡수량을 확보하면서, 작은 좌굴 파장의 압궤 변형을 발생시킬 수 있다.
(충격 흡수 부품의 형상)
이어서, 본 발명의 충격 흡수 부품의 바람직한 형상에 대하여 설명한다.
본 발명의 충격 흡수 부품은, 충격 흡수 방향에 수직한 임의의 단면이, 최소 곡률 반경이 7.0mm 이상인 곡선을 갖고, 그 단면의 둘레 길이 중 곡선부가 30.0％ 이상으로 되는 형상이며, 또한, 상기 단면이, 폐쇄 구조로 되는 형상, 또는, 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만의 개구부를 갖는 형상이다. 여기서, 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향에 수직한 임의의 단면(이후, 충격 흡수 부품의 단면)의 둘레 길이, 및 곡선부의 길이는, 적층 금속판의 판 두께의 중심을 연결하는 선(이후, 중심선)을 측정한 값이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 곡률 반경이 1m 이하를 곡선으로 하고, 곡률 반경이 1m 초과일 경우, 직선이라 정의하기로 한다. 또한, 충격 흡수 부품의 단면에 있는 곡선의 최소 곡률 반경이란, 그 곡선 모두의 곡률 반경을 측정한 값의 최솟값이다.
또한, 충격 흡수 부품의 단면이 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만인 개구부를 갖는 경우, 개구부의 길이란, 개구부 단부끼리를 직선으로 연결한 경우의 직선의 길이이며, 개구부를 갖는 단면의 단면의 둘레 길이란, 개구부 단부끼리를 직선으로 연결한 경우의 직선의 길이와 개구부를 갖는 단면의 중심선의 길이를 더한 값이다. 따라서, 개구부의 비율은, 개구부 단부끼리를 직선으로 연결한 경우의 직선의 길이를 개구부를 갖는 단면의 단면의 둘레 길이로 제산한 값이다. 또한, 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향에 수직한 임의의 단면의 외주를 3차원 형상 측정기로 측정하고, 금속판 또는 적층 금속판의 두께를 고려함으로써, 충격 흡수 부품의 둘레 길이, 곡선부의 길이, 곡률 반경 및 개구부의 길이를 파악할 수 있다.
여기서, 충격 흡수 부품에 경사 하중이 부하되었을 때에, 안정적인 벨로즈 형상의 압궤 변형이 얻어지기 어려워지는 이유에 대하여 설명한다.
충격 흡수 부품에 경사 하중이 부하된 경우, 처음에 경사 하중이 부하된 부분으로부터 국소적인 변형이 발생되기 쉬워진다. 일반적인 금속판의 경우, 이 때 발생하는 국소적인 변형은, 큰 좌굴 파장의 변형이기 때문에, 이 큰 좌굴 파장으로 변형된 부위가 기점이 되어, 충격 흡수 부품 전체에서 절곡되는 변형이 발생되기 쉬워진다. 이 결과, 경사 하중이 부하되었을 때에, 안정적인 벨로즈 형상의 압궤 변형이 얻어지지 않는 경우가 많다.
일반적인 금속판에서는, 전술한 바와 같이, 복잡한 단면 형상으로 함으로써, 좌굴 파장을 작게 하여, 충격 흡수 부품 전체에서 절곡되는 변형을 억제하는 대처가 이루어져 있다. 한편, 적층 금속판의 경우, 이 대처도 유효하지만, 보다 간이한 방법, 구체적으로는, 충격 흡수 부품의 단면에 곡선부를 설치함으로써도, 좌굴 파장을 작게 하여, 충격 흡수 부품 전체에서 절곡되는 변형을 억제하는 것이 가능하다.
구체적으로는, 본 발명의 충격 흡수 부품은, 단면의 둘레 길이 중 곡선부가 30.0％ 이상인 것이 바람직하다. 단면의 둘레 길이 중 곡선부가 30.0％ 미만인 경우, 충격 흡수 부품의 단면 내의 직선부의 길이가 길어짐으로써, 좌굴 파장이 커질 가능성이 있다. 이 이유는 이하와 같다.
일반적인 금속판에서는, 좌굴 파장은 직선 부분의 길이와 일치한다. 적층 금속판에서는, 작은 좌굴 파장으로 변형되는 특징을 갖고 있기 때문에, 직선 부분의 길이와 일치하지 않지만 의존(즉, 직선부가 길어지면 좌굴 파장이 커지는 경향 있음)하는 것이 판명되어 있다. 따라서, 작은 좌굴 파장으로 변형시키기 위해서는, 직선부의 길이가 최대한 커지지 않도록 곡선부를 단면의 둘레 길이의 30.0％ 이상으로 할 필요가 있다. 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 변형시키기 위해서는, 곡선부가 단면의 둘레 길이의 50.0％ 이상인 것이 바람직하다. 즉, 충격 흡수 부품의 단면의 형상으로 직선부가 적은 형상이 바람직하다. 곡선부가 단면의 둘레 길이의 50.0％ 이상이면, 보다 안정적으로 작은 좌굴 파장으로 변형되고, 경사 하중의 교차 각도가 커도, 안정적인 벨로즈 형상의 압궤 변형을 얻을 수 있다.
또한, 충돌 에너지 흡수량이 동등한 금속판과 비교한 경우, 적층 금속판의 두께는 금속판보다 두꺼워지기 때문에, 적층 금속판의 경우, 곡선부를 성형할 때에 표층에 발생하는 변형은 커져서, 표층의 파단이 발생하기 쉽다. 따라서, 충격 흡수 부품의 단면에 있는 곡선부의 최소 곡률 반경은 7.0mm 이상인 것이 바람직하다. 곡선부의 최소 곡률 반경은 7.0mm 미만의 경우, 충격 흡수 부품을 제조할 때의 굽힘 가공 시에, 표층에 발생하는 변형이 매우 커져서, 표층의 파단이 발생하기 쉬워, 원하는 단면 형상이 얻어지지 않는 경우가 있다. 따라서, 충격 흡수 부품의 단면에 있는 곡선부의 최소 곡률 반경은 7.0mm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 충격 흡수 부품은, 충격 흡수 부품의 단면의 형상이 폐쇄 구조, 또는 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만의 개구부를 갖는다. 충격 흡수 부품의 단면의 형상이 개구부를 갖는 개방 구조인 경우, 충격 흡수 부품에 자유 단부(구속되지 않는 부분)가 발생한다. 도 4의 (가)에 도시한 바와 같은 일반적인 금속판의 경우, 화살표의 방향으로 충격 하중이 가해지면, 개구부 단부면(21)의 자유 단부 근방에서는, 도 4의 (나)에 도시하는 바와 같이 단순하게 판을 구부린 좌굴 파장의 큰 변형이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 압궤 변형 시에 개구부 근방(자유 단부 근방)에서 좌굴 파장의 큰 변형이 발생하여, 이 변형 부위를 기점으로 부재 전체에서 절곡 변형이 발생되기 때문에, 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 얻어지지 않는다. 한편, 본 발명의 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판에서는, 자유 단부여도, 작은 좌굴 파장으로 변형되는 특징을 갖고 있기 때문에, 안정적으로 압궤 변형되기 쉽다. 그러나, 개구부의 비율이 15.0％ 이상에서는, 개구부를 기점으로 하여, 부품 전체에서 절곡 변형이 발생되기 쉬워지기 때문에, 안정적으로 압궤 변형이 얻어지지 않게 될 가능성이 있다.
이상, 본 발명의 충격 흡수 부품의 형상으로 되도록 적층 금속판을 성형 가공하여, 제작한 충격 흡수 부품은, 충격 흡수 방향과 교차하는 방향이어도, 보다 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생하고, 또한 경량이다.
또한, 충격 에너지 흡수량의 증대를 예상할 수 있기 때문에, 본 발명의 충격 흡수 부품의 단면에, 곡률 반경이 7mm 이상인 곡선으로 구성되는 홈부가 4개 이상 존재하도록, 적층 금속판을 성형 가공하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 홈부란, 곡률 반경이 7mm 이상 15mm 이하인 곡선부의 곡률 중심이 충격 흡수 부품 단면의 외측에 있는 곡선부이다. 즉, 홈부란, 충격 흡수 부품의 단면에 있어서, 내측(중심측)으로 오목하게 들어간 곡선부이다.
이 홈부는, 곡률 반경이 큰 곡선부 및 직선부와 비교하여 강성이 크기 때문에, 충격 흡수 부품의 단면에 4개 이상의 홈부를 부여함으로써, 충격 에너지 흡수량의 대폭적인 증가를 기대할 수 있다. 한편, 충격 흡수 부품의 단면에 존재하는 홈부가 4개 미만인 경우, 충격 에너지 흡수량의 증대 효과가 그다지 얻어지지 않게 된다. 또한, 충격 흡수 부품의 단면에 16개 이상의 홈부를 부여하도록 성형 가공한 경우, 형상이 매우 복잡해져서, 성형 비용이 증가하기 때문에, 충격 에너지 흡수량의 증대 효과 이상으로 성형 비용 증가가 문제로 된다.
이어서, 본 발명의 구체적인 형상예에 대하여 설명한다.
본 발명의 충격 흡수 부품의 형상은, 충격 흡수 부품의 단면에 적어도 최소 곡률 반경이 7.0mm 이상인 곡선을 갖고, 그 단면의 둘레 길이 중 곡선부가 30.0％ 이상이며, 그 단면의 형상이 폐쇄 구조, 또는 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만이 개구부가 되도록 성형 가공되어 있으면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 충격 흡수 부품의 중 곡선부가 100％인 원 형상, 또한 곡선의 곡률 반경이 연속적으로 변화하는 타원 형상, 또는, 도 5에 도시한 바와 같은 타원 형상을 합친 형상 및 유사 형상을 들 수 있다.
또한, 충격 흡수 부품의 단면에 직선부를 갖는 경우, 원 형상이나 타원 형상을 직선으로 연결한 도 6의 (가), (나)에 도시한 바와 같은 형상 및 유사 형상을 들 수 있다. 도 5 및 도 6의 (나)에 도시한 바와 같은 형상의 경우, 충격 흡수 부품의 단면에 4개의 홈부(22)가 존재하기 때문에, 충격 에너지 흡수량의 증대를 예상할 수 있다.
또한, 충격 흡수 부품의 단면이, 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만의 개구부를 갖는 형상일 경우, 충격 흡수 부품의 개구부가 충격 흡수 방향으로 연속적인 형상, 또는 개구부가 충격 흡수 방향으로 단속적인 형상을 들 수 있다. 도 7의 (가)에 도시하는 형상의 경우, 위치 a의 단면은 도 7의 (나), 위치 b의 단면은 도 7의 (다)가 되고, 부분적으로 개구부가 충격 흡수 방향으로 단속적이고, 충격 흡수 부품을 구성하는 재료가 결핍되어 있기 때문에, 충격 흡수 부품 중량의 삭감을 예상할 수 있다.
(충격 흡수 부품의 제조 방법)
마지막으로, 본 발명의 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품의 제조법에 대하여 설명한다.
충격 흡수 부품은 공지된 방법에 의해 제조하면 되고, 특정한 제조법에 한정되지 않는다. 예를 들어, 적층 금속판에 프레스 굽힘, 드로잉, 롤 포밍 등의 가공을 임의의 하나 또는 복수 행함으로써, 충격 흡수 부품을 제조해도 된다.
(작용 효과)
본 발명은 부품의 충격 흡수 방향의 한쪽 단부에 충격 하중이 부하된 때에, 충격 에너지를 흡수하는 충격 흡수 부품으로서, 코어층의 양면에 금속판으로 이루어지는 표층이 접합 적층된 적층 금속판을 성형 가공하여 구성되고, 상기 적층 금속판은, 표층을 제외한 중심층의, 상기 적층 금속판의 구성으로부터 산출할 수 있는 계산 강성에 대한 실험으로 측정한 굽힘 강성의 감소율인 변형률이 7.0％ 이상 75.0％ 이하인 것을 특징으로 하는 충격 흡수 부품이다.
적층 금속판으로 구성된 충격 흡수 부품의 단면의 형상이 적어도 곡선을 갖고, 그 단면의 둘레 길이 중 곡선부가 30.0％ 이상이기 때문에, 경사 하중이 부하되었을 때에도, 적층 금속판이 작은 좌굴 파장으로 변형되어, 충격 흡수 부품은 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생되기 쉽다.
또한, 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판의 표층(3A 및 3B)의 판 두께 tf와, 코어층(5)의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf를 2.0 이상 7.0 이하로 함으로써, 좌굴 파장을 보다 작게 하여, 충격 에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 충격 흡수 부품은, 형상을 복잡하게 가공할 필요가 없고, 보다 단순한 형상으로 충격 에너지 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 충격 흡수 부품은, 좌굴 파장을 보다 작게 하기 위해서 적층 금속판의 표층 및 코어층의 영률비를 더 저하시킬 필요가 없기 때문에, 충격 흡수 부품의 강도를 변경하지 않고 충격 에너지 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 단면 형상으로 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만의 개구부를 설치함으로써, 보다 경량화하면서, 안정적인 압궤 변형을 발생시킬 수 있다. 또한, 충격 흡수 부품을 적층 금속판으로 구성함으로써, 부재의 더욱 경량화가 도모되고, 그 적층 금속판의 중심층의 변형률을 엄밀하게 제어함으로써, 보다 안정적인 벨로즈 형상의 압궤 변형을 발생시킬 수 있다. 이 결과, 정면뿐만 아니라 경사 방향으로부터의 충돌에 대해서도, 보다 안정적인 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생함으로써, 충격 에너지를 흡수하고, 또한, 경량재로 구성되므로 부품 자체도 경량화할 수 있는 것으로부터, 충분한 충격 에너지 흡수량의 확보와 연비 향상의 양립도 가능해진다.
실시예
이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
<제1 실시예>
(사용한 적층 금속판의 구성과 제조 방법)
본 발명의 실시예 및 비교예로서, 표 1에 나타내는 표층과 코어층의 구성의 적층 금속판을 제조하였다. 또한, 표층과 코어층과의 접합은, 접착제 [1](기재: 에폭시 수지, 도포량 200g/㎡, 전단 탄성률 300MPa), 접착제 [2](변성 폴리올레핀 시트, 도포량 300g/㎡, 전단 탄성률 220MPa), 접착제 [3](기재: 우레탄 수지, 도포량 200g/㎡, 전단 탄성률 135MPa), 접착제 [4](기재: 우레탄, 연질재, 도포량 200g/㎡, 전단 탄성률 30MPa)를 사용하였다.
적층 금속판 A, H는, 접합재로서 접착제 [1]을 사용하고, 표층 상에 접합재, 코어층, 접합재, 표층의 순서로 적층하고, 180℃까지 가온하였다. 계속해서, 적층한 표층, 접합재 및 코어층을 압착력 40kgf/㎠(2.92MPa 이하)로 20분간 가열 압착하고, 그 후, 상온까지 냉각하여, 각 적층 금속판을 얻었다.
또한, 적층 금속판 B, D, E, G, I, K는, 접합제로서 접착제 [2]를 사용하고, 표층 상에 접합재, 코어층, 접합재, 표층의 순서로 적층하고, 240℃, 40kgf/㎠, 1분간 가압함으로써, 각 적층 금속판을 얻었다.
또한, 적층 금속판 C, F는, 접합제로서 접착제 [3]을 사용하고, 적층한 표층, 접합재 및 코어층을 80℃까지 가열하고, 압착력 40kgf/㎠로 30분간 가열 압착하고, 그 후, 상온까지 냉각하여, 각 적층 금속판을 얻었다.
또한, 적층 금속판 J는, 접합제로서 납재(저온 납제, Sn-Pb계, 융점 183℃, 사용량 15g/㎡, 전단 탄성률 500MPa 초과)를 사용하고, 적층한 표층, 접합재 및 코어층을 300℃까지 가열하고, 압착력 40kgf/㎠로 20분간 가열 압착하고, 그 후, 상온까지 냉각하여, 적층 금속판을 제조하였다.
또한, 적층 금속판 L은, 접합제로서 접착제 [4]를 사용하고, 적층한 표층, 접합재 및 코어층을 80℃까지 가열하고, 압착력 40kgf/㎠로 20분간 가열 압착하고, 그 후, 상온까지 냉각하여, 적층 금속판을 제조하였다.
적층 금속판의 표층으로서 사용한 금속판은, Al 킬드강판(항복 응력: 400MPa), Al 합금판(항복 응력: 150MPa), 순Al판(항복 응력: 80MPa)이다.
적층 금속판의 코어층으로서 사용한 재료는, 금망(선 직경: 0.6mmφ, 선재 간의 간극: 2mm, 밀도: 1.76g/㎤), 폴리프로필렌(밀도 0.94g/㎤), 펀칭 메탈(스미 구멍, 구멍 직경: 4mm, 간격(피치): 4.5mm, 개공률: 79.0％, 밀도: 1.63g/㎤), 2배 발포 폴리에틸렌(발포 배율 2배, 밀도: 0.45g/㎤), 냉연 강판(밀도: 7.8g/㎤), 50배 발포 폴리스티렌(발포 배율 50배, 밀도: 0.021g/㎤)이다.
또한, 비교예로서, 980MPa급의 고장력 강판(판 두께: 1.0mm)을 사용하였다.
(적층 금속판의 중심층의 변형률의 산출 방법)
각 적층 금속판을 폭 25mm, 길이 60mm로 되도록 절단하여, 3점 굽힘 시험 샘플을 얻었다. 3점 굽힘 시험은, ASTM D790에 준하여 실시하였다. 구체적으로는, 지점간 거리 50mm, 압자의 반경 5mm, 지지대의 반경 5mm, 시험 속도 5mm/min으로 3점 굽힘을 실시하였다. 시험에서 얻어진 하중-변위 곡선으로부터, 탄성 변형 영역의 기울기(Pexp/δexp)를 구하고, (i)식에 대입하고, 적층 금속판의 강성 Dexp를 산출하였다.
다음으로 (ii)식으로부터, 계산 강성 Dcal을 산출하고, 식 (iii)으로 나타내는 적층 금속판의 중심층의 변형률을 결정하였다.
Dexp=(Pexp/δexp)×(L3/48)…(i)
Dcal=Eb(H2-h2)/12…(ii)
(적층 금속판의 중심층의 변형률)=100×(Dcal-Dexp)/Dcal…(iii)
여기서, P: 하중, δ: 변위, L: 지점간 거리, E: 표층의 영률, b: 샘플 폭, H: 적층 금속판의 두께, h: 코어층의 두께이다.
Figure pct00001
(실시한 충격 흡수 부품의 형상 제작)
우선은, 본 발명에 따른 충격 흡수 부품의 효과를 검증하기 위해서 낙중 시험을 행한 충격 흡수 부품의 형상 제작법에 대하여 설명한다.
형상 a는, 금속판 또는 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 8의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 8의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 b는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 도 9의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 c는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 10의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 10의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 d는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 11의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 11의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 e는, 금속판 또는 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 12의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 12의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 f는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 13의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 13의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 g는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 14의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 14의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 h는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 도 15의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 i는, 도 16의 (가)에 도시한 바와 같은 개구부를 부여한 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 16의 (나)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 7의 (나), (다)와 같이 일부 개단면을 잡는 높이 200mm의 충격 흡수 부품(도 7의 (가))를 제작하였다.
형상 j는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 17의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 17의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 k는, 적층 금속판을 성형 가공하여, 도 18의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
형상 l은, 적층 금속판을 성형 가공하여, 충격 흡수 부품의 단면이 도 19의 (가)와 같은 충격 흡수 부품의 반부품을 얻었다. 이어서, 이 반부품의 단부끼리를 레이저 용접으로 접합하여, 도 19의 (나)의 단면을 갖는 높이 200mm의 충격 흡수 부품을 제작하였다.
Figure pct00002
이어서, 본 발명의 충격 흡수 부품의 효과를 검증하기 위해서 실시한 낙중 시험 방법을 설명한다.
충격 흡수 부품을, 추가 충돌하는 충격 흡수 부품의 단부와는 반대측의 단부를 지그로 고정하고, 120kg의 질량의 추를 3.5m의 높이로부터 자유 낙하시키는 것에 의해, 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향으로 30km/h의 속도로 충돌시켰다.
또한, 경사 하중을 부하시키는 경우에는, 도 20에 도시한 바와 같이, 충격 흡수 부품 S의 폭 방향이 바닥면 FL에 대하여 10° 경사지도록 다이에 고정하고, 바닥면 FL에 대하여 연직 방향의 충격 하중 P를 부하하고, 상기와 동일한 수순으로 낙중 시험을 실시하였다. 이어서, 충격 흡수 부품 S를 다이 상에서 90° 회전시켜, 충격 흡수 부품 S의 깊이 방향이 바닥면 FL에 대하여 10° 경사지도록 다이에 고정하고, 바닥면 FL에 대하여 연직 방향의 충격 하중 P를 부하하고, 낙중 시험을 실시하였다. 여기서, 충격 흡수 부품 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 큰 쪽을 충격 흡수 부품의 폭 방향, 그 애스펙트비가 작은 쪽을 충격 흡수 부품의 깊이 방향으로 한다. 또한, 폭 방향으로부터 경사 하중을 부하하는 조건을 경사 하중 부하 조건 1로 하고, 깊이 방향으로부터 경사 하중을 부하하는 조건을 경사 하중 부하 조건 2로 한다.
(충돌 성능의 평가)
낙중 시험 시의 하중-변위 곡선으로부터, 100mm 압궤까지의 충격 에너지 흡수량 En을 산출하였다. 또한, 부품의 경량성을 평가하기 위해서, 부품의 질량 w로 충격 에너지 흡수량을 제산하여, 단위 질량당의 충격 에너지 흡수량(En/w)으로 하고, 비교 평가하였다. 또한, 경사 하중을 부하한 경우의 충격 에너지 흡수량도 동일한 방법으로 산출하였다.
또한, 표 3, 표 4의 변형 형태의 란에 있어서의 「◎」란, 작은 좌굴 파장으로 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생한 것을 나타내고, 「△」란, 큰 파장으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생한 것을 나타낸다. 또한 「×」란, 변형 초기에 발생한 큰 좌굴 파장으로 변형된 부위를 기점으로 부품 전체가 V자 형상으로 절곡되는 변형이 발생한 것을 나타낸다. 여기서, 좌굴 파장의 대소는, 비교예 4가 강판을 포함하는 충격 흡수 부품의 좌굴 파장을 기준으로 하여, 실시한 충격 흡수 부품의 좌굴 파장이, 강판의 좌굴 파장의 2/3 미만을 작은 파장으로 압궤 변형되었다고 판단하였다.
표 3에, 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향으로 하중을 부하한 경우의 낙중 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00003
실시예 1∼21의 충격 흡수 부품은, En/w>6.9이며, 비교예 4, 9의 고장력강(판 두께 1mm, 인장 강도 980MPa)을 포함하는 충격 흡수 부품과 비교하여, 높은 충격 에너지 흡수능을 나타내고, 또한 경량성이 우수함을 알았다.
실시예 1, 8, 17, 18은, 구성하는 재료가 동일하고, 형상만이 상이한 충격 흡수 부품이다. 실시예 1, 8, 17, 18을 비교하면, 실시예 18의 En/w가 가장 컸다. 실시예 18은 홈부가 8개 있는 형상이기 때문에, 충격 에너지 흡수량이 가장 증대하기 쉽다. 이 결과, 실시예 1, 8, 17과 비교하여, En/w는 커졌다고 생각된다.
실시예 7의 En/w는, 표층의 재질, 두께, 코어층의 두께가 동등한 구성으로 되는 실시예 1∼3, 5, 6과 비교하여 작은 것을 알았다. 실시예 7의 적층 금속판 G의 중심층의 변형률이 67.7％로 큰 것으로부터, 중심층이 전단 변형됨으로써, 적층 금속판의 강성이 대폭으로 저하되었기 때문에, 실시예 7에서는, 충격 에너지 흡수량의 저하가 발생했다고 생각된다.
표층의 항복 응력만이 상이한 실시예 11과 실시예 12를 비교한 경우, 실시예 11의 En/w쪽이 컸다. 실시예 12의 표층은, 항복 응력이 80MPa로 작은 것으로부터, 충격 에너지 흡수량이 약간 작아졌기 때문에, 실시예 11과 비교하여 작아졌다고 생각된다.
충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향으로부터의 충격 하중에 대하여 실시예 1∼21은 작은 좌굴 파장으로 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 비교예 1∼10은, 큰 좌굴 파장으로 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형하는 것, 비교예 11, 13은, 변형 도중에 절곡되는 변형이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 12는 성형 후의 형상 측정 시에 표층의 파단을 확인할 수 있었으므로, 낙중 시험을 실시하지 않았다.
비교예 1, 6은, 중심층의 변형률이 4.2％로 작은 것으로부터, 중심층이 거의 전단 변형되지 않기 때문에, 큰 좌굴 파장으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생했다고 생각된다.
또한, 비교예 2, 7은, 중심층의 변형률이 83.2％로 큰 것으로부터, 중심층이 과잉으로 전단 변형되었기 때문에, 큰 좌굴 파장으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생했다고 생각된다.
비교예 5는, 전단 탄성률이 매우 작은 접합재를 사용했기 때문에, 적층 금속판의 중심층의 변형률이 매우 커져서, 큰 좌굴 파장으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생했다고 생각된다.
또한, 실시예 6과 비교예 3, 및 실시예 14와 비교예 8에서는, 충격 흡수 부품을 구성하는 적층 금속판의 구성 요소 중, 접합재만 상이하지만, 압궤 변형 시의 좌굴 파장은 큰 차이가 있는 것이 판명되었다. 비교예 3, 8에서는, 접합재에 납재를 사용한 결과, 중심층의 전단 변형이 그다지 발생하지 않았기 때문에, 큰 좌굴 파장으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생했다고 생각된다.
비교예 10은 충격 흡수 부품의 단면 중, 곡선부가 30％ 미만이다. 이 결과, 작은 좌굴 파장으로 변형되지 않고, 큰 좌굴 파장으로 압궤 변형했다고 생각된다.
비교예 11, 13은, 충격 흡수 부품의 단면 중, 개구부가 차지하는 비율은 15％ 이상으로 크다. 이 결과, 개구부 근방 부위를 기점으로 절곡이 발생하여, 압궤 변형이 얻어지지 않았다고 생각된다.
표 4에, 본 발명의 충격 흡수 부품에 경사 하중을 부하한 경우의 낙중 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00004
실시예 1∼21은, 경사 하중 부하 조건 1, 2의 En/w와, 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향으로부터 충격 하중을 부하한 경우의 En/w가 거의 동등함을 알았다. 이것은, 경사 하중이 부하된 경우에 있어서도, 적층 금속판이 작은 좌굴 파장으로 변형되어, 안정적으로 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생했기 때문에, 충격 에너지 흡수량에 거의 차이가 없었다고 생각된다.
한편, 비교예 1∼11, 13은, 경사 하중 부하 조건 1, 2의 En/w와 충격 흡수 부품의 충격 흡수 방향으로부터 충격 하중을 부하한 경우의 En/w에는 큰 차이가 있음을 알았다. 비교예 1∼11, 13에서는, 충격 흡수 부품 전체에 충격 하중이 전반되기 전에, 처음에 충격 하중이 부하된 부분에서, 큰 좌굴 파장으로 변형되었기 때문에, 이 부위를 기점으로 한 부품 전체에서의 절곡 변형이 발생하고, 이 결과, 충격 에너지 흡수량이 대폭으로 감소했다고 생각된다.
이와 같이, 본 발명의 충격 흡수 부품은, 자동차 등에서 상정되는 정면 방향 및 경사 방향으로부터의 충돌에 대해서도, 보다 안정적인 압궤 변형이 발생함으로써, 충격 에너지를 흡수하고, 또한, 경량재로 구성되므로 부품 자체도 경량화할 수 있는 것으로부터, 충돌 안전성과 연비 향상의 양립도 가능해진다.
<제2 실시예>
(적층 금속판의 제조)
먼저, 표 5에 도시하는 표층, 및 코어층을 적층 접합하여, 적층 금속판을 제조하였다. 또한, 표층과 코어층의 접합에는, 표 5에 도시하는 접합재를 사용하였다. 표층 상에 접합재, 코어층, 접합재, 표층의 순서로 적층하고, 80℃∼180℃까지 가열하고, 압착력 40kgf/㎠(3.92MPa)로 20∼30분간 가열 압착하고, 그 후, 상온까지 냉각하여 대기 개방하여, 각 실시예 및 각 비교예에 관한 적층 금속판을 제조하였다.
Figure pct00005
표 5에 있어서, 접착제1은, 기재가 에폭시 수지의 접착제이며, 도포량 200g/㎡, 180℃ 가온, 압착력 40kgf/㎠(3.92MPa), 압착 시간 20분간으로 접합에 사용하였다. 또한, 접착제2는, 기재가 우레탄 수지의 접착제이며, 도포량 200g/㎡, 80℃ 가온, 압착력 40kgf/㎠(3.92MPa), 압착 시간 30분간으로 접합에 사용하였다. 또한, 접착제3은, 접착제2에 탄성 고무를 분산시킨 접착제이며, 도포량 200g/㎡, 80℃ 가온, 압착력 40kgf/㎠(3.92MPa), 압착 시간 20분간으로 접합에 사용하였다. 또한, 경납땜에서는, 납재(저온 납재, Sn-Pb계, 융점 183℃)를 사용량 15g/㎡로 사용하였다. 또한, 접합재의 전단 탄성률은, JIS-K6850에 준거한 인장 전단 시험에 의해 측정하였다.
또한, 표 5에 있어서, 코어층으로서 사용한 폴리프로필렌은, 밀도가 0.94g/㎤이며, 또한 코어층으로서 사용한 금망의 선 직경은 0.6mmφ, 선재 간의 간극은 1.6mm이다. 또한, 상술한 바와 같이, Ec는 코어층의 영률이며, Ef는 표층의 영률이며, tc는 코어층의 판 두께이며, tf는 표층의 판 두께이다.
(충돌 성능 평가 시험)
이어서, 상기에서 제조한 각 실시예 및 각 비교예에 관한 적층 금속판으로 구성된 충격 흡수 부품의 충돌 성능 평가를 행하였다. 구체적으로는, 표 5에서 나타낸 구성의 각 실시예 및 각 비교예에 관한 적층 금속판을 사용하고, 프레스브레이크에 의한 굽힘 가공으로 성형하여, 도 21에 도시하는 길이 200mm의 모자형 형상의 충격 흡수 부품을 제조하였다. 도 21은, 본 발명의 실시예에 관한 충격 흡수 부품의 형상을 도시한 설명도이며, 도 21의 (A)는 충격 흡수 방향인 능선 방향에 수직한 단면으로 절단한 단면도이며, 도 21의 (B)는 사시도이다.
제조한 충격 흡수 부품의 충돌 성능 평가는 낙중 시험에 의해 행하였다. 구체적으로는, 제조한 충격 흡수 부품을 능선 방향이 충격 흡수 방향으로 되도록 배치하고, 추가 충돌하는 단부와 반대측의 단부를 지그로 고정하였다. 그 후, 120kg의 질량의 추를 3.5m의 높이로부터 자유 낙하시킴으로써, 충격 흡수 부품의 충돌 단측에 대하여 30km/h의 속도로 충돌시켰다.
상기 낙중 시험에 있어서의 하중-변위 곡선으로부터, 100mm 압궤까지의 충격 에너지 흡수량을 산출하였다. 충격 에너지 흡수량은, 충격 흡수 부품의 경량성을 평가하기 위해서, 부품의 질량으로 충격 에너지 흡수량을 제산하여, 단위 질량당의 충격 에너지 흡수량으로 하였다.
또한, 낙중 시험 시의 하중-변위 곡선으로부터 평균 좌굴 파장을 산출하였다. 구체적으로는, 하중이 상하로 되는 주기마다, 하중이 극소로 된 변위를 측정하고, 직전에 하중이 극소로 된 변위로부터, 다음으로 하중이 극소로 된 변위를 뺌으로써 주기 단위의 좌굴 파장을 산출하였다. 동일한 방법으로 각 주기에 있어서의 좌굴 파장을 산출하고, 산술 평균을 취함으로써 평균 좌굴 파장을 산출하였다. 상기에서 산출한 단위 질량당의 충격 에너지 흡수량 및 평균 좌굴 파장의 평가 결과를 표 6에 나타내었다.
또한, 표 6에 있어서, 좌굴 형태의 란의 「◎」란, 안정된 벨로즈 형상의 압궤 변형이 발생한 것을 나타내고, 「△」란, 부품 전체에서 발생한 압궤 변형 중, 일부에서 좌굴 파장이 큰 부위가 발생한 것을 나타낸다. 또한 「×」란, 변형 초기에 발생한 1회째의 좌굴 부위를 기점으로 부품 전체가 'く자'로 절곡되는 변형이 발생한 것을 나타낸다.
Figure pct00006
표 6을 참조하면, 본 발명의 실시예 22∼30에 관한 충격 흡수 부품은, 비교예 14∼16에 관한 충격 흡수 부품에 대하여 평균 좌굴 파장이 작아져, 단위 질량당의 충격 에너지 흡수량이 증가되어 있음을 알 수 있다. 구체적으로는, 비교예 14 및 15는 tc/tf가 2.0 미만이기 때문에, 평균 좌굴 파장이 커져서, 충격 에너지 흡수량이 감소되어 있음을 알 수 있다. 또한, 비교예 16은 tc/tf는, 본 발명의 범위에 포함되지만, 코어층의 영률과, 표층의 영률이 동일하기 때문에, 단일 재료로 구성된 충격 흡수 부품과 실질적으로 같은 좌굴 변형의 거동을 나타내고, 평균 좌굴 파장이 커져서, 충격 에너지 흡수량이 감소되어 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 23, 24, 26∼30은, tc/tf가 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 바람직한 범위 내에 포함되기 때문에, 평균 좌굴 파장이 보다 작아져, 단위 질량당의 충격 에너지 흡수량이 더욱 증가되어 있음을 알 수 있다. 한편, 실시예 22는, tc/tf가 3.5 미만이기 때문에, 실시예 23, 24, 26∼30보다도 평균 좌굴 파장이 커져 있다. 또한, 실시예 25는, tc/tf가 5.0을 초과하고 있기 때문에, 좌굴 형태가 「△」로 되어 있다.
또한, 실시예 22∼28, 30은, 접합층의 전단 탄성률이 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 바람직한 범위 내에 포함되어 있기 때문에, 평균 좌굴 파장이 보다 작아져 있음을 알 수 있다. 한편, 실시예 29는, 접합층의 전단 탄성률이 500MPa를 초과하고 있기 때문에, 다른 조건이 동일한 실시예 26에 비하여 평균 좌굴 파장이 커져서, 충격 에너지 흡수량이 감소되어 있다.
또한, 실시예 22∼29는, 코어층 및 표층의 영률비 Ec/Ef가 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 바람직한 범위 내에 포함되어 있기 때문에, 단위 질량당의 충격 에너지 흡수량이 보다 증가되어 있는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 한편, 실시예 30은, 코어층 및 표층의 영률비 Ec/Ef가 1×10-3 미만이기 때문에, 다른 조건이 동일한 실시예 26에 비하여 충격 에너지 흡수량이 감소되어 있다.
또한, 실시예 24, 비교예 14 및 15에 관한 적층 금속판에 대해서, 시뮬레이션으로, 표층과 코어층의 영률비 Ec/Ef를 변경하면서, 표층과 코어층의 영률비 Ec/Ef에 대한 평균 좌굴 파장의 변화를 평가하였다. 시뮬레이션은, 비선형 해석 프로그램인 Marc을 사용하여, 좌굴 고유치 해석을 실시하였다. 그 평가 결과를 도 22에 나타내었다. 여기서, 도 22는, 실시예 24, 비교예 14 및 15에 관한 충격 흡수 부품에 있어서, Ec/Ef에 대한 평균 좌굴 파장을 도시한 그래프도이다. 도 22에 있어서, 종축은 평균 좌굴 파장이며, 횡축은 Ec/Ef의 상용 대수이다.
도 22에 도시한 바와 같이, 실시예 24(총 두께 2.0mm, tc/tf=4.3)는 어느 표층 및 코어층의 영률비 Ec/Ef에 있어서도, 비교예 1(총 두께 1.0mm, tc/tf=1.1) 및 비교예 15(총 두께 1.8mm, tc/tf=1.1)에 비하여 평균 좌굴 파장이 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 24는, tc/tf가 본 발명의 일 실시 형태의 범위 내에 포함되기 때문에, 표층 및 코어층의 영률비 Ec/Ef에 관계없이, 비교예 14 및 15에 비하여 평균 좌굴 파장을 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 24 및 비교예 15의 굽힘 강성은, 9.6×104N·㎠이며, 비교예 14의 굽힘 강성은, 1.7×104N·㎠이다. 즉, 실시예 24는, 비교예 15에 비하여 적층 금속판의 강도(구체적으로는, 굽힘 강성)를 저하시키지 않고 평균 좌굴 파장을 작게 할 수 있다.
또한, 도 22를 참조하면, 실시예 24는, 비교예 14 및 15에 비하여 특히, 표층 및 코어층의 영률비 Ec/Ef가 1×10-3 이상 1×10-1 이하의 범위에서, 보다 평균 좌굴 파장을 작게 할 수 있다. 구체적으로는, 표층 및 코어층의 영률비 Ec/Ef가 1×10-1을 초과하는 경우에는, 평균 좌굴 파장의 감소량이 작기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 표층 및 코어층의 영률비 Ec/Ef가 1×10-3 미만인 경우에는, Ec의 저하에 의해 좌굴 변형 시의 평균 하중 W가 저하되고, 충격 에너지의 흡수 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
(충격 흡수 부품의 형상에 대한 충돌 성능 평가 시험)
이어서, 상기와 마찬가지로 Marc을 사용한 시뮬레이션에서, 능선간 거리 L을 각각 50mm, 65mm, 80mm로 한 모자형 형상 부재에 있어서의 표층과 코어층의 영률비 Ec/Ef에 대한 평균 좌굴 파장의 변화를 평가하였다. 그 평가 결과를 도 23에 도시하였다. 여기서, 도 23은, 충격 흡수 부품의 형상에 대한 평균 좌굴 파장을 도시한 그래프도이다. 도 23에 있어서, 종축은 평균 좌굴 파장이며, 횡축은 Ec/Ef의 상용 대수이다.
도 23을 참조하면, 충격 흡수 부품의 능선간 거리 L이 50mm 이상 80mm 이하인 경우에, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 바람직한 영률비 Ec/Ef의 범위인 1×10-3 이상 1×10-1 이하에서, 보다 현저하게 평균 좌굴 파장이 저하되어 있음을 알 수 있다. 한편, 능선간 거리 L이 80mm를 초과하는 경우, 좌굴 파장이 커지고, 또한 안정적으로 벨로즈 형상의 축압궤 변형이 발생되기 어려워지기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 능선간 거리 L이 50mm 미만인 경우에는, 충격 흡수 부품의 형상이 복잡해져서, 형상 제약을 받기 때문에 바람직하지 않다.
이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품에 의하면, 코어층의 양면에 코어층보다 영률이 큰 금속판으로 이루어지는 표층을 접합 적층하고, 표층의 판 두께 tf와, 코어층의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf를 2.0 이상 7.0 이하로 한 적층 금속판으로 구성함으로써, 좌굴 파장을 작게 하여, 충격 에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품에 의하면, 충격 흡수 부품의 형상을 복잡하게 가공하지 않더라도 좌굴 파장을 작게 할 수 있기 때문에, 충격 흡수 부품의 형상을 보다 단순화할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품은, 좌굴 파장을 보다 작게 하기 위해서, 적층 금속판의 표층과 코어층의 영률비를 더 저하시킬 필요가 없기 때문에, 충격 흡수 부품의 강도를 저하시키지 않고 충격 에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품은, 종래의 충격 흡수 부품에 대하여 영률이 작고, 또한 비교적 밀도가 작은 코어층의 비율이 큰 적층 금속판으로 구성되기 때문에, 보다 경량화를 도모할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 충격 흡수 부품은, 보다 경량화를 도모할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자라면, 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.
본 발명은 보통 자동차 뿐만 아니라, 경자동차, 트럭 및 버스 등의 대형차를 포함하는 자동차 전반, 전철 등의 수송 기관의 충격 흡수 부품으로서 적절하게 사용할 수 있다.
1: 적층 금속판
3A, 3B: 표층
5: 코어층
7A, 7B: 접합층
11: 탄성 스프링
12: 금속판
21: 개구부 단부면
22: 홈부

Claims (10)

  1. 부품의 충격 흡수 방향의 한쪽 단부에 충격 하중이 부하된 때에, 충격 에너지를 흡수하는 충격 흡수 부품이며,
    코어층의 양면에 금속판으로 이루어지는 표층이 접합 적층된 적층 금속판을 성형 가공하여 구성되고,
    상기 적층 금속판은, 표층을 제외한 중심층의, 상기 적층 금속판의 구성으로부터 산출할 수 있는 계산 강성에 대한 실험으로 측정한 굽힘 강성의 감소율인 변형률이 7.0％ 이상 75.0％ 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표층은 상기 코어층보다 영률이 큰 금속판으로 이루어지고,
    상기 표층의 판 두께 tf와, 상기 코어층의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf가 2.0 이상 7.0 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표층은 상기 코어층보다 영률이 큰 금속판으로 이루어지고,
    상기 표층의 판 두께 tf와, 상기 코어층의 판 두께 tc의 판 두께비 tc/tf가 3.5 이상 5.0 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표층의 영률 Ef와, 상기 코어층의 영률 Ec의 영률비 Ef/Ec가 1×10-3 이상 1×10-1 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중심층의 변형률이 7.0％ 이상 50.0％ 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  6. 제1항에 있어서, 충격 흡수 방향에 수직한 임의의 단면의 형상이, 최소 곡률 반경이 7.0mm 이상인 곡선부를 갖고, 당해 단면의 둘레 길이 중 상기 곡선부가 30.0％ 이상이며,
    또한, 상기 단면의 형상이, 폐쇄 구조, 또는 단면의 둘레 길이의 15.0％ 미만의 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  7. 제1항에 있어서, 충격 흡수 방향에 수직한 단면에, 곡률 반경이 7.0mm 이상 15mm 이하인 곡선으로 구성되는, 상기 단면의 중심측에 오목하게 들어간 곡선부인 홈부를 4개 이상 갖는 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 표층의 항복 응력은, 100MPa 이상 1000MPa 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 코어층의 밀도 ρc는, 표층의 밀도 ρf에 대하여 ρc/ρf가 1/300 이상 1/2 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적층 금속판은, 상기 표층 및 상기 코어층의 사이에 접합층을 더 구비하고, 상기 접합층의 전단 탄성률이 50MPa 이상 500MPa 이하인 것을 특징으로 하는, 충격 흡수 부품.
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