차량이 곡선도로를 선회함에 있어 차량 내부적 요소인 차량의 진입속도, 차량에 작용하는 횡가속도, 전복과 관련된 롤 각, 그리고 외부적 요소인 노면과 타이어와의 마찰 및 도로의 구조는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 교통사고 재현을 위한 PC-Crash프로그램을 이용하여 차량의 진입속도와 도로의 편경사, 노면상태에 따른 마찰계수를 변수로 두어 선회 시 차량의 상태변화를 분석하였다. 그 결과로, 곡선도로 선회시 한계속도 설정에 관해 도로구조와 노면상태에 따른 마찰계수가 중요한 요소가 된다는 것을 확인하였다.
차량이 곡선도로를 선회함에 있어 차량 내부적 요소인 차량의 진입속도, 차량에 작용하는 횡가속도, 전복과 관련된 롤 각, 그리고 외부적 요소인 노면과 타이어와의 마찰 및 도로의 구조는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 교통사고 재현을 위한 PC-Crash프로그램을 이용하여 차량의 진입속도와 도로의 편경사, 노면상태에 따른 마찰계수를 변수로 두어 선회 시 차량의 상태변화를 분석하였다. 그 결과로, 곡선도로 선회시 한계속도 설정에 관해 도로구조와 노면상태에 따른 마찰계수가 중요한 요소가 된다는 것을 확인하였다.
Entry speed of the vehicle and lateral acceleration acting on the vehicle, roll-angle associated with the overthrow, and then the structure of the road, the friction of road surface are important factors in turning on the curved road. In this study, we analyzed the state change of the vehicle causin...
Entry speed of the vehicle and lateral acceleration acting on the vehicle, roll-angle associated with the overthrow, and then the structure of the road, the friction of road surface are important factors in turning on the curved road. In this study, we analyzed the state change of the vehicle causing entry speed of the vehicle and superelevation of the road, the friction coefficient by using a PC-crash Program for traffic accident reconstruction. As a result, when vehicle is turning the curved road, we could ascertain that the structure of the road and state of the road surface are a major factor about the set up of limited speed.
Entry speed of the vehicle and lateral acceleration acting on the vehicle, roll-angle associated with the overthrow, and then the structure of the road, the friction of road surface are important factors in turning on the curved road. In this study, we analyzed the state change of the vehicle causing entry speed of the vehicle and superelevation of the road, the friction coefficient by using a PC-crash Program for traffic accident reconstruction. As a result, when vehicle is turning the curved road, we could ascertain that the structure of the road and state of the road surface are a major factor about the set up of limited speed.
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문제 정의
본 연구에서는 차량의 곡선 선회 주행상태 특성을 고찰하기 위하여 실제 사고사례와 차량진입속도, 편경사 및 마찰계수를 변수로 얻어진 결과는 다음과 같다.
가설 설정
본 연구에서는 노면이 건조상태인 마찰계수 0.8과 비가 많이 오는 경우를 가정하여 노면이 매우 축축한 상태인 마찰계수 0.4를 변수로 정하여 시뮬레이션을 하였다.
제안 방법
또한 반경 100m에서 정상선회 시 필요한 조향각인 1.62°를 0.5초간 조향하도록 설정하였다.
마찰계수에 대하여 해석하기에 앞서 노면의 마찰계수는 건조한 상태(μ=0.8)와 노면이 젖은 상태(μ=0.4)로 나누었으며, 편경사는 생략하였고, 차량속도는 80km/h로 고정시키도록 하였다.
본 연구에서는 교통사고 재현프로그램인 PC-Crash를 이용하여 커브길의 사고사례를 검증하였고, 차량진입속도, 편경사 및 마찰계수 등의 변화를 매개변수로 하여 횡가속도, 롤 각, 좌우측의 타이어 횡력 등을 해석하여 차량의 선회주행특성을 고찰하였다.
표 1은 편경사규정으로 6%, 7%, 8%와 설계속도에 따른 최소 평면곡선반경을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 편경사에 따른 시뮬레이션을 하기 위하여 주행속도를 60km/h로 고정하여 편경사를 0%, 6%, 8%를 변수로 설정하였다.
위의 사고도로의 제원을 기본으로 차량진입속도, 편경사 및 마찰계수의 여러 환경적 요인들에 변화를 주어 시뮬레이션을 실시하였다. 충분한 속력을 얻어내기 위하여 처음 97m구간까지는 직진도로로 설계하였으며 그 이후부터는 사고사례와 같이 100m의 반경을 가지는 도로를 설계하였다.
위의 사고도로의 제원을 기본으로 차량진입속도, 편경사 및 마찰계수의 여러 환경적 요인들에 변화를 주어 시뮬레이션을 실시하였다. 충분한 속력을 얻어내기 위하여 처음 97m구간까지는 직진도로로 설계하였으며 그 이후부터는 사고사례와 같이 100m의 반경을 가지는 도로를 설계하였다. 또한 고속주행시 도로를 벗어나지 않도록 충분히 도로의 폭을 넓혀 주도록 하였다.
편경사에 따른 데이터의 상관관계를 분석하기 위하여 차량속도를 60km/h로 고정하여 편경사를 0%, 6%및 8%로 변화하여 해석하였다.
대상 데이터
본 사고는 2010년 7월 15일 23시경 강원도 남강릉 톨게이트 커브길에서 과속으로 인한 사고사례로서 도로는 최고제한속도가 50km/h인 고속도로 램프구간이다. 도로 편경사가 6%인 내리막 직선로에서 곡선반경이 약 100m인 우커브 곡선구간으로 이어지고 있다.
본 연구에서는 차량의 선회특성을 알아보기 위하여 차량으로 YF소나타를 선정하였다. 그림 2는 PC-Crash 프로그램 상에서 시뮬레이션을 할 가상의 차량을 시험 차량과 동일하게 하기 위하여 차량의 제원을 입력한 화면을 나타낸 것이다.
성능/효과
(1) 진입속도 변화에 따른 차량주행은 도로의 제한 속도에 가까운 40km/h, 60km/h의 저속주행은 4∼6%로 감속하고, 가장 높은 재현속도인 100km/h에서는 18%로 감속하는 결과를 나타내었다.
(2) 편경사에 따른 차량주행은 거리가 멀어질수록 감속의 차이가 선형적으로 증가하였으며, 최대 1km/h까지 차이가 났으며, 타이어 횡력은 편경사를 가진 도로가 편경사가 없는 도로보다 훨씬 감소함을 나타냈다.
(3) 마찰계수에 따른 차량주행은 노면이 건조하고 마찰계수가 증가할수록 좌우측 횡력의 차이가 증가하며, 속도와 횡가속도는 감소함을 알 수 있었다.
특히 최대의 차량진입속도 100km/h인 경우 거리 180m에서 횡가속도가 가장 크고 이후에는 감소함을 알 수 있다. 결론적으로 횡가속도가 커지면 롤 각 커짐으로 그림 4의 특성과 비슷함을 알 수 있다.
그 결과로 노면의 마찰계수가 0.4인 도로에서는 130m의 주행거리구간에서 슬립이 발생하였으며, 최대 횡가속도는 마찰계수 μ=0.8에서 4.8m/s2이고, 마찰계수 μ=0.4에서는 3.9m/s2로 산출되었다.
그 결과로 좌우측 타이어 횡력의 최대차이는 마찰계수 μ=0.8에서는 1.34kN, 마찰계수 μ=0.4에서는 0.95kN이였으며 41.3% 감소하였다.
그림 5는 차량진입속도에 따른 거리와 횡가속도의 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 진입속도가 증가할수록 차량의 무게중심에 작용하는 최대 횡가속도가 급격히 증가함을 알 수 있다. 특히 최대의 차량진입속도 100km/h인 경우 거리 180m에서 횡가속도가 가장 크고 이후에는 감소함을 알 수 있다.
그림 10은 편경사에 따른 좌우측 타이어 횡력의 차이를 나타낸 것이다. 그 결과로 편경사가 없는 도로에서 재현하였을 때에 비하여 편경사를 6% 주었을 경우 차량의 좌우측 타이어 횡력의 차이는 최대 40.8%까지 감소하였고, 편경사를 8% 주었을 경우 51.7%까지 감소함을 나타내었다. 이는 좌우측 타이어에 작용하는 수직하중의 크기가 클수록 차량의 무게중심에 작용하는 횡가속도 즉, 횡력의 변화가 크다는 것을 알 수 있다.
그 결과로 프로그램 내에 저장되어있는 설정 특성상 입력한 경로를 최대한 수행하려하기 때문에 마찰계수 μ=0.8에서의 경우 주행한계속도가 높게 측정되어 약 10km/h 감속하는 반면에, 마찰계수 μ=0.4인 도로에서는 입력한 경로를 이탈하는 정도가 크기 때문에 정상선회 하기 위해 22km/h를 자체적으로 감속시켰다.
(1) 진입속도 변화에 따른 차량주행은 도로의 제한 속도에 가까운 40km/h, 60km/h의 저속주행은 4∼6%로 감속하고, 가장 높은 재현속도인 100km/h에서는 18%로 감속하는 결과를 나타내었다. 또한 롤 각과 횡가속도의 특성은 차량진입속도의 증가에 따라 급격히 증가함을 나타냈다.
도로 편경사가 6%인 내리막 직선로에서 곡선반경이 약 100m인 우커브 곡선구간으로 이어지고 있다. 본 사고로 사고현장 우커브 곡선구간에는 사고차량이 도로를 미끄러지면서 발생시킨 타이어 흔적이 확인되고 가드레일이 시작부분에서 약 26m 가량 손상되었다. 사고차량이 가드레일을 타고 넘어가 도로를 이탈, 전복되는 과정에서 탑승자 2명이 좌측 노견에 낙하되었다.
그림 6는 차량진입속도에 따른 좌우측 횡력 차이의 특성을 나타낸 것이다. 차량진입속도 40km/h로 정상선회하는 경우와 비교했을 때 20km/h씩 증가할수록 각각 5.2배, 16배, 37.3배로 증가함을 보여 선회시 진입속도가 증가할수록 좌우 타이어의 횡력의 급격한 차이를 나타내어 속도에 따른 영향이 크게 작용함을 알 수 있다. 이는 진입속도가 높을수록 차량의 수직하중의 이동이 커지기 때문이며, 선회시 필요한 타이어횡력의 크기가 급격히 커지는 것을 나타낸다.
그림 3은 차량진입속도를 40km/h에서 100km/h까지 20km/h씩 증가시켰을 때 거리에 따른 감속의 폭을 나타낸 것이다. 차량진입속도가 낮은 40km/h와 60km/h에서는 각각 4%, 6%로 감소폭이 낮은 반면에, 높은 속도인 100km/h에서는 감소폭이 18%로 크게 나타나 차량 진입속도에 따라 감소함을 알 수 있다. 이는 차량이 높은 속도로 진입할 때 노면에서 타이어의 슬립이 커지기 때문에 속도가 급격히 감소한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
곡선도로에서의 편경사의 역할은 무엇인가?
곡선도로에서의 편경사는 시설기준에 관한 규칙 제2조에서 자동차가 곡선구간을 주행할 때 작용하는 원심력에 저항할 수 있도록 회전중심으로 부터 바깥쪽을 일정한 비율로 높게 지정하여 경사를 높여주는 것이다. 일반적으로 도로를 설계하기에 앞서, 도로를 주행하던 자동차가 회전하게 될 경우 발생하는 원심력에 영향을 최대한 적게 받도록 하기 위해 곡선반경, 횡방향 마찰력, 편경사 등을 적절히 적용하여 설계한다.
원곡선반경이 작거나 차량의 속도가 높을 경우 어떤 문제가 발생하는가?
차량이 곡선부를 주행할 때 곡선의 외측으로 원심력이 작용하게 되며, 그 원심력은 편경사와 타이어와 노면의 횡방향 마찰력으로 상쇄하여 안전하게 주행하도록 도로의 횡단면을 설계·시공한다. 그러나 원곡선반경이 작거나 차량의 속도가 높을 경우 기상상태에 따라 노면의 마찰력이 충분하지 못하면 차량은 곡선부의 외측으로 미끄러지게 되고, 노면의 마찰력이 충분하더라도 차량의 무게중심이 높은 경우 전복될 우려가 있다.
고속도로의 루프형 연결로에서는 어떤 사고가 발생할 수 있는가?
대표적인 곳으로는 고속도로의 루프형 연결로에서 같은 유형의 사고가 발생할 우려가 높다. 고속으로 주행하던 차량이 연결로로 진출하면서 속도를 충분히 감속 하지 않을 경우 무게중심이 높은 차량은 미끄러지거나 전복할 우려가 높다. 또한 도시부 도로에서는 좌·우회전시 동일한 사고가 발생할 수도 있다.
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