KR101866080B1

KR101866080B1 - 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조

Info

Publication number: KR101866080B1
Application number: KR1020160143498A
Authority: KR
Inventors: 이문섭; 조정민; 장훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-06-11
Also published as: DE102017207883A1; KR20180049335A; US10272951B2; US20180118279A1; CN108016503B; CN108016503A; DE102017207883B4

Abstract

본 발명에 의한 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조는, 고강도부, 저강도부, 중강도부 영역으로 구분되는 일체형 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조로서, 상기 고강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질로 형성되어 센터필라의 상부에 배치되고, 상기 저강도부는, 탄소섬유 및 올레핀계섬유에 수지가 함침된 복합 재질로 형성되어 상기 고강도부의 강도보다 낮은 강도를 가지고, 센터필라의 하부에 배치되며, 상기 중강도부는, 탄소섬유 및 올레핀계섬유에 수지가 함침된 복합 재질로 형성되어 상기 고강도부의 강도와 상기 저강도부의 강도 사이의 강도를 가지고, 센터필라의 중앙부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

센터필라용 충격 흡수 레인프 구조 {SHOCK ABSORPTION STRUCTURE OF REINFORCE FOR CENTER PILLAR}

본 발명은 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측면 충돌시 충격을 흡수할 수 있는 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조에 관한 것이다.

자동차의 센터필라는 앞좌석과 뒷좌석 사이를 분할하면서 차체의 상, 하단을 연결하는 구성으로서, 자동차에 측면 충돌이 가해질 때 탑승자를 보호하게 된다.

측면 충돌 사고시에는 흔히 센터필라의 하단부에 충격량이 집중되는데, 이로 인해 센터필라가 차량 안쪽으로 밀려들어오거나, 파단이 발생하여 운전자에게 상해를 입히게 된다.

센터필라의 강도가 낮으면 차량 내부 방향으로의 변형을 방지하기 어렵고, 차량 전복시 내부 공간을 확보하기 어렵다. 반대로 센터필라의 강도가 높으면 충격량을 흡수하지 못 하고 파단이 발생하여 운전자에게 상해를 입히기 쉬운 문제가 있었다.

따라서, 종래에 센터필라의 상, 하부의 강도를 서로 다르게 조절하는 방법이 개발되었다. 대표적으로 TRB(Tailor Rolled Blank) 공법과 TWB(Tailor Welded Blank) 공법 등이 사용되는데, TRB 공법은 센터 필라의 상, 하부 판넬 두께를 서로 다르게 제조하고, TWB 공법은 서로 다른 강도의 판넬을 레이저 용접하여, 센터필라의 상, 하부 강도를 다르게 하는 공법이다.

이를 통해 센터필라의 상부에 비해 하부의 강도를 낮게 조절함으로써, 측면 충돌시 충격량을 효과적으로 흡수할 수 있는 것이다.

한편, 자동차 차체의 재질을 강(STEEL)에서 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 대체하는 기술이 개발되고 있다.

그러나 CFRP는 그 강도가 비교적 일정하여 센터필라의 상하 강도를 다르게 조절하는 것이 어렵다.

따라서, CFRP 재질을 사용하여 가볍고 강성이 뛰어난 차체를 제조하면서, 측면 충돌시 충격량을 효과적으로 흡수할 수 있는 센터필라의 레인프 구조의 필요성이 대두되고 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, CFRP 기반의 차체에 적용할 수 있는 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조는, 고강도부, 저강도부, 중강도부 영역으로 구분되는 일체형 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조로서, 상기 고강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질로 형성되어 센터필라의 상부에 배치되고, 상기 저강도부는, 탄소섬유 및 올레핀계섬유에 수지가 함침된 복합 재질로 형성되어 상기 고강도부의 강도보다 낮은 강도를 가지고, 센터필라의 하부에 배치되며, 상기 중강도부는, 탄소섬유 및 올레핀계섬유에 수지가 함침된 복합 재질로 형성되어 상기 고강도부의 강도와 상기 저강도부의 강도 사이의 강도를 가지고, 센터필라의 중앙부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 고강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱 재질로 형성된 제1층을 복수 개 적층하여 제조되고, 상기 저강도부 및 상기 중강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱 재질로 형성된 제1층과, 올레핀계섬유에 수지가 함침된 재질로 형성된 제2층을 각각 한 층 이상 적층하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 저강도부의 전체 두께 대비 제2층의 총 두께 비율은 상기 중강도부의 전체 두께 대비 제2층의 총 두께 비율보다 높은 것을 특징으로 한다.

상기 저강도부는, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 55~75%인 상기 제1층과, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 25~45%인 상기 제2층으로 형성되고, 상기 중강도부는, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 70~90%인 상기 제1층과, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 10~30%인 상기 제2층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 저강도부의 제2층의 층수는 상기 중강도부의 제2층의 층수보다 많은 것을 특징으로 한다.

상기 저강도부는, 나란히 적층된 4~5개의 상기 제1층과, 적층된 상기 제1층의 외각에 적층된 2~3개의 상기 제2층으로 구성된 7개의 층으로 형성되고, 상기 저강도부의 제2층은, 적층된 상기 제1층의 차량 내외부 방향 양측면에 각각 하나씩 형성되거나, 적층된 상기 제1층의 차량 외부 방향 일측면에 두 개가 형성되고 차량 내부 방향 타측면에 하나가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 중강도부는, 나란히 적층된 5~6개의 상기 제1층과, 적층된 상기 제1층의 외각에 적층된 1~2개의 상기 제2층으로 구성된 7개의 층으로 형성되고, 상기 중강도부의 제2층은, 적층된 상기 제1층의 차량 외부 방향 일측면에 하나가 형성되거나, 적층된 상기 제1층의 차량 내외부 방향 양측면에 각각 하나씩 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 저강도부 및 상기 중강도부는, 탄소섬유와 올레핀계섬유로 직조된 직물에 수지가 함침되어 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 저강도부에 포함된 직물 중 탄소섬유의 비율은 상기 중강도부에 포함된 직물 중 탄소섬유의 비율보다 낮은 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 탄소섬유는, 인장강도 5000MPa 이상, 파단 신율 2% 이하, 밀도 1.5~2이고, 상기 올레핀계섬유는, 인장강도 600MPa 이상, 파단 신율 9% 이상, 밀도 1 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 센터필라의 파단에 의해 탑승자가 상해를 입는 것을 방지할 수 있다.

둘째, 센터필라의 중량을 저감하여 연비를 향상시킬 수 있다.

셋째, 올레핀계섬유의 가격이 저렴하므로 원가를 절감시킬 수 있다.

넷째, 부위에 따라 서로 다른 강도를 갖는 부품을 일체형으로 제조할 수 있고, 제조방법이 간단하여 원가 및 작업성을 개선시킬 수 있다.

도 1은 센터필라의 아우터 레인프의 모습을 나타낸 도면,
도 2는 센터필라의 수평 단면 형상을 나타낸 도면,
도 3 내지 도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 레인프 구조를 나타낸 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조에 대하여 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 자동차용 센터필라는 아우터 레인프(100), 이너 레인프(10), 아우터 패널(20), 보강 레인프(30) 등으로 구성된다. 차량의 종류, 위치에 따라 각 구성의 단면 형상은 바뀔 수 있고, 보강 레인프(30)가 삭제될 수도 있다.

본 발명에 따른 충격 흡수 레인프 구조는 아우터 레인프(100)에 적용된다. 즉, 아우터 레인프(100)를 복수 개의 영역으로 분할하여 각 영역별 강도를 서로 다르게 제조하여 측면 충돌시 충격을 흡수하는 것이다.

본 발명에 따른 아우터 레인프(100)는 기본적으로 탄소섬유 강화 플라스틱, 즉 CFRP 재질을 기반으로 하고, 여기에 추가적으로 올레핀계섬유를 이용하여 인성 및 연신율을 보완하여 파단을 방지하게 된다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 아우터 레인프(100)를 상하로 세 개의 영역으로 분할하여 아래에서부터 차례로 저강도부(110), 중강도부(120), 고강도부(130)로 구분하고, 각각의 단면 구조를 달리하여 강도에 차등을 두게 된다.

도 3에 도시된 아우터 레인프(100)는 왼쪽이 차량의 전방 방향, 오른쪽이 차량의 후방 방향이며, 부분 확대도에 도시된 제1층(200) 및 제2층(300)의 단면도는 아래쪽이 차량의 외부 방향, 위쪽이 차량의 내부 방향이다.

도시된 바와 같이, 고강도부(130)는 CFRP 재질의 제1층(200)만을 복수 개 적층시켜 최대의 강도를 나타내도록 하고, 중강도부(120) 및 저강도부(110)는 적층된 복수 개의 제1층(200) 중 일부를 올레핀계섬유에 수지가 함침된 제2층(300)으로 대체하여 강도를 낮추면서 인성을 향상시키는 것이다.

올레핀계섬유는 탄소섬유에 비해 낮은 밀도 및 영율, 높은 인장강도 및 파단 신율을 갖고 있으므로, 이를 포함하여 구성된 제2층(300)은 CFRP로 구성된 제1층(200)의 낮은 인성을 보완할 수 있다.

이때 탄소섬유는 인장강도 5000MPa 이상, 파단 신율 2% 이하, 밀도 1.5~2이고, 올레핀계섬유는, 인장강도 600MPa 이상, 파단 신율 9% 이상, 밀도 1 이하의 물성을 나타내는데, 탄소섬유에 비해 올레핀계섬유는 강도가 낮고 파단 신율이 높은 특성을 나타내게 된다.

아우터 레인프(100)를 이루는 제1층(200)의 비율이 높아질수록 강도가 증가하면서 인성이 저하되고, 제2층(300)의 비율이 높아질수록 강도가 저하되면서 인성이 증가하게 된다.

이때 중강도부(120)에 비해 저강도부(110)의 제2층(300)의 두께 비율을 더 크게 조정함으로써, 고강도부(130), 중강도부(120), 저강도부(110) 순으로 순차적으로 강도가 낮아지는 아우터 레인프(100)를 제조할 수 있다.

이를 보다 자세히 살펴보면, 저강도부(110)는 제1층(200)의 두께 비율이 55~75%, 제2층(300)의 두께 비율이 25~45%인 것이 바람직하고, 중강도부(120)는 제1층(200)의 두께 비율이 70~90%, 제2층(300)의 두께 비율이 10~30%인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서 고강도부(130), 중강도부(120) 및 저강도부(110)는 모두 7층으로 구성되는데, 고강도부(130)는 7층이 모두 제1층(200)으로 이루어지고, 중강도부(120) 및 저강도부(110)는 제1층(200)과 제2층(300)의 층수의 합이 7층으로 이루어지는데, 이중 제2층(300)으로 대체되는 제1층(200)의 층수에 따라 강도 및 인성이 조절된다. 각각의 제1층(200) 및 제2층(300)의 두께 및 총 두께는 특별히 한정하지 않지만, 개별 층의 두께는 제조 공법 등을 고려하여 0.36~0.57mm로 한정할 수 있고, 총 두께는 중량 절감 효과와 충돌시 실내 공간 확보를 위해 2.5~4.0mm로 한정할 수 있을 것이다.

또한, 제1층(200) 및 제2층(300)의 총 층수는 차량의 종류 및 적용되는 부품의 종류에 따라 변경될 수도 있을 것이다.

저강도부(110) 및 중강도부(120)를 실제로 구현할 때, 저강도부(110)는 차량의 외부 방향과 내부 방향의 최외각 층에 각각 제2층(300)을 형성시키고, 중강도부(120)는 차량의 외부 방향의 최외각 층에 제2층(300)을 형성시키는 것이 바람직할 것이다.

즉, 제1층(200)은 강도를 강화시키는 일종의 코어 역할을 하고, 제2층(300)은 제1층(200)의 외부를 감싸 제1층(200)의 파단을 방지하는 역할을 하는 것이다. 이때 측면 충돌의 충격이 가해지는 방향인 차량의 외부 방향에 제2층(300)을 형성시키는 것이 충격 흡수에 보다 효과적이기 때문에, 저강도부(110) 및 중강도부(120) 모두 차량 외부 방향에 제2층(300)을 형성시키고, 저강도부(110)는 이에 더해 차량 내부 방향에 제2층(300)을 추가적으로 형성시켜 중강도부(120)에 비해 강도를 저하시키고 인성을 보다 증가시킬 수 있다.

도 4에 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이를 도 3의 일 실시예와 비교해 보면, 저강도부(110)는 차량 외부 방향에 제2층(300)을 하나가 아닌 두 개를 설치하고, 중강도부(120)는 차량 외부 방향뿐 아니라 차량 내부 방향에도 제2층(300)을 설치하여 보다 인성을 향상시킬 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 어떤 실시예에도 저강도부(110)의 제2층(300)의 층수 또는 두께는 중강도부(120)의 제2층(300)의 층수 또는 두께보다 크게 설치되어, 저강도부(110)가 중강도부(120)에 비해 낮은 강도를 나타낼 수 있도록 해야 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 도 3 및 도 4에서 상술한 제1층(200) 또는 제2층(300)으로 구분하지 않고, 수지에 함침될 직물(400)의 구성 중 탄소섬유(410)와 올레핀계섬유(420)의 비율을 조절하여 강도 및 인성을 조절하게 된다.

도 5에 도시된 부분 확대도에는 중앙 부분만 직조되어 있는 것으로 표현되어 있지만, 실제로는 아우터 레인프(100) 전체에 걸쳐 탄소섬유(410) 및 올레핀계섬유(420)가 직조되어 있는 것이다.

고강도부(130)는 탄소섬유(410)로만 구성된 직물(400)을 수지에 함침시킨 판재, 즉 CFRP를 그대로 사용하고, 중강도부(120) 및 저강도부(110)는 탄소섬유(410)와 올레핀계섬유(420)를 혼합한 직물(400)을 수지에 함침시킨 판재를 사용하는 것이다.

이때, 저강도부(110)의 탄소섬유(410) 비율은 중강도부(120)의 탄소섬유(410) 비율보다 낮게 조절하여 저강도부(110)의 강도를 중강도부(120)에 비해 낮게 조절하게 된다.

삭제

이렇게 탄소섬유(410)와 올레핀계섬유(420)를 복합 사용한 직물(400)로 저강도부(110)와 중강도부(120)를 구분함으로써 생기는 이점은, 저강도부(110) 영역과 중강도부(120) 영역을 복잡한 형상으로 형성시키기 용이하다는 점이다.

즉, 부분적으로 강도를 보강 또는 감소시키거나, 충돌시 변형 방향을 유도하도록 저강도부(110)가 특정 형태를 이루도록 할 수도 있을 것이다.

이러한 예시가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, (a) 중강도부(120)의 일부 영역이 저강도부(110) 방향으로 돌출되어 차량 하부까지 연결되거나, (b) 저강도부(110)의 일부 영역이 중강도부(120) 방향으로 돌출되어 고강도부(130)까지 연결될 수 있을 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 이너 레인프 20: 아우터 패널
30: 보강 레인프 100: 아우터 레인프
110: 저강도부 120: 중강도부
130: 고강도부 200: 제1층
300: 제2층 400: 직물
410: 탄소섬유 420: 올레핀계섬유

Claims

고강도부, 저강도부, 중강도부 영역으로 구분되는 일체형 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조로서,
상기 고강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 재질로 형성되어 센터필라의 상부에 배치되고,
상기 저강도부는, 탄소섬유 및 올레핀계섬유에 수지가 함침된 복합 재질로 형성되어 상기 고강도부의 강도보다 낮은 강도를 가지고, 센터필라의 하부에 배치되며,
상기 중강도부는, 탄소섬유 및 올레핀계섬유에 수지가 함침된 복합 재질로 형성되어 상기 고강도부의 강도와 상기 저강도부의 강도 사이의 강도를 가지고, 센터필라의 중앙부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 고강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱 재질로 형성된 제1층을 복수 개 적층하여 제조되고,
상기 저강도부 및 상기 중강도부는, 탄소섬유에 수지가 함침된 탄소섬유 강화 플라스틱 재질로 형성된 제1층과, 올레핀계섬유에 수지가 함침된 재질로 형성된 제2층을 각각 한 층 이상 적층하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 저강도부의 전체 두께 대비 제2층의 총 두께 비율은 상기 중강도부의 전체 두께 대비 제2층의 총 두께 비율보다 높은 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 3에 있어서,
상기 저강도부는, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 55~75%인 상기 제1층과, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 25~45%인 상기 제2층으로 형성되고,
상기 중강도부는, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 70~90%인 상기 제1층과, 전체 두께 대비 총 두께 비율이 10~30%인 상기 제2층으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 저강도부의 제2층의 층수는 상기 중강도부의 제2층의 층수보다 많은 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 5에 있어서,
상기 저강도부는, 나란히 적층된 4~5개의 상기 제1층과, 적층된 상기 제1층의 외각에 적층된 2~3개의 상기 제2층으로 구성된 7개의 층으로 형성되고,
상기 저강도부의 제2층은, 적층된 상기 제1층의 차량 내외부 방향 양측면에 각각 하나씩 형성되거나, 적층된 상기 제1층의 차량 외부 방향 일측면에 두 개가 형성되고 차량 내부 방향 타측면에 하나가 형성되는 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 5에 있어서,
상기 중강도부는, 나란히 적층된 5~6개의 상기 제1층과, 적층된 상기 제1층의 외각에 적층된 1~2개의 상기 제2층으로 구성된 7개의 층으로 형성되고,
상기 중강도부의 제2층은, 적층된 상기 제1층의 차량 외부 방향 일측면에 하나가 형성되거나, 적층된 상기 제1층의 차량 내외부 방향 양측면에 각각 하나씩 형성되는 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 저강도부 및 상기 중강도부는, 탄소섬유와 올레핀계섬유로 직조된 직물에 수지가 함침되어 제조되는 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
청구항 8에 있어서,
상기 저강도부에 포함된 직물 중 탄소섬유의 비율은 상기 중강도부에 포함된 직물 중 탄소섬유의 비율보다 낮은 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 탄소섬유는, 인장강도 5000MPa 이상, 파단 신율 2% 이하, 밀도 1.5~2이고,
상기 올레핀계섬유는, 인장강도 600MPa 이상, 파단 신율 9% 이상, 밀도 1 이하인 것을 특징으로 하는, 센터필라용 충격 흡수 레인프 구조.