충격완화장치(IA) 조사 내용 정리

[22 박민성]

안녕하세요, 행정 팀장 & 섀시 팀원 박민성입니다. 

작업일지를 작성하는 이유는 노하우를 최대한 남겨두어 저희가 겪었던 어려움을 후배들이 다시 겪지 않게 하기 위함입니다. 후배들에게 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다. 🙂

이번 작업일지는 지난 1월 16일에 조사한 충격완화장치(Impact Attenuator)에 대해 정리하겠습니다. 충격완화장치는 설계 난이도가 매우 낮지만, 드라이버의 안전과 직결되고 규정과 제출 서류가 다소 세부적이며, 어울수레 내부에 축적된 자료가 부족하기에 적어도 한 번은 분명히 짚고 넘어가야 합니다.

1. 규정

가장 먼저 규정을 꼼꼼히 분석하였습니다. 관련 규정은 다음과 같습니다. 

(처음에는 용어가 헷갈릴 수 있지만 아래 그림을 보면 쉽게 이해할 수 있습니다.)

전방 충돌 보호 구조는 그림처럼 크게 3가지 부분으로 구성됩니다. 1. 충격완화장치 2. 침입 방지판 3. 벌크헤드

이때, 침입 방지판과 벌크헤드는 서로 다른 부분을 지칭합니다. 벌크헤드는 프레임 주 구조물 가장 앞부분의 파이프 4개로 형성되는 '닫힌 면'을 의미합니다. 침입 방지판(Anti Intrusion Plate)은 충격완화장치가 프레임 주 구조물 안쪽으로 침입하는 것을 방지하는 '부품'입니다. 

규정에는 전방 충돌 보호 구조의 재료와 구조 조건도 상세히 서술되어있습니다.

(아래는 구조 조건입니다.)

각 팀은 실험 또는 CAE 소프트웨어를 활용한 구조 해석을 통해 모든 조건을 만족함을 증명해야합니다. 그러나 실험과 구조해석이 필수적인 과정은 아닙니다. 규정에서 제시하는 예시 조건에 부합하게 제작할 경우, 실험과 해석 과정을 생략할 수 있습니다. 충격완화장치 예시 규정은 다음과 같습니다.

어울수레는 22년에 구조해석을 진행할 여력이 부족하여 새롭게 충격완화장치를 설계하지 않고 예시로 제시된 조건과 동일한 충격완화장치를 제작하였습니다. 

(동수와 제가 새내기 작업 첫날 제작했죠..!)

2. 분석

Q. 벌크헤드에 부착되는 침입방지판을 생략할 수 있는가? 

지난 11일 한양대학교 Race 작업장에 방문하여 벌크헤드 앞에 굳이 침입방지판을 붙일 필요가 없다는 조언을 들었습니다. 사실 확인을 위해 규정을 꼼꼼히 확인해보았습니다.  제 17조 ③-2 항에 관련 내용이 서술되어 있긴하지만, (반드시 따를 필요는 없는) 예시를 설명하는 ③항 안에 포함되어 있다는 점에서 다소 불분명하고 검차 시비가 붙을 가능성이 있다고 판단하였습니다.

더 분명한 답을 얻기 위해 AARK QnA 게시판 2023년 1월 16일부터 Formula 위원장 교체 이전인 2020년 사이에 작성된 충격완화장치 관련 모든 질문 글을 모두 읽어보았습니다. 관련 문의가 상당히 많았으나, AARK 측의 답변은 일관되었습니다. 요약하면 다음과 같습니다. 

A. '충격완화장치가 프레임 주 구조물 안쪽으로 파고드는 것을 막기 위해 충격완화장치가 벌크헤드보다 작을 경우 판으로 벌크헤드 전체를 반드시 막아야 한다.'

Q. 철판 충격완화장치와 알루미늄 충격완화장치의 무게 차이는 얼마인가?

한양대학교 Race 작업장에 방문하여 철판과 알루미늄 판으로 제작한 충격완화장치의 무게 차이가 크지 않다는 설명을 들었습니다. 사실 확인을 위해 정량적으로 실제 수치를 계산해볼 필요가 있었습니다. 금속 판재의 중량을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.

금속 무게 = 두께X가로X세로X비중/1,000,000

다소 복잡해 보이지만, 부피에 밀도를 곱하고 단위를 맞춰준 것일뿐, 새로운 내용은 아닙니다. 비중이란 기준 물질의 밀도에 대한 비교 물질 밀도의 비를 의미합니다. 이때, 기준 물질은 물입니다. 철은 동일 부피의 물보다 7.86배 무겁고 알루미늄은 2.7배 무겁습니다. 따라서 철의 비중은 7.86, 알루미늄의 비중은 2.7입니다. 

A. 공식을 이용하여 계산하면, 2T 철판으로 제작한 22년 어울수레 킹받드라슈 차량의 충격완화장치는 2.2kg, 침입방지판은 1.71kg로, 총 3.91kg입니다. 

만약, 동일 구조(200x100x100 + 침입방지판)를 4T 알루미늄 판으로 제작한다면, 약 2.69kg으로 고정을 위한 브라켓 무게를 고려하더라도 1kg 이상의 경량화가 가능합니다. (예시 조건과 동일한 구조이기에 구조 해석을 생략할 수 있고, 용접이 불가능하므로 볼팅으로 체결해야 합니다. 볼팅 방식이므로 재사용이 가능합니다.) 현 시점의 어울수레에게 최선의 선택이라고 생각됩니다. (새내기에게 맡길 일이 하나 줄어든다는 단점 또한 있죠)

가장 좋은 방법은 침입방지판을 사용하지 않도록 충격완화장치의 뒷면을 벌크헤드와 같게 제작하고 구조 해석과 위상최적화(살빼기)를 진행하는 것입니다. 이 경우 약 2.2 ~ 2.3 kg 까지 경량화할 수 있을 것으로 예상됩니다. 

Q. 충격완화장치를 프레임 주 구조물에 고정하는 방법 ?

A. 크게 3가지가 있습니다. 각각 용접, 볼팅, 구조용 접착제입니다.

1. 용접

가장 간단하고 확실한 고정 방법입니다. 

2. 볼팅

브라켓을 이용하여 충격완화장치를 프레임 주 구조물에 부착합니다. 볼팅을 할 경우, 충격완화장치를 재사용할 수 있습니다. 또한, 브레이크 라인과 페달 정비가 용이해진다는 장점이 있습니다. (단, 프레임 주 구조물에 구멍을 뚫어 볼팅하는 방식은 허용되지 않습니다.)

3. 구조용 접착제

알루미늄 허니콤 충격완화장치는 볼팅이 불가능하므로 구조용 접착제를 사용해야 합니다. 구조용 접착제는 금속 재료(용접, 볼팅)를 사용하지 않으므로 중량을 줄일 수 있고, 서로 다른 소재를 연결할 수 있습니다. 또한 볼팅 보다 강력한 결합력을 지닙니다 (강성 확보 유리). 이 경우, 강철-알루미늄 접합 전단 테스크 결과가 KSAE 규정에 제시된 볼트 강도와 동일하거나 이상임을 증명해야 합니다. 

+ 알루미늄 허니콤 (Honeycomb)은 이름처럼 육각형 패턴 형태의 얇은 호일로 이루어진 재료입니다. 가볍고, 강도와 에너지 흡수 효율이 높습니다. 동일한 강성을 가진 허니콤 패널은 알루미늄의 1/5배 그리고 강철의 1/10배 정도 가볍다고 합니다. 충격완화장치 무게는 대략 200-300g으로 예상됩니다. 성능은 확실하지만 가격이 문제입니다. 국내/해외 허니콤 제작 업체에 가격을 문의해보아야 하고, 추가로 안전성 검증 데이터를 AARK 측에 제출해야 합니다. 국민대 등의 상위 팀들이 사용하고 있는데, 다음 작업장 방문 때 조언을 구하면 좋을 것 같습니다. 

3. 예시 사진

(출처: AARK QnA 게시판)

23년 단국대학교 Run2X의 전방충돌보호구조 예시 사진입니다. (벌크헤드 전체를 판으로 막지 않았으므로 규정 위반입니다.)

22년 영남대학교 사진입니다. (영남대는 23년 차량에는 허니콤 충격완화장치 도입을 검토 중이라고 합니다.)

17년 동아대학교 사진입니다. (출처는 강민호 자작차 블로그입니다.) 이 경우 역시 벌크헤드 전체를 판으로 막지 않았으므로 규정 위반입니다. 

+ 다른 학교의 자료를 보다가 이상한 점을 발견했습니다. 바로 각 학교마다 알루미늄 충격완화장치의 형상이 너무 닮았다는 점인데요,, 

알고보니.. '트랜스테크'라는 업체에서 제작한 기성품이었습니다. 무게가 1.0 - 1.2kg 정도이고, 구조 해석 결과 데이터 또한 제공해준다고 합니다.

해당 업체를 찾아 판매 여부와 가격 정보를 문의했지만, 현재 제작 물량이 전혀 없고, 앞으로 더 판매할 계획도 없다는 답변을 들었습니다. 사유를 여쭈어보니, 기성품을 판매하는게 학생들이 공부하고 성장하는데 도움되지 않는다고 판단했기 때문이라고 합니다. (정확한 내부 사정은 알 수 없지만, 취지는 멋지네요..!) 

우선 알테어 동아리 지원 프로그램 선발 확인 이후에 CAE 돌려보고 가격 문의한 후에 결정해야할 것 같습니다.

 
+추가,,, 사진이 엄청 깨지네요 원본 파일은 괜찮은데.. 다음 카페에 올리는 과정에서 뭔가 잘못 설정한 것 같습니다. 혹시 아시는 분…댓글로 알려주세요🙏🏻

+추가, 납득하기 힘들지만 알테어 동아리 지원 프로그램에 선발되지 않았습니다. (사유가 무엇인가요,, 알테어 녀석들.. 수도권 대학은 다 제외하고 이해할 수 없습니다...)

+0516 추가, 오로라 베어링 구매를 위해 국민대 작업장에 방문하며 알루미늄 허니콤 구조에 대한 몇가지 팁을 얻었습니다. 먼저 허니콤 구조의 충격완화장치의 무게는 약 1kg 후반 정도라고 합니다. 생각보다 무게가 많이 나가네요. 트렌스테크사의 제품보다 더 무거워 보입니다. 해석 데이터는 국민대 실험실에서 직접 가속하여 충돌하는 실험을 진해앟여 직접 얻는다고 합니다. 허니콤 가격은 5장에 600만원정도라고 합니다(일본 제품 기준). 차체와의 결합은 볼팅이 아닌 접착제 방식을 이용하고 있었습니다. 오븐에 굽는 어드시브 방식(?) 이라고 설명하시던데 아마 adhesive를 의미하는게 아닐까 추측합니다.

1판에 무려 120만원짜리ㄷㄷ 알루미늄 허니콤

충격완화장치 구조물

+0803 추가

신홍이형이 울산대에서 가져온 트랜스테크사 충격완화장치 관련 AARK QnA

침입 방지판에는 어떠한 구멍도 뚫으면 안된다는 이전 QnA 글들이 많아서 혹시나 질문했는데, 당연하게도 볼트 고정용 홀은 허용된다고 합니다.

또한, 전면이 알루미늄으로 용접되어 풀림 방지 너트 채결이 불가능한 트랜스테크사 충격완화장치의 구조적 특성상 풀방이 가능한지 의문이었는데, 충격완화장치는 풀림 방지 필수 아니라고 하네용. 그래도 진동에 볼트 풀리면 안되니까 23 차량에는 스프링 와셔 달려고 합니다!

[17강신홍]

울산대에서 하나 훔쳐올게요~^^

[22이영대]

오오오!