1. 서 론

현재 세계 여러 국가 혹은 유럽 연합은 변형 가능한 대차, MDB(moving deformable barrier)를 이용한 측면 충돌 시험 방법을 법규 및 상품성 시험의 용도로 사용하고 있다.^(1,2)

대차의 형상 뿐 아니라 중량, 타격 속도, 타격 각도도 다양하지만, 대부분의 시험 방법이 US NCAP과 유사하던지 US NCAP 대비 충분히 완화된 시험 방법을 적용하고 있어 US NCAP 시험에 대한 성능이 확인되면 다른 나라의 NCAP 시험에 대한 성능도 대략 가늠할 수 있다.^(3,4)

IIHS 측면 충돌은 1,500 kg의 대차를 50 kph로 충돌시키는 시험으로 US NCAP(1,368 kg, 55 kph)과 큰 차이가 없었으나, Fig. 1과 같이 2023년부터 개정된 IIHS 측면 충돌은 1,900 kg의 대차를 60 kph로 충돌시키도록 개정되어 다른 측면 충돌 대비 가혹한 조건으로 변경되었다.

Fig. 1

Side impact protocols with MDB

본 연구에서는 공개된 해석 모델인 2014년 어코드 세단 차량을 이용하여 US NCAP과 개정 IIHS 측면 충돌 성능 평가의 차이를 비교 검토하고, 각 시험 방법에 내재한 오차 인자가 시험 결과에 얼마나 어떤 영향을 미치는지를 해석적으로 검토하고자 한다.

2. US NCAP과 IIHS 측면 충돌 해석

2.1. 유한요소법 기반 측면 충돌 해석 모델 구성

본 연구에서는 미국 도로교통안전국, NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)에서 충돌업무를 위하여 개발하여 일반에 공개한 2014년형 혼다 어코드 해석 모델을 측면충돌해석용으로 수정하여 사용하였다.⁽⁵⁾ 차량 해석 모델의 총 요소 수는 약 2백 20만 개이며 LS-Dyna MPP 솔버를 이용하여 해석을 수행하였다. US NCAP 대차와 IIHS 대차 모델은 LSTC사에서 제공하는 해석 모델을 사용하였다. US NCAP의 경우 Fig. 2a와 같이 Accord 측면에 대차를 위치시키고 27도의 경사각을 가지고 62 kph의 초기 속도로 충돌 해석을 수행하였다. US NCAP의 경우 집중 질량으로 처리된 더미(dummy)를 포함한 총중량은 1,699 kg이며, IIHS의 경우 Fig. 2b과 같이 측면에 90도로 충돌 해석을 수행하는데, 초기 속도는 60 kph이며 집중 질량으로 처리된 더미를 포함한 총중량은 1,671 kg이다.

Fig. 2

2.2. 충돌 시험간 대차 조건 비교

IIHS 대차의 중량은 1,900 kg으로 Fig. 3과 같이 US NCAP 대차의 중량인 1,368 kg 대비 약 40% 정도 높다. 또한, 충돌 속도는 60 kph로 US NCAP의 55 kph 대비 9% 정도 높아 결과적으로 50% 높은 운동량을 가진다.^(6,7)

Fig. 3

Comparison of IIHS and US NCAP side impact MDB

두 대차의 허니콤의 높이와 폭은 유사한 편이나 IIHS의 허니콤이 진행 방향으로 20% 이상 길고(IIHS는 600 mm, US NCAP는 490 mm), MDB 범퍼의 상하 방향 폭도 30% 이상 좁다(IIHS는 150 mm, US NCAP는 200 mm임). 이러한 형상적인 특징으로 US NCAP의 허니콤이 IIHS 대비 다소 높은 강성을 보여 충돌 시 상대적으로 높은 반력을 보일 수도 있음을 예상할 수 있다.

Fig. 4에서 보이는 바와 같이 IIHS와 US NCAP 조건으로 시험 차량에 위치시켰을 때, 사이드실 상단과 대차 범퍼간의 높이 차이는 서로 다른데 IIHS의 경우가 SUV의 조건을 반영시키기 위해 다소 높은 편이다. 어코드 사이드실 상단과 대차 범퍼 하단과의 거리 차이는 IIHS가 100 mm, US NCAP이 30 mm로 IIHS 대차의 범퍼부가 더 높게 위치한다.

Fig. 4

Bumper height of IIHS and US NCAP

2.3. 측면 충돌 시 차량의 거동 비교

IIHS 대차의 범퍼 높이가 Fig. 4에서 보이듯 사이드실보다 높게 위치하여 Fig. 5와 같이 사이드실의 회전 등 차체의 큰 변형을 발생하지만, US NCAP에서는 사이드실 상단에 대차의 범퍼가 걸려 비교적 제한된 변형만 유발한다. Fig. 6과 같이 충돌 후 충분한 시간이 지난 뒤 차량 및 대차 상태는 충돌 후반에서 IIHS 시험 시 차량의 요(yaw)는 크게 발생하지 않으나 US NCAP에서는 적지 않은 양의 회전이 발생했음을 확인할 수 있다. 이는 모든 차량에 대해 동일하게 발생하는 것은 아니나, 2014년형 어코드와 같은 크기의 세단의 경우 IIHS 대차가 차량의 무게 중심에 가까운 곳에 충돌하나 US NCAP의 경우 무게 중심보다 충분히 뒤쪽을 가격하기 때문에 차량의 회전이 비교적 크게 발생하고 있다. 160 msec 시점을 기준으로 차량의 밀림량은 IIHS가 1,200 mm, US NCAP은 1,030 mm로 IIHS가 17% 정도 더 밀린다.

Fig. 5

Side sill rotation – IIHS vs. US NCAP

Fig. 6

Test vehicle and MDB behavior

Fig. 7과 같이 차량에 가해지는 충격량을 알 수 있는 측 방향 ΔV의^(8,9) 경우 US NCAP이 6.8 m/sec인 반면 IIHS는 9.4 m/sec로 38% 정도 높게 발생하므로 승객 상해도 IIHS에서 상대적으로 높게 발생할 수 있음을 예상할 수 있다. 반면 대차와 차량 간 충돌 하중은 IIHS가 140 kN인 반면, US NCAP이 246 kN으로 IIHS보다 높게 발생한다. 앞에서 설명한 바와 같이 US NCAP 대차의 허니콤이 변형 가능한 깊이가 20% 이상 적고 범퍼도 수직 방향으로 넓어 보다 높은 강성을 보일 것으로 판단되며 차량 타격 위치도, IIHS 대비, 고강성 부재인 사이드실에 가까워 충돌 하중이 높게 발생하게 되는 것으로 보인다.

Fig. 7

ΔV and barrier force comparison

2.4. 측면 충돌 시 B 필러 변형 양상 비교

IIHS 측면 충돌에서는 생존 공간 확보의 개념으로 충돌 시험 후 B 필러와 시트 쿠션 중심 간의 최단 거리를 측정하여 점수에 반영한다. US NCAP에서는 측정하지 않지만 두 시험 간 상호 비교 차원에서 IIHS의 측정 방법에 따라 B 필러와 시트 쿠션 중심과의 거리를 측정하고 서로 비교하였다. Fig. 8에 나온 바와 같이 IIHS에서는 99 mm였던 생존 공간이 US NCAP에서는 195 mm로 2배 이상 확보된다.

Fig. 8

B-Pillar to seat cushion center distance (survival space)

측면 충돌 시 상해는 차량의 가속도뿐 아니라 사이드 도어나 B 필러의 침입이 승객 상해에 직접적인 영향을 끼치므로 개정된 IIHS 시험 조건이 US NCAP 대비 얼마나 가혹한 조건인지 가늠할 수 있다.

2.5. 측면 충돌 시 대차의 종방향(X방향) 속도 비교

US NCAP 측면 충돌은 충돌 대상 차량과 27도로 경사 충돌하게 되는데 속도를 각 방향으로 나누면, 측방향으로 55 kph, 충돌 대상 차량의 진행 방향으로 28 kph가 된다. 이처럼 경사 충돌을 하는 이유는 측면 충돌 시 대상 차량이 정지해 있는 것이 아니라 이동 중일 때로 상정하는 것이 더 현실적이기에 이를 반영하기 위함으로 보인다. 차량 진행 방향 속도가 측면 충돌에 어떠한 영향을 미치는지 평가하기 위하여 진행 방향 속도를 고려하지 않고 측 방향 속도인 55 kph만 고려하여 해석적으로 비교하였다. 단 차량 진행 방향의 속도에 의한 대차의 위치 변화를 고려하기 위해 기존 타격 위치보다 300 mm 후방(대차 최대 충돌 하중이 발생하는 35 msec까지 대차 이동 거리)으로 대차를 옮겨 해석하였다.

Fig. 9의 결과는 160 msec에서 차량과 대차의 상태인데 진행 방향 속도를 고려한 경우 대차와 대상 차량 모두 요(yaw)가 발생하나 측 방향 55 kph만으로 충돌한 경우 대차의 요(yaw)는 거의 발생하지 않고 충돌 대상 차량은 진행 방향 속도를 고려한 것과 다소 적은 요(yaw)가 발생한다.

Fig. 9

US NCAP condition vs. transverse speed only

대차의 요(yaw)는 대차의 종방향(X 방향) 운동량이 남아 있는 상태에서 대차의 최전방부가 정지해 있는 충돌 대상 차량과 접촉하면서 발생하는 마찰과 변형 후 저항에 의해 X 방향으로 움직이지 못하면서 발생하는 회전이며, 대상 차량의 요(yaw)는 차량의 무게 중심과 충격 위치 간의 거리에 의한 회전 모멘트에 의해 발생한다.

차량에 전해지는 충격량을 의미하는 ΔV를 비교하면 Fig. 10과 같이 차량 진행 방향 속도가 있는 쪽이 6.8 m/sec, 진행 방향 속도를 무시한 쪽이 7.7 m/sec으로 오히려 더 높게 발생한다. 따라서 사고 차량의 진행 방향 속도 효과는 충돌 시 대상 차량의 충돌 위치 변화 효과 대비 적다고 볼 수 있다. 경사 충돌은 시험 수행 시 난이도가 증가하므로 경사 충돌보다는 90도 측면 충돌을 하되 대상 차량 측면에서 가혹도가 높은 측면 충돌 위치(예: 차량 무게 중심)를 가격하게 하는 것이 더 합리적인 것으로 보인다.

Fig. 10

Comparison of ΔV – as US NCAP vs. transverse speed only

2.6. 소결론 US NCAP과 IIHS 측면 충돌 비교

2014년형 Accord를 이용하여 IIHS와 US NCAP의 측면 충돌 시 차량의 거동을 비교하여 Table 1과 Fig. 11에 정리하였다. 두 시험 방법을 비교한 결과 초기 운동량은 IIHS가 US NCAP 대비 52% 높게 발생하며, 충돌 전 운동 에너지는 IIHS가 US NCAP 대비 65% 높게 나옴을 확인하였다. 차량에 전해지는 충격량에 해당하는 ΔV는 IIHS가 US NCAP 대비 각각 35% 높게 나오는 반면, 최대 충돌 하중과 생존 공간은 IIHS가 US NCAP 대비 각각 40%, 50% 낮아 전반적으로 IIHS 측면 충돌이 US NCAP 대비 가혹한 조건임을 확인하였다.

Fig. 11

Comparison of vehicle behavior in IIHS and US NCAP

3. 측면 충돌 시 오차 인자에 의한 영향 검토

3.1. 측면 충돌 시 오차 인자 선정

실차시험 시 시험법에서 정한 조건을 100% 지킬 수 없다. 그래서 시험법에서도 어느 정도 오차를 허용하는데, 시험차 중량, 대차 중량, 대차의 타격 위치, 타격 속도 등에 대해 허용 오차가 있다. 본 연구에서는 그 중 Table 2와 같이 MDB의 전후 상하 위치 변화에 따른 차량 거동의 변화를 검토하였다. 또한, 측면 충돌은 정면과 다르게 차량의 진행 방향이 아닌 측방향으로 미끄러지기 때문에 타이어와 시험장 바닥 간의 마찰이 또 다른 주요 오차 요인으로 작용할 수 있어 마찰 변화에 따른 차량 거동의 변화도 검토하였다. 일반적으로 차량과 시험장 바닥 간의 마찰 계수로 쓰이는 0.3을 기준으로 최저치는 0.1, 최고치는 일반적인 차량의 타이어와 젖지 않은 아스팔트 간의 마찰 계수로 널리 쓰이는 0.9로 설정하고 해석을 수행하였다.

차량의 거동 변화를 비교 평가하기 위해 생존 공간(운전석 시트 중심과 변형된 차량 B 필러간의 거리), 차량에 전달되는 충격량에 해당하는 측 방향 ΔV, 및 최대 요(yaw) 속도, 롤(roll) 속도 등의 값을 이용하였다. 본 연구의 ΔV, 롤(roll), 요(yaw) 방향은 Fig. 12와 같다.

Fig. 12

Definition of ΔV, roll, and yaw

3.2. 차량 타이어와 시험장 바닥과 마찰 변화에 따른 차량 거동 비교

시험 차량과 바닥 간의 마찰력 효과를 검토하기 이전 해석 모델의 타이어에서 발생하는 수직 반력이 물리적인 타당성이 있는지 확인할 필요가 있다. 해석 시 중력 효과를 반영하기 위해서는 충분한 시간을 두고 차량이 자중 때문에 바닥에 내려앉도록 안정화 과정을 거쳐야 하나 이는 많은 해석 시간을 요구하므로 이를 대체할 수 있는 해석적 방법을 찾기로 하였다. 바닥을 평판 강체로 구성하고 해석 초반인 0~5 msec 구간에서 위로 5 mm 상승하도록 Fig. 13과 같이 강제 변위를 부여하였다. 그 결과 Fig. 14와 같이 US NCAP의 경우 약 6msec 부근에서 발생하는 타이어 수직 반력의 합이 16,840 N으로 시험차 중량인 16,800 N과 유사한 값을 얻을 수 있었다. 본 해석에서는 5 msec까지 5 mm를 상승시켰지만, 서스펜션의 특성, 해석 모델의 특성 등에 따라 상승 속도와 상승 값은 달라질 수 있으니 이에 유의할 필요가 있다.

Fig. 13

Prescribed motion of the ground

Fig. 14

Vertical reaction force at tire - US NCAP

Fig. 15a, b에서 보이는 바와 같이 160 msec 상태에서 차량과 대차는 US NCAP, IIHS 모두 마찰력의 변화에 따른 외관상 거동 변화는 적다.

Fig. 15

Table 3a에 정리한 바와 같이 마찰력이 증가할 수록 ΔV가 다소 감소하기는 하나 그 차이는 기준값인 0.3 대비 6% 미만에 머문다.

ΔV의 마찰력에 의한 변화는 US NCAP보다 IIHS에서 다소 크게 발생하고 있다.

충돌 대상 차량의 최대 롤(roll) 속도 및 요(yaw) 속도는 마찰 계수의 변화에 따라 거의 변하지 않는다. ΔV, 롤(roll), 요(yaw) 거동의 변화가 마찰력의 변화에 따라 크게 변하지 않는 이유는 대차의 충돌 하중이 Fig. 16a와 같이 US NCAP의 경우 254 kN 수준이며 Fig. 16b와 같이 IIHS는 134 kN 수준인 반면, 타이어와 바닥간 최대 마찰력은 Fig. 17a와 같이 US NCAP에서 마찰 계수 0.1일 때 타이어와 바닥간 최대 마찰력은 전방 좌측에서 1.7 kN으로 발생하고 네 타이어의 값을 모두 더하면 3 kN 미만으로 발생하고 있다. 마찰 계수가 0.9일 때 타이어와 바닥간 최대 마찰력은 전방 좌측에서 발생하고 네 타이어의 값을 모두 더하면 3 kN 미만으로 발생하고 있다.

Fig. 16

마찰 계수가 0.9일 때 타이어와 바닥간 최대 마찰력은 전방 좌측에서 11 kN으로 수준으로 발생하고 네 타이어의 값을 모두 더했을 때 20 kN으로 마찰 계수가 0.1일 때 대비 7배 정도 증가하나 대차 충돌 하중인 254 kN 대비 8% 수준에 머물기 때문에 마찰력 변화에 의한 차량 거동의 변화는 크게 나타나지 않는다. IIHS의 경우에는 대차 충격 하중이 작아지기 때문에 Fig. 17b에 나타난 바와 같이 최대 마찰 계수 상태인 0.9일 때 발생하는 타이어 마찰력의 총합은 60 msec 기준 25kN, 대차충격 하중은 139 kN으로 마찰력은 대차 충격 하중 대비 18% 수준에 이른다. 두 충돌 모드 모두 대차 충돌 하중 대비 최대 마찰력이 적당히 낮다 해도 이처럼 US NCAP 대비 IIHS에서 대차 충돌 하중 대비 마찰력의 비율이 2배 정도 증가하기 때문에 마찰력 변화에 따른 생존 공간 변화는 Table 4에 정리된 바와 같이 유의미한 영향을 주게 된다.

Fig. 17

US NCAP에서는 마찰 계수 0.3일 때 대비 마찰 계수 변화에 따라 최대 2.1% 정도의 생존 공간 변화를 유발하는 반면 IIHS에서는 6% 수준의 생존 공간 변화까지 유발하기 때문에 타이어 마찰 계수의 변화는 무시 못 할 영향을 미친다고 볼 수 있다. IIHS와 같은 시험 조건이라면 차량의 타이어 및 시험장 바닥 상태에 세심한 주의가 요구된다.

3.3. 대차 전후 상하 위치 변화에 따른 차량 거동

US NCAP은 대차의 전후 위치를 정규 위치 대비 앞뒤로 51 mm 허용하고 있으며 IIHS는 25 mm를 허용하고 있다. 대차의 전후 위치 변화는 차량의 요(yaw) 회전 거동에 영향을 미칠 수 있는데 실제 US NCAP의 경우 최전방에 충돌했을 때 대비 최후방 충돌 시 발생하는 최대 yaw 속도가 23% 정도 증가한다. 하지만, IIHS에서는 요(yaw) 속도의 변화가 비교적 적게 발생하며, ΔV나 롤(roll) 속도 변화도 미소하게 발생하고 있음을 Table 5a~5c에 정리된 결과로 확인할 수 있다.

대차의 상하 위치 변화는 차량의 롤(roll) 회전 거동에 영향을 미칠 수 있는데, 전후 위치 변화에 따른 요(yaw) 속도와 마찬가지로, US NCAP 조건에서 20%의 최대 롤(roll) 속도 변화가 발생하는 것을 확인하였다. IIHS에서는 10% 정도 수준으로 상하 위치 변화에 대해 덜 민감해지며, ΔV나 요(yaw) 거동은 대차의 상하 위치 변화에 대해 그리 민감하지 않음을 확인할 수 있다. 그 결과는 Table 6a~6c에 정리되어 있다.

ΔV, 롤(roll), 요(yaw) 등은 차량의 거동을 볼 수 있는 거시적 인자들인데 시험의 오차 허용 범위 내에서 큰 차이를 보이지 않으나, 차량의 부분적인 거동에 지배받는 생존 공간(시트 쿠션 중심과 차량의 B 필러 간의 최단 거리)은 허용 오차 내에서 대차가 전후로 이동할 때 Table 7a와 같이 적지 않은 변화를 보인다.

대차의 전후 이동 시 3~4%의 비교적 적은 변화를 보이나 상하 이동 시에는 US NCAP에서도 6% 정도의 적지 않은 변화를 보인다. 특히 Table 7b 및 Fig. 18에 정리된 바와 같이 IIHS에서는 정규 위치 대비 25 mm의 높이차이만으로도 16%의 생존 공간 변화를 보일 수 있으므로 해석, 시험 시 모두 세심한 주의가 요구된다.

Fig. 18

Survival space variation with different vertical MDB position in IIHS

4. 결 론

본 연구에서는 측면 충돌의 대표적인 시험 조건인 US NCAP과 IIHS 측면 충돌을 서로 비교하고, 각 시험 조건에서 오차 인자가 성능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 평가하였다.

US NCAP과 IIHS를 서로 비교하였을 때 충격량(초기 운동량, ΔV), 생존 공간 측면에서 IIHS가 상대적으로 가혹하다. 단, 충돌 하중은 대차 전 방부 허니콤의 형상 및 충격 대상 차량의 충격부 상하 위치(사이드실과 수직 거리) 등의 영향으로 US NCAP이 40% 높은 충돌 하중을 보인다.

US NCAP 및 IIHS의 측면 충돌에서 허용하는 오차 범위 내에서 차량의 거시인자인 ΔV, 롤(roll) 및 요(yaw) 거동은 큰 차이를 보이지 않으나 시험 후 시트 쿠션 중심과 B 필러 간 최소 거리인 생존 공간은 비교적 민감한 차이를 보였다. 특히 IIHS는 대차의 상하 높이 차이에 따라 매우 민감한 거동을 보여 주의해야 한다.