Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 11 pp. 4751-4755, 2011 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.11.4751 체압분포를고려한자동차시트용플라스틱서스펜션에대한기초적연구 박대민 1, 김기선 1, 최두석 1, 김세환 1, 박원식 2, 조재웅 1* 1 공주대학교기계자동차공학부, 2 ( 주 ) 디에스시 A Basic Study on Plastic Suspension System for Automotive Seat under Consideration of Body Pressure Distribution Daemin Park 1, Keysun Kim 1, Dooseuk Choi 1, Seiwhan Kim 1 Wonsik Park 2 and Jaeung Cho 1* 1 Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju University 2 Daechang Seat Co. LTD 요약본연구는자동차용시트 Back frame 내부에설치하여탑승자의등부분을지지하며편안한승차감을제공하는시트용서스펜션시스템에대한연구이다. 운전자의등전체를고르게지지하는구조로설계하고시트백프레임과플라스틱서스펜션의조립을효과적으로할수있는구조로개발하고자한다. 서스펜션단품은운전자의체압분포를고려하여설계하고시뮬레이션해석에있어서는실제모델과같은크기를가지고하였다. 플라스틱서스펜션의해석결과가실제측정값에근접함을확인하였으며기존 Wire Type에비해양호한체압분포를얻을수있었다. Abstract This study investigates the plastic suspension assembly which is installed on inside of vehicle seat and support passenger's back to supply the comfortable ride performance. It aims to develop the structural design in order to support driver's back uniformly and assemble seat back frame with plastic suspension effectively. The part of suspension is designed by considering the body pressure distribution of driver and it has the same size as the practical model on simulation analysis. It is confirmed that the analysis result of plastic suspension approaches the practical measured values and the better body pressure distribution can be obtained as compared with the existing wire type. Key Words : Car suspension, Plastic suspension, Suspension for seat back, Body pressure, Element analysis 1. 서론 자동차시트는장시간의승차시간동안여러범위의신체크기를가진운전자나승차자를수용해야하고, 진동이나어떤충격으로부터승차자를보호해야한다. 또한자동차시트는단순히인체를지지하는것에그치지않고안정성, 안락성, 편리성등이복합적으로고려해야하는인간공학과감성공학의복합적관계에있다 [1]. 따라서이러한상황을만족시키기위해자동차시트의설계에있어등판각도조절장치, 요추지지대및다축조정기 등의발전이있었다. 그러나이추가장치들은추가적인비용의증가를불러왔고, 제한된경우에만사용하게되어많은운전자들이자동차시트에대한불편을토로하고있는상황이다. 시트쿠션은충격과진동을잘흡수하여야하고체중을이상적으로배분하여야한다 [2]. 체중의 75% 정도는둔부에의해지지되며, 특히좌골결절상부분에체중의 35% 정도가집중된다. 이로인한혈액순환장애로통증이나마비증세를유발할수도있다. 탑승자의승차감향상을목적으로하는시트시스템에관련된기존연구는크게승차감과시트물성치에관한연구그 본연구는지식경제부지정공주대학교자동차의장및편의부품지역혁신센터의지원에의한것입니다. * 교신저자 : 조재웅 (jucho@kongju.ac.kr) 접수일 11 년 10 월 12 일수정일 (1 차 11 년 11 월 02 일, 2 차 11 년 11 월 05 일 ) 게재확정일 11 년 11 월 10 일 4751
한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 리고시트각종편의장치에관한연구가이루어지고있다 [3]. 본연구에서는새로개발된플라스틱서스펜션 [4-6] 을유한요소로모델링하고구조해석을통하여하중에의한변형을해석하였고, 실험을통하여측정한값과유한요소해석을한결과가유사한지를확인하였다. 모델링은 CATIA V5를이용하였고, 해석에는 ANSYS 12.0을사용하였다. [ 표 1] 재료물성치 [Table 1] Material property POM SW-C Density(kg/mm3) 1.35 10-6 7.85 10-6 Poisson's Ratio 0.39 0.31 Young's Modulus(MPa) 2000 78400 Tensile Yield Strength(MPa) 43 250 Tensile Ultimate Strength(MPa) 51 460 2. 연구모델및경계조건 2.1 해석모델 플라스틱서스펜션의럼버플레이트와탄성와이어를실제크기로그림 1과같이모델링을하였다. 모델링은 CATIA V5로모델링을하였다. 사용된요소의종류는사면체요소 (Tetrahedral Element) 이며, 해석모델의절점및요소들의개수는각각 160948 및 83906개이고, 요소의모습은그림 2와같이나와있다 [7,8]. 또한럼버플레이트및탄성와이어의재질은각각 POM(Polyoxymethylene) 과경강선 (SW-C) 으로서제작업체의데이터를참고하였으며각각의물성치는표 1에나타나있다 [4]. 2.2 경계조건구속조건은서스펜션이시트백프레임에고정되어있으므로그림 3과같이탄성와이어끝부분에구속을주었다. [ 그림 3] 모델의구속조건 [Fig. 3] Constraint condition of model 하중은체압분포를고려하여그림 4와같이주었고, 하중의크기는실험에서와같이 10Kg을주었다. 식 (1) 에의해서 [ 그림 1] 해석모델 [Fig. 1] Analysis model 10 9.8= 98N (1) [ 그림 2] 메시모델 [Fig. 2] Mesh Model [ 그림 4] 모델의하중조건 [Fig. 4] Force condition of model 98N의하중을주었고, 접촉조건은해석시슬라이딩이발생할수있으므로분리없슴 (No separation) 으로정 4752
체압분포를고려한자동차시트용플라스틱서스펜션에대한기초적연구 의하였다. 3. 구조해석및측정실험 3.1 구조해석모델의서스펜션이시트백프레임에고정되어있다고가정하여구조해석을하였다 [4-6]. 서스펜션에작용하는체압은 98N을가하였고, 7가지지점을지정하여변형량을분석하였다. 해석지점은그림 5에있는붉은점이있는 7지점들의변형량값을분석하였다. [ 그림 7] 서스펜션에서의변형량측정실험 [Fig. 7] Experiment of displacement measurement at suspension 실험조건은 10 kg으로의정적하중조건으로서서스펜션에하중을주고발생하는변형량을측정한후, 해석지점과같은 7지점에대한변형량을측정하였고측정실험및해석데이터를그림 8과같이비교하였다. 실험시에는자동차의시트부분과체압분포를고려하여해석을하였기때문에힘의분포에있어오차가나타났으나, 서스펜션에앞부분에위치한패드를고려하면, 더욱정확한해석을할수있다. 그러나실제실험과의결과의형상으로보면그변형량의모습은거의유사하였다. [ 그림 5] 해석점 [Fig. 5] Analysis point 구조해석결과그림 6과같이 4지점에서가장높은변형값인 4.1871mm의변형값이발생하였다. 또한 1지점과 7지점이낮은변형량값을나타내었다. [ 그림 8] 서스펜션에서의실험과해석에대한변형량들에대한비교 [Fig. 8] Comparison between two results of experiment and analysis on displacement at suspension [ 그림 6] 각각의하중점에서의변형 [Fig. 6] Deformation on each loading point 3.2 측정실험 실제하중작용에따른변형량을측정하기위한플라스틱서스펜션을장착하고 ( 주 )DSC에서개발한장비로서그림 7과같이같은하중을실험장치로실험을하였다. 3.3 체압분포실험그림 9는체압분포측정시스템으로서체압분포를실험한결과의그림으로서왼쪽과오른쪽그림들은각각기존 Wire Type과 Plastic Suspension Type이다. 이러한정적 / 동적압력분포를측정하여압력편중으로인한승차자의불편감을예측할수있어평가할수있다. 횡방향센터부지지부들을각각원으로표시하였다. 이지지부인원의안쪽들을보면왼쪽에있는기존 Wire Type에서는압력분포가불규칙적으로발생하여불편한면이있어 4753
한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 미흡하게나타났지만오른쪽에있는 Plastic Suspension Type에서는압력분포가고르게더분포되어가는양상을보여그지지부가양호하게나타났다. 또한측정실험과구조해석결과가거의유사하므로체압의크기를다르게한결과도그예측이가능하다고사료된다. [ 그림 9] 기존 Wire Type과 Plastic Suspension Type에서의체압분포에대한실험그림들 [Fig. 9] Experimental figures on body pressure distribution at existing wire and plastic suspension types 4. 결론 본논문에서는체압분포를고려한플라스틱서스펜션을유한요소로모델링하고구조해석을수행하였다. 또한, 실제측정실험과해석결과의비교를통하여다음과같은결론을도출하였다. 1. 플라스틱서스펜션의해석결과는실제실험과의결과의형상으로보면그변형량의모습은거의유사하다. 2. 체압분포실험결과 Plastic Suspension Type의경우, 기존 Wire Type에비해횡방향센터부지지가훨씬더양호한것을확인하였다. 3. 체압분포를고려한자동차시트용플라스틱서스펜션에대한변형량측정실험과구조해석결과가거의유사하므로체압의크기를다르게한결과도그예측이가능하다. Considering Seat Vibration", 2002 Spring Conference Proceeding of KSAE, Vol. 2, pp. 933-938, 2002. [3] Hwang, S. W., Lee, K. N., Park, S. D., and Pyun, J. K., "Driving Adaptive Control System Development for Air-Bladder Seat", 2007 Spring Conference Proceeding of KSAE, pp. 2237-2244, 2007. [4] Cho, J. U., Bang, S. O., and Cho, C. K., A Study on the Development of Suspension System for Automotive Seat, 2010 Spring Conference Proceeding of KSAE, pp. 2660-2662, 2010. [5] Lee, H. C., Park, H. M., Na, H. H., Kim, J. J., and Cho, H. I., "A Study on the Comfort Evaluation Method for Automotive Seat", 2007 Spring Conference Proceeding of KSAE pp. 1412-1416, 2007. [6] Park, W. T., and Choi, J. J., Study on the Analysis of Orthotropic Thin Plates and Orthotropic Thick Plates, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 4, No. 2, pp. 76-80, 2003. [7] Lee, S. W., Shim, U. T., Lee, K. S., Woo, D. U., and Kim, J. H., Gravitational deflection analysis for the shielded slot plate with many tiny structures, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 7, No. 3, pp. 291-297, 2006. [8] Cho, J. U., Min, B. S., Kim, K. S., Choi, D. S., and Cho, C. K., Analysis on Displacement of Lumber Support Affecting Comfortableness of Passenger, Proceedings of the KAIS Fall Conference(Ⅱ), Vol. 11, No. 2. pp. 618-621, 2010. 박대민 (Dae-Min Park) [ 준회원 ] 2005 년 2 월 : 원미고등학교졸업 2005 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부학부생 References [1] Park, S. N., "Development Trend of Car Seat Technology", Transactions of KSAE, Vol. 31, No. 4, pp. 26-33, 2009. [2] Kim, J. H., Park, D. U., Lee, J. H., Kim, M. G., and Yoo, W. S., "Evaluation of Ride Comfort 기계및자동차부품설계및내구성평가, 구조해석및충돌시동적해석 4754
체압분포를고려한자동차시트용플라스틱서스펜션에대한기초적연구 김기선 (Key-Sun Kim) [ 종신회원 ] 1980년 2월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1983년 2월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1994년 2월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1989년 7월 : 기계제작기술사 1994년 3월 ~ 현재 : 공주대학교기계 자동차공학부교수 자동차내장및시트부품, 자동차내외장부품제조공정 박원식 (Won-Sik Park) [ 정회원 ] 1984 년 2 월 : 아주대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1984 년 3 월 ~ 1997 년 9 월 : 쌍용자동차기술연구소근무 1997~ 2004 년 8 월 : Lear Korea 기술연구소근무 2011 년 8 월 ~ 현재 : 디에스시기술연구소연구소장 기계및자동차부품설계, 자동차용럼버서포트 최두석 (Doo-Seuk Choi) [ 정회원 ] 1981년 2월 : 충남대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1984년 2월 : 충남대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1996년 8월 : 충남대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 2010년 1월 ~ 현재 : 한국자동차공학회대전 충청지부지부장 2010년 2월 ~ 현재 : 공주대학교그린카기술연구소소장 2006년 6월 ~ 2008년 6월 : 공주대학교산학협력단장 1994년 3월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 조재웅 (Jae-Ung Cho) [ 종신회원 ] 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1982 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1986 년 8 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1988 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계 자동차공학부교수 기계및자동차부품설계및내구성평가, 피로또는충돌시동적해석 자동차배기계및대체연료, 미래형자동차 김세환 (Sei-Hwan Kim) [ 종신회원 ] 1971 년 2 월 : 수도공과대학기계공학과 ( 공학사 ) 1986 년 2 월 : 국민대학교대학원기계설계학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 국민대학교대학원기계설계학과 ( 공학박사 ) 1979 년 2 월 : ( 주 ) 삼아공장장 1982 년 3 월 : 천안공업대학금형설계과교수 2010 년 2 월 : 공주대학교기계자동차공학부교수 프레스금형, 단조가공, 금형열처리 4755