변형을 고려한 자동차 통풍 시트의 유량 평가

1. 서 론

운전자와 승객의 안락감에 직접 영향을 미치는 통풍 시트를 선호하는 소비자가 점차 증가하고 있다. 따라서 통풍 시트와 관련된 많은 연구가 진행되어 왔다. Wolfe 등¹⁾은 시트의 냉방이 탑승자의 안락감에 미치는 영향을 설명하기 위하여 실험 및 전산 데이터를 함께 고려하였다. 그들은 승객의 열적 안락감의 감지를 예측할 수 있는 정확한 모델을 개발하였다. Rutkowski²⁾는 인체와 시트 표면 사이에서의 국부적인 열 전도, 대류 및 증발 효과를 설명하는 모델을 개발하였다. 이 모델은 미국 성인 남성의 50번째 백분위에 해당하는 AM50(American Male 50) 모델을 사용하여 검증되었다. Karimi 등³⁾은 자동차 승객, 실내 환경 및 통풍 시트 사이의 동적 상호 작용을 설명하는 모델을 개발하였다. 이 모델에서는 시트를 통한 난방 및 통풍의 효과를 설명하였다. Hall과 Kolich⁴⁾는 자동차 난방 및 통풍 시트에서 탑승자의 열적 안락감을 최적화할 수 있는 시트 표면 온도의 범위를 구하였다. 이현희 등⁵⁾은 통풍 시트의 유량을 측정하여, 해석에서 구한 결과와 비교하였다. 이들은, 실제 시트 쿠션을 통과하는 유량에서 손실이 발생하므로, 보정을 통하여 해석에서 예측되는 유량의 정확성을 제고하는 방법을 사용하였다. 정정훈 등⁶⁾은 냉난방 시트 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 이들은 가죽 시트 커버를 사용할 경우 시트의 냉난방 성능이 감소되나, 메쉬홀을 적용함으로써 난방과 냉방 성능이 각각 30 % 및 22 % 향상됨을 확인하였다.

자동차 시트는 다양한 재료로 구성이 되며, 일반적인 선형탄성 재료의 물성과 다르게 평가되어야 한다. Zhang과 Dupuis⁷⁾는 자동차 시트를 구성하는 폴리우레탄 폼의 물성을 측정하는 실험적 방법을 제안하였다. 이들은 폼을 비선형 점성 재료로 모델링하였으며, 실험 데이터를 사용하여 모델링 파라미터 값을 구할 수 있었다. 조영건 등⁸⁾은 자동차 시트에 들어가는 스폰지의 물성을 측정하였다. 이들은 스폰지의 강성과 점성 계수를 측정하여, 이 값들을 해석에 사용하였다.

자동차 통풍 시트는 시트 커버, 필터 폼, 패드 폼 및 프레임 등으로 구성된다. 일반적으로 프레임은 강재로 만들어지며 주로 제조업체에서 그 재료 물성을 함께 제공한다. 그러나 시트의 변형에 영향을 미치는 다른 구성 재료의 물성을 구하기는 쉽지 않다. 자동차 시트에서 통기 구멍은 주로 패드 폼에 구멍을 뚫어서 만들게 되는데, 그 결과 패드 폼의 변형은 시트의 통풍 성능 및 효율에 큰 영향을 미치게 된다. 또한 패드 폼 자체는 필터 폼과 시트 커버에 쌓여 있으므로, 필터 폼과 시트 커버의 변형도 시트 통풍 성능 및 효율에 영향을 미치게 된다. 따라서 시트의 변형을 고려하여 시트의 통풍 성능을 평가하기 위해서는, 우선적으로 시트를 구성하고 있는 패드 폼, 필터 폼 및 시트 커버의 물성을 확보하여야 한다.

본 연구에서는, 시트의 쿠션을 구성하는 부품들의 재료 물성을 측정하였다. 이 물성을 사용하여 시트 쿠션의 변형을 해석하였다. 해석에서는 미국 성인 남성의 50 번째 백분위에 해당하는 AM50(American Male 50) 모델을 하중 조건으로 사용하였다.⁹⁾ 변형된 시트 쿠션을 통과하는 통풍 유량을 계산하여, 변형을 고려하지 않은 시트 쿠션을 통과한 유량과 비교하였다.

2. 자동차 통풍 시트

자동차 통풍 시트의 쿠션을 Fig. 1에서 도시하였다. 팬에서 발생한 유동은, 덕트, 통기 매트(Ventilation mat), 패드 폼 좌우에 위치한 각각 5개씩의 통기 구멍(Ventilation hole), 밀도가 낮은 스폰지와 같은 재료로 만들어진 필터 폼, 그리고 가죽 등으로 만들어진 시트 커버를 순차적으로 통과한 다음에 최종적으로 운전자나 승객에게 도달하게 된다.

Fig. 1

Schematic diagram of a ventilated automotive seat cushion

총 10개의 통기 구멍이 운전 방향에 대하여 좌우 대칭으로 배열이 된 패드 폼을 위에서 바라본 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 이 그림에서 VHi는 뒤에서 앞으로 i-번 째 통기 구멍을 뜻한다. 패드 폼의 좌우에 볼스터(Bolster)가 부착되어 있다. 운전자와 승객의 측면 방향 움직임을 억제하기 위해서, 시트 쿠션의 다른 부위에 비하여 볼스터는 다소 높게 설계되어 있다. 패드 폼과 볼스터는 모두 동일한 발포성 재료로 만들어진다. 다만, 패드 폼의 다른 부위에 비하여 볼스터는 더 높은 밀도를 가질 수 있도록 발포된다.

Fig. 2

Top view of pad foam with ventilation holes

3. 시트 쿠션 구성 재료의 물성 측정

MTS Tytron 250 미세 인장시험기를 사용하여 시트 커버, 필터 폼 및 패드 폼의 재료 물성을 측정하였다.¹⁰⁾ 물성을 측정하기 위하여, ESI Group사에서 제안한 방법을 활용하였다.¹¹⁾ 시트 커버에 대해서는 인장 물성을, 필터 폼에 대해서는 압축 물성을, 패드 폼에 대해서는 인장 및 압축 물성을 모두 측정하였다.

3.1 시트 커버의 물성 측정

시트 커버는 가죽으로 만들어진다. 시트 쿠션의 중앙 부위와 볼스터를 덮는 커버는 모두 동일한 가죽으로 만들어진다. 그러나 볼스터에는 통기 구멍이 없는 반면에 중앙 부위를 덮는 가죽에는 통기 구멍이 있다. 따라서 두 부위를 덮는 가죽은 각각 서로 다른 물성을 가지게 되므로 별도의 실험을 통하여 두 가지 물성을 모두 측정하여야 한다.

가죽은 이방성 재료이다. 따라서 Fig. 3(a)에서처럼 네 가지 서로 다른 방향으로 가죽을 절취하여 시편을 만들어서 실험을 하여야 한다. 시편의 크기와 형상은 ASTM(American Society for Testing and Materials)의 규격 D2209에 의하여 결정되었으며, 그 크기와 형상을 Fig. 3(b)에 도시하였다.¹²⁾

Fig. 3

Seat cover specimen

준비된 시편을 사용하여 인장 실험을 수행하였다. 4 mm/min의 속도로 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 실험 결과를 응력-변형률 선도로 변환하여 Fig. 4에 정리하였다.

Fig. 4

Stress-strain curve of seat cover from tension tests

3.2 필터 폼의 물성 측정

필터 폼은 스폰지와 같은 재료로 만들어지며 매우 밀도가 낮다. 한 장의 필터 폼은 그 두께가 12 mm에 불과하여, 한 장으로 필터 폼으로 압축 실험을 수행하기가 불가능하다. 따라서 5장의 필터 폼을 서로 쌓아서 총 두께가 60 mm가 되도록 한 다음에, 이에 대하여 압축 실험을 수행하였다. 필터 폼의 가로와 세로 길이는 모두 80 mm인 정사각형 형상이다. 가로와 세로가 모두 100 mm인 정사각형 판 2개를 압축 지그로 사용하여, 이들을 서로 평행하게 배치하여 사용하였다. 지그에 사용된 평행판의 강성이 충분히 커서 필터 폼 전체에 균일한 변형이 발생할 수 있도록 하였다.

지그로 사용되는 한 평행판을 고정시킨 상태에서, 다른 평행판을 2 mm/min의 속도로 움직여서 필터 폼을 압축하였다. 초기 두께가 60 mm인 필터 폼의 두께가 12 mm가 될 때까지 필터 폼을 압축 (80 % 압축)하면서, 필터 폼에 대한 응력-변형률 선도를 Fig. 5와 같이 얻을 수 있었다.

Fig. 5

Stress-strain curve of filter foam from compression tests

3.3 패드 폼의 물성 측정

시트 쿠션에서 사용되는 패드 폼은, 저밀도 폴리우레탄 폼(Low density polyurethane foam)의 재질로 제작된다. 이와 같은 재료의 거동은 변형률 기반 에너지 함수(Strain potential energy function)로 아래 식과 같이 표현된다.¹³⁾

$\[ U=\sum _{i=1}^N\frac{2{\mu }_i}{{\alpha }_i^2}\left[{\widehat{\lambda }}_1^{{\alpha }_i}+{\widehat{\lambda }}_2^{{\alpha }_i}+{\widehat{\lambda }}_3^{{\alpha }_i}-3+\frac{1}{{\beta }_i}\left({\left(J^{el}\right)}^{-{\alpha }_i{\beta }_i}-1\right)\right] \]$

(1)

$\[ {\widehat{\lambda }}_i={\left(J^{th}\right)}^{-\frac{1}{3}}{\lambda }_i,{\widehat{\lambda }}_1{\widehat{\lambda }}_2{\widehat{\lambda }}_3=J^{el} \]$

(2)

위 식에서, N은 다항식 차수이며, μ_i,α_i,β_i는 온도에 의존하는 재료 파라미터이다. λ_i,J^el,J^th는 각각 주 신장량(Principal stretches), 탄성변형에서의 체적 비율(Volume ratios) 및 열변형에 의한 체적 비율이다.

시트 쿠션에서는 두 가지 밀도의 패드 폼이 사용된다. 승차자와 항상 접촉하는 중앙 부위에서는 낮은 밀도의 패드 폼이, 볼스터 부위에서는 높은 밀도의 패드 폼이 사용된다. 따라서 두 부위의 패드 폼에 대한 실험을 반복하여 물성을 측정하여야 한다.

승차자가 착좌했을 때, 패드 폼의 위치에 따라서 압축 또는 인장 응력이 발생한다. 따라서 패드 폼에 대해서는, 압축 및 인장 실험을 모두 수행하여 물성을 측정하여야 한다.

패드 폼과 같은 재료는 점탄성 거동을 하며, 시간에 따른 크리프(Creep)와 응력 완화(Stress relaxation) 특성을 고려하여 응력-변형률 선도를 구하여야 한다.

한 변의 길이가 40 mm인 정육면체 형상의 패드 폼에 대하여 압축 실험을 수행하였다. 필터 폼의 압축 실험에서 사용하였던 것과 동일한 지그를 사용하였다. 자세한 과정은 다음과 같다;

• (1) 패드 폼 시편을 두 평행판 지그 사이에 위치시킨다.
• (2) 시편의 초기 두께의 80 %가 변형되어 두께가 8 mm가 될 때까지 시편에 변형을 가한다.
• (3) 두께가 8 mm로 변형된 시편에 가해진 하중을 5 min ±15 sec 동안 유지한 다음에, 다시 하중을 제거한다.
• (4) (2)와 (3)의 과정을 반복한다.
• (5) 시편을 5 % 변형시킨 다음에, 이 상태를 10 min동안 유지한다. 그 이후 인장시험기의 하중을 기록한다.
• (6) 시편을 10 % 변형시킨 다음에, (5)의 과정을 반복한다.
• (7) 시편을 15 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %로 변형시켜가면서, (5)의 과정을 반복한다.

위의 (5)~(7) 과정을 Fig. 6에서 정리하였다. 그림을 간략하게 보이기 위해서, Fig. 6에서는 변형률 20 %까지만 도시하였다.

Fig. 6

Compression test protocol up to 20 % strain

위의 과정을 따라서, 압축 실험에서 패드 폼의 응력-변형률 선도를 얻을 수 있었다. 압축 하중이 작용할 때, 패드 폼의 응력-변형률 선도를 Fig. 7에서 도시하였다.

Fig. 7

Stress-strain curve of pad foam from compression tests

패드 폼에 대한 인장 실험을 통하여 인장 물성을 측정하였다. 인장 실험에서는, 압축 실험에서 사용한 것과 동일한 시편을 사용하였다. 또한 필터 폼의 압축 실험에서 사용한 것과 동일한 지그를 사용하였다. 인장 하중을 가하기 위해서, 접착제를 사용하여 지그와 시편을 서로 부착하였다. 4 mm/min의 속도로 50 %의 변형률이 발생할 때까지 인장력을 가하였다. 실험 결과로 얻은 응력-변형률 선도를 Fig. 8에 도시하였다.

Fig. 8

Stress-strain curve of pad foam from tension tests

4. 통풍 시트 쿠션의 유량 평가

실험으로 측정한 시트 쿠션 구성 재료의 물성을 활용하여, 시트 쿠션에서의 변형을 해석하였다. 변형 해석에서는, 인체 모형을 하중 조건으로 사용하였다. 시트 쿠션이 변형되면, 그 내부에 위치한 통기 구멍의 크기와 형상도 변화하게 된다. 그 다음으로 변형된 시트 쿠션 내부의 통기 구멍을 통과하는 유량을 해석하였다.

4.1 통풍 시트 쿠션의 구조 해석

통풍 시트 쿠션의 구조해석을 진행하기 위해 시트를 구성하는 부품들을 Altair사의 Hypermesh를 이용하여 유한요소 모델링하였다.¹⁴⁾ 유한요소 모델링의 내용을 요약하면 다음과 같다.

Table 1

Components and their finite elements for the analysis of seat cushion

그 이후 ESI Group사에서 개발한 Virtual Seat Solution 2016을 사용하여 시트 쿠션의 변형된 형상을 구할 수 있었다.¹⁵⁾ 해석에서는, 앞 단계에서 실험을 통하여 확보한 시트커버, 필터 폼 및 패드 폼의 인장(압축) 응력-변형률 선도를 이용하였다. 미국 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)에서 명시한 Hybrid III 50 % 분위의 남성(AM50, 50th Percentile American Male) 더미를 하중조건으로 사용하였다.⁹⁾ AM50 더미를 시트 쿠션에 착좌시킨 상태에서 AM50 더미의 형상과 하중에 의한 시트 쿠션의 변형된 형상을 구할 수 있었다. 변형 전후에 패드 폼의 내부에 위치한 통기 구멍(Ventilation hole)의 형상을 Fig. 9에 도시하였다.

Fig. 9

Undeformed and deformed shapes of ventilation holes inside pad foam

4.2 통풍 시트 쿠션의 유량 해석

Ansys사의 ANSYS/Fluent를 사용하여, 통기 구멍의 변형 이전의 형상과 변형 이후의 형상(Fig. 9)에 대하여 각각의 통기 구멍을 통과하는 유량을 해석하였다.¹⁶⁾ 유량해석에서는, 시트커버와 필터 폼을 제외하였다.

유량 해석에서는 표준 k-ϵ 난류모델과 지배방정식의 대류항차분법으로 1차 상류차분도식을 적용하였다. 유동장의 요소 타입 및 크기는 각각 3D Tetra와 3 mm이다. 요소의 개수는 패드 폼의 변형 이전 및 이후의 형상에 대해서 각각 179,784개 및 165,574개이다. 시트 쿠션의 팬 출구에서 측정한 유속 6.2 m/s를 해석에서 경계조건으로 사용하였다.

유량 해석 결과를 Fig. 10에 도시하였다. 시트 쿠션에는 모두 10개의 통기 구멍이 좌우에 5개씩 대칭으로 배열이 되어 있다. 그러나 공기를 공급하는 팬이 대칭축을 벗어나 위치하므로, 좌우에 배열된 통기 구멍들에서의 유량은 비대칭으로 분포하게 된다.

Fig. 10

Analysis results of air flow rate at ventilation holes

Fig. 10으로부터, 패드 폼의 변형이 고려된 유량 해석 결과와 패드 폼의 변형이 고려되지 않은 유량 해석 결과는 서로 상이함을 알 수 있다. 패드 폼의 변형이 고려되지 않았을 때, 시트 쿠션 좌우에 배열된 각각 5개씩의 통기 구멍들에서 나오는 유량의 총량은 좌우 각각 5.78 및 6.34 CFM의 결과를 얻었다. 그러나 패드 폼의 변형이 고려될 때에는, 통기 구멍에서 나오는 유량 총량은 좌우 각각 6.05 및 6.06 CFM의 결과를 얻을 수 있었다. 패드 폼의 변형을 고려하는 경우와 그렇지 않은 경우에 해석 결과에 상당한 차이가 발생하였으며, 패드 폼의 변형을 고려하는 경우에 그 결과가 더 정확할 것으로 추측할 수 있다.

5. 결 론

• 1) 패드 폼의 변형을 고려하지 않았을 때 좌측에 위치한 5개 통기 구멍에서의 총 유량은, 변형을 고려하였을 때와 비교하여 약 4.53 % 저평가되었다. 한편 변형을 고려하지 않았을 때 우측에 위치한 5개 통기 구멍에서의 총 유량은, 변형을 고려하였을 때와 비교하여 약 4.52 % 과평가되었다.
• 2) 각각의 통기 구멍에서의 유량도 패드 폼의 변형에 의하여 영향을 받았다. 패드 폼의 변형이 고려되지 않았을 때, 좌측에서 두 번째 통기 구멍(VH2)의 유량은, 변형을 고려하였을 때와 비교하여 약 17.71 % 저평가되었다. 패드 폼의 변형이 고려되지 않았을 때, 우측에서 네 번째 통기 구멍(VH4)에서의 유량은, 변형을 고려하였을 때와 비교하여 약 13.60 % 과평가되었다.
• 3) 자동차 통풍 시트의 유량을 해석할 때, 패드 폼의 변형을 고려하지 않는 경우가 많다. 이 경우, 큰 오차가 발생하여 정확한 예측이 불가능하다.
• 4) 통풍 시트의 유량을 정확하게 예측하기 위해서는, 반드시 패드 폼의 변형을 고려하여야 함을 알 수 있다.

Acknowledgments

이 논문은 2017년도 한국기술교육대학교 교수 교육연구진흥과제 및 산업통상자원부 한국산업기술진흥원(과제번호 R0003579)의 지원에 의하여 연구되었습니다.

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