[현가] front view geometry

[20 설유현]

1주차에 차량에 도입할 부분과 컨셉을 잡았고, 업라이트를 재사용하면서 하드포인트까지 잡게 되었습니다. 2주차에는 프레임의 형상을 잡고, 현가 정면도(front view geometry)를 설계하였습니다. 2주차 글을 3주차 절반이 넘어서야 시작하네요. 부지런히 따라잡도록 하겠습니다.

이번 현가 정면도 설계는 크게 4가지 측면에 중점을 두어 설계를 진행했습니다.

1. 낮은 롤센터 및 롤 센터 이동 최소화

2. 작년과 비슷한 수준의 캠버 회복

3. 작년보다 좁힌 트레드

4. 제작 편의성(암 오차 최소화)

자세한 내용은 캐드 사진을 보면서 살펴보겠습니다.

우선 프론트입니다.

프론트 정면도. 현가 정면도에는 전방 롤후프 아래쪽만 필요해서 위쪽은 프레임 설계할 때 관련 규정 참고하여 결정하였습니다.

중요한 수치들은 색으로 표시해 두었습니다. 빠르게 살펴봅시다.

롤 센터 : 30.03mm / 어퍼 암 : 294mm / 로워 암 : 368mm /

전륜 트레드 : 1213.174mm, 컨택패치 기준 1231.354mm / 캠버 : -2.3º / 전륜 스윙암 길이 : 1612.254mm / 프론트 지상고 : 90mm

1. 롤 센터

 먼저 롤 센터의 경우 작년과 동일하게 30~35mm를 타겟으로 설정했습니다. 차이가 있다면 지난 설계에서는 프레임을 확정한 후 정면도 설계를 들어갔기 때문에 롤 센터가 타겟에 비해 높아졌으나, 올해는 정면도 설계를 먼저 진행했기 때문에 원하는 범주에 롤 센터를 맞춰놓을 수 있었습니다. 다른 값들도 타겟값에 근접시키기 위해 조정을 반복했고, 30mm 근처로 나오게 되었습니다. 가능하면 타겟 범주에서 최대한 낮은 쪽에 근접시키려고 했던 부분도 있습니다. 작년, 22년 차량에 비해 10~8mm 정도 낮아졌고, 21년 차량에 비해 11mm 정도 높아졌습니다. 

1/29 - 이렇게 세팅하고 엑셀 시트에 넣었더니 25mm 범프 시 롤센터가 지면 아래로 내려가게 되었습니다. 힌지 높이를 수정하여 31.273으로 조금 높아졌습니다. 이에 따라 다른 값들도 암 길이를 제외하면 조금씩 바뀌었습니다

2. 어퍼/로워 암 길이

 롤 센터는 높이도 중요하지만 차량 거동 시 이동을 최소화하는 것 또한 핸들링 밸런스를 위해 중요합니다. 이를 위해서는 어퍼 암과 로워 암 길이의 비율을 조정하는데, 레이싱카 디자인에 의하면 어퍼 암의 길이가 로워 암의 80%일 때 롤 센터의 이동을 최소화할 수 있다고 합니다. 이를 참고하여 이번 암 길이 비율을 80%에 근접시키려고 하였고, 제작 정확성을 위해 자연수로 두고 조정을 반복한 결과 294mm, 368mm로 결정하였습니다.(79.8%정도입니다)

 육각형 모양의 전방 롤 후프는 드라이버의 발 쪽으로 들어가는 템플릿의 형상을 봤을 때 각형 모양보다 하단 부재의 길이를 줄여도 규정 통과에 문제가 없습니다.(사진에는 나와있지 않지만, 해당 템플릿도 캐드로 스케치하여 넣어보았습니다.) 따라서 로워 암의 길이를 가능한 늘려보았습니다. 작년에 비해 10mm 정도 늘었네요.

 사실 설계 초반에 템플릿을 만족한다는 이유로 하단 부재를 320mm 부근까지 낮춘 적이 있는데, 조금 지나서 다시 생각해보니 벌크헤드 폭보다 짧아지고, 페달공간이 절대 안나올 것 같았습니다. 이때 길이를 늘리느라 초반에 설계한 걸 뒤엎어야 했습니다..

프레임 설계를 나중에 진행하면 이런 부분을 놓칠 수 있는 것 같습니다. 이후 프레임 설계를 하면서 다시 정리한 결과 암 길이가 길어지면 범프/리바운드 시 캠버 변화를 줄일 수 있다고 하는데 이게 어퍼 암이 짧아지고 로워 암이 길어지면 어떻게 생각해야 하는지가 애매합니다.. 아시는 분 댓글 부탁드립니다! - 엑셀 시트에 대입해보면서 확인한 바로는 어퍼 암의 길이가 늘어나면 범프 시 캠버 변화가 줄고, 리바운드 시 캠버 변화가 늘어납니다. 로워 암의 길이가 늘어나면 리바운드 시 캠버 변화가 줄고, 범프 시 캠버 변화가 늘어납니다. 따라서 범프/리바운드 시 캠버 변화를 전부 줄이기 위해서는 어퍼 암과 로워 암의 길이를 동시에 늘려야 한다는 것입니다.

 돌아와서, 롤 센터 이동의 경우 작년에 비해 가로 방향으로는 40% 수준으로 줄었고, 상하 방향으로는 1도 롤 발생 시 0.2mm 수준으로, 거의 움직이지 않습니다. 롤 상황을 잘 구현했다고 가정한다면 목표한 바는 성공적으로 달성한 것 같네요.

3. 스윙암 길이

 스윙암 길이의 경우 작년 설계 의도에 어느 정도 동의하는 부분이 있었습니다. 따라서 작년과 동일하게 1600mm를 타겟으로 잡았고 조정을 반복한 결과 조금 길어졌습니다. 스윙암 길이가 길어질 경우 캠버 회복이 줄어든다는 단점이 있지만, 작년에 비해 40mm 증가한 정도로 큰 차이를 보이지는 않았으며, 어퍼 암을 짧게 설정한 것 또한 캠버 회복에 도움을 주는 점을 고려하여 무리하게 줄이지는 않았습니다. 로워 암 힌지가 달리는 높이가 제한되는 것을 생각하면 스윙암 길이가 짧아질 때 롤 센터가 높아진다는 점도 고려하였습니다.

수정 결과 1620으로 약간 늘었습니다.

4. 트레드

 전륜 트레드의 경우 작년보다 5mm 정도 감소하였습니다. 의도적으로 줄이려고 한 것은 아니나, 저희 차량의 트레드가 타 팀에 비해 조금 넓은 편이라고 하여 줄어든 것을 굳이 건드리지는 않았습니다. 타겟은 작년과 동일하게 1200mm입니다. 롤 강성에 있어 불리할 수도 있으나, 1%정도 차이로, 라이드 프리퀀시를 약간 조정하면 해결할 수 있을 것 같습니다.

수정 결과 1214.158mm로 약간 늘었습니다.

5. 캠버

 캠버각이 저렇게 깔끔하게 떨어진 이유는..

설계할 때 카티아 스케치를 사용했는데, 이게 레퍼런스를 너무 많이 잡고 시작하면 값을 바꾸면서 변하는 값이 너무 많아집니다. 따라서 기준이 되는 값이 필요하다고 생각했고, 캠버 각을 작년과 비슷한 2.3도로 구속하고 설계를 진행했습니다. 차체의 롤에 따른 캠버 변화를 볼 수 있는 스케치도 만들어 시험해 본 결과 작년과 큰 차이를 보이지는 않습니다만, 시작부터 고정하고 설계를 진행한게 조금 아쉬움이 남습니다. 결론적으로는 작년보다 줄었고, 롤이 발생할 때 -1도에 더 근접하게 되면서 타이어 그립은 좋아지지 않을까 싶습니다. 카티아로 계산한 롤 캠버는 0.612 정도로, 작년보다 아주 조금 늘었습니다(스윙암 길이가 늘었기 때문으로 보입니다. - 이렇게 생각했는데 엑셀시트에 넣다보니 어퍼 암이 짧아진 것이 더 큰 것 같습니다) 롤 상황에서 네거티브 캠버는 유지하게 될 것 같습니다.

수정 결과 2.265도까지 내려왔습니다. 여전히 네거티브 캠버를 유지하고 있습니다. 목표 라이드 프리퀀시를 생각하면 작년보다는 롤 강성이 올라갈 것으로 보아 조금 더 줄여도 될 것 같습니다.

6. 지상고

지상고는 작년의 110mm가 높은 것 같다는 피드백이 있었고, 롤 센터와 스윙암 길이를 동시에 타겟에 근접시키기 위해서는 로워 암 힌지가 달리는 위치가 많이 내려와야 했습니다. 따라서 20mm를 내리기로 했고, 어셈블리 결과 대각선으로 달리는 파이프와 아래쪽 힌지 사이에 아아아주 약간의 간섭이 발생하지만, 아예 못 달 정도는 아니었기 때문에 그대로 가기로 했습니다.(줄로 갈아내도 될 정도의 미세한 간섭이었습니다.) 사실 20mm나 낮춘 것에 대한 근거가 조금 부족한 것도 같습니다. 의견 부탁드립니다..!

앞쪽 페달 공간이 작년에 비해 짧아졌습니다. 지상고를 낮춘 것에 대한 약소한 근거가 될 것 같습니다.

설계 근거와 과정을 나열하다보니 프론트 설명이 다소 길어졌습니다. 이제 리어를 보겠습니다.

리어 정면도. 이번에는 리어 쪽도 어퍼 암 길이를 줄여보기로 했습니다.

롤 센터 : 40mm / 어퍼 암 : 315mm / 로워 암 : 380mm /

후륜 트레드 : 1186.36mm, 컨택패치 기준 1198.218mm / 캠버 : -1.5º / 후륜 스윙암 길이 : 1352.035mm / 리어 지상고 : 50mm

근거는 프론트와 비슷합니다. 리어는 조건이 까다롭지 않아 생각보다 편하게 설계할 수 있었습니다. 동규와 민헌이가 수고해주었습니다.

1. 롤 센터

 프론트 롤 센터가 낮아진 만큼 리어 쪽도 낮추게 되었습니다. 추가로 작년에 주려고 했던 10mm 차이가 날 수 있도록 설계했습니다. 작년보다 롤 축이 기울어졌고, 코너링 시 조향 성능이 좀 더 좋아질 것으로 보입니다.

2. 어퍼/로워 암 길이

 프론트와 동일하게 어퍼/로워 80% 비율을 유지하면서, 로워 암의 길이를 최대한 확보하려고 하였습니다. 이때 작년의 사각형 모양 리어 프레임보다는 사다리꼴 형태의 리어 프레임이 필요했습니다. 이때 하단 부재의 길이는 대기어와 마운트 체결을 고려하여 300mm로 제한을 두었습니다. 대기어 어셈블리 폭이 300mm는 아니지만, 더 짧게 할 경우 볼트 체결할 때 상당히 불편할 것 같았습니다.

3. 스윙암 길이

 마찬가지로 작년 수치를 참고하였습니다. 작년에 비해 15mm 정도 늘었습니다. 구동축인 리어의 캠버 회복은 프론트에 비해 커야 하기 때문에 프론트보다는 스윙암 길이를 짧게 설정합니다.

4. 트레드

 후륜 트레드는 전륜보다 짧게 설정하기로 하였습니다. 구동축 트레드를 줄여 주행 안정성을 높이고, 코너에서 더욱 민첩하게 움직일 수 있다고 합니다. 프론트와 30mm 정도 차이라 사실 유의미한 성능 차이가 생길지는 다소 의문입니다.

5. 캠버

 리어 캠버도 스윙암 길이가 비슷한 관계로 작년과 비슷한 수치로 잡게 되었습니다. 스윙암 길이가 길어진 것을 고려하여 1.5도로 조정하였고, 추후에 조정이 필요할 경우 너클 스페이서를 이용하여 수정할 수 있습니다.

6. 지상고

 리어쪽 지상고도 50mm로 작년보다 약 7.3mm 내려갔습니다. 힌지 쪽 간섭이 적은 관계로 조정이 가능합니다. 아래로 더 내려가는 건 조금 조심스럽네요..

생각보다 신경써야 하는 값들이 많았고, 중간에 생각하지 못한 제약도 있어서 예상보다 현가 설계가 늦어져 버렸습니다. 롤 캠버를 카티아로 계산하겠다고 처음부터 스케치를 다시 하느라 2일은 날린 것 같네요. 다음 설계에는 캐드 스케치를 좀 더 자세하게 설명해 이런 식으로 헤매는 일이 없도록 해야할 것 같습니다.

현가쪽 정면도가 나왔고, 프레임 초안도 나왔으니 현가 쪽은 서스펜션 위치와 형상 설계하면서 벨크랭크 설계를 준비하고, 조향 설계도 시작해야겠습니다. 관련 부품 어셈블리가 최대한 빨리 진행되어야 무게중심도 나오고, 차량 중량도 나오면서 모션비도 정하고 제동 설계도 구체화될 것 같습니다. 글을 쓰는 지금이 3주차니 4주차는 꽤 바빠지겠네요. 부지런히 움직여서 설계 마무리지어보겠습니다!

[22 이영대]

어떻게 구속조건을 준 것인지는 잘 모르겠지만, 힌지 위치와 암길이 만으로 완전 구속이 되지 않고 캠버까지 구속을 주어야한다면 어딘가 과구속이 되어 있거나 잘못 구속된 것일수도 있습니다! 한번 더 확인해보는 것이 좋을 듯 합니다.

[20 설유현]

캠버는 다른 값들이 계속해서 변하거나 암 형상 자체가 뒤틀리는 걸 막기 위해 설계 편의상 초반에만 구속을 주었습니다! 지금은 프론트 리어 둘다 힌지 위치와 지상고로 구속이 되어있으며, 글에서 다룬 값들 중에는 지상고를 제외하고 전부 레퍼런스로 설정되어 있습니다! 설계 처음에는 힌지 위치를 구속하지 않았는데 이로 인해 생긴 결과인 것 같습니다

[22 이영대]

++ 스윙암 길이는 타이어 컨택패치와 순간중심 사이의 수평길이(지면과 평행한 직선 간격)입니다. 정면도에는 킹핀 축과 순간 중심 사이의 거리로 래퍼런스가 잡혀있는거 같습니다.

[20 설유현]

이 글과 선배 자문에 의하면 스윙암 길이는 킹핀 축과 순간 중심 사이의 거리라고 하여 캐드 상으로도 그렇게 잡았습니다. 구글링해보니 컨택패치 중심부터 순간 중심까지의 점to점 거리라고 하는 자료도 있고 지면상의 거리라고 하는 자료도 있어서 정의가 상당히 다양하네요.. 어렵습니다

[22 이영대]

저도 작년에 설계할 때 찾아보니까 다 달라서 햇갈렸던 기억이… 레이싱카 디자인 기준으로는 컨텍패치더라구요.

[17강신홍]

[17강신홍]

[17강신홍]

[17강신홍]

저도 찾아보니 다양하네요 킹핀인거도 있고 컨택패치인거도 있고 휠 센터인거도 있고ㅋㅋㅋ 사실 거의 10mm 차이라서.. fvsa의 정확한 길이가 중요한 것이 아닌 이 fvsa를 통해 얻는 캠버 회복량이 얼마인지가 중요하다고 말씀 전하고 싶습니다. 캐드 상으로 camber change rate를 계산하여서 arctan(1/fvsa) 로 fvsa를 역산 해보는거도 좋은 경험이 될거 같습니다. (그러면 가까운 값이 fvsa의 정의가 맞겠죠??!)

[17강신홍]

camber change rate 단위는 degree/mm 입니다.