KR20120135314A

KR20120135314A - 충돌 에너지 흡수 구조체

Info

Publication number: KR20120135314A
Application number: KR1020127026307A
Authority: KR
Inventors: 다카유키 후타츠카; 다케시 후지타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-12-12
Also published as: JP2011218935A; WO2011126146A1; CN102834641A; KR101427020B1; JP4930620B2; CN102834641B

Abstract

구조가 복잡화되지 않고, 프레스 가공이 가능하여, 안정적인 변형 형상이 얻어지고, 변형 과정에서의 저항 하중이 고위 안정적이어서 에너지 흡수 효율이 높은 충돌 에너지 흡수 구조체를 제공한다. 통상을 이루고, 축방향으로 변형되어 충돌 에너지를 흡수하는 충돌 에너지 흡수 구조체로서, 축방향에 수직인 단면의 단면 형상이 단면의 중심에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭의 다각형으로서, 그 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 1.5 미만이고, 또한 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비가 2.3 이하이다.

Description

충돌 에너지 흡수 구조체{COLLISION ENERGY ABSORBING STRUCTURE}

본 발명은 자동차 등에 사용되는 충돌 에너지 흡수 구조체에 관한 것이다.

자동차 등의 차체에는 충돌시의 승무원 혹은 차체에 대한 충돌을 완화하기 위해서, 충돌시에 변형되어 충돌 에너지를 흡수하는 구조체가 형성된다. 이와 같은 충돌 에너지 흡수 구조체에 요구되는 성능으로서, 최근의 환경 문제를 배려한 차체 경량화의 관점에서 에너지 흡수 효율을 높여 단면을 컴팩트화하거나, 혹은 박육화하는 것이 요구된다.

이와 같은 충돌 에너지 흡수 구조체는 에너지 흡수 효율이 높은, 요컨대 변형이 개시된 후에도 변형 저항 하중이 고위 안정적이어서 높은 에너지 흡수능을 갖는 것이 요구된다. 충돌 에너지 흡수 구조체는 충돌시의 변형이 도 21 의 (a) 와 같은 불안정 변형에서는 충분히 충돌 에너지를 흡수할 수 없기 때문에, 도 21 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 동심원상에 있는 크고 작은 관상 구조체로 이루어지고, 축방향의 충돌 하중에 대해 작은 직경관이 큰 직경관에 몰입되면서 소성 변형됨으로써, 충돌 에너지를 흡수하는 것 (몰입형；예를 들어 특허문헌 1), 혹은 도 21 의 (c) 에 나타내는 바와 같이 축방향의 충돌 하중에 대해 구조체가 사복상 (蛇腹狀) 으로 소성 변형되는 것 (예를 들어 특허문헌 2 ? 7) 이 요구된다.

특허문헌 2 ? 7 중, 특허문헌 2 는 구조체의 단면에 패임부를 형성하여 다각 단면으로 한 것이고, 또 특허문헌 3 은 단면 중심으로부터 각 코너부를 연결하여 방사상의 중잔 (中棧) 을 갖는 단면 형상으로 하는 것이고, 특허문헌 4 는 8 자 단면 구조를 갖는 것으로, 모두 단면선 길이나 능선의 수를 증가시켜, 에너지 흡수 효율이 양호한 구조체를 얻는 것이다. 특허문헌 5 는 구조체 내부에 충전재를 구비함으로써, 충돌 흡수 성능을 높이는 것이다.

또, 특허문헌 6, 7 은 주로 충돌 하중을 수용하는 축방향에 대해 수직 방향으로 요철을 형성하여, 경사 하중을 포함하는 축방향의 충격을 받았을 때에도 연속적으로 좌굴되어, 도 22(c) 에 나타내는 사복상의 소성 변형이 생기도록 변형 형상을 제어하는 것이다.

일본 공개특허공보 소48-1676호 일본 공개특허공보 2008-284931호 일본 공개특허공보 2001-124128호 일본 공개특허공보 2008-296716호 일본 공개특허공보 2001-182769호 일본 공개특허공보 평2-175452호 일본 공개특허공보 2002-104107호

그러나, 상기 특허문헌 1 에 나타내는 몰입형인 것은 구조가 복잡해지기 때문에, 성형 공정의 증가를 초래하여 비용이나 생산성에 과제가 있다.

상기 특허문헌 2 ? 7 에 나타내는 구조체가 사복상으로 소성 변형되는 것은 이하와 같은 문제가 있다.

상기 특허문헌 2 의 기술은 한정된 스페이스를 유효 활용하면서, 에너지 흡수 효율을 높이는 수법으로는 유효하지만, 경사 하중을 포함하는 축방향의 충격을 받았을 때에, 크게 좌굴되어 변형 하중이 안정되지 않는 경우가 있고, 그러한 경우에는 에너지 흡수 효율이 저하된다.

상기 특허문헌 3, 4 에 개시된 기술에서는 단면 형상이 매우 복잡하여 단조 가공을 해야 하여, 일반적인 프레스 가공과 비교하여 비용 증가를 초래할 뿐만 아니라 생산면에서도 불리하다.

상기 특허문헌 5 에 개시된 기술에서는 충전재를 사용함으로써 구조체의 중량 및 비용이 증가된다.

상기 특허문헌 6, 7 에 개시된 기술에서는 축방향에 대해 수직으로 요철부를 형성함으로써 변형 형상이 안정되지만, 요철부에서 변형이 촉진되기 때문에 하중은 저위 안정적이어서 에너지 흡수 효율이 우수한 구조체를 얻는 것은 곤란하다.

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 구조가 복잡화되지 않고, 프레스 가공이 가능하며, 경량이고 또한 컴팩트하여, 안정적인 변형 형상이 얻어지고, 변형 과정에서의 저항 하중이 고위 안정적이어서 에너지 흡수 효율이 높은 충돌 에너지 흡수 구조체를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제는 이하의 (1) ? (6) 의 발명에 의해 해결된다.

(1) 통상을 이루고, 축방향으로 변형되어 충돌 에너지를 흡수하는 충돌 에너지 흡수 구조체로서,

축방향에 수직인 단면의 단면 형상이 단면의 중심에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭의 다각형으로서, 그 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 1.5 미만이고, 또한 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비가 2.3 이하인 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.

(2) 축방향으로 테이퍼상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 (1) 에 기재된 충돌 에너지 흡수 구조체.

(3) 선단부에 축방향으로 패인 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 에 기재된 충돌 에너지 흡수 구조체.

(4) 금속판을 프레스하여 성형된 프레스 성형재로 구성되는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 충돌 에너지 흡수 구조체.

(5) 적어도 2 개의 상기 프레스 성형재를 접합시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 (4) 에 기재된 충돌 에너지 흡수 구조체.

(6) 상기 프레스 성형재를 구성하는 상기 금속판은 270 ? 1500 ㎫ 의 인장 강도를 갖는 강판인 것을 특징으로 하는 (4) 또는 (5) 에 기재된 충돌 에너지 흡수 구조체.

본 발명에 의하면, 축방향에 수직인 단면의 단면 형상이 단면의 중심에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭이며, 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 1.5 미만이고, 또한 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비가 2.3 이하이기 때문에, 안정적인 변형 형상이 얻어진다. 그 때문에 에너지 흡수 효율이 높은 충돌 에너지 흡수 구조체가 생산성을 저해하지 않고 프레스 가공에 의해 얻어지고, 구조체의 컴팩트화나 경량화가 가능해진다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 충돌 에너지 흡수 구조체를 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 2 는, 본 발명의 다른 실시형태에 관련된 충돌 에너지 흡수 구조체를 나타내는 사시도이다.
도 3 은, 본 발명의 또 다른 실시형태에 관련된 충돌 에너지 흡수 구조체를 나타내는 사시도이다.
도 4 는, 도 1 의 충돌 에너지 흡수 구조체의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는, 도 1 의 충돌 에너지 흡수 구조체의 제조 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 은, 본 발명예 1 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스크로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 7 은, 본 발명예 2 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 8 은, 본 발명예 3 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 9 는, 본 발명예 4 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 10 은, 본 발명예 5 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 11 은, 본 발명예 6 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 12 는, 본 발명예 7 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 13 은, 비교예 1 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 14 는, 비교예 2 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 15 는, 비교예 3 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 16 은, 비교예 4 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 17 은, 비교예 5 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 18 은, 비교예 6 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 19 는, 비교예 7 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 20 은, 비교예 8 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 나타내는 도면이다.
도 21 은, 충돌 에너지 흡수 구조체의 변형 형태를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

＜구조체의 형상＞

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 충돌 에너지 흡수 구조체를 나타내는 것으로, 도 1 의 (a) 는 사시도이고, 도 1 의 (b) 는 단면도이다.

본 실시형태에 관련된 충돌 에너지 흡수 구조체는 도 1 의 (a) 에 나타내는 바와 같이 기본적으로 통상체로 이루어지고, 일방의 단부 (예를 들어 상단) 가 충돌 선단이 되어, 그 충돌 선단에 충돌물이 충돌했을 때에 축 (L) 방향으로 변형됨으로써 충돌 에너지를 흡수하게 되어 있다.

도 1 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 축 (L) 방향에 수직인 단면의 형상은 단면의 중심 (O) 에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭의 다각형으로 이루어진다. 도면은 단면 형상이 오목부를 포함하는 16 각형인 경우를 나타내고 있다.

축 (L) 에 수직인 단면의 형상을 이와 같이 다각형으로 함으로써 프레스 가공에 의해 생산 가능하고, 단면선 길이를 긴 것으로 할 수 있기 때문에 한정된 스페이스에서 충돌 성능을 향상시킬 수 있다.

또, 충돌시의 하중은 예를 들어 축방향으로 입력되는 경우에 한정되지 않고, 축방향에 대해 각도를 가진 경사 하중을 받는 경우도 상정되며, 이와 같은 경사 하중을 포함하는 충돌을 받았을 때에, 크게 좌굴되거나 혹은 국소적인 절곡에 의해 부재의 변형이 불안정화되면, 변형 하중의 저하가 생겨 에너지 흡수능이 현저하게 저하되는데, 통상체의 축 (L) 에 수직인 단면의 형상을 점대칭 또한 비선대칭으로 함으로써, 이와 같은 경사 하중도 포함하여, 압궤시의 변형 형태를 안정시켜 안정적인 충돌 성능을 얻을 수 있다. 이것은 점대칭 또한 비선대칭으로 함으로써, 서로 마주 보는 변의 좌굴의 진행에 어긋남이 발생하여, 주기가 큰 좌굴이나 옆으로 넘어지거나 꺽임과 같은 큰 변형이 생기기 어려워지기 때문이라고 생각된다.

단면을 구성하는 다각형의 외곽을 이루는 사각형 (R) 은 애스펙트비가 1.5 미만이다. 여기서 애스펙트비는 장변/단변 (도면의 예에서는 a/b) 의 값으로 한다. 사각형 (R) 이 정방형 (a=b) 인 경우에는 애스펙트비는 1 이고, 애스펙트비는 반드시 1 이상이 된다.

단면을 구성하는 다각형의 외곽을 이루는 사각형의 애스펙트비를 1.5 미만으로 규정한 것도 안정적인 변형을 얻기 위한 것으로, 애스펙트비가 커지는, 요컨대 가늘고 긴 장방형이 됨에 따라 압궤시에 절곡이 발생되기 쉬워지기 때문이다.

또, 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비가 2.3 이하이다. 여기서 인접하는 변의 길이의 비는 긴 쪽의 변/짧은 쪽의 변의 값으로 한다. 인접하는 2 개의 변의 길이가 동일한 경우에는 인접하는 변의 길이의 비가 1 이고, 인접하는 변의 길이의 비는 반드시 1 이상이 된다. 도면의 예에서는 인접하는 변의 길이의 비가 최대가 되는 조합은 변 (L1) 과 변 (L2) 의 조합 (L1 ＞ L2) 으로, L1/L2 ≤ 2.3 이 된다.

단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비를 2.3 이하로 한 것은 이로 인해 변형 형태가 안정되기 때문이다. 이것은 아마 인접하는 변 중 변 길이가 긴 쪽에 큰 변형이 발생되기 쉬워, 이와 같은 큰 변형을 억제하기 위해서는 인접하는 변 중 변 길이가 짧은 쪽의 변의 변 길이가 중요하고, 이들 인접하는 변 사이에 최적인 비가 존재하기 때문으로 생각된다.

변형 형태를 안정시키는 관점에서는 도 2 에 나타내는 바와 같이 충돌 에너지 흡수 구조체를 축방향에 테이퍼를 형성한 구조로 하는 것이 바람직하다. 이 경우의 테이퍼는 도시하는 바와 같이 선단 (충돌 선단) 에서 후단에 걸쳐 넓어지도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이것은 테이퍼를 형성함으로써 변형이 개시되는 부위를 특정하는 것이 가능해져, 안정적으로 변형이 개시되기 때문으로 생각된다.

도 3 에 나타내는 바와 같이 선단 (충돌 선단) 에 절결과 같은 패임 형상 (N) 을 형성함으로써도 동일하게 변형이 개시되는 부위를 특정하는 것이 가능해져, 안정적으로 변형을 개시시킬 수 있다.

또한, 도 2 와 같은 테이퍼를 형성한 구조에 도 3 과 같은 패임 형상 (N) 을 형성해도 된다.

＜구조체의 적용 재료＞

본 실시형태의 충돌 에너지 흡수 구조체는 금속판을 프레스 성형하여 구성하는 것이 바람직하다. 적용되는 금속판으로는 열연 강판, 냉연 강판, 혹은 강판에 전기 아연계 도금이나 용융 아연계 도금 등의 도금을 실시한 도금 강판, 나아가서는 스테인리스 강판 (SUS) 을 들 수 있다. 용융 아연계 도금 강판의 경우에는 합금화 처리를 실시해도 된다. 또, 도금 강판에는 도금 후, 추가로 유기 피막 처리를 실시해도 된다. 강판으로는 270 ? 1500 ㎫ 의 인장 강도를 갖는 것이 바람직하다. 또, 금속판으로는 강판 이외에 알루미늄, 마그네슘, 이들의 합금 등, 다른 금속 재료를 사용할 수도 있다.

＜제조 방법＞

다음으로, 이와 같은 충돌 에너지 흡수 구조체의 제조 방법의 예에 대해 설명한다.

여기서는 프레스 성형에 의해 충돌 에너지 흡수체를 제조하는 경우를 나타낸다. 도 4 의 예에서는, 도 4 의 (a) 에 나타내는 바와 같이 2 장의 금속판을 준비하고, 이들을 다이 및 펀치로 이루어지는 금형을 사용하여 도 4 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 성형하고, 도 4 의 (c) 에 나타내는 바와 같이 얻어진 성형품의 단면끼리를 접합시킴으로써 도 4 의 (d) 에 나타내는 구조체를 얻는다. 구체적으로는 도 1 의 구조체를 제조하기 위해서, 2 장의 금속판으로부터 프레스 성형에 의해 동일한 형상의 성형품을 제조하여 이들을 접합시킨다. 도 5 의 예에서는, 도 5 의 (a) 에 나타내는 1 장의 금속판을 다이 및 펀치로 이루어지는 금형을 사용하여 도 5 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 성형하고, 이것을 굽힘 가공에 의해 폐단면화하여 단부끼리를 접합시킴으로써 도 5 의 (c) 에 나타내는 구조체를 얻는다. 프레스 성형에 사용하는 금형 (다이 및 펀치) 은 상기 단면 형상 (단면의 중심에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭의 다각형으로서, 그 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 1.5 미만이고, 또한 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비가 2.3 이하) 을 고려하여 설계되어 있다.

도 4, 도 5 의 예에서는 1 장 내지 2 장의 금속판으로부터 소정 단면 형상의 성형 부품을 제조하여 접합시킴으로써 구조체를 제조하는 경우에 대해 설명했는데, 3 장 이상의 금속판을 사용하여 각 부위를 성형하고, 이들을 접합시켜 구조체를 제조할 수도 있다. 단면끼리를 접합시키기 위한 수법으로는 스폿 용접, 레이저 용접, 아크 용접, 코킹, 리벳 접합, 접착제 적용 등의 여러 가지 수법을 채용할 수 있다.

실시예

여기서는 여러 가지 형상의 충돌 에너지 흡수 구조체의 특성을 시뮬레이션에 의해 파악하였다.

시뮬레이션에는 범용의 동적 양해법 소프트 LS-DYNA ver. 971 을 사용하였다. 적용 재료는 인장 강도가 440 ㎫, 판두께가 1.6 ㎜ 인 강판으로 하였다. 본 발명의 범위 내의 형상을 갖는 본 발명예 1 ? 7 의 구조체, 및 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예 1 ? 8 의 구조체에 대해 곡률이 없는 평면상의 압자를 시속 15 ㎞ 로 충돌시켰을 때의 압궤 성능을 시뮬레이션하였다. 압궤 성능은 변형 개시 후의 변형 저항 하중으로 평가하기 때문에, 압궤 거리가 20 ㎜ 내지 70 ㎜ 에 있어서의 하중-스트로크 곡선으로부터 평균 하중을 구하고, 단위 중량당 평균 하중 및 변형 후의 형상에 의해 평가하였다. 그 결과를 표 1 에 정리하여 나타낸다. 본 발명예 1 ? 7 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 도 6 ? 12 에 나타낸다. 비교예 1 ? 8 의 구조체의 단면 형상, 충돌 전후의 형상, 하중-스트로크 곡선을 도 13 ? 20 에 나타낸다. 표 1 에 있어서, 변형 형상란은 ○ 가 연속적으로 사복상으로 변형된 것이고, × 가 절곡이나 주기가 큰 좌굴이 발생한 것이다. 또, 도 6 ? 20 에 있어서 (a) 가 단면 형상, (b) 가 충돌 전후의 형상, (c) 가 하중-스트로크 곡선이다. 이들에 나타내는 바와 같이 본 발명의 범위 내인 본 발명예 1 ? 7 에서는, 압궤시에 연속해서 안정적으로 사복상으로 소성 변형되고 있고, 또 압궤시의 단위 중량당 평균 하중이 높고, 흡수 에너지 효율이 높은 것이 확인되었다. 한편, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예 1 ? 8 에서는 축방향으로 절곡이나 주기가 큰 좌굴이 발생되고 있어, 변형 형상이 불안정하고 단위 중량당 평균 하중이 저위인 것이 확인되었다.

이상으로부터, 본 발명과 같이 축방향에 수직인 단면의 단면 형상이 단면의 중심에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭의 다각형으로서, 그 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 1.5 미만이고, 또한 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비를 2.3 이하로 함으로써 안정적인 변형 형상이 얻어지고, 저항 하중이 고위 안정이 되어, 에너지 흡수 효율이 높은 충돌 에너지 흡수 구조체가 얻어지는 것이 확인되었다.

Claims

통상을 이루고, 축방향으로 변형되어 충돌 에너지를 흡수하는 충돌 에너지 흡수 구조체로서,
축방향에 수직인 단면의 단면 형상이 단면의 중심에 대해 점대칭이고, 또한 비선대칭의 다각형으로서, 그 단면의 외곽을 사각형으로 했을 때의 애스펙트비가 1.5 미만이고, 또한 단면을 구성하는 다각형의 변 중 인접하는 변의 길이의 비가 2.3 이하인 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.
제 1 항에 있어서,
축방향으로 테이퍼상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
선단부에 축방향으로 패인 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
금속판을 프레스하여 성형된 프레스 성형재로 구성되는 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.
제 4 항에 있어서,
적어도 2 개의 상기 프레스 성형재를 접합시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 프레스 성형재를 구성하는 상기 금속판은 270 ? 1500 ㎫ 의 인장 강도를 갖는 강판인 것을 특징으로 하는 충돌 에너지 흡수 구조체.