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문제 정의
- 본 논문에서는 차량의 손상성과 수리성에 주된 영향을 미치는 범퍼의 체결구조의 개선을 통한 차량의 손상성과 수리성 향상에 대한 실험적 연구를 수행하여 범퍼체결구조의 충격력, 손상 및 수리성 특성을 분석하였다. 차량의 손상성과 수리성 향상을 도모하기 위한 분석 수단으로서 사고빈도가 가장 많은 RCAR 기준의 전, 후면 15面 /h 40% 오프셋 저속충돌시험 및 개정시험 기준을 적용하였고 컴퓨터 충돌해석 기법을 병행 적용하여 범퍼의 체결구조를 분석한 결과 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 그러나 자동차의 저속충격에 따른 범퍼 체결구조와 손상성 및 수리성에 관한 연구는 적으며 더욱 체계적인 연구가 필요한 것으로 사료된다. 이러한 관점에서 본 연구는 자동차의 범퍼 체결구조연구를 여러가지 형태로 구성하고 사고 후의 구조 상태를 분석하여 자동차 사고에서 발생하는 차량 및 승객의 안전성확보를 위한 사고 자동차의 손상성 및 수리성 향상방안을 실험적으로 연구한 것이다.
제안 방법
- 실제 충돌시험에서는 파악할 수 없는 사이드 멤버 앞부분의 손상과정과 이에 미치는 영향을 알아보기 위해 충돌해석기법에 의한 손상분석(12)을 실시하였다. 충돌해석에 사용된 사이드멤버와 크래시박스와 범퍼 백빔의 재질은 고장력강의 재질 (인장강도 410MPa)을 적용하고 시험차량 중량은 1, 579kgf, 충돌조건은 2004년 RCAR 개정 구조평가 시험기준인 15km/h 40% 오프셋 10° 경사벽 충돌조건을 동일하게 적용하였다.
- 앞에서 언급한 저속충돌시험 기준에 의거하여 5 년동안 승용 8개 차종을 대상으로 충돌시험을 실시하여 수리비를 계산하여 손상성, 수리성의 객관적인 평가기준이 되는 손상성 지수(damageability index : D.I.)를 산출하였다. Table 5는 8개 차종에 대한 손상성 지수 산출결과이다.
- 있다. 우리나라 차량의 경쟁력 제고와 사고 차량의 수리비저감을 위해 충돌시험은 크래시박스의 중요성이 입증된 바 있는 개정 전 시험기준을 적용하였고, 실차충돌시험 결과와의 비교를 위해 컴퓨터를 이용한 충돌시험해석 기법을 적용하여 상호 도출된 연구결과를 비교, 분석하였다.
- 저속충돌시험기준은 차량 승객안전성을 침해 받지 않는 범위에서 가장 빈번하게 발생하는 충돌사고 속도와 형태를 반영하여 실제사고 재현을 최적화하여 RCAR에서 저속충돌시험 기준을 마련하였다. (11) 전면충돌시험의 경우 Fig.
- 선정하였다. 차량의 무게는 신차량의 공차중량에 인체모형 (dummy:Hybrid 皿 50%th male)을 기준으로 하고 미세조정은 발라스트 웨이트(무게 조정 추)를 이용하여 중량을 조정하였다.
- 특성을 분석하였다. 차량의 손상성과 수리성 향상을 도모하기 위한 분석 수단으로서 사고빈도가 가장 많은 RCAR 기준의 전, 후면 15面 /h 40% 오프셋 저속충돌시험 및 개정시험 기준을 적용하였고 컴퓨터 충돌해석 기법을 병행 적용하여 범퍼의 체결구조를 분석한 결과 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 후면에 충돌시킨다. 충돌 시 차량의 충돌특성을 파악하기 위해 Table 2와 Table 3에 나타낸 가속도센서 및 타이머를 장착하여 플로어 패널의 터널 부위의 무게중심점 3방향 (X, Y, Z) 및 좌, 우앞 사이드멤버의 감가속도를 측정하였다.(8~10)
대상 데이터
- 본 연구를 위해서 Fig. 1과 같이 교통안전공단 자동차 성능시험연구소(KATRI)의 주행충돌시험 설비를 사용하였으며 그 주요 제원은 Table 1과 같다. 정면충돌시험의 경우 차량준비실 ④에서 무한궤도의 견인케이블을 시험차량 하부에 연결한 다음 케이블 구동모터를 가동시켜서 차량을 고정벽(反 : 콘크리트 구조물)까지 강제 견인하여 충돌시켜 시험한다.
- 시험대상 차량은 각 차량별로 안배하여 Table 4와 같이 경차(2대), 소형차(3대), 중형차(3대) 8개 대표 차종을 선정하였다. 차량의 무게는 신차량의 공차중량에 인체모형 (dummy:Hybrid 皿 50%th male)을 기준으로 하고 미세조정은 발라스트 웨이트(무게 조정 추)를 이용하여 중량을 조정하였다.
- 충돌해석에 사용된 사이드멤버와 크래시박스와 범퍼 백빔의 재질은 고장력강의 재질 (인장강도 410MPa)을 적용하고 시험차량 중량은 1, 579kgf, 충돌조건은 2004년 RCAR 개정 구조평가 시험기준인 15km/h 40% 오프셋 10° 경사벽 충돌조건을 동일하게 적용하였다. 컴퓨터에 의한 충돌해석의 결과치를 비교하기 위해 Fig.
이론/모형
- 충돌해석에 사용된 사이드멤버와 크래시박스와 범퍼 백빔의 재질은 고장력강의 재질 (인장강도 410MPa)을 적용하고 시험차량 중량은 1, 579kgf, 충돌조건은 2004년 RCAR 개정 구조평가 시험기준인 15km/h 40% 오프셋 10° 경사벽 충돌조건을 동일하게 적용하였다. 컴퓨터에 의한 충돌해석의 결과치를 비교하기 위해 Fig.9와 같이 사이드 멤버와 범퍼 백빔 사이에 크래시박스가 적용되는 구조(Crash box type)와 크래시 박스가 없이 사이드멤버가 범퍼 백빔에 직접 장착되는 구조(none crash box type)의 두 종류의 모델을 대상으로 하여 충돌해석용 소프트웨어 (LS_DYNA version 971)를 적용하였다. 충돌해석 시 각 부품의 격자간격을 10mm로 하고 차량이 종방향(X)으로만 움직이므로 차체의 진행방향(X)을 제외하고 모두 구속하였다.
성능/효과
- (1) 범퍼스테이는 범퍼 백빔과 사이드멤버 사이에 위치한 중간흡수구조체로서의 역할을 충분히 수행하기 위해 두 부품보다 연질의 고장력 재질을 사용하여 저속중돌 사고 시에 죽방향 손궤가 선행하여 발생됨으로써 충격력이 효과적으로 흡수되는 방식으로 설계되어야 한다.
- (2) 범퍼 스테이의 단면형상은 사이드멤버의 단면 형상처럼 강도유지와 충격흡수능력이 우수한 다각형 내지는 원형으로 하는 것이 충격흡수 및 강도 유지에 유리하다..
- (4) 범퍼 스테이는 범퍼 백빔과 사이드멤버 어느 쪽에도 용접체결 되지 않고 세 부품이 상호 볼트로 체결되게 하는 구조로 하는 것이 좋다.
- 45. 0.54이었으나 동급이 아닌 차종에서는 1.08을 기록한 것을 보면 저속충돌사고에서 범퍼의 체결구조 및 충격력 흡수방식이 차량의 손상 성수리 성에 직접적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한 범퍼와 사이드멤버 사이에 위치한 충격흡수체의 충격흡수 능력에 따라 미세하지만 안전성에도 어느 정도 영향을 미친다는 사실도 알 수 있었다.
- 8개 차량에 대한 충돌파형을 분석해보면 가속도 값이 최고값에 도달할 때까지 충격력을 흡수하면서 생기는 파형의 변환점(꼭지점)의 수는 대략 5~7개 정도인 것으로 분석된다. 가속도값이 최고값에 도달하는 것은 충돌되는 부위 중 가장 강한 강도 부재(사이드멤버)에 충돌한다는 의미이며 이때부터 강도부재는 잔여 충격력을 자체적으로 흡수하여 마침내 소멸되는 과정을 거친다.
- Table 6에 나타난 것처럼 8개 시험차종을 대상으로 범퍼 체결구조를 알아본 결과 크래시박스식은 1개 차종, 삽입식은 4 개 차종, 단순 브라켓 식은 3개 차종으로 나타났다. 손상성 지수가 가장 낮은 A 차량의 범퍼 체결구조는 Fig.
- 13은 충돌이 종료되는 80ms 구간까지 매 20ms 씩 크래시 박스와 사이드 멤버에 전달되는 충격력의 분포를 나타낸다. 두 구조 간의 비교에서 알 수 있듯이 사이드멤버 선단의 손상은 크래시 박스 적용모델의 경우 충격력이 크래시박스에 전달되어 사이드멤버의 손상이 경미하게 발생하였으나 크래시박스 비적용 모델은 충격력이 사이드멤버 선단에서 집중되어 축방향 손궤(axial collapse)가 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
- 08을 기록한 것을 보면 저속충돌사고에서 범퍼의 체결구조 및 충격력 흡수방식이 차량의 손상 성수리 성에 직접적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한 범퍼와 사이드멤버 사이에 위치한 충격흡수체의 충격흡수 능력에 따라 미세하지만 안전성에도 어느 정도 영향을 미친다는 사실도 알 수 있었다. 즉, 손상성수리성이 좋게 설계된 차량은 안전성에도 좋은 영향을 미칠 수 있다는 상관관계가 성립한다는 것이 입증되었다.
- 일반적으로 이 지속시간이 짧으면 고속충돌 시에는 차량의 운동에너지를 흡수하는 차체의 변형이 적음에 따라 충격력이 커져서 인체에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이상의 각 차량의 파형을 분석해본 결과, 인체에 영향이 없는 저속충돌사고에서는 가속도의 최대치가 높고 충돌 지속시간이 길수록 범퍼의 충격흡수 능력이 좋다고 볼 수 있다.
- 이상의 충돌해석 결과 변형량 분포는 크래시박스 적용모델이 약 50% 정도 우수하고 Fig. 15에 보이는 바와 같이 전체 변형길이도 33mm 정도 적게 나타난 반면 크래시박스 비적용 모델은 엔진 마운팅 부위와 대시패널 하단부까지 변형이 분포되어 충격흡수가 불안정한 것을 알 수 있다.
- 또한 범퍼와 사이드멤버 사이에 위치한 충격흡수체의 충격흡수 능력에 따라 미세하지만 안전성에도 어느 정도 영향을 미친다는 사실도 알 수 있었다. 즉, 손상성수리성이 좋게 설계된 차량은 안전성에도 좋은 영향을 미칠 수 있다는 상관관계가 성립한다는 것이 입증되었다. 한편 연구보고에 의하면 뇌상 해의 생명위험 가능성은 HIC가 400이하에서는 1% 이하로 나타나는 것으로 알려져 있고 흉부 가속도의 계측치 10~ 14g 정도는 AIS 3(Abbreviated Injury Scale: 미국의 자동차의학진흥협회 (AAAM)에서 구분한 머리와 흉부의 상해정도에 따른 약식상해 등급) 이상의 상해 가능성이 0.
후속연구
- 이러한 범퍼의 에너지 흡수특성은 범퍼 구성재의 형상, 재료, 그리고 충격조건에 지배적인 영향을 받는 것으로 보고 재료의 종류에 따른 특성을 실험적으로 규명한 Hosseinz(5)의 저속충격에 의한 복합범퍼의 연구를 비롯하여, 폴리머 복합 자동차용범퍼의 에너지 흡수설계에 관한 연구, ⑹ 보행자 충격을 고려한 범퍼설계(7) 등에 관한 연구가 보고 되었다. 그러나 자동차의 저속충격에 따른 범퍼 체결구조와 손상성 및 수리성에 관한 연구는 적으며 더욱 체계적인 연구가 필요한 것으로 사료된다. 이러한 관점에서 본 연구는 자동차의 범퍼 체결구조연구를 여러가지 형태로 구성하고 사고 후의 구조 상태를 분석하여 자동차 사고에서 발생하는 차량 및 승객의 안전성확보를 위한 사고 자동차의 손상성 및 수리성 향상방안을 실험적으로 연구한 것이다.
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