[논문]자전거 주행 중 발생하는진동이 인체에 미치는 영향

정경렬; 형준호; 김사엽

자전거 주행 중 발생하는진동이 인체에 미치는 영향
The study on the influences of vibration associated with cycling on the human body 원문보기

정경렬 (한국생산기술연구원) , 형준호 (한국생산기술연구원) , 김사엽 (한국생산기술연구원)

This study was conducted to simulate the influence of vibration associated with cycling on the body. In this simulation the human model that the riding on a bicycle which have suspension and non-suspension front forks was used. And to arouse impact two kind of bump, 50mm height of radical raised spot and 150mm height of slow raised spot, were used. The vertical displacement of head, the vertical acceleration of head and the torque of neck joint were analysed. The results say that the function of shock absorbing was grater when passing though a 50mm height of radical raised spot then a 150mm height of slow raised spot.

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문제 정의

본 연구에서는 자동차 업체에서 널리 사용되는 MSC.ADAMS Plug-in 제품인 가상인체 모델러 Life MOD(Lifemodeler Inc., 미국)를 이용하여 자전거 주행 시 발생하는 충격이 인체에 미치는 영향에 대해 동역학 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 차도와 분리되어 인도와 같은 높이에 설치된 자전거 전용도로에서 두 가지 형태의 턱을 지날 때 발생하는 충격을 가상 인체모델을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 서스펜션 유무에 따라 인체에 전달되는 충격을 머리의 수직변위, 머리의 수직 가속도, 목관절 토크의 관점에서 분석하였다.

가설 설정

첫 번째는 50mm 높이의 직각 모양의 턱이며, 두 번째는 150mm 높이의 완만하게 경사진 턱이다. 이때 오나만한 경사의 시작점과 끝점의 거리는 2m로 정의하였다[그림2] 주행속도는 비교적 느린 10km/h의 속도로 턱을 오르는 상황을 가정하였다.

제안 방법

가상 인체모델러 LifeMOD를 이용하여 인체모델을 생성하였다. 인체는 평균치수인 164cm, 64kg의 남성 모델을 이용하였다.
4가지 조건에서 수행된 시뮬레이션을 각각 '5cm_Rigid Fork', '5cm_Suspension Fork', '15cm_Rigid Fork', '15_Suspension Fork'로 명명하였다. 각각의 시뮬레이션에서 머리중심의 수직높이변화, 수직가속도, 경추의 관절토크, 어깨 관절에 작용하는 힘을 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 두 가지의 턱(raised spot)을 정의하였다. 첫 번째는 50mm 높이의 직각 모양의 턱이며, 두 번째는 150mm 높이의 완만하게 경사진 턱이다.
본 연구에서는 차도와 분리되어 인도와 같은 높이에 설치된 자전거 전용도로에서 두 가지 형태의 턱을 지날 때 발생하는 충격을 가상 인체모델을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 서스펜션 유무에 따라 인체에 전달되는 충격을 머리의 수직변위, 머리의 수직 가속도, 목관절 토크의 관점에서 분석하였다. 50mm 높이의 턱을 지날 경우에 있어서 서스펜션이 있을 경우 그렇지 않은 경우 보다 머리의 수직변위, 머리의 수직가속도, 목관절 토크 모두 작게 측정되었으나 150mm 높이의 완만한 턱을 지날 때에는 그 차이가 작았다.
시물레이션 2가지 턱의 종류와 서스펜션 유무의 조합으로 이루어지는 4가지 다른 조건에 대해 각각 수행하였다. 환경으로 채택된 50mm 높이의 수직모양의 턱과 150mm 높이의 경사진 턱을 10km/h의 속도로 지나는 상황을 서스펜션 기능의 유무에 따라 각각 시뮬레이션 하였다.
환경으로 채택된 50mm 높이의 수직모양의 턱과 150mm 높이의 경사진 턱을 10km/h의 속도로 지나는 상황을 서스펜션 기능의 유무에 따라 각각 시뮬레이션 하였다. 여기서 자전거와 인체는 정지된 상태를 유지하고 환경 조건으로 정의된 두 가지 형태의 턱(raised spot)이 10km/h의 속도로 다가오도록 설정하였다. 이 때 턱(raised spot)이 타이어와 충돌이 일어나며 자전거와 인체에 충격을 전가하여 진동을 일으키게 된다.
인체모델은 자전거 주행 자세를 취하도록 한 후 핸들, 페달, 안장에서 자전거와 부싱(bushing)을 이용하여 구속하였다.
자전거 주행 시 발생하는 충격을 정의하기 위해 도심의 자전거 전용도로를 관찰하였다. 기존의 자전거 전용도로는 인도의 일부를 할애하여 차도 보다 높게 설치하는 경우가 많다.
시물레이션 2가지 턱의 종류와 서스펜션 유무의 조합으로 이루어지는 4가지 다른 조건에 대해 각각 수행하였다. 환경으로 채택된 50mm 높이의 수직모양의 턱과 150mm 높이의 경사진 턱을 10km/h의 속도로 지나는 상황을 서스펜션 기능의 유무에 따라 각각 시뮬레이션 하였다. 여기서 자전거와 인체는 정지된 상태를 유지하고 환경 조건으로 정의된 두 가지 형태의 턱(raised spot)이 10km/h의 속도로 다가오도록 설정하였다.

대상 데이터

관절 생성 시 관절의 특성은 차량 충돌시험 시에 사용되는 인체더미인 'Hybrid III crash dummy'의 관절 강도 특성을 사용하였다.
인체는 평균치수인 164cm, 64kg의 남성 모델을 이용하였다. 모델은 19개의 분절과 18개의 관절로 구성된다. 관절 생성 시 관절의 특성은 차량 충돌시험 시에 사용되는 인체더미인 'Hybrid III crash dummy'의 관절 강도 특성을 사용하였다.
가상 인체모델러 LifeMOD를 이용하여 인체모델을 생성하였다. 인체는 평균치수인 164cm, 64kg의 남성 모델을 이용하였다. 모델은 19개의 분절과 18개의 관절로 구성된다.
따라서 본 연구에서는 두 가지의 턱(raised spot)을 정의하였다. 첫 번째는 50mm 높이의 직각 모양의 턱이며, 두 번째는 150mm 높이의 완만하게 경사진 턱이다. 이때 오나만한 경사의 시작점과 끝점의 거리는 2m로 정의하였다[그림2] 주행속도는 비교적 느린 10km/h의 속도로 턱을 오르는 상황을 가정하였다.

성능/효과

서스펜션 유무에 따라 인체에 전달되는 충격을 머리의 수직변위, 머리의 수직 가속도, 목관절 토크의 관점에서 분석하였다. 50mm 높이의 턱을 지날 경우에 있어서 서스펜션이 있을 경우 그렇지 않은 경우 보다 머리의 수직변위, 머리의 수직가속도, 목관절 토크 모두 작게 측정되었으나 150mm 높이의 완만한 턱을 지날 때에는 그 차이가 작았다. 이는 서스펜션이 갑작스러운 충격에 대항하는 기능을 하기 때문이다.
이는 서스펜션이 갑작스러운 충격에 대항하는 기능을 하기 때문이다. 50mm의 수직형태의 턱은 비록 낮은 높이라 하더라도 150mm의 완만한 턱에 비해 머리의 수직가속도와 목관절의 토크가 크게 나타나 보다 인체에 큰 충격을 주고 있음을 알 수 있었다. 이는 자전거 전용도로 설치 시 모든 노면은 매끄럽게 연결되어야 함을 시사한다.

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