Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 6, pp.31-37 (2010) Copyright C 2010 KSAE 1225-6382/2010/108-05 FWDB 정면충돌시험에대한연구 김요셉 범현균 * GM 대우오토앤테크놀로지차량충돌시험팀 Study on FWDB Frontal Vehicle Crash Test Joseph Kim Hyenkyun Beom * Vehicle Crash Test Team, GM Daewoo Auto&Technology Co., 199-1 Cheongcheon-dong, Bupyeong-gu, Incheon 403-714, Korea (Received 15 September 2009 / Accepted 17 May 2010) Abstract : In proportion to increasing interest in vehicle safety, many country have regulated vehicle safety and performed NCAP(New Car Assessment Program). However vehicles which had good results in these compliance and NCAP frontal crash test have caused problems such as the fork effect and over-riding in real car-to-car accidents. To complement these issues, new frontal crash test modes using new barrier like FWDB and PDB have been developed by EEVC WG15. In this paper, FWDB frontal crash test was performed and the result was compared with the full frontal crash test using the rigid wall in order to comprehend the characteristic of FWDB. The results of FWDB test were compared with one of USNCAP and KNCAP. Using USNCAP data, vehicle performance like deformation and wall force were studied. A comparative study of dummy injuries was made by using KNCAP result. The results showed that vehicle performance of FWDB test like displacement and effective acceleration was similar in spite of absorbing energy of FWDB due to the greater vehicle deformation of rigid wall test. In FWDB test, driver dummy head bottomed out but most of injuries were superior to the injury of rigid wall test. Key words : Frontal vehicle crash test( 정면충돌시험 ), FWDB( 전체변형벽 ), LCW( 로드셀벽 ) ), Injury index( 상해치 ), USNCAP( 미국신차안전도평가프로그램 ), KNCAP( 한국신차안전도평가프로그램 ), Self protection( 충돌자안전 ), Partner protection( 상대차량탑승자안전 ), Aggressivity( 충돌공격성 ), Compatibility( 충돌상호적합성 ) Nomenclature 1) m : mass of vehicle, kg F : force, N v : velocity of vehicle, m/s Subscripts 0 : initial time b : barrier v : vehicle * Corresponding author, E-mail: hyenkyun.beom@gmdat.com 1. 서론해마다증가하는교통사고로많은인적, 물적손실이발생하여, 소비자들의안전한차에대한관심이커져가고있다. 이러한소비자들의요구를충족시키기위해, 각나라에서는법규로자동차충돌안전에대한최소한의규제를하고있으며, 소비자들이안전한차를구매할수있도록신차안전도평가프로그램 (NCAP, New Car Assessment Program) 제도를활용하고있다. 1) 하지만안전법규시험이나 NCAP시험의시험장에서정형화된시험결과는실제도로상의정면충 31
김요셉 범현균 돌현상을반영하지못하는경우가많다. 즉, 현재의충돌시험조건들은충돌자안전 (self protection) 에초점이맞춰져있으며, 충돌자안전을향상시키기위하여차량의전면부보강을유도하여, 상대차량의탑승자안전 (partner protection) 을위협함으로써, 차량충돌공격성 (aggressivity) 이문제점으로야기되었다. 이를보완하기위해 EEVC WG15에서는 FWDB (Full Width Deformable Barrier) 와 PDB(Progressive Deformable Barrier) 시험을개발하고있다. 2,3,8) 본연구에서는현재생산되는차량으로정면충돌상호적합성 (compatibility) 개발시험의하나인 FWDB 정면충돌시험을수행하였고, 그결과를현재완전정면충돌시험방법인 KNCAP과 USNCAP시험과비교를하였다. FWDB시험은차량의 40% 를변형벽에충돌시키는유럽법규나 EuroNCAP 정면충돌시험과달리차량의전체가변형벽에충돌을하기때문에차량의전체폭이충돌하는고정벽정면충돌시험을선택하여비교를수행하였다. 비교분석을통하여현재양산되는차량의 FWDB에대한충돌특성을파악하고, 고정벽정면충돌시험과의차이비교에의한 FWDB의영향도평가로향후차량개발에도움을주고자한다. 2. FWDB 정면충돌시험 FWDB 정면충돌시험에서는 Fig. 1에서와같이 56 km/h의속도로차량을견인하여변형벽에차량의전체면을충돌시킨다. 4) Fig. 1 FWDB frontal vehicle crash test configuration 2.1 FWDB와 LCW FWDB의크기및특성은 Fig. 2에나타내었다. Fig. 2(a) 에나타났듯이 FWDB는 2000 mm 1000 mm 300 mm(w H D) 의크기를가지며, 0.34 MPa 의 crush strength를가지는앞쪽요소와, 1.71 MPa의 (a) FWDB (b) LCW Fig. 2 FWDB & load cell wall(lcw) configuration crush strength를가지는뒤쪽면으로되었다. FWDB뒤로 LCW(Load Cell Wall) 을설치하는데, Fig. 2의 (b) 와같이로드셀을가로로 16개세로로 8 개, 총 128개의로드셀벽을구성한다. 하나의로드셀은 125 mm 125 mm의크기를가진다. 측정된힘의분포로부터상대차보호를평가하게된다. 하지만아직정확한평가기준이결정되지는않은상태이다. 2.2 시험방법및평가항목 FWDB 정면충돌시험에서사용되는인체모형은 50th %-ile Hybird III이며, 운전석과조수석에착석시킨다. 이때 ECE R.94의 annex 5에명시된대로더미를착석시킨다. 이인체모형에장착된센서로부터상해치를얻어내고, R. 94와같은방법으로승객보호에대한평가를한다. 5) 로드셀데이터로상대차보호에대한평가를하여야하나, 본연구에서는 FWDB 정면충돌용 LCW 를구비하지못한관계로 USNCAP 정면충돌시험용 LCW에 FWDB를부착하여충격하중을측정하였다. 따라서상대차보호에대한평가는수행할수없었다. USNCAP 정면충돌시험의 LCW에 FWDB를부착하여시험한모습을 Photo. 1에나타내었다. 32 한국자동차공학회논문집제 18 권제 6 호, 2010
FWDB 정면충돌시험에대한연구 Photo. 1 LCW for USNCAP and FWDB 3. 충돌시험결과비교분석 FWDB 정면충돌시험에서차량의성능및고정벽정면충돌과의결과차이를알아보기위해 USNCAP 과 KNCAP시험결과를각각비교하였다. 비교되는차량을 Table 1에나타내었다. Test1은 FWDB정면충돌시험이고, test2는 USNCAP 정면충돌모드의시험이다. 마지막으로 test3은 KNCAP정면충돌시험이다. USNCAP시험은본 FWDB정면충돌시험에쓰인 LCW를사용하였기때문에 FWDB의차량에대한영향을로드셀데이터를통하여비교해보기위해선정을하였으며, KNCAP은 test1과같은 restraint system을사용한시험으로, 더미거동이나상해치를비교분석하기위해선정하였다. Test1과 test2는차량의연식은다르지만, 차량플랫폼이같고엔진의크기는동일하였다. Test3은 test1과동일모델의차량이나, 엔진배기량은다르나외관은거의동일하다. 이러한차이점은, 동일플래폼차량의 FWDB 충돌특성을파악하는데있어영향은적을것이라고판단을하였다. (a) (b) Table 1 Test vehicle condition Test1 Test2 Test3 Barrier FWDB+LCW LCW Plywood wall Protocol FWDB USNCAP KNCAP Curb weight 1100 kg 1171 kg 1096 kg Test weight 1300 kg 1431 kg 1282 kg Speed 55.9 km/h 56.9 km/h 56.5 km/h Init. Energy 156,723 Nm 178,743 Nm 157,888 Nm Belt LL CLL DLL CLL Airbag Conventional Advanced Conventional 3.1 차량변형분석 차량에의한에너지흡수를보기위하여차량변 (c) Fig. 3 Vehicle B-pillar pulse 형과 LCW 데이터를분석하였다. 먼저 Fig. 3(a) 와 (b) 에서보면 test1에서 FWDB의영향에의해초기감속이작게일어났다. Photo. 2에보여지는것처럼 test1의시험에서는차량의 longitudinal member가 FWDB를완전히관통하였음에도불구하고고정벽시험과차량변위를비교하였을때 Fig. 3(c) 에보여지듯이 test1의변위기준으로 4.4% 정도만의차이를보였다. 차량의변형을보기위하여차량하부영 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 6, 2010 33
Joseph Kim Hyenkyun Beom Table 2 Vehicle performance Unit Test1 Test2 Test3 Initial velocity km/h 100% 102% 101% Rebound velocity km/h 100% 121% 94% Rebound time ms 100% 98% 93% Velocity change km/h 100% 104% 100% Dynamic cursh mm 100% 96% 93% Zero cross time ms 100% 93% 92% Effective crush mm 100% 104% 94% Effective Acc. g 100% 104% 107% Fig. 4 Deformation between body and transmission 차량의 longitudinal member의변형이적게일어났다. FWDB정면충돌시험에서이러한변형특성은실제차대차사고의변형모드와유사하다는것이알려진바있다. 6) Table 2에서볼수있듯이차량의변위가 test1과유사하기때문에 test2와 test3의차량에대한성능이비슷하게계산이되었다. 3.2 LCW 데이터분석 FWDB 정면충돌시험에서는로드셀의하중데이터분포로상대차보호에대한평가를하지만본시험에서는 FWDB 정면충돌시험에사용되는 LCW를사용하지않았기때문에그항목에대한평가는할수없었다. 따라서고정벽정면충돌의 LCW 하중데이터와비교하여 FWDB가차량에미치는영향을분석하였다. Fig. 5와같은로드셀데이터에서식 (1) 과같은운동량방정식을이용하여실제 pushing mass를구하여 Fig. 6에나타내었다. 7) 식의특성상속도가 0이될때특이점이나타난다. Pushing mass의변화를살펴보면 test2의경우초기 1431 kg에서 1028 kg으로변화하여 403 kg 감소하였다. Test1의경우는 412 kg 감소하였고, FWDB가있음에도불구하고 test2와차이가적었다. 이로써 test2에서차량의변형이많이되었음을확인할수있었다. Fig. 7에에너지와변위의그래프를나타내었다. Fig. 6 의 Pushing mass에서특이점부분을선형보간을이 (1) (a) Test1 (b) Test2 Photo. 2 Deformation of FWDB & longitudinal members 상을모션분석한 Fig. 4에서나타낸것처럼엔진 / 미션부분부터차체까지의변형이고정벽시험에서크게나타났다. 또한 Photo. 2에서보듯이 test1에서는 Fig. 5 Comparison of load cell data 34 한국자동차공학회논문집제 18 권제 6 호, 2010
Study on FWDB Frontal Vehicle Crash Test Fig. 6 Pushing mass variation Fig. 8 Resultant acceleration of driver head Fig. 7 Energy plot from loadcell data & acceleration data Fig. 9 Movement of driver head 용하여다시그래프를만들고로드셀데이터의힘- 변위곡선, pushing mass에의한힘-변위곡선에서에너지를계산하여비교하였다. Test2의그래프와는달리 test1에서는로드셀데이터로얻은그래프가초기부터 0.35 m구간에서더작게나타난다. 그구간에서 FWDB의변형에의하여에너지가흡수되고있음을알수있고, 그값은약 40 kj정도이다. 3.3 인체모형상해치비교 FWDB 정면충돌시험과고정벽정면충돌시험에서의인체모형의상해치를비교하였다. 이비교를통하여 FWDB 시험에서의상해치결과가어느수준인지보고자하였다. Test1의시험에서운전석인체모형이차량의뒤쪽으로약간더가서앉아있게되어, 인체모형코에서조향핸들까지의거리나흉부에서조향핸들의거리가 Test3과비교해각각 33 mm, 24 mm 씩확보되었다. 인체모형의머리부분의거동을 Fig. 9에나타내 Fig. 10 Driver dummy chest AD curve 었다. 차량에대한머리의움직임이 Test1에서크게나타났고이로인하여머리부분의 bottom-out현상이생기게되었다. 이는에어백이나벨트의작동시간이늦어진결과로판단된다. 흉부의거동을보기위하여흉부가속도데이터를적분하여 Fig. 10에나타내었다. 흉부부위의거리가확보된것을그래프에서도알수있으며이것으로인하여흉부가속도의값이다른시험에비해작게나온것으로판단된다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 6, 2010 35
김요셉 범현균 Table 3 Dummy injury value Test1 Test2 Test3 Driver HIC36 100% 100% 121% Head 3ms 100% 114% 117% Chest G 100% 123% 121% Chest comp. 100% 118% 113% LH femur 100% 267% 126% RH Femur 100% 154% 93% Passenger HIC36 100% 91% 79% Head 3ms 100% 98% 110% Chest G 100% 98% 105% Chest comp. 100% 112% 129% LH femur 100% 181% 127% RH Femur 100% 129% 81% 인체모형의주요상해치를 Table 3에표시하였다. 상해치의경우 R.94의기준에모든시험에서만족 을하였고, 특히 test1의경우다른시험에비하여운 전석에서상해치가적게나왔다. 차량의성능지표 가고정벽시험과비슷했지만, FWDB 시험에서는 차량의변형이적었기때문에전반적인상해치가 좋은것으로보인다. 4. 결론본연구에서는새로이수행될 FWDB 정면충돌시험에대하여기존의고정벽충돌시험과비교분석을하였다. 동일한플랫폼을가지는차량의시험중, LCW의데이터가있는 USNCAP시험으로차량의변형및에너지등을비교하였고, 동일한구속장치를가지고있는 KNCAP시험을통하여더미의거동및상해치를비교하였다. FWDB시험을수행한 test1에서, FWDB가차량의 longitudinal member에의한 bottom out이일어났으나, 차량의변형은고정벽시험인 test2에비해적게일어났다. 이로인한차량의변위의차이가적게나타났다. 또한차량의변위화함께차량의성능을나타내는 Effective Acceleration도차이가적었다. 이것은 LCW의데이터와차량의 B-pillar 가속도센서의데이터로부터얻어진 pushing mass를비교하여보았을때, 그감소량이초기대비 test1은 412 kg(31.7%), test2는 403 kg(28.2%) 로, FWDB가있음에도불구하고두시험의질량변화차이가적어 test2에서차량의변형이컸음을확인할수있었다. FWDB 시험과고정벽시험의에너지를비교하여보았을때 FWDB시험에서, 차량의변위가 0.4 m가될때까지로드셀에의한에너지가적게나오는것을확인하였고, 그에상응하는에너지를 FWDB에서흡수한것으로보인다. 인체모형의상해치를비교하였을때, 운전석의에어백의작동시간이늦어짐에따라인체모형의차량방향의거동이커졌다. 이에따라머리의 bottoming-out 현상이생겼지만전반적인상해치의값은좋아졌고, 특히흉부압박량에서 FWDB정면충돌시험이가장적었다. 이는차량의변형과관계가있는것으로판단된다. 후 기 본논문은 2008 년 11 월정기학술대회발표내용 (pp.1579-1584) 을수정하여게재함. References 1) J. W. Bae and J. H. Yim, CAE Modeling for Correlating the High Speed front Crash Test, Fall Conference Proceedings, Vol.3, KSAE, pp.1372-1377, 2007. 2) M. Edwards, A Study to Improve the Crash Compatibility between Cars in Frontal Impact, TRL, 2002. 3) P. Delannoy, J. Faure, D. Coulombier, R. Zeitouni and T. Martin, New Barrier Test and Assessment Protocol to Control Compatibility, SAE, Vol.1, No.1171, 2004. 4) Full Width Deformable Barrier Test and Assessment Protocol, V3.0, TRL, 2007. 5) Frontal Collision Protection, E.C.E, R94, 2008. 6) S. Takizawa, E. Higuchi, T. Iwabe, T. Sugimoto, T. Kisai and T. Suzuki, Experimental Evaluation of Test Procedures for Frontal Collision Compatibility, SAE, Vol.1, No.1162, 2004. 7) E. Fossat, Mathematical Models to Evaluate Structural Forces in Frontal Crash Tests, 14th 36 한국자동차공학회논문집제 18 권제 6 호, 2010
FWDB 정면충돌시험에대한연구 International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicle, SAE 94-S8S8-O-04, pp.1320-1333,1994. 8) E. J. Jang, J. Kim, H. K. Beom and S. E. Kwon, Compatibility for Proposed R.94 PDB Test, Transactions of KSAE, Vol.18, No.3, pp.149-155, 2010. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 18, No. 6, 2010 37