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KR20210059760A - 향상된 범퍼 시스템 - Google Patents

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KR20210059760A
KR20210059760A KR1020217011425A KR20217011425A KR20210059760A KR 20210059760 A KR20210059760 A KR 20210059760A KR 1020217011425 A KR1020217011425 A KR 1020217011425A KR 20217011425 A KR20217011425 A KR 20217011425A KR 20210059760 A KR20210059760 A KR 20210059760A
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KR
South Korea
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vertical axis
distance
intermediate part
contact area
cross beam
Prior art date
Application number
KR1020217011425A
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English (en)
Inventor
요헨 비데만
토마스 슈미드
팀 클라인딕
Original Assignee
콘스텔리움 진겐 게엠베하
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Filing date
Publication date
Application filed by 콘스텔리움 진겐 게엠베하 filed Critical 콘스텔리움 진겐 게엠베하
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Abstract

자동차용 범퍼 시스템(4)을 제공하며, 이 범퍼 시스템(4)은, 횡방향(Y)으로 전반적으로 배향되는 한편, 충돌 충격력을 받도록 구성된 전방 벽(6) 및 전방 벽(6)의 반대편에서 그로부터 이격 배치된 후방 벽(5)을 포함하는 크로스 빔(1); 적어도 하나의 흡수 장치(2); 및 크로스 빔(1)에 상기 흡수 장치(2)를 부착하기 위한 적어도 하나의 중간 부품(3)을 포함하며, 중간 부품(3)은 제 1 접촉 영역(10)을 통해 후방 벽(5)에 연결되고, 제 1 접촉 영역은 내측 부품 거리(Lin)와 외측 부품 거리(Lout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 내측 부품 거리 및 외측 부품 거리는 제 1 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 각각 해당하고, 이 종축선(LL)은 크로스 빔의 중간 폭을 통과하고 횡방향(Y)에 수직이며, 중간 부품(3)은 제 2 접촉 영역(20)을 통해 흡수 장치(2)에 연결되고, 제 2 접촉 영역은 내측 프로파일 거리(Din)와 외측 프로파일 거리(Dout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 내측 프로파일 거리 및 외측 프로파일 거리는 제 2 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 각각 해당하며, Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성(Sinterm)은 Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에 떨어진 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross)보다 작고, 수직 축선(Z)은 횡방향(X) 및 종축선(LL)에 수직이다.

Description

향상된 범퍼 시스템
본 발명은 파열 없이 충돌 충격을 견디는 능력을 향상시키기 위해 흡수 장치(absorber)와 크로스 빔(cross beam) 사이에 중간 부품을 포함하는 자동차용 범퍼 시스템에 관한 것이다.
범퍼 시스템은 보행자들, 다른 차량들 및 고정된 장애물들과의 정면 충돌 및 후방 충돌 중에 탄성 변형 및 궁극적으로는 소성 변형을 통해 에너지를 흡수하여 손상이나 부상을 최소화할 수 있다.
일반적으로, 자동차용 범퍼 시스템은 크로스 빔을 포함하고, 이 크로스 빔은 흡수 장치 또는 크래시 박스(crash box) 등의 서로 떨어져 있는 지지체에 부착되고 자동차의 종방향의 프레임 부재들의 연장선에 위치한다.
예를 들어, Benteler의 US20160297387은 자동차용 범퍼 장치를 개시하는데, 이 범퍼 장치는 경금속으로 이루어지고 다중 챔버 섹션(chamber section)으로 구성된 크로스 부재; 및 범퍼 장치를 자동차와 결합시키도록 크로스 부재의 각 단부 영역에 배치된 크래시 박스들을 포함한다.
종래 기술에서, 범퍼 시스템들이 자동차의 전방부 및/또는 후방부 상에 배치된다. 이를 위해, 범퍼 시스템들은 본질적으로 자동차 차체 폭의 적어도 일부분에 걸쳐 연장되는 크로스 빔을 구비한다. 충돌 등에서 생성된 운동 에너지를 흡수하도록, 그 크로스 빔도 흡수 장치들을 통해 자동차 차체와, 특히 종방향 프레임 부재와 결합된다. 크래시 박스 또는 에너지 흡수체 요소라고도 하는 흡수 장치들은 충격의 결과로 변형되어 운동 에너지를 냉간 변형에 의해 변형 에너지로 변환하도록 구성된다. 대부분의 경우에서, 그 흡수 장치는 추가 충돌 에너지를 자동차 차체의 전방부 종방향 부재들 내에 도입하도록 전방부 종방향 부재들과 결합된다.
흡수 장치들은 일반적으로, Nippon Steel의 WO2014030592 또는 Benteler의 EP2335984에서와 같이 주 방향이 종방향 부재들에 평행하게 배향되거나 Hyundai Motor의 US8590952에서와 같이 그에 수직으로 배향된 프로파일 부재로 구성된다. 그 프로파일 부재는 바람직하게는 중공 구조를 가진다.
그 프로파일 부재는 일반적으로, US20160297387, AISIN의 US8844987, WALDASCHAFF AUTOMOTIVE의 DE102011121381 등에서와 같이 체결구들을 사용하거나 Constellium의 EP2668068 또는 Magna의 US8919834 또는 GESTAMP HARTECH의 WO2011075031 등에서와 같이 용접에 의해 크로스 빔에 직접 연결된다.
Kobe Steel의 US7837244는 범퍼의 후향 굴곡부의 선형 또는 만곡형 후방부에 맞도록 허용되어 범퍼 빔에 흡수 장치의 고정을 용이하게 하는 전면 플랜지(flange)를 개시한다.
그 프로파일 부재는 또한 전면 플랜지를 통해 크로스 빔에 연결될 수 있다. Benteler의 US2016264084는 범퍼 크로스 부재에 브래킷(bracket)에 의해 배치되는 적어도 하나의 크래시 박스를 갖는 자동차용 범퍼 시스템을 개시하며, 브래킷에는 제 1 브래킷 플레이트(plate) 및 제 2 브래킷 플레이트가 마련되는 한편, 제 1 브래킷 플레이트 및/또는 제 2 브래킷 플레이트가 차량 종축선 방향으로 연장되도록, 범퍼 크로스 부재의 제 1 제한 요소에 대해 제 1 브래킷 플레이트가 적어도 부분적으로 지지되고, 범퍼 크로스 부재의 제 2 제한 요소에 대해 제 2 브래킷 플레이트가 적어도 부분적으로 지지된다. 그 브래킷은, 브래킷에 대한 연결 영역에서 하중을 받는 경우 브래킷에, 나아가서는 크래시 박스, 범퍼 시스템 및 차체에 직접 에너지를 가하지 않고 범퍼 크로스 부재가 변형될 수 없게 한다.
Hyundai Motors의 US9725057은 자동차의 후방 빔의 양단부에 전면 연결부를 갖는 크래시 박스를 개시한다.
크로스 빔은, 예를 들어 기둥과의 충돌, 범퍼끼리의 충돌 또는 장애물과의 충돌 등의 다양한 충격 시나리오가 고려되고 자동차 내로의 제어되지 않은 진입이 방지되도록 가능한 한 굽힘 강성이 강하게 구성될 수 있다. 흡수 장치가 크로스 빔 및 종방향 부재들과 연결되어 있으므로, 하중 경로는 범퍼 크로스 빔으로부터 흡수 장치를 통과해 자동차의 종방향 부재 내로 연장된다. 크로스 빔이 높은 굽힘 강성을 갖게 구성되면, 흡수 장치와 크로스 빔 사이의 연결부에서 종종 균열이 발생한다. 특히, 범퍼 크로스 빔에 흡수 장치를 직접 용접하는 경우, 열 영향부 내에서 균열이 발생하고 충돌 관리 시스템이 충분한 하중을 견디지 못한다.
본 발명은 이 문제를 해결하는 것을 목표로 한다.
본 발명은 자동차용 범퍼 시스템으로 이루어진다.
본 발명의 범퍼 시스템은,
- 횡방향(Y)으로 전반적으로 배향되는 크로스 빔; 용어 "전반적으로 배향"은 크로스 빔의 주 방향이 상기 횡방향(Y)으로 연장한다는 점을 정의하고자 한 것이다. 일 실시예에서, 크로스 빔은 만곡될 수 있고 결과적으로 이 경우 횡방향(Y)에 완벽하게 평행하지 않지만, 크로스 빔의 주 방향은 횡방향(Y)으로 전반적으로 배향, 즉 상기 횡방향(Y)으로 연장한다. 크로스 빔은 충돌 충격력을 받도록 구성된 전방 벽, 및 이 전방 벽의 반대편에 그로부터 이격되어 배치된 후방 벽을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 그 크로스 빔은 알루미늄 또는 강철로 이루어진다. 바람직하게는, 크로스 빔은 압출 부재이다. 보다 바람직하게는, 상기 압출된 부재는, 보다 바람직하게는 2개의 챔버를 갖는 중공 섹션이다.
- 적어도 하나의 흡수 장치; 크래시 박스 또는 에너지 흡수체 요소라고도 하는 흡수 장치는 적어도 하나의 외벽을 갖는 얇은 벽 구조이다. 바람직하게는, 적어도 2개의 흡수 장치가 자동차에서 사용된다. 바람직하게는, 흡수 장치는 적어도 하나의 프로파일 부재를 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 프로파일 부재는 알루미늄 또는 강철로 이루어진다. 바람직하게는, 프로파일 부재는 압출 부재이다. 상기 압출 부재는 중공 섹션이다. 보다 바람직하게는, 그 중공 압출 부재는 적어도 2개의 챔버를 갖는다. 바람직하게는, 흡수 장치는 흡수 장치를 차량의 종방향 부재에 부착할 수 있도록 프로파일 부재의 일단부에 고정된 엔드 플레이트(endplate)를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 프로파일 부재는 적어도 2개의 외벽을 갖는 중실 압출 부재이다.
- 크로스 빔에 흡수 장치를 부착하기 위한 중간 부품
을 포함한다.
본 발명에 따르면, 그 중간 부품은 적어도 제 1 접촉 영역을 통해 크로스 빔의 후방 벽에 연결된다. 제 1 접촉 영역은, 상기 중간 부품이 상기 후방 벽 상에 놓일 때 크로스 빔의 후방 벽과 중간 부품 사이에 개재된 표면으로 규정된다. 일 실시예에서, 제 1 접촉 영역은 비연속적, 즉 연속하지 않은 2개 이상의 표면으로 이루어진다. 이 경우는, 중간 부품이 놓이는 크로스 빔의 후방 벽의 표면의 부분 및/또는 크로스 빔에 놓일 중간 부품의 표면의 부분이 평평하지 않을 때 일어날 수 있다. 이것은 크로스 빔이 만곡된 경우일 수 있다.
제 1 접촉 영역은 내측 부품 거리(Lin)와 외측 부품 거리(Lout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 내측 부품 거리 및 외측 부품 거리는 상기 제 1 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 각각 해당한다. 종축선(LL)은 크로스 빔의 폭의 중간을 통과하고 횡방향(Y)에 수직이다.
종축선(LL)은 실질적으로 종방향(X)에 평행하다.
바람직하게는, 제 1 접촉 영역은 실질적으로 Y가 횡방향에 해당하고 Z가 수직 방향에 해당하는 평면(Y-Z) 내에서 연장한다. 그 수직 방향은 횡방향(Y) 및 종방향(X)에 수직이다. "실질적으로"라는 단어는 제 1 접촉 영역이 평면(Y-Z)과 대략적으로 평행함을 의미한다. 후방 벽 및/또는 중간 부품들의 표면이 평평하지 않은 경우가 포함된다. 바람직하게는, 제 1 접촉 영역은 실질적으로 오직 평면(Y-Z) 내에서 연장한다. 이는, 크로스 빔의 전면 벽에 충격력이 가해지는 경우 중간 부품이 트리거(trigger) 역할을 하여 변형하도록 보장한다.
바람직하게는, 그 중간 부품은 용접 또는 접합에 의해 적어도 제 1 접촉 영역을 통해 크로스 빔에 연결된다.
바람직하게는, 제 1 접촉 영역의 적어도 일부분이 용접되거나 접합된다. 바람직하게는, 용접 또는 접합되는 제 1 접촉 영역의 부분은 비연속적이다.
바람직하게는, 용접 또는 접합되는 제 1 접촉 영역의 부분은 0.8Lout과 Lout 사이 또는 Lin과 1.2Lin 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)으로부터 떨어져 있다. 이는, 크로스 빔의 전면 벽에 충격력이 가해지는 경우, 중간 부품이 트리거 역할을 하여 변형하도록 보장한다.
다른 실시예에서, 중간 부품이 적어도 제 1 접촉 영역을 통해 크로스 빔에 나사 체결에 의해 연결된다.
본 발명에 따르면, 상기 중간 부품은 바람직하게는 제 2 접촉 영역을 통해 프로파일 부재를 통해 흡수 장치에 연결된다. 제 2 접촉 영역은 중간 부품이 흡수 장치 상에 놓일 때 그 사이에 개재되는 표면으로 규정된다. 바람직하게는, 제 2 접촉 영역은 프로파일 부재의 일단부와 중간 부품 사이의 접촉 표면으로 규정된다. 제 2 접촉 영역은 내측 프로파일 거리(Din)와 외측 프로파일 거리(Dout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 내측 프로파일 거리 및 외측 프로파일 거리는 제 2 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 각각 해당한다.
바람직하게는, 중간 부품이 제 2 접촉 영역을 통해 흡수 장치에 용접 또는 접합에 의해 연결된다. 바람직하게는, 제 2 접촉 영역의 적어도 일부분이 용접 또는 접합된다. 다른 실시예에서, 중간 부품은 적어도 제 2 접촉 영역을 통해 크로스 빔에 나사 체결에 의해 연결된다.
바람직하게는, 용접되거나 접합되는 제 2 접촉 영역의 부분은 비연속적이다.
조기 파열을 겪지 않고 높은 하중 충격을 견디기 위해, 본 발명자들은 임의의 파열이 관찰되기 전에 중간 부품이 트리거 역할을 하여 변형하도록 한다면, 중간 부품을 사용하여 크로스 빔을 흡수 장치에 부착하는 것이 가능하다는 것을 발견했다. 이 효과를 얻기 위해, Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성(Sinterm)은, Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에 떨어진 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross)보다 작으며, 상기 수직 축선(Z)은 횡방향(X) 및 종축선(LL)에 수직이다.
빔의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성은 대략 수직 축선(Z)에 대한 면적 관성 모멘트와 빔의 탄성 계수의 곱으로서 규정된다. 평면 면적의 관성 모멘트 또는 단면 2차 모멘트 또는 2차 면적 모멘트라고도 하는 면적 관성 모멘트는 임의의 축선에 대해 점들이 어떻게 분포되어 있는지를 반영하는 면적의 기하학적 특성이다.
예를 들어, 직사각형, 원형 또는 환형과 같은 일반적인 단순한 기하학적 형상의 경우, 2차 면적 모멘트는 역학 분야에 공지된 분석 공식들을 사용하여 계산할 수 있다. "T", "I" 또는 "H" 형상들과 같은 보다 복잡한 기하학적 형상의 경우, 면적을 일련의 "단순한" 형상들로 나누는 것이 보통 더 용이하다. 전체 형상에 대한 단면 2차 모멘트는 공통 축선을 중심으로 한 그 부분들 모두의 2차 면적 모멘트의 합이다. 복잡한 형상이 구멍들 또는 중공 형상과 같은 누락된 면적을 포함하는 경우, 누락된 면적들의 2차 면적 모멘트는 더하기보다는 빼기에 의해 계산된다. 예를 들어, 이러한 공식들은 Vieweg+Teubner Verlag가 발행한 Alfred Boege(Auflage: 22,-2011)의 "Formeln und Tabellen zur Technischen Mechanik Taschenbuch" 또는 Vieweg+Teubner Verlag가 발행한 Volker Laepple(2011)의 "Einfuehrung in die Festigkeitslehre"에서 찾을 수 있다.
빔의 면적 관성 모멘트를 계산할 당업자는 소프트웨어 또는 CAD-툴(tool), 예를 들어 Dassault Systemes사의 CATIA V5, Siemens PLM Software사의 NX등을 사용할 것이다.
두 빔들의 굽힘 강성 비교는, 느슨한 단부(타단부는 고정됨)에 적용된 동일한 하중에 관하여 그 빔들 각각의 화살표(arrow)를 비교하여 측정될 수 있다.
본 발명에 따르면, Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성은, Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에 떨어진 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross)보다 작다. 이는, 굽힘 강성을 중간 부품이 더 작게 가지게 하는 것은 굽힘 강성의 공식에 따라 탄성 계수 또는 면적 관성 모멘트를 조정함으로써 달성할 수 있어, 중간 부품 또는 크로스 빔의 면적 관성 모멘트가 Lout과 Dout 사이 및 Lout과 Din 사이에서 각각 고려되어야 함을 의미한다. 이는, 크로스 빔의 전면 벽에 충격력이 가해지는 경우 중간 부품이 트리거 역할을 하여 변형하도록 보장한다.
바람직하게는, Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성(Sinterm)은, Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross)의 100% 미만, 보다 바람직하게는, 50% 미만, 훨씬 더 바람직하게는 10% 또는 1% 미만이다. 이는 Sinterm/Scross의 비가 바람직하게는 1 미만, 보다 바람직하게는 0.5 미만, 훨씬 더 바람직하게는 0.1 또는 0.01 미만임을 의미한다.
중간 부품의 낮은 굽힘 강성, 즉 추가의 굽힘 컴플라이언스(compliance)는 축선(z)을 중심으로 한 굽힘 모멘트에 대한 크로스 빔과 흡수 장치 사이의 연결부의 강성을 감소시킨다. 굽힘 하중이 크로스 빔의 전방 벽에 가해지는 동안, 중간 부품의 컴플라이언스가 크로스 빔과 흡수 장치 사이의 연결부 기술에 가해지는 하중이 감소하도록 하고 파열을 방지하고 하중 충격을 견디도록 한다.
본 발명의 일부 특정 실시예에서, Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성 및/또는 Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 크로스 빔의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성은 일정하지 않을 수 있다. 이 실시예에서, 중간 부품의 부분의 굽힘 강성(Sinterm)은 수직 축선(Z)에 대한 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)을 갖고 및/또는 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross)은 수직 축선(Z)에 대한 최소 굽힘 강성(Scross,min)을 갖고, 그리고 중간 부품의 부분의 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)이 크로스 빔의 부분의 최소 굽힘 강성(Scross,min)보다 작다.
특정 실시예에서, Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)은, Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross,min)의 100% 미만, 보다 바람직하게는, 50% 미만, 훨씬 더 바람직하게는 10% 또는 1% 미만이다. Sinterm,min/Scross,min의 비가 바람직하게는 1 미만, 보다 바람직하게는 0.5 미만, 훨씬 더 바람직하게는 0.1 또는 0.01 미만이다.
본 발명의 특정 실시예에 의존하여, 굽힘 강성(Sinterm)은 Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)일 수 있고 및/또는 굽힘 강성(Scross)은 Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 크로스 빔의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 최소 굽힘 강성(Scross,min)일 수 있다.
바람직하게는, 제 1 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최대 거리 Lout은 제 2 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최대 거리 Dout보다 크다.
바람직하게는, 제 2 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 거리 Din은 제 1 접촉 영역과 종축선(LL)사이의 최소 거리 Lin보다 크다.
중간 부품은, 바람직하게는 압연, 압출, 단조 또는 주조에 의해 얻어진다. 바람직하게는, 기계가공 단계(machining step)는 압연, 압출, 단조 또는 주조 단계 후에 수행된다.
바람직하게는, 그 중간 부품은, 흡수 장치의 적어도 하나의 외벽에 연결된 적어도 하나의 플랜지를 포함한다. 이는 크로스 빔, 중간 부품 및 흡수 장치 간의 조립체의 전단 저항을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 그 중간 부품은 구조적 장착 표면들, 래싱(lashing) 포인트, 견인 포인트 또는 스포트라이트(spotlight) 장착부와 같은 추가 기능들을 부착하기 위한 추가 수단들을 포함한다.
일 실시예에서, 그 중간 부품에는 견인 장치 또는 견인 고리(eye)의 통과를 위한 관통 개구가 마련되어 있다. 바람직하게는, 중간 부품은 견인 훅(hook)용 나사부(thread)를 포함한다. 바람직하게는, 견인 훅용 나사부를 갖는 중간 부품은 압출에 의해 얻어진다.
본 발명은 또한 자동차에서 본 발명에 따른 범퍼 시스템을 사용하는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따른 범퍼 시스템은 전기 엔진 차량 또는 연소 엔진 차량에서 사용 가능하다.
본 발명의 추가 양태들, 목적들, 이점들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여, 비제한적인 예로서 주어진 바람직한 실시예들의 후속하는 상세한 설명을 읽을 때 보다 명확하게 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 크로스 빔, 흡수 장치 및 중간 부품들을 포함하는 범퍼 시스템의 사시도를 도시한다.
도 2는 평면(X,Y)에서 크로스 빔, 하나의 흡수 장치 및 중간 부품 간의 연결부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 제 1 접촉 영역 및 제 2 접촉 영역을 보여주는 평면(Y,Z)에서 크로스 빔, 하나의 흡수 장치 및 중간 부품 간의 연결부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 부착 위치를 보여주는 평면(Y,Z)에서 크로스 빔, 하나의 흡수 장치 및 중간 부품 사이의 연결부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5a는 중간 부품이 프로파일 부재의 외벽에 부착된 플랜지를 갖는 경우에 중간 부품, 크로스 빔과 흡수 장치 사이의 연결부의 사시도이며; 도 5b는 평면(X,Y)에서도 5a에 도시한 연결부의 개략적인 단면도이다.
도 6은 중간 부품이 프로파일 부재의 외벽에 부착된 두 개의 플랜지를 가질 경우에, 크로스 빔과 중간 부품 사이의 연결부의 사시도이다.
도 7은 중간 부품이 보강 부분들을 가질 경우에, 크로스 빔과 중간 부품 사이의 연결부의 사시도이다.
도 8은 중간 부품이 기능들을 추가하기 위한 추가 수단들을 가질 경우에, 크로스 빔과 중간 부품 사이의 연결부의 사시도이다.
도 9는 중간 부품이 견인 훅의 기능 또한 수행하는 경우에, 중간 부품과 크로스 빔 사이의 연결부의 사시도이다.
도 10은 도 9의 변형예이다.
도 11은 RCAR 범퍼 배리어(barrier) 시험의 원리의 사시도이다.
도 12는 폴(pole) 배리어 시험의 원리의 사시도이다.
도 13은 중간 부품을 사용하지 않은, 종래 기술에 따른 크로스 빔과 흡수 장치 사이의 연결부의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 중간 부품을 통한 크로스 빔과 흡수 장치 사이의 연결부의 단면도이다.
도 15는 RCAR 범퍼 배리어 시험 및 폴 배리어 시험에 따라 시험된 본 발명에 따른 범퍼 시스템의 단면도이다.
도 16은 RCAR 범퍼 배리어 시험 및 폴 배리어 시험에 따라 시험된 크로스 빔의 단면도이다.
도 17은 RCAR 범퍼 배리어 시험 및 폴 배리어 시험에 따라 시험된 흡수 장치 단면도이다.
도 18은 크로스 빔이 흡수 장치에 직접 부착되는 경우 또는 본 발명에 따른 중간 부품이 사용되는 경우에, RCAR 범퍼 배리어 시험에 따른, 배리어에 정면 충돌 시 범퍼 시스템을 지탱할 수 있는 하중을 도시한다.
도 19는 크로스 빔이 흡수 장치에 직접 부착되는 경우 또는 본 발명에 따른 중간 부품이 사용되는 경우에, 폴에 정면 충돌 시 범퍼 시스템을 지탱할 수 있는 하중을 도시한다.
본 발명은 도면들을 참조하여 보다 더 잘 이해될 것이다. 모든 도면에 걸쳐, 동일하거나 상응하는 요소들은 전체적으로 동일한 참조 번호로 지칭될 수 있다. 이러한 도시된 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 이해되어야지, 어떤 식으로든 제한되지 않는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다. 도면은 반드시 축척대로 나타낸 것은 아니며, 실시예들은 그래픽 심볼들, 가상선들, 도식적 표현들 및 파단도들에 의해 예시될 수 있다는 점도 이해해야만 한다. 특정한 예들에서, 본 발명의 이해에 필요하지 않거나 다른 세부 사항을 인식하기 어렵게 만드는 세부 사항은 생략될 수 있다. 더욱이, 다양한 실시예들 및 대안적인 실시예들은 상호 배타적이지 않고 서로 결합될 수 있다.
도 1은 크로스 빔(1), 2개의 흡수 장치(2, 2') 및 2개의 중간 부품(3, 3')을 포함하는 범퍼 시스템(4)의 사시도를 도시한다. 크로스 빔은 만곡되고 횡방향(Y)으로 연장한다. 크로스 빔은 길이 W를 갖는 압출 부재로 구성되며, 후방 벽(5)과 전방 벽(6)을 갖는다. 후방 벽(5)은 만곡된 크로스 빔의 안쪽 가장자리에 위치한다. 전방 벽(6)은 만곡된 크로스 빔의 바깥쪽 가장자리에 위치한다. 후방 벽은 전방 벽의 반대편에 그로부터 이격되어 있다. 2개의 흡수 장치(2, 2')들이 만곡된 크로스 빔의 안쪽 가장자리에 위치하고 종축선(LL)에 대해 실질적으로 대칭으로 위치한다. 종축선(LL)은 크로스 빔 폭의 중간 W/2 지점을 통과한다. 종축선(LL)은 범퍼 시스템이 설치될 수 있는 자동차의 대칭 축(도시 생략)에 해당할 수 있다. 이 종축선은 종방향(X)과 평행하고, 상기 종방향(X)은 또한 자동차의 주행 방향(도시 생략)에 해당할 수 있다.
크로스 빔(1)과 흡수 장치(2, 2') 사이에 중간 부품(3, 3')이 배치된다. 중간 부품(3, 3')은 제 1 접촉 영역(10, 10')을 통해 크로스 빔(1)의 후방 벽(5)에 연결된다. 도 1에 도시한 예의 경우, 제 1 접촉 영역은 후방 벽(5)에 놓이는 중간 부품의 전체 표면에 해당한다. 그러나, 크로스 빔의 만곡이 중간 부품이 위치하는 구역에서 특히 두드러지는 다른 실시예들에서, 제 1 접촉 영역은 후방 벽에 놓인 중간 부품의 표면의 부분에만 해당할 수 있고 연속하지 않은 여러 표면들에 의해 형성될 수 있다.
그 중간 부품(3, 3')은 또한 제 2 접촉 영역(20, 20')을 통해 흡수 장치(2, 2')에 연결된다.
도 2는 도 1에 도시된 좌측 조립체의 크로스 빔/중간 부품/흡수 장치의 단면이다. 제 1 접촉 영역은 내측 부품 거리(Lin)와 외측 부품 거리(Lout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 내측 부품 거리 및 외측 부품 거리는 각각 상기 제 1 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 해당한다.
흡수 장치(2)는 종방향(X)에 평행하게 연장하는 프로파일 부재(7)를 포함한다. 프로파일 부재는, 흡수 장치를 차량의 종방향 빔(도시 생략)에 부착할 수 있게 하는 엔드 플레이트(9)에 그 일단부가 부착되고, 제 2 접촉 영역(20)을 통해 중간 부품에 타단부가 부착된다. 도 2에 도시한 예의 경우, 제 2 접촉 영역은 프로파일 부재(7)의 전체 단면에 해당한다. 제 2 접촉 영역은 내측 프로파일 거리(Din)와 외측 프로파일 거리(Dout)만큼 종축선(LL)에서 떨어지며, 내측 프로파일 거리 및 외측 프로파일 거리는 각각, 제 2 접촉 영역과 종축선(LL)사이의 최소 및 최대 거리에 해당한다.
도 3은 제 1 접촉 영역(10) 및 제 2 접촉 영역(20)을 도시하는 도 2의 단면(B-B)이다.
도 4는 도 3과 유사한 실시예에 해당하지만, 연결부들의 위치를 나타내며, 도시한 예의 경우에, 그 위치는 심 용접선(seam weld line)들에 해당한다. 다른 실시예(도시 생략)에서, 연결부들은 접합 또는 접합과 용접의 혼합에 의해 형성될 수 있다. 도시한 예의 경우, 중간 부품은 연속적이지 않은 심 용접선(101a, 101b)을 통해 크로스 빔에 부착되는데, 즉 심 용접선은 제 1 접촉 영역의 2개의 끝단에 위치하는 2개의 별개의 심 용접선(101a, 101b)들로 구성되며; 심 용접선(101a)은 종축선(LL)으로부터 Lout의 거리만큼 떨어진 영역에 위치하고, 용접선(101b)은 종축선(LL)으로부터 Lin의 거리만큼 떨어진 영역에 위치한다. 다른 실시예에서, 2개의 별개의 심 용접선은 0.8Lout과 Lout 사이 또는 Lin과 1.2Lin 사이에 포함된 거리만큼 종축선으로부터 떨어진 영역에 위치할 수 있다. 중간 부품은 심 용접선(201)을 통해 흡수 장치에 부착되며, 그 용접선은 제 2 접촉 영역(20)의 주변에서 그를 부분적으로 또는 완전히 둘러싸고 있다.
도 5a 및 도 5b는 중간 부품이 흡수 장치(2)의 외벽(8)에 연결된 플랜지(30)를 갖는 본 발명의 특정 실시예를 나타낸다. 중간 부품은 비연속적인 심 용접선(201, 202)을 통해 흡수 장치에 부착된다. 심 용접선은 2개의 별개의 심 용접선(201, 202)으로 구성되며, 이 심 용접선(202)들 중 하나는 플랜지와 외벽(8) 사이의 연결부에 해당한다.
도 6은 중간 부품(3)에 2개의 플랜지(30a, 30b)가 있다는 점에서 도 5와 다르다. 이 경우, 각 플랜지(30a, 30b)는 흡수 장치(8a, 8b)의 외벽에 연결된다. 각 플랜지는 심 용접선(202a, 202b)을 통해 부착된다.
도 7은 중간 부품이 보강 부분(40a, 40b)들을 포함하는 본 발명의 특정 실시예를 나타낸다.
도 8은 중간 부품이 부착 수단(50a, 50b)들을 포함하는 본 발명의 특정 실시예를 나타낸다. 그 부착 수단들은 혼(horn), 전자 장치들, 보강 부분들, 래싱 포인트들 또는 스포트 라이트와 같은 추가 부품들을 부착할 수 있게 한다.
도 9 및 도 10은 중간 부품(3)에 견인 장치의 통과를 위한 관통 개구가 마련된 경우를 나타낸다. 도 9는 견인 훅(60)용 나사부를 중간 부품에 별도로 부착 한 경우에 해당한다. 이 경우에서, 그 나사부는 예를 들어 용접 또는 접합에 의해 중간 부품에 부착되는 추가 부품 내에 포함된다. 도 10은 그 나사부가 중간 부품 내에 통합된 경우에 해당한다. 중간 부품과 나사부는 일체형이며, 즉 외부 부착물들이 필요하지 않다. 이는, 바람직하게는, 압출에 의해 얻어진다.
예
범퍼 시스템에 대한 RCAR 범퍼 배리어 시험과 폴 배리어 시험이, 종래 기술에 해당하는 도 13에 나타낸, 즉 중간 부품이 없는 제 1 범퍼 시스템 및 본 발명에 해당하는 도 14에 나타낸 제 2 범퍼 시스템의 2가지 유형의 범퍼 시스템에 실행되었다. 두 구성 모두에 대해, 도 16에 나타낸 3개의 챔버를 갖는 동일한 기하학적 형상의 크로스 빔이 사용되었고, 총 길이는 1300mm였다. 도 17에 나타낸 동일한 흡수 장치들이 사용되었고 종축선(LL)을 중심으로 430mm의 거리만큼 떨어져서 대칭으로 배치하였다(도 15 참조). 두 구성의 범퍼 시스템은 70GPa의 영 계수를 갖는 알루미늄 합금으로 이루어진다.
종래 기술에 따르면, 그 흡수 장치는 크로스 빔에 직접 용접된다. 본 발명에 따르면, 70GPa의 영 계수를 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고 도 14에 나타낸 플랜지를 갖는 중간 부품이 크로스 빔과 흡수 장치 사이에 배치되어, 제 1 접촉 영역을 통해 크로스 빔에 용접하여 부착되고 제 2 접촉 영역을 통해 흡수 장치에 용접하여 부착된다. 표 1은 종축선(LL)과 제 1 및 제 2 접촉 영역 사이의 거리를 보여준다(도 15 참조). Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 크로스 빔의 부분의 수직 축선(Z)에 대한 해당 면적 관성 모멘트 및 Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에서 떨어진 중간 부품의 수직 축선(Z)에 대한 면적 관성 모멘트도 표 1에 포함되어 있다. CATIA V5 소프트웨어를 사용하여 계산되었다.
이어서, 해당 굽힘 강성은 면적 관성 모멘트에 두 요소들을 구성하는 재료(여기서는 알루미늄)의 영 계수를 곱하여 추론된다.
중간 부품의 굽힘 강성(Sinterm = 84Nm2)이 크로스 빔의 굽힘 강성(Scross = 19460 Nm2)의 0.43%로 훨씬 작은 것을 관찰할 수 있다.
Figure pct00001
시험을 수행하기 위해, 범퍼 시스템(4)이 바디 인 화이트(body-in-white)의 종방향 부재(13a, 13b)들에 고정되고, 상기 종방향 부재들은 도 11 및 도 12에 나타난 바와 같이 시험용 대차(bob-sled)(16)에 고정된다. RCAR 범퍼 배리어 시험은 10.5km/h에서 수행되고 폴 배리어 시험은 15 내지 64km/h 범위의 속도에서 수행된다.
충돌 중 그 범퍼 시스템의 에너지 흡수 용량은 하중 변위 응답에 의해 구해진다. 하중-변위 곡선 아래의 면적이 흡수된 에너지의 양이다. 저속 충돌 시, 범퍼 시스템은 바디 인 화이트에 손상을 방지하는 기능을 한다. 따라서, 그 시스템을 통해 전달되는 최대 충격 하중은 제한되어야만 한다. 최대 변위는 차량 디자인에 의해 규정된다. 실제로, 충돌 중에 냉각 시스템이나 안전 관련 부품들에 손상이 발생하지 않는 것이 필요하다.
이상적인 범퍼 시스템은 계단 함수로 작용하는 하중-변위 응답을 가지고 있으며; 그 하중이 급격히 최댓값에 도달하고 충돌 동안 내내 그대로 유지된다. 주어진 최대 변위에서, 하중이 더 높을수록 더 나은 범퍼 시스템이 된다.
중간 부품들을 구비하거나 구비하지 않는 두 구성과 두 가지 시험 조건(RCAR 범퍼 배리어 및 폴 배리어 시험)에 대한 하중-힘 대 변위가 도 18 및 도 19에 도시되어 있다. 점선은 중간 부품이 없는 종래 기술(곡선 B)에 따른 범퍼 시스템에 해당하고, 굵은 선은 본 발명(곡선 A)에 따른 범퍼 시스템에 해당한다. 두 경우 모두에서, 그 곡선들은 FEM 모델링에 의해 시뮬레이션된 곡선에 해당한다.
RCAR 범퍼 배리어 시험(도 18)의 경우에, 본 발명(곡선 A)에 따른 중간 부품을 갖는 범퍼 시스템은 작은 변위에 대해서는 종래 기술(곡선 A)에 비해 유사한 하중을 견디지만, 큰 변위에서는 힘 레벨이 보다 높다는 점을 관찰할 수 있다. 이러한 보다 양호한 거동은, 크로스 빔이 여전히 중간 부품을 통해 흡수 장치에 부착되어있는 반면, 종래 기술의 경우 크로스 빔과 흡수 장치 사이의 계면에서 손상이 시작된다는 점에 기인한다. 중간 부품의 존재는 또한 배리어 침입을 감소시켜, 냉각 시스템 등의 자동차 부품들의 무결성에 유익하다고 말할 수 있다.
특정 변위 범위에서, 본 발명에 따른 범퍼 시스템에 의해 견디는 힘은 그 조립체의 낮은 강성으로 인해 종래 기술의 상응하는 힘보다 작지만, 범퍼 시스템의 총 에너지 흡수에는 영향을 미치지 않으며, 총 에너지 흡수는 종래 기술에 따른 범퍼 시스템보다 높게 유지된다.
폴 배리어 시험 동안, 유사한 그래프(도 19)가 획득되었다. 본 발명(곡선 A)에 따른 범퍼 시스템은 종래 기술(곡선 B)에 따른 범퍼 시스템보다 더 큰 하중을 견딜 수 있는 것을 관찰할 수 있다.

Claims (13)

  1. 자동차용 범퍼 시스템(4)으로서,
    - 횡방향(Y)으로 전반적으로 배향되는 크로스 빔(1)으로서, 상기 크로스 빔은 충돌 충격력을 받도록 구성된 전방 벽(6) 및 상기 전방 벽(6)의 반대편에서 그로부터 이격되어 배치된 후방 벽(5)을 포함하는 것인, 크로스 빔(1);
    - 적어도 하나의 흡수 장치(2);
    - 상기 크로스 빔(1)에 상기 흡수 장치(2)를 부착하기 위한 적어도 하나의 중간 부품(3)
    을 포함하며,
    - 상기 중간 부품(3)은 제 1 접촉 영역(10)을 통해 상기 후방 벽(5)에 연결되고, 상기 제 1 접촉 영역은 내측 부품 거리(Lin)와 외측 부품 거리(Lout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 상기 내측 부품 거리 및 상기 외측 부품 거리는 상기 제 1 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 각각 해당하고, 상기 종축선(LL)은 상기 크로스 빔의 폭의 중간을 통과하고 상기 횡방향(Y)에 수직이며,
    - 상기 중간 부품(3)은 제 2 접촉 영역(20)을 통해 상기 흡수 장치(2)에 연결되고, 상기 제 2 접촉 영역은 내측 프로파일 거리(Din)와 외측 프로파일 거리(Dout)만큼 종축선(LL)에서 떨어져 있으며, 상기 내측 프로파일 거리 및 상기 외측 프로파일 거리는 상기 제 2 접촉 영역과 종축선(LL) 사이의 최소 및 최대 거리에 각각 해당하며,
    Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 상기 종축선(LL)에서 떨어진 상기 중간 부품의 부분의 상기 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성(Sinterm)은 Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 종축선(LL)에 떨어진 상기 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성(Scross)보다 작으며, 상기 수직 축선(Z)은 상기 횡방향(Y) 및 종축선(LL)에 수직이며, 상기 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성은 상기 수직 축선(Z)에 대한 면적 관성 모멘트와 빔의 탄성 계수의 곱으로서 규정되는 것인, 범퍼 시스템(4).
  2. 제 1 항에 있어서,
    - Lout과 Dout 사이에 포함된 상기 중간 부품의 부분의 상기 수직 축선(Z)에 대한 굽힘 강성(Sinterm)은 Lout과 Dout 사이에서 일정하지 않고, 상기 수직 축선(Z)에 대해 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)을 가지며 및/또는 Lout과 Din 사이에 포함된 크로스 빔의 부분의 굽힘 강성은 Lout과 Din 사이에서 일정하지 않고, 상기 수직 축선(Z)에 대해 최소 굽힘 강성(Scross,min)을 가지며,
    - 상기 중간 부품의 부분의 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)은 상기 크로스 빔의 부분의 최소 굽힘 강성(Scross,min)보다 작은 것인, 범퍼 시스템(4).
  3. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
    Lout과 Dout 사이에 포함된 거리만큼 상기 종축선(LL)으로부터 떨어진 상기 중간 부품의 부분의 상기 수직 축선(Z)에 대한 최소 굽힘 강성(Sinterm,min)은 Lout과 Din 사이에 포함된 거리만큼 상기 종축선(LL)으로부터 떨어진 상기 크로스 빔의 부분의 최소 굽힘 강성(Scross,min)의 100% 미만, 보다 바람직하게는 50% 미만, 훨씬 바람직하게는 10% 또는 1% 미만인 것인, 범퍼 시스템(4).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 Sinterm,min/Scross,min의 비는 바람직하게는 1 미만, 보다 바람직하게는 0.5 미만, 훨씬 바람직하게는 0.1 또는 0.01 미만인 것인, 범퍼 시스템(4).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 접촉 영역 및/또는 상기 제 2 접촉 영역의 적어도 일부분이 용접 및/또는 접합(101a, 101b, 201a, 201b)되는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  6. 제 5 항에 있어서,
    용접 또는 접합되는 상기 제 1 접촉 영역 및/또는 제 2 접촉 영역의 부분은 비연속적인 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    용접 또는 접합(101a, 101b)되는 상기 제 1 접촉 영역의 부분은 0.8Lout과 Lout 또는 Lin과 1.2Lin 사이에 포함된 거리만큼 상기 종축선(LL)으로부터 떨어지는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 부품(3)은 압연, 압출, 단조 또는 주조에 의해 얻어지는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수 장치는 적어도 하나의 외벽(8, 8a, 8b)을 구비하고, 상기 중간 부품은 상기 흡수 장치의 적어도 하나의 외벽(8, 8a, 8b)에 연결되는 플랜지(30, 30a, 30b)를 포함하는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 부품(3)은 보강 부분(40a, 40b)들을 포함하는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 부품(3)은 추가 기능들을 부착하기 위한 추가 수단(50a, 50b)들을 포함하는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 부품(3)에는 견인 장치 또는 견인 훅(hook)(60)의 통과를 위한 관통 개구가 마련되는 것인, 자동차용 범퍼 시스템(4).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 범퍼 시스템의 자동차에서의 용도.
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