There have been many efforts by many investigators to improve the fuel efficiency of automotives through a variety of methods which include better engine managements, hybrid system or augmentation of the efficiency of individual mechanical parts. But, these methods require a lot of time, costs, and efforts. The most simple and certain solution are decreasing mass of vehicle. However, small and light vehicles may not be able to provide enough the passenger safety due to insufficient crash room.
In this study, an ultra light 3wheeler with active safety system which is called a variable crash box is studied and developed. By adapting the 6061 aluminum frame, the mass of the vehicle is reduced to only 250kg. And, the crash box and the chassis are analyzed by using a crash simulation tool like LS-DYNA to demonstrate the safety of the ultra light 3 wheeler with a variable crash box. The variable crash box is designed based on elastic buckling theory and several beam corner pattern are studied to maximize the absorption of crash energy. The designed ultra light vehicle with a unique safety system is expected to meet the goal of high fuel efficiency and safety at the same time. Also, the vehicle can be produced at a reasonably low cost.
최근 유가 상승으로 인한 자동차 산업에는 연료 효율을 높이기 위한 방안으로 하이브리드 및 연료 전지와 같은 다양한 기술을 개발하고 있다. 하지만, 이러한 기술에는 비용적인 측면뿐 만 아니라, 실용화 문제에 있어서도 앞으로 많은 시간과 연구가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 현재 차량들의 연비를 획기적으로 높일 수 있는 방안으로는 경량화 기법이 단연 돋보인다고 할 수 있다. 차량이 경량화 되려면 우선적으로 차량 프레임의 재질 변경 및 최적화 방법과 더불어 차량의 크기를 줄이는 것이 필요하지만 운전자의 안전 문제가 발생하게 된다.
따라서 본 연구에서는 최대 250kg 이하의 초경량 3륜 차량의 알루미늄 프레임을 제작하고, 초경량 차량들의 문제점인 운전자의 안전성 문제를 해결하기 위해 정면 충돌 시 발생하는 충격 에너지를 흡수할 수 있는 확장형 크래쉬 박스를 장착한다. 가변형 크래쉬 박스는 차량 정차 시 또는 저속에서는 메인 프레임 안쪽으로 숨겨져 초경량 3륜 차량의 이동성 및 주차성을 향상시키고 중고속시에는 스크루 모터 시스템을 연결하여 최대 30cm까지 크래쉬 박스가 확장하여 충돌 흡수 능력을 증가시킨다. 따라서 확장형 크래쉬 박스를 이루고 있는 사각 빔 부재들의 충돌 흡수 에너지를 향상시키기 위해 좌굴 흡수 에너지 이론을 적용하고, 모서리 패턴 가공을 통해서 전 속도 영역에서 충돌에 반응할 수 있도록 설계한다. 또한 충돌 전용 해석 프로그램인 LS-DYNA를 통해서 각각의 빔 부재들의 충돌에너지 흡수 및 충격량 분산에 대해서 알아보고 확장형 크래쉬 박스의 설계 방법에 대해서 알아본다.
본 연구에서의 결과는 다음과 같다.
모서리 패턴 가공 및 두께의 변화를 수반한 단일 빔의 충돌 시뮬레이션에서는 8.32m/s 의 중속영역까지는 compact mode 를 보이면서 에너지 흡수 능력이 가장 우수 하였지만, 15.5m/s 의 고속 영역에서는 결함 계수의 영향력과 높은 충돌 속도로 인해 compact mode 가 완벽하게 유지하지 못하는 결과를 보였지만, 충격력의 완화와 에너지 흡수 능력면에서는 가장 우수한 특성을 나타냈다.
단순화된 3륜차량에 크래쉬 박스 빔을 장착한 차량의 경우에 저속에서는 RCAR 규정에 만족스런 결과를 보였지만, regular beam 을 장착한 차량보다는 수리성 측면에서 다소 불리한 변형을 보였지만, 중 고속 영역에서는 차량의 들림 현상 및 반발력이 발생하지 않았고 충돌 시 빔의 앞쪽에서부터 모서리 패턴을 따라서 차례대로 압축 붕괴가 발생하여, 이로 인해 많은 충돌 에너지가 일정하게 흡수되는 현상을 나타냈다. 하지만, 17.8m/s 의 offset 충돌에서는, 알루미늄 허니컴구조의 변형 벽과의 충돌로 인한 굽힘 변형의 발생으로 대부분의 충격력이 차체 및 승객으로 전해지고, 많은 에너지를 흡수 하지 못하는 결과를 초래하였다. 이 시뮬레이션의 결과로 인해, 중간 빔과 모서리 패턴 가공 빔 사이의 보조 빔의 재설계 및 앞쪽의 범퍼를 기존 보다 더 넓게 잡아서 offset 충돌에 대비하도록 해야 한다.
