커튼 에어백 정적 전개 강건성 제고를 위한 에어백 시스템과 트림 부품 누적 공차 영향 연구

Abstract

자동차의 안전법규는 지속적으로 강화되고 있는 가운데 지난 5년간 북미의 리콜자료에는 에어백이 전체부품 가운데 1위로 11.3%를 차지하고 있다. 자동차 제작사들은 법규뿐만 아니라 소비자 요구사항을 고려하여 안전부품의 강건성 선행연구 개발을 진행하고 있다. 자동차 안전 성능 부품중 하나인 에어백은 자동차 충돌 시 탑승자의 상해치를 감소시켜주는 중요한 부품중의 하나이다. 측면 충돌 시에는 정면충돌보다 에너지 흡수 구간이 작아 측면 충돌시의 탑승자가 정면충돌보다 훨씬 위험하며 측면 에어백의 역할이 보다 중요하다. 커튼 에어백은 측면 충돌 시 충돌로부터 앞좌석과 뒷자석의 승객의 머리를 보호해 준다. 자동차 측면 충돌 안전 법규를 만족시키기 위하여 상온(23℃)에서 완성차(Full Scale Vehicle) 측면 충돌시험이 있고, 회사 내부 시험으로 사용자의 환경 조건을 만족시키기 위하여 상온(23℃)뿐만 아니라 고온(85℃)과 저온(-30℃)에서 완성차 수준의 커튼 에어백 시스템 정적 전개 시험을 실시하고 있다. 현재 커튼 에어백 시스템 정적 전개 개발은 선행연구 개발 단계에서 시뮬레이션을 통하여 사전 성능 검토를 하고 있으나 시험에서 동일차량 동일조건에서 적합과 부적합 결과가 나오고 있다. 이를 개선하기 위하여 관련 부품을 수정하면서 재시험을 통하여 개선을 진행하고 있다. 이 같은 개선은 많은 개발 비용과 일정지연의 위험을 초래할 수 있다. 개발과정 분석 결과 시뮬레이션은 모든 부품을 공칭조건으로 간주하여 개발하지만 시험은 각 부품들의 공차와 조립공차까지 포함되어 있음을 확인하였다. 이를 개선하기 위하여 강건 설계가 요구되며 공차를 고려한 차량 수준의 강건 에어백 시스템 모델의 연구가 필요하다.

본 연구의 목표는 선행연구 개발에서의 에어백 정적 전개에 영향을 미치는 에어백과 트림부품 공차 변동의 민감도를 파악하고 에어백 전개 목표 시간이내에 전개하기 위한 강건한 에어백 시스템 모델을 제시하고 공차 변동 조합의 상/하한치를 확인한다. 변동 조합으로부터 예상되는 목표 전개 시간을 예측 모델로 제안하고 그 결과를 검증한다. 검증된 결과로부터 전개 목표 시간을 초과한 공차 변동 조합에 대하여 설계 대안을 제시한다.

본 연구는 커튼 에어백 시스템 정적 전개 시험 요구사항을 각 구성품에 할당하여 관련된 부품의 물성와 치수를 인자로 선정하였고, 그 인자의 공차를 변동으로 하였다. 실험 계획법을 통하여 공차 변동의 민감도를 파악하였다. 각 부품 공차의 변동 조합을 확인하기 위하여 반응표면법과 에어백이 비구속 상태와 트림내에 장착된 구속 상태에서의 에어백 전개 비를 무 차원 수치로 나타내는 Normalized Drop Function을 사용하였다. 이 같은 변동 예측 모델을 통하여 공차 변동 조합의 상한치와 하한치를 나타내었고, 에어백 전개 목표 시간과 비교하였다. 변동 예측 모델을 상한치, 하한치에서 시험으로 검증하였다. 검증결과로부터 시뮬레이션과 correlation하여 전개 목표 시간을 확인하였다.

연구결과 공차 변동의 민감도는 에어백 인플레이터 질량흐름율이 가장 크고, 헤드라이너와 B필라트림의 오버랩량, C필라트림의 오버랩량, 헤드라이너 물성 변동, A필라트림 물성 변동 순으로 나타났다. 설계 강건성을 높이기 위해 변동 예측 모델을 제시하였고, 예측 값으로 에어백 전개가 가장 잘 이루어지는 공차 변동 조합과 전개가 가장 많이 지연되는 공차 변동 조합을 확인하였다. 검증을 통하여 에어백 전개 시 전개 목표 시간을 초과하는 변동 조합에 대하여 설계 대안을 제시하였다.

본 연구를 통하여 초기 개념 설계 단계에서 완성차 수준의 커튼 에어백 시스템 정적 전개 시 변동 예측 모델을 모든 차량에 적용하여 설계의 강건성을 높일 수 있도록 하였다. 또한 선행 개발 시험에서 시험 비용 절감 및 개발 기간을 단축할 수 있도록 하였다.