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Ⓒ2014 KSAE / 130-02 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.4.010 Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 4, pp.10-19 (2014)
화물차량용 에어백 후부안전판 안전성능에 대한 실험적 연구
박 인 송
*․윤 경 원․박 광 종․김 효 준
스마트 에어챔버 기술연구소
An Experimental Study on the Safety Performance of the Rear Safety Guard with Air Bag for Truck
In-song Park
*․Kyung-won Yun․Kwang-Jong Park․Hyo-jun Kim
R&D Center, Smart Air Chamber Co. Ltd., 9 Yeouidaebang-ro, 67-gil, Yeongdeungpo-gu, Seoul 150-890, Korea (Received 26 April 2013 / Revised 16 December 2013 / Accepted 13 January 2014)
Abstract : Despite the movement of safe traffic by the Korean government to reduce deaths in traffic accidents, the casualties increase year by year. In particular, more and more accidents and casualties are reported from car collisions from the back of the vehicles parked for managing traffic accidents on the road, cleaning main roads and medial strips, repairing roads. In order to response to these accidents, the government should take protective measures for road users.
In the last decade, seventy-one cases have been reported to occur during highway repair and maintenance. As a result, eight persons were killed and seventy-six were injured, showing the high death rate of 11.3 percent. Therefore, it seems urgent to take some actions against it. The United States and European countries legislate that vehicles of road repair and maintenance should be mandatorily equipped with shock absorber at the back. Korea, however, does not have such legislative measures, which are needed at this time to protect workers on the road. This study compares the performance of the traditional shock absorber for road maintenance vehicles with that of the rear safety guard using air bag, manufactured in accordance with related laws in Korea. Based on the results of the 60km/h rear collision test, this paper proposes improvements in related laws and regulations in an attempt to reduce casualties.
Key words : Rear safety guard(후부안전판), Truck Mounted Attenuator(TMA, 트럭용 충격흡수장치), Theoretical Head Impact Velocity(THIV, 탑승자 충돌속도), Post-impact Head Deceleration(PHD, 탑승자 가속도), Acceleration Severity Index(ASI, 탑승자위험도), Under-ride(언더라이드)
1. 서 론 1)
교통사고 사망자 감소를 위해 정부차원의 교통안 전선진화를 추진하고 있으나 자동차로 인한 부상자 및 사망자는 매년 증가하고 있다. 특히 도로에서 자 동차 사고처리를 하거나 도로청소, 갓길 및 중앙분 리대청소, 노면보수 등 작업차량의 후미에 추돌하 여 탑승자가 치명적인 상해를 입는 경우가 많아 도 로를 이용하는 이용자 보호라는 사회적 책임이 대
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
두된 지 오래다.
이러한 추돌사고는 10년간 고속도로 유지보수 작 업 중 71건이 발생하여 8명 사망, 76명 부상으로 11.3%의 높은 치사율을 나타내고 있어 이에 대한 대 책이 시급하다. 특히 트럭후부에 추돌하여 추돌차 량이 트럭 아래로 파고드는 언더라이드(under-ride) 현상은 탑승자의 안전에 치명적인 영향을 미칠 수 있는 사항이다.
이와 같은 언더라이더 현상을 방지하기 위하여
후부안전판을 의무적으로 설치하게 되어 있다. 하
화물차량용 에어백 후부안전판 안전성능에 대한 실험적 연구
지만 후부안전판의 설치강도기준에 따라 설치 할 경우 언더라이더 현상은 막을 수 있겠지만 후부안 전판에 대한 충격흡수기능이 없어 추돌차량의 탑승 자는 치명적인 충격을 받게 될 것이다.
본 연구에서는 에어백 충격흡수 후부안전판과 기 존 후부안전판을 충돌속도 60km/h 후면충돌 성능평 가 실험을 통하여 데이터를 비교 분석하고 탑승자 상해를 감소시킬 수 있는 관련법규 보안 필요성과 에어백 충격흡수 후부안전판의 상해 예방 특성을 제시하였다.
2. 후부안전판 구조 및 이론적 고찰
2.1 후부안전판의 구조1)각 후부안전판의 구조특성을 비교하여 보면 기존 후부안전판의 구조는 사각형 빔(Beam) 단면으로 구 성되어 있고, 에어백 충격흡수 후부안전판은 써모 플라스틱 폴리우레탄(TPU : Thermoplastic Polyure- thane)을 이용한 공간에 공기를 채운 에어백 형태로 충격 후 추돌차량의 리바운드를 막기 위한 컨트롤 케이스(Control Case)와 공기노즐에 브라켓트(Bracket) 가 부착되어 있는 구조이다.
따라서 에어백 충격흡수 후부안전판이 기존 후부 안전판과 구조적으로 다른 점은 기존 후부안전판은 설치강도를 만족하는 시험하중만 견딜 수 있도록 사각형의 빔(Beam)만 있는 구조이지만 에어백 충격 흡수 후부안전판은 뒷부분의 브라켓트가 시험하중 을 견딤과 동시에 에어백 속의 에어를 이용하여 저 속 충돌 시 에어백의 연신율과 컨트롤 케이스로 인 한 1차적 충격흡수가 이루어지고, 고속충돌 시 공기 노즐을 통하여 공기를 배출하므로 2차적으로 충격 흡수가 이루어짐과 동시에 추돌차량의 리바운드도 최소화 할 수 있는 구조이다.
2.2 에어백 충돌 운동 이론식4,6)
본 연구에서 활용하고 있는 에어백 충격흡수 후 부안전판은 압축성 기체를 용용한 것으로서 Fig. 1, 2, 및 3과 같이 이것에 기인하는 인자는 힘과 시간사 이의 관계로서 sin곡선임을 알 수 있으며 몇 가지 변 수에 대해 고려해 볼 수 있다.
첫째로 충돌체의 질량이 증가하면 작용하는 힘과
Fig. 1 F-t curve in the mass of the colliding body increase
Fig. 2 F-t curves in the elastic modulus increases
Fig. 3 F-t curve in the initial velocity increase
주기도 증가하며, 둘째로 탄성계수가 증가하면 힘 은 증가하고 주기는 짧아지고, 셋째 초기속도가 증가하면 힘은 증가하지만 주기는 동일함을 알 수 있다.
초기속도
, 질량 m인 물체가 탄성체에 떨어질 때, 충돌하는 물체의 거동을 수식으로 나타내기 위 하여 탄성체의 변형은 1차원이고 재료는 압축성이 라 가정하고, 스트레스를 σ 스트레인을 ε 이라 하면
, ln
는 탄성체의 초기두께이고, 은 변형 후 두께라면
In-song Park․Kyung-won Yun․Kwang-Jong Park․Hyo-jun Kim
탄성체는 압축성이기 때문에 변형 후 체적변화는
는 체적변화율이고,
는 변형 전 초기면적이 고, 는 변형 후 면적이다.
이면,
.
따라서, 충돌체의 모멘텀 방정식은
= -
중력효과를 고려하면 방정식은 다음과 같다.
= -
(1)
위 방정식을 풀기 위해선 두개의 초기조건이 필 요하다. 작은 변형의 경우 방정식은 아래와 같이 다 시 쓸 수 있다.
≒
≒
∴
= -
(2)
두개의 초기조건 and
일 때 방
정식 (2)를 푼다면 식은 아래와 같다.
중력효과를 무시한다면 방정식 (1)은
=
이다.
그리고 본 논문에 사용된 에어백 소재는 인장강 도는 440 kgf/cm
2이고, 인장응력은 연신율 300% 에 서 260kgf/cm
2이다.
3. 실험 및 고찰
3.1 실험장치충돌시험장치는 자동차안전기준에 관한 규칙 102조에 따라 충돌 시 승객보호를 평가할 수 있도록 설치되어 있는 견인식 충돌시험장치를 이용하여 시 험조건에 맞게 후부안전판이 부착되어 있는 피추돌 차량의 후면을 시험차량이 60km/h 속도로 추돌하는 시험을 실시하였으며 Fig. 4의 (a), (b)에 본 연구에 사용된 충돌시험장비와 시험방법을 나타내었고 시 험기준은 Fig. 5의 (a) 정면 전폭충돌(Head-on Centre Impact)을 선택하여 실시하였다.
2,7,8)(a) Cable draw type crash test equipment
(b) System diagram
Fig. 4 Crash test equipment본 연구에 사용된 충돌시험 장비의 구성은 ① 고
정 충돌벽 ② 주행로 ③ 주행 모터 ④ 조명장치 ⑤
데이터 집적기 ⑥ 조정장치 등으로 되어 있다.
An Experimental Study on the Safety Performance of the Rear Safety Guard with Air Bag for Truck
(a) Head-on Centre Impact
(b) Head-on, 1/3Vehicle
(c) Nose1/4 Offset, at 10˚
Fig. 5 Test standard for crash absorption facility
3.2 시험편
3.2.1 충돌시험 시험편
현재 안전기준에 만족한 후부안전판의 충격흡수 성능 및 충돌 후 추돌차량의 거동을 알아보기 위해 기존 후부안전판의 구조와 에어백 충격흡수 후부안 전판의 구조를 피추돌차량의 조건에 맞게 설계하여 적용하였다. Table 1은 시험편의 종류를 나타낸 것 이다.
3)각 시험편별 특징은 에어백 충격흡수 후부안전판 과 기존 후부안전판의 구조는 기본적으로 동일하나 에어백 충격흡수 후부안전판은 공기를 주입한 에어
Table 1 A kind of test specimens for trial impact test
Specimens Section (size)
Conventional Rear Safety Guard No.1
Air Bag Rear Safety Guard No.2
(Note) No.1 : 철 임팩트 빔 + 철 구조물 거치대 No.2 : 에어백 임팩트 쿠션 + 철 임팩트
구조물 + 철 구조물 거치대
백을 조립한 것으로 에어백 재질, 에어백의 크기, 공 기압력, 부품가격 및 중량 등 시험편 종류별 특성을 갖춘 제품생산을 위해 구조해석과 정밀한 시험을 통해 연구되고 있다.
3.2.2 충돌시험5)
후면 고속충돌시험 성능 평가 기준은 미국의 NCHRP Report 350 기준에 차량장착용 충격흡수장치관련시 험과 영국 Design Manual for Roads and Bridges (TD49/07, Volume8 Section4, Part7), Requirements for Mounted Crash Cushions 기준을 준용하였고, 에어백 충격흡수 후부안전판의 충돌성능을 알아보기 위해 충돌속도 60km/h 후면충돌 성능평가시험을 실시하 였다.
시험은 NCHRP Report 350 및 한국도로공사 시험 방법에 따라 2003년식 10톤 트럭인 피추돌차량에 기존 후부안전판과 에어백 충격흡수 후부안전판을 장착하였고, 피추돌차량의 중량을 10,340kg으로 하 고, 추돌차량은 중형 승용차량으로서 량은 1,320kg 으로 하였다.
시험은 기존 후부안전판이 장착된 피추돌차량의 후면을 중형 승용차가 추돌한 후 손상된 후부안전 판을 탈거하고 에어백 충격흡수 후부안전판을 장착 하고 재차 후면 추돌시험을 실시하였다. 또한 시험 차량의 내부에 데이터 집적기를 설치하였고 시험차 량의 무게중심에 가속도계를 X, Y, Z(3축) 방향에 대해 설치하고 요우(Yaw) 센서를 설치하였다. 그리 고 충돌 순간을 감지하기 위하여 충돌위치에 조명 용 테이프 스위치를 설치하였다.
충돌장면을 상세 기록하기 위하여 상우, 좌측면, 우측면에 500f/s (초당 500프레임) 고속디지털카메 라와 일반 동영상 카메라를 설치하였다. Fig. 6은 이 에 대한 충돌시험장면을 보여주고 있다.
4. 분석 및 고찰 9-12)
후부안전판에 대한 이론적 고찰과 에어백 충격흡 수 후부안전판과 기존 후부안전판의 충돌속도 60km/h 후면충돌 성능평가시험을 분석한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서 활용한 평가기준은 탑승자 충돌속도
를 나타내는 THIV값 44km//h, 탑승자 가속도를 나
타내는 PHD 20g, 가속도지수를 나타내는 ASI 1.9G
박인송․윤경원․박광종․김효준
①
Vehicle of rear and collision
①Vehicle of rear and collision
②
Vehicle of struck from behind
②Vehicle of struck from behind
③
Vehicle of after test
③Vehicle of after test
(a) Vehicle with conventional rear safety guard of 10t truck (b) Vehicle with air bag rear safety guard of 10t truck
Fig. 6 The scene of the car crash test of rear safety guard for 10t truck이다. 본 연구의 시험결과는 Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10 에 나타내었으며 각각의 시험결과를 분석하면 다음 과 같다.
충돌속도 60km/h 후면충돌 성능평가시험을 통한 탑승자 보호성능 지수 데이터를 분석한 결과는 첫 번째로 피추돌차량에 기존의 후부안전판을 장착하 고 시험한 경우 요우(Yaw)센서에서 검출된 결과값 은 0.230초에서 최대 +112.5°이고, 0.24초에서 최소 -51°가 나타났으며, 0가속도지수(ASI)는 x, y, z 방향 합성한 값으로서 50msec구간의 값으로 나타내며 0.189 ~ 0.239 초 구간에서 최대 1.3(G'S)를 나타내었다.
탑승자 충돌속도(THIV)는 x,y 요우 방향의 합성 값으로 나타내며 0.215초에서 35.1km/h를 나타냈고, 충돌 후 탑승자가속도(PHD)는 x, y 방향의 10msec 평균 합성값으로 나타내며 0.227 ~ 0.237초에서 17.1 (G'S)를 나타냈다.
두 번째로 에어백 충격흡수 후부안전판을 장착한 경우는 요우(Yaw)센서에 검출된 결과 0.160초에서 최대 -50°이고 0.450초에서 최소 +19°가 나타났으 며, 가속도지수(ASI)는 0.020 ~ 0.061초에서 최대 0.9(G'S)를 나타내었다.
탑승자 충돌속도(THIV)는 0.127초에서 28.9 km/h를
화물차량용 에어백 후부안전판 안전성능에 대한 실험적 연구
(a) Existing rear safety guard
(b) Air cushion rear safety guard
Fig. 7 YAW data나타내었고, 충돌 후 탑승자가속도(PHD)는 0.127 ~ 0.137초에서 8.4(G'S)를 나타냈다.
상기 데이터를 차량의 충돌 거동으로 표현하면 충돌순간 z축을 기준으로 요우(Yaw) 현상이 기존 후부안전판의 경우에는 0.15 ~ 0.25초 구간에서 급 격히 +방향으로 약 100 ~ 150° 회전하는 동일한 현상 을 보여주었고, 에어백 충격흡수 후부안전판을 장 착한 경우에는 반대로 0.15 ~ 0.25초 구간에서 -방향 으로 약 11 ~ 50° 정도 회전하는 동일한 현상을 보여 주었다.
특히 기존 후부안전판의 경우는 충돌 후 0.10 ~ 0.20초 후에 충돌력을 흡수하는 형태이고, 에어백 충격흡수 후부안전판의 경우는 충돌 후 0.01초 구간 즉, 충돌과 동시에 충돌력을 모두 흡수하는 형태를 보여주었다.
따라서 현재 자동차안전기준에 관한 규칙 제19조
4항에 규정되어 있는 후부안전판 설치 기준 즉 후부
안전판은 다른 자동차가 추돌할 경우 그 자동차의
차체 앞부분이 들어오는 것을 방지하기 위한 목적
이며 충돌 시 상해를 감소시키기 위한 아닌 것에 목
In-song Park․Kyung-won Yun․Kwang-Jong Park․Hyo-jun Kim
(a) Existing rear safety guard
(b) Air cushion rear safety guard Fig. 8 THIV (Theoretical Head Impact Velocity) data
적을 두고 단품시험을 통한 구조 강성 성능으로 인 증하도록 규정되어 있어 실차 충돌시험을 통해 개 발된 에어백 형식에 비해 탑승자 상해를 예방하는 데 다소 취약한 것으로 판단된다. 특히 후면 추돌사 고에서의 탑승자의 상해는 충돌순간 추돌차량의 언 더라이드로 인한 서브마린(Submarine)현상으로 인 해 발생하는데 기존의 후부안전판의 경우 후부안전 판 거치대의 구조물 강성 개선이 요구될 뿐만 아니 라 충격으로 인한 탑승자의 상해를 감소시킬 수 있
는 충격흡수 성능 기준이 미흡하여 이로 인한 인명 피해가 우려되므로 후부안전판의 구조와 평가방법 의 개선이 요구되는 것으로 분석되었다.
특히 중요한 것은 충돌 후 차량의 거동으로서 기
존 후부안전판의 경우는 추돌차량의 운전석이 피추
돌차량 하부로 심하게 밀려들어가는 언더라이드 현
상이 나타나 탑승자가 상해를 크게 입을 수 있는 것
으로 분석되어 졌으나, 에어백 충격흡수 후부안전
판은 충격흡수가 충돌초기에 이루어져 언더라이드
An Experimental Study on the Safety Performance of the Rear Safety Guard with Air Bag for Truck
(a) Existing rear safety guard
(b) Air cushion rear safety guard
Fig. 9 PHD (Post-impact Head Deceleration) data현상이 적게 나타나 기존 후부안전판에 비해 탑승 자 상해를 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
5. 결 론 13)
후부안전판의 성능을 개선하기 위해서 관련 법규 고찰과 기존후부안전판과 에어백 충격흡수 후부안 전판을 피추돌차량에 장착하여 충돌속도 60km/h 후 면충돌 성능평가시험 연구결과는 다음과 같다.
첫째, 기존 후부안전판과 에어백 충격흡수 후부 안전판의 후면충돌 성능평가를 비교시험 한 결과 에어백 충격흡수 후부안전판이 기존 후부안전판 보 다 탑승자충돌속도(THIV)가 약 12%, 탑승자가속도 (PHD)는 49%, 가속도지수(ASI)는 약 69%로 우수한 것으로 나타났다.
둘째, 충돌 순간 추돌차량의 거동 역시 에어백 충
격흡수 후부안전판을 장착할 경우 피추돌차량 하부
로 밀려들어가는 언더라이드 현상이 적게 발생하여
박인송․윤경원․박광종․김효준
(a) Existing rear safety guard
(b) Air cushion rear safety guard Fig. 10 ASI (Acceleration Severity Index) data
추돌차량의 탑승자 상해를 크게 줄여줄 수 있는 것 으로 분석되었다.
따라서 기존의 후부안전판을 장착한 피추돌차량 의 경우 후부안전판이 충돌력을 흡수하지 못해 추 돌차량이 충돌 순간 언더라이드 현상으로 피추돌차 량의 후미 하부로 앞 유리 부위까지 밀려들어가 탑 승자 상해를 예방하기 어려운 구조로 분석되어져 정적 단품충격시험 평가 뿐 아니라 차량장착용 충 격흡수장치(TMA) 관련 충돌시험을 통한 탑승자 상
해 평가 방법 즉 THIV, PHD, ASI 값을 평가하는 기 준이 보완된다면 보다 현실적인 안전성이 확보 될 수 있음을 알았다.
또한 폴리우레탄 소재의 에어백 충격흡수 후부안
전판은 이론공식에서 증명된 것과 같이 에어쿠션의
체적과 소재의 탄성계수 그리고 에어쿠션의 공기압
등의 요소를 효과적으로 제품에 응용 할 경우 본 연
구의 충돌시험에서 나타난 바와 같이 후면 추돌사
고 뿐만 아니라 다양한 사고의 탑승자 및 보행자 상
화물차량용 에어백 후부안전판 안전성능에 대한 실험적 연구
