KR20050026822A - 탄성체 범퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 범퍼 중 에너지 흡수용 폼재를 탄성체로 바꾸고 레일의 구조를 바꾸어 RCAR(자동차수리성연구위원회) TEST에서 파손되는 차량부품 수를 줄여 수리기간 단축 및 수리비용을 줄일 수 있는 충격 완충 범퍼에 관한 것이다.

탄성체 범퍼는 압축공기를 일정하게 유지할 수 있는 기밀성 공기주머니 및 고탄성 공기주머니로 이루어진 에어백모듈을 만들고 이것이 부푸는 것을 막고 이들을 자연조건에서 보호할 보온재로 이들을 감싸고 나서 성형성을 좋게 하기 위한 철제나 플라스틱 케이스로 싸서 충격흡수모듈을 만들어 이를 지지할 수 있는 강한 레일과 함께 완충력을 크게 해서 RCAR 기준에서 수리비를 절감토록 하는 것이다.

Description

탄성체 범퍼{Elostomer Bumper}

본 발명은 자동차의 범퍼에 관한 것이다.

자동차는 속도와 질량이 커서 교통사고 시 많은 수리비가 드는 것을 피할 수 없다. 단순히 일정속도에서 수리비만 줄이고자 하면 거의 모든 승용차가 갖는 크럼블존(CRUMBLE ZONE)을 없애고 강하게 하면 해결할 수 있다. 이는 차 사이드멤버의 크로스멤버부터 30cm를 취약부로 만들어 작은 충격에서도 쉽게 부서지게 만들어 놓은 부분을 말하는데 이 취약부만 없애면 강하게 된다.

그러나 이렇게 강하게 하면 48kph 안전성 실험에서 나쁜 결과가 예상될 수 밖에 없다. 왜냐하면 앞에서의 부서짐이 없음으로 인해 모든 충돌에너지가 뒤로 전달될 수밖에 없고, 자연스럽게 승객에게 고스란히 전달될 수밖에 없음으로 인해 안전성문제가 야기될 수밖에 없는 것이다.

자동차 100년사에서 여러 과학자들이 개량 개선해서 사용중인 현재의 자동차 구조 변화없이 단지 범퍼내의 소재와 구조만 바꾸어 15kph 100％ 정면 충돌시 차량의 손상성을 줄이고 수리비를 절감하면서 48kph 안전성 충돌에서도 나쁜 영향을 끼치지 않는 그런 범퍼를 고안하고자 하는 것이 그 목적이다. 그러나 본 고안에 맞는 차체의 사이드멤버를 구성한다면 본 고안물이 보다 효과적으로 작동할 수 있게 되어 완충력이 더 좋아질 것이고 앞에서 본 고안물이 어느정도 완충을 해주므로 인해 안정성도 향상시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

15kph 100％ 정면충돌은 국제적인 연구기관인 RCAR의 실험 기준속도의 방법이고 전체 교통사고량의 약 70％이다.

지금은 기존 범퍼의 틀에 맞추어야 하므로 고안에 어려움이 많으나 향후 본 고안의 효과가 인정되어 본 고안에 맞는 차체 프레임을 장착하면 수리비를 지금보다 더 많이 줄일 수 있는 획기적인 고안이 될 것이다. 전기자동차가 상용화되기 시작한다면 전기셀을 보호하기 위한 완충재가 필수적이라 생각되는데 이때 본 고안이 제일 적합하리라고 본다. 왜냐하면 전기자동차는 기존자동차처럼 부서지면서 완충시켜 줄 부품이 없어 딱딱할 것이기 때문이다. 그때는 일방향이 아닌 360° 모든 방향에서 전기셀을 보호할 수 있는 완충재가 필요할 것인데 압축공기가 든 부드러운 소재를 이용한 본 고안이 최고로 적합할 것이라 할 수 있다. 또한 차구조를 측면충격(30km/hr)에 대항할 수 있게 에이, 비 및 씨 필라(A,B & C Pillar) 등을 좀 강한 쪽으로 바꾸고 본 고안물에 더 큰 공기압을 주입할 수 잇게 개량하여 차량 측면 도어, 필라 내부공간 및 바닥면의 중공부분 등에 삽입하면 측면충돌시(30km/hr)에도 완충효과를 기대할 수 있다.

현재 캐나다와 사우디아라비아는 8kph 범퍼 장착을 의무화하고 있다. 그러나 미국이나 우리나라를 포함한 많은 나라가 4kph 범퍼 장착을 의무화하고 있다. 이는 4kph, 8kph 충돌 사고시 범퍼나 차체가 부서지지 않아야 되는 것을 의미한다.

그러나 이 정도 속도에서의 충돌사고는 별로 없고 15kph 정면 100％에서 약 70％이상의 교통사고가 발생하고 있고 이때 승용차의 경우 수리비가 약 us$ 2000~ 3000/대 정도의 비용이 드는 것이 현실이다.

이를 속도별로 기술 현황을 보면 다음과 같다.

0-8kph : 현재 기술로 충분하고 현재의 법규에 맞는 시스템이다.

8-12kph :수리비도 별로 들지 않고 쉽게 수리 가능하다. 부품 중 볼트만 갈아끼우는 정도로 가벼운 정도다.

BMW는 "Impact box"나 "Rollup back tubes"로 AUDI는 "Pressed tube"로 다른 제작사들은 쇠, 플라스틱 등을 범퍼와 프론트사이드멤버 사이에 변형재로 부착해서 8-12kph의 충격에서 충돌에너지의 감소를 꾀하고 있다.

12-15kph : 설계 자체가 잘되어 있어 엔진부착부위 근처, 즉, 사이드멤버 처음 앞쪽 30cm 정도까지만 부서지도록 설계되어져야 한다.

15kph 정면 100％ : 이때의 평균 수리비가 약 us$ 2000-3000/대 정도 필요한 것으로 통계에 나타나고 있다.

15kph up : 사이드멤버 연장선은 물론 중앙부까지 무너진다. 잘못된 경우 bulkhead까지 부서지는 경우도 있다.

즉, 최강과 최약을 모두 만족시켜야 하는 아주 어려운 조건이다. 현재의 기술력과 소재로 저속충돌에서의 조건을 쉽게 만족시킬 수 있으나 고속까지 동시에 만족시키기가 어렵기 때문이다.

위에서 언급한 BMW의 임팩트박스는 지름 약50mm, 길이 약 200mm, 스트로크 길이 약 100mm 정도의 쇼크압소버(Shock absorber)를 말하는데(도-7) 내부 공기압이 약 100바 들어있다. 충돌시 로드가 약 50mm정도 밀고 들어가서 완충을 하는 시스템인데 한계는 12km이하이다. 그러나 세계에서 제일 좋다는 평을 받고 있고 지금도 사용되고 있다.

지금까지의 일반적인 범퍼의 완충은 이피피(E.P.P)같은 이에이에프(Energy Absorbing Foam)를 받쳐주기 위해 "ㄷ"자 형태의 레일(301)이 차량 정면 방향으로 앞뒤를 바꿔가면서 차의 특성에 맞게 사용하고 있다. 그러나 이는 이에이에프를 감싸주어 완충력을 약간은 높여주는 것을 기대할 수 있지만 근본 방법은 레일 자체를 잘 부서트려 완충시키는 것이다.

지금까지의 충돌실험에서 부서짐의 형태를 보면 레일(504)이 날개(505)부분이 부스러지고 이에이에프(506)가 짖눌리고 레일 자체가 꺾이고 나서 크럼블존 (502)이 부서지기 때문에 크럼블존 뒷부분에 위치한 엔진마운틴 부분이 뒤로 약 3-10cm 정도 밀려나게 되는 것이 보통의 부서지는 형태이다. 따라서 이를 바로잡기 위해서 차량을 분해 재조립하다보니 수리비가 많이 나오게 되어 있는 것이다.

현재 범퍼에 관련된 실험은 범퍼충돌실험과 범퍼안전성실험이 있다.

범퍼실험은 4kph, 8kph의 저속충돌실험이고, 48kph는 안전성실험인데, 시판되는 모든 자동차는 이 두가지 법규는 만족시켜야 하는 것이다. 저속대와 고속대의 충돌에너지량 차이는 4kph 기준 약 144배, 8kph 기준 약 36배이다.

모든 승용차가 이 극한 조건을 모두 만족시키고 현재의 자동차 구조가 나온 것이다.

저속충돌은 쉽게 만족시킬 수 있으나 문제가 되는 고속충돌에서 승객의 안전성을 만족시키기 위해서는 앞에서부터 쉽게 부서져서 완충할 수 있는 것이 있어야만 승객의 사망률을 줄일 수 있다. 이를 위해 사이드멤버의 처음 앞부분 30cm정도를 깨지기 쉬운 부분(Crumble Zone)으로 만들어 부품들이 앞에서부터 차례로 부서지면서 완충을 하도록 설계되게 된 것이다. 따라서 15km RCAR기준에서 엔진장착부위까지 쉽게 부서질 수밖에 없는 구조를 갖게 되는 것이다. 그렇게 해도 못미더워서 에어백 장착을 의무화시키는 것 또한 현실이다.

크럼블존을 없애면 세계 교통사고 발생량의 70％를 차지하는 수리비 절감요인을 줄일 수는 있으나 48kph의 승객안전성실험에서 만족을 못시키기 때문에 현재는 크럼블존이 절대적으로 필요한 것이다.

따라서 중간 속도인 15kph 정면100％에서 대부분의 차가 크럼블존이 무너지게 되므로 수리비가 높게 나오게 되는 결과가 야기된 것이다.

이를 해결하기 위해 전세계 14개국에 26곳의 RCAR(자동차 수리성 연구위원회)가 구성되어 있다. 그러나 아직 연구가 끝나지 않은 상태이므로 본 고안의 가치가 있는 것이다.

본 발명은 비엠더블유(B.M.W. 자동차메이커)에서 기존에 사용하고 있는 임팩트 박스(Impact Box)의 케이스를 딱딱한 것에서 가변적인 케이스를 만들고 로드를 없애버려 스트로크거리를 없애고 공간활용도를 높히고 접촉면적을 넓게 하여 단위면적당응력(kgf/㎠)을 줄임으로써 좋은 완충력을 갖는 탄성체범퍼를 고안하고자 하는 것이다. 이 탄성체 범퍼는 본인이 기출원한(접수번호 1-1-2003-5114074-98) 압축공기가 주입된 가변적 충격흡수재를 이용하는 것이다.

기밀성 제1공기주머니와 고탄성ㆍ고강성을 갖는 제2공기주머니로 이루어진 에어백모듈(100)이 보온재(202)와 코드락천 및 쇠등의 강성케이스(201)로 다시 감싸져서 가변적 충격흡수재(200)를 이루고, 이것이 다시 강성레일(600) 안에 들어가 있는 구성이 된다.(도-4 참조) 이것이 연결 부라켓(408)에 의해 자동차 본체에 연결된다.

가변적 충격흡수재에는 공기주입구와 안전변이 있고 강성레일은 레일 뒤쪽이 레일 날개보다 강하고 날개는 예각으로 굽은 형태이다.

예상 충격량에 따라 가변적 충격흡수재를 1개 또는 2개 이상을 레일 안에 삽입하여 사용한다. 이는 전적으로 예상 충격량의 크기에 따라 또는 차량의 디자인에 따른 사용공간에 의해 결정된다. 이때 가변적 충격흡수재의 크기, 압력, 사용수량 , 배치 및 케이스의 소재는 사용자의 목적에 따라 조정할 수 있다.

예를 들면 소형차, 중형차 및 대형차의 경우에 같은 충돌속도라도 차의 중량의 차이에 따라 그 충격량이 틀리고 또 차의 디자인에 따라 범퍼가 차지하는 공간의 크기가 차이가 나므로 각각의 충격량에 맞게 달리 사용할 수 있다. 또한 기능을 달리하기 위해 알카용(15km/hr), 측면충돌용(30km/hr), 고속충돌용(48km/hr 이상)으로 각각 다른 충격량에 대응하야 하므로 강한 힘에는 강한 케이스를 사용한 가변적 충격흡수재를 사용하고 보행자보호용은 충돌대상이 사람이므로 안전에 신경을 써야 한다. 따라서 가변적 충격흡수재는 부드러워서 변형이 잘 일어나야 하므로 코드락천 같은 것을 사용하여야 하며 둘을 같이 사용해도 된다. 차체쪽으로 전자를, 그 앞 훼시아 쪽에 코드락천을 이용한 가변적 충격흡수재를 배치하여 사용하면 현재의 법규에서 정한 보행자 충돌실험에서 본 고안물의 변위에 의해 완충이 되므로 보행자가 덜 튀어 올라 본네트 위에 떨어질 때의 충격량이 감소되므로 보호 받을 수 있게 되는 것이다. (도-4 참조)

(도-1) 에어백 모듈(100) 단면도

본 고안물의 가장 기초가 되는 에어백모듈(100)의 그림이다. 이는 기밀도가 "0"으로 공인된 부틸고무로 만든 튜브나 함석 등 얇은 금속류판을 밀봉해서 기밀성 제1공기주머니(101)를 만들어 상품의 수명 안에서는 원하는 공기압이 유지되도록 해야한다.

고탄성 제2공기주머니(202)는 공기의 폭팔력과 소재의 탄성 및 소성을 이용변형하면서 완충을 하게 되는 것이다.

제2공기주머니(202)의 소재로는 TPU나 부틸고무가 강성이나 탄성으로 봤을 때 바람직하다. 제2공기주머니는 큰 충격량을 견디어내야 하기 때문에 고탄성 및 고강성을 갖고 있는 소재라야 한다. 그래야만 큰 충격량에서 견디어 낼 수 있어 탄성변형을 할 수 있다.

부틸고무를 제2공기주머니(206) 소재로 쓸 때에는 비닐류로 이를 완전 밀봉해서 부틸고무와 오존의 접촉을 차단해서 부틸고무의 결점인 오존 크랙을 막아 공기압의 변화를 막아줄 수 있어 상품수명을 연장시킬 필요가 있다.

이들은 안전변(104)과 공기주입구(105)를 갖는다. 공기주입구(105)는 기존 자동차나 오토바이 튜브에 사용되는 시스템을 사용해서 필요시 공기를 주입할 수 있다.

안전변(104)은 기존 콤프레셔 등에서 압력조절용으로 사용하는 것을 스프링만 바꾸어 사용한다. 다른 방법으로는 솔레로이드벨브를 이용하여 공기를 배출하는 것인데, 기존의 방법으로는 전기반응속도가 느리므로 짧은 순간에 일어나는 자동차 충돌사고를 따라잡기 못하므로 테이프 스위치를 밧데리에 연결하여 전원으로 이용하고 충돌시에는 테이프스위치의 특성상 테이프스위치가 눌러져 있음으로 계속 켜 있는 상태로 반응하여 공기를 빼주도록 하는 것도 추천될 만 한다. 비과학적이기는 하지만 칼, 송곳 등의 물리적인 방법으로 터트려도 완충효과는 향상되는 것으로 그간의 실험에서 입증되었다.

(도-2) 가변적 충격흡수재(200) 단면도

가변적 충격흡수재(200)는 에어백모듈(100) 밖을 함석 등 얇은 철판으로 만든 케이스(201)로 덮인 형태이다. 자연상태에서 에어백모듈(100)을 보호하기 위해 보온재(202)가 중간에 들어있다. 에어백모듈(100)에 공기가 주입되면서 소재가 늘어나게 되는데 케이스(201)는 에어백모듈이 필요이상 늘어남을 막고 원하는 형태를 유지시켜 주는 역할을 한다. 또한 소재가 늘어나지 않음에 따라 공기압을 많이 주입할 수 있어 높은 공기압 때문에 어느 정도까지는 가변적 충격흡수재(200)가 더 큰 완충력을 갖게 된다. 이는 범퍼처럼 한정된 공간에서 사용되어야만 할 때는 아주 유리한 조건이다. 왜냐하면 압력을 올릴 때마다 어느 정도까지는 재료의 증가없이 힘을 늘릴 수 있기 때문이다. 이 힘이 충돌시에 초기 대응시간을 늘려줌으로 인해 완충소재로 좋은 커브 형태인 마름모 형태의 변형곡선을 갖는 소재로 바뀌게됨으로써 본 고안이 힘을 갖게 되는 것이다.

쇠 케이스의 구조는 측면쪽을 전후상하쪽 보다 약하게 하여 충돌시 변위 (Displacement)를 일으킬 때 구속을 하지 못하게 하는 것이 추천될만 하다. 자동차 충돌에서는 정면쪽에서 후면으로의 변위가 대부분이기 때문이다. 방법으로는 측면부에 취약부를 만들던지, 두께를 얇게 한다던지 등의 방법이 있다. 변위를 크게하기 위한 다른 방법으로는 케이스를 일체형으로 하지말고 상하 또는 좌우 일방향으로 직진운동을 할 수 있도록 만드는 것도 추천될만하다. 그러하면 앞쪽 케이스가 뒤쪽 케이스를 지나는 형태(도-8 참조)가 되어 변형거리를 크게 할 수 있으므로 완충능력을 좋게 할 수 있다.

케이스로 사용되는 쇠는 강하기 때문에 원하는 방향으로 소성변형 시키기 위해 취약부의 종류와 방향을 잘 선택해서 만드는 것이 유리하다.

안전변(104)과 공기주입구(105)는 가변적 충격흡수재(200)를 관통하여 연결된다. 충돌후 에어백모듈(100)의 내부 체적이 줄어들 때 내부압이 늘어나게 되는데 이때 안전변으로 공기를 적당히 빼주므로서 완충력을 극대화시킬 수 있는 것이다.

(도-3) 충돌형태

그간의 자체 실험에서 충돌실험을 하면서 고속카메라로 찍은 필름을 분석하여보면 본 그림과 같은 양태 때문에 실패를 보는 경우가 많았다. 그 이유는 15km/hr에서 실험차량과 같은 질량(본인의 경우 1,400kg 소나타급)으로 충돌하면 보통 약 13000kgf의 힘이 추(302)에 달아논 로드셀에서 나타난다. 이때 완충역할을 하는 가변적 충격흡수재(200)가 평레일(301) 뒤로 (충돌후) 그림처럼 넘어가 버려 가변적 충격흡수재 만에 든 압축공기가 레일(301)과 추(302)사이에 있지 못하고 필요 없는 곳에 있음으로 인해 레일에 맞부딪히는 (Bottom-up)경우가 발생함으로 이를 막아줄 필요가 절실하게 요구되었다. 왜냐하면 자동차는 범퍼의 완충능력도 중요하지만 고속충돌에서 요구하는 안전성이 더 중요하고 더 잘 팔리기 위해 디자인도 중요하기 때문에 현재처럼 전체 충격에너지의 약 3％이하의 역할밖에 못하는 범퍼를 위해 많은 공간을 할애할 수 없다. 따라서 제한된 공간밖에 이용할 수 없기 때문에 되도록이면 15-30cm 전후의 제한적인 공간에 맞는 완충재를 사용할 수밖에 없는데 상기 경우처럼 소재가 흩어지는 경우는 완충력이 떨어질 수밖에 없어 곤란하다.

그리고 본인이 도-9(구조해석모델), 도 9-1(구조해석모델결과 그래프)에서 보듯이 구조해석상 기존 범퍼구조가 충돌시 부서지는데 100ms가 소요되는 것을 본 고안물을 장착했을 때는 45ms로 지연 시켜 주는 것으로 나타났다.

대차충돌실험(15km/hr)에서 Ø160×600mm의 가변적 충격흡수재에 40PSI의 압력을 넣고 실험했을 때 대차 중앙의 xg값을 30g에서 16g(중력가속도)정도로 완충되는 것을 확인할 수 있었다.(도 9-2/가변적 충격흡수재 장착실험의 xg값 그래프). 30PSI, 50PSl에서는 완충효과가 없었다. 그러나 이 실험에서는 안전변을 장착하지 않았기 때문인데 나중에 본 고안처럼 압력을 더 삽입하고 공기배출시스템을 장착하면 더 큰 힘(빠른속도, 질량)에서도 완충력을 발휘할 수 있을 것으로 기대할 수 잇다. 즉, 30km/hr, 또는 48km/hr 충돌에서의 안전성에까지 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상한다.

(도-4) 본 고안의 단면도

레일뒤쪽(402)이 있고 레일날개(405)가 있는데 레일뒤쪽은 (도-3)에서 설명되듯이 15km/hr 정면충돌에서 부서지지 않고 견디어 내기 위해 두껍게 표시되어 있다. 필요하면 립 등의 보강재를 덧붙여도 된다.

그러나 레일날개(405)쪽은 훼시아(401)쪽으로 88°이하의 예각을 이룬 형태이고 레일뒤쪽(402)보다 훨씬 얇게 그려져 있다. 이것이 예각으로 되어 있는 것은 충돌시 가변적 충격흡수재들이 레일뒤쪽으로 넘어가지 못하게 감싸 안을 목적으로 그리 만든 것이다. 또한 레일날개가 상대적으로 얇게 되어 있는 것은 있기는 있어야 하나 두꺼울 필요가 없기 때문이다. 레일 날개가 없거나 88。를 넘어가 버리면 가변적 충격흡수재가 레일 뒤로 넘어가기 때문인데 얇아도 있으면 훼시아(401)가 앞에 있기 때문에 이것이 감싸서 밀고 들어오기 때문에 레일뒤쪽(402)으로 넘어가지 못하게 함으로써 내부공간이 줄어들어 압축공기의 압력이 더 높아지게 됨으로써 완충을 보다 효과적으로 할 수 있는 것이다. 압력이 너무 높아지면 충돌에너지가 크럼블존(502)의 취약부를 부수거나 피해서 더 뒤쪽을 부서트릴 우려가 있음으로 공기배출시스템이 필요하다. 방법으로는 안전변이나 솔레노이드벨브를 이용하면 되는데 기존의 안전변에서 설정압을 예상하여 스프링만 바꾸어 사용하면 되고 솔레노이드 밸브의 경우 전원을 차량의 밧데리를 이용하고 테이프스위치를 이용하여 충돌과 동시에 온(On)의 상태가 되고, 또한 충돌하고 있는 동안은 계속 온 상태로 있고 차량이 떨어지면 오프(Off) 상태가 되므로 이를 이용하는 것이 좋다. 비과학적이기는 하지만 칼, 송곳 등의 물리적인 방법으로 터트려도 완충효과가 좋아지는 것은 그간의 실험에서 입증되었다.

본 고안에서 철케이스 사용 가변적 충격흡수재(403/404)가 2개, 코드락천 케이스사용 가변적 충격흡수재(406) 1개씩 사용된 예를 도시해 놨는데, 이는 현행의 알카테스트의 충격량이 보행자 충격량보다 약 5배 정도 크고 사람이 차량이나 시설물보다 부드럽고 안전성을 고려해야 하므로 직접 접촉하는 쪽에는 부드러운 가변적 충격흡수재(406)을 배치했고 차체 쪽으로는 강한 가변적 충격흡수재(403/404)를 배치했다. 즉, 충격량, 사용공간 및 사용목적 등에 따라 가변적 충격흡수재의 수량이 가변적 충격흡수재 각각의 크기, 압력, 케이스의 종류 및 중복사용 및 배치방법 등을 선택해서 사용하면 완충효과를 더 극대화 시킬 수 있을 것으로 사료된다.

(도-5) 기존 차체프레임 평면도

크럼블존의 위치를 나타낸다.

(도-6) 강화레일(600)

도-3 충돌형태에서 설명했듯이 충돌시 가변적 충격흡수재가 레일 밖으로 흩어지는 것을 막을 구체적인 방법이 필요하다. 이를 위해선 우선 평레일(301)의 형태로는 안된다. 그리고 가변적 충격흡수재(200)를 잘 감싸 안을 수 있는 형태여야 한다. 그래야 충돌시 가변적 충격흡수재를 감싸안아서 힘이 흩어지지 않게 막을 수 있기 때문이다. 그리고 레일은 지금 사용되고 있는 것과는 달리(4ㆍ8kph) 15km/hr 알카(RCAR)충돌에서 무너지지 않을 정도의 강성을 갖도록 뒤쪽(402)이 강해야 한다.

그래야 충돌시 가변적 충격흡수재를 끝까지 받쳐주는 고정벽 역할을 하면서 완충을 해줄 수 있기 때문이다. 그러기 위해서는 레일뒤쪽(402)이 특히 강해야 한다.(필요하면 보강재를 대어도 된다.)그러나 위아래에 있는 레일날개(405)는 아주 약해서 가변적 충격흡수재(200)를 앞쪽에 있는 훼시아(401)와 함께 감싸 안는 형태를 갖추어야 하고 각도는 (도-6)처럼 88。보다 작은 예각을 이루어야 하고 레일뒤쪽(402)과 레일날개(405)가 접히는 경계 부분을 쉽게 꺾일 수 있게 취약부가 있는 것이 완충효과가 좋다. 이렇게 만든 것을 강화레일(600)이라 칭한다.

(도-7) B.M.W Impact absorber 사진

기존의 쇼크 압소버(Shock absorber)를 응용한 것으로 약 100바(Bar)의 공기압이 들어 있고 충돌시 로드가 약 50mm정도 후진하면서 완충시킨다. 후진시 압축공기의 압이 올라가면서 서서히 빠지는 시스템이다.

케이스가 길고 로드도 있어 자연 긴형태를 유지할 수밖에 없어 좁은 공간에서는 사용하지 못한다. 또한 로드의 헤드부분이 면적이 좁아 응력 kgf/㎠이 클 수밖에 없는 결점이 있다. 또한 한 방향밖에 작용을 못하는 결점도 있다.

(도-8) 분리형 케이스 단면도(충돌 전/충돌 후)

(도-2) 가변적 충격흡수재에서는 케이스가 일체형으로 된 것에 대해 주로 설명했는데 이 일체형보다 변위량(Displacement)을 더 크게 하기 위해서 상하 케이스가 서로 상하로 자유롭게 왕복운동을 할 수 있는 구조를 만드는 것이 중요하다.

케이스상(201)의 밑부분을 톱니형태로 하고 케이스하(201)의 어느부위에 톱니형태의 밑부분이 관통할 수 있게 구멍을 만들고 그 안에 에어백모듈(100)과 보온재(200)를 넣고 고정핀 등으로 고정시켜 놓으면 보통 때는 범퍼형태를 유지하고 있다가 충돌 시에는 상하(좌우)운동을 자유롭게 하여 충돌시 공기를 서서히 빼주면 변형량을 크게 할 수가 있다.

이를 위해 케이스상에 있는 톱니를 길게 하고 케이스하부에 있는 구멍을 톱니가 깊이 들어갈 수 있도록 길게 뚫어 놓으면 그 구멍 깊이 만큼 변위를 일으킬 수 있게 되는 것이다. 이때 케이스하부의 방향을 상하에서 좌우로 바꾸어 레일 뒤쪽 역할을 하게 하면 구조도 간단해지고 재료비도 줄일 수 있다. 변형거리도 길게 될 수 있어 완충력도 향상될 수 있게 된다. 그리고 나서 예상 충격량 이상일 때는 케이스상하도 부서질 수 있도록 취약부를 만들면 고속충돌시 안전성 향상에도 약간의 영향을 미칠 것으로 예상한다. 범퍼의 경우 뒤쪽 레일을 케이스하로 사용하고 앞에 케이스상을 대서 사용하는 경우도 예상할 수 있다. 차후 개발될 측면충돌 완충시스템의 경우 충격량은 크고 공간이 좁아 이 방법이 더 유리할 것으로 사료된다.

(도-9) 구조해석 모델

기존 범퍼와 본 고안물을 장착한 모델을 보여주고 그 밑에 충돌 후의 상태를 나타낸다. 기존 것의 브라켓이 부서진 모습을 보이고 본 고안물을 장착한 것은 덜 부서진 것으로 나타난다.

(도 9-1) 구조해석 모델 결과

가변적 충격흡수재를 장착한 것이 이의 작용으로 레일의 초기변형시기가 약 45ms로 지연되었으며 프론트엔드(Front end)부의 변형이 감소함을 할 수 있다.

(도 9-2) 대차실험결과 그래프

15m/hr 1,400kg 충돌시 차량의 16g(중력가속도)값을 나타낸다.

자동차 자체의 구조 변경없이 전세계 교통사고량의 70％, 보험지급액의 70％ 중에서 30％ 이상의 수리비용을 절감시킬 수 있는 획기적인 효과가 기대된다.

2005년 전세계적으로 실시예정인 보행자 보호용 범퍼실험에서도 탁월한 완충효과가 기대된다.

또한 48kph의 안전성 실험에서는 현재까지의 실험에서는 기존 에어백의 두부손상치(HIC)보다 약 10-20％ 정도 높으나 기존 차량보다는 20-30％ 적게 나오는 것으로 나타났다. 이는 기존 에어백 1개 값보다도 적은 값으로 승객 5명 모두를 보호해 줄 수 있는 획기적인 고안으로 기대된다.

향후 사이드 임팩트(측면충돌)에서 차량 자체의 완충재로 응용될 수 있는 효과도 기대된다.

[도-1] 에어백모듈

[도-2] 가변적 충격흡수재

[도-3] 충돌형태

[도-4] 본 고안의 단면도

[도-5] 기존 자체 프레임

[도-6] 강화레일

[도-7] 비엠더블유 임팩트 압소버(B.M.W. Impact Absorber)

[도-8] 분리형 케이스 단면도

[도-9] 구조해석 모델

[도9-1] 구조해석 결과 그래프

[도9-2] 대차충돌실험 결과 그래프

Claims (6)

1. 압축공기를 이용하기 위한 에어백모듈과 이를 보온재와 케이스로 감싸 만든 가변적 충격흡수재를 1개 또는 1개 이상을 강화레일에 넣어서 만든 것을 특징으로 하는 탄성체 범퍼.
2. 상기 1항에서 에어백모듈은 기밀성 공기주머니와 고탄성ㆍ고강성 공기주머니로 이루어진 것을 특징으로 한다.
3. 상기 1항에서 공기주입구와 공기배출시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
4. 상기 1항에서 가변적 충격흡수재를 구성하는 케이스는 플라스틱류, 코드락천 및 철 등 신장력이 적은 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
5. 상기 1항에서 강화레일을 레일뒤쪽이 레일날개보다 강한 것을 특징으로 하고 레일날개의 각도가 88°이하의 예각으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
6. 상기 1항에서 철제 케이스의 경우 측면부가 전후상하 보다 약하게 구성된 것을 특징으로 한다.