[ 응용논문 ]

Transactions of The Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26, No. 5, pp.630-637

ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)

Print publication date 01 Sep 2018

Received 05 Dec 2017 Revised 26 Feb 2018 Accepted 29 May 2018

DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2018.26.5.630

안전벨트 사양에 따른 후석 승객의 안전 연구

김창희¹⁾ ; 이석순^*^{, 2)}

1)삼송 연구개발팀
2)경상대학교 기계공학과

A Study on Safety of Rear Seat Occupant according to Seat Belt Specifications

Changhee Kim¹⁾ ; Seoksoon Lee^*^{, 2)}

1)Department of Research Development, Samsong Industries Ltd., 24 Jeongdong-ro, 62beon-gil, Seongsan-gu, Changwon-si, Gyeongnam 51553, Korea
2)School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University, Gyeongnam 52828, Korea

Correspondence to: ^*E-mail: leess@gnu.ac.kr

*This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.

Abstract

Interest in the safety of rear seat occupants has increased in recent years. Likewise, the evaluation method and the injury standard of NCAP in each region have been changing since 2015. Until today, most studies focused on the safety of front seat occupants rather than that of rear seat occupants, who were only protected by a minimum safety device. Moreover, with a law that makes it mandatory for rear seat occupants to wear seat belts while passing through expressways in Korea, the practice of wearing rear seat belts was expected to increase. Thus, the safety of rear passengers must be studied more closely. This research conducted a comparative analysis for rear seat seatbelt specifications that can satisfy both the occupant injury requirements of EURO-NCAP and seatbelt component requirements of ECE R16 by using the sled test and the collision simulation. Through a collision simulation, we were able to check the performance of seat belts provided by suppliers in terms of the safety of rear seat occupants with less cost and time.

Keywords:

Collision simulation, Seat belt, Rear seat occupant, Sled test, MADYMO

키워드:

충돌 시뮬레이션, 안전 벨트, 후석 승객, 슬레드 시험, 마디모

1. 서 론

최근 자동차 후석 승객의 안전에 대하여 관심도가 높아지고 있으며, 2015년부터 각 지역의 NCAP(New Car Assessment Program)의 후석 평가 방법 및 상해 기준이 변경되고 있다.^1,10) 현재까지 대부분의 연구는 후석 승객의 안전보다는 운전석과 동승석 승객의 안전에 집중되어 있었으며, 이로 인하여 후석에는 최소한의 안전장치로 구성되어 있었다. 그리고 우리나라 고속도로에서의 후석 안전벨트 착용이 법제화²⁾되어 안전벨트 착용이 증대 예상되므로 후석 승객의 안전에 대한 연구가 많이 진행되어야 한다.

Fig. 1

Trend of NCAP for rear seat occupant

후석 승객에 대한 연구 동향으로는 문준희 등³⁾은 슬레드 시험을 이용하여 New Euro-NCAP에 따른 후석 여성 승객 상해 감소를 위한 안전벨트 사양에 따른 상해에 미치는 영향을 고찰하였으며, 이기선 등⁴⁾은 차량의 정면충돌 시 후석 승객의 거동을 분석하고, 해석적 접근을 통해 시트벨트 특성에 따른 상해치 변화를 관찰하여 후석 승객의 안전성을 확보를 도모하고자 하였다.

본 연구에서 Euro-NCAP⁵⁾ 조건에서의 후석 승객 상해를 줄이면서 유럽 법규인 ECE R16⁶⁾의 안전벨트 단품 요구 조건을 만족할 수 있는 안전벨트 사양에 대하여 슬레드 시험과 충돌 시뮬레이션을 이용하여 비교 분석을 진행하였다. 그리고 충돌 시뮬레이션 프로그램인 MADYMO⁷⁾를 이용하여 후석 상해에 대한 연구를 안전벨트 업체에서도 적은 비용과 시간으로 많은 연구를 할 수 있는지를 살펴보았다.

2. 시험 조건 비교

본 연구에서는 후석 승객의 안전에 대하여 평가하는 Euro-NCAP과 유럽 법규인 ECE R16의 안전벨트 단품 요구 조건으로 Fig. 2와 같이 비교 분석을 하였다. Euro-NCAP은 Fig. 3과 같이 실차 조건의 시험이지만 안전벨트 업체에서 진행할 수 있도록 차량의 앵커리지를 만족하는 수준으로 간소화하였고 Hybrid III 5 percentile female 더미를 사용하여 어깨에 가해지는 하중과 승객의 상해 값을 취득하였다. 유럽 법규인 ECE R16은 Fig. 4와 같이 표준과 동일하게 진행하였고 어깨에 가해지는 하중과 더미의 가슴 이동량을 측정하였다.

Fig. 2

Comparison of condition for test

Fig. 3

Condition of test for Euro-NCAP

Fig. 4

Condition of test for ECE R16

3. Euro-NCAP 조건의 승객 안전 분석

Euro-NCAP 조건은 실차 조건의 시험으로 이 연구에서는 많은 비용과 시간으로 인하여 Fig. 5와 같이 시험을 간소화하여 진행하였다.

Fig. 5

Simplification of test for Euro-NCAP

3.1 안전벨트 사양

안전벨트 사양은 승객 상해를 줄이기 위해 기본인 긴급 장금 장치(Emergency Locking Retractor)만 있는 사양과 승객에 가해지는 하중을 제한할 수 있는 로드 리미터(Load limiter)를 선정하였다. 로드리미터(Load limiter)는 일정한 하중으로 작동하는 사양과 일정한 하중으로 작동하다가 일정량이 인출된 후 하중이 상승하는 사양으로 선정하였다.

Fig. 6

Character of seat belt

3.2 슬레드 시험 결과

시트벨트 사양에 따라 슬레드 시험을 실시하였고 시간당 승객의 어깨에 가해지는 하중은 Fig. 8과 같이 안전벨트 특성에 따라 다르게 확인되었다. 그리고 Fig. 9와 같이 승객의 어깨에 가해지는 하중이 낮을수록 가슴의 압축 변위가 감소하는 결과를 보였다.

Fig. 7

Motion of dummy by seld test

Fig. 8

Comparison of shoulder belt load

Fig. 9

Comparison of chest deflection

3.3 시뮬레이션 모델링 및 조건

시뮬레이션 순서는 Fig. 10과 같이 크게 해석 모델생성, 경계조건 설정, 접촉조건 부여 순으로 진행된다.⁸⁾ Seat와 안전벨트 구성품은 Multi Body로 생성하였고, Dummy model은 프로그램에 내장되어 있는 Hybrid III 5 %를 선정하고 이를 불러와 Seat에 착좌시켰다. Dummy model의 어깨와 허리를 연결하는 3점식 안전벨트 웨빙 모델링은 Belt Fitting 기능을 이용하여 유한요소 모델로 구성하였다. 이러한 과정을 통하여 Fig. 11과 같이 모델을 완성하였다.

Fig. 10

Analysis process in FEM

Fig. 11

Belt fitting screen

Fig. 12

Load - displacement relationship of belt webbing

모델링을 완성한 후에는 Seat부에는 시험과 동일한 가속도값을 적용하였다. 그 다음 Seat 및 안전벨트 구성품에 물성치를 적용하였다. 마지막으로 접촉조건은 안전벨트 구성품, Dummy, Seat는 Multi-Body로써 서로 간에 CONTACT.MB_MB를 주었고 안전벨트의 웨빙은 유한요소 모델로써 Dummy와의 접촉 부분에 CONTACT.MB_FE를 적용하였다.

3.4 시뮬레이션 결과

본 연구에서는 긴급 장금 장치만 있는 사양으로 슬레드 시험과 동일하게 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과, 어깨에 가해지는 하중과 머리와 가슴의 상해 값을 Fig. 13과 같이 확인하였다.

Fig. 13

Result of occupant analysis by simulation

3.5 시험과 시뮬레이션 결과 비교

시험과 시뮬레이션 결과를 효과적으로 비교 분석하기 위해 우선 승객의 거동을 시간 기준으로 Fig. 15와 같이 비교 하였다. 그리고 Table 1과 같이 비교분석한 결과, 승객의 어깨에 시간당 가해지는 최고 하중은 5 % 이내의 오차수준 이였다. 그리고 최대 흉부변위(Chest deflection), 최대 두부가속도(Head acceleration)는 5 % 이내의 오차수준이지만 시간 기준으로 비교 시 유형은 비슷하나 조금의 차이는 있는 것으로 보인다.

Fig. 14

Comparison of motion between test and simulation

Fig. 15

Comparison of result between test and simulation

Table 1

Comparison of result between test and simulation

4. ECE R16 조건의 승객 안전 분석

ECE R16 조건은 안전벨트에 대한 유럽법규로 국내 KMVSS 1123-3, 인도 IS 15140, 중국 GB 14166 법규와 동일하게 동적 시험시 가슴 이동량 100~300 mm와 허리의 이동량 80~200 mm로 Table 2와 같이 규제하고 있다.

Table 2

Comparison of regulation for safety belt

4.1 안전벨트 사양

안전벨트 사양은 승객 상해를 줄이기 위해 기본인 긴급 장금 장치만 있는 사양과 승객에 가해지는 하중을 제한할 수 있는 로드 리미터 및 프리텐셔너와 로드리미터를 조합한 사양으로 Table 3과 같이 5개 사양으로 선정하였다.

Table 3

Seat belt specifications

4.2 슬레드 시험 결과

시트벨트 사양에 따라 시험을 실시하였고 시간당 승객의 어깨에 가해지는 하중과 가슴 이동량을 측정하였다.⁹⁾

먼저 A, B, C 사양에 대하여 Fig. 17과 같이 비교분석을 하였다. A사양은 어깨에 가해지는 하중이 높을수록 가슴의 이동량이 적게 측정되는 것으로 확인하였다. 반대로 B, C사양은 어깨에 가해지는 하중이 낮을수록 가슴의 이동량은 시간이 지날수록 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 어깨에 가해지는 하중이 낮을수록 NCAP에서 상해값이 낮아지기 때문에 프리텐션너 기능이 추가된 D, E 사양에 대하여 Fig. 18과 같이 비교 분석을 하였다. D 사양은 어깨에 가해지는 하중이 C 사양과 유사하지만 프리텐셔너의 성능으로 가슴의 이동량이 줄어든 것을 확인하였다. E 사양은 D 사양대비 프리텐셔너의 성능을 증대시켜 어깨에 가해지는 하중을 더 낮으면서도 유사한 가슴의 이동량의 결과를 확인하였다.

Fig. 16

Motion of dummy by seld test

Fig. 17

Comparison of result (A, B, C type)

Fig. 18

Comparison of result (D, E type)

이 시험결과를 통하여 가슴의 이동량은 프리텐션너의 성능과 어깨에 가해지는 하중의 조절로 인하여 변화되는 것을 Fig. 19를 통하여 확인하였다.

Fig. 19

Comparison of result (A, B, C, D, E type)

4.3 시뮬레이션 결과

본 연구에서는 긴급 장금 장치만 있는 사양으로 슬레드 시험과 동일하게 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과, 어깨에 가해지는 하중과 가슴의 이동량의 결과를 Fig. 20과 같이 확인하였다.

Fig. 20

Result of occupant analysis by simulation

4.4 시험과 시뮬레이션 결과 비교

시험과 시뮬레이션 결과를 효과적으로 비교 분석하기 위해 우선 승객의 거동을 시간 기준으로 Fig. 21과 같이 비교 하였다. 그리고 승객의 어깨에 시간당 가해지는 하중과 가슴 이동량에 대하여 Fig. 22와 같이 비교분석한 결과, Table 4와 같이 어깨에 가해지는 최대 하중은 6 %의 오차수준이었다. 그리고 최대 가슴 이동량도 6 % 이내의 오차수준이지만 시간 기준으로 비교 시 유형은 비슷하나 조금의 차이는 있는 것으로 보이는 것으로 확인되었다.

Fig. 21

Comparison of motion between test and simulation

Fig. 22

Comparison of result between test and simulation

Table 4

Comparison of result between test and simulation

5. 결 론

본 연구에서는 슬레드 시험를 통하여 후석 승객의 안전에 대하여 평가되는 Euro-Ncap과 유럽 법규인 ECE R16의 안전벨트 단품 요구 조건으로 비교분석을 진행하였다. 그리고 충돌 시뮬레이션 프로그램인 MADYMO를 이용하여 동일하게 후석 승객의 안전에 대하여 확인하였고 이를 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 슬레드 시험(Sled test)를 통하여 차량조건에 따라 Euro-NCAP과 유럽 법규인 ECE R16에 준한 조건을 동시에 만족하기 위해 사양별로 반복하여 많은 시험을 실시, 사양을 선정할 수 있었다.
2) 그리고 긴급 장금 장치만 있는 사양의 시험과 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 결과, Euro-NCAP과 ECE R16 조건 모두 승객의 어깨에 시간당 가해지는 하중은 거의 유사하며, 최고하중은 6 % 이내의 오차수준이였다.
3) 또 시뮬레이션의 경우, 초기 안전벨트에 대한 웨빙 물성치와 리트랙터 기본 성능값, 자유도 등의 인자만 표준화 되어 있다면 시간과 비용을 줄이면서 후석 승객 안전 연구가 가능하다는 것을 확인 하였다.
4) 추후에는 본 연구에서 시뮬레이션을 진행하지 못한 안전벨트 사양에 대해서도 비교 분석하여 신뢰성을 입증할 수 있을 것으로 보인다.

Nomenclature


Euro-NCAP :	european new car assessment program
MADYMO :	mathematical dynamic models
ELR :	emergency locking retractor
PT :	pre-tensioner retractor
CLL :	constant load limiter
PLL :	progressive load limiter
HIC :	head injury criterion

Acknowledgments

연구는 (유)삼송 및 차세대 기계항공 창의인재 양성사업인 BK Plus의 지원을 받아 수행되었음.

References

Carhs., Safety Companion-2016, (2016).
Korea Expressway Corporation, Study on the Accident Reduction Scheme for Highway Traffic, p92-94, (2016).
J. H. Moon, J. H. Cho, Y. D. Lee, and M. S. Lee, “Seat Belt Specification Consideration for Injury Mitigation of Female Occupant in Rear Seat due to New EURO NCAP”, KSAE Spring Conference Proceedings, p1051-1057, (2014).
K. S. Lee, C. K. Son, and Y. S. Kim, “A Study on the Effects for Rear Seat Occupant by Seat Belt on Frontal Crash”, KSAE Spring Conference Proceedings, p933-936, (2014).
EURO NCAP, Euro NCAP Assessment Protocol, http://euroncap.com/technical/protocols (2016).
ECE-R16, http://www.unece.org (2015).
TNO, MADYMO Theory and Reference Manual Verson 7.6, (2015).
H. M. Choi, J. K. Kim, I. S. Pack, I. Y. Lee, D. R. Kim, and S. S. Lee, “Injury Assessment and Analysis under Blast Load Using MADYMO”, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 16(1), p24-29, (2017). [https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.16.1.024]
K. S. Lee, D. Y. Kim, H. S. Yun, and K. S. Lee, “Improvement of the Correlation between Sled FEA and Test of Vehicle Seatbelt System Using the Statistics Technique”, Transactions of KSAE, 23(4), p454-461, (2015). [https://doi.org/10.7467/ksae.2015.23.4.454]
Y. J. Lee, J. S. Park, S. W. Kim, B. D. Kang, and B. J. Yong, “An Experimental Study on New EURONCAP Upper Leg Test Assessment”, Transactions of KSAE, 25(1), p51-59, (2017). [https://doi.org/10.7467/ksae.2017.25.1.051]

Fig. 1

Trend of NCAP for rear seat occupant

Fig. 2

Comparison of condition for test

Fig. 3

Condition of test for Euro-NCAP

Fig. 5

Simplification of test for Euro-NCAP

Fig. 8

Comparison of shoulder belt load

Fig. 9

Comparison of chest deflection

Fig. 12

Load - displacement relationship of belt webbing

Fig. 13

Result of occupant analysis by simulation

Fig. 14

Comparison of motion between test and simulation

Fig. 15

Comparison of result between test and simulation

Fig. 17

Comparison of result (A, B, C type)

Fig. 18

Comparison of result (D, E type)

Fig. 19

Comparison of result (A, B, C, D, E type)

Fig. 20

Result of occupant analysis by simulation

Fig. 21

Comparison of motion between test and simulation

Fig. 22

Comparison of result between test and simulation

Table 1

Comparison of result between test and simulation

Character	Result		Error factor
Character	Test	Simulation	Error factor
* Max. Value
Belt load (N)*	8246	8579	4 %
Chest Deflection (mm)*	48.7	48.8	1 %
Head acceleration (g)*	80.7	86.1	7 %
HIC15	627	688	10 %

Table 2

Comparison of regulation for safety belt

Regulation (Nation)	Displacement of chest (mm)	Displacement of pelvis (mm)
ECE R 16 (Europe)	100 ~ 300	80 ~ 200
KMVSS 1123-3 (Korea)	100 ~ 300	80 ~ 200
IS 15140 (India)	100 ~ 300	80 ~ 200
GB 14166 (China)	100 ~ 300	80 ~ 200

Table 3

Seat belt specifications

No.	Type	Character
ㆍCLL(Φ): Diameter of Torsion (mm) ㆍPT(S): Standard Performance ㆍPT(H): High Performance
1	A : ELR	Emergency locking retractor
2	B : CLL(Φ10.8)	Constant load limiter
3	C : CLL(Φ10.2)	Constant load limiter
4	D : PT(S)+CLL(Φ10.2)	Pre-Tensioner + Constant load limiter
5	E : PT(H)+CLL(Φ8.8)	Pre-Tensioner + Constant load limiter

Table 4

Comparison of result between test and simulation

Character	Result		Error factor
Character	Test	Simulation	Error factor
* : Max. Value
Belt load (N)*	12963	12178	6 %
Chest displacement (mm)*	203	215	6 %