1. 서 론
2. 충돌안전성 시험방법
2.1. 측면 및 기둥측면충돌 시험방법
2.2. 탑승자 착석방법
3. 충돌안전도평가 결과
3.1. 측면충돌 결과 분석
3.2. 기둥측면충돌 결과 분석
4. 결 론
1. 서 론
국내외에서 시행 중인 현재의 자동차 안전기준(자동차 및 자동차 부품의 성능과 기준에 관한 규칙)과 자동차안전도평가 모두 탑승객의 정상착좌자세를 고려한 충돌시험만 평가하고 있다. 또한, 국내에 판매되는 대부분의 차량 설명서에서도 탑승객의 안전을 위해 정상착좌자세가 아닌 다른 조건에서의 탑승은 권장하지 않는다.
국외는 현재 특정 조건에서 자율주행 시스템이 주행을 담당하는 자율주행 레벨3 단계의 자동차 판매가 시작되며 운전자의 조건부 개입을 허용하고 있다. 향후 기술 발전으로 레벨4 단계 이상의 자동차가 개발 및 보급된다면 탑승자의 착석방법은 지금보다 더 다양해질 가능성이 크다.(1,2,3) 특히 정면충돌과 달리 측면충돌 유형의 경우 내 차로 인한 사고가 아닌 상대차로 인한 충돌 유형으로 자율차와 비자율차의 구분 없이 충분히 발생할 수 있는 사고 유형으로 판단된다.(4)
본 연구에서는 국내 자동차안전도평가 충돌안전성 분야 측면 및 기둥측면충돌 평가방법을 기초로 하여 운전자의 정상착석 자세에서의 평가결과와 젖힘자세에서의 평가결과를 분석하여 현재 판매되고 있는 차량의 충돌구속장치가 운전자의 젖힘자세에서 충돌 시에 적절하게 보호하는지를 분석하고자 한다. 또한 해당 연구결과를 바탕으로 자동차안전도평가 등 자율주행차의 신규 충돌평가기술 개발을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
2. 충돌안전성 시험방법
2.1. 측면 및 기둥측면충돌 시험방법
측면충돌 유형은 비자율차가 자율차를 충돌하는 유형으로 검토하여 국내에 평가하고 있는 자동차안전도평가 충돌안전성 분야 측면충돌 평가방법으로 운전석의 정상자세 및 젖힘자세에서의 평가를 진행하였다.
측면충돌은 Fig. 1에서 보이는 바와 같이 1,400 kg의 대항차가 60 km/h의 속도로 충돌하는 유형으로 평가하였으며, 기둥측면충돌은 Fig. 2와 같이 254 mm의 지주에 32 km/h의 속도로 측면 충돌하는 방법으로 평가를 수행하였다.(5,6,7) 다만, 측면충돌의 젖힘 자세 평가에서는 2열에 어린이 인체모형의 착석이 어려워 2열 탑승자를 제외하고 운전석만 평가를 수행하였다.
2.2. 탑승자 착석방법
본 논문에서의 시험자동차는 국내에 시판되는 대표적인 승용자동차 2종을 선정하였으며 각각의 시험방법에서 동일한 차종을 활용하여 측면충돌과 기둥측면충돌을 평가하였다.
운전석 탑승자의 정상착좌자세 착석방법은 제작사에서 제시하는 몸통각도(21~23° 사이)로 착좌하였으며 젖힘자세의 몸통각도는 50도로 선정하여 Table 1과 같이 시험 매트릭스를 구성하였다.
Table 1.
Matrix for crash tests
| Case | Vehicle | Method | Torso angle (°) |
| 1 | SUV | Side crash | 23 (Normal) |
| 2 | 50 (Recline) | ||
| 3 | Passenger car | Pole side crash | 21 (Normal) |
| 4 | 50 (Recline) |
Fig. 3과 Fig. 4는 측면 및 기둥측면충돌에서 정상 및 젖힘자세에서의 충돌 전 인체모형의 착석 모습이다.
정상착좌자세는 자동차안전도평가의 충돌안전성 분야 평가 시험방법을 그대로 적용하였으나 젖힘자세의 경우 인체모형의 특성과 시트의 등받이 각도 등을 고려하여 기존 평가방법을 준용하는 수준으로 다음의 사항을 고려하여 시험을 진행하였다.(6,7) 첫째, 인체모형의 머리 각도는 젖힘자세로 인해 규정된 각도를 초과하여 평가를 진행하였으며, 목 단의 각도는 젖힘자세 임을 고려하여 머리지지대에 접촉하는 위치로 조정하였다. 둘째, 젖힘자세에 따른 몸통각도로 인체모형을 위치시키기 위해 기존에 사용하는 OSCAR를 활용하여 등받이가 젖혀져 있는 상태에서의 착좌를 진행하지 않고 최초 정상착좌자세에서의 몸통각도를 먼저 확인한 뒤 시트백에 값을 더하는 방식으로 등받이의 젖힘각도를 설정하였다.(4,8)
3. 충돌안전도평가 결과
3.1. 측면충돌 결과 분석
측면충돌 시험방법에서 대항차의 충돌 타격지점은 정상착좌자세 및 젖힘자세 모두 착석기준점 + 250 mm 지점으로 동일하다. 이에 따른 인체상해 측정 결과는 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Injury data for side crash tests
머리 상해 결과는 정상착좌자세와 젖힘자세 평가 시 모두 기준대비 낮은 수준의 상해 결과로 확인된다. 다만 젖힘자세에서의 상해 결과가 정상착좌자세 보다 낮게 확인되지만, 평가 기준에 못 미치는 낮은 상해 결과로 유의미한 차이를 확인하기는 어렵다. 하지만 Fig. 5와 같이 인체상해가 아닌 영상분석 결과로는 커튼 에어백의 전개 범위가 젖힘자세에서의 머리 부위 모두를 커버하기에는 비교적 작게 전개되었다. 충돌 중에 머리가 커튼에어백 하부로 내려가 도어에 직접적인 충돌이 발생할 수 있는 요인도 확인되며, 운전자의 젖힘량이 증가하여 더 눕게 된다면 실제로는 에어백의 구속 범위를 넘어서서 부딪힐 수도 있다. 그러므로 젖힘자세로의 평가가 확장된다면 커튼에어백의 보호범위 증가가 고려되어야 한다.
흉부 상해는 전체적으로 정상착좌자세 대비 젖힘자세에서 높게 측정되며 특히 상부 압축변위량의 경우 상해값이 최대 106% 증가하여 흉부변위량의 상단값 기준(28 mm)을 초과하였다.
이는 정상착좌자세와 젖힘자세에서의 등받이 각도 조건이 다르기 때문이며, 이에 따라 측면에어백의 전개 위치도 기존 도어 부근이 아닌 B필러 위치로 변경되었기 때문이다. 그 결과, 인체모형의 팔 거동은 Fig. 5에서 나타난 것처럼 정상자세와 달리 젖힘자세에서 초기 위치를 유지하며 상승하지 않았다. 이에 따라 Fig. 6의 정상자세와 비교했을 때, Fig. 7의 젖힘자세에서는 흉부 방향으로 가해지는 눌림 양이 증가할 수 있다.
복부 및 골반 상해는 인체모형의 하지가 정상착좌 자세와 젖힘자세 모두에서 유사하게 착좌됨에 따라, 상해값 또한 비슷한 수준으로 나타났다. 따라서 젖힘 자세에 따른 유의미한 차이는 확인하기 어렵다.
3.2. 기둥측면충돌 결과 분석
기둥측면충돌에서의 충돌 타격지점은 측면충돌과 달리 머리의 중심점에서 75° 경사인 위치에서 기둥과 충돌한다. 따라서 정상착좌자세 대비 젖힘자세에서는 머리 중심점이 뒤로 이동하며, 이에 따라 충돌 타격지점이 약 370 mm 후방으로 이동하였다. Fig. 8은 정상착좌자세와 젖힘자세에서의 충돌 타격 지점 차이를 나타낸다. 정상착좌자세에서는 기둥과의 충돌이 운전석 도어 손잡이 부근에서 발생하는 반면, 젖힘자세에서는 B필러 뒤쪽에서 충돌이 발생한다. 이로 인해 기존 충돌 위치보다 더 후방에서 평가가 진행되는 것을 확인할 수 있다.
기둥측면충돌 시험방법에 따른 정상착좌자세 및 젖힘자세에 대한 인체상해 측정 결과는 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Injury data for pole side crash tests
머리 상해의 경우 정상착좌자세 대비 젖힘자세에서 머리 최대합성가속도의 상해값이 31% 증가하였으며, 이는 기준값인 80 g(1 g = 9.81 m/s2)에 근접한 수준으로 확인되었다.
상해 증가의 원인은 충돌 후 커튼 에어백이 정상적으로 전개되었음에도 불구하고, 젖힘 자세로 인해 머리가 Fig. 9에서 보이는 것처럼 에어백의 보호 범위에 정확히 접촉하지 못했기 때문이다. 그 결과, 충돌 이후 머리가 도어 트림에 직접 부딪히면서 ‘Bottoming out’ 현상이 발생하였다. Fig. 10의 합성가속도 그래프를 보면 정상착좌자세는 52 ms 부근 이후 머리의 합성가속도가 감소하지만, 젖힘자세에서는 55 ms 부근에서 머리 합성가속도가 감소했다가, 57 ms 이후 다시 증가하여 58 ms에서 머리 최대 합성가속도에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
흉부 상해는 측면충돌과 마찬가지로 전체적으로 정상착좌자세 대비 젖힘자세에서 더 높게 나타났으며, 특히 상부 압축변위량의 경우 상해값이 최대 51% 증가하여 흉부변위량 상단값 기준(28 mm)을 초과하였다. 흉부 상해 증가의 원인은 젖힘 자세에서의 충돌 지점 변화와 측면에어백의 구속 한계에 있다. 정상착좌 자세에서는 충돌 지점이 도어 트림에 위치하며, Fig. 11에서 확인할 수 있듯이 흉부 변위량이 상대적으로 적게 나타난다. 반면, 젖힘 자세에서는 충돌 지점이 B필러 뒤편으로 변경되면서 현재의 측면에어백이 최적화된 구속을 제공하지 못하고, 인체모형의 팔 거동 역시 측면 충돌과 마찬가지로 위로 올라가지 않는다.
그 결과, Fig. 12에서 보이는 것처럼 흉부 방향으로 가해지는 눌림 양이 증가하여 흉부 변위량이 정상 착좌 자세 대비 크게 나타난다.
복부 및 골반 상해는 젖힘 자세에서 상대적으로 낮은 수준으로 나타났다. 이는 충돌 지점이 도어에서 B필러 방향으로 이동하면서, 상대적으로 충돌 지점에서 거리가 먼 부위의 충격 영향이 감소했기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구를 통해 국내 자동차안전도평가 측면 및 기둥측면 충돌시험에서 운전석 인체모형의 정상착좌자세 및 젖힘자세에서의 상해 특성을 분석하였고 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 젖힘자세에서는 인체모형의 흉부위치가 기존 도어 트림 부근에서 B필러 부근으로 이동하면서 차체와의 이격거리가 달라졌다. 또한, 등받이가 젖혀지면서 인체모형의 팔이 측면에어백의 전개부 중앙에 위치하게 되었고, 충돌 시 팔이 고정되어 흉부 방향으로 눌림이 증가하여 정상착좌자세 대비 상해값이 높게 나타났다.
둘째, 커튼에어백의 보호영역이 현재 젖힘자세를 고려하지 않아, 충돌 시 운전자의 머리가 차체에 직접 충돌할 가능성이 높아 머리 상해가 증가할 수 있음이 확인된다. 따라서, 젖힘자세에서도 머리를 효과적으로 보호 및 구속할 수 있도록 커튼에어백의 보호범위를 확장할 수 있는 설계 개선이 요구된다.
셋째, 기둥측면충돌에서 젖힘자세를 평가한 결과, 운전석 인체모형의 머리 위치가 후방으로 이동하면서 충돌 지점이 기존보다 뒤쪽으로 변경되었다. 이로 인해 상대적으로 충돌 영향이 낮은 복부 및 골반 상해 값이 감소하는 경향을 확인할 수 있다.
