KR970005778B1 - 자동차 문을 보강하기 위한 파이프형 철재 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

자동차 문을 보강하기 위한 파이프형 철재

제1도는 A-A, B-B, C-C라는 세 선에 따른 세 개의 횡단면을 갖고 있는 본 발명의 파이프형 철재의 종단면도.

제2도는 표준 파이프와 본 발명의 파이프형 철재를 충격흡수 등의 측면에서 비교한 그래프.

제3도는 D-D선에 따른 횡단면을 갖고 있으며 전체적으로 중간부를 보강한 철재의 종단면도.

제4도는 E-E선에 따른 횡단면을 갖고 있으며 전체적으로 중간부를 보강한 철재의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 파이프형 철재 4 : 전장

6 : 중간부 9,10 : 인접부

16 : 외부 보강부

본 발명은 자동차, 특히 승용차의 문(이하 차문이라 함)을 보강해 주는 보강재로서, 보다 구체적으로는 높은 강성과 인성 그리고 변형력을 구비한 파이프형 철재에 관한 것이다.

이 소위 차문 보강용 파이프는 측면충돌시 충격을 흡수하여 기계적 작용으로 변화시킴으로써 자동차 문을 보호하는 작용을 한다. 이것을 차문 자체는 보호받게 된다. 이런 차문 보강용 파이프가 안전기능을 수행하기 위해서는 아래 제시된 수치가 충족되어야 한다.

인장강도 Rm 최소한 1100N/mm²

탄성한 Rt 최소한 800N/mm²

파괴연신율 A5 최소한 8% 또는

충격흡수는 W-150 철재의 양에 비례하여 최소한 1900주울

이 최저 요구치는 자동차 제작자의 사양서에 따라 낮게 또는 높게 될 수 있다.

충격흡수능을 시험할 때 차문 보강용 파이프를 150mm 거리를 세 점에서 굽힌다. 이때 굽혀진 부분에 가해진 힘이 기록되고, 그 곡선의 아래 면적이 확인되는데, 이것들로부터 충격흡수능을 측정한다.

자동차 구조에 있어서 많은 개선이 이루어졌음에도 불구하고, 두가지 근본적인 문제가 계속 연구되고 있다. 첫째는, 자동차의 무게를 줄이는 것이며, 둘째는 승객의 안전성을 높히는 것이다.

이런 문제의 해결책은 DE 37 28 476에 기재되어 있다. 여기서는 특수강을 사용하여, 차문 보강용 파이프의 인장강도와 탄성한 수치를 공지된 기술적 수준에 비해 높힐 수 있다. 그러나, 이 방법의 단점은 강도를 높히는 일이 니켈이나 몰리브뎀과 같은 값비싼 원소를 사용해야만 가능하다는 점이다.

또 다른 해결방법(DE 36 06 024)은 자동차 문을 보강하기 위해 문 양쪽에 경금속으로 된 보강 철재를 부착하는 것이다. 이 거의 정방형의 철재는 두께가 얇은 빈약한 자동차 문에 적합하지 않으며, 낮은 강도를 보충하기 위해 두텁게 보강되어야 한다. 이것은 경금속의 낮은 비중이 지닌 장점을 감소시킨다. 그 외에도 이철재는 다양한 형태의 자동차 문에 맞지 않으며, 따라서 이것을 가장 적합하게 가공하려면 고가의 프레스기가 필요하게 된다.

가격이 적당한 철재를 사용하고, 원형 파이프를 생산하는 기존의 일반적인 생산설비를 사용함으로써 요구되는 기계적 특성을 만족시키면서도 무게가 가볍고 빈약한 자동차 문에 설치하기에 적합한 파이프형 철재의 개발이 업계에서 요구되고 있다.

이러한 업계의 요청은 특허청구의 범위 제1항의 특징부에 의해 해결된다. 바람직한 실시예, 즉 그와 같은 철재를 생산하는 방식은 이하에 기재되어 있다.

제시된 파이프형 철재는, 충격흡수능은 무엇보다도 구성부분들의 단면계수 크기에 달려있다는 생각을 이용한 것이다. 단면계수는 단지 구조상의 형태에 따른 크기이므로, 본 발명의 파이프형 철재는 굽혀진 외형선을 갖고 있는 늘어난 단면과 변형된 원형의 횡단면을 갖고 있으며, 그 늘어난 단면의 장축은 수직인 단축보다 20% 더 길다. 그 장축에 부과되는 단면계수가 충분히 완충 작용하도록 하려면, 자동차 문에 설치할 때 철재 횡단면의 장축과 충돌 방향이 평행이 되어야 한다. 변형된 횡단면은 특히 타원형이나 장원형이며, 철재의 전체 길이 또는 중간부에 위치된다.

원형 횡단면이 타원형이나 장원형 횡단면으로 바뀌는 것은 원형 횡단면을 갖고 있는 외관의 경서연을 냉간 프레스하여 생긴다. 그때 변형된 단면의 재질은 냉간압연되고, 이 냉간압연이 결국 충격흡수능의 향상을 가져온다. 기하학적 변화와 냉각압연이 효과적으로 역할을 하기 위해서는 변형의 정도가 최소한 15%에 달해야 한다. 원형 횡단면을 갖고 있는 외관은 연결부분없이 또는 용접에 의해 생산되는데, 열간압연 또는 용접과 같은 통상의 파이프 생산방법(예를들면 HF 처리법)이 사용된다. 필요한 경성과 탄성한은 가열과 물, 기름 또는 공기에 의한 냉각으로 조절된다. 지속적인 열처리 없이 로울의 열로 직접 철재를 견고하게 만드는 방법이 사용될 수도 있다.

변형된 단면을 응고시킴으로써 얻어지는 높은 단면계수를 통해 변형가공이 증가하며, 결국 무게를 줄이기 위해, 철재의 두께나 지름을 줄일 수 있게 된다. 변형능력의 증가는 부식방지용 아연도금을 통해 강화된 파이프형 철재를 얻을 수 있다. 이때, 도금의 영향으로 줄어든 기계적 특성의 수치가 최저 요구치 이하로 떨어질 위험은 없다.

타원형이나 장원형 횡단면 외에 원형에서 변형된 다른 간단한 횡단면-장방형과 같은-을 생각할 수 있다. 그러나 모서리가 있는 횡단면은 장원형이나 타원형에 비해 제조하기가 더 어렵다. 마지막에 언급된 횡단면의 제작은 단순히 생각할 수 있다. 거기서는 원형 외관을 프레스하고, 평판이나, 넓어진 단형(鍛型)으로 원하는 횡단면을 부분만 또는 전체에 걸쳐 만드는 것이 가능하다. 또한, 장원형 횡단면을 가지고 있는 철재는 열처리를 통해 직접 만들 수 있다는 것이 알려져 있다. 적당한 범위에서 그런 철재를 이동시키는 것은 단순한 로울러 기술로는 가능하지 않다는 어려움이 있다. 압연된 상태에서 그런 철재를 조절하기란 원칙적으로 가능하지만, 매우 어렵다. 그때 필요한 제어기는 구조적으로 매우 소모성이 강하고, 단지 특수규격에서만 사용된다. 변화량이 크면 제어요건은 때때로 완전히 바뀌어야 한다. 이런 이유로 이런 대안들은 계속 추구될 수 없게 된다.

변형가공의 증가에서 오는 효과는 원형에서 변형된 횡단면을 가지고 있는 부분이 전체 길이에 비례하여 일정 길이에까지 이를 때 비로소 발휘된다. 그러므로 이 부분의 최소길이는 전체길이의 25%는 되어야 한다. 같은 방식으로 횡단면의 장축과 단축의 단계도, 원형과의 구별이 의미있으려면, 일정한 정도보다는 커야 한다. 이 비율은 최소한 1.20, 그리고 타원형의 횡단면이란 특징을 발휘시키려면 1.25는 되어야 한다.

최적의 입장에서 본다면 철재의 중간부의 횡단면이 장축-단축 비울이 가장 큰 값이며 양끝으로 갈수록 감소하여 원형과 일치하는 부분에서 수치 1을 기록하도록 단면이 만들어져야 한다. 이것은 파이프형 철재의 전체 길이에 걸쳐 확장된 단면일 경우 특히 두드러지는데, 이때 중간부의 충격흡수능을 보면 최고의 수치를 기록한다.

곡선과 단면계수의 사이의 관계에 관한 알려져 있는 수학적 공식에 비추어볼 때, 중간부의 강화가 계속 요구된다. 이것은 금속으로 된 실린더형 통상 보강부를 타원 또는 장원형 횡단면을 만드는 냉간 프레스 전에 내측 및/또는 파이프는 파이프형 철재 안으로 밀어 넣는다. 이 통상 보강부의 고정을 위해 예를들어 이 보강부에 접착제를 바르거나, 용접 또는 납땜질로 파이프형 철재에 연결시키기도 한다. 그 부피에 따라 결정되지만 가늘고 긴 통상 보강부가 사용될 경우, 클램프 효과라는 다른 고정기술이 이용 가능하다. 클램프 효과는 안쪽의 통상 보강부인 경우 철재보다 더 얇고, 바깥쪽의 통상보강부인 경우 두꺼워야 한다는 것만 고려된다면 폐쇄통에서도 사용될 수 있다. 이것은 냉각 프레스 이후 두께에 따른 역방향 스프링의 억제과 관련되어 있다.

보강부를 배치하는데 장원형 또는 타원형의 횡단면을 가진 단면을 인접부에 비해 더 두껍게 하는 방법이 제안된다. 이것은 보강부에서 인접부로의 이행이 연속적으로 일어나며, 고정시켜야 하는 문제점이 없다는 장점이 있다. 이렇게 일정 길이에 걸쳐서 안쪽이던 바깥쪽을 두껍게 하는 것은 여러 방식으로 달성될 수 있다. 예를들면 단계식인발(DE 30 21, 482)이나 압연 또는 단조와 같은 균열이 없는 변형가공(DE 36 10 481). 끼워넣어지는 통상 보강부에 비해 전체적인 두께의 강화가 지닌 장점은 허용한계나 무게, 횡단면의 크기를 고려할 때, 보강부 위치가 외부나 내부로 이동가능하다는 점이다.

충돌시 파이프형 철재의 굽힘을 감소시키기 위해, 다시말해 전술한 150mm의 구부러지는 순간을 지연시키기 위해, 추가적으로 가운데 단면의 내부를 낮은 비중의 물질로 채우기도 한다. 그러한 보강용 발포성 재질의 혼합은 예를들면 미국 특허 제4,861,097호에서 볼 수 있다. 그외에 금속조강이나 목재가 사용되기도 한다.

본 발명 파이프형 철재의 장점은 단면계수를 증가시키고 장원형 혹은 타원형 횡단면과 변형된 단면의 냉간 압연이라는 간편하고 비용이 적절한 방법으로 파이프형 철재의 무게를 줄일 수 있다는 것이다. 게다가 현재의 생산체계 아래서 외관과 같은 원형 파이프의 간편하고 비용이 적절한 생산에 의존할 수 있다는 것이다.

이하의 실시예와 관련하여 본 발명의 파이프형을 실제적인 보기를 들어 본 발명의 파이프형 철재를 더 잘 더욱 상세히 설명한다.

제1도에는, 잘라진 종단면의 형태로 효과적인 파이프형 철재(1)가 도시되어 있다. 그리고, 그 아래에 선 A-A, B-B, C-C를 따른 파이프형 철재(1)의 세 개의 횡단면이 도시되어 있다.

도면에 도시된 외관은 강화된 후 다음과 같은 수치를 나타낸다. 외경 31.8mm(2), 두께 2.3mm(3), 전장 864mm(4) 도면에 따르면 이 파이프형 철재(1)의 중간부의 길이(5)에 해당하는 250mm인 중간부(6)의 단면은 타원형의 횡단면 B-B를 갖고 있다. 이 타원형 횡단면의 장축(7)의 길이는 도시된 것처럼 37.0mm이고, 단축(8)의 길이는 25.4mm이다. 타원형 횡단면 B-B의 장축과 단축의 길이 비율은 1.45이고, 이것은 20%의 변형을 의미한다. 차문 보강용 파이프(1)의 전장(4)에 대한 변형된 중간부(6)의 길이(5)의 비율은 29%이다. 변형된 중간부(6)의 양쪽으로 연결된 부분(9,10)은 변형되지 않았으며, 여기서는 그것의 횡단면은 각각 A-A, C-C로 표시되어 있다. 변형된 중각부(6)에서 변형되지 않은 부분(9,10)에 연결되는 부분(11,12)는 둥글게 되어 있는데, 이는 충격흡수능을 급격하게 감소시키는 균열현상이 일어나지 않도록 하려는 것이다.

구체적인 예를들면 재질로는 통상 탄소-망간-티타늄-붕소가 철과 불가피한 불순물을 제외하고 다음의 비율 즉, C=0.19, Si=0.42, Mn=1.19, P=0.012, S=0.001, Al=0.049, Cu=0.02, Cr=0.03, Ni=0.03, Mo=0.01, Ti=0.054, B=0.0037, 및 N=0.0247로 혼합된 것이 사용된다. 충격흡수능에 관해서는 고객의 요구가 최소한 1900주울에 달한다. 이런 재질로 열간압연기를 거쳐 생산된 파이프는 압연기를 거치며 가열되고 물로 냉각된다.

제2도에서는 발생한 힘(Y축)과 굽혀진 정도(X축) 그래프 상에 나타나 있다. 여기서 끝선(13)은 시험사양서에 제시된 150mm의 굽힘 정도를 나타낸다. 곡선의 아래 면적이 바로 충격흡수능을 나타낸다. 곡선(14)는 전체 길이에 걸친 원형 횡단면과 외경 31.8mm, 두께 2.3mm를 가진 파이프형 철재의 힘-굽힘정도를 나타낸다. 이 곡선의 아래 면적은 충격흡수능 2628 주울에 해당한다. 이에 비해 곡선(15)은 길이가 250mm인 부분(5)에 있는 중간부(6)와 타원형 횡단면(B-B)를 가진 파이프형 철재의 힘-굽힘정도를 나타낸다. 이때의 충격흡수능은 3288 주울로서 25%의 증가에 해당하며, 이에 상응하는 두께-지름 및 무게의 감소효과를 포함한다.

제3도에서는 분리된 종단면과 D-D선에 따른 횡단면에서 또 다른 실제적인 예가 도시되어 있다. 앞서의 도면과 대응 부분은 동일하다. 파이프형 철재의 중간부(6)이 외부보강부(16)에 의해 보강되어 있다. 이 외부보강부는 외관으로의 형태 변화전에 위치하며, 접착제 등으로 위치에 맞게 고정되어 있다. 외부보강부(16)는 외관과 분리된채 고정되어 있으므로 철재의 강도를 높히고, 무게에 따라 최적의 수준을 얻기 위해 두께(17)은 변화가 가능하다.

제4도는 분리된 종단면과 선 E-E에 따른 횡단면에서 상세한 예가 도시되어 있다. 전술한 부분과 대응하는 것은 동일하다. 중간부(6)는 제3도의 보기와 달리 외부보강부(16)가 아니라 전체적으로 두꺼워진 외주부(후육부)(18)에 의해 보강되어 있다. 여기서 후육부(18)는 바깥쪽으로 위치되어 있으나, 안쪽으로 위치될 수도 있을 것이다. 두께에서 부강된 중간부(6)의 종국적인 변화 이전에 타원형 또는 장원형 횡단면을 형성시키기 위해 파이프형 철재는 우선 강하고 얇은 면으로 가공되어 열처리된다. 후육부(18)의 크기 또는 그것의 반지름은 무게를 고려해서 얻어진 단면계수에 맞게 완벽히 활용될 수 있다.

Claims (18)

1. 자동차, 특히 승용차의 문을 보강하기 위한 보강재로서 높은 강도와 인성 및 변형력을 구비한 파이프형 철재에 있어서, 파이프형 철재(1)는 원형에서 변형된 횡단면과 굽은 외형선을 가지고 있는 신장된 중간부(6)를 가지며, 그 신장된 부분의 장축은 수직인 단축보다 20% 이상 긴 것을 특징으로 하는 자동차 문을 보강하기 위한 파이프형 철재.
2. 제1항에 있어서, 중간부(6)가 파이프형 철재(1)의 전체 길이(4)에 걸쳐 신장되어 있는 것을 특징으로 하는 철재.
3. 제1항에 있어서, 중간부(6)가 파이프형 철재(1)의 중간부의 일정길이(5)에 걸쳐서만 신장되어 있는 것을 특징으로 하는 철재.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 횡단면이 타원형인 것을 특징으로 하는 철재.
5. 제4항에 있어서, 타원의 장축과 단축의 비율이 최소한 1.25인 것을 특징으로 하는 철재.
6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 횡단면이 장원형인 것을 특징으로 하는 철재.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 중간부(6)의 신장율이 전체 길이(4)의 25% 이상인 것을 특징으로 하는 철재.
8. 제1항 내지 제5항 및 제7항중 어느 한 항에 있어서, 변형된 부분의 중간에서 장축과 단축의 비가 최대가 되고, 양끝으로 가면서 수치 1로 떨어지는 것을 특징으로 하는 철재.
9. 제1항과 3항중 어느 한 항에 있어서, 중간부(6)가 파이프형 철재와 외부보강부(16) 및/또는 통상 내부 보강부로 연결되어 보강되어 있는 것을 특징으로 하는 철재.
10. 제1항과 제3항중 어느 한 항에 있어서, 틈이 있는 외부보강부 및/또는 통상 내부보강부가 파이프형 철재와 연결되어 중간부(6)가 보강되고, 이때 틈은 자동차의 내부쪽을 향하는 것을 특징으로 하는 철재.
11. 제1항과 제3항중 어느 한 항에 있어서, 중간부(6)는 인접부(9,10)보다 더 두꺼운 단면을 가지며, 이 인접부와 이어져 있는 것을 특징으로 하는 철재.
12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 중간부(6)의 내부가 비중이 작은 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 철재.
13. 외관을 강화시킨 다음 절단하는, 특허청구의 범위 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 따른 높은 강성과 인성 및 변형력을 가지고 있는 파이프형 철재를 생산하는 방법에 있어서, 파이프형 철재의 신장된 부분을 강화시킨 후에 냉간 프레스하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 외관을 강화시킨 다음 절단하는, 특허청구의 범위 제9항과 제10항중 어느 한 항에 따른 높은 가성과 인성 및 변형력을 가지고 있는 파이프형 철재를 생산하는 방법에 있어서, 강화 또는 절단한 후 통상 보강부를 파이프형 철재의 외측 또는 내측으로 삽입하고, 이어서 이 두꺼운 부분을 냉간 프레스하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 외관을 변형시켜 강화시킨 다음 절단하는 특허청구의 범위 제11항에 따른 높은 강성과 인성 및 변형력을 가지고 있는 파이프형 철재를 생산하는 방법에 있어서, 파이프형 철재의 중간부를 강하고 얇은 면으로 변형시키고, 후육부를 강화시킨 후에 냉간 프레스하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제13항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 지지하지 않으면서 변형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제13항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 변형이 단형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제13항 내지 제15항중 어느 한 항에 있어서, 변형정도는 최소한 15%인 것을 특징으로 하는 방법.