[제동] 제동 설계 초안

[21 이동규]

1. 이 글을 읽기 전...

: '2023[행복한 쿼카] 섀시' 게시판에 있는 17강신홍 선배님과 22 박민성 후배님이 작성한 제동 관련 개념 글을 읽고 제동에 대한 기본 원리와 구성요소에 대해 숙지하고 보시는 것을 추천드립니다. 

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2. 제동 설계에서 작년과 동일한 부분

① 캘리퍼: 작년 너클을 그대로 사용하면서 너클과 한 몸인 캘리퍼 브라켓도 작년과 동일하게 되었습니다. 사실, 브레이크 설계를 하면서 현재 사용하고 있는 1P 단동식 캘리퍼를 2P 혹은 복동식 캘리퍼로 교체하고 싶었지만 마운트와 휠 내부 패키징의 문제로 포기하였습니다. 

② 브레이크 디스크: 작년 캘리퍼 브라켓과 캘리퍼, 허브를 그대로 사용하고 브레이크 패드의 거의 모든 면적이 디스크를 잡고 있었기 때문에 디스크 직경을 키우는 것이 불가능 했습니다. 보통 프론트가 먼저 잠기도록 하여 후륜이 먼저 잠겼을 때의 오버스티어를 방지합니다. 따라서 대부분의 차량이 프론트 브레이크 디스크의 직경을 리어보다 크게 설정하여 캘리퍼가 무는 힘의 모멘트 암을 증가시킵니다. 하지만 작년 브레이크 디스크와 캘리퍼 설계를 그대로 사용할 경우 프론트와 리어의 디스크 직경이 같게 되기 때문에 바이어스 바를 통해 전, 후륜 제동력 분배를 달리하여 프론트가 먼저 잠기는 방향으로 설계하고자 하였습니다.

③ 마스터 실린더: 작년 마스터 실린더의 재사용은 제동 팀원들의 논의로 결정되어 물어보고 추후에 다시 업로드 하도록 하겠습니다.

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3. Brake System Design 엑셀 시트를 활용한 브레이크 설계 

올해 Brake System Design 엑셀 시트

*핑크색 형광펜: 작년과 동일한 부품을 사용하면서 정해진 값들

*남색 형광펜: 아직 차량 설계가 마무리 되지 않아 작년을 참고하여 대입한 값들

*연두색 형광펜: 이번 제동에서 설계해야 하는 값들

*파란색 밑줄: 올해 설계 사항이 반영된 값들

*빨간색 밑줄: 작년의 엑셀 시트에 있던 값들을 그대로 집어 넣었지만 근거가 부족한 값들

*파란색 체크 표시: 제동 토크 마진

① 페달링 포스

: 제동 설계를 진행했던 선배님께 물어보니 500N 혹은 드라이버 체중의 절반(70kg이면 343N)을 기준으로 설계를 하는 것을 추천하였습니다. 하지만 기존의 캘리퍼 피스톤과 마스터 실린더의 스펙을 가지고 500N으로 밟는다면 토크 마진이 음수로 나와 휠이 잠기지 않았습니다. 물론, 페달비를 증가시키거나 페달링 포스를 높게 잡으면 마진을 늘려 휠이 잠기도록 할 수 있지만 이것은 언제까지나 엑셀 시트에서의 값이기 때문에 근거가 충분하지 못합니다. 타 대학 팀들의 보고서를 보면 드라이버의 페달링 포스를 측정 후 1000N에서 많게는 1400N까지 설정하여 브레이크 시스템을 설계하는 것을 보고 저희도 정확히 드라이버가 낼 수 있는 페달링 포스를 정확히 측정하여 설계하는 것이 바람직하다고 생각하였습니다. AARK 톡방에 물어보니 두 벽 사이에 드라이버를 위치시키고 한 발로 체중계를 밀어 페달링 포스를 측정한다고 합니다. 일단 이 방법으로 페달링 포스를 측정해보고자 합니다. 페달링 포스를 측정할 다른 아이디어가 있으신 부분은 댓글로 남겨주시면 감사하겠습니다. 현재까지는 작년에 사용한 700N을 기준으로 설계하였습니다.

② 바이어스 바

: 제동 상황에서 차량의 하중이 앞으로 이동하기 때문에 프론트의 그립이 증가하고 리어의 그립이 감소합니다. 따라서 전륜에 더 많은 제동 힘이 필요합니다. 또, 위에서 말했듯 프론트 휠이 먼저 잠기도록 하여 리어가 먼저 잠겨 발생하는 오버스티어를 예방해야 합니다. 저희가 사용하고 있는 바이어스 바는 최대 6:4까지 조정이 가능합니다. 지금의 스펙 상으로는 프론트로 제동력의 비율을 최대한 증가시켜야 프론트의 제동 토크 마진이 충분히 확보할 수 있었습니다. 결국 최대 바이어스 비율인 6:4로 설계하였습니다. 

③ 페달비

: 페달링 포스를 지렛대의 원리로 증가시켜 마스터 실린더에서 캘리퍼 피스톤까지 전달해주는 페달비는 페달링 포스를 700N으로 설정하고 난 뒤 프론트와 리어의 제동 토크 마진을 확인하면서 일일이 여러 값들을 대입해 보았습니다. 마진은 20 ~ 30% 범위 내로 들어올 수 있게 하였습니다. 하지만 여기도 한 가지 문제가 있습니다. 저희 팀의 부족한 캘리퍼, 마스터 실린더 스펙을 보완하기 위해 무작정 페달비를 늘려 가해지는 힘을 증가시키면 브레이크 부품들이 견딜 수 있는 유압을 넘어서게 되고 이는 사고로 이어질 수 있습니다. 추가적으로, 같은 힘을 작용했을 때 실린더에 작용하는 힘이 커져 브레이크가 지나치게 민감해질 수 있습니다. 따라서 마진이 프론트와 리어 모두에서 20%를 넘을 때까지만 페달비를 증가시켰고 그 결과 5.5의 페달비를 설정하였습니다.

④ Test Acceleration

: 제동 가속도를 작년과 동일하게 1G로 설정하였습니다. 이는 35.28km/h로 달리던 자동차가 1초만에 멈추는 상황을 의미합니다. 하지만 실제 제동 테스트에서 저희 차량이 어느 정도의 속도에서 제동을 시작하게 되는 지, 극한의 제동 상황을 가정한다면 차량의 최고 속도를 반영하여 더 큰 제동 가속도 값을 기준으로 설계해야 하는 것은 아닌 지에 대해서 의문이 생겼습니다. 여기에 대해서 지적 사항을 댓글에 남겨주시면 감사하겠습니다. 

⑤ 무게 중심의 높이, 차량의 총 중량

: 이 글을 쓰고 있는 시점에서 저희도 무게 중심을 향한 여정을 계속해 나가고 있습니다. 작년 값을 기준으로 설계를 해왔지만 결국은 올해 값을 다시 대입하여 정확한 결과를 도출해야 하기 때문에 빠르게 차량의 총 중량을 알아내야 합니다. 일단, 1월 중순에 작년 차량의 값들을 기준으로 설계한 시트를 제동 팀과 논의한 결과 리어에 무게 배분을 늘릴 수록 프론트 토크 마진이 증가하는 것을 확인할 수 있었습니다. 페달링 포스, Test Acceleration 등에 대해 확신이 없었기에 섀시 설계를 해나가면서 리어 무게 배분을 증가시켜야 하는가라는 생각을 하였습니다. 하지만 단지 제동을 위해 차량 전체 세팅을 조절하는 것은 주객이 전도된 상황이라 생각하였고 올해는 아니지만 내년 차에서는 꼭 브레이크 부품들을 업그레이드 해야겠습니다. 현재 전, 후 무게 배분은 목표 세팅인 45: 55로 설정하였습니다.

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4. 페달 형상

작년 페달, Clean and 깔끔

① 페달 크기 줄이기

: 올해 페달 설계에서는 드라이버에게 일정한 페달감을 주기 위해서 스로틀 페달과 브레이크 페달의 크기를 비슷하게 설계해보고자 하였습니다. 페달의 크기는 무게와 이어지기 때문에 줄이는 것이 좋다고 생각했습니다. 또, 페달을 조금만 밟아도 풀 브레이킹이 되어 제동 테스트에서도 더 유리하겠다고 판단했습니다.  페달비를 유지하면서 아래의 사진에서 x값을 줄여 전체 페달의 길이(y값)를 줄이는 설계를 하고자 하였습니다.

출처: 22 박민성

② 페달 크기 줄이기 취소

: 그런데, 작년 드라이버 였던 혁규는 오히려 페달이 큼직큼직해서 더 밟기 수월했다고 하고 섀시 팀, 선배님과의 논의 결과 페달은 이미 해석을 통한 위상 최적화로 경량화가 진행되었고 페달의 크기를 줄임으로써 얻는 경량화는 의미가 없을 것 같다는 의견이 나왔습니다. 저도 페달 크기를 줄이는 것에 대해 다시 생각해보게 되었고 작년 제동 설계를 맡은 민성이에게 또 질문을 하였습니다. 민성이도 같은 고민을 하였다고 합니다. 하지만 페달의 크기가 줄어들면 같은 Pedal Travel에서 Cylinder Travel이 늘어나 브레이크 페달이 민감해질 수 있다고 합니다. 브레이크 페달을 상대적으로 덜 밟아도 풀 브레이킹되어 제동 테스트에서는 이점이 될 수 있지만 내구 레이스에서는 페달이 민감해져 단점이 된다는 사실을 간과했습니다. Pedal Travel과 Cylinder Travel 사이의 관계에 대해 자료 조사를 더 진행한 뒤, 페달의 크기에 대한 근거를 마련해야겠습니다.

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5. 페달 위치 조절 구조물

출처: 22 박민성

: 브레이크 설계 초안까지는 확실히 가볍고 깔끔한 어셈블리가 가능한 작년의 방식(각파이프)을 그대로 사용하고자 하였습니다. 올해는 무조건 검차 통과 이후 내구 레이스에 참가할 것이기 때문에 드라이버 교체에 따른 페달 위치 조절이 불가피합니다. 하지만 각파이프를 이용한 페달 시스템의 분리는 완전히 볼트를 빼야하기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다. KSAE의 경기 진행규정(2023년도)의 제 12조 7항에 따르면 드라이버 교체에 총 3분이 주어지고 드라이버 교체를 위해 지정된 공간에는 팀당 교체할 드라이버 포함 3명의 인원만이 출입할 수 있고 반드시 한 명은 ESO여야 합니다. 실제 대회장에서 드라이버 제외 2명이서 스로틀 페달과 브레이크 페달, 올해 추가될 풋 레스트까지 모두 이동 시키기에 3분이 부족하다는 생각이 들지 않지만 3분이라는 시간을 모두 페달 위치 조절에만 사용할 수는 없는 노릇입니다. 차를 잘 굴려놓고 경기 진행 규정을 지키지 못해 감점 당하는 일은 없어야 합니다. 이번에는 21년도부터 추천받아왔던 갈고리 방식의 페달 시스템 체결을 구상하고 있습니다. 구체적인 내용은 다음 제동 글에서 언급하도록 하겠습니다.

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6. 마무리

: 21, 22, 23년도 차량을 거치면서 페달 시스템 점차 깔끔해지고 안정성도 확보되며 완성도 있게 발전하는 것 같습니다. 올해 페달도 완성도 있게 설계, 제작할 수 있도록 하겠습니다. 시농이형이 말했듯이 잘 설계된 브레이크 시스템의 역할은 제동력 자체에서 오는 것이 아닌, 브레이크 시스템이 드라이버에게 제공하는 자신감, 일관성, 그리고 조정성입니다.  제가 잘못된 방향으로 가고 있거나 실수하고 있는 부분은 댓글로 많이많이 남겨주시기 바랍니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

[17강신홍]

고생했습니다~~ 브레이크 라인이나 피팅 류들도 조금 난해하니 마지막 주에는 이것들을 공부해보는 것도 좋을 것 같습니다!

[21 이동규]

브레이크 피팅류는 생각치 못하고 있었는데 좋은 의견 감사합니다♥