KR20170023291A - 좌굴을 이용한 차량 충돌 에너지 감쇄 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 충돌 에너지 감쇄 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 좌굴(buckling, 坐屈)되는 부재를 이용하여 차량 충돌 후 에너지 감쇄 장치의 운동을 2개 이상의 구간으로 다르게 함으로써, 상기 에너지 감쇄 장치의 깊이를 최소화하여 보다 경제적이고 현장 적합성이 높은 에너지 감쇄 장치를 개시하기 위한 것이다.
이를 통하여 본 발명은 보다 간명하고, 용이하게 차량 충돌 후 감속단계를 2단계 이상으로 구현할 수 있다. 이를 통하여 전체 시설의 크기(무엇보다도 시설의 깊이)를 줄일 수 있어서 경제적이며, 좁은 공간에도 설치할 수 있는 등 현장 적응성이 높다.

Description

좌굴을 이용한 차량 충돌 에너지 감쇄 장치{IMPACT ATTENUATOR WITH BUCKLING}
본 발명은 차량 충돌 에너지 감쇄 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 좌굴(buckling, 坐屈)되는 부재를 이용하여 차량 충돌 후 에너지 감쇄 장치의 운동을 2개 이상의 구간으로 다르게 함으로써, 상기 에너지 감쇄 장치의 깊이를 최소화하여 보다 경제적이고 현장 적합성이 높은 에너지 감쇄 장치를 개시하기 위한 것이다.
일반적으로 고정구조물이 도로에 위치하는 경우 구조물의 전방에 충돌 에너지 감쇄 장치가 설치되어 운전자의 부주의 또는 불가피한 사유로 인해 충돌사고 발생 시에 운전자의 사상, 차량의 심한 파손 및 필요에 따라 구조물의 파손을 방지한다. 충돌 에너지 감쇄 장치는 도로의 분기점 또는 진입로 등에 설치된 중앙분리대나 가이드레일의 시작점에 설치되거나 교각의 하단부, 터널 입구 등에 설치된다.
이와 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허공보(A) 제10-2006-0065554호(2006.06.14.)에 의하여 개시된 '차량충돌 복원형 충격흡수완화장치'가 있다. 상기 선행기술은 자동차 충돌 시 충격을 흡수하여 운전자에게 전달되는 충격을 최소화할 수 있도록 한 복원형 충격흡수 완화 시스템에 관한 것이라는 점에서 본원발명과 일정 부분 공통점이 있다. 하지만, 상기 선행기술은 차량의 충돌에 의한 운동에너지가 인가될 때 힘의 방향을 수평방향에서 수직방향으로 전환시키는 동시에 스프링의 탄성복원력을 이용하여 운동에너지를 흡수하는 복원형 충격흡수완화장치를 개시할 뿐 후술하는 본원발명과 같이 충돌 에너지 감쇄 장치의 운동 단계를 조절한다거나, 이를 위한 수단을 전혀 개시하지 못하고 있다.
또 다른 선행기술로는 대한민국 등록특허공보(B1) 제10-0869344호(2008.11.12.)에 의하여 개시된 '도로용 충격흡수장치'가 있다. 상기 선행기술은 고정구조물의 전방에 설치되어 차량의 추돌 시 충격을 효과적으로 흡수하여 차량 및 운전자를 보호할 수 있는 충격흡수장치에 관한 것이라는 점에서 본원발명과 일정 부분 공통점이 있다. 하지만, 상기 선행기술은 차량의 추돌 시 가해지는 충격을 이동프레임의 수평방향의 변위에 따라 코일스프링이 탄성에너지로 흡수함과 동시에 변위에 대한 수직방향으로 팬터그래프 부재가 충격을 분산시키는 것만을 개시할 뿐 본원발명과 같이 충돌 에너지 감쇄 장치의 운동 단계를 조절한다거나, 이를 위한 수단을 전혀 개시하지 못하고 있다.
한편, 본원발명의 발명자에 의하여 대한민국 등록특허공보(B1) 제10-1372567호(2014.3.4.)로 개시된 '다단계 속도-시간 이력을 이용한 관성형과 비관성형이 결합된 복원형 충격흡수시설'의 경우에는 후술하는 본원발명과 같이 충돌 에너지 감쇄 장치의 운동 단계를 조절한다는 점에서 본원발명과 일부 공통점이 있으나, 중량부를 사용한다는 점에서 후술하는 본원발명과 달리 시설의 하중이 증가하고, 현장 적합성이 떨어지는 문제점이 있다. 본원발명은 이 선행기술을 개량하여 보다 간명하고, 쉽게 충돌 에너지 감쇄 장치의 운동 단계를 조절하기 위한 것이다.
본원발명에서 활용되는 '좌굴(buckling, 坐屈)'은 일반적으로 압축부재에서 압축력의 크기가 증가되면서 갑자기 평형상태가 변하여 축방향으로 변위가 크게 일어나는 현상을 말한다. 즉, 좌굴이 발생하기 전후로 축방향의 운동을 전혀 달리하는데, 좌굴 발생 전에는 축방향으로 상당한 압축 하중을 견디지만, 일단 좌굴이 발생하게 되면, 즉 부재의 구부러짐이 발생하면 급격히 변형이 진행되고 결국 부재는 파괴된다. 좌굴이 발생하게 되면, 좌굴이 발생하기 전과 대비하여 압축 하중에 대응하지 못 하고 큰 변위를 발생하게 되는 것이다.
대한민국 공개특허공보(A) 제10-2006-0065554호(2006.06.14.) 대한민국 등록특허공보(B1) 제10-0869344호(2008.11.12.) 대한민국 등록특허공보(B1) 제10-1372567호(2014.3.4.)
본원발명은 개량된 차량 충돌 에너지 감쇄 장치를 개시하고자 한다. 상기 개량된 차량 충돌 에너지 감쇄 장치는 차량 충돌 후 감속단계를 2단계 이상으로 구성토록 하여 차량 충돌 에너지 감쇄 장치의 깊이를 작게 하고자 한다.
이를 통하여 좁은 공간에서 설치 가능할 뿐만 아니라 경제성도 우수한 차량 충돌 에너지 감쇄 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본원발명은 상기 2단계 이상의 차량 충돌 후 감속단계를 구현함에 있어 보다 간명하고 간편한 구조를 개시하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해서 본 발명은, 구조프레임, 에너지소산장치 및 고정대를 포함하는 차량 충돌 에너지 감쇄 장치에 있어서, 상기 구조프레임은 전방으로부터 후방으로 설치되는 제1 슬라이딩프레임과 제2 슬라이딩프레임을 포함하고, 상기 제1 슬라이딩프레임과 상기 제2 슬라이딩프레임 사이에는 빈공간이 형성되어 있고, 상기 에너지소산장치는 상기 제1 슬라이딩프레임이 차량 충돌에 의하여 뒤로 밀리는 때에 상기 제2 슬라이딩프레임에 힘을 가하지 않으면서 에너지를 소산하는 제1 에너지소산장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 충돌 에너지 감쇄 장치를 개시한다.
상기 제1 슬라이딩프레임은 제1 레일이 형성되고, 상기 제2 슬라이딩프레임에는 사이드윙이 형성되어 있되, 상기 사이드윙과 상기 제1 레일이 슬라이딩 가능하게 결합되어 차량 충돌 시 상기 제1 슬라이딩프레임이 상기 제2 슬라이딩프레임에 미끄러지면서 이동하여 상기 제2 슬라이딩프레임이 힘을 가하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 에너지소산장치는 상기 제1 슬라이딩프레임이 뒤로 밀려서, 상기 제2 슬라이딩프레임을 미는 경우, 상기 제2 슬라이딩프레임이 뒤로 밀리면서 에너지를 소산시키기 위한 제2 에너지소산장치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2 에너지소산장치는 속도가 일정하게 감속될 수 있도록 함을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2 에너지소산장치는 보다 크기가 큰 에너지 소산 수단 내부에 보다 크기가 작은 에너지 소산 수단이 위치하도록 하는 것이며, 보다 크기가 큰 에너지 소산 수단의 변형부재의 두께가 보다 크기가 작은 에너지 소산 수단의 변형부재의 두께보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 에너지소산장치는 가늘고 긴 부재인 좌굴부재를 포함하고, 상기 좌굴부재는 상기 제1 슬라이딩프레임과 상기 고정대를 연결한 것이어서, 차량 충돌 시 상기 제2 슬라이딩프레임 및 상기 제2 에너지소산장치에 에너지를 전달하지 않고, 상기 제1 에너지소산장치가 단독으로 에너지를 소산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 좌굴부재는 차량 충돌에 의하여 좌굴 현상을 일으키면서 상기 제1 슬라이딩프레임을 뒤로 밀리도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 에너지소산장치는 상기 좌굴부재의 중간 부분을 지지하는 중간지지부를 더 포함하되, 상기 중간지지부는 상기 좌굴부재의 좌굴 변형 방향으로 열린 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 중간지지부는 상기 제2 슬라이딩프레임의 일부를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원발명은 상술한 과제 해결 수단을 통하여, 개량된 차량 충돌 에너지 감쇄 장치를 개시한다.
상기 개량된 차량 충돌 에너지 감쇄 장치는 좌굴을 이용하여 보다 간명하고, 용이하게 차량 충돌 후 감속단계를 2단계 이상으로 구현할 수 있다. 이를 통하여 전체 시설의 크기(무엇보다도 시설의 깊이)를 줄일 수 있어서 경제적이며, 좁은 공간에도 설치할 수 있는 등 현장 적응성이 높다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 일 실시 예인 ‘차량 충돌 에너지 감쇄 장치’를 개념적으로 도시한 것으로서 제1 도는 전체 사시도, 제2 도는 평면도, 제3 도는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 적용된 제2 에너지소산장치 및 다른 실시 예를 보인 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 2의 B-B’ 단면을 보인 것이다. 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 일 실시 예의 차량 충돌 후 탑승자의 머리가 차량 내부공간의 가상 면에 부딪힐 때(THIV 판단 시)까지의 거동을 개념적으로 보인 것이다. 도 5 내지 도 7은 차량 충돌 후의 거동을 순차적으로 보인 것이다. 도 5는 차량 충돌 직후로서 제2 에너지소산장치가 강하게 축력을 받으며 급격한 에너지를 소산하는 단계이고, 도 6 및 도 7은 좌굴이 발생하면서 급격하게 변위가 발생 또는 파괴(미도시)되는 것을 보인 것이다.
도 8은 종래 안전시설의 차량 충돌 후 감속도 곡선을 보인 것이고 도 9는 본 발명의 일 실시 예의 차량 충돌 후 감속도 곡선을 보인 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 일 실시 예인 '차량 충돌 에너지 감쇄 장치'를 개념적으로 도시한 것으로서 제1 도는 전체 사시도, 제2 도는 평면도, 제3 도는 측면도이다.
우선 본 실시 예의 도면을 본원발명의 일 실시 예를 개념적으로 도시한 것이며, 다양한 형태(디자인)로 이를 구현할 수 있으며, 후술하는 본원발명의 기술적 사상이 적용된 것이라면 이러한 형태에 제한됨이 없이 본원발명의 범주에 속하는 것이라고 보아야 한다.
본 실시 예는 크게 보아 구조프레임과 에너지소산장치로 구성된다. 상기 구조프레임은 본 실시 예의 형태를 유지하는 것이며, 상기 에너지소산장치는 차량 충돌에 따라 발생하는 충돌 에너지를 감쇄시키기 위한 수단이다.
구조프레임
상기 구조프레임은 차량 충돌 시 저항하지 않고 뒤로 밀리는 슬라이딩 구조이다. 또한 2단의 슬라이딩 구조이다. 상기 구조프레임은 전방으로 후방으로 설치되는 제1 슬라이딩프레임(10)과 제2 슬라이딩프레임(20)으로 구성된다. 전방은 차량이 충돌하는 쪽을 의미한다.
상기 제1 및 제2 슬라이딩프레임은 큰 저항 없이 뒤로 잘 밀릴 수 있도록 그 하부에도 슬라이딩 구조나 저항을 저감하는 수단을 더 구비할 수 있다(미도시). 보다 많은 슬라이딩프레임을 구비할 수도 있으나, 본원발명의 효과를 달성하기 위해서는 최소한 2개 이상의 슬라이딩프레임을 포함하여야 한다. 한편 최종적으로 제1 슬라이딩프레임과 제2 슬라이딩프레임을 뒤에서 지지하는 고정대(30)를 포함한다. 상기 고정대(30)는 고정프레임(31)과 고정부(32)를 포함한다. 본 실시 예에서 상기 고정부는 지중에 일부 매설되어 차량 충돌 에너지 감쇄 장치를 고정시키는 고정용 H형강을 사용하였다. 상기 고정프레임은 상기 고정부에 부착 고정되어 후술하는 상기 제2 슬라이딩프레임과 슬라이딩 결합을 한다.
중요한 점은 상기 제1 및 제2 슬라이딩프레임은 역학적으로 충돌 에너지를 소산할 목적의 부재는 아니라는 점이며, 충돌 후 큰 저항 없이 뒤로 밀리도록 구비되면 되는 것이다. 에너지 소산은 후술하는 에너지소산장치의 몫이다.
상기 제1 슬라이딩프레임은 제1 레일(11)을 포함하여 차량 충돌 시 저항하지 않고 뒤로 밀린다. 상기 제1 슬라이딩프레임은 전면, 즉 차량이 충돌하는 면에 위치하여 차량 충돌 후 뒤로 밀리면서, 일정 구간이 밀리면, 상기 제2 슬라이딩프레임을 밀게 된다. 본 실시 예의 경우 좌우 위아래 4개의 제1 레일을 포함하여 구조적으로 안정적이게 하였다. 한편, 상기 제1 레일은 상기 제2 슬라이딩프레임의 외측으로 돌출되는 사이드윙(21)에 끼워져 결합되어 있다.
상기 제2 슬라이딩프레임 또한 상기 제1 슬라이딩프레임과 마찬가지로 차량 충돌 후 상기 제1 슬라이딩프레임이 뒤로 밀려 상기 제2 슬라이딩프레임을 밀게 되는 경우 크게 저항하지 않고 슬라이딩되어 뒤로 밀리는 구조를 취하면 된다. 제2 슬라이딩프레임은 이를 위하여 제2 레일(22)을 구비한다. 상기 제2 레일은 고정프레임(31)에 형성되는 사이드윙(21)에 끼워져 결합되어 있다.
에너지소산장치
본 실시 예의 에너지소산장치는 제1 에너지소산장치(40)와 제2 에너지소산장치(50)를 포함한다. 제1 에너지소산장치는 상기 제1 슬라이딩프레임과 상기 고정대를 연결한 것으로서 차량 충돌 시 에너지를 즉시 에너지를 소산하는 기능을 담당하는 장치이다. 상기 제2 에너지소산장치는 앞에서 설명한 바와 같이 제1 슬라이딩프레임이 뒤로 밀려서(제1 에너지소산장치에 의하여 에너지를 소산시키고), 상기 제1 슬라이딩프레임에 의하여 상기 제2 슬라이딩프레임이 뒤로 밀리게 될 때 에너지를 소산시키는 장치이다. 제2 에너지소산장치는 상기 제2 슬라이딩프레임과 상기 고정대를 연결한 것이다.
차량 충돌 후 본 실시 예인 차량 충돌 에너지 감쇄 장치의 거동을 크게 2개로 나누어 설명한다. 그 기준은 개념적으로 차량 탑승자의 머리가 차량 내부 공간(컴파트먼트, compartment)의 가상 면에 부딪히는 때(이하 이를 '탑승자 충돌 시'라 함)이다. 이때의 이상화된 탑승자 머리의 순간 상대속도를 THIV(Theoretical Head Impact Velocity, 탑승자-컴파트먼트 충돌속도)라 한다.
제1 에너지소산장치는 탑승자 충돌 시 이전 단계에서 에너지를 소산하는 장치이고, 상기 제2 에너지소산장치는 탑승자 충돌 시 이후에 에너지를 소산하는 장치이다.
우선, 제2 에너지소산장치를 설명한다. 탑승자 충돌 시 이후에는 후술하는 바와 같이 가속도가 중요한 요소이다. 즉, PHD를 관리 대상으로 하는데 이에 대하여는 구체적으로 후술하기로 한다. 가속도(보다 정확하게는 감속도이다)가 중요한 요소이므로, 속도가 일정하게 감속할 수 있도록 하여야 한다. 이는 후술하는 도 9의 ③구간을 형성하는 것에 대응한다. 즉, 동일한 힘으로 저항할 수 있는 에너지소산장치라면 무엇이라도 적용 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 적용된 제2 에너지소산장치 및 다른 실시 예를 보인 도면이다. 예를 들면 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 보다 크기가 큰 에너지 소산 수단 내부에 점차적으로 보다 크기가 작은 에너지 소산 수단이 위치하도록 하는 것이다. 보다 크기가 큰 에너지 소산 수단의 변형부재의 두께가 보다 크기가 작은 에너지 소산 수단의 변형부재의 두께보다 큰 것이 바람직하다. 이는 본 실시 예에 적용된 것으로, 원통형의 에너지 소산 수단이 세워져 있되, 보다 작은 직경을 가진 원통형 에너지 소산 수단이 보다 큰 직경을 가진 에너지 소산 수단 내부에 순차적으로 세워지는 것이다. 이 때 외부에서 내부로 갈수록 그 두께를 줄여나가야 일정한 감속도를 유지할 수 있다. 변형이 생기면서 저항하는 에너지 소산 수단의 개수가 증가하기 때문이다. 이러한 모듈을 여러 개 설치하면 제2 에너지소산장치가 되는 것이다. 도 4의 (b)는 제2 에너지소산장치의 다른 일 실시 예를 보인 것으로 내부가 빈 수직형의 기둥이 서로 인접하여 형성되어(예를 들면 벌집과 같이) 일정하게 에너지를 소산시킬 수 있도록 한 것이다.
이하, 제1 에너지소산장치를 설명한다. 도 5 내지 도 7은 도 2의 B-B' 단면을 보인 것이다. 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 일 실시 예의 차량 충돌 후 탑승자의 머리가 차량 내부공간의 가상 면에 부딪힐 때(THIV 판단 시)까지의 거동을 개념적으로 보인 것이다. 도 5 내지 도 7은 차량 충돌 후의 거동을 순차적으로 보인 것이다. 도 5는 차량 충돌 직후로서 제2 에너지소산장치가 강하게 축력을 받으며 급격한 에너지를 소산하는 단계이고, 도 6 및 도 7은 좌굴이 발생하면서 급격하게 변위가 발생 또는 파괴(미도시)되는 것을 보인 것이다.
이를 보다 구체적으로 설명한다. 제1 에너지소산장치는 기본적으로 좌굴이 발생할 수 있는 가늘고 긴 부재를 활용한다. 본 실시 예에서는 도면부호 51이며 이를 좌굴부재(41)라 한다. 상기 좌굴부재는 제1 슬라이딩프레임과 고정대를 연결한다. 상기 제1 슬라이딩프레임과 상기 고정대의 거리가 먼 경우 상기 좌굴부재를 중간 부분을 지지하는 중간지지부(23)를 형성할 수 있다. 상기 중간지지부는 상기 제2 슬라이딩프레임의 일부일 수 있으며, 좌굴 변형 방향으로 열린 형태이어야 한다. 본 실시 예의 경우 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 상기 중간지지부는 위로 열린 상태이다. 또한 상기 지지부는 상기 좌굴부재를 고정하는 것이 아니라 단순히 지지만 하면 되는 것이다.
차량 충돌 시 상기 좌굴부재는 좌굴 발생 이전에 강하게 압축력을 받아 높은 수준의 에너지를 급격하게 소산시키나(도 5), 일단 좌굴이 발생하면(도 6 및 도 7), 급격히 뒤로 밀리면서 이미 앞에서 설명한 제2 에너지소산장치의 작용단계로 넘어가게 된다. 제1 에너지소산장치의 이와 같은 구성이 가지는 작동의 특성은 다음과 같다.
충격흡수시설은 주행 차로를 벗어난 차량이 도로상의 구조물과 충돌하기 전에 차량의 충격에너지를 흡수하여 정지토록 하거나, 차량의 방향을 교정하여 본래의 주행차로로 복귀시켜주는 기능을 하며, 충돌차량의 복귀는 기존은 방호울타리 설계개념의 적용이 가능하며, 충격흡수시설의 설계는 에너지 소산방법이 관건이다.
도 8은 종래 안전시설의 차량 충돌 후 감속도 곡선을 보인 것이고 도 9는 본 발명의 일 실시 예의 차량 충돌 후 감속도 곡선을 보인 것이다. X축은 충돌 후 경과 시간을, Y축은 THIV를 나타낸 것이다. 참고로 대한민국 국토교통부의 도로안전시설 및 관리지침의 'THIV' 및 'PHD'의 정의는 다음과 같다.
THIV(Theoretical Head Impact Velocity, 탑승자-컴파트먼트 충돌속도): 차량이 안전시설에 충돌할 때 탑승자의 충돌 위험도를 평가하기 위한 지수들 중에 하나로 탑승자의 머리가 차량의 충돌속도로 자유 비행한다고 보고, 차량이 시설물과 충돌하여 감속되는 동안 머리가 자유 비행하여 차량 내부공간의 가상 면에 부딪칠 때의 차량과 이상화된 탑승자 머리의 순간 상대속도.
PHD(Post-impact Head Deceleration, 탑승자-컴파트먼트 충돌 후 최대 가속도); 탑승자가 차량 내부공간의 가상 면에 부딪힌 후 접촉을 유지하여 차량의 가속도를 그대로 받게 된다고 보아 THIV가 계산된 이후 계산된 차량의 10m/sec 평균가속도의 최대치.
예를 들어, 2015년 국토교통부의 '차량방호 안전시설 실물충돌시험 업무편람'에 의하면 방호울타리 단부처리시설은 탑승자의 안전성능을 평가하기 위하여 정면충돌 시의 경우 탑승자 충돌속도(THIV)와 탑승자 가속도(PHD)를 계산하여 아래 표의 평가 기준 한계 값을 만족하여야 한다고 규정하고 있다.
Figure pat00001
위와 같은 탑승자 보호 성능 평가 기준(THIV와 PHD의 한계 값)을 만족하는 속도-시간 그래프의 아래 면적(도 8 및 도 9의 아래 음영 면적)은 충돌 후 차량의 이동거리(구조물 변형길이), 즉 안전시설이 확보해야 되는 최소한의 깊이(이하 '안전시설물 최소 깊이')가 된다.
종래의 감속도 곡선(도 8)에 의하면 탑승자 충돌속도(THIV) 한계 값 44km/h(12m/s)를 만족시키기 위한 선형 감가속도는 12.2g로 나타나며, 선형 감가속도가 12.2g 이상인 경우는 탑승자 충돌속도가 한계 값을 초과하게 된다. 기존의 충격흡수시설은 도 8에 나타나 있는 것과 같이 1단계 선형(구간 ①)으로 구성된 속도-시간 이력 설계개념을 적용하여 충돌 에너지를 소산시키는 것이 일반적이다. 이와 같은 1단계 선형으로 구성된 속도-시간 이력 설계개념을 적용하여 도로안전시설 설치 및 관리지침(국토교통부)에 제시되어 있는 기준을 만족하는 것이다.
기존의 감속도 곡선을 이용한 안전시설은 에너지 소산 절차가 간단해 비교적 구조가 단순하다. 하지만 감속도 곡선이 일직선으로 나타나므로 구조물의 변형길이가 길고 비효율적이며, 탑승자 안전지수인 THIV와 PHD를 조절(control)하기 어려워 설계한 안전시설을 실용화하기 어렵다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 또한, 본 발명이 제시하고자 하는 기술적 사상은 상기 탑승자 보호 성능 평가 기준을 만족하면서도 상기 '안전시설물 최소 깊이'를 획기적으로 낮추는 것이다. 이를 위하여 상술한 좌굴부재를 이용한 제2 에너지소산장치를 개시하는 것이다.
한편, 도 9는 본 발명의 기술적 배경이 되는 차량 충돌 후 속도와 시간과의 관계를 그래프로 도시한 것인데, 종래 선행기술인 도 8의 그래프와 달리 3-직선 감속도 그래프를 이용하게 된다. 이런 안전시설의 경우에는 3가지 직선을 조절해 구조물의 변형길이를 혁신적으로 줄일 수 있으며 THIV와 PHD의 조절(control)이 쉬워 안전시설을 실용화하기 용이하다. 하지만 에너지 소산 절차가 단계로 이루어져 안전시설의 구조가 복잡하다. 하지만, 본 발명이 제시하는 좌굴부재는 매우 간단한 접근이라고 할 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 8 및 도 9의 THIV는 최초 탑승자 머리의 위치로부터 충돌면까지의 거리를 0.6m(그래프의 위쪽 면적)로 가정한 값을 표시한 것이다. THIV 측정값 이후의 그래프는 PHD를 만족해야 한다. 한편, 도 8과 대비하여 도 9의 그래프 아래 면의 면적을 보면, THIV값을 측정하는 시간 이전 단계에서 속도의 변화가 크게 발생하는 제① 구간이 형성되고, 또한 속도의 변화가 작은 제② 구간을 형성됨으로써 전체적으로 도 2의 그래프 아래 면적이 도 1의 그것과 대비하여 작아지는 효과가 나타난다.
하지만 이와 같은 획기적인 효과가 있음에도 불구하고, 종래의 기술이 적용된 안전시설에 비하여 3단계의 속도변화, 특히 THIV 측정 시 이전 단계에서 2단계의 속도변화 구간이 가능한 안전시설을 제공하는 데, 어려움이 있었다. 본 발명은 이와 같은 어려움을 해결한 것이다. 본 발명이 제시하는 도로 안전 시설물은 상기 제① 구간과 제② 구간을 용이하게 형성하기 위한 1차 에너지소산장치를 개시한 것이다. 상기 1차 에너지소산장치는 구조적, 재료적 특성을 가진 요소로 그 기능을 달성할 수 있는데, '강재의 좌굴'을 좌굴 이전 단계와 좌굴 이후 단계를 나누어 상기 제① 구간과 상기 제② 구간을 구별하여 대응토록 한 것이다. 즉 강재의 좌굴을 이용해 짧은 시간에 많은 에너지를 소산해 큰 감속도를 얻는 구간을 형성하고, 그 이후에는 급격한 변위를 발생시키도록 한 것이다.
한편, 제② 구간은 비교적 적은 감속도를 가져야 한다. 가능하다면 감속도가 0에 가깝도록 하는 것도 바람직하다. 덧붙여 THIV 측정시 이후 단계에서의 감속은 PHD 기준을 만족하면 된다. 이미 설명한 제1 슬라이딩프레임, 제2 슬라이딩프레임 및 제2 에너지소산장치가 이 역할을 담당한다. 제1 슬라이딩프레임과 제2 슬라이딩프레임은 사이에 빈공간(empty space)이 형성되고, 제1 슬라이딩프레임이 제2 슬라이딩프레임 방향으로 상기 빈공간을 좁히며 밀릴 때 상기 제2 슬라이딩프레임에는 힘을 전달하지 않아 상기 제② 구간을 형성할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명의 일 실시 예는 제② 구간을 형성하기 위해서 속도를 감소시키지 않고 유지할 수 있는 빈공간(empty space)을 구성요소로 한다. 차량 충돌 전 상기 제1 레일과 상기 사이드윙 사이에는 뒤로 밀리는 속도가 감속되지 않도록 빈공간이 형성되는 것이다.
본 발명은 특정한 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서는 얼마든지 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.
10: 제1 슬라이딩프레임
11: 제1 레일
20: 제2 슬라이딩프레임
21: 사이드윙
22: 제2 레일
23: 중간지지부
30: 고정대
31: 고정프레임
32: 고정부
40: 제1 에너지소산장치
41: 좌굴부재
42: 빈공간
50: 제2 에너지소산장치

Claims (9)

  1. 구조프레임, 에너지소산장치 및 고정대를 포함하는 차량 충돌 에너지 감쇄 장치에 있어서,
    상기 구조프레임은 전방으로부터 후방으로 설치되는 제1 슬라이딩프레임과 제2 슬라이딩프레임을 포함하고,
    상기 제1 슬라이딩프레임과 상기 제2 슬라이딩프레임 사이에는 빈공간이 형성되어 있고,
    상기 에너지소산장치는 상기 제1 슬라이딩프레임이 차량 충돌에 의하여 뒤로 밀리는 때에 상기 제2 슬라이딩프레임에 힘을 가하지 않으면서 에너지를 소산하는 제1 에너지소산장치를 포함하는 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 슬라이딩프레임은 제1 레일이 형성되고,
    상기 제2 슬라이딩프레임에는 사이드윙이 형성되어 있되,
    상기 사이드윙과 상기 제1 레일이 슬라이딩 가능하게 결합되어
    차량 충돌 시 상기 제1 슬라이딩프레임이 상기 제2 슬라이딩프레임에 미끄러지면서 이동하여 상기 제2 슬라이딩프레임이 힘을 가하지 않는 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지소산장치는
    상기 제1 슬라이딩프레임이 뒤로 밀려서, 상기 제2 슬라이딩프레임을 미는 경우, 상기 제2 슬라이딩프레임이 뒤로 밀리면서 에너지를 소산시키기 위한 제2 에너지소산장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 에너지소산장치는 속도가 일정하게 감속될 수 있도록 함을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 에너지소산장치는 보다 크기가 큰 에너지 소산 수단 내부에 보다 크기가 작은 에너지 소산 수단이 위치하도록 하는 것이며, 보다 크기가 큰 에너지 소산 수단의 변형부재의 두께가 보다 크기가 작은 에너지 소산 수단의 변형부재의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에너지소산장치는 가늘고 긴 부재인 좌굴부재를 포함하고,
    상기 좌굴부재는 상기 제1 슬라이딩프레임과 상기 고정대를 연결한 것이어서,
    차량 충돌 시 상기 제2 슬라이딩프레임 및 상기 제2 에너지소산장치에 에너지를 전달하지 않고, 상기 제1 에너지소산장치가 단독으로 에너지를 소산하는 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 좌굴부재는 차량 충돌에 의하여 좌굴 현상을 일으키면서 상기 제1 슬라이딩프레임을 뒤로 밀리도록 하는 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 에너지소산장치는 상기 좌굴부재의 중간 부분을 지지하는 중간지지부를 더 포함하되,
    상기 중간지지부는 상기 좌굴부재의 좌굴 변형 방향으로 열린 형태인 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 중간지지부는 상기 제2 슬라이딩프레임의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    차량 충돌 에너지 감쇄 장치







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