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문제 정의
- 본 연구의 대상인 자작자동차(hand-made vehicle)의 개발 목적은 포뮬러(formula) 형태의 자작 차량의 특징을 설명함으로써 이해될 수 있다. 포뮬러 차량은 국제 자동차 연맹인 FIA에서 매년 발표하는 구조, 중량, 배기량 등의 규격에 맞추어 제작된 경주용 차를 말한다.
- 그러나 포뮬러 형태의 자작자동차 제작에 대한 국내 대학들의 참여도는 미국 등 자동차 기술선진국에 비해 낮은 편이다. 이에 본 연구에서는 자작자동차에 대한 관심을 고취시키고, 포뮬러 형태의 자작자동차에 대한 안정화 및 고성능화 기술을 적용한 설계 및 제작 방법 등에 연구하고자 한다.
제안 방법
- 이 3가지 조건을 충족시키기 위해 주재료는 가볍고 강도가 높은 스틸 인발파이프(pull-out steel tube)를 사용하였다. CO2용접보다 숙련된 기술이 필요하지만 모재의 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접으로 프레임을 제작하였다. 또한 대회의 규정에 맞게 차량 사이즈를 정하고 프레임이 경기 시에 발생할 수 있는 전복과 충돌로부터 드라이버를 충분히 보호할 수 있는 구조로 설계되어야 한다.
- VF-1의 프레임은 제작에 용이하도록 벌크헤드(bulk head)와 프론트 롤 후프(front roll hoop), 메인 롤 후프(main roll hoop)의 간격을 350mm로 일정하게 설계하였고 프론트 부분의 암 포인트(arm point)가 자유로운 곳에 위치하여 하중을 효과적으로 지지할 수 있도록 프레임에 필수적인 보강재(bracing)들을 배치하였다. 강성을 고려하여 프론트 롤 후프와 메인 롤 후프를 벤딩(bending)하여 제작하고 최 하단의 멤버만 용접하는 방식을 선택했다.
- 프론트와 리어 모두 풀 로드 타입(pull load type)으로 설계하였다. 가감속 시에 차량에 발생하는 안티 다이브, 안티 리프트, 안티 스쿼트(anti-dive, anti-lift, anti-squat) 현상 (Fig. 7과 8 참조)에 대해 모두 56%로 설정하고 무게중심의 변화를 최소화하여 차량의 민첩성을 높여 타이어의 접지력 저하를 방지하도록 하였다[12].
- VF-1의 프레임은 제작에 용이하도록 벌크헤드(bulk head)와 프론트 롤 후프(front roll hoop), 메인 롤 후프(main roll hoop)의 간격을 350mm로 일정하게 설계하였고 프론트 부분의 암 포인트(arm point)가 자유로운 곳에 위치하여 하중을 효과적으로 지지할 수 있도록 프레임에 필수적인 보강재(bracing)들을 배치하였다. 강성을 고려하여 프론트 롤 후프와 메인 롤 후프를 벤딩(bending)하여 제작하고 최 하단의 멤버만 용접하는 방식을 선택했다.
- 최근 국내/외의 포뮬러 자작자동차 기술경향은 다음과 같다. 경량화를 위해서 현재 주목 받는 기술로 선정된 3D프린팅 기술을 이용해 적합한 부품을 제작하고, 충격완화장치를 무거운 철판 대신 대회 규정에서 제시된 허용한계에 맞게 알루미늄 같은 가벼운 소재를 선택하여 제작하기도 한다. 또한 실제 제작에 앞서 CAD 프로그램을 이용하여, 2D 및 3D 도면작업을 수행하고, 유한요소해석(FEM) 기술을 적용된 CAE 프로그램을 사용하여, 실제 차량 주행 시 차량이 받는 정적 및 동적 하중에 의한 해석의 결과를 설계에 반영하여, 차량의 내구성을 갖춘 경주용 차량으로 설계 및 제작되어지고 있다.
- 기본적으로 제동거리를 줄일 수 있는 방안으로 풀 일렉트릭 패들 시프트 시스템(full electric paddle shift system)을 적용하였다. 이 시스템의 구현방법으로 솔레노이드 실린더와 DC 모터가 있는데 솔레노이드 실린더를 사용할 경우 부품의 수가 현저히 줄어들어 경량화와 비용절감의 효과를 모두 만족시킬 수 있으나 차량의 전력을 소모하므로 소모량의 계산과 테스트가 필요했다[1-5].
- 셋째, 더블 위시본방식으로 현가장치를 설계하여 주행 안정 성능 향상과 구조적으로 자유로운 설계가 가능하도록 하였다. 넷째, 변속기는 베벨기어를 사용한 기본적인 디퍼런셜 구조를 갖추도록 하고 하우징을 알루미늄 블럭으로 가공함으로써 차량 경량화를 이뤘다. 마지막으로 풀 일렉트릭 패들 쉬프트를 장착하여 변속시간을 줄이고 드라이버의 편의를 높였다.
- 디퍼런셜의 마운트 브라켓은 재설계를 통해 최종적인 형상이 결정 및 가공되었다. 대 기어와 소 기어가 연결되는 체인의 인장력을 고려해서 디퍼런셜의 위치를 이동가능 하도록 제작하였다. 2014년도에는 LSD가 아닌 기본 디퍼런셜을 사용 하는 대신 강력한 스프링을 베벨기어의 축에 넣어 제작하였다.
- VF-1팀의 스티어링 시스템은 알루미늄 블록을 가공하여 기어박스를 만들고 그 안에 피니언기어와 랙 기어를 삽입하여 플레인 베어링으로 유니버셜 조인트를 연결해 스티어링 샤프트로 패들 쉬프트까지 연결하는 방식이다. 랙 기어와 피니언기어를 미스미사에서 구매하기에 앞서 조향비를 결정하였다. 조향 비는 스티어링 휠이 90도 회전했을 때 최소회전반경이 2.
- 앞에서 부분별로 본 연구의 대상에 대해 설계요점과 의도를 기술하였으며 3장에서는 부분별 제작과정에 대해 설명한다. 먼저, Fig. 10에서와 같이 CATIA를 사용해 모델링 된 프레임을 규정에 맞게 벌크헤드, 프론트 롤 후프, 메인 롤 후프 순으로 제작하고 보강재 끝을 가공하여 용접하였다. 프레임에 사용된 재료는 모두 1” 원형파이프이고 부분마다 두께가 다르다.
- 이 시스템의 구현방법으로 솔레노이드 실린더와 DC 모터가 있는데 솔레노이드 실린더를 사용할 경우 부품의 수가 현저히 줄어들어 경량화와 비용절감의 효과를 모두 만족시킬 수 있으나 차량의 전력을 소모하므로 소모량의 계산과 테스트가 필요했다[1-5]. 반면 DC모터는 부품의 수가 늘어나는 단점이 있지만 전력의 소모가 크지 않은 장점이 있어 이 방식을 선택하여 동작을 차량설계에 구현하였다.
- 또한, 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접으로 프레임의 뒤틀림 현상을 최소화하였다. 셋째, 더블 위시본방식으로 현가장치를 설계하여 주행 안정 성능 향상과 구조적으로 자유로운 설계가 가능하도록 하였다. 넷째, 변속기는 베벨기어를 사용한 기본적인 디퍼런셜 구조를 갖추도록 하고 하우징을 알루미늄 블럭으로 가공함으로써 차량 경량화를 이뤘다.
- 카울의 경우 차에서 경량화에 가장 힘쓴 부분이라고 할 수 있다. 예산에 맞게 차를 제작해야하기 때문에 유리섬유를 사용하여 카울을 제작하였다. 건축 단열재로 사용되는 골드 폼이나 아이소 핑크로 단면을 적층하여 목업을 만들고 핸디코트와 사포 작업의 반복, 폴리코트작업과 재단 등의 작업을 통해 카울 제작을 완료하였다.
- 프레임에 사용된 재료는 모두 1” 원형파이프이고 부분마다 두께가 다르다. 원형 파이프이다 보니 서로 맞닿는 곳의 처리가 어려웠는데 이 문제는 3D모델을 모서리마다 2D로 단면화하고 인쇄해 파이프에 감아 모양에 맞게 가공했다. 프로파일 지그를 사용하는 것이 용접 시 비틀림 현상을 최소화하고 정확하지만 프로파일 지그는 재료비와 많은 시간이 소용되기 때문에 합판에 파이프들을 섀들(saddle)로 잡아서 용접하였다.
- 허브는 휠에 맞게 양산된 제품을 구입하여 사용해도 되지만 제품을 구입하여 사용하면 후륜은 구동축이 있어서 허브에 포함된 베어링을 너클과 함께 사용할 수 있는 반면 전륜의 경우 따로 축을 제작해야 하는 문제가 발생한다. 이 때문에 직접 기아 차 모닝의 전 허브를 바탕으로 설계하여 제작하였다. Fig.
- 동력전달장치(power train)는 가속 주행 시 회전관성모멘트의 영향이 크므로 안전성이 무엇보다 중요하다. 이에 내구성에 문제가 없으면서 가벼운 소재인 알루미늄을 사용함으로써 경량화를 시도하였다. 허브는 휠에 맞게 양산된 제품을 구입하여 사용해도 되지만 제품을 구입하여 사용하면 후륜은 구동축이 있어서 허브에 포함된 베어링을 너클과 함께 사용할 수 있는 반면 전륜의 경우 따로 축을 제작해야 하는 문제가 발생한다.
- 최종적인 설계에서 라이드 레이트(ride rate), 피치/롤 값(pitch/roll gain) 등의 목표 값(target value)은 계산과 참고문헌[11]에서 정의한 고성능코너링머신의 통계적 수치에 맞추어 설정했다. 기구학적으로 분석하여 계산해본 결과는 Table 3과 같다.
- 프론트와 리어 모두 풀 로드 타입(pull load type)으로 설계하였다. 가감속 시에 차량에 발생하는 안티 다이브, 안티 리프트, 안티 스쿼트(anti-dive, anti-lift, anti-squat) 현상 (Fig.
- 현가장치 하드 포인트(suspension hard point)는 횡력을 효과적으로 견딜 수 있도록 롤 센터(roll center)를 낮게 설정하였고 안티 아크만을 적용하였다. 롤 센터가 지면과 가까울수록 코너링 시 차량의 롤링각도가 작아져 좌우 무게중심 이동이 적어지기 때문에 차가 격한 코너링에 어렵지 않게 반응할 수 있다.
대상 데이터
- CV조인트의 축은 Ø40 두께 1.8 mm의 중공축으로 설계하였다.
- 이를 보완하고자 양쪽 바퀴에 차별적으로 동력이 전달되는 것을 막는 LSD(limited slip differential)가 개발된 것이다. 국내외 여러 팀들이 LSD를 장착하고 대회에 출전하였고 본 팀 역시 2013년도 차량에 LSD를 사용했었다. 고속으로 헤어핀 구간을 탈출하거나 최단시간으로 스키드패드(skidpad)를 통과해야 하는 경우, 즉 한쪽 바퀴가 헛도는 상황에 접지력이 유지되는 다른 바퀴들로 성능을 높일 수 있을 것이라 생각했다.
- 2014년도에는 LSD가 아닌 기본 디퍼런셜을 사용 하는 대신 강력한 스프링을 베벨기어의 축에 넣어 제작하였다. 기어 비는 본 팀에서 사용하는 250 cc 엔진의 낮은 출력조건을 고려해서 높은 기어비로 설정하였다. 기어비가 높을수록 잦은 기어변속을 해야 해서 운전자가 익숙해지기 어렵지만, 높은 토크를 낼 수 있는 점을 부각 시켜서 가속 경기용 기어 비를 식 (2)를 이용하여 5:1로 결정하고 내구용으로는 4.
- 기어 비는 본 팀에서 사용하는 250 cc 엔진의 낮은 출력조건을 고려해서 높은 기어비로 설정하였다. 기어비가 높을수록 잦은 기어변속을 해야 해서 운전자가 익숙해지기 어렵지만, 높은 토크를 낼 수 있는 점을 부각 시켜서 가속 경기용 기어 비를 식 (2)를 이용하여 5:1로 결정하고 내구용으로는 4.54:1의 대 기어를 제작하였다. 각 변수의 값은 Table 4와 같다.
- 대회의 규정에 따라 배기량을 기준으로 250 cc 이하/250 cc 이상으로 나누어 매 경기의 기록이 클래스 별로 다르게 점수로 환산된다. 본 팀(이하 VF-1)은 2012년도와 2013년도 대회에 참가할 당시 비교적 고배기량인 Husqvarna SM610ie (600 cc)엔진을 사용하였다.
- 테스트와 대회 당시 고속 선회구간에서 시동이 꺼지는 문제를 비롯해서 엔진에 조립(assembly)되는 부품들을 구하기 어려운 점들 때문에 2014년에는 비교적 엔진에 대한 정보가 많은 국산 저배기량의 엔진을 사용하여 문제가 생겼을 때 발 빠르게 대처할 수 있도록 안정성을 높였다. 사용한 엔진은 Exiv 250N 모델에 사용되는 249.4 cc 수냉식 단기통 엔진이다.
- 쇼크 업소버는 고성능 MTB용을 스페셜라이즈드사의 협찬을 받아 사용하였다. 자전거용이지만 가/감속, 고/저속에서 각각 옵져버 탱크의 오일량과 댐핑값들을 조정할 수 있는 현가장치이다.
- 쇼크 옵소버는 차량의 하중을 프레임에 모두 전달하기 때문에 구조적으로 튼튼한 부분에 위치시켜야 하며 리바운드와 댐퍼의 유압이 충분히 조절 가능하며 고급 MTB용 자전거에 많이 사용되는 Fox사의 DHX-4.0을 선정하여 장착하였다[1-5]. 자동차용 쇼크 옵소버를 사용하는 것은 200 kg 대의 스튜던트 포뮬러 차량에 사용하기에는 과도한 제원이며 비용도 차이가 많이 나기 때문에 자전거용을 사용하는 것이 적절하였다.
- 프레임 설계의 컨셉은 3S(simplicity, safety, stiffness)이다. 이 3가지 조건을 충족시키기 위해 주재료는 가볍고 강도가 높은 스틸 인발파이프(pull-out steel tube)를 사용하였다. CO2용접보다 숙련된 기술이 필요하지만 모재의 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접으로 프레임을 제작하였다.
성능/효과
- 첫째, 엔진은 Exiv 250N엔진을 사용함으로써 경량화와 저비용을 만족시킴과 동시에 후륜 현가장치의 설계자유도를 높였다. 둘째, 프레임 설계에 가볍고 강도가 높은 스틸 인발파이프를 사용해 3S(simplicity, safety, stiffness)를 만족시켰다. 또한, 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접으로 프레임의 뒤틀림 현상을 최소화하였다.
- 둘째, 프레임 설계에 가볍고 강도가 높은 스틸 인발파이프를 사용해 3S(simplicity, safety, stiffness)를 만족시켰다. 또한, 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접으로 프레임의 뒤틀림 현상을 최소화하였다. 셋째, 더블 위시본방식으로 현가장치를 설계하여 주행 안정 성능 향상과 구조적으로 자유로운 설계가 가능하도록 하였다.
- 넷째, 변속기는 베벨기어를 사용한 기본적인 디퍼런셜 구조를 갖추도록 하고 하우징을 알루미늄 블럭으로 가공함으로써 차량 경량화를 이뤘다. 마지막으로 풀 일렉트릭 패들 쉬프트를 장착하여 변속시간을 줄이고 드라이버의 편의를 높였다.
- 제작된 포뮬러 차량은 2014 서울과학기술대학교 캡스톤 디자인 최종 발표에서 시험 주행을 실시하여 주행 가능함을 확인하였다. Fig.
- 첫째, 엔진은 Exiv 250N엔진을 사용함으로써 경량화와 저비용을 만족시킴과 동시에 후륜 현가장치의 설계자유도를 높였다. 둘째, 프레임 설계에 가볍고 강도가 높은 스틸 인발파이프를 사용해 3S(simplicity, safety, stiffness)를 만족시켰다.
후속연구
- 앞서 기술했던 것과 같이 본 논문을 통해 포뮬러를 접하는 사람들에게 포뮬러가 낯설지 않고 대학생들이 더 나은 연구와 개발로 세계대회에도 참여 할 계기가 되는 효과를 기대한다. 또한 본 연구팀이 갖고 있는 지식을 공유함으로써 포뮬러 형태의 대학생 자작자동차에 대한 연구와 개발에 도움을 줄 수 있으며, 국내 모터스포츠 시장이 보다 활성화되고 더 나아가 한국의 포뮬러 기술력이 해외에 널리 알려지는 기회가 될 수 있도록 하는 기초연구의 자료가 될 것으로 사료된다.
- 앞서 기술했던 것과 같이 본 논문을 통해 포뮬러를 접하는 사람들에게 포뮬러가 낯설지 않고 대학생들이 더 나은 연구와 개발로 세계대회에도 참여 할 계기가 되는 효과를 기대한다. 또한 본 연구팀이 갖고 있는 지식을 공유함으로써 포뮬러 형태의 대학생 자작자동차에 대한 연구와 개발에 도움을 줄 수 있으며, 국내 모터스포츠 시장이 보다 활성화되고 더 나아가 한국의 포뮬러 기술력이 해외에 널리 알려지는 기회가 될 수 있도록 하는 기초연구의 자료가 될 것으로 사료된다.
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