뒷좌석 안전벨트 D-ring 위치에 따른 인체 더미의 어깨 이동량에 관한 설계개선 연구
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Abstract
In this study, analysis was conducted using the MADYMO program, and a test and comparative analysis were performed to find the plan area of the D-ring point installed in the C-filler of sports utility vehicles(SUVs). The seatbelt that was used in this study was the ELR type. A SELD test was conducted according to the ECE R16 regulation, and the reliability of the model was confirmed by conducting comparative analysis with the MADYMO analysis model. Then an area that could be planned was set up, and simulation was performed at 5 mm intervals to find the area in which the seatbelt webbing would not deviate from the shoulder, and to check the movement of the chest. As a result, the area of the D-ring point that met the regulation was found. When the D-ring moved 5 mm in the X-axis direction, the movement of the dummy’s chest changed by about 1.30 mm; when it moved by 5 mm in the Y-axis direction, the chest movement changed by about 1.1 mm; and when it moved by 5 mm in the Z-axis direction, the chest movement changed by about 0.45 mm. It is expected that the results of this study can be utilized as a reference by seatbelt designers for planning purposes.
Keywords:
Seat belt, Rear seat, Sled test, EURO NCAP, Load limiter, SUV, Sports Utility Vehicle, TNO dummy, MADYMO키워드:
안전벨트, 뒷좌석, 모의충돌시험, 유럽신차안전도평가, 로드리미터, TNO 더미, 마디모1. 서 론
자동차산업의 발전은 탑승자의 안전과 궤를 같이한다. 이는 자동차의 주요 탑승자인 운전자 혹은 보조석 탑승자에 대한 안전을 위한 법규 및 기술 개발이 끊임없이 이뤄지며, 이로 인하여 해당 탑승자의 상해도 지속적으로 감소하고 있다. 이와 함께 자동차는 지역별 시대별로 경제 및 특성을 반영하여 차량의 형태도 변형되어 왔는데, 용도가 다목적인 SUV(Sports Utility Vehicle)의 전 세계적인 폭발적인 수요 증가가 이를 말해준다. SUV는 현재 자동차업계에서 가장 크게 주목 받고 있는 차량이며, 약 20년만에 자동차시장을 낮은 차와 높은 차로 갈라놨다. 2017년 전 세계 SUV 수요 전망치는 4,200억달러(약 473조원)이다. 해마다 증가하는 SUV의 수요증가는 뒷좌석 탑승자의 수요증가를 의미하며, 동시에 고령자와 유아의 탑승빈도가 높아진다고 볼 수 있다.
안전벨트와 관련하여 설계인자를 정하고 실험계획법을 이용하여 각 설계인자가 승객의 상해에 미치는 영향1)이 연구되었고 관성의 동적효과 최소화를 위해 중요한 안전벨트의 설계인자를 고려하여 LS-Dyna 프로그램을 활용해 얻어진 준정적 해석결과를 분산 분석을 통해 기여도를 파악한 후 인장시험과의 상관성을 검증하여 신뢰성을 향상시킨 연구2,3)가 있으나, 이는 어디까지나 운전석 및 보조석에 대한 연구로 뒷좌석 탑승자 대상 연구는 앞좌석 탑승자 대상 연구보다 부족한 실정이다. EURO NCAP에서는 2015부터 정면 고정벽 충돌 시험을 추가 발표하였고, 뒷좌석 승객의 안전 성능 향상을 추가적으로 고려하고 있다.4) 이와 관련하여 안전벨트 특성이 뒷좌석 승객에 미치는 영향을 연구5) 및 New EURO NCAP(유럽신차안전도평가)에 따른 뒷좌석 여성 승객 상해를 최소하기 위하여 모의 충돌 시험을 통하여 안전벨트의 사양의 검토6)가 진행되었으며, 이보다 앞선 2005년에는 뒷좌석 승객 보호를 위한 성능 평가 및 개선 방안에 대한 연구7)가 진행되었다. 이와 같이 기존 승용차를 대상으로 뒷좌석 승객의 거동에 대한 신차안전도평가 기준과 연구는 앞좌석 보다는 적지만, 그래도 차량 제조사를 중심으로 진행되고 있으나, SUV만을 대상으로 하는 연구는 이보다 부족한 실정이다. 또한 고가의 차량을 위주로 뒷좌석 안전벨트의 사양이 높아지고 있는 것은 사실이나 아직까지 뒷좌석은 상대적으로 중요하지 않게 인식되며 최소한의 안전장치로만으로 평가되고 있다. 하지만 이마저도 안전벨트의 법규 구속 조건에서 벗어날 경우, 더미의 이동량은 규정 준수량을 넘어서게 된다. 이는 실제 사고 시, 탑승자의 충돌 안전성에 심각한 문제가 될 수 있다.
본 연구에서는 현재 출시된 SUV를 대상으로 기존 법규에서 규정한 뒷좌석 승객의 안전도평가의 가슴 이동량 허용치를 넘지 않는 범위의 C-pillar에서의 한계 설계 영역을 제시하고자 한다.
2. 법규 및 시뮬레이션
정면충돌에서 뒷좌석의 승객의 부상은 주로 상체의 이동에 근거한다. 뒷좌석의 안전장치는 안전벨트(Seatbelt or Safety-belt)가 있으며 안전벨트가 완전하게 승객을 구속할 수 없는 경우, 즉 어깨가 안전벨트에서 빠질 경우에 앞좌석에 충돌하게 되고, 상해가 구속조건보다 커지게 된다. 따라서 본 연구에서는 정면충돌 시 뒷좌석 승객의 이동량을 최소화할 수 있는, 즉 모의 충돌 시험에서 더미의 가슴 및 골반 이동량의 불만족 개선을 위한 영역설정, 안전벨트 고정위치, 특히 D-ring의 설계위치를 찾기 위하여 정형화된 테스트를 진행하였다. 시험 진행에 적용된 법규는 ECE R168)으로 시뮬레이션을 하였고, MADYMO 프로그램을 활용하여 해석모델을 구성하였다. 또한 시뮬레이션 모델의 검증을 위하여 모의 충돌 시험을 수행하였으며, 시험 결과와 해석결과를 비교하여 해석 모델의 타당성을 검토하였다. 이에 슬레드 시험에 필요한 Crash pulse, 안전벨트 고정위치 그리고 시험조건을 설정하였다.
2.1 뒷좌석 승객 안전도평가 법규
Table 1은 각국의 더미 이동량 측정에 관한 법규를 나타낸 것이다. 뒷좌석 안전벨트 법규는 모두 허리 이동량 80 ~ 200 mm, 가슴 이동량 100 ~ 300 mm 이내로 규정하고 있다.
Standards of each countries
가슴 이동량은 LVDT(Linear Variable Differential Transformer, 이동량 변위센서)로 측정하였으며, 장착 위치는 Fig. 1과 같다. 허리 이동량 측정을 위한 LVDT 장착은, 법규 테스트에는 필요하나, 본 연구의 목적이 아니므로 생략하였다.
LVDT installation for dummy chest displacement measuring
모의 충돌 시험 장비는 가속 타입은 레일위에 설치된 대차를 유공압실린더로 타격한다. 이때 대차에 설치된 실린더에 브레이크 장치가 작동하며 Crash pulse를 구현하도록 하는 장비이다. Fig. 2는 DSD社의 Hyper-G 제품으로 본 연구를 위한 모의 충돌 시험에 사용된 장비이다.
Acceleration type SLED (DSD’s Hyper-G)
Crash pulse는 ECE R16 규격을 사용하였고, 펄스의 허용 범위는 Table 2와 같다. 모의 충돌 시험에 사용된 모든 교정 및 측정 절차는 국제 표준 ISO 6487에 정의된 것을 따랐다. Fig. 3은 시험에 사용된 Crash pulse이다. 그래프에서 사선으로 표현된 부분은 ECE R16에 명시된 Crash pulse의 허용 범위이고, 붉은 실선은 실제 본 시험에 사용된 Crash pulse이다.
Definition of the different curves
Description of the acceleration curve corridor of the test sled over time in accordance with ECE R16 & actual pulse which is using in test
충돌 사고 시 뒷좌석 승객의 안전을 위한 장치는 일반적으로 안전벨트만 사용되고 있다. 본 연구에서는 SUV를 비롯하여 전 차종의 뒷좌석 안전벨트로 가장 많이 사용되는 ELR(Emergency Locking Retractor) type의 안전벨트를 적용하였다. ELR type의 안전벨트는 차량이 급히 감속하거나 차체가 기울어질 때 또는 웨빙이 빠르게 인출될 때를 감지하여 웨빙이 더 이상 인출되지 않게 해주는 장치이다. Preten-sioner가 장착된 모델이 아닌 ELR type의 모델을 선정한 이유는 안전벨트의 가장 기본이 되는 모델이기 때문이다. 따라서 해당 모델에서 가슴 이동량 조건을 만족한다면 상위 모델에서는 법규 허용치에 대해 충분히 대응이 가능하다고 판하였다. 어깨 빠짐의 결과를 파악하기 위한 벨트의 사양은 Sensing type, DLT(Dynamic Locking Tongue), Belt webbing fuse, Buckle 길이 등에 대한 부분은 변수로 분류하지 않았다.
본 연구에서 SUV을 선택한 또 다른 이유는 승용차에 비해 SUV 차량의 전폭이 넓기 때문에 정면충돌 시 차량의 뒷좌석 더미의 어깨가 벨트에서 빠질 확률이 높으며, 어깨가 빠지지 않더라도 가슴 이동량이 증가하기 때문이다.9)Fig. 4는 현재 시판되는 SUV 차량 9종의 안전벨트 D-ring 위치를 파악한 것으로 X-축은 74 ~ 507 mm, Y-축은 254 ~ 345 mm, Z-축은 604 ~ 708 mm로 파악되었다.
SUV’s D-ring anchorage point
X-축은 507 mm, Z-축은 708 mm에 위치한 포인트를 제외한 나머지 포인트는 유사한 영역에 밀집되어 있다. 따라서 본 연구를 위한 D-ring의 영역은 X-축은 74 ~ 285 mm, Y-축은 250 ~ 345 mm, Z-축은 604 ~ 635 mm로 설정하였다.
3. 해석 모델
3.1 해석 모델의 제작
본 연구에서는 안전벨트 착용 후 승객의 거동과 가슴 이동량을 관찰하기 위하여 MADYMO 해석프로그램을 사용하였다. 해석에 사용된 더미는 ECE R16 규정에 따라 제작된 모델을 사용하였으며, 착좌 방법은 Table 3의 절차와 같다. 더미의 최종 착좌자세는 Fig. 5와 같다.
Description of dummy seating
Description of dummy setting for ECE R16
시뮬레이션 모델에서 전방충돌의 가슴 이동량 변수는 D-ring 앵커리지 포인트가 아닌 웨빙 인출 포인트로 설정하였다. 여기서 D-ring 앵커리지 포인트는 Bolt가 설치되는 부분을 말하며, 웨빙 인출 포인트는 웨빙이 지나가는 포인트를 말한다. 벨트와 D-ring의 인출부의 마찰은 반영하였다. Load limiter가 없는 ELR로 사용하였으며, MADYMO에서 제공하는 기본 설정 값을 적용하였다.10) 가슴의 이동량과 관련이 깊은 Webbing의 신장률은 8 %이며, 신장률과 더불어 가슴 이동량에 영향을 줄 수 있는 더미와 웨빙간의 접촉 마찰계수는 길이 방향과 측면 방향 모두 0.3(μ)으로 설정하였다. Buckle point와 웨빙 간의 마찰계수는 0.1(μ)로 설정하였고, G-Lock slack 현상에 대해서는 기존 25 mm에서 105 mm로 변경하여 적용하였다. 초기 벨트 슬랙은 -0.1으로 설정하고, 시트는 MADYMO에서 제공하는 ECE R16 해석모델의 철제 시트를 사용하였다.
3.2 해석 모델의 유효성 검증
시뮬레이션 모델의 유효성 검사를 위해 ECE R16에 준하는 모의 충돌 시험과 MADYMO 시뮬레이션을 진행하였다. Table 4는 시험과 시뮬레이션을 비교한 결과이다. 1 ~ 5번 시험은 벨트에서 어깨가 빠지지 않았고, 5 ~ 6번 시험은 어깨빠짐 현상이 발생해 시험과 해석의 결과가 일치하였다.
Comparison between simulation and test result
Fig. 6은 모의 충돌 시험과 시뮬레이션의 더미 거동을 비교한 것으로 최대 이동 시점에 더미의 자세가 매우 유사하다는 것을 확인하였다.
Dummy movement
Fig. 7은 모의 충돌 시험과 시뮬레이션의 더미 가슴 이동량을 비교한 것이다. 도표와 같이 모의 충돌시험에서 확인한 더미의 최대 가슴이동량은 301 mm로 측정되었고, 시뮬레이션의 가슴 이동량 결과는 303 mm로 측정되어 2 mm 차이를 나타냈다.
Chest moving comparison graph between sled test and MADYMO simulation
Fig. 8은 안전벨트의 Buckle 부를 기준으로 가슴을 감싸는 Shoulder belt(a)와 허벅지를 감싸는 Lab belt(b)에 작용하는 하중을 나타낸 그래프이다. 모의충돌 시험과 시뮬레이션의 비교 결과로 Should belt는 약 1.2 %, Lap belt는 약 3.7 % 오차를 나타냈다. 따라서 시험과 시뮬레이션의 결과의 오차가 매우 작고, 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있어 MADYMO로 구현한 시뮬레이션 모델을 신뢰할 수 있다고 판단하였다. 이와 같은 결과로서 어깨 이동량 및 빠짐현상을 관찰하기 위하여 제작한 MADYMO 모델과 실제 슬레드에 더미를 탑승하여 얻은 가슴 이동량과 어깨 빠짐 현상이 매우 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Comparison graph for Shoulder belt & Lap belt load between sled test and MADYMO
3.3 해석 수행 방법
Fig. 9는 D-ring의 위치를 변경하여 가슴 이동량 및 어깨 빠짐 현상이 발생하지 않는 C-pillar에서의 D-ring 설계구역을 시뮬레이션으로 찾기 위해 우측상단에 보이는 육각형이 가상의 설계공간을 모델링한 것이다. 이 레이아웃은 뒷좌석 쪽의 안전벨트가 거치되는 C-pillar의 최대 설계 영역이며, 해당영역안에 안전벨트의 D-ring 포인트의 설계를 최적화 하는 것이다.
D-ring point cube
본 연구에서는 이 가상의 영역 안에서 어깨가 빠지는 영영역과 빠지지 않는 영역을 찾기 위해서 해당 Layout을 5 mm 간격으로 총 6층의 Layer를 Fig. 10과 같이 구성하였으며, 가장 하단의 layer는 SRP(Seating Reference Point, 더미 착좌 포인트) 에서 604 mm에 위치한다. 이 때, Buckle의 고정위치와 안전벨트 하단 고정점은 어깨 빠짐과 관련이 없다고 가정하고, 고정상수로 하였다. 각 layer의 가로(x), 세로(y) 크기는 100 * 215 mm이며, 5 mm 간격으로 포인트 구성하였다. 각 포인트는 해당하는 좌표를 MADYMO에 입력한 후 해석을 진행하였다. 모든 좌표에 대한 해석 진행은 효율적인 방법이 아니므로 해석의 시간을 절약하기 위하여 어깨 빠짐 구역을 찾는 방법을 사용하였다.
D-ring point cube reference for drawing
Fig. 11은 본 연구에서 사용된 해석 방법으로 기존에 진행되었던 모의 충돌 시험 결과 중 어깨 빠짐현상이 발생한 D-ring 좌표를 기준으로 시뮬레이션하고, 어깨 이탈을 확인하였다. 이탈될 경우, Y-축(+)방향으로 5 mm 이동하여 해석을 수행하고, 이탈되지 않을 경우 Y-축 (-)방향으로 5 mm 이동하여 시뮬레이션을 진행하였다. 반복 해석을 통해 이탈하는 지점과 이탈되지 않는 지점 한 쌍을 도출하고, X-축 (+)방향으로 5 mm 이동하여 같은 시뮬레이션을 반복하였다. 이렇게 한 Layer를 완성한 후 Z-축 (-)방향으로 5 mm 이동해 (1), (2)단계를 반복한다. (1), (2), (3)단계를 반복하여 Z-축 좌표가 604 mm에 도달했을 때 해석을 완료하였다.
D-ring reference point layer for drawing at z-axis 610 mm
4. 결과 및 고찰
4.1 D-ring 설계 최적화 point cube
Fig. 11은 Z-축 610 mm에서의 해석 결과로 (1)은 실제 해석이 진행된 지점 중 어깨가 빠지지 않는 지점, (2)는 어깨가 빠지는 지점을 나타낸다. (3)은 어깨가 빠지지 않을 것으로 판단되는 지점, (4)는 어깨가 빠질 것으로 판단되는 지점의 영역을 나타낸 것이다.
4.2 D-ring 설계 최적화 Point cube 보정
효과적인 설계를 위한 D-ring point cube를 도출하는 것은 벨트에서 어깨가 빠지지 않을 때 가슴의 이동량이 100 ~ 300 mm 이내일 것이라는 전제하에 연구가 진행되었다. 하지만, 벨트에서 어깨가 빠지지 않음에도 불구하고 가슴 이동량이 300 mm를 초과하는 구역을 관찰할 수 있었다. 이는 Fig. 12의 (a)와 같이 D-ring point가 SRP 앞 쪽(X-축 방향)으로 이동하면서 더미의 어깨와 벨트간에 간격 발생으로 인한 슬랙의 증가로 가슴 이동량이 현저하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Slack issue between dummy and webbing as D-ring point moving in the X-direction
Fig. 12의 (b)에서 D-ring의 포인트로부터 시작하는 벨트가 SPR의 X-축 방향으로 이동할수록 더미와 벨트간의 슬랙이 현저하게 증가하는 것을 보여준다. Fig. 13과 같이 각 Layer에 대하여 어깨가 빠지지 않는 영역에서 다시 수정된 Layer를 설정하였다. 이 또한 기존 Layer 생성 방법과 똑같이 5 mm 간격으로 좌표를 설정하였고, 임의의 9개의 좌표(붉은 숫자)를 선정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그리고 임의의 9개 좌표 시뮬레이션 결과 값을 기준으로 각결과 값의 거리를 중간에 포함되어 있는 좌표 숫자로 1/n하여 산술적으로 수치를 기입하는 방법을 사용하였다. Fig. 13은 해석의 결과로 (A)영역은 가슴 이동량 300 mm이내, (B)영역은 290 mm이내, (C)영역은 280 mm 이내를 나타낸 것이다.
Revised D-ring reference point layer for drawing at z-axis 604 mm
실제 시뮬레이션이 아닌 산술적으로 도출된 가슴 이동량 값의 유효성을 검증하기 위하여, 수정된 Layer에서 Fig. 13에 표기된 임의의 5개의 좌표를 선정하여 모의 충돌 시험을 수행하였다.
Table 5는 시험 결과를 나타낸 것이다. 모의 충돌시험과 해석의 오차범위는 ±10 mm 이내로 해석을 통해 도출한 가슴 이동량 예측 결과에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다.
Comparison between simulation and test result
4.3 D-ring 위치에 따른 가슴 이동량 민감도
Table 6은 D-ring point 이동에 따른 가슴 이동량 변화를 분석한 것이다. Z-축을 고정한 상태로 X-축을 5 mm 씩 이동할 때 가슴 이동량은 1.27 ~ 1.32 mm 변화하였으며, Y-축을 5 mm 씩 이동할 때 0.98 mm ~ 1.16 mm변화하였다. Z-축 방향 Layer를 10mm 씩 이동할 때마다 0.80 mm ~ 1.0 mm를 나타내었다. X-축, Y-축과 같이 Z-축 방향으로 5 mm하는 경우 가슴 이동량은 약 0.45 mm 변화할 것으로 판단된다.
Chest displacement sensitivity(mm)
5. 결 론
본 연구에서는 SUV의 정면충돌 시 뒷좌석 승객의 가슴 및 골반의 이동량이 법규를 만족시키는 D-ring포인트의 설계구역을 제시하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였고, 모의 충돌 시험 통한 검증을 진행해 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 1) SUV의 안전벨트 Buckle의 고정위치와 안전벨트 Lower anchor point 고정 시 어깨가 빠지지 않는 D-ring point의 설계영역을 찾을 수 있었다.
- 2) 시뮬레이션 및 모의 충돌 시험에서 어깨 빠짐 현상은 발생하지 않지만 웨빙이 어깨에 안착되지 않은 경우 더미 어깨의 구속시점이 늦어져 가슴 이동량이 증가하는 것으로 확인되었다.
- 3) 시뮬레이션 이용해 D-ring point에 따른 가슴 이동량을 예측하고 그 결과를 모의 충돌 시험을 통해 검증하였다. 또한 D-ring point가 각각 5 mm 이동할 때 X-축은 약 1.30 mm, Y-축은 약 1.06 mm, Z-축은 약 0.45 mm 변화하는 것으로 확인되었다.
본 연구는 결과를 통해 안전벨트 설계자에게 편의를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 충돌사고 발생 시 탑승자의 상해를 줄이는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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