이어서 가도록 하겠습니다.
수정된 파일은 구글 드라이브에 반영해두었습니다! 240208 버전 보시면 됩니다.
https://drive.google.com/drive/folders/1Qio9zjnkEYWN7idJeF7QwtRdG3unSOcH?usp=drive_link
3. 3D 요소 설계
이 단계를 진행하기 위해서는 프레임, 암, 업라이트 어셈블리까지 되어있어야 합니다. 그리고 무게중심의 위치까지 결정되어 있어야 합니다. 대략적인 순서는 다음과 같습니다.
1)모션비 설정
CHASSIS DESIGN 시트를 활용하여 차량의 무게배분에 맞는 최적화된 타겟 라이드 프리퀀시를 정합니다. 그러면 상술한 라이드 프리퀀시를 도출하기 위한 타겟 모션비를 계산할 수 있습니다.
제가 설정한 라이드 프리퀀시는 전륜 2.7 후륜 2.9 입니다. 전륜은 student formula의 권장 라이드 프리퀀시인 2~3hz의 중간값인 2.75를 타겟으로 잡았습니다. 하지만 제작 과정에서 차량의 무게가 무거워져 서스가 단단해질 것을 고려하여 실제로 설계를 할 때는 2.7hz로 설정했습니다. (차량의 무게가 증가하면 라이드 프리퀀시가 커집니다.) (실제로 차량을 제작하고 나니 설계 중량보다 20kg정도 더 무거워졌습니다. 냉정하게 우리 팀은 아직 설계 숙련도가 높지 않기 때문에 제작 시에 예상치 못한 무게가 추가될 가능성이 높습니다. 그리고 숙련도를 배제하더라도 제작 과정에서 예상치 못한 일이 정말 많이 발생하기 때문에 여유를 두고 설계하는 것이 좋습니다. )후륜같은 경우에는, 전후 라이드 프리퀀시가 너무 비슷하면 피칭 진동이 일어나 차량 거동이 불안정해질 수 있어서 차이를 주어야 합니다. 코너가 많은 크세 트랙 특성상 리어가 더 단단하면 좋기에 후륜 라이드 프리퀀시를 더 높게 잡고자 했고, 0.2hz 이상 차이나면 차량의 전후 반응성이 크게 차이가 날 수 있다고 하여 0.2hz 높게 잡았습니다. 저는 이에 따라 전륜 0.753, 후륜 0.793이라는 타겟 모션비를 설정했습니다.
2) 정지 상태에서의 쇽 길이 계산
리바운드 스트로크를 확보하기 위해서는 정지 상태에서 차량의 쇽이 압축되어 있어야 합니다. 이 압축된 길이가 최대 리바운드 시에 늘어날 쇽 길이보다 길어야 할 것입니다.
모션비는 쇽(스프링) 변위/휠 변위 이기 때문에 휠 변위와 모션비를 곱하면 쇽 변위를 알 수 있습니다. 그런데, 실제로는 모션비가 일정하지 않습니다. 제가 모션비 변화의 경향을 수작업으로 확인하여 엑셀로 수합해보니(2023 어셈블리-설계 관련 엑셀시트-23_휠-스프링 관계.xlsx), 푸시로드, 풀로드 방식 모두 범프 시에는 모션비가 커지고, 리바운드 시에는 모션비가 감소한다는 것을 알 수 있었습니다. (풀로드 같은 경우에는 로커 방식을 사용하면 달라질 수도 있을거 같네요. 로커 방식은 범프 시에 스프링이 늘어납니다.) 그리고 그 경향이 1mm 당 0.001hz정도 인것을 확인했습니다.
저희가 쓰는 dnm-rcp2s 쇽은 c to c 200mm에 travel이 56mm입니다. 범프와 리바운드 스트로크를 똑같이 28mm를 준다면(규정에 따라 상하 25mm 현가 움직임을 만족해야합니다. 당시 설계할 때, 차량이 주행 중에 보통 최대로 얼마나 현가가 움직이는지 몰라서 리바운드 40mm까지 보고도 그랬는데, 이번에 다시 찾아보니 트레블이 56mm더라구요.... 좀 부끄럽습니다.), 리바운드 시에 스프링 변위는 200mm - (타겟 모션비-0.001hz*28)*28mm가 되는 것입니다. 상술한 모션비를 이에 대입하면 전륜은 179.7mm, 후륜은 178.58mm가 되어야 합니다.
3) 벨크랭크 비율과 서스펜션 로드의 길이를 변경시켜보며 최적의 값 찾기
이에 대한 건 말로 설명하기 어려워서 동영상으로 준비했습니다. 일단 이 작업을 시작하기 전에는 백업 본을 만들어 놓는 것이 좋습니다. 파일 이름에 한글을 넣어 파일이 같이 수정되지 못하게 해줍니다. (카티아는 파일 이름이 한국어면 열 수가 없습니다.)
우선 서스 로드가 연결될 두 피봇 포인트 사이 거리를 래퍼런스로 표시해둡니다.
앞서 계산한 쇽 길이로 구속시킨 다음 래퍼런스로 바꾸어 줍니다.
서스 암 파일을 열어주고, 피봇 사이 거리에 맞게 길이를 수정해줍니다.
암을 어셈블리 파일 안에 넣어주고 이때 저장을 해줍니다. 이 상태에서 원하는 수치가 나오지 않으면 부품을 다시 제거하고 다시 넣어야 하는데, 이 작업이 매우 귀찮습니다. 아래 상태에서 저장을 해주면 ctrl z로 되돌리면 되기 때문에 편합니다! 참고로, 캐드는 저장을 막 하면 나중에 구속이 무한 충돌하는 오류가 생겼을 때 전부 다 어셈을 다시해야하는 대참사가 일어날 수 있어서, 저장을 할 체크포인트를 정해두는 것이 좋습니다.
서스 로드를 구속시켜주고 휠을 1mm만 움직여서 모션비가 얼마나 나오는지 확인해줍니다. 모션비는 계속 변화하기 때문에 최대한 설계값을 반영하기 위해서 중간 지점 (0mm)에서 최대한 목표 모션비가 나오는지 확인하려고 했습니다. 0.1mm, 0.001mm 정도만 움직여서 볼 수도 있겠지만, 쇽 길이가 변화하는 정도를 소수점 셋째 자리 까지만 알 수 있기 때문에 너무 적게 움직이면 오히려 부정확한 설계가 됩니다. 가령, 1mm 움직이면 소수 셋째 자리 까지 모션비를 알 수 있지만, 0.1mm 움직이면 소수 둘째 자리 까지 확인할 수 있습니다. 휠 변위를 과도하게 크게 해서 볼 때도 정확도가 낮아지고, 너무 적게 해도 정확도가 낮아지니 가치 판단하셔서 유도리있게 보시면 될 것 같습니다.
프론트의 경우 1mm 범프된다면, 쇽은 0.753mm(모션비가 0.753) 가 압축되어 179.7-0.753=178.947mm 가 되어야합니다. 아래 경우에는 178.735가 나오고 있으니 모션비가 1에 가까운 상황이네요.
모션비가 잘못 되었으니 ctrl z를 이용해 다시 처음으로 되돌려줍니다.
모션비를 줄이기 위해서 스프링 쪽 벨크랭크 변위를 줄이거나 휠 쪽 벨크랭크 길이를 늘려야 합니다. 저는 모션비 변화를 최소화하기 위해서 쇽과 벨크랭크, 쇽과 로드의 각도가 수직에 가깝게 세팅하려고 했습니다. 그래서 이 영상에서는 쇽 쪽 길이를 줄이도록 하겠습니다.
그다음 앞의 과정을 반복해줍니다.
178.941mm가 나온것을 보니 매우 비슷해졌습니다. 모션비가 0.759라는 뜻인데, 이 수치를 chassis design 시트에 넣어보니 2.72 hz가 나옵니다. 소수 셋째 자리 변화면 그냥 넘어가려고 했는데 둘째 자리라 다시 수정했습니다. 모션비를 키우기 위해서 아주 약간만 벨크랭크 스프링 쪽 길이를 늘려줍니다. 수정하는 것은 온전히 감입니다... 하다보면 얼마 길이를 늘렸을 때 모션비가 얼마나 변하는지 규칙성이 약간은 보입니다! 그렇게 다시 수정을 해주면 설계가 완료됩니다.
그다음에는 travel 한계인 리바운드 28mm에서 쇽 길이가 200mm 안쪽으로 들어오는지 확인해줍니다. 199.868mm로 200보다 작습니다. 모션비 변화가 1mm당 0.001이라는 경험값은 어느정도 근사된 오차가 있는 값이어서 딱 200은 나오지 않는 것입니다.
수정이 완료되면 이제 저장을 해줍니다. 그 다음 리어도 똑같이 해줍니다. 리어는 178.58-0.793=177.787mm가 되어야합니다. 리바운드 28mm 에서는 200을 살짝 넘는데, 규정 범위인 25mm에서는 200mm 안쪽으로 들어와서 그냥 넘어갔습니다. 만약 설계 중이었다면 수정을 했겠지만, 지금은 너무 귀찮아서리...ㅋㅋ
그리고 벨크랭크 간섭을 봐주었는데, 프레임과 간섭이 나서 형상을 수정해주기로 했습니다. 벨크랭크 모양은 굳이 삼각형을 고집할 필요가 없습니다. 전에는 왜 다른 팀은 다양한 모양으로 할까 궁금했는데, 경량화 외에도 간섭이라는 이유도 있는거 같습니다.
수정을 하다가 무한 구속 충돌 현상이 나타났습니다. 어셈이 많이 되어있는 지금 상황에서는 어디서 잘못됐는지 알기가 거의 불가능 합니다. 그래서 벨크랭크 수정 전 저장했던 포인트로 다시 되돌려주었습니다. 수정 후에 저장을 했는데 이 상황이 일어났단면 아까 만들어둔 백업 파일이 매우 유용하겠지요? 이래서 백업을 해야한다는 것입니다. 사실 리어 모션비 수정하고 나서 백업을 했어야 했는데 깜빡했습니다. 다행히 저장 포인트가 적절해서 다시 되돌리기만 하면 되서 다행이었습니다.
00:50:32에서 벨크랭크 형상을 수정하고 구속 충돌이 일어나는지 확인하기 전에 저장을 하는 실수를 했었습니다. 혹여나 충돌이 일어났다면 큰일날뻔 했네요 ㄷㄷ
그렇게 간섭을 피해 벨크랭크 형상까지 수정해주면 설계가 완료됩니다. 벨크랭크는 나중에 구조해석을 돌려보아야합니다.
이렇게 설계된 정지 스프링 압축 길이는 제작할 때는 스프링 프리로드를 통해서 맞춰주면 됩니다. 차량이 서 있으면 휠, 업라이트, 암, 서스 로드 등을 통해서 하중이 스프링으로 전달될 것입니다. 이 하중은 분명히 쇽을 우리가 원하는 것 보다 더 많이 압축시킬 것입니다. 따라서 200mm 상태에서도 스프링이 약간 압축되게 세팅하여 특정 하중 포인트까지 쇽의 전체 길이가 압축되지 않게 만들 수 있습니다. 정리하면, (프리로드 전 압축 길이 - 설계 압축 길이)*(스프링 상수) 만큼 프리로드를 주면 우리가 원하는 지상고에 맞게 차를 만들 수 있게 되는 것입니다. 그런데, 프리로드를 주기 전 압축 길이를 FBD로 계산하기는 생각보다 매우 어렵습니다. 그렇기 때문에 차량을 어셈블리하고 지상고를 경험적으로 맞추는 작업이 필요한 것 입니다. 정확히 지상고를 맞추기 위해서는 모든 파트를 어셈블리 해야하기 때문에 전장팀의 도움도 필요합니다. 사실 이 내용은 제작 일기에 쓰려고했는데, 헷갈릴까봐 먼저 적어봅니다.
글 마치겠습니다! 감사합니다!