네띠앙의 모터사피엔스 홈페이지에 있던 SKKU 97 의 설계 보고서 입니다.. 사진자료의 소스는 프리챌에 제 이름으로 되어있는 모터사피엔스 자료실에 있습니다.
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설계보고서
서론
문제 정의
목표
설게 절차에 대한 토의
결론
부록 : 설계도면
서론
기계 관련 분야 학생들에게 이론적인 학습과 더불어 실제적인 도구와 기계를 접할 기회를 제공함으로서, 보다 현실적인 학문을 추구한다는 목표 아래 자동차 연구회를 조직하였다. 그래서 이론적으로만 배웠던 동역학, 정역학, 고체역학, 내연기관등의 학과목들을 실제 자동차를 제작하는데 적용하여 강의실 안에서만 배웠던 학문에 현장성을 부여할 기회를 갖게 되었다. 사실 이번 대회에 참여하기 위해서 사실은 상당한 무리가 있었다. 연구회가 조직된지 얼마 되지가 않아서 자동차에 대한 제반 지식이 없었고 공구, 공작기계를 다루기가 쉽지 않았기 때문이다. 하지만 이번 대회에 참여하는 이유는 여러 대학들과 겨루어 봄으로서 한단계 더 나아감은 물론, 타 대학과의 교류를 통해 서로의 장단점을 꾸준히 보완하기 위해서이다. 우리 연구회의 가장 근본적인 목적은 무공해,고효율 자동차를 만드는데 있다. 거시적인 관점에서 이번에 만든 자동차는 우리연구회에서 아주 중요하다. 그래서 많은 애착을 가지고 뛰어난 내구성, 우수한 동적 성능을 위해 많은 시행오차를 겪었고, 결국 자작 자동차가 탄생하게 되었다. 이번 대회에서는 71개팀 가운데 몇 등할 지는 모르겠지만, 물론 등위안에 든다면 경사스런 일이고, 등위안에 들지 못해도 실망하지 않고 입상에 실패한 이유를 생각해보고 더욱 발전된 기술과 이론을 익히는 하나의 계기가 될 것이다.
1.기관
자동차에 있어서 각기 사용 목적에 따른 요구되는 특성에 따라 기관을 선택하게 된다. 일반적으로 자동차에 많이 사용되는 것이 가솔린 기관과 디젤기관이 있다. 그러나 대회 규정상 4행정 125cc가솔린 기관만 사용이 가능하기 때문에 다른 기관에 대하여서는 고려하지 않기로 하였다. 사용할 엔진의 제원은 다음과 같다.
Table specification of engine
Engine type |
Gasoline 4-stroke |
Valve mechanism |
SOHC |
Total displacement volume(cc) |
125 |
Bore * Stroke |
56.5 * 49.5 |
Cooling system |
Air cooling |
Number of cylinder |
1 |
125cc 단기 통엔진을 탑재하여 중저속에서 토크가 크고, 강한 힘을 느낄 수 있다. 특히 경량화를 꾀할 수 있다는 장점이 있다. 또한 고 rpm 위주로 설계될 엔진이다. 변속비 5속에서 엔진의 속도-마력의 관계를 다음과 같다. (오토바이 기준)
속도(Km/h) |
기관회전수(rpm) |
마력(ps) |
기관 회전수 차이 |
마력 차이 |
40 |
3574 |
3.5 |
893 |
1.2 |
50 |
4467 |
4.7 |
983 |
1.6 |
60 |
5360 |
6.3 |
894 |
1.5 |
70 |
6254 |
7.8 |
894 |
1.6 |
80 |
7148 |
9.4 |
893 |
1.0 |
90 |
8041 |
10.4 |
893 |
0.4 |
100 |
8934 |
10.8 |
위의 표에서 보듯 최대출력은 약 9000rpm에서 10마력 정도로 되어야 제 성능을 발휘할 수 이싸ㄷ. 그러나 8000-9000rpm에서는 엔진이 과열될 수 있으므로 냉각효과를 고려하여 5000rpm을 상용 기관 회전수로 설정하였다. 엔진에 대하여서는 압축비 조절 등 튜닝이 허가되지 않으므로 125cc엔진을 그대로 사용하였다.
2.동력 전달계
1. 클러치
클러치는 트랜스미션의 기어 바꿈을 무부하 상태에서 행하고, 또 발진시 엔진에 동력을 서서히 구동륜으로 전달하기 위한 단속 기구로, 엔진과 트랜스 미션의 중간 부분에 설치되어 있다.
클러치에 요구되는 성능은 다음과 같다.
1) 엔진 최대 토크에 대하여 충분한 전달 토크 용량이 있을 것.
2) 변속시 엔진의 동력을 차단할 필요가 있을 때 완전히 끊길 것.
3) 변속기어의 물림에 고장이 없고 충분한 회전력을 전달할 것.
4) 내구, 신뢰성, 특히 마찰재의 내마모성이 좋을 것.
5) 구동계의 비틀림 진동에 대한 흡수 능력이 높을 것 등이다.
클러치의 토크 전달력(회전력을 전하는 능력)이 엔진의 회전력보다 클 경우 엔진이 정지할 수 있고, 또 클러치의 전달력이 엔진의 회전력보다 작으면 미끄럼이 많아져 페이싱의 마모가 격심하게 된다. 따라서 클러치의 설정은 자동차의 출력에 영향을 주는 매우 중요한 요소이다.
클러치의 전달코크는 보통 엔진의 1.3에서 1.5배로 설계된다. 따라서 본 차량에 탑재한 엔진이 125cc엔진이므로 토크의 계산을 오토바이를 기준으로 계산하였다. 차량이 오토바이의 테인 구동 동력전달과 유사하게 설계되었다. 그러므로 체인까지의 토크 전달량은 오토바이와 같다. 자동차의 자체 중량의 증가와 타이어의 직경 감소를 고려하여 스프라켓의 토크 전달에 대한 구체적인 계산은 따로 설명한다.
2. 변속기
변속기(transmission)는 차량에 작용하는 주행 저하으이 변화에 따러서 엔진의 토크를 변환 순응 시키기 위하여 변속비를 선택하든지 또는 후진을 위하여 회전방향을 반대로하는 것이다. 자동차의 원동기로 내연기관을 사용하고 있기 때문에 그 발생마력을 충분히 이용하여 원활하게 주행시키기 위해서는 기관을 일정회전수 이상으로 회전시켜 두고 구동축의 회전수를 주행조건에 따라 변화시키고 회전력을 가감시킬 필요가 있다.
변속기 요건은 다음과 같다.
1) 조작이 용이하고 차의 주행 상태에 따라 회전수나 토크의 변환이 재빠르게 될것.
2) 작동이 정숙하고, 원활하고 확실한 동력을 전달할 것.
3) 견고하며, 수명이 길고, 고장이 적을 것.
4) 소형, 경량일 것
등의 요건을 필요로 한다. 그러나 변속기는 직접 제작이 쉬ㅈ비 않는 부분이므로 상용차에 장착된 것 중에서 알맞는 것을 선택하여 장착하였다. 우선 고려된 것이 현재 국내 4륜차 중 가장 경량인 국민차 티코(대우자동차)의 변 속기를 장착하는 것과 엔진과 일체로 오토바이 변속기르 사용하는 방법이 검토 되었다. 각가가은 다음과 같은 장단점이 있다.
티코변속기 |
오토바이변속기 |
|
장점 |
후진이 가능하다. 차동기어 및 주축이 티코의 것이므로 기어로 동력전달이 가능하다. (기어를 사용할 경우 엔진름이 작아짐) 티코의 중량보다 작은 차에 장착하므로 오토바이 변속기에 비해 무리가 덜 간다. 손으로 변속이 용이하다. |
소형이다.(중량이 적음) 엔진과 알체로 별도 가공이 필요없다. |
단점 |
장착하는데 정밀한 가공이 필요함. 증량이 더 크다. 주축 연결이 쉽지 않고 별도의 케이스를 만들어야 한다. |
조작이 일반차와 같지 않다. 후진이 안 된다. 차체 중량 증가로 변속기에 무리가 갈 수 있다. |
티코의 변속기가 중량에서 손해보지만 실제 차에 가까운 차를 만든다는 취지로 변속용이 및 후진 가능에 더 큰 비중을 두고 티코 변속기로 처음 결정하였으나 교내의 기자재를 경기차가 이용하는 오토바이 변속기에 체인으로 구동되였다.
2륜차(오토바이)의 그림과 같이 일차적으로 중간 감속비, 클러치, 변속기, 최종감속기를 거쳐 후륜차에 전달된다. 감속비는 다음과 같다.
감속비 |
기어잇수비 |
|
중간감속비 |
3.650 |
73/20 |
1속 |
3.083 |
37/12 |
2속 |
1.882 |
32/17 |
3속 |
1.380 |
29/21 |
4속 |
1.095 |
23/21 |
5속 |
0.923 |
24/26 |
최종감속비 |
3.571 |
50/14 |
실제 2륜차(오토바이)의 최종감속비(스프라켓)의 잇수가 43개(D: 19 Cm)임에 반해 자동차의 무게 증가를 고려하여 종감속비를 높였다.(토크 증가를 위해)
=
= 1.162
(Tc 자동차의 토오크, Ta : 오토바이의 토오크, 오토바이 스프라켓 43개, d=19Cm, 자동차(사용한) 스프라켓 50개, d=26Cm)
위의 재원을 사용하여 계산한 이론상의 설계 요구치는 다음과 같다.
6000rpm |
9000rpm |
10000rpm |
|
1 |
13.5 |
20.3 |
22.5 |
2 |
22.1 |
33.2 |
36.9 |
3 |
30.2 |
45.3 |
50.3 |
4 |
38.0 |
57.1 |
63.4 |
5 |
45.1 |
67.7 |
75.2 |
(단위 : Km/h)
경기차의 목적이 스피드를 요하는 것이 아니므로 스피드보다 토오크를 높이는 방안으로 설계하였다.
3. 차동장치 및 구동축
자동차가 커브를 돌 때 좌우의 구동축에 회전차가 생기므로 이 회전차를 흡수하기 위해 차동장치가 필요하게 된다. 차동기어는 자동차의 조종안정성에 매우 중요하므로 필수적으로 사용하였다. 사용한 차동장치는 가장 보편적으로 사용되는 헬리켈 치차 형식의 감속기가 달린 베벨 치차형 차동장치 를 사용하였다. 이는 티코의 전륜축ㅇ과 함께 사용하였다. 티코의 경우 FF방식의 차이기 때문에 RR방식의 차에 맞도록 후륜축에 사용하였다. 차동기어에 함께설치된 종감속기어(헬리컬기어)를 제거하고 체인구동에 적합하도록 스프라켓을 설치하였다. 후륜구동축은 가도 변화시 순조로운 구동력을 전달할 수 있도록 등속 보올 조인트를 차동장치측에는 슬라이드 저항이 적을 더블 옵셋 조인트형식을 채용했다.
더블 옵셋 형식 |
||
샤프트의 길이 |
우 |
520.5 |
좌 |
337.5 |
|
샤프트의 직경 |
22 |
(단위 : mm)
4. 타이어
타이어는 차표면에 직접 마찰이 되어 작용한다는 점에서 실제적인 도로의 상황을 그대로 차에 전해주는 매우 중요한 부분이다. 타이어는 재질, 직경, 폭동에 따라 차의 성격이 규정된는 부분이므로 실제 설계시 가장 먼저 결정된 부분이다. off-road에도 충분한 제동성능을 가질 수 있고 엔진 토크와 차의 속력을 고려하여 폭과 지름이 결정되었다.
지름 |
바퀴둘레 |
|
135/65 R12 타이어 |
48.03 |
150.81 |
VT-125 타이어 앞 90/90-18 |
61.92 |
194.00 |
VT-125 타이어 뒤 130/90-15 |
61.50 |
193.00 |
(단위 : mm)
3. 브레이크
자동차의 운동에너지를 마찰에 의한 열에너지로 바꾸어 대기 중에 발산하는 것이 브레이크이다. 브레이크는 자동차의 운동을 제어하기 위한 중요한 장치의 하나이다.
제동장치를 설계하는데 있어서 중요한 사항으로는.
1)제동시 조정성 안정성을 읽지 않아야 한다.
2)온도, 차속, 물의 침입에 의한 돌기의 변화가 적어야, 즉 성능이 안정되어 있어야 한다.
3)다른 장치, 현가장치나 조향 장치와의 매칭이 잘 이루어져야 한다.
4)가벼워서 제어하기 쉽고, 적정한 페달 배치를 이루어야 한다.
5)강도와 내구성이 충분히 높아야 한다.
위와 같은 사항과 대회의 특성에 맞는 사항을 고려하여 제동장치를 설계하였다.
우선 우리차의 제동 부분의 형태를 살펴보면, 앞 뒤 네바퀴 모두 제동이 가능한 디스크 형식을 사용한 풋브레이크이다. 발로 페달을 밟으면 마스터 실린더와 연된 푸시로드가 스프링의 힘을 이기고 피스톤을 움직여 마스터 실린더를 작용시킨다. 그러면 오일 탱크로부터의 오일 통로가 일시 차단되기 때문에 브레이크액 통과하는 파이프로 향하는 오일에 이렁한 압력이 걸린다. 이 오일의 압력이 피스톤을 눌러서 패드를 디스크에 압착시켜 제동력을 발생시킨다. 위의 제동장치부분은 대부분 현재 시중에 나온 티고(대우자동차)의 것을 사용했다.
브레이크의 대부분의 요소로 시중 제품을 사용한 것은 자동차를 운전하는데 있어서 운전자의 생명과 관련된 브레이크를 직접 설계, 제작하는데는 시간적, 경제적인 문제와 가장 중요한 지식의 한계로 인해 다른 변형 없이, 단지 전체적인 설계 위치의 조정만 고려했다.
OFF-ROAD 인 경우에는 마찰계수가 작고, 속도 또한 일반 차량보다 작은 속도를 내므로 네 바퀴모두 제동력이 강한 디스크 브레이크를 쓸 필요는 없었지만, 보다 안정적인 제동과 만약의 경우 앞바퀴나 뒷바튀의 브레이크가 손상되었을 경우를 고려, 운전자의 안전을 위해 네 바퀴 모두에 제동장치를 설치하였다.
디스크 브레이크와 드럼 브레이크의 성능상 큰 차이는 없으나, 디스크 브레이크는 마찰면의 디스크가 직접 대기에 노출 되어 있기 때문에 방열성 작용이 좋고 브레이크 효과가 안정하여 페이드가 발생되지 않고, 페달의 스트로크(STROKE)가 일정하고, 물이 들어 갔을 때 마찰계수의 저하로 브레이크 효과는 일시적으로 저하되나 디스크 회전에 의한 물방울의 비산작용으로 브레치크 힘의 회복이 빠르다는 점, 좌우 브레이크의 평형이 좋다는 점 등등을 대회의 특성과의 비교를 통해 디스크 브레이크를 선택하였다.
브레이크 연결호스는 길이가 그다지 길지 않으므로 유압이 샐 염려는 적고 계산에 의하여 적용한 압력 값보다 10%높은 브레이크 호스를 사용하였다. 그리고 브레이크 호스가 흔들리는 것을 방지하기 위하여 차체에 고정시켰다.
4. 조향장치
4륜차의 조향장치 구조에는 아카만 장토식(ackerman-jantaud)조향기구가 채용되고 있다. 아카만-장토식 조향구조란 좌우 어느 쪽인가로 돌렸을 때, 전륜의 중심축의 여넝선이 어느 한 점에서 후차축과 교차되고 이 점을 중심으로 4륜 충중심이 같은 원주상을 선회하도록 한 것이다.
조향기기에는 여러 가지 종류의 형식이 있으나, 현재에는 래크 & 피니언과 볼너트식의 2종류가 주류를 이루고 있다. 그 중 구조가 간단하고 비교적 공간이 덜 요구되기 때문에 소형차를 비롯하여 앞바퀴 부분에 구동장치등이 집결되어 있는 FF차에 많이 사용하는 래크 & 피니언 방식의 조향장치를 사용하였다.
링크 기어가 적기 때문에 킥백(kick back; 노면의 요철 등에 따라 조향 핸들에 진동이나 회전이 전달 되는 것)이 심하다. 노면의 상태를 파악하기 쉬우므로 스포츠카에 알맞다. 대부분의 승요하는 조향장치가 앞쪽을 향하여 운전자의 발 앞부분에서 작용하게 되는 반면 본 경기차는 공간의 최대 활용의 측면과 전후 타이어에 고른 무게 배분 등을 고려하여 앞 바퀴가 운전자의 무릎 쪽에 위치하도록 설계하였다. 따라서 래크 & 피니언식 조향링크에 승합차용 베벨기어를 장착한 방식을 사용하였다. 베벨기어는 1 : 1 기어로 단지 방향만 90도정도 꺽어주는 역할마 하므로 공간의 활용의 극대화와 래크 & 피니언식 조향기구의 특성을 모두 살질 수 있다.
5. 현가장치
주행중에 노면에서 받은 충격을 타이어, 시트, 차체 및 휠 등에 이해 어느 정도 완화되나, 완충기능의 대부분의 대부분은 서스펜션이 담당하고 있다. 만일 충격을 완화하는 것이 없다면 노면의 작은 요철에 의한 충격이라도 운전자에게는 매우 큰 충격으로 전해져 불쾌한 느낌을 가지게 될 뿐아니라, 조종성이나 안정성에서도 큰 영향을 미친다. 이들의 진동을 완화하고, 운동성능을 향상시키는 것이 완충장치이고 보통코일 스프링과 오일댐퍼가이용되고 있다. 본 차량에는 앞바퀴에는 다마스의 쇽업쇼바를 뒷바퀴에는 티코의 앞바퀴 쇽업쇼버를 장착하였다. 그러나 현가장치 구조는 모두 더블 위시본형으로 직접제작하여 사용하였다. 더블 위시본형은 바퀴의 운동제어가 용이하고 바퀴에 걸리는 저출력의 제어도 용이한 구조이다. 더블위시본의 SLV형식을 따르기 때문에 서스펜션이 작용할 때 캠버의 변화가 +3도에서 -3도까지 로 나타나게 된다. 캠버각을 만든 이유는 선회시 차량이 기울임으로써 타이어가 더 많은 마찰력을 받게 하기 위해서 이다. 또한 앞바퀴의 캐스터 작은 3도로 설정하여 핸들 복원성과 직진 주행안정성 향사을 꾀하고자 했다.
6. 냉각 장치 냉각장치는 엔진 실린더, 피스톤, 밸브등의 용해 또는 열 변형, 연료의 비정상 연소등을 피하기 위해 적정한 온도를 유지하도록 직접 고온의 연소가스에 노출되는 부분을 주체로 냉각할 필요가 있다. 냉각방식에는 실린더 및 실린더 헤드 자체에 방열판을 형성한 것 만으로도 된 자연 공냉식과 엔진이 보디 커버로 싸여있고, 그외에 물을 이용한 수냉식이 있다. 자연 공냉식은 주행중에 온도가 낮은 공긱가 냉각전의 표면에 접촉하는 것에 의해 냉각시키는 방식이다. 실리더 내의 가스열은 실린더 내벽으로부터 외벽으로 전해져 공기중으로 방출되는데, 내벽에서 외벽으로의 열전도는 금속재료에 의해 결정된다. 이 때문에 실린더나 실린더헤드에 열전도가 뛰어난 알루미늄 재로가 사용되는 것은 이 때문이다. 외벽의 부분에서는 냉각핀의 사이를 통하는 공기온도가 낮을수록, 냉각핀의 면적이 클수록, 그리고 공기의 흐름이 빠를수록 냉각효과가 향상된다. 일반적인 이륜차용 엔진이 배기축을 전방으로 내어 놓은 것은, 가장 바람이 닿기 쉬운 고셍 높은 열부하가 걸리는 배기공을 설치하는 것이 효과적이기 때문이다. 강제공냉식은 엔진의 회전으로 팬을 회전시켜 실린더와 실린더헤드로 공기를 강제적으로 보내어 냉각하는 방식으로 냉각풍을 유효하게 이용하기 위해 일반적으로 덕트와 커버를 설치하고 있다. 수냉식은 물을 매체로 하느 냉각방식으로 실린더와 실린더헤드의 전체를 냉각수로 싸고, 온도가 상승한 냉각수는 라디에이터에서 주행풍을 받아 냉각하고 있다. 우리가 제[작한 자동차는 125cc 공냉식 엔진을 사용한다. 따라서 원활한 냉각을 위해서는 공기의 순환이 잘 이루어져야한다. 그런데 우리 차의 엔진의 seat바로 뒤에 있기 때문에 원활한 냉각이 잘 이루어지지 않을 것 같았다. 그래서 냉각 팬 설치와 덕트(duct)설치를 고려하였다. 냉각 팬을 사용해도 되지만 다소나마 엔진출력이 ㄸ러어질 것이다. 하지만 덕트를 사용한다면 출력의 저하 문제도 없을 뿐더러 냉각팬의 효과를 충분히 낼수 있다. 그래서 우리차에서는 운전자 양 옆으로 덕트를 설치하여서 엔진을 냉각하기로 하였다. 7. 차체
결론 이번 자동차르 만들면서 실제적인 자동차의 운동을 실제 이론에 접합시키는데 상당히 힘들었다. 그리고 보다 원활한 자동차의 운동과 규격에 정해진 공간에 엔진과 구동축, 운전자 공간을 활용하는데도 많은 어려움이 있었다. 아직까지 이번 자작 자동차에 모든 어려움을 모두 해결해서 결합시키지 못했다. 아마 보다 원활한 운동, 운전자의 안전성, 멋진 디자인을 생각하는데 많은 시간이 걸릴 것이다. 이번 자작 자동차에 대해서 연구회에서는 현가 장치부분에 많은 신경을 기울렸다. 더블 위시본 형식을 사용하였는데 이 형식은 캠버 조절이 가능하기 때문에 핸들링이나 코너웍이 좋기 때문이다. 하지만 제작상 곤란한 점도 있었다. 조향장치는 대우 자동차의 다마스 형식을 사용하였는데 핸들에서 이어지는 축과 베벨기어를 연결하였다. 브레이크 시스템을 생각하는데도 많은 어려움이 있었다. 이번에 장착한 브레이크 시스템을 생각하는데도 많은 어려움이 있었다. 이번에 장착한 브레이크는 Tico앞바퀴에 있는 Disk brake를 사용하였는데, 800cc엔진과 125cc엔진에서 발생하는 부압의 차이가 나기 때문에 이 문제를 해결해야 했다. 그 일환으로 벤츄리 효과에 많은 생각을 하였다. 스프라킷 구입을 위하여 기어비, 최적의 속도, 바퀴의 크기, 구름 저항력등을 고려하여서 최적의 스프라킷 잇수를 결정하였다. 프레임 설계 및 제작은 현가 장치에 맞추어서 설계를 하였고 최대한 가볍고 최대의 내구성을 위해 많은 토의를 거쳐 완성되었다. 하지만 차체의 무게와 속도에 대한 최적의 Shock absorber의 강성등은 전반적인 지식이 없어서 계산하지 못해 아쉬움 점도 있다. 이번에 사용된 자동차 부품은 자동차의 내구성과 대회 규정 한도내에서 실험실에 있는 부품과 대우 에서 기증받은 티코부품을 많이 사용하였다. 그래서 비용 보고서 작성에서도 정확한 가격 책정이 어려웠다. 하지만 실제로 연구실에 있는 부품을 제작하였기 때문에 비용도 많이 줄었고 부품을 응용하는데도 많은 도움이 되었다. 우리 연구회의 조직이 늦어서 아직까지 완성차를 내지 못하였지만 빠른 시일내 자작 자동차를 완성 시킬 게획이다. 마지막으로 이번 자동차 대회를 기해서 우리 연구회 조직원은 자동차에 대하여 많은 공부를 하게 되었고 이 배경 지식을 통해 우수한 자동차 제작을 위해 더욱 노력할 것이다. |