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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.1 pp.61-67
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.1.061

Test and Evaluation based on Standard Regulation of USA Federal Automotive Safety of Assistant Driver’s Seat Airbag at Low Risk Deployment Passenger Airbag using Passenger Protection Wrap

Dong-Eun Kim*, Jin-Hyeong Kim*, Myung-Chang Kang*#
*Graduate school of Convergence Science, Pusan National University
Corresponding Author : kangmc@pusan.ac.kr+82-51-510-2362, +82-51-510-7396
November 3, 2015 December 15, 2015 December 22, 2015

Abstract

The airbag is a widely accepted device for occupant protection in the automotive industry. As the injuries induced by airbag deployment have become a critical issue, revisions to Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 208 were required to create advanced airbags that can protect occupants of varying statures. In this paper, we developed a new low-risk deployment passenger airbag by adding the Passenger Protection Wrap (PPW). The PPW reduces the cushion impact force to the occupant in order to ensure pressure dispersion. A series of tests were conducted by using FMVSS 208 test procedures to demonstrate the proposed system. It was found that the system not only satisfied the injury criteria of FMVSS 208 but was also effective for protecting passengers of all sizes (male, small female, 3-year-old, 6-year-old).


승객보호용 랩을 적용한 저위험성 조수석 에어백의 미국 연방 자동차안전 기준법규에 의거한 시험과 평가

김 동은*, 김 진형*, 강 명창*#
*부산대학교 공과대학 융합학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    국내외 자동차 충돌 안전에 대한 관심의 증가 와 더불어 차량 개발 단계에서 충돌 사고시 승객 의 안전도 확보가 중요한 과제가 되었다[1-3]. 이에 승객의 안전도 확보를 목적으로 미국 연방 도로교 통 안전국은 자동차에 대해 다양한 신체조건 및 벨트착용 유무에 따라 에어백에 의해 발생될 수 있는 승객의 상해치를 최소화할 것을 목적으로 신규 법규인 미국연방 자동차 안전기준(FMVSS, Federal Motor Vehicle Safety Standard) 208를 제정 하여 적용하고 있다[4].

    FMVSS 208 법규에는 동적 및 정적 시험 요건 으로 구성되어 있다. 동적 시험은 50th% 남성, 5th% 여성 더미로 벨트 착용 및 미착용으로 일정 한 속도로 충돌 시험하여 평가하는 시험이다[4]. 정 적 시험에서는 3세와 6세 어린이 더미(Dummy)를 사용하여 비정상적인 자세(OOP, Out of position)에 서 상해치를 평가한다[4]. 이 법규에서 정적 시험을 하는 목적은 어린이 및 여성이 자동차 충돌시 에 어백의 팽창에 의해서 사망 또는 상해치를 증가하 는 것을 방지하는 것이다. 이에 따라 각 자동차 업계는 법규를 만족하는 시킬 수 있는 어드밴스드 에어백(Advanced airbag) 시스템 개발을 진행하였 다. 어드밴스 에어백 시스템 중에는 승객감지 시 스템인 OCS(Occupant Classification System)과 쿠션 (Cushion)의 벤트홀(Vent hole) 크기를 조정하는 Active vent 시스템 있다[5-6].

    이러한 두 가지 시스템에 있어서, 전자는 시트 에 가해지는 중량 또는 하중 분포 등 다양한 방법 을 통하여 승객의 크기를 파악하여 에어백의 작동 여부 또는 작동 압력을 조절하는 시스템이기 때문 에 센서의 노후화로 오작동이 발생할 수 있다. 후 자의 경우는 에어백의 위치 및 승객의 자세에 따 라 상해치 변화가 발생할 수 있다.

    따라서, 본 연구에서는 에어백 시스템의 구성에 있어서 쿠션에 랩을 추가하는 방식인 승객보호용 랩을 적용하여 저 위험성 (LRD, Low Risk Deployment) 조수석 에어백을 사용하여 FMVSS 208 법규에서 규정하고 있는 동적, 정적 시험을 실시하여 3세와 6세 유아에 대하여 법규를 만족하 고 있는지 평가하였다.

    2.승객보호용 랩(PPW) 설계 개념

    Fig. 1은 쿠션의 압력을 분산시키는 역할을 하 는 승객보호용 랩 관한 개념도를 나타내었다.

    쿠션에 랩의 형태인 승객보호용 랩을 적용하여 에어백이 초기 팽창하는 단계에서 쿠션이 승객에 접촉하는 순간에 쿠션의 내압을 좌우로 분산시켜 서 기존의 쿠션보다 상하로 팽창되지 않고, 쿠션 의 사이드 쪽으로 팽창되어 승객의 목을 감싸게 된다. 따라서 쿠션의 내압이 승객에게 직접적으로 가하지 않고 좌/우로 압력이 분산되어 상해치를 감소시킬 수 있는 개념설계이다.

    차량 충돌시 에어백의 성능이 결정되는 시간은 약 10ms~30ms 사이이다. 0ms~15ms 시간은 쿠션 이 에어백에서 팽창되어 승객에 최초로 접촉되는 시간이다. 15ms~25ms 구간은 쿠션의 압력이 직접 승객에게 전달되는 시간이다. 25ms 시간이후 부터 는 쿠션이 완전히 팽창되는 시간이다[7]. 승객보 호용 랩은 15ms~25ms 사이에서 쿠션의 압력을 분 산시켜서 기존 쿠션의 압력보다 낮아진다. 25ms~30ms 구간에서는 기존 쿠션은 압력이 급속 도로 팽창되어 압력을 감소하고 승객보호용 랩이 적용한 쿠션은 완전히 팽창되기까지 압력이 유지 되지만, 30ms 시간 이후에는 랩이 전개되면서 쿠 션이 팽창시켜 압력을 감소시킨다. 또한 승객보 호용 랩이 적용한 쿠션이 초기 팽창시 압력이 분 산되어 기존 쿠션보다 압력이 낮아지지만, 고속, 저속 충돌시 더미를 구속하기 위하여 쿠션이 완전 히 팽창하는 시간에는 승객보호 랩이 전개되어 방 해없이 더미와 안전적으로 접촉하여 승객을 보호 할 수 있을 것으로 예상된다.

    3.에어백 성능 시험장치 및방법

    3.1슬레드 시험 장비 및 더미

    동적 시험을 하기 위해서 Fig. 2(a)와 같이 실제 차량 대신에 슬레드(Sled)시험 장비를 사용하였다. 슬레드 장비는 실제 차량 시험으로부터 얻은 충돌 신호를 이용하여 유압력에 의하여 총돌 현상을 재 현하는 장비이다.

    슬레드 시험에서는 힘의 작용과 반작용 원리를 이용하여 실제 충돌과 반대로 충돌 가속도가 정지 상태로 부터 구동 방향으로 생성된다[7].

    Fig. 2(b)는 슬레드 시험에 사용되는 인체 모형인 더미를 나타내었다. 더미들은 미국 성인더미 내부 에는 가속도계, 하중계, 변위계 등이 있어서 충돌이 승객에게 미치는 영향분석을 수집할 목적으로 사용 한다[8].

    본 시험에서는 FMVSS 208에서 Hybrid III 50th% male, 5th% female, 6yr, 3yr을 사용하였다.

    3.2정적 및 동적시험 방법

    Fig. 3(a)(b)는 동적 시험 방법이다. FMVSS 208 법규에서 규정하고 있는 작은 여성 승객 보호 목적인 5th% female 에 대한 벨트 미 착용시 충돌 시험 조건으로 실시하였고, 성인 남성인 50th% male 에 대한 벨트 미 착용 충돌 시험을 실시하였다. 여 기서 표현한 5th%, 50th% 의미는 남녀의 신장과 체 중을 전체에서 백분율로 표시하였다[4].

    Fig. 4(a)(b)는 정적시험 방법으로서 Position 1 과 Position 2 두 가지 자세가 있다. Position 1 자세 는 에어백 중앙에 더미를 중앙에 위치시킨 후 최대 한 상체를 인스트루먼트 패널(Instrument panel)에 거의 닿을 정도로 앉히는 자세이다. Positon 2 자세 는 더미를 에어백 중앙에 위치시킨 후 상체를 앞으 로 구부린 상태에서 최대한 앞으로 당겨 앉혀 더미 의 가슴부가 차량의 인스트루먼트 패널에 닿을 정 도로 앉히는 자세이다[4].

    또한 동적, 정적 시험에 대한 성능을 평가하기 위해서 FMVSS 208 법규에 규정하는 승객의 머 리, 가슴, 목, 대퇴부의 상해치에 대하여 평가하였 다.

    3.3조수석 에어백 사양 결정

    Fig. 5는 G사에서 개발 중인 T 모델 차량에 사용 하고 있는 조수석 에어백에 승객 보호용 천을 적용 한 구조를 보여 주고 있다. Table 1은 Fig. 5에서 사용한 주요 구성품에 대한 실험 조건이다.

    Table 1과 같이 동적 시험에서 남성 승객의 안 전을 고려할 수 있는 쿠션의 볼륨과 인플레이터 압력으로 설계하였다[9]. 또한 승객보호용 랩에 대 한 사양을 승객을 보호할 수 있는 최적화 사양으 로 선정하였다.

    4.성능 시험결과 및고찰

    4.1동적 시험에 대한 결과

    Fig. 6(a)(b)는 25mph(40km/h) 속도로 충돌시 5th%, 50th% 더미가 벨트 미착용 상태에서 쿠션이 전개되어 더미와 접촉하는 80ms 시간을 나타냈었 다. 승객보호용 랩에 완전히 전개되어 쿠션이 방 해 없이 팽창되어 더미와 안전적으로 접촉하여 승 객을 보호하고 있다.

    Fig. 7(a)(b) 같이 무릎 상해치를 제외하고 나 머지 상해치가 FMVSS 208 법규 규정에 80% 이 하로 만족하고 있다.

    무릎 상해가 발생하는 이유는 Fig. 8에서 보이 는 바와 같이 충돌시 인스트루먼트 패널의 하단부 에 있는 knee bolster 성능에 의해서 상해치 결정 된다.

    knee bolster는 승객의 거동이 전방으로 가는 방향을 구속하여 운동에너지를 흡수하는 역할을 하고 있다. 이는 knee bolster의 강성에 따라서 승 객의 상해치에 중요한 설계 요소로 작동한다. 따 라서 벨트 미착용 충돌 시험에서는 knee bolster 성능 개발이 필수적이다[10-11].

    Fig. 9(a)(b)는 저속인 22mph(35km/h)으로 충 돌시 5th%, 50th% 더미가 벨트 미착용 상태에서 쿠 션이 전개되어 더미와 접촉하는 80ms 시간을 나 타냈었다. 이 속도로 충돌시 인플레이터의 낮은 압력인 60L에 300kPa으로 팽창하기 때문에 승객 의 상해 및 승객보호용 랩이 정상적으로 전개되는 지 확인이 필요하여 시험하였다[4].

    80ms에서 쿠션이 낮은 압력에도 정상적으로 더 미를 구속하고 있다. Fig. 10(a)(b)에서 보는 바 와 같이, 22mph(35km/h) 저속 충돌에 대한 시험 결과를 나타내었다. 무릎 상해치가 법규 대비 80% 이상으로 발생한 수치이외 다른 상해치는 법 규 대비 80% 이하로 만족하고 있다. 무릎 상해치 가 높은 이유는 Fig. 7에서 설명한 25mph 충돌 시 험 결과와 같이 knee bolster 성능이 안정화 되어 있지 않아서 승객의 거동에 대하여 구속하지 못하 여 발생하였다고 사료된다. 또한 50th% 더미에서 의 가슴 변형량에 대한 상해치가 5th% 더미보다 약 4배 정도 높게 발생하였다.

    가슴 변형량 상해치는 쿠션의 내압과 더미의 접 촉하면서 발생하는 거동으로 결정된다. 22mph 저 속으로 충돌하는 경우 인플레이터의 압력이 300kPa 이하로 작동되기 때문에 쿠션이 팽창되면 서 더미와 접촉하는 순간 쿠션의 내부의 압력이 적어 상대적의 무게가 많이 나가는 50th% 더미가 가슴의 변형량이 많이 발생하여 상해치가 높다.

    4.2정적 시험에 대한 결과

    승객보호용 랩을 적용한 에어백으로 동적 시험 한 결과에 상해치가 법규를 만족하고 있어서 동일 한 시험 조건으로 정적 시험을 실시하였다.

    Fig. 11(a)(b)는 3세 position 1과 6세 position 2의 상해치에 대하여 신뢰성을 확보하기 위하여 각각 5회 연속으로 시험한 결과이다.

    이 시험 결과에 나타난 상해치에 대하여 정규분포 라 가정하여 평균과 표준편차를 구하고[12-13] 각 신 뢰 구간(1σ, 2σ, 3σ)에 대하여 상해값 변화를 Fig. 12(a)(b) 같이 나타내었다. 특히 3σ구간 인 99% 신뢰도에서도 상해치가 법규 대비 80% 이하로 만족하기 때문에 승객보호용 천을 이용한 정적시험에 성능에 대하여 신뢰성이 있음을 확인 하였다. Fig. 13는 3세 position 1과 6세 position 2 의 상해치에 대하여 99% 신뢰성을 확보

    한 사양으로 3세, 6세에 대하여 각 Position에 대 하여 재시험한 결과이다. 각 상해치가 법규 대비 50% 이하로 만족하고 있는 성능을 얻었다.

    5.결론

    승객보호용 랩(Wrap)을 새로이 개념 설계하여 조수석 에어백에 적용하였고, FMVSS 208 법규에 규정하고 있는 동적, 정적 시험을 실시하여 그 성 능을 평가한 결과는 다음과 같다.

    1. 종래의 조수석 에어백 쿠션에 승객보호용 랩 을 새로이 설계 및 적용하여 쿠션 팽창시 내 압을 분산시키는 효과를 얻었다.

    2. 5th% female, 50th% male 더미에 대하여 FMVSS 208 법규에 의한 동적 시험한 결과 무릎 상해치를 제외한 나머지 상해치는 법규 대비 80%이하로 만족하고 있다. 향후 무릎 상해치를 개선하기 위하여 Knee bolster 설계 에 대하여 개선이 필요하다.

    3. 3세 position 1과 6세 position 2에 대하여 각 5회씩 시험하여 평균 및 표준편차를 구하여 신 뢰성을 확인한 결과, 99% 신뢰 구간에서 법규 대비 80%이하로 성능을 만족하고 있음을 확인 하였다.

    4. 신뢰성을 확보한 조수석 에어백 사양으로 3세 와 6세의 비정상(OOP)자세에 대하여 정적 시 험한 결과 법규 대비 50%이하로 상당한 개선 효과를 얻었다.

    후 기

    이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재 원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구사업임 (No. 2015R1A5A7036513), 또한, 이 논 문은 부산대학교 자유과제 학술연구비(2년)에 의 하여 연구되었음.

    Figure

    KSMPE-15-61_F1.gif
    Concept design of PPW deployment
    KSMPE-15-61_F2.gif
    Sled tester and dummy used in sled test
    KSMPE-15-61_F3.gif
    Test conditions (a) 50th% male dynamic (b) 5th% female dynamic
    KSMPE-15-61_F4.gif
    Test conditions (a) position 1(chest on IP), and (b) position 2(head on IP)
    KSMPE-15-61_F5.gif
    Description for passenger airbag
    KSMPE-15-61_F6.gif
    Deployment of airbag at 80msec (a) 25mph unbelted test with 5th% female (b) 25mph unbelted test with 50th% male
    KSMPE-15-61_F7.gif
    Injury values from the test (a) 25mph unbelted test with 5th% female and (b) 25mph unbelted test with 50th% male
    KSMPE-15-61_F8.gif
    Images of knee bolster
    KSMPE-15-61_F9.gif
    Deployment of airbag at 80msec (a) 22mph unbelted test with 5th% female and (b) 22mph unbelted test with 50th% male
    KSMPE-15-61_F10.gif
    Injury values from the test (a) 22mph unbelted test with 5th% female and (b) 22mph unbelted test with 50th% male
    KSMPE-15-61_F11.gif
    Out of position test results for repeatability (a) 3yr position 1 and (b) 6yr position 2
    KSMPE-15-61_F12.gif
    Statistical graph of the OOP of position test results (a) 3yr position 1 and (b) 6yr position 2
    KSMPE-15-61_F13.gif
    Out of position test results for 3yr position 1,2 and 6yr position 1, 2

    Table

    Main design parameters for passenger airbag

    Reference

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