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문제 정의
- 이 중에서도 특히 경주용 차량 포뮬러의 경우 차량의 내구 한계를 테스트 할 뿐 아니라 첨단 자동차 개발에 필수적인 최적의 실험도구이며 기술력의 사소한 차이까지도 평가 할 수 있는 기술 검증의 목적으로 오래전부터 활용되어오고 있다[1-5]. 국내에서는 자동차 산업의 관심이 하이브리드카, 전기차, 수소차 등 친환경 자동차의 눈을 돌리고 있는 가운데 현재 외국에서는 스포츠카, 슈퍼카, 포뮬러 형태의 자동차 등 고성능 자동차에도 많은 관심을 기울이고 있으므로 본 연구를 통해 포뮬러 형태의 자작자동차에 대한 안정화 및 고성능화 기술을 적용한 설계 및 제작 방법 등에 대해 기술하고자 한다.
- 스키드패드 경기에 대한 시뮬레이션의 목적은 대회규정과 동일한 크기의 원형코스를 선회하면서 계속 해서 속도를 증가시키고 오버스티어가 발생하여 차량이 코스를 이탈하는 속도를 찾는 것이다. 해석결과로 Fig.
- 직진 가속경기의 시뮬레이션 목적은 전속력(full-throttling) 가속하여 경진대회 규정과 같은 70 m 가속에 소요되는 시간을 예측하는 것이다. Fig.
가설 설정
- 충격완화장치는 대회 규정에 따라 “총 중량이 3000 N인 차량의 전방에 부착되었다고 가정하고 7 m/s의 속도로 단단한 벽으로 돌진, 충동할 때 평균 감속이 20 G를 초과 하지 않고 최대감속이 40G를 초과하지 않아야 한다.
제안 방법
- 3장에서는 각 파트 제작과정에 대해 설명한다. Creo 및 CATIA를 사용해 프레임을 규정에 맞게 모델링하였다. 벌크헤드, 프론트 롤 후프, 메인 롤 후프 등을 제작하고, 보강재 파이프의 끝을 가공하여 지그로 고정한 다음 용접하였으며, 프레임에는 원형파이프를 이용하였다.
- Fig. 4와 같은 VF-3의 프레임은 제작에 용이하도록 벌크헤드(bulk head)와 프론트 롤 후프(front roll hoop)의 간격을 350mm로 일정하게 하였고, 폭을 400mm로 설계함으로써 전 차량보다 100mm 넓은 공간을 확보하여 조립의 편의성을 높이고, 드라이버의 신체에 맞게 설계를 하였다. 또한 스티어링 박스와 연결된 타이로드와도 간섭 없이 설계하였다.
- 그러나 프론트 허브는 스플라인 가공을 필요로 하지 않고 독립적으로 축을 제작하였다. ㈜기아의 모닝 모델의 허브를 바탕으로 설계하여 제작하였다.
- 또한 스티어링 박스와 연결된 타이로드와도 간섭 없이 설계하였다. 강성을 고려하여 프론트 롤 후프와 메인 롤 후프를 벤딩(bending)하여 제작하고, 최 하단의 연결부만 티그(TIG)용접으로 연결하였다. 2016년의 프레임제작을 위한 지그(zig)는 Fig.
- 0mm이다. 경진대회 규정에 맞는 해석 조건을 주기위해 충격완화장치 뒤에 VF-3의 질량(300 kg)에 해당되는 프레임을 철의 재질로 모델링하였다. 또한 단단한 벽의 가정을 위해 콘크리트로 설정하였으며, 뒷면에 고정지지조건을 부여하였다.
- 첫 번째 모델에서는 최대 감속도가 40 G를 초과하지 않았고, 평균 감속도는 20G를 초과하지 않았다. 그러나 충격완화장치의 질량이 4.2kg으로 비교적 무거워, 경량화를 위해 형상을 일부 변경하고, 각 면의 두께를 2mm로 줄인 Fig. 3과 같은 두 번째 모델에 대해 동일 조건으로 해석을 수행하였다. 두 번째 모델과 형상은 동일하고 각 면의 두께만 3mm와 4mm 등으로 변경한 셋 번째, 네 번째 모델에 대해서도 해석을 진행하였다.
- 둘째, 기존 차량 허브의 정확하지 못한 설계/제작의 요인들은, 2016년도 VF-3에서는 다양한 동적해석을 통해 허브 등의 재설계를 하였다. 그리고 충격완화장치 설계/제작과정에서는 ANSYS LS-DYNA(외재적 방법)를 이용하여 해석을 수행하였으며, 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용한 티그(TIG)용접으로 제작하였다. 셋째, 차량제작 전 MSC-ADAMS를 아용한 차량시뮬레이션 결과와 자작자동차 경진대회 포뮬러 부분 경진대회에 참여하여 실제 차량의 주행성능을 비교하였다.
- 네 번째 모델의 해석결과 는 규정을 만족하지 않았고, 두 번째와 세 번째 모델의 결과에서 대회 규정을 만족하여 상대적으로 가벼운 두 번째 모델로 선택, 제작하였다.
- 5와 같이 철판에 수평 블록을 용접하여 프레임의 밑면을 먼저 만들고 그 위에 프레임의 단면을 만들어 올리는 방법을 선택하였다. 단면을 올리면서 단면과 단면에 보강대를 이용하여 트러스 구조로 충돌 시 최대 응력과 변위량을 작게 설계하였다.
- 실제 제작에 앞서 CAD 프로그램을 이용하여, 2D 및 3D 가공도면작업과 차량 모델링작업 을 수행한다. 동적해석이 가능한 CAE 프로그램을 사용하여, 실제 차량 주행 시 차량이 받는 정적 및 동적 하중에 의한 해석의 결과를 설계에 반영하고 차량 시뮬레이션을 통해 경기결과를 예측하여 차량의 내구성을 갖춘 경주용 차량으로 설계 및 제작되었는지 예측결과와 실제기록을 비교하여 연구고자 한다.
- 3과 같은 두 번째 모델에 대해 동일 조건으로 해석을 수행하였다. 두 번째 모델과 형상은 동일하고 각 면의 두께만 3mm와 4mm 등으로 변경한 셋 번째, 네 번째 모델에 대해서도 해석을 진행하였다. 네 번째 모델의 해석결과 는 규정을 만족하지 않았고, 두 번째와 세 번째 모델의 결과에서 대회 규정을 만족하여 상대적으로 가벼운 두 번째 모델로 선택, 제작하였다.
- 또한 충격완화장치의 뒷면은 벌크헤드의 사이즈와 동일해야한다. 따라서 규정에 맞는 충격완화장치의 설계를 위해 CAE 상용 프로그램인 ANSYS LS-DYNA(외재적 방법)를 이용한 동적해석을 진행하였다.
- 경진대회 규정에 맞는 해석 조건을 주기위해 충격완화장치 뒤에 VF-3의 질량(300 kg)에 해당되는 프레임을 철의 재질로 모델링하였다. 또한 단단한 벽의 가정을 위해 콘크리트로 설정하였으며, 뒷면에 고정지지조건을 부여하였다. 해석조건으로 VF-3를 7 m/s의 속도로 2.
- 4와 같은 VF-3의 프레임은 제작에 용이하도록 벌크헤드(bulk head)와 프론트 롤 후프(front roll hoop)의 간격을 350mm로 일정하게 하였고, 폭을 400mm로 설계함으로써 전 차량보다 100mm 넓은 공간을 확보하여 조립의 편의성을 높이고, 드라이버의 신체에 맞게 설계를 하였다. 또한 스티어링 박스와 연결된 타이로드와도 간섭 없이 설계하였다. 강성을 고려하여 프론트 롤 후프와 메인 롤 후프를 벤딩(bending)하여 제작하고, 최 하단의 연결부만 티그(TIG)용접으로 연결하였다.
- 넷째, VF-3는 경량화를 위해 차동장치 마운트하우징을 알루미늄 7050로 가공하였다. 또한 체인의 장력 조절을 위하여 로드엔드를 이용하여 체결하였다. 작년차량대비 현가장치의 변화를 통해 성능을 향상시켰다.
- 6에서 보여주는 것처럼 프론트 허브와 리어 허브는 서로 다르게 설계되었다. 리어 허브에는 구동축과 체결되고, 베어링을 너클과 함께 사용하기 때문에 스플라인 가공을 하였다. 그러나 프론트 허브는 스플라인 가공을 필요로 하지 않고 독립적으로 축을 제작하였다.
- 작년차량대비 현가장치의 변화를 통해 성능을 향상시켰다. 밸크랭크의 구조와 위치를 변경하여 주행 시 차량의 롤링을 최소화시키고 가속경기와 스키드패드경기, 등 경기마다 쇼크 업쇼버의 오일량과 댐핑 값을 코스상태에 맞추어 경기에 참여하였다.
- Creo 및 CATIA를 사용해 프레임을 규정에 맞게 모델링하였다. 벌크헤드, 프론트 롤 후프, 메인 롤 후프 등을 제작하고, 보강재 파이프의 끝을 가공하여 지그로 고정한 다음 용접하였으며, 프레임에는 원형파이프를 이용하였다. 프레임 부분마다 파이프 두께가 다르고, 원형 파이프이어서 서로 접하는 부분의 가공과 용접이 까다로운 문제가 발생하였다.
- 본 연구에서는 선진 해외 팀의 포뮬러를 분석하고, 최신 기술동향을 바탕으로 본 팀의 수준에서 구현 가능한 기술들을 선별하여 새롭게 설계하고 제작한다. 최근 국내/외의 포뮬러 자작자동차 기술경향은 경량화와 내구성에 많은 초점을 두고 있다.
- 그리고 충격완화장치 설계/제작과정에서는 ANSYS LS-DYNA(외재적 방법)를 이용하여 해석을 수행하였으며, 열 변형이 적은 아르곤 가스를 사용한 티그(TIG)용접으로 제작하였다. 셋째, 차량제작 전 MSC-ADAMS를 아용한 차량시뮬레이션 결과와 자작자동차 경진대회 포뮬러 부분 경진대회에 참여하여 실제 차량의 주행성능을 비교하였다. 그 결과 직진가속 주행부분에서는 0.
- 최근 국내/외의 포뮬러 자작자동차 기술경향은 경량화와 내구성에 많은 초점을 두고 있다. 실제 제작에 앞서 CAD 프로그램을 이용하여, 2D 및 3D 가공도면작업과 차량 모델링작업 을 수행한다. 동적해석이 가능한 CAE 프로그램을 사용하여, 실제 차량 주행 시 차량이 받는 정적 및 동적 하중에 의한 해석의 결과를 설계에 반영하고 차량 시뮬레이션을 통해 경기결과를 예측하여 차량의 내구성을 갖춘 경주용 차량으로 설계 및 제작되었는지 예측결과와 실제기록을 비교하여 연구고자 한다.
- 앞에서는 2016년 포뮬러 자작자동차에 대해, 각 파트별로 설계 의도와 해석 등을 기술하였다. 3장에서는 각 파트 제작과정에 대해 설명한다.
- 2015년 차량의 경우에는 엔진을 지지하던 파이프 일부가 찢어지는 현상이 발생되었다. 엔진룸은 차에서 가장 무거운 엔진을 지지하는 곳이므로 경량화보다는 강성이 강한 파이프를 사용하여 제작하였고, 립보강대를 이용하여 프레임과 엔진마운트 브라켓을 보강하였다.
- 자작 차 경진대회는 동적평가 부분 중 직진 가속 경기와 원형 선회(스키드패드) 경기 등 2가지 시험을 통해 차량의 성능을 확인한다. 이를 설계 및 제작에 반영하기 위해 MSC ADAMS를 이용하여 차량의 성능에 대한 시뮬레이션을 실시하였다. 차량의 엔빔 및 하드포인트(hard-point) 등 차량정보를 입력하여 본 연구의 모델을 구현하였다.
- 또한 체인의 장력 조절을 위하여 로드엔드를 이용하여 체결하였다. 작년차량대비 현가장치의 변화를 통해 성능을 향상시켰다. 밸크랭크의 구조와 위치를 변경하여 주행 시 차량의 롤링을 최소화시키고 가속경기와 스키드패드경기, 등 경기마다 쇼크 업쇼버의 오일량과 댐핑 값을 코스상태에 맞추어 경기에 참여하였다.
- 이를 설계 및 제작에 반영하기 위해 MSC ADAMS를 이용하여 차량의 성능에 대한 시뮬레이션을 실시하였다. 차량의 엔빔 및 하드포인트(hard-point) 등 차량정보를 입력하여 본 연구의 모델을 구현하였다.
- 2016년 VF-3 차량은 포뮬러 형태의 자작자동차로 가장 중요한 차량안전규정에 중점을 두고 설계하였다. 첫째, 기존 차량의 가장 큰 문제점이었던 지상고 문제를 해결하고, 제작의 편의를 위하여 프레임을 밑면을 수정하여 설계하였다. 둘째, 기존 차량 허브의 정확하지 못한 설계/제작의 요인들은, 2016년도 VF-3에서는 다양한 동적해석을 통해 허브 등의 재설계를 하였다.
- 1% 이상의 탄소를 함유하여야하며, 철강 재료의 물성치는 탄성계수(E) 200Gpa, 항복강도 305Mpa, 인장강도 365Mpa이상인 가볍고 강도가 강한 스틸 인발 파이프(pull-out steel tube)를 사용하였다. 프레임 용접은 열 변형이 적고, 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접을 이용해 프레임을 제작하였다.
- 지그는 프로파일을 사용하는 것이 용접 시 비틀림 현상을 최소화하여 정확하게 제작하였다. 프레임의 현가장치와 변속기 부분에 사용되는 브라켓은 레이저 컷팅과 수압 절단 컷팅을 사용하여 제작하였다. Fig.
- 해석은 네 가지 모델에 대해 해석을 수행 하였다. Fig.
- . 현가장치 제작 시 풀/푸쉬 로드와 밸크랭크가 한 평면에 위치해야 쇼크 업쇼버의 성능을 최대로 할 수 있기 때문에 각 파이프와 철판 지그를 이용하여 한 평면에 제작하였다. 쇼크 업쇼버는 고성능 MTB용을 관련 기업으로부터 협찬을 받아 사용하였다.
대상 데이터
- 2016년 VF-3를 제작한 후 전술한 바와 같이 2016년 KSAE 대학생 자작자동차 경진대회 포뮬러 부분에 참여하여 전체 3등에 해당하는 은상을 수상하였다. 본 연구를 통해 대학생들의 자작자동차에 대한 관심과 한국모터스포츠를 알릴 수 있는 계기가 되었으면 한다.
- 그 원인으로는 스타트와 변속 타이밍 등 몇 가지 변수로 사료된다. 넷째, VF-3는 경량화를 위해 차동장치 마운트하우징을 알루미늄 7050로 가공하였다. 또한 체인의 장력 조절을 위하여 로드엔드를 이용하여 체결하였다.
- 프레임 설계의 핵심은 대회 규정에 맞는 설계이다. 또한, 프레임의 경량화를 위해 프레임의 재료는 최소 요구조건인 탄소강으로 최소 0.1% 이상의 탄소를 함유하여야하며, 철강 재료의 물성치는 탄성계수(E) 200Gpa, 항복강도 305Mpa, 인장강도 365Mpa이상인 가볍고 강도가 강한 스틸 인발 파이프(pull-out steel tube)를 사용하였다. 프레임 용접은 열 변형이 적고, 아르곤 가스를 사용하는 티그(TIG)용접을 이용해 프레임을 제작하였다.
- 본 연구 팀의 자작자동차(이하 VF-3)는 2014년, 2015년도 경진 대회와 동일하게 Exiv 250 N 모델의 수냉식 단기통 엔진을 사용하였다. 이 엔진을 선택한 이유는 공랭식 엔진의 경우 바람으로 열을 냉각시키기 때문에 엔진의 표면적이 넓어져 부피가 커진다.
- 본 연구를 바탕으로 KSAE 한국 자동차공학회 및 KAMA 한국 자동차산업협회에서 주최하는 2016 KSAE 대학생 자작 자동차 대회의 Formula부분에 참여하였다.
- 현가장치에서는 더블 위시본 형태의 암 제작과 밸크랭크, 풀/푸쉬 로드 등을 제작하였다[9-11]. 현가장치 제작 시 풀/푸쉬 로드와 밸크랭크가 한 평면에 위치해야 쇼크 업쇼버의 성능을 최대로 할 수 있기 때문에 각 파이프와 철판 지그를 이용하여 한 평면에 제작하였다.
성능/효과
- 셋째, 차량제작 전 MSC-ADAMS를 아용한 차량시뮬레이션 결과와 자작자동차 경진대회 포뮬러 부분 경진대회에 참여하여 실제 차량의 주행성능을 비교하였다. 그 결과 직진가속 주행부분에서는 0.8초정도의 오차가 발생하였다. 그 원인으로는 스타트와 변속 타이밍 등 몇 가지 변수로 사료된다.
- 2016년 차량에서 허브는 허브의 바디 전체가 제동시의 디스크의 하중을 견딜 수 있도록 설계하였다. 또한 가속 성능을 향상하기 가장 좋은 방법으로 동력전달장치의 무게를 줄여 큰 효과를 볼 수 있다. 내구성에 문제가 없으면서 가벼운 소재인 알루미늄7075를 사용하여 경량화하였고, 아노다이징을 통해 내구성이 향상되었다.
- 해석결과로 Fig. 10과 같이 계속해서 선회하며 속도를 증가했을 때, 약 37 km/h의 속도를 경계로 오버스티어가 발생하여 코스 이탈하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 2016년 VF-3를 제작한 후 전술한 바와 같이 2016년 KSAE 대학생 자작자동차 경진대회 포뮬러 부분에 참여하여 전체 3등에 해당하는 은상을 수상하였다. 본 연구를 통해 대학생들의 자작자동차에 대한 관심과 한국모터스포츠를 알릴 수 있는 계기가 되었으면 한다.
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