2.1 충돌기준

미국의 TMA 실물충돌시험 기준은 Table 1에 제시된 것 같이 성능등급, 시험차량무게, 충돌속도, 충돌각도, 충돌위치 등이 Manual for Assessing Safety Hardware^{(AASHTO, 2016)} 에 정의되어 있다. 충돌속도에 따라 3개의 등급으로 구분되어 있으며 등급별 4회 시험을 수행하며 필요시 추가적으로 1회를 수행한다. 시험차량의 무게는 1100 kg, 2270 kg을 사용하고 정면 충돌과 W(차량폭)/3 offset 충돌 그리고 W/4 offset-10° 충돌 시험을 수행한다. 장착차량의 무게는 시험의뢰자가 최솟값과 최댓값을 결정하여 수행한다.

유럽의 TMA 실물충돌시험 기준은 Table 2에 제시된 것 같이 성능등급, 시험차량무게, 충돌속도, 충돌각도, 충돌위치 등이 PD DEN/TS 16786^{(CEN, 2018)}에 정의되어 있다. 충돌속도에 따라 3개의 성능등급으로 구분되어 있으며 각 등급별 2∼3회 시험을 수행하며 필요시 추가적으로 1회를 수행한다. 시험차량의 무게는 900 kg과 2000 kg을 사용하고 정면충돌시험과 W/4 offset-10° 경사 충돌 시험을 수행한다. 장착차량의 무게는 전체시스템의 최대무게에 따라서 충돌조건별로 제시되어 있다. 전체시스템은 장착차량, TMA 그리고 연결부 등으로 구성된다. 장착차량의 무게는 시험의뢰자가 최솟값과 최댓값을 결정하여 수행한다.

국내 TMA 기준은 2014년 관리지침^{(MOLIT, 2014)}을 개정하면서 TMA관련 내용이 추가되었으며 Table 3과 같이 제시되어 있다. TMA 모든 등급에서 장착차량 무게를 10 ton을 사용하도록 하였다. 2024년 관리지침^{(MOLIT, 2024a)}이 개정되면서 TMA1등급에 대해서 장착차량 무게를 5 ton 또는 10 ton을 사용하도록 하였다.

2.2 성능기준

탑승자안전지수는 THIV(Theoretical Head Impact Velocity)와 PHD(Post-impact Head Deceleration) 그리고 ASI(Acceleration Severity Index)가 있다. 3개의 탑승자안전지수를 계산하는 과정은 관리지침^{(MOLIT, 2024a)}에 상세히 설명되어 있다. THIV는 차량내부 가상의 xy평면에서 종방향 D_x=0.6 m 와 횡방향 D_y=0.3 m 중 머리가 가상면에 충돌할 때의 속도를 나타낸다. THIV는 Eq. (1)을 이용하여 계산되며 T는 머리의 비행시간이고 v_x와 v_y는 차량좌표계에 대한 머리의 상대속도이다. 정면충돌의 경우 44 km/h의 한계값을 가지며 값이 커질수록 탑승자의 위험도가 증가한다.

PHD는 THIV 발생이후 머리가 차량 내부의 벽에 부딪힌 후 차량이 충돌이 끝낼 때까지 같이 거동한다고 가정하면 차량이 받는 가속도를 탑승자의 머리가 받는다고 볼 수 있다. PHD는 충돌 후 계측된 $\ddot{x_{c}}$, $\ddot{y_{c}}$의 10 ms 이동 평균 가속도 중 최대값을 구하며 Eq. (2)와 같이 계산한다. Eq. (2)에서 <$\ddot{x_{c}}$>와 <$\ddot{y_{c}}$>는 10 ms 평균 가속도 이다. PHD의 한계값은 20 g(중력가속도)이며 값이 커질수록 탑승자의 위험도가 증가한다.

ASI는 Eq (3)과 같이 계산 할 수 있으며 차량 x, y, z 각 방향 50 ms 평균가속도의 각 한계가속도에 대한 비의 합을 나타내는 수치로 무차원의 스칼라로 표현된다. ASI는 항상 양의 값을 가지며, 1 보다 클수록 탑승자의 위험도는 커지게 된다. 성능평가의 한계값은 1.9이하로 제한하고 있다.

4.1 실물충돌시험 설계

실물충돌시험은 시뮬레이션 해석에서 수행한 TMA를 실제로 제작하여 전체 3 m(L) x 1.8 m(W) x 0.7 m(H)로 구성하여 Fig. 4와 같이 트럭에 설치하였다. 충돌시험 조건을 정리하면 Table 5와 같이 시험차량 무게는 1.3 ton과 국내 등록된 승용차 무게를 93.3%정도 고려해줄 수 있는 2.0 ton을 사용하였다. Fig. 5와 같이 1.3 ton은 르노 SM520을 2.0 ton은 현대 싼타페 차량을 사용하였다. 장착차량은 시험장 반입시 공차 중량이 각각 11 ton과 4.5 ton(현대트럭)이었으며 중량을 10 ton과 5 ton으로 조정하여 시험에 사용하였다.

Fig. 4. TMA Install

Fig. 5. Test Vehicle

4.2 실물충돌시험 결과

총 3회의 충돌시험 결과는 다음과 같고 1.3 ton의 충돌차량과 10 ton의 장착차량을 기준으로 하여 충돌차량 무게를 증가시킨 경우와 장착차량 무게를 감소시킨 경우 탑승자안전지수와 전방이동거리의 변화를 비교하였다. 시험 결과는 Table 6에 정리하였으며 1.3 ton-10 ton 시험의 경우 THIV 32.8 km/h, PHD 15.8 g, ASI 1.17, 전방이동거리 0.88 m로 나타났다. 탑승자안전지수 성능시험기준은 모두 만족하였으며 시험 전⋅후 전경은 Fig. 6과 같다. 1.3 ton-5 ton 시험의 경우 THIV 32.6 km/h, PHD 11.1 g, ASI 0.86, 전방이동거리 10.15 m로 나타났다. 탑승자안전지수 성능시험기준은 모두 만족하였으며 전방이동거리의 경우 장착차량 10 ton의 시험보다는 크게 나타났다. 충돌 시험 전⋅후 전경은 Fig. 7과 같다. 2.0 ton-10 ton 시험의 경우 THIV 27.4 km/h, PHD 21.5 g, ASI 1.33, 전방이동거리 1.45 m로 나타나 PHD만 성능기준을 약간 상회하는 결과를 보였으며 시험 전⋅후 전경은 Fig. 8과 같다.

Fig. 6. 1.3 ton-10 ton TMA Test

Fig. 7. 1.3 ton-5 ton TMA Test

Fig. 8. 2.0 ton-10 ton TMA Test

충돌차량의 무게가 1.3 ton으로 동일하고 장착차량 무게가 감소하는 경우 THIV의 값은 유사하고 PHD는 감소하였다. 이러한 결과에서 THIV는 앞에서의 계산 절차와 같이 충돌 초기에 발생하는 안전지수 이기 때문에 충격흡수부재가 장착차량의 저항력 보다 낮은 강도로 정상 기능하는 경우 장착차량의 중량에 따른 변동이 작은 것이 일반적이다. PHD의 경우 THIV 발생이후 최대 값으로 결정하기 때문에 장착차량의 중량이 증가할수록 충돌차량의 급격한 감속을 수반는 결과를 보인 것이다. 장착차량의 전방이동거리는 11.5배 증가한 10.15 m로 확인되어 운동량 법칙에 따른 거동을 보였다. 장착차량 무게가 10 ton으로 동일하고 충돌차량의 무게가 1.3 ton에서 2.0 ton으로 증가하는 경우 THIV는 16% 감소한 27.4 km/h로 나타났다. PHD는 36% 증가한 21.5 g 로 나타나 기준값을 약간 상회한다. THIV는 탑승자와 차량 내부와의 상대적 충돌속도로 정의되기 때문에 충돌차량의 중량이 무거울수록 감속이 작아 감소하는 결과를 보인것이며, PHD의 경우 충격흡수부재의 길이가 부족하여 후반부 가속도가 증가한 결과를 보인 것이다. 장착차량의 전방이동거리는 1.64배 증가한 1.45m 발생하였다.

Fig. 9. TMA Test Deformation Before and After Collision

시험 결과를 함께 비교하면 Fig. 10(a)과 같이 THIV는 1.3 ton의 충돌차량을 사용하는 경우 장착차량 무게와 상관없이 TMA가 전체길이 3 m에서 0.7m로 변형되는 약 0.18 s 까지 동일한 경향을 보였다. 2.0 ton의 충돌차량을 사용하는 경우 1.3 ton 시험보다 감속이 적고 THIV 발생시간도 늦게 나타났다. PHD도 1.3 ton으로 충돌차량 무게가 같은 경우 0.18 s 까지 동일한 경향을 보였다. 2.0 ton의 충돌차량을 사용한 경우 충돌에너지가 높기 때문에 TMA가 다 변형된 이후 1.3 ton의 시험보다 PHD가 높게 나타났다.

Fig. 10. Occupant Risk Index

4.3 기존 연구 결과와 비교

시뮬레이션을 수행하여 충돌차량 무게에 따른 탑승자안전지수 및 전방이동거리를 비교한 연구와 실물차량 충돌시험을 통해 탑승자안전지수와 전방이동거리를 비교한 본 연구의 결과 그리고 미국 MASH 기준으로 통과한 시험결과를 Table 7과 같이 비교하였다. 전방이동거리의 경우 전반적으로 장착차량의 무게가 동일한 경우 충돌차량 무게가 증가하면 같이 증가하는 것으로 나타났다. 충돌차량의 무게가 동일하고 장착차량 무게가 감소하는 경우도 전방이동거리가 증가하는 것으로 나타났다. THIV의 경우 충돌차량의 무게가 증가하면 감소하는 경향을 보였다. PHD는 충돌차량 무게가 증가하는 경우 시뮬레이션과 본 연구에서는 증가하는 경향을 보였고 미국 MASH 기준을 통과한 제품은 감소하는 것으로 나타났다. 미국 기준에서 충돌 차량의 중량이 증가하면 PHD가 감소하는 결과를 보이는 것은 미국 기준은 1100 kg과 2270 kg 차량을 사용하기 때문에 기본적으로 2270 kg 차량에 대해 탑승자 보호성능이 확보되도록 설계되어있다. 상대적으로 국내 기준에서는 900 kg과 1300 kg 차량으로 시험하기 때문에 2000 kg의 충돌차량에 대하여 설계하는 것은 비합리적이며, 즉 설계기준의 차이에 의한 결과이다. 장착차량의 무게가 감소하는 경우 THIV는 거의 동일하거나 6% 이내의 차이값으로 나타났으며 PHD는 전반적으로 다 감소하였다. 충돌차량의 무게가 증가하는 경우 시뮬레이션과 본연구 그리고 MASH 기준을 통과한 제품 모두 전방이동거리는 증가하였다. 장착차량의 무게가 감소하는 경우 시뮬레이션은 약 1.5배 증가하고 본 연구에서는11.5배 그리고 미국 MASH 기준을 통과한 제품은 2.5배 증가하였다.

전방이동거리 관련하여 선행연구^{(LuAnn and Roger, 2013)}에서 충돌후 충돌차량과 장착차량의 속도, 항력계수와의 관계를 Eqs. (4)(5)(6)과 같이 정의하고 있다. V_T는 충돌후 충돌차량과 장착차량의 속도, M_I는 충돌차량의 무게(kg), V_I는 충돌차량의 속도(m/s), M_S는 장착차량의 무게(kg), M_A는 TMA의 무게(kg), D는 항력계수, S는 장착차량의 이동거리(m), g는 중력가속도(m/s2)이다. 선행연구 및 MASH 기준을 통과한 제품에 대하여 Table 8과 같이 V_T를 계산하였다.

충돌 후 속도는 TMA 제품별로 다르지만 충돌차량의 무게가 증가하면 같이 증가하는 경향을 보이고 2.2 m/s에서 4.9 m/s의 분포로 나타났다. 충돌차량과 장착차량의 무게비와 충돌 후 속도의 상관관계는 Fig. 11과 같다. 계산식의 의한 선형 그래프와 시험에서 사용한 시험차의 무게 및 장착차량의 무게로 계산된 V_T 그리고 고속카메라로 촬영된 영상을 분석한 V_T를 표시하였다. 무게비가 6 이상인 데이터에서는 계산식과 고속카메라로 분석한 값이 거의 동일하게 나타났고 6 이하의 시험데이터에서는 다소 차이가 나는 경향을 보였다. 장착차량 이동거리가 있는 시험데이터로부터 Table 9와 같이 항력계수를 계산하였으며 0.225에서 0.466까지 나타났다. 기존연구^{(LuAnn and Roger, 2013)}에서는 항력계수를 0.3으로 가정하여 장착차량의 이동거리를 계산하여 제시하기도 하였다. Eq. (4)로 계산된 V_T와 고속카메라 분석을 통해 계산된 V_T를 이용하여 장착차량의 이동거리를 계산하고 실제 시험을 통해 계측된 이동거리를 Fig. 12와 같이 비교하였다. 충돌차량과 장착차량의 무게비가 6 이상인 경우 계산식과 실제 시험데이터가 거의 동일한 결과값으로 나타났고 무게비가 6 이하인 경우 계산식과 실제 시험데이터가 크게 차이나는 것을 확인하였다. 차량의 주차제동장치성능은 11.5°의 경사면에서 정지상태를 유지하거나 차량중량 20% (sin 11.5° ≈0.2)이상의 제동능력을 가지도록 자동차 및 자동차부품의 성능과 기준에 관한 규칙에서 규정하고 제동 능력 기준이 차량 중량(공차중량)의 20% 이상이고 만차시에도 제동력이 필요하므로 공차 중량 기준으로 20∼40% 정도의 제동력(항력계수)이 필요한 것으로 추정된다. 따라서, 장착차량의 무게가 가벼울수록 주차제동장치의 능력은 감소하게 된다. Fig. 13과 같이 장착차량의 무게가 가벼운 5 ton의 경우 Fig. 13(a)와 같이 스키드마크가 발생하지 않아 주차제동장치의 용량을 초과하는 충돌이 발생하여 이동거리가 크게 나타난 것으로 분석되며, 장착차량무게가 무거운 10 ton의 경우 Fig. 13(b)와 같이 스키드마크가 발생하여 주차제동장치의 용량이내의 충돌이 발생한 것으로 판단된다. 장착차량의 무게비를 고려하여 Eq. (6)으로 이동거리를 다시 보정하여 계산하면 10.24 m로 시험결과와 유사하게 나타난다. 충돌차량과 장착차량의 무게비와 장착차량의 주차제동장치의 제동능력 등 변수가 다양하게 존재하기 때문에 실제 현장에서 가벼운 공차중량의 장착차량을 사용하는 경우 무거운 공차중량으로 실시한 충돌시험으로부터 기존의 방식으로 이동거리를 추정하는 것은 한계가 있으므로 실제 운용 조건을 반영한 실물충돌시험을 통하여 평가되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 11. Correlation between VT and Weight Ratio

Fig. 12. Correlation between S and Weight Ratio

Fig. 13. Skid mark