[프레임] 프레임 2차 수정 (1월 4주차)

[21 이동규]

1. 이 글을 읽기 전...

- 지난 달 섀시 톡방에 프레임 진행 상황을 공유하기 위해 작성했던 글과 같은 것입니다. 이미 읽은 섀시 팀원분들은 참고해주시기 바랍니다.

- 1월달 작업 내용을 카페에 이제야 옮기게 되어 죄송합니다. 

- 저의 글이 이해가 가지 않는 것은 독자분들의 잘못이 아니라 제가 설계를 잘못 했거나 제 필력의 부족 때문입니다. 댓글로 궁금한 부분은 많이 많이 질문해주시기 바랍니다. 

- 피드백도 많이많이 부탁드립니다.  

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2. 발생한 문제점들

(1) 모터를 위한 공간 부족

① 지난 주까지 진행된 프레임에 파워트레인 구성요소들(대기어, LSD, LSD 마운트, 모터, 등속 조인트 등)을 어셈블리하는 과정에서 모터 마운트 공간이 부족한 것을 발견했다. 완전히 마운트 불가 수준은 아니었고, 적절한 위치 조정을 통해 캐드 상 어셈블리가 가능했다. 하지만 아래의 ③의 이유를 생각하면 수정이 불가피했다.

리어의 하단 부재가 한 번 꺾이는 구간이 지나치게 급한 기울기를 가지고 있어 모터 마운트 위치도 애매해졌다.

② 작년 KSAE 검차에서 대기어와 소기어 사이의 거리가 너무 가깝다는 지적을 받았고 추가적인 자료 조사 결과 대기어와 소기어 사이 거리에 대한 적정값이 존재했다. 결과적으로 작년보다 대기어와 소기어 사이의 거리를 증가시킬 필요가 있다. (아래는 작년 차량의 사진)

작년 차량

현재 프레임에서 대기어와 모터의 소기어 사이 거리를 증가시키기 위해서는 대기어를 뒤로 보내야 한다. 하지만 등속 조인트가 이루는 각이 증가하고 휠 베이스가 길어질 수 있다는 문제가 발생했다.

(2) 해석 상의 문제 발생

① 올해부터 ANSYS를 활용한 프레임 해석을 진행할 수 있게 되었다. 현재까지 해석은 어울수레 회장, 20학번 강정원님의 주도로 이루어지고 있다. 

② 차량의 롤 상황 시 작용하는 비틀림 힘에 의한 프레임의 변형, 노드에 작용하는 응력, 안전계수를 ANSYS를 통해 해석해보았다.

- 그 결과 리어 쪽 하단 부재 中 급격하게 꺾이면서 이어지는 부분에서 안전계수가 1 아래로 떨어지는 것을 확인했다.

- 회장 및 섀시 팀장님, 섀시 팀원들과 논의 결과, 해석 결과를 반영해서 프레임 형태를 수정하는 것을 결정했다.

(3) 규정 상의 문제

① 측면 충돌 보호구조의 상단 부재가 규정에 걸리진 않지만 마진이 너무 부족하다는 섀시 팀원(23 박민석)의 피드백이 있었다.

- 차량 기술 규정 제 18조 1항 3번 나: 상단 부재는 반드시 메인 롤 후프와 전방 롤 후프를 연결해야 하며, 드라이버가 탑승한 상태에서 지면에서부터 부재의 중심선이 300~350mm 사이의 높이에 있어야 한다.

- 현재 센터라인이 약 346mm에 위치해 있어 마진이 3~4mm로 제작 과정에서의 오차로 검차 시 문제가 될 수 있을 거라 판단했다.

- 프론트 지오메트리를 담당하고 있는 섀시 팀장님과의 논의 후 전방 롤 후프와 상단 부재가 만나는 지점을 아래로 조금 이동시켜 이 문제를 해결하기로 하였다.

② 드라이버 공간에 관한 규정 엄수

- 차량 기술 규정 제 4장 12조 6항, 7항을 기본적으로 준수해야 한다.

- 드라이버 룸, 레그 룸을 구성하고 있는 부재를 수정하고 난 이후 마지막에 항상 이 규정을 체크해야 한다.

- 캐드 상으로 규정 확인용 템플릿을 만들어 놓았으니 이를 Assembly Design을 이용해 규정에 걸리지 않는지 확인한다. 규정에 걸리지 않더라도 어느 정도 여유가 있는 지 함께 기록해두는 것을 추천한다.

(4) 캐드 파일 상의 문제

① 프레임은 하나의 파트 파일로 구성되고 최종 어셈블리 파일에서 중심 역할을 하기 때문에 수정이 번거롭고 수정을 하더라도 어셈블리 파일로 들어가 다시 구속 조건들을 부여해야 하는 번거로움이 존재한다.

- 프레임 파트 파일에서 수직 부재를 제외한 대부분의 나머지 부재들을 치수 구속 조건이 아닌 점과 선, 면을 이용한 위치 구속 조건을 활용해 프레임 치수 수정 시 즉각적으로 반영이 될 수 있도록 하고자 한다.

② 제작을 고려한 캐드 파일 작성

- 지그 제작, 실제 조립, 용접을 고려해서 캐드 파일로 구현할 수 있도록 한다.

- 단순히 외형을 만들어 내는 것이 아니라 추후 지그 캐드 파일 및 전체 어셈블리 파일 작성 시 문제를 최소화하고 직관적인 CAD 파일을 목표로 한다.

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3. 수정

(1) 리어 프레임 구조 변경

① 후보1: 꺾이는 부분의 길이를 늘려 각을 감소시킨다.

-  꺾이는 부분의 각이 지나치게 커서 위와 같은 해석 결과가 나왔을 것이라 예상

-  리어 휠 스프레드를 원래 길이로 줄이고(300mm→250mm) 그 만큼의 길이를 꺾이는 부분으로 옮겨서 각을 완만하게 만든다.

수정 전

수정 후

- 해석 결과: 기존 형태와 눈에 띄는 차이 X, 안전 계수 및 응력 발생에 있어 개선된 점이 존재하지 않았다.

② 후보2: 꺾이는 부분을 없애고 메인 롤 후프에서 한 번에 이어 구조를 단순화한다.

- 아이디어를 반영한 캐드 파일

- 해석 결과: 안전 계수가 1 아래로 떨어지던 부분이 현저하게 감소한 것으로 보아 기존 형상에 비해 구조적으로 안정적인 것을 확인했다.

- 하지만 이 형상 또한 여러 문제점이 존재했다.

: 한 번 꺾이는 지점을 준 이유가 배터리 박스 공간을 때문이었는데 한 번에 이음으로써 해당 공간의 너비가 좁아져 현재 리어 지오메트리 상에서 간섭이 발생한다.

→ 이를 해결하기 위해서는 리어 로어암이 달리는 부재의 너비를 증가시켜야 한다. 그렇게 되면 로어암의 길이가 감소하여 캠버 회복 증가와 롤 센터 이동의 감소라는 기존 지오메트리의 이점이 줄어들게 된다.

-  리어 지오메트리를 유지하면서 배터리 박스를 넣기 위해서는 전장의 길이가 길어져야 하는데 필요한 증가 길이가 커서 공간의 낭비와 휠 베이스를 고려하여 현실적으로 불가능하다고 판단했다.

③ 후보3: 기존의 형태에서 안전계수가 1 아래로 떨어지는 지점 주위에 지지하는 구조물을 부착한다.

- 리어 지오메트리의 수정 없이 기존의 형태를 유지할 수 있는 방법을 고민하던 중 구조물을 부착해보자는 의견이 있어 바로 캐드 파일로 구현하여 해석을 진행하였다.

- 아이디어를 반영한 캐드 파일

- 해석 결과: 후보 2의 방법보다 안전 계수 값이 증가, 현재까지의 방법 중 가장 안정적이고 또한 기존 설계의 장점을 유지할 수 있다.

④ 결론: 현재로서는 후보 3의 방법을 채택하기로 하였다.

- 해당 지지 구조물은 두께 4T 철판을 사용해 해석을 진행했다.

- 3T, 2T 두께로 변화를 주어 해석 상 문제가 없다면 가장 얇은 두께를 사용하는 것이 바람직하다 + 두께와 함께 해석을 기반으로 지지대의 살파기를 진행하는 것 또한 고려해볼만 하다 → 이는 기존 형태에 추가되는 구조물로서 무게에 영향을 최소화하기 위함이다.

- 후보3에 제시된 사진을 보면 해석 상 추가로 응력이 과하게 발생하는 곳에 임의로 지지 구조물을 추가하였다. (지지 구조물의 영향을 해석 상 명확하게 확인하기 위한 회장님의 요청)

- 해당 지지 구조물은 레이저 커팅을 맡기는 것이 좋다고 판단

- 지지 구조물을 단순한 삼각형으로 하지 않은 이유는 곡선처리를 했을 때, 해석 상 결과가 더 정확하게 나온다는 회장님의 조언이 있었다.

(2) 전방 롤 후프 및 프론트 부재 치수 수정

① 측면 충돌 보호구조의 상단 부재의 규정 마진 확보를 위한 전방 롤 후프 수정

- 상단 부재가 전방 롤 후프의 중간 벤딩이 시작되는 곳에 결합된다. 따라서 벤딩이 시작되는 곳의 높이를 7mm 정도 낮춰주었다 → 벤딩이 시작되고 끝나는 지점 사이의 거리는 벤딩 시 오차를 최소화하기 위해 정수로 맞춰 놓았기 때문에 약간의 수정을 해준다.

- 상단 부재의 지면으로부터 높이 변화: 전방 롤 후프와 측면 충돌 보호 구조의 상단 부재가 만나는 지점의 지면으로부터 높이가 347.196mm → 338.851mm로 낮아져 규정에 대한 여유가 확보되었다.

- 전방 롤 후프 전, 후 비교 사진

수정 전

수정 후

② 수정으로 인한 프론트(벌크헤드~프론트 롤 후프) 부재 길이 변화

수정 전

수정 후

- 색칠한 부재의 높이가 낮아진 것을 관찰할 수 있다. 그에 따라 연결된 다른 부재들의 길이도 조금씩 변화하게 되었다.

③ 드라이버 룸 및 레그 룸 규정 check

규정 템플릿과의 간섭이 발생하지 않았다. 레그 룸 템플릿은 페달의 위치가 결정된 이후 한번 더 정확히 측정할 필요가 있다.

(3) 프레임 캐드 파일 수정

: 프레임 캐드 파일을 다루는 방법에 대한 내용은 다음 글에서 다루도록 하겠습니다. 

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4. 결과

: 모터가 마운트 되는 공간의 길이를 늘려 모터 위치를 확보하고 대기어와의 거리를 늘릴 수 있게 하였다. 참고로 HV 팀장님께 문의한 결과, 모터와 배터리 박스 사이에 배선이 지나가지 않기 때문에 둘 사이의 거리를 가능한 좁힌다면 대기어와의 적정 거리 확보에 더욱 도움이 될 것 같다.

: 해석 상 문제가 되던 지점에 지지 구조물을 추가하는 방식으로 구조적 안정성과 프레임의 비틀림 강성을 확보하였다. 추가적으로 기존 리어 전면 지오메트리의 이점을 유지할 수 있었다는 의의도 존재한다. 하지만 해당 구조물에 대한 개선점(살파기, 두께 변경을 통한 경량화 등)이 남아있다.

: 측면 충돌 보호 구조의 상단 부재의 높이를 낮추어 관련 규정에 대한 여유를 확보했다.

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5. 1월 4주차에 대한 개인적인 소감

: 이번 차량 설계는 프레임이 아니라 하드 포인트 설정부터 시작했기 때문에 오늘과 같이 지나치게 현가에 치우쳐진 프레임 설계가 이루어졌다고 생각합니다. 설계에 순서를 정해두고 진행하지만 결국 모든 것을 아우르는 통찰력이 필요하다는 것을 느꼈습니다. 해석을 통해 프레임 설계의 문제점을 발견하고 이를 수정하면서 모든 설계에 근거를 찾아야 한다는 제 생각이 더 확고 해졌습니다. 아직 저도 설계를 진행하면서 근거를 마련하지 못해 답답한 부분들이 많습니다. 이를 해결하려면 ANSYS와 같은 해석 툴, 엑셀을 이용한 수치해석, 캐드를 활용한 실제 어셈블리 구현, 해외 팀 사례, 보고서 등의 방법도 있지만 팀원들 간의 원활한 소통이 정말 중요한 것 같습니다. 각자 설계를 담당한 부분에 대해서 서로 피드백을 주고받으면서 미처 발견하지 못한 허점과 문제를 지적 받을 수 있다는 것이 '어울'수레의 장점이라고 생각합니다. 사실상 오늘 수정한 문제들도 팀원들의 피드백과 회장님의 프레임 해석 결과 검토가 없었더라면 뒤늦게 발견했을 것입니다. 앞으로도 서로의 결과물에 대해 적극적이고 공격적인 피드백이 많이 이루어졌으면 좋겠습니다. 오늘 하루 다들 고생 많으셨습니다.

[22 이영대]

굉장하네요…

[21 이동규]

프레임 해석을 위해 고생해준 정원 회장님께 감사드립니다 ㅠㅠ

[21 변민혁]

드라이버룸 규정을 고려할 때 배터리박스가 어디까지 오는지, 시트를 어떻게 고정하는지(시트마운트 위치 등), 스티어링휠의 위치가 어떻게 되는지를 꼭 생각해야합니다. 22차량 작업 시 배터리박스가 생각보다 앞으로 나오면서 검차 플레이트가 스티어링 휠 마운트와 간섭이 있었고, 대공사를 했었습니다. 또한 시트 마운트가 애매하게 있어서 작업도 어려웠고 검차에서 걸릴뻔 했어요.


많이 고민한 것 같아요ㅠㅠ 정말 저하고 비교도 안될 만큼 탁월하게 하고 있는 것 같아 멋집니다.

[21 이동규]

오!! 아직 조향 설계가 마무리 되지 않아서 이 부분까지는 생각 못했는데 너무 감사합니다. 설 끝나면 시트 위치랑 드라이버 포지션 쪽 설계하면서 꼭 확인해봐야겠네요. 괌솸다!!

[20 강정원]

정말 고생많았습니다...!!!! 실험군과 대조군 구분이 확실해 차후 후배들이 읽어도 정말 큰 도움이 될 것 같습니다!! 해석시 boundary condition을 어떻게 설정했는지도 추가해주면 더 알찬 글이 될 것 같아요!!! (어디를 고정했고, 어디에 얼만큼 힘을 주었는지)