The Korean Society Of Automotive Engineers

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Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 25 , No. 1

[ Originals ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 25, No. 1, pp.51-59
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jan 2017
Received 10 Jun 2016 Revised 25 Sep 2016 Accepted 18 Oct 2016
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2017.25.1.051

EURONCAP 신 상부다리 평가 시험방법의 실험적 고찰
이영진1), 2), * ; 박진섭1) ; 김시우1) ; 강병도1) ; 용부중2)
1)교통안전공단 자동차안전연구원 첨단안전평가실
2)경일대학교 기계공학과

An Experimental Study on New EURONCAP Upper Leg Test Assessment
Youngjin Lee1), 2), * ; Jinseop Park1) ; Siwoo Kim1) ; Byungdo Kang1) ; Boojoong Yong2)
1)Advanced Vehicle Safety Research Office, Korea Automobile Testing & Research Institute, 200 Samjon-ro, Songsan-myeon, Hwaseong-si, Gyeonggi 18247, Korea
2)School of Mechanical, Kyungil University, Gyeongbuk 38428, Korea
Correspondence to : *E-mail: A150010@ts.2020.kr


Copyright Ⓒ 2017 KSAE
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Abstract

In 2014, there were approximately 4,762 fatalities on Korean roads. The fatality rate has decreased by 6.5 %, as compared to that of the previous year. The pedestrian-vehicle fatalities (1,795) have also decreased by 6 % over the previous year. However, the percentage of the pedestrian fatalities has increased from 37.9 % to 38.7 % during the same period. This is why further research is required, even though the KNCAP pedestrian safety assessment and KMVSS for pedestrian protection currently exist. This paper studied the Upper Legform to Bonnet Leading Edge Test at the front of the vehicles, which has not been introduced yet in Korea. The test method and procedure of the new BLE test in the Euro NCAP test protocol have been reviewed, and the physical tests on SUV and sedan with different bonnet leading edge heights have also been conducted and reviewed. In addition, the test results and characteristics have been analyzed via comparison with the former BLE test and each vehicle type.


Keywords: Pedestrian protection, Bonnet leading edge, Upper legform test, KNCAP(Korea New Car Assessment Program), EURONCAP, Conner reference point
키워드: 보행자보호, 후드선단부, 상부다리모형 시험, 한국자동차안전도평가, 유럽자동차안전도평가, 모서리 기준점

1. 서 론

자동차의 수요와 공급량이 늘어나면서 2015년 국토 교통부 기준으로 국내에 자동차 등록대수는 무려 2천만 대를 넘었다. 자동차가 증가하고 나서 디자인 또는 성능뿐만 아니라 안전성까지 고려하여 상당한 발전을 이루었으나 차대 보행자 사고 부분에서는 여전히 미비한 상태이다.

2014년 기준으로 우리나라 전체 교통사고 사망자는 4,762명으로 이중 차 대 보행자 사고는 1,795명이며, 전체 교통사고에 37.7 %의 상당한 비율을 차지한다. 자동차 안전도를 향상시키기 위해 국내를 포함하여 미국, 유럽 등 자동차 선진국들은 자동차안전도평가(New Car Assessment Program)를 도입하여 시행하고 있는데 보행자 안정성 평가는 EuroNCAP에서 1997년 최초로 시작되었다. 국내 보행자 안전성평가는 2008년부터 시행하여 2013년부터는 안전기준 보행자 법규가 시행되고 있다. 국내에서 시행되고 있는 보행자안전성평가는 성인 머리, 어린이 머리, 하부다리 영역으로 진행되고 있다. 반면, 유럽에서 시행되는 보행자 안전성 평가 부분은 다리부분에서 상부다리 시험이 추가적으로 진행되어 오고 있으며, 2015년부터 EuroNCAP에서 상부다리모형 평가방법이 새로이 도입된 바 있다.

본 논문에서는 현재 EuroNCAP에서 시행하고 있는 상부다리 모형 시험에 대해 설명하고 새로 도입되기 전 시험과 다른 점을 비교하여 보행자 안전성 평가 상부다리모형 시험 평가기술에 대해 논의하고자 한다.


2. 차대 보행자 사고 현황
2.1 국내 교통사고 및 상해 부위 현황

국내 교통사고 중 차 대 보행자 교통사고는 2014년 전체 사망자 4,762명 중 1,795명(38.7 %), 부상자 337,497명 중 51,590명(15.3 %) 으로 전체 교통사고에서 상당한 비중과 높은 치사율을 확인할 수 있다(2014 경찰청 통계자료). 차대 보행자 교통사고 부상자의 주요 상해 부위는 머리 33 %, 다리 22 %, 팔 20 % 순으로 나타났다(Fig. 1). 상부다리 영역으로 판단할 수 있는 골반, 엉덩이 및 상부다리 부위는 전체의 7 %정도를 차지하였다(2014 연세대 원주병원보행자 사고 환자 데이터).


Fig. 1 
차대 보행자 교통사고 부상자 주요 상해 부위

2.2 해외 교통사고 상해부위 현황

해외 교통사고 상해부위를 조사하기 위해 유럽에서 가장 널리 이용되는 GIDAS(German In-Depth Accident Study)의 2005 년 ~ 2013 년까지의 데이터 중 보행자 교통사고 상해 부위별 분포(AIS 2+)에 대한 자료를 참조하였다(Fig. 2).1)


Fig. 2 
GIDAS 보행자 교통사고 부상자 상해부위

국내 상해 부위별 분포와 유사하게 머리와 하부다리에 상해부위가 집중되어 있고, 골반 및 상부다리가 차지하는 비율은 15 %로 국내 비율을 다소 상회하는 수준으로 나타났다.

2.3 OECD 회원국 보행자 교통사고 비교

2009년부터 2013년까지 OECD 회원국의 보행자 사망자 비율 평균은 18.8 %이며, 우리나라 전체 교통사고 중 보행자 사망자 비율은 39.1 %로 1위를 차지하였다(Fig. 3).


Fig. 3 
09 ~ 13년 OECD회원국 보행 중 사망자 수 비율


3. 상부다리 모형 시험
3.1 EuroNCAP 구 상부다리시험 준비 및 방법

현재 상부다리 안정성 평가는 EuroNCAP과 ANCAP에서만 시행하고 있으며 미국, 일본 및 국내 KNCAP에서는 시행되지 않고 있다. 국제기준 UN R127, 세계기술규정(GTR) 9, 국내 자동차안전기준 제102조의2 보행자 보호에도 상부다리 평가는 포함되어 있지 않다. 다만, 범퍼하부기준선 높이가 425 mm 이상 500 mm 미만인 자동차와 범퍼하부기준선 높이가 500 mm 이상인 자동차에 한하여 하부다리모형 대신 상부다리 모형을 이용한 평가가 시행중이다. 상부다리 모형은 길이 350 ± 5 mm의 강체로 구성된 국부인체모형으로 Fig. 4와 같다.


Fig. 4 
상부다리 모형

상부다리 평가 영역은 범퍼상부기준선과 하부기준선, 범퍼모서리로 구성되어있다. 범퍼상부기준선은 자동차의 수직종단면에 평해하게 하여 수직에서 자동차 뒤쪽으로 20° 기울여서 범퍼 표면과의 접촉을 유지하면서 자동차의 전면을 따라 좌우로 움직일 때 자동차의 전면을 따라 좌우로 움직일 때 직선자 등과 범퍼가 접촉하는 최상부 지점의 경로이다.

범퍼 하부 기준선은 직선자 등을 자동차의 수직종단면에 평행하게 하여 수직에서 자동차 앞쪽으로 25° 기울여서 지면과 범퍼 표면과의 접촉을 유지하면서 자동차의 전면을 따라 좌우로 움직일 때 직선자 등과 범퍼가 접촉하는 최하부 지점의 경로이다.

범퍼 모서리는 자동차의 수직종단면과 60°의 각도를 이루는 수직면이 범퍼의 외부표면에 접선방향으로 접촉하는 지점이다(Fig. 5).


Fig. 5 
범퍼 모서리 측정 방법

다리모형시험 평가 영역이 결정되면 충격지점을 설정하기위해 BL(Bonnet Leading)을 측정한다. BL은 지면에서 차량까지 50° 각도로 연결할 때 접촉되는 부분이며 그 지점에 충격을 가한다. 이때 충격 부위의 높이를 BLEH(Bonnet Leading Edge Height)라 한다(Fig. 6).


Fig. 6 
상부다리모형 시험 충격지점 설정 방법

3.2 EuroNCAP 신 상부다리시험 준비 및 방법

EuroNCAP 상부다리 모형 시험평가 영역은 횡단 경계선(WAD)과 IBRL(Internal Bumper Reference Line), 측면기준선(Side Reference)으로 구성된다. 횡단경계선은 Fig. 7과 같이 줄자의 한쪽 범퍼 전면에 수직하게 지면 기준 높이에 두고, 다른 한쪽 끝을 팽팽하게 유지하여 자동차의 전면상부 표면에 놓고 후드와 범퍼를 따라 좌우로 움직일 때 줄자 한쪽 끝의 자동차 전면 표면에 표시되는 기하학적 경로를 말한다. 이 때 자동차는 정상 적차 상태이어야 하며 횡단 경계선은 775 mm, 930 mm, 1000 mm, 1500 mm, 1700 mm, 2100 mm 구간이 있는데 이 중 775 mm 구간과 930 mm 구간이 상부다리모형 시험 평가영역과 연관되어 있다(Fig. 7).


Fig. 7 
상부다리 모형 횡단 경계선 측정영역

측면기준선은 Fig. 8과 같이 700 mm 길이의 직선자를 자동차의 수직 횡단면에 평행하게 하고 안쪽으로 45° 기울여 차량의 표면과 접촉을 유지하면서 전면 구조물의 옆면, A 필러 또는 천정 아래로 움직일 때, 전면 구조물, A 필러 옆면간의 가장 높은 접촉점의 기하학적 경로를 말한다(Fig. 8 참고).


Fig. 8 
상부다리 모형 측면 기준선 측정 방법

IBRL(Internal Bumper Reference Line)을 측정하는 방법은 다음과 같다. 먼저 범퍼를 탈거 한 후 내부 Front Beam에서 차량 중심이 되는 부분을 0으로 잡은 뒤 가장 앞으로 나온 부분에서 10mm 안쪽의 높이를 측정한다(Fig. 9).


Fig. 9 
Front Bumper Beam IBRL 측정 방법

양측으로 똑같은 방법으로 100 mm 씩 측정 한 후각 100 mm 사이를 3등분 한 다음 각 분할 위치의 Front Bumper Beam 높이를 측정한다. 100mm 마킹부와 인접한 좌우 분할 마크의 평균 높이를 계산하여 그 값을 취하고 이 IBRL 측정 부분을 범퍼에 마킹한다(Fig. 10). IBRL은 일반적으로 차대 보행자 충돌 시 보행자가 범퍼 전면부에 강체부품을 중심으로 무릎이 꺾이며, 회전하여 후드 위로 떨어지는 거동을 보임에 따라 충격 각도 설정을 위해 표시가 필요한 위치이다.


Fig. 10 
IBRL(Internal Bumper Reference Line)

충격 시험 각도는 범퍼에 마킹된 IBRL 위치와 WAD(Wrap Around Distance) 930 mm 위치의 직선 각도를 측정하고 두 점이 이루는 각도에 맞추어 775 mm 지점에 시험을 진행한다(Fig. 11). 930 mm는 50 % 성인남성 상부다리 대전자(Greater trochanter)의 평균 높이에 신발굽 높이 25 mm를 더한 값으로 IBRL과 더불어 시험조건의 설정을 위한 중요한 위치이다.


Fig. 11 
상부다리 모형 시험

시험 각도에 따라서 속도를 계산식으로 도출해내는데 수식은 다음과 같다.

En=0.5×mn×vc2mn=7.4kg

여기에서

vc=v0cos1.2αv0=11.11m/s

나타내며 시험 속도 νt

vt=2En10.5kg

와 같이 계산하여 속도를 정의한다. 충격속도는 하부다리 평가기준 시험속도 11.11 m/s에서 기인하는 것으로, 해석을 통해 충격 각도에 따라 감소되는 값을 통계적으로 찾아 유도된 것으로 알려져 있다.

3.3 실차 평가 시험

실차 평가시험 대상 차량은 상부다리부위 충돌에 영향을 주는 차량 부위(범퍼 임팩트 빔 또는 후드선단부)의 높이 차가 큰 시험 대상 차량으로 세단형 승용 1대와 레져용 SUV차량 1대를 선정하였다. Euro NCAP에서 새로 도입한 후드선단부 시험(Bonnet Leading Edge Test)의 프로토콜을 기반으로 시험조건을 설정하고, 국내 자동차 안전도평가(KNCAP)의 상해치 기준과 격자점 평가방식 (Grid Method)에 따라 평가점수를 산정하였다. 격자점 평가방식에 따라 측면기준선과 횡단경계선(WAD) 775 mm이 만나는 점을 좌우 평가영역의 경계인 코너 기준점으로 설정하고, 시험차량 종 방향 중심선과 775 mm 횡단경계선(WAD)의 교점부터 시작하여 횡 방향으로 100 mm 간격의 교차점들을 평가 위치로 설정하였다(코너 기준점에서 안쪽으로 50 mm내에 위치한 격자점은 제외). 각 격자점 평가위치는 차량 중심 교차점을 U0로 표시하고 차량 좌측의 격자점 위치는 U-1부터 U-6, 우측은 U1부터 U6 등으로 표시하여 구분하였다.

시험위치는 차량의 대칭 구조와 부품교체 순서를 고려하여 7개소로 선정하였다(Fig. 13).


Fig. 12 
상부다리 평가위치 (격자점) 및 영역


Fig. 13 
상부다리 실차 평가시험 위치

상부다리모형의 충격조건을 위해 아래 순서로 내부범퍼기준선(Internal Bumper Reference Line)을 설정하였다. IBRL은 범퍼 커버 탈거 후 빔의 최전방점에서 후방으로 10 mm 위치에서 최상단면 위치가 지면과 이루는 높이를 측정한다.

차량 중심에서 출발하여 각 시험위치와 시험위치 좌우로 33.3 mm 떨어진 위치에서의 범퍼 빔 높이를 측정하고 그 평균을 시험위치의 범퍼 빔 높이로 설정하며, 범퍼 커버 조립 후 시험위치 외면에 범퍼 빔높이를 표시하여 내부범퍼기준선(IBRL)으로 설정한다. 각 시험위치에서 내부범퍼기준선(IBRL)과 횡단경계선(WAD) 930 mm 연결한 선에 수직방향과 지면이 이루는 각도를 상부다리모형의 충격각도로 설정하여 실차평가시험을 진행하였다.


Fig. 14 
범퍼 빔 높이 측정


Fig. 15 
세단 EuroNCAP 상부다리 모형 시험


Fig. 16 
SUV 상부다리모형 시험


4. 시험결과 및 분석
4.1 구 시험방법과 신 시험방법 각도 비교

EuroNCAP 구 시험 방법의 충격 각도는 실차에서 측정된 BL(Bonnet Leading)과 BLEH(Bonnet Leading Edge Height)를 이용하여 제시된 그래프를 사용하여 각도를 산출하였다. EuroNCAP 현 상부다리 시험은 실차에 표시한 IBRL과 WAD 930 mm 지점을 연결하는 직선의 수직 각도를 측정하여 비교하였다(Fig. 17). 단지 충격각도가 45° 초과일 경우 충격에너지가 160 J 이하가 되어 평가 시험 없이 만점을 인정하기 때문에 에너지가 160 J 이하이면 충격각도를 최대 45° 로 지정하여 시험을 진행하였다.

EuroNCAP 구 상부다리모형 시험과 현 상부다리모형 시험을 비교해 보았을 때 SUV 차량은 전 시험방법보다 각도가 평균 16.3 % 낮게 측정되고 SEDAN차량은 평균 19.6 %의 차이로 현 시험방법이 높게 나온다. 따라서, 각도 측면에서 차량 후드선단부의 높이가 다른 차량보다 높은 SUV 차량이 각도가 낮게 나오며 현 시험방법에서 불리하게 작용될 것으로 판단된다.


Fig. 17 
구 및 현 시험방법 SUV 각도 비교


Fig. 18 
구 및 현 시험방법 SEDAN 각도 비교


Fig. 19 
구 및 현 시험방법 SUV 속도 비교


Fig. 20 
구 및 현 시험방법 SEDAN 속도 비교

4.2 구 시험방법과 현 시험방법 속도 비교

상부다리 모형 시험 속도 또한 구 시험방법은 그래프 토대로 산출하였고, 현 시험방법은 실차에서 측정된 각도를 토대로 EuroNCAP에서 제시된 계산식을 이용하여 속도를 산출하고 시험하였다.

vt=7.4×11.11×cos1.2α10.5α:

속도를 산출한 결과 SUV 차량은 EuroNCAP 구 시험방법보다 EuroNCAP 현 시험이 속도가 낮게 나타났고, 세단 차량은 구 시험방법에서 SUV 차량에 비해 경미하게 낮거나 비슷한 수치의 속도로 비교되었다. 속도를 비교해 본 결과 EuroNCAP 신 시험방법이 충격각도와 마찬가지로 충격속도 또한 SUV차량에 불리할 것으로 분석된다.

4.3 구 시험방법과 현 시험방법 충격에너지 비교

상부다리 모형 시험 결과 중 가장 중요한 충격에너지 부분에 대해서 비교해 보았다. SUV는 신・구 방법에서의 충격에너지 감소가 뚜렷한 반면 세단형은 약간 낮은 수준의 감소를 확인할 수 있었다. 따라서, 전체적으로 신 방법이 구 방법에 비해 완화되었음을 확인할 수 있었다.


Fig. 21 
구 및 현 시험방법 SUV 에너지 비교


Fig. 22 
구 및 현 시험방법 SEDAN 에너지 비교

4.4 구 시험방법과 현 시험방법 상해치 비교

상부다리모형 시험 중 상해치 결과를 가지고 국내 자동차 안전도평가(KNCAP)에서 적용 중인 격자점 평가방식에 따라 상부다리 평가 총점을 산출하고 EuroNCAP에서 적용 중인 격자점 평가방식에 따라서 총점을 산출하여 비교하였다.

Table 1 
SUV 실차평가시험 상해치 결과
Test SUV HIC15 Result
Force (kN) Bending Moment (Nm)
U0 2.86 151.623
U1 3.05 147.137
U-2 3.03 161.239
U3 4.11 201.719
U4 5.13 239.969
U-5 5.06 363.318
U6 3.97 269.438

Table 2 
SEDAN 실차평가시험 상해치 결과
Test SEDAN HIC15 Result
Force (kN) Bending Moment (Nm)
U0 2.79 172.779
U1 2.99 206.362
U-2 3.12 194.203
U-3 3.09 174.411
U4 3.17 157.792
U5 2.89 179.78
U-6 3.28 213.334

상부다리 상해에 영향을 미치는 후드선단부가 높은 SUV 차량이 승용 차량보다 하중은 약 33.6 %, 굽힘 모멘트는 약 17.3 % 높게 나타났다. 평가 기준에 따라 결과를 도출해 내었을 때 승용 차량의 경우 평가결과 점수의 차이가 없으나, SUV 차량은 상해치 평가기준의 차이로 EuroNCAP 결과가 국내 자동차 안전도평가(KNCAP) 결과보다 12 % 낮은 것으로 나타났다.

Table 3 
Euro 및 KNCAP 상부다리 상해 평가기준
구분 상해치 평가기준 총점 산출
1점 1점 미만 ~ 0점 초과 (보간법) 0점
KNCAP 상부다리 하중의 합 (kN) 5 kN 이하 5 kN 초과 ~ 7.5 kN 이하 7.5 kN 초과 최저 점수
굽힘모멘트 (Nm) 300 Nm 이하 300 Nm 초과 ~ 510 Nm 이하 510 Nm 초과
EuroNCAP 상부다리 하중의 합 (kN) 5 kN 이하 5 kN 초과 ~ 6 kN 이하 6 kN 초과 최저 점수
굽힘모멘트 (Nm) 285 Nm 이하 285 Nm 초과 ~ 350 Nm 이하 350 Nm 초과

4.5 충격 조건 분석

신(新)상부다리 모형 실차평가시험을 진행하면서 세단과 승용의 충격조건을 분석하여 보았다.

차대 보행자 충돌 시 범퍼 내부 강체인 범퍼빔을 축으로 회전하며 차량으로 보행자 상체가 넘어가는 회전 개념과 대전자의 높이를 고려할 경우 충격각도의 설정법이 좀 더 현실적으로 사료된다. 후드선단부가 높아질 경우 횡단경계선 930 mm 선이 차량 앞쪽으로 이동하기 때문에 내부범퍼기준선(IBRL)과의 연결선이 지면과 이루는 각도가 증가하고, 상부다리 모형의 충격각도가 감소되어 충격 속도 및 에너지가 증가하게 된다(Fig. 23).


Fig. 23 
후드 선단부에 따른 충격각도 변화

EuroNCAP 신(新) 상부다리 평가방법의 충격 각도 설정법은 범퍼 빔 좌,우측 끝 단이 모서리기준점 내측에 위치하면, 좌우 외측영역 격자점에서 범퍼빔을 이용한 내부범퍼기준선을 설정할 수 없는 경우가 발생한다. EuroNCAP 기준에도 명확화 되어 있지 않아 범퍼 빔 끝 단 외측 영역의 경우 마지막 내부기준선의 높이를 적용하는 방식 등의 설정 기준의 검토가 필요하다(Fig. 24).


Fig. 24 
내부범퍼 기준선을 설정할 수 없는 경우 예


5. 결 론

EuroNCAP 상부다리 모형 시험 변경에 의하여 구상부다리 모형 시험방법과 비교하여 평가한 결과 다음과 같은 결과 결론을 도출하였다.

  • 1) 신(新) 상부다리 평가시험은 후드 선단부가 높은 차량일수록 불리한 충격 조건에 의해 높은 상해치 결과를 얻을 가능성이 높다.
  • 2) 구(舊) 상부다리 평가시험에 비해 차대 보행자 충돌 시 Wrap-around 개념을 반영하여 기존 평가시험에 비해 충격 조건 설정방법이 직관적이고 절차가 간소화 된 것으로 판단되나 세부적인 설정 방법에서 명확화가 필요하다.
  • 3) 현재 자동차 안전도평가(NCAP) 하부다리 시험에 적용 중인 격자점 방식(Grid Method)을 이용한 평가방법을 적용할 때, SUV는 KNCAP보다 EuroNCAP에서 낮은 점수를 기록했다. 이는 상해치 평가 기준에 따른 차이로 향후 EuroNCAP 상해치 기준에 대한 검토가 필요할 것으로 보인다.

Acknowledgments

*A part of this paper was presented at the KSAE 2016 Spring Conference

본 연구는 국토교통부 및 국토교통과학기술진흥원의 연구비지원(14PTSI-C054118-06)으로 수행된 연구임.


References
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