안녕하십니까? 17학번 최재혁입니다.
이번 차량의 엔진룸의 형상을 나름대로 바꾸어 보려 하였으나, 선배님의 조언으로 엔진룸의 형상을 크게 바꾸지 않기로 결정하였습니다. 직사각형의 엔진룸 형상을 가지게 되면 어퍼암과 로어암의 길이가 다른 SLA식(Short Long Arm)을 포기해야 합니다.
직사각형의 엔진룸은 정비성 말고는 큰 장점이 없기 때문에 SLA 방식을 채택할 수 있는 형태의 엔진룸을 만들어야 합니다.
우리차량은 더블위시본 방식의 암을 사용하고 있습니다. 아래위 암의 길이가 같은 평행사변형식과 아래의 암이 위의 암보다 더 긴 SLA식이 있습니다. 캠버는 자동차를 정면에서 보았을 때, 수직선에 대하여 타이어가 경사되어 있는 상태를 말합니다. 위 사진의 SLA식의 형태가 (-)캠버각이라고 하는데, (-)캠버는 선회력이 좋지만 직진성은 감소합니다. 대회특성상 직선구간보다 짧은 코너가 많기 때문에 선회력이 좋은 (-)캠버각을 선정합니다. 이처럼 SLA방식을 통해 캠버각을 설정할 수 있고, 이 같은 장점들을 가지기 위해서는 사다리꼴이나 육각형의 엔진룸 형상을 가져야 합니다. 그래서 우리는 <SP-20> 차량이 가졌던 육각형 형태의 엔진룸을 그대로 사용하기로 결정하였습니다. 엔진룸을 새로 디자인한것을 다시 원상복귀 시켜야 하는 것이 허탈하지만, 실패를 통해 얻어가는 것이 더욱 많은 것 같습니다. 냉정한 시선으로 지적해 주신 한명열 선배님께 감사합니다.
다음으로, 우리 차량에 장착된 LSD(Limited Slip Differential)에 대해 이해를 해보았습니다.
장문이고 그림도 별로 없지만, 꼭 한번 읽어보았으면 좋겠습니다. 파워트레인 파트를 맡기전에 LSD에 대해 잘 알지 못했으나 웹서핑을 통해 설명과 예시들을 찾아보았습니다. 그 중 한가지 예시를 부족하지만 이해하기 쉽게 각색해서 써 보았습니다. 혹시 잘못알고있거나 부족한 부분이 있으면 피드백 해주시면 감사하겠습니다!
우선 디퍼런셜(Differential)이란 장치의 가장 큰 역할은 토크분배와 좌우 바퀴의 속도차이를 허용하도록 하는 것 입니다.
자동차에는 많은 종류의 디퍼런셜이 존재하지만 크게 두가지로 보면 일반 차량에 많이 사용되는 Open Differential과 고성능 차량에서 주로 볼 수 있는 LSD가 있습니다. 요즘에는 LSD가 고성능차량에만 국한되지 않고 사용하고 있습니다.
Open Differential의 큰 특징은 좌우 바퀴의 회전수 차이를 허용시켜준다는데 있습니다.
예를들면, 코너링을 돌 때나 노면의 상태에 따라 좌우 바퀴의 트랙션이 다른 경우 각각의 바퀴의 회전수는 다르게 되어야 주행할 수 있습니다. 하지만 좌우 바퀴의 회전수가 다르다 하더라도 전달되는 토크 분배가 달라지지는 않습니다.
오픈 디퍼런셜은 피니언기어가 기계적으로 맞물려서 계속 같은 힘으로 Drive Shaft를 밀기 때문에 좌우 토크는 거의 일정하게
50:50으로 유지됩니다. 이 점이 성능을 제한시키는 단점이 되기도 합니다.
예시를 들어보겠습니다. 마른노면과 타이어 마찰계수를 1, 슬립이 발생한 경우 마찰계수를 0.5로 가정하겠습니다.
중력가속도 10이며, 각 바퀴별로 100kg의 하중을 지탱하고 있다면 마른노면에서 마찰계수는 1이기 때문에 타이어에서 노면으로 전달 가능한 힘의 최대치는 10(중력가속도)*100(하중)*1(마찰계수)=1000N이 될 것입니다.
1. 직진 주행중이라면 각 바퀴별로 1000N씩 좌우 바퀴 합쳐서 2000N의 힘을 노면으로 전달할 수 있습니다.
2. 코너링 시의 자동차를 생각해보겠습니다.
코너링을 돌기 시작하면 횡가속도에 의해 하중이동이 발생하게 됩니다. 만약 좌에서 우로 40%의 하중이동이 발생하게 된다면 좌측 타이어에는 60kg의 하중이, 우측 타이어에는 140kg의 하중이 걸리게 됩니다.
그렇게 된다면 좌측타이어가 슬립 없이 회전할 수 있는 힘의 한계는 600*1=600N, 우측타이어는 1400N이 됩니다.
하지만 오픈디퍼런셜에서는 좌우토크가 50:50으로 유지되기 때문에 좌측타이어의 한계힘인 600N을 우측타이어에도 전달하게 됩니다. (우측타이어는 1400N의 한계점을 가지고 있지만 그 성능을 최대로 발휘 못함)
이 상황에서 슬립이 발생하기전 좌우 바퀴합하여 코너링시 최대 1200N의 힘밖에 노면으로 전달하지 못하게 됩니다.
직진주행중 일때의 힘(2000N)에 비해 코너링주행중 일때의 힘(1200N)이 800N이나 줄어 들게 됩니다.
3. 더 나아가서 운전자가 코너를 더 빨리 돌기위해 악셀을 더 밟는다고 가정해 보겠습니다.
600N 이상의 힘이 타이어에 전달되게 된다면 안쪽타이어(좌측타이어)는 슬립이 발생하고, 바깥쪽타이어(우측타이어)는 슬립없이 회전 할 수 있습니다. 슬립이 발생한 경우 위에서 가정한 마찰계수인 0.5를 갖는다면 좌측타이어는 노면으로 전달 가능한 힘인 600*0.5=300N을 갖게 됩니다. 같은 토크가 우측타이어에도 전달되기 때문에 좌우측 전달 가능한 힘은 합해서 600N 밖에 되질 않습니다. 슬립이 발생함으로 인해 전달 가능한 토크가 줄어들게 되는 것입니다.
결국은 Power 측면에서 본다면 오픈디퍼런셜은 접지력이 살아있는 바퀴로 파워를 전달하는 것이 아니라 접지력이 잃은 바퀴쪽으로 파워를 전달하게 됩니다.
만약 위와 같은 상황에서 LSD가 장착이 된다고 가정해보겠습니다.
(1)직진을 하는 경우와, (2)코너링시 슬립이 일어나기전의 경우 모두 LSD는 오픈디퍼런셜과 같이 동작합니다.
즉, 안쪽 휠에서 슬립이 발생하기 전까지 토크 분배는 거의 50:50을 유지하게 됩니다.
하지만 (3)운전자가 더 가속하는 경우 안쪽바퀴는 슬립이 발생하고, 좌우 바퀴에서 속도차이가 더 크게 발생합니다.
이때 LSD는 좌우 바퀴의 속도차이가 나는 것을 제한하면서 접지력이 높은 바퀴쪽으로 토크를 더 전달 할 수 있도록 합니다.
이상적인 토크 분배를 통해 좌측바퀴는 600N까지, 우측바퀴는 1400N까지 힘을 나눌 수 있다면 엔진에서 나온 토크를 효율적으로 전달할 수 있게 되는 것입니다. 코너링시 오픈디퍼런셜이 가질 수 있는 최대 힘인 1200N에 비해 LSD는 훨씬 효과적으로 노면으로 힘을 전달 할 수 있게 됩니다.
우리는 경주용 차량을 만들기 때문에 코너링에 대한 예시만 들었는데 상용차의 경우 눈길이나 빗길에서 한쪽 바퀴의 트랙션을 잃게 되면, 반대편 바퀴에 파워를 전달하는데에도 LSD가 사용이 됩니다.
https://youtu.be/We-oNHoGf5Q
위 영상도 참고하면 좋을 것 같습니다.
감사합니다.