A Study on the Signal Transmissibility of High Frequency Crash Pulse according to the Car Structure Difference

< 기 술 논 문 >

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2013 KSAE / 126-02 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 21, No. 6, pp.8-15 (2013)

차체 구조 차이에 따른 충돌 고주파 신호 전달성 연구

박 동 규^*

현대모비스 기술연구소

A Study on the Signal Transmissibility of High Frequency Crash Pulse according to the Car Structure Difference

Dongkyou Park^*

Technical Center, Hyundai Mobis, 17-2 Mabuk-ro 240 Beon-gil, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi 446-912, Korea (Received 18 October 2012 / Revised 7 March 2013 / Accepted 23 April 2013)

Abstract : Wide range frequency pulses occur in a car crash test. Until now, low frequency under 400Hz has been used to determine an airbag deployment criteria. Also, FIS (Front Impact Sensor) has been used to detect the crash pulse in early stage. Nowadays, technology to determine an airbag delpoyment criteria by using a high frequency crash pulse without FIS is being focused on. In this paper, the signal transmissibility of high frequency pulse for two different cars was studied. Also, signal transfer test of high frequency pulse was done by using a high speed ball impact. Signal runtime of the frontal impact is compared with that of the side impact. The signal transmissibility difference due to the car structure difference was discussed and structure change for improving the signal transmissibility was proposed.

Key words : ACU(Airbag Control Unit, 에어백 전개 조정 장치), FIS(Front Impact Sensor, 전방 충돌 감지 센서), Signal transfer test(신호 전달 실험), Signal transmissibility(신호 전달율), Signal runtimes(신호 도달 시간)

1. 서 론¹⁾

자동차 충돌 시에는 광범위한 주파수 대역의 진 동파가 발행한다. 이 진동파는 차체 구조를 통해 에 어백 전개 유무를 결정하는 ACU(Airbag Control Unit)까지 도달된다. 지금까지는 도달된 진동파 중 400Hz 이하의 저주파 신호를 이용하여 에어백 전개 여부를 결정하였다.

그러나 기존 ACU에서는 차체 전방 변형을 늦게 감지하여 에어백이 늦게 전개되는 문제가 발생하였 다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 차체 전방 프레 임에 FIS(Front Impact Sensor)를 장착하여, 차체 전 방 변형을 조기 감지하여 에어백 전개 요구 시점에 에어백이 전개되도록 하였다.^1-3) 이상의 시스템 구

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

성은 Fig. 1과 같다.

이러한 ACU 형태와 더불어 최근에는 차체 전방 변형시 발생하는 고주파 신호를 감지할 수 있는 센 서를 ACU 안에 장착하여 에어백 전개 유무를 결정

(a) Old type

(b) Current type

차체 구조 차이에 따른 충돌 고주파 신호 전달성 연구

Fig. 2 ACU using high frequency crash pulse

하는 고주파 신호를 이용한 센싱 시스템에 대한 연 구가 진행되고 있다.^4-6) 고주파 신호를 이용한 센싱 시스템을 사용하면 FIS 기능을 대체할 수 있기 때문 에 FIS 및 관련 와이어 하네스를 삭제하여 원가 절 감에 기여할 수 있으며 Fig. 2와 같다.

충돌 고주파를 이용한 센싱 시스템은 고주파 신 호의 ACU까지의 전달성이 좋아야 효과적으로 작 동할 수 있는 시스템이다. 본 연구에서는 당사 차량 과 경쟁사 차량에 대한 신호 전달성 실험을 수행하 여 차체 구조 차이에 따른 고주파 신호 전달성을 비 교하였다.

2. 고주파 신호 전달 실험

차체 구조의 고주파 신호 전달성을 보기 위하여 당사 A 차량과 경쟁사 B 차량에 대한 실차 상태의 신호 전달 실험을 실시하였다.

2.1 고주파 신호 전달 실험 종류

신호 전달성 실험(Signal Transfer Test)은 정면과 측면의 두 가지에 대하여 수행하였다. 정면 충격 실 험은 직경 5mm 강철 구를 70KPH 속도로 범퍼 3곳 (LH, RH, 센터)에 충격을 가하였다. 측면 충격 실험 은 같은 조건의 강철 구를 B-Pillar 중앙부를 충격하 였다.⁷⁾ 충격 실험 조건은 Photo. 1과 같다.

2.2 가속도 측정 센서

사용된 가속도 측정 센서는 Brüel & Kjær 사의 Accelerometer Model 4397을 사용하였고 ±750g까지 측정 가능하다. 사용된 센서 개수는 총 12개로 LH

(a) Front LH Impact

(b) Front RH impact

(c) Front center impact

(d) Side impact

충격과 RH 충격에 반복 사용되었고, 센터 충격에는 좌･우 대칭적으로 배분하여 사용하였다.⁸⁾ 측정 센 서의 배치는 Photo. 2와 같다.

Dongkyou Park

(a) Front impact sensors of A-Car

(b) Side impact sensors of A-Car

(c) Front impact sensors of B-Car

(d) Side impact sensors of B-Car

2.3 고주파 신호 전달 실험 결과 2.3.1 고주파 신호 도달 시간

A 차량과 B 차량에 대한 고주파 신호 도달 시간 은 신호 샘플링 시간 0.05초 이내의 가속도 Raw Data Curve를 차단 주파수(Cut-off Frequency) 400Hz로 필

Fig. 3 Acceleration raw data curves of front impact

터링하여 구한 가속도 Envelope Curve의 신호 도달 시점으로 구하였다. 사용된 가속도 Raw Data는 Fig. 3 과 같다. 신호 도달 시간은 정면 충격은 LH, RH 및 센터에 대하여 측정하였고, 측면 충격은 B-Pillar 중 앙부 충격에 대하여 측정하였다.

A 차량의 정면 충격에 대한 고주파 신호 도달 시 간은 Fig. 4와 같다. 센터 충격 시 A 차량 고주파 신 호 도달 시간은 좌･우 대칭성을 나타내고 있으며 ACU까지의 신호 도달 시간은 1.32ms가 소요된다.

LH 충격 시에는 ACU까지 1.21ms, RH 충격 시에는 1.42ms가 각각 소요된다. 신호 도달 시간 차이가 나 는 이유는 A 차량 차체 구조 중 사이드 맴버(Side Member)가 완전 대칭 구조가 아니기 때문이다.

B 차량의 정면 충격에 대한 고주파 신호 도달 시 간은 Fig. 5와 같다. 센터 충격 시 B 차량 고주파 신 호 도달 시간도 좌·우 대칭성을 나타내고 있으며 ACU까지의 신호 도달 시간은 0.97ms이다. LH 충격 시에는 0.93ms, RH 충격 시에는 0.75ms 각각 소요된 다. 신호 도달 시간에 약간의 차이가 나는 이유는 사 이드 맴버가 완전 대칭 구조가 아니기 때문이다.

측면 충격에 대한 고주파 신호의 ACU까지의 도 달 시간은 Fig. 6과 같다. A 차량이 0.9ms, B 차량이 0.71ms가 소요된다. 이를 통하여 측면 충격의 신호 전달성은 B 차량이 우수한 구조임을 보여준다.

2.3.2 고주파 신호 전달율

고주파 신호 전달율은 출력 신호의 피크를 입력 신호의 피크로 나눈 값의 백분율로 Fig. 7과 같이 차

A Study on the Signal Transmissibility of High Frequency Crash Pulse according to the Car Structure Difference

(a) Front LH impact signal runtimes of A-Car

(b) Front RH impact signal runtimes of A-Car

(c) Front Center impact signal runtimes of A-Car

(a) Front LH impact signal runtimes of B-Car

(b) Front RH impact signal runtimes of B-Car

(c) Front Center impact signal runtimes of B-Car

박 동 규

(a) Side impact signal runtimes of A-Car

(b) Side impact signal runtimes of B-Car

Fig. 7 Comparing regions of signal transmissibility

체 구간별로 나누어 비교하였다. 고주파 신호 도달 시간이 좌우 대칭성이 있으므로 LH 충격의 신호 전 달율만을 비교하였고, 그 결과는 Table 1과 같다.

Table 1 Signal transmissibility comparison (Unit: G) Intervals Signal transmissibility

Car-A Car-B

A Bumper →

Side Member (FRT)

529→68 (13%)

779→99 (13%) B Side Member

(FRT → RR)

68→20 (29%)

99→56 (57%) C Side Member (RR) →

Dash Panel

20→2.0 (10%)

56→4.8 (9%) D Dash Panel → ACU 2.0→0.1

(5%)

4.8→1.2 (25%)

E

Floor Member

23→2.9 (12%)

7→3.1 (44%)

F

Tunnel

2.9→1.7 (59%)

3.1→1.3 (42%)

G

(47%)

1.3→1.9 (146%)

두 차량의 구간별 신호 전달율의 도식적인 비교 는 Fig. 8과 같다. 구간별 신호 전달율을 비교하면 정 면 충격 신호에 대해서는 A 차량이 사이드 맴버 전 방에서 후방으로 전달되는 B구간과 대쉬 판넬(Dash Panel)에서 ACU로 전달되는 D구간에서 B 차량보다 신호 전달율이 떨어짐을 알 수 있다.

측면 충격 신호에 대해서는 A 차량이 사이드 실 (Side Sill)에서 플로어 맴버(Floor Member)로 전달되 는 E구간과 터널(Tunnel) 후방에서 ACU로 전달되 는 G구간에서 신호 전달율이 크게 떨어짐을 알 수 있다. 두 차량 간 가속도 Envelope Curve를 구간별로 비교하면 Table 2와 같다. 충격 가속도 Envelope Curve에서 빨간색은 입력 신호이고 파란색은 출력 신호이다.

3. 차체 구조 비교

두 차량 간 신호 전달율 차이가 큰 구간에 대한 차 체 구조 비교를 정면 신호와 측면 신호에 대하여 각 각 비교하였다.

3.1 정면 신호 전달성에 의한 차체 비교 사이드 맴버 전방에서 후방으로 전달되는 B 구간 의 신호 전달율은 A 차량이 29%, B 차량이 57%로 B 차량이 우수함을 알 수 있다.

차체 구조 차이에 따른 충돌 고주파 신호 전달성 연구

Fig. 8 Schematic expression of signal transmissibility

이것은 사이드 맴버 단면이 길이 방향을 따라서 동일한 단면 형상을 잘 유지하는 정도인 맴버 직진 성이 B 차량이 좋은 구조임을 통해 신호 전달율은 맴버 단면 직진성이 좋을 수록 우수함을 알 수 있다.

두 차량의 사이드 맴버 단면 형상은 Fig. 9와 같다.

대쉬 판넬에서 ACU까지 전달되는 D 구간의 신 호 전달율은 A 차량이 5%, B 차량이 25%로 B 차량 이 우수함을 알 수 있다. 이것은 Fig. 10과 같이 B 차 량의 대쉬 판넬에서 ACU로의 신호 전달성을 좋게 할 것으로 예상되는 대쉬 맴버(Dash Member) 구조 가 있기 때문이다.

Table 2 Acceleration envelope comparison Inter

vals Car-A Car-B

A

B

C

D

E

F

G

Dongkyou Park

Fig. 9 Configurations of side member sections

Fig. 10 Dash member structure between dash and tunnel

3.2 측면 신호 전달성에 의한 차체 비교 측면 충격 신호는 사이드 실에서 플로어 맴버로 전 달되는 E 구간의 신호 전달율은 A 차량이 12%, B 차량 이 44%로 B 차량이 우수함을 알 수 있다. 이것은 Fig. 11 과 같이 사이드 실과 플로어 맴버 간의 구조 연결 단차 가 적은 B 차량의 신호 전달율이 좋음을 알 수 있다.

플로어 맴버에서 터널 후방까지 전달되는 F 구간 의 신호 전달율은 A 차량이 59%, B 차량이 42%로 A 차량이 우수하다. 이것은 Fig. 12와 같이 A 차량은 플로어 맴버가 터널에 바로 연결된 구조이나, B 차 량은 플로어 맴버와 터널 사이에 맴버 구조가 있어 서 신호 전달율이 떨어짐을 알 수 있다.

터널 후방에서 ACU까지 전달되는 G 구간의 신 호 전달율은 A 차량이 47%, B 차량이 146%로 B 차 량이 우수함을 알 수 있다. B 차량의 신호 전달율이 100%보다 큰 이유는 ACU에의 입력 신호가 터널 후 방의 출력 신호보다 충격 후 10ms 시점 이후부터 더 커지기 때문이다. 이는 10ms 이후부터 사이드 실과 대쉬 맴버를 통해 전달된 우회 신호가 ACU 에 도달 한 후 합류되어 출력 신호가 입력 신호보다 더 커진 것으로 Fig. 13과 같다.

Fig. 11 Connection between side sill and floor member

Fig. 12 Connection between floor member and tunnel

Fig. 13 Signal transfer from tunnel rear to ACU

A Study on the Signal Transmissibility of High Frequency Crash Pulse according to the Car Structure Difference

4. 결 론

정면과 측면 충격에 대한 고주파 신호 전달 실험 을 실시하여, 당사 A 차량과 경쟁사 B 차량의 ACU 까지의 신호 도달 시간을 비교하고, 차체 구조 차이 에 따른 신호 전달성을 비교하여 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.

1) 정면 충격 고주파 신호의 ACU 도달 시간은 A 차 량 1.32ms, B 차량 0.97ms가 소요되어 B 차량의 신호 도달 시간이 빠르다.

2) 측면 충격 고주파 신호의 ACU 도달 시간은 A 차 량 0.90ms, B 차량 0.71ms가 소요되어 B 차량의 신호 도달 시간이 빠르다.

3) 사이드 맴버의 정면 신호 전달율은 단면 직진성 이 우수한 B 차량이 57%로, A 차량의 29% 보다 좋다. 이는 사이드 맴버 단면 직진성이 좋은 구조 가 고주파 신호 전달에 유리함을 알 수 있다.

4) 대쉬 판넬에서 ACU까지의 정면 신호 전달율은 B 차량이 25%로, A 차량 5% 보다 우수하다. 이는 B 차량에 있는 대쉬 맴버 구조가 ACU까지의 신 호 전달성을 좋게 함을 알 수 있다.

5) 사이드 실에서 플로어 맴버로의 측면 신호 전달 율은 B 차량이 44%로, A 차량의 12% 보다 우수 하다. 이는 사이드 실과 플로어 맴버 간의 구조 연결 단차가 적은 B 차량 구조가 측면 신호 전달 성을 좋게 함을 알 수 있다.

6) 플로어 맴버에서 터널로의 측면 신호 전달율은 A 차량이 59%로, B 차량 42% 보다 우수하다. 이 는 플로어 맴버와 터널 사이에 맴버 구조가 없는 A 차량 신호 전달성이 좋음을 알 수 있다.

References

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