KR102539225B1 - 자동차용 범퍼 빔 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 범퍼 빔 시스템에 관한 것으로서, 크래쉬 박스부와 빔부가 포함되어 일체형의 범퍼 빔을 포함하는 자동차용 범퍼 빔 시스템에 있어서, 상기 크래쉬 박스부와 상기 빔부는 각각의 개단면이 서로 역 방향으로 배치되며, 상기 범퍼 빔의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 보강재가 인서트 된 자동차용 범퍼 빔 시스템을 제공한다.

Description

자동차용 범퍼 빔 시스템{BUMPER BEAM SYSTEM FOR AUTOMOBILE}

본 발명은 자동차용 범퍼 빔 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 범퍼 빔의 요구 성능인 저속 충돌 법규와 RCAR 성능을 동시에 만족할 수 있으며, 중량 및 생산비용을 대폭 절감할 수 있는 자동차용 범퍼 빔 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차용 범퍼 빔은 자동차의 전면 및 후면에 장착되어 자동차의 충돌 시 그 충격을 흡수함으로써 자동차 및 자동차의 내부에 탑승하고 있는 운전자, 승차자를 보호하는 역할을 수행한다.

이와 같은 자동차용 범퍼 빔은 법규 항목인 저속충돌 테스트와, 준법규 항목인 손해보험사기관(RCAR(Research Council for Automobile Repairs), IIHS) 테스트의 만족을 요구하고 있다. 이 경우, 저속충돌 테스트는 일반적으로 4Km/h 충돌 속도에서 시험이 실시되지만, 자동차 판매에 큰 영향력이 있는 손해보험사기관의 시험은 충돌 속도가 10~15Km/h에서 실시되기 때문에 자동차 판매에 큰 영향력이 있는 손해보험사의 요구 성능이 법규 사항보다 요구 강도가 더 높다. 구체적으로, RCAR 테스트의 경우 40%, 10도 OFF-SET BARRIER TEST와 FULL BARRIER TEST의 2가지 테스트를 실시하여 차체 손상에 대한 수리비를 산정하고 있다. 이러한 범퍼 빔의 성능과 관련하여 지역적으로는 법규 저속충돌 테스트와 손해보험사기관 테스트 모두를 요구하거나 어느 하나만을 요구하고 있다.

현재까지 유럽사양은 2가지 모두를 만족해야 하고, 내수사양은 40%,10도 OFF-SET BARRIER TEST만을 요구하고 있어서, 각각 이원화하여 개발 적용하고 있다.

하지만 최근에는 전세계적으로 상품성을 강화하고 있는 추세이고, 국내사양도 상품성 테스트를 모두 적용하는 것으로 결정됨에 따라 RCAR 테스트 모두를 경쟁력 있게 대응할 수 있는 범퍼 빔 기술이 경쟁력을 갖게 된다.

손해보험사기관에서 요구하는 RCAR 테스트의 40%,10도 OFF-SET BARRIER TEST와 FULL BARRIER TEST는 서로 상반되는 성능을 요구한다.

40%,10도 OFF-SET BARRIER TEST에서는 15Km/h 충돌 시에 크래쉬박스와 빔부가 압착, 변형, 파괴 등이 적절히 이루어져 최대한 충돌에너지를 흡수하여 차체의 손상이 없도록 해야 한다. 그리고 FULL BARRIER TEST에서는 차량이 10Km/h 충돌 시에 범퍼 빔의 변형량을 작게 하여 충돌체의 침입을 최소화 해야 한다. 또한 RCAR 테스트에서는 성능뿐만이 아니라 기본 형상(GEOMETRY) 요구 기준을 만족해야 한다.

이렇듯 상반되는 요구 성능과 형상 조건을 만족하면서 범퍼 빔의 중량과 원가를 줄일 수 있는 범퍼 빔 시스템의 개발이 시급하다고 할 수 있다.

대한민국 공개특허공보 제2011-0131861호(2011.12.09)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 경량화 및 비용 절감에 효과적인 크래쉬 박스와 범퍼 빔을 조립할 필요 없는 일체형 사출 방식을 적용함으로써, 저속 충돌 법규 성능과 손해보험사 요구 성능을 동시에 충족시킬 수 있는 자동차용 범퍼 빔 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 크래쉬 박스부와 빔부가 포함되어 일체형의 범퍼 빔을 포함하는 자동차용 범퍼 빔 시스템에 있어서, 상기 크래쉬 박스부와 상기 빔부는 각각의 개단면이 서로 역 방향으로 배치되며, 상기 범퍼 빔의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 보강재가 인서트 된 자동차용 범퍼 빔 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 보강재는 탄소섬유, 아라미드섬유 및 유리섬유 중 어느 하나 이상의 보강섬유가 보강된 연속섬유 보강 복합재료이다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 보강재는 PP, PET 및 PA6 중 어느 하나로 이루어진 열가소성 수지로 함침된다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 크래쉬 박스부와 빔부는, 'ㄷ'자 단면 형상으로 형성되고, 'ㄷ'자 단면 형상의 개방되는 방향이 서로 다르게 형성된다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 크래쉬 박스부의 측벽 내부에는 보강 리브가 구비되되, 상기 보강 리브는 상기 측벽 내부에서 종방향을 따라 반복적으로 배치되는 복수의 수직형 보강 리브와, 상기 수직형 보강 리브와 교차되면서 횡방향으로 연장되는 복수의 수평형 보강 리브를 포함하며, 상기 크래쉬 박스부의 측벽 내부에서 상기 수직형 보강 리브와 상기 수평형 보강 리브가 서로 교차하도록 배치된 격자 구조를 형성한다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 범퍼 빔의 개단면의 상부와 하부에는 각각 상방과 하방으로 교차하여 형성된 플랜지부가 구비되며, 상기 보강재는 상기 범퍼 빔의 수평면과 상기 플랜지부의 수직면의 교차 부분에 인서트 된다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 보강재는 보강재의 직경이 서로 같거나 다른 것을 사용한다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 크래쉬 박스부 일체형 빔부를 포함한 범퍼 빔 시스템은 열가소성 수지, 상기 열가소성 수지 기반의 컴파운드(TPO) 및 복합소재(LFT)가 포함된 복합 플라스틱 소재로 성형된다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템에 의하면, 저속충돌 법규 성능과 손해보험사 요구 성능을 동시에 만족시킬 수 있는 범퍼 빔 시스템을 적용함으로써, 제조시간 및 제조비용 등의 절감을 통해 생산성 향상을 도모하고, 자동차의 원가 및 중량을 대폭 절감할 수 있다.

연속섬유 복합재로 이루어진 봉 형상의 보강재를 범퍼 빔의 길이 방향으로 인서트하여 범퍼 빔의 굴곡 강성 및 굴곡 강도를 향상시킬 수 있다.

범퍼 빔 시스템을 사출 성형 방식으로 일체 성형 가능하므로 부품 수를 줄이고 원가 절감을 달성할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 범퍼 빔에 보강재가 인서트 사출 성형된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 범퍼 빔에 보강재가 인서트 사출 성형된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템의 풀 배리어(FULL BARRIER) 충돌 테스트를 구현한 구조해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템의 40% 오프셋(OFF-SET) 충돌 테스트를 구현한 구조해석 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 범퍼 빔에 보강재가 인서트 사출 성형된 상태를 나타내는 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 범퍼 빔에 보강재가 인서트 사출 성형된 상태를 나타내는 사시도이다.

본 발명은 범퍼 빔(100)의 요구 성능인 저속 충돌 법규와 RCAR 성능을 동시에 만족할 수 있는 일체형 크래쉬 박스부(120)가 구비된 범퍼 빔(100)을 포함한다.

도면을 참조하면, 범퍼 빔(100)은 빔부(110) 및 크래쉬 박스부(120)를 포함한다.

범퍼 빔(100)은 수평방향으로 길게 연장 형성되며, 중간 부분이 상대적으로 전방으로 볼록한 호 형상의 곡선의 프로 파일을 가진다. 길이 방향 양측에서 전면의 호형 프로파일이 후면 호형 프로파일 보다 완만하게 형성되어 길이 방향에서 외측 부분이 더 큰 두께를 갖도록 형성된다. 또한, 범퍼 빔(100)은 길이방향 양측에서 상대적으로 더 증가된 높이를 갖도록 형성된다.

범퍼 빔(100)을 보여주는 도 2의 사시도 및 도 3의 단면도를 참조하면, 빔부(110)는 상면(102), 하면(103), 폐쇄된 전면(104)을 가지며, 후면이 개방된 'ㄷ'자 단면 형상으로 오목한 길이방향 연장홈(111)이 형성된 절곡된 단면 부분을 가진다.

도 2를 참조하면, 길이방향 연장홈(111)은 빔부(110)의 중간부분에서 양측의 크래쉬 박스부(120)가 형성된 부분까지 연장되며, 길이방향 양측에서 범퍼 빔(100)의 높이 증가에 대응하여 길이방향 연장홈(111)이 상하방향 높이도 증가한다. 본 발명의 실시예의 절곡 단면은 변형될 수 있으나, 적어도 길이방향 연장홈(111)을 포함한다.

길이방향 연장홈(111) 내에는 충돌시 에너지 흡수 능력이 우수하도록 서로 교차하는 방향으로 배치된 구획 리브들(112)이 길이방향으로 다수개가 이격되어 구비된다. 이로 인해 길이방향 연장홈(111) 내의 공간이 분할, 구획되고, 강도가 보강된다.

범퍼 빔(100)은 생산 비용을 최소화하기 위해, PP, PET, PA6 등의 열가소성 수지 및 열가소성 수지 기반의 다양한 컴파운드(TPO(Thermoplastic PolyOlefin)) 및 복합소재(LFT) 등이 포함된 복합 플라스틱 소재를 적용하여 성형된다.

한편, RCAR 요구 성능에 대응하기 위해 범퍼 빔(100)의 길이방향 양측에는, 자동차 차체의 전후방향으로 장착되는 사이드멤버(미도시)에 조립 브라켓(미도시)을 통해 결합되며 빔부(110)에 일체형으로 형성되는 크래쉬 박스부(120)를 포함한다.

크래쉬 박스부(120)는 저속충돌 법규 및 RCAR의 형상 요구 성능을 만족하기 위하여, 전면이 개방되고 후면이 폐쇄된 역'ㄷ'자 단면 형상으로 측벽에 의해 둘러싸인 박스형 형상을 가지며, 대략적으로 사각형 단면 형상을 가진다. 그러나 사각형 단면 형상에 국한되지 않고 원형 및 다각형의 다양한 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 크래쉬 박스부(120)는 충돌시 에너지 흡수 능력이 우수하도록 크래쉬 박스부(120)의 측벽 내부에 보강 리브(130)가 구비된다. 보강 리브(130)는 측벽 내부에서 종방향을 따라 반복적으로 배치되는 복수의 수직형 보강 리브(131)와, 수직형 보강 리브(131)와 교차되면서 횡방향으로 연장되는 복수의 수평형 보강 리브(132)를 포함한다.

이와 같은 보강 리브(130)는 크래쉬 박스부(120)의 측벽 내부에서 수직형 보강 리브(131)와 수평형 보강 리브(132)가 서로 교차하도록 배치된 격자 구조가 형성된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 빔부(110)의 개단면 부분의 상부와 하부에는 각각 상방과 하방으로 교차하여 형성된 플랜지부(101)가 구비된다.

도 3을 참조하면, 빔부(110)의 수평면과 플랜지부(101)의 수직면의 교차 부분에는 각각 연속섬유 복합재로 이루어지며 5 ~ 12mm 직경을 가지는 봉 형상의 보강재(200)가 범퍼 빔(100)의 길이 방향으로 인서트 사출 성형되며, 범퍼 빔(100)의 굴곡 강성 및 굴곡 강도의 향상을 도모하게 된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 이와 같은 보강재(200)는 폐곡선 형상이 아닌 개곡선 형상으로, 유리섬유, 아라미드섬유 또는 탄소섬유 등이고 PP, PET, PA6 등의 열가소성 수지로 이루어진 연속섬유 보강 복합재료로서 크래쉬 박스부(120)를 제외한 플랜지부(101)가 형성된 범퍼 빔(100)의 빔부(110)에만 한정하여 형성된다.

보강재(200)는 단면이 원형, 타원형이 일반적이나 국부적 또는 전반적으로 사각형, 반원형 또는 자유 단면 형상도 채택 가능하다.

보강재(200)는 범퍼 빔(100)의 위아래 각각 서로 다른 단면적을 가지는 형태로 삽입 가능한데, 범퍼 빔(100)의 상부 1/2의 단면 강성과 범퍼 빔(100)의 하부 1/2의 단면 강성이 동일하도록 서로 다른 단면적을 가지는 보강재(200)의 사용이 가능하다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제1실시예에 따른 자동차용 크래쉬 박스부(120) 일체형 빔부(110)를 포함하는 범퍼 빔(100)에는 동일한 직경(Φ7mm)을 가진 보강재(200)가 빔부(110)에 인서트 사출 성형된 것이다.

이하 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템의 제2실시예를 설명함에 있어 본 발명의 제1실시예와 동일한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며 반복적인 구성을 피하기 위하여 이들 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 제2실시예는, 본 발명의 제1실시예와 동일한 범퍼 빔(100)의 외형을 가지고 있으나 삽입된 보강재(200)의 크기가 서로 다른 경우로 상부의 보강재(200)의 직경은 8mm이고, 하부의 보강재(200)의 직경은 6mm인 범퍼 빔(100)이 적용된 것이다.

여기서, 종래 기술에 따른 비교예는 제1 및 제2실시예와 동일한 범퍼 빔(100)의 외형을 가지고 있으나, 보강재(200)를 삽입하지 않고 TPO 사출 소재로만 구성된 범퍼 빔(100)이 적용된 것이다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템은 빔부(110)에 보강재(200)가 인서트 사출 성형되고, 빔부(110)에 크래쉬 박스부(120)를 일체형으로 하여 복합 플라스틱 소재를 사출 성형으로 제조한 것이다.

복합 플라스틱 소재를 사출 성형 공법에 적용하기 위해서는 충돌시 범퍼 빔(100)이 충돌에너지를 충분히 흡수하여 범퍼 빔(100)의 파괴가 발생하지 않아야 한다. 범퍼 빔(100)의 파괴가 발생하지 않으려면 치수 안정성과 저온 환경의 특성을 고려하여 소재의 신율 또는 파괴 강도를 증대시켜야 하는데, 소재 특성상 신율을 증대시키면 소재 강도가 저하되고, 소재 강도를 증대시키면 신율이 감소하여 소재적으로 충돌에너지에 대한 흡수율을 증대시키기 어려운 것이 현실이다.

따라서 본 발명에 따른 범퍼 빔 시스템은, 저속충돌 법규 성능과 손해보험사 요구 성능을 동시에 만족시킬 수 있는 사출 성형에 의한 PP, PET, PA6 등의 열가소성 수지 및 열가소성 수지 기반의 다양한 컴파운드(TPO(Thermoplastic PolyOlefin)) 및 복합소재(LFT) 등이 포함된 복합 플라스틱 소재를 이용하여 제조된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템에 대해 설명하였다. 위와 같은 자동차용 범퍼 빔 시스템의 성능을 평가하기 위해 인용기술과 본 발명에 대한 구조 해석을 실시하였다.

구체적으로, 일반적인 종래 기술에 따른 범퍼 빔 시스템과 본 발명에 따른 범퍼 빔 시스템의 풀 배리어(FULL BARRIER) 충돌 테스트와, 40% 오프셋(OFF-SET) 충돌 테스트에 대한 구조 해석을 실시하였으며, 그 결과를 아래의 표 1과 도 5 및 도 6에 나타내었다.

도 5는 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템의 풀 배리어(FULL BARRIER) 충돌 테스트를 구현한 구조해석 결과를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템의 40% 오프셋(OFF-SET) 충돌 테스트를 구현한 구조해석 결과를 나타내는 도면이다.

표 1, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 테스트 결과, 동일한 자동차 테스트 조건에서, 풀 배리어(FULL BARRIER) 충돌 테스트 및 40% 오프셋(OFF-SET) 충돌 테스트의 시뮬레이션을 실시한 결과, 연속섬유 복합재료 보강재(200)가 삽입된 본 발명에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템이 충돌 에너지에 대한 최대 변형량과, 침입량에 대해 종래 기술에 따른 자동차용 범퍼 빔 시스템보다 현저하게 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.

표 1과 도 5를 참조하면, 동일한 직경의 보강재(200)를 삽입한 제1실시예의 충돌 테스트 시뮬레이션 결과인 (a)의 경우보다 강성이 강한 부분과 약한 부분에 따라 직경이 서로 다른 보강재(200)를 선택적으로 삽입한 제2실시예의 충돌 테스트 시뮬레이션 결과인 (b)의 경우가 더욱 개선된 테스트 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 범퍼 빔 101 : 플랜지부
110 : 빔부 111 : 길이방향 연장홈
112 : 구획 리브 120 : 크래쉬 박스부
130 : 보강 리브 131 : 수직형 보강 리브
132 : 수평형 보강 리브 200 : 보강재

Claims (8)

1. 크래쉬 박스부와 빔부가 포함되어 일체형의 범퍼 빔을 포함하는 자동차용 범퍼 빔 시스템에 있어서,
   상기 크래쉬 박스부와 상기 빔부는 각각의 개단면이 서로 역 방향으로 배치되며,
   상기 범퍼 빔의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 보강재가 인서트 되고,
   상기 보강재는 범퍼 빔의 빔부에만 구비되고,
   상기 범퍼 빔의 개단면의 상부와 하부에는 각각 상방과 하방으로 교차하여 형성된 플랜지부가 구비되며,
   상기 보강재는 상기 범퍼 빔의 수평면과 상기 플랜지부의 수직면의 교차 부분에 인서트 된 것이고,
   상기 보강재는 범퍼 빔의 위아래에 각각 서로 다른 단면적을 가지도록 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차용 범퍼 빔 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 보강재는 탄소섬유, 아라미드섬유 및 유리섬유 중 어느 하나 이상의 보강섬유가 보강된 연속섬유 보강 복합재료로 성형되는 것을 특징으로 하는 자동차용 범퍼 빔 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 보강재는 PP, PET 및 PA6 중 어느 하나로 이루어진 열가소성 수지로 함침된 것을 특징으로 하는 자동차용 범퍼 빔 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 크래쉬 박스부와 빔부는, 'ㄷ'자 단면 형상으로 형성되고,
   'ㄷ'자 단면 형상의 개방되는 방향이 서로 다른 것을 특징으로 하는 자동차용 범퍼 빔 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 크래쉬 박스부의 측벽 내부에는 보강 리브가 구비되되,
   상기 보강 리브는 상기 측벽 내부에서 종방향을 따라 반복적으로 배치되는 복수의 수직형 보강 리브와, 상기 수직형 보강 리브와 교차되면서 횡방향으로 연장되는 복수의 수평형 보강 리브를 포함하며,
   상기 크래쉬 박스부의 측벽 내부에서 상기 수직형 보강 리브와 상기 수평형 보강 리브가 서로 교차하도록 배치된 격자 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차용 범퍼 빔 시스템.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 크래쉬 박스부 일체형 빔부를 포함한 범퍼 빔 시스템은 열가소성 수지, 상기 열가소성 수지 기반의 컴파운드(TPO) 및 복합소재(LFT)가 포함된 복합 플라스틱 소재로 성형되는 것을 특징으로 하는 자동차용 범퍼 빔 시스템.

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