1. 서론
    2.

      NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)는 최근 FMVSS 208 Compliance test에 Hybrid III만을 사용할 것을 법제화하여, 1997년 9월 1일 이후에 수행되는 Test에 적용되고 있다[1]. 그런데, Crash Test의 표준으로 Hybrid III를 도입하면서, 그 동안 여러 자동차 관련업체에서 건의되었던 문제를 해결하기 위해 Dummy의 일부분을 수정하였다. 본 보고서에서는 기존의 Hybrid III Dummy와 수정된 Hybrid III Dummy의 차이점과 그 배경을 살펴보기로 한다. 수정된 Hybrid III에서는 크게 Head-Neck, Hip-Femur, Ankle-foot의 3부분이 변경되었으며, 2, 3, 4장에서 그 내용을 설명하고 있으며, 5장에서는 이번 법규에 채택되지는 않았으나 현재 도입이 고려되고 있는 Neck Shied에 대해 살펴보기로 하자.

    　
  2. Head-Neck부위의수정
    3.

    NHTSA는 수정된 Hybrid III Dummy에서 6축 Neck Loadcell을 표준으로 지정하였다. 이는 97년 3월 19일 발행된 Airbag Depower를 위한 FMVSS 208의 일시적 수정법규에서 새로운 Injury Criteria인 Neck Moment와 Force에 관한 규제를 추가하였기 때문이다. Federal Register에서는 기존의 법규에서 3축 Neck Loadcell을 option으로 지정하고 있는 상황에서 6축을 표준으로 정한 이유를 다음과 같이 밝히고 있다[2].

    The three axis transducer does not provide information about the effects of off-axis loading that may occur in air bag impacts and crash tests involving the dummy’s rotational kinematics.

    또한, NHTSA는 6축 Neck Loadcell을 NCAP(New Car Assessment Program) test와 대부분의 연구개발 시험에 적용할 것이라고 밝혔다. 그러나, 3축과 6축 Loadcell의 Mounting부위에는 많은 차이가 있어, 기존의 Hybrid III와 동일한 Head의 질량과 무게중심을 가지면서 6축 Loadcell을 장착할 수 있도록 Head skull및 관련 Part들을 수정해야 할 필요가 있다. Figure 1은 기존의 Hybrid III dummy head와 수정된 Head의 Neck Loadcell Mounting부위를 나타내고 있다. 여기서, skull에 가공된 6축 Loadcell mount hole의 크기는 2.58 in.이다.

    또한, 6축 Loadcell을 이용할 경우, Head Accelerometer Mount부위가 약 0.28 in. 높아지기 때문에 Accelerometer Mount의 바닥면을 가공하여 C.G의 높이를 낮춰주어야 한다. 이밖에, 6축 Loadcell을 수용할 수 있도록 수정된SAE J211(MAR95)을 채택하는 등 Data Channel 및 Sign Convention에도 약간의 수정을 가하였다.


  3. Hip-Femur부위의 수정
    4.

    Hip-Femur 부위는 1982년 Honda의 Takeda et al.[3]에 의해 femur와 pelvis의 간섭현상 즉, “Hip Lock”이 보고된 이후로 지속적으로 문제점 및 해결방안이 제시되어 왔다. 본 장에서는 “Hip Lock” 현상과 Hip-Femur부위의 수정 내용을 살펴보기로 하자.

    1. Hip Lock의 개요

      2. Hip Lock현상이란, Figure 2에서처럼 Femur casting neck이 Femur retaining ring과 부딪히면서 야기되는 metal-to-metal contact ( Figure 2의 C, D 부위) 또는 Femur casting의 윗면과 aluminum pelvic casting이 pelvic foam을 통해 부딪히는 (Figure 2의 A, B 부위) 간섭현상을 말한다[4],[5]. 이러한 간섭은Hybrid III Dummy의 Lumbar Spine을 통해 Chest로 전달되어resultant chest acceleration을 증가시키는 데, 경우에 따라서는 20G 가까이 증가 시킬 수도 있다고 한다[6]. Figure 3은 Sled Test시 발생한 Hip-lock에 의해 변형된 Femur retaining ring과 Femur casting neck을 보여준다.

      　
    2. Hip joint의 수정

      3. Hybrid III Dummy의 Pelvis와 Femur사이의 회전각도의 한계때문에 발생하는 Hip Lock현상을 제거하기 위해, SAE Large Male, Small Female and 6-Year Old Dummies Task Group에서 Human volunteer를 대상으로 Maximum Hip Flexion Angle을 조사한 결과, 무릎을 구부린 상태에서 평균 122도이고, 표준편차는 13도로 나타났다[7]. 그런데, 기존의 Hybrid III의 경우 Minimum Hip Flexion Angle만 120도로 규제하고 있을 뿐, 상한치에 대한 규제는 찾아 볼 수 없다[8]. 따라서, SAE Task Group에서는 평균 Hip flexion angle을 122도로 규정하였는데, 이는 122도 이후로 Flexion에 대한 저항력이 급격히 증가하여야 함을 말한다. 또한, 340Nm(240ft-lb)의 Torque가 Hip Joint에 작용할 경우, Flexion Angle의 상한치를 135도로 제한하였다. 135도는 SAE Task Group에서 조사한 Maximum Hip Flexion Angle의 평균에 표준편차 1s 를 더하여 얻은 값이다.
      이러한 Maximum hip flexion 조건을 만족시키기 위해, Figure 4와 같이 Femoral Casting의 일부가 수정되었으며, 보다 상세한 내용을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, Femoral Shaft Axis가 Sagittal Plane상에 있을 때, Neck Axis가 Pelvis Mounting Surface와 수직이 되도록 Neck Angle(qN)을 변경하였으며, Pelvis와의 상대각이 보다 커질 수 있도록 Femur casting의 끝부분을 잘라내고, bump stop을 부착하였다. 여기서, 요구되는 Hip flexion을 구현할 수 있도록 40-45 durometer의 Bump Stop이 사용되었다.
      Figure 5에서 기존의 Hybrid III와 수정된 Hybrid III Hip-joint부위의 차이를 확인할 수 있으며, Bumper Stop을 제거하였을 경우, Figure 6과 같다. 이상과 같이 Femur를 수정한 후, NHTSA는 Calibration Procedure에 Hip joint-femur flexion을 추가하였다. 즉, 규정된 Test절차를 따라 Calibration을 수행하였을 때, 50ft-lbf의 Torque에서 Femur rotation angle이 36도를 초과하지 않아야 하고, 150ft-lbf에서는 46도에서 52도의 범위 안에 들어야 한다고 규제하였다. 그러나, 이 규제는 NHTSA의 Technical Amendment에 의해서 98년 3월 6일부터, 다음 Spec.으로 변경되었다. Femur를 초기 수평상태에서 30도 들어 올렸을 때, Torque가 70ft-lbf를 초과하여서는 안되고, 150ft-lbf에서 40도에서 50도 사이에 있어야 한다[9].

    　
  4. Ankle-Foot의수정
    5.

    Ankle-Foot Modification은 Hybrid III Dummy의 Ankle이 인간의 발목과 차이가 있어 실제 현상과 다른 결과를 보이는 경우가 발생한다는 Ford의 주장에 의해 시작되었다. 실제 인간의 발목은 45도의 dorsiflexion 각도를 가지지만 (Figure 7), 기존의 Hybrid III는 30도의 각도를 가지고 있었다. 이는 metal-to-metal contact을 발생시켜 실제와 다른 Dummy거동을 나타내게 만들었다. 이러한 문제점을 제거하기 위해, Figure 7, Figure 8과 같이, metal-to-metal contact을 방지하기 위한 Rubber ankle bumper를 추가하였으며, ankle ball joint의 위치를 변경하고, Heel부위에 Ensolite insert를 삽입하였다. 또한, Foot의 steel 뼈대를 없애고, foot-flesh와 tibia-flesh의 간섭을 배제하기 위해, 기존 Hybrid III foot의 위 부분에 있는 vinyl flap을 도려내었다.

    Figure 9와 Figure 10에서 기존 Dummy와 수정된 Dummy의 Ankle Joint와 Foot의 비교 사진을 볼 수 있다.

    　
  5. Neck Shield의 필요성
    6.

    Neck Shield의 필요성은1990년 GM의 Horsh et al.에 의해 최초로 보고되었다[10]. 이후, Ford에서 Hybrid III dummy로 Test를 수행할 경우, Neck Shield가 필요하다는 점을 지적하는 Petition을 NHTSA에 제출하였다. 이 Petition에 따르면, Airbag의 전개시 Cushion의 일부분이 Neck을 둘러싸거나 Dummy의 머리 아래쪽의 오목한 영역으로 들어가게 되어, 실제 인간의 거동과는 다르게 머리가 뒤로 젖혀지는 현상이 발생할 수 있다고 지적하였다. 따라서, Hybrid III Small Female dummy등을 이용하여 Out-Of-Position Airbag Deployment Test를 수행할 경우, Figure 11과 같이 Neck Shield를 이용할 경우 보다 실제현상에 가까운 결과를 얻을 수 있다.
    그러나, NHTSA에서는 Neck Shield의 사용을 법제화하는 것을 검토하였으나, Neck Shield의 사용이 필수적이고, 부수적인 문제를 야기시키지 않는다는 Data를 얻지 못 하였다. 따라서, 이번 법규수정에는 포함시키지 않았으나, 이러한 Data를 얻을 경우 언제든지 법제화할 의사가 있음을 밝혔다.


    　
  6. 결론
    7.

    지금까지 Hybrid III dummy의 변경사항을 살펴본 결과, 새로운 Dummy와 기존의 Dummy사이에는 거동 및 Injury면에서 약간의 상이점이 나타날 것으로 예상된다. 차후, DPI에서 새로운 Hybrid III Dummy를 이용한 시험을 수행하고 그 결과를 비교함으로써, 보다 구체적인 Data를 얻을 수 있겠지만, 비록 Data상의 상이점이 미미하다 할지라도 Hybrid III Dummy를 Up-grade하여야 할 필요가 있을 것으로 사료된다. 이는 Generic Pulse를 이용한 Amended FMVSS 208 Compliance Test를 수행하거나, FMVSS 208 또는 NCAP Test를 Sled에서 Simulation할 경우, 사용되는 Dummy의 법규만족 여부는 가장 기본적이며, 필수적이기 때문이다.

　 　

< 참고 문헌>

  1. National Highway Traffic Safety Administration, 49 CFR, Chapter V, Part 572-“Anthropomorphic Test Dummy,” Oct. 1997.
  2. National Highway Traffic Safety Administration, 49 CFR, Part 572, “Anthropomorphic Test Dummy; Occupant Crash Protection,” FR Doc. 74-14; Notice 118, May 1997.
  3. Takeda, H. And Kobayashi, S., “Optimizing Knee Restraint Characteristics for Improved Air Bag System Performance of a Small Car,” 9th International Technical Conference on Experimental Safety Vehicles, SAE 826027, Nov. 1982.
  4. Abramoski, E., Warmann, K., Feustel, J., Wilson, P., Wagner, B., and Nilkar, S., “An Evaluation of the SAE Recommended Design Changes to the Hybrid III Dummy Hip Joint,” SAE 950665, Mar. 1995.
  5. Kanno, Y., Masuda, M., and Matsuoka, F., “Evaluations of the Recommended New Parts for the Hybrid Dummy ? Neck Shield and Hip Joint,” Technologies for Occupant Protection Assessment, SAE 960450, Feb. 1996.
  6. Abramoski, E., Warmann, K., Feustel, J., Nilkar, S., and Nagrant, N.J., “High Chest Accelerations in the Hybrid III Dummy Due to Interference in the Hip Joint,” SAE 942224, 1994.
  7. Large Male, Small Female and 6-Year Old Dummies Task Group, “Hip Flexion Requirements for Adult Dummies,” SAE 950660, 1995.
  8. SAE J963, “Anthropomorphic Test Device for Dynamic Testing,” June 1968.
  9. National Highway Traffic Safety Administration, 49 CFR, Part 572, “Anthropomorphic Test Dummy; Occupant Crash Protection,” FR Doc. NHTSA-98-3296, Jan. 1998.
  10. Horsh, J., Lau, I., Andrzejak, D., Viano, D., Melvin, J., Pearson, J., Cok, D., and Miller, G., “Assessment of Air Bag Deployment Loads,” Proceedings of the 34th Stapp Car Crash Conference, pp.267-288, SAE 933119, Nov. 1993.