[제동 설계] BOTS, 가속 페달, 브레이크 라인

[22 박민성]

[BOTS, 제동장치 미작동 감지장치]


BOTS (Brake Over Travel Switch)는 유압 회로가 손상되어 브레이크 액이 누출되는 경우처럼 페달이 평소 운동 거리를 넘어설 때 작동하는 스위치입니다. 스위치가 켜지면 (E-formula 기준) 구동 시스템 전원이 차단되어 모터가 멈춥니다. 스위치는 제동 장치가 정상 상태일 때는 페달과 닿지 않지만, 작동불능 상태일 때엔 페달에 닿아 스위치를 확실하게 동작시킬 수 있는 위치에 설치해야 합니다. 가능하다면 전장 팀에 스위치 규격을 미리 알려달라고 부탁해서 규격에 맞게 BOTS 지지 구조물을 설계하는 게 좋습니다. 23년에는 토글스위치를 사용했고, 용산 전자상가에서 구매했습니다.

주황색 표시된 부분 BTOS, 토글스위치

사진에서 주황색으로 표시된 부분이 BTOS입니다. 지지 구조물 상단에 스위치 규격에 맞게 타공한 힌지를 용접으로 고정했습니다. 스위치의 접지점이 지지 구조물과 간섭하지 않고, 전선을 빼기 충분한 공간이 생기도록 힌지 길이를 설계했고, 제작 과정에서 직접 맞춰보며 힌지 사이즈와 타공 지점을 계속 수정했습니다. 아래 사진에서 페달 후면부가 스위치와 닿으면서 스위치가 켜지는 모습을 확인할 수 있습니다.

검차 시에는 BOTS 작동 증빙 자료를 검차관님께 보여드려야합니다. 규정에는 사진 자료도 가능하다고 서술되어 있지만 검차관님에 따라 워낙 스타일이 다르다 보니 가능하다면 영상으로 보여드리는게 확실한 것 같습니다. 영상은 까먹지 말고 압 잡기 전이나 밸런스바 결합 전에 미리 찍어두어야 합니다. 다른 모든 설계도 마찬가지이겠지만, CAD파일에서 잘 작동한다고 너무 딱맞게 설계하지 마십시오. 약간 넉넉하게 설계해서(안전마진) 제작 중 오차가 생기더라도 충분히 작동하도록 설계하는게 좋습니다.


마지막으로 규정 읽기를 강조하고 싶습니다. 모든 설계에 앞서 규정 분석이 가장 기본이 되어야 합니다. 설계 후반과 제작 중간 중간에도 지적당할 만한 부분은 없는지 계속 점검해야 합니다. 제동 파트는 기술 규정 자체는 양이 별로 없고 설계 자유도가 높은 편입니다. 양도 적으니 집중해서 꼼꼼하게 읽으십시오. 제동장치 파트 부분만 보지 말고, 여기저기 흩어져 있는 제동 구조물에 사용하는 볼트 너트 같은 재료와 해석 조건에 관한 규정도 확인하십시오. 제동 테스트 규정과 내구레이스 규정 확인도 잊지 말아요!

그리고 규정 자체만으로는 해석이 모호한 경우가 많습니다. 그럴 때는 법률 판례 찾아보는 것처럼 AARK Q&A 게시판에 다른 학교에서 문의한 내용과 KSAE 위원장님들의 답변을 찾아보면 됩니다. 원하는 답변이나 내용이 없다면 직접 질문해도 생각보다 빨리 답해주십니다.


KSAE 홈페이지 -> 커뮤니티 -> QnA
https://www.ksae.org/jajak/bbs/?code=J_qna

한국자동차공학회 대학생 자작자동차대회

대회 그 자체보다 공부하는 과정이 훨씬 더 중요하다지만, 힘들게 설계하고 제작해서 대회까지 왔는데 사소한 규정 하나 때문에 검차에서 지적당하면 서운하겠죠? 규정은 꼼꼼하게 챙깁시다~

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[가속페달(엑셀) 관련]

23 제동팀에서는 가속페달 설계는 하지 않았습니다. 모터 사면 딸려 오는 제품을 사용했고, 저는 엑셀 위치 조절용 각파이프에 맞는 지지 구조물만 디자인했습니다. 제동 페달 지지 구조물과 마찬가지로 타공한 각파이프와 수평 방향으로 볼팅 연결되는 방식입니다. 형태는 사진과 같습니다.

가속 페달은 리턴 스프링 관련 규정이 있습니다. 가속 페달 내부에 있는 리턴 스프링을 제외한 2개의 리턴 스프링으로 가속 페달이 원래 위치까지 돌아가야합니다. 스프링이 2개인 이유는 주행 중 1개의 리턴 스프링이 끊어져도 다른 1개가 작동할 수 있도록 하기 위함입니다. 그러므로, 두 스프링은 각각 독립적인 구멍이나 브라켓에 고정되어야 합니다. 스프링 간 간섭 또한 없어야 합니다. 리런 스프링은 스프링집에 가서 종류, 세기, 규격 말하면 맞는 제품 딱딱 뽑아서 주십니다. 스피링 강성 선정할 때는 드라이버가 선호하는 세기에 맞게 구매하면 됩니다.

한양대가 설계한 가속 페달. 리턴 스프링 엄청 깔끔하죠?

+이번 대회에서 검차관님들이 우르르 몰려오셔서 피드백 해주셨을 때 가장 의아해하셨던 부분이 가속 페달이었습니다. 모터에 딸려 오는 이 제품 쓰지 말고 페달에 어울리게 새로 디자인하라고 몇몇 검차관님께서 말씀해 주셨습니다. 그 이유는 정확히 여쭤보지 못했습니다 ㅠ 저는 브레이크 페달과 크기 차이가 심해서이거나 무게 때문이라고 생각했는데, 저희 가속 페달을 선호하지 않는 다른 이유도 있는 걸까요?

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[브레이크 라인]

브레이크 라인은 인터넷 상에 체계적으로 정리된 글이나 자료를 찾기 힘들어 가장 걱정이 많았던 파트입니다. 상위권 팀에서도 브레이크 압이 안 잡히거나 브레이크 액이 끊임없이 새서 고생하는 일이 허다하다고 설계 이전부터 간간이 들었습니다. 무시무시한 소문에 섀시팀 모두 겁을 먹었지만, 결과적으로 압도 잘 잡혔고 액이 새지도 않았습니다. (주행까지는 해보지 못했기에 반만 성공입니다... 제동 설계를 비롯한 행복한 쿼카 섀시 설계 및 제작이 잘 진행됐는지 확인할 수 없으니 너무 안타깝습니다 ㅠㅠ )

브레이크 라인 규정부터 살펴보겠습니다. 두 개의 독립적인 유압 회로로 구성할 것. 보호장치가 없는 플라스틱 브레이크 라인은 사용하지 말 것. 이 정도가 전부입니다. 검차 시 까다로운 부분이나 제작 시 큰 제약 없습니다. 그럼에도 라인이 구동계(대기어 등), 조향 관련(암 또는 랙피) 구조물 등과 간섭하지 않는지, 내부 압력은 충분히 버틸 수 있는지, 커플링 결합은 적절하며 액이 새는 부분은 없는지 등의 안전 저해 요소는 스스로 꼼꼼히 점검해야합니다.

23 행복한 쿼카는 브레이크 라인의 모델링과 어셈블리에 도전했습니다. “여름에 프레임이랑 암까지 어느 정도 제작되면 라인 길이 측정해서 구매하고 대충 끼워 넣으면 되겠지~” 같은 생각으로 안일하게 임하면 분명히 여름 제작 단계에서 간섭 및 공간 확보 불가 등의 문제가 생길 것이라고 생각했기 때문입니다.

브레이크 호스도 결국 파이프 형상이므로, 카티아로 프레임을 모델링할 때처럼 브레이크 라인이 통과하는 지점마다 점을 찍고, 점을 직선 혹은 곡선으로 연결한 다음, 선을 중심선으로 하는 원통 모양 튜브를 생성하였습니다.

카티아 블루프린트

점을 찍고 선으로 연결할 때 정확한 치수를 참조하기 위해 카티아 블루프린트 기능을 사용했습니다. 블루프린트는 도면입니다. 모델링한 형상의 정확한 치수와 위치를 파악할 수 있습니다. 어셈블리된 파일에서 브레이크 라인 위치를 잡을 때 필요한 제동 부품, 캘리퍼, 조향, 모터 등등 주요 부품만 남기고 앞, 옆, 뒤에서 바라본 도면을 만들었습니다. Front view, Side view, Bottom view 3개의 도면을 카티아에 띄워두고, 도면의 가로 세로 길이를 설계한 차체의 길이로 조정한 뒤, 한 점으로 연결하였습니다. 그 다음 3D curve 기능을 이용하여 점을 찍고, 곡선과 직선으로 연결하였습니다. 이제 카티아 측정 기능을 통해 선의 총 길이를 확인하면 됩니다!

카티아로 파이프나 튜브만 전용으로 디자인할 수 있는 기능도 있다고 들었습니다. 제가 했던 방법 외에도 훨씬 간단하면서 정확한 방법이 많을 것입니다.

22 킹받드라슈 페달룸 & 브레이크 라인 / 22 페달룸도 정말 깔끔합니다 👍🏻👍🏻

23 행복한 쿼카는 비용을 절약하고자 22 킹받드라슈에 사용한 브레이크 라인을 그대로 사용하기로 결정했습니다. 22 킹받드라슈 길이와 비교했을 때, 전륜 캘리퍼 쪽과 페달룸 안쪽 부분의 라인 길이가 많이 짧았습니다. 대건 호스 사장님과 상담한 끝에 길이에 맞는 규격품 라인을 구매하여 연장하기로 결정했습니다. 400mm 정도 되는(수치가 정확한 지 잘 모르겠습니다 구체적인 수치는 기억이 정확하지 않아요) 규격품 호스를 3개 구매했습니다. 전륜 쪽 라인에 하나를 사용했고, 위치 조절 기능을 위해 페달룸 쪽 (마찬가지로 전륜)에 넉넉히 2개를 사용했습니다. (사장님 말로는) 이를 통해 대략 10만 원 넘게 절약할 수 있었습니다.

대건호스
서울 동대문구 황물로17길 29
https://naver.me/I54TB8KL

네이버 지도

대건호스 위치와 사진입니다. 사장님이 경상도 사람 스타일입니다. 착한 거 같은데 표현이 거칩니다. 귀찮아하는듯한(?) 태도로 제대로 답변해주지 않으시지만, 오해 말고 궁금한 거 있으면 친절하게 잘 물어보기! 그리고 청계천, 문래동, 장한평 등등 동네 모두 같은 제품을 같은 매장에서 구매하더라도 어떻게 하냐에 따라 가격이 다릅니다 ㅋㅋ. 그러니 사장님들 거친 태도에 쫄지 말고 싹싹하게, 공손하게 대하면 대체로 가격 깎아주거나 학생이라고 더 얹어서 주십니다.


라인을 재사용하면서 가장 걱정되었던 점은 액이 새는 문제였습니다. 그러나 대건호스 사장님은 일관되게 액이 샐 이유가 없다고 말씀하셨고, 불안하면 야마 본드를 바르라고 말씀해 주셨습니다.

지금 다시 생각해 보면 사장님 말이 맞습니다. 은연 중에 브레이크 라인에 대한 과한 불신(?)이 있는 것 같은데 모두 아시다시피 브레이크 라인을 비롯한 유압 시스템과 피팅은 아주 폭넓은 분야에서 사용되며, 충분히 검증된 방식입니다. 암-수 커플링 결합, 정해진 토크로 체결하기 (과한 토크로 체결하면 나사산이 손상됨), 그리고 제조사에서 안내한 기타 유의사항만 잘 지킨다면 액이 샐 일이 거의 없습니다.

유일하게 액이 샐 수 있는 경우는 위에서 말한 조건을 지키지 않았거나, 커플링 결합이 ‘풀어지는’ 경우입니다. 결합이 풀어지며 나사산 사이 틈으로 액이 새게 됩니다.


그럼 결합이 풀어지는 것은 어떻게 막을 수 있을까요?

테프론 테이프. 가격이 매우 저렴하단 장점이 있습니다.

접착제와 테프론 테이프가 결합의 풀림을 방지하는 대표적인 방법입니다. 테프론 테이프는 소방 펌프, 화장실, 또는 상수도 파이프 등등 물을 사용하는 배관의 나사산에 감아서, 배관의 풀림을 방지하고, 나사산 사이의 틈을 밀봉합니다.

그러나 브레이크 라인 체결부에는 테프론 테이프를 사용하지 말아야 합니다. 브레이크 라인 체결부는 차량의 진동, 라인 내부의 고압, 브레이크 액의 독성으로 인한 부식으로부터, 나사의 풀림과 나사산 사이 틈으로의 누출을 방지해야하기 때문입니다. 그러나 테프론 테이프는 독성이 있는 용액에 쉽게 부식되고, 완벽하게 나사산 사이를 밀봉하지 못해 (틈이 있어) 고압의 파이프에서 액 누출을 완전히 막을 수 없습니다. 또한, 부식된 테프론 테이프가 브레이크 라인 내부로 침투하면, 라인 내부가 막히는 더 큰 문제로 이어질 수 있습니다.

결론적으로 브레이크 라인에는 접착제를 사용하여 결합부를 밀봉해야합니다.

23 행복한 쿼카는 록타이트 577 접착제를 사용했습니다. 비슷한 제품으로 22년에 사용한 록타이트 263 접착제가 있습니다. 263은 나사 풀림 방지 접착제로, 차량 진동 등으로 인한 나사(커플링)의 풀림을 막음으로써 액이 새지 않도록 기능합니다. 577은 고압용 배관 밀봉제로, 263과 마찬가지로 풀림 방지 기능을 하고, 추가로 연결부의 틈까지 완벽히 밀봉합니다. 풀림 방지 기능이 있는 263에서 틈을 밀봉하는 기능까지 추가된 제품이 577입니다. 577은 최대 666bar까지 견디고, 배관 나사산 사이의 거의 모든 틈을 밀봉합니다. 오일류 등의 독성에 대한 부식 또한 없습니다. 원자력 발전소에서도 배관 밀봉용으로 사용한다고 합니다.

구매처 홈페이지 입니다.
https://www.henkel-adhesives.com/kr/ko/product/thread-sealants/loctite_5771.html

LOCTITE® 577

홈페이지에 있는 577 데이터 시트입니다. 577 접착제를 사용하여 배관 피팅을 밀봉하는 방법, 밀봉된 배관을 다시 푸는 가이드, 각종 실험 결과 수치들이 나와 있습니다.
https://datasheets.tdx.henkel.com/LOCTITE-577-en_GL.pdf

577 접착제 관련 수치 및 설명.

577 접착제는 대건 호스집 바로 옆 골목 록타이드 대리점에서 구매하였습니다. 록타이트는 기업 특성상 제조사에 직납하지 않고 대리점을 반드시 거쳐야한다고 합니다. 그래서 요 시골스러운 집에서 현차 등 대기업에도 납품한다고 합니다. ㄷㄷ 사장님께서 젊으시고 상당히 적극적입니다. 기술 컨설팅 하듯이 상담해 주고, 구체적인 근거를 들어가며 접착제 제품을 추천해 주십니다. 자작차 관련 활동에 필요한 다른 접착제 류도 많이 판매합니다!

577은 혐기성 접착제라 공기와 닿으면 굳지 않습니다. 따라서 접착 시에 꽉 밀착되어야 합니다. 노란색에, 향도 이상하고, 중간 중간에 뭉친 곳도 많아서 사용해도 되나 의심될 텐데 처음에 개봉할 때부터 그랬습니다. 이상 없다고 합니다.


새로 구매한 라인을 결합할 때 577 접착제를 사용했습니다. 기존에 결합했던 라인 연결부는 히팅 건으로 열을 가한 다음 연결부를 풀어주고, 감겨있던 테프론 테이프를 제거했습니다. 녹이 슨 부분도 많았습니다. 캘리퍼 쪽 어뎁터가 특히 녹이 많이 슬었습니다. 해당 부분은 덥디를 하루 밤 정도 뿌려놔서 나사산을 최대한 깨끗하게 만든 뒤 577접착제를 다시 발라주었습니다. 바르는 방법은 아래와 같습니다.

https://youtu.be/2c5BxVoCXuw?si=zV_CXtkoT5SIxsJc

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제작 관련된 이야기도 여기서 이야기해 보겠습니다.

22 차량에서 분리한 직후의 브레이크 라인

철제관은 가격이 (고무관에 비해) 저렴하고, 규격품이 아니기에 사이즈를 정확히 맞출 수 있습니다. 단점은 진동에 취약합니다. 따라서 프레임 등의 구조물과 마찰하여 철제 관의 표면이 손상되는 것에 주의 해야합니다. 23 행복한 쿼카는 재연이 형이 추천해 주신 대로 전장 팀에서 사용하는 EVA 스펀지 테이프로 철제관을 2~3바퀴 푹신하게 감싼 뒤 케타로 고정했습니다.

타 팀에서는 p clamp, 3D 프린터, 철제 고정 핀, 일반 케타 등을 이용하여 브레이크 라인을 고정합니다. 기술 규정에 별도로 명시된 사항이 없는만큼 사용과 수정이 간편하고 무게가 가장 가벼운 케이블 타이가 가장 좋은 것 같습니다. 케타는 강한 힘을 받으면 끊어질 위험이 있으므로 여러군데 촘촘하게 고정했습니다.

철제 관은 완전히 굽히지 말고 둥글게 말아서 운반하거나 보관해야합니다.

고무관은 철제 관과 같은 방법으로 결합 커플링 부분에 스펀지를 두르고, 케타로 고정했습니다. 고무관은 규격품이라 철제관처럼 사이즈를 완벽히 맞게 제작하기 까다롭습니다. 보통 길이가 애매하게 남을 텐데, 전륜의 경우 좌우로 조향 시 암이랑 간섭나기 쉽습니다. 핸들을 끝까지 돌려보고 간섭나지 않는 위치에 케타로 고정해야합니다. 조향을 할 때마다 암과 고무 호스가 마찰하면 캘리퍼와 라인의 결합이 잘 풀어집니다. 특히 조심해야합니다.

브레이크 라인 배선과 고정는 어울수레가 잘하고 있는 것 같습니다. KSAE 나가서 다른 학교 차들 페달룸을 보면 라인이 차체에 제대로 고정되지도 않고 서로 뒤엉키거나 케타로 아무렇게나 고정해 놓은 개판인 팀들 많습니다. 몇몇 검차관님께서도 23 행복한 쿼카 페달룸을 보시고 지금까지 본 페달 룸 중에 가장 깔끔하다고 칭찬해 주셨습니다.

블리딩할 때 사용할 역류 방지 호스

공기 빼기를 위해 역류 방지 튜브를 구매하였습니다. 일반적인 수족관 용품점에서 구매할 수 있습니다. 가격은 개당 500~1000원 정도입니다. 저는 학교 근처 신설동에 있는 수족관에서 총 2,000원에 2개 구매했습니다. 내경 4짜리 투명 호스도 서비스로 받아왔습니다. 두 호스를 역류 방지 튜브에 연결하고 라이터로 살짝 녹여 고정한 뒤 페드병 뚜껑에 구멍을 뚫었습니다.


공기 빼기 방법과 관련 팁은 재연이 형이 작성해 주신 아래 글에 잘 설명되어 있습니다!

https://m.cafe.daum.net/eoulsure/9rWa/23

모든 이야기의 시작 - Daum 카페

제가 생각하기에 공기 빼기에 특별한 비법(?)은 없는 것 같습니다. 그저 카페 글과 인터넷에 나와 있는 정석대로 하되, 공기가 라인 내부 포켓에 남아 고여 있을 만한 특수 부분만 모두 해결하면 됩니다. 재연이 형이 적어주신 방법과 팁만으로도 충분합니다!

제 경험을 더 말하자면 블리딩 할 때 마스터 실린더가 수평 상태에서 진행하야 공기가 고이지 않는다는 것. 투명 호스를 블리딩스크류에 연결할 때 호스가 잘 늘어나므로 스크류 외경보다 조금 작은 내경의 호스를 선택하고 호스 길이는 넉넉하게 구매하기. 천천히 지그시 강하게도 좋지만, 때로는 강하고 빠르게 훅 훅 훅 힘을 줘서 포켓에 공기가 고이지 않게 하기. 캘리퍼의 위 아래쪽 블리딩 스크류로 모두 공기를 빼되, 캘리퍼 위쪽으로 공기가 고이므로, 윗쪽 스크류로 공기 빼는데 신경 쓰기. 페달을 밟지 않은 상태에서도 페달이 벽처럼 딱딱해지면 비로소 공기가 완전히 빠지고 압이 잡힌 것. 페달 밟는 사람, 마스터 실린더에 액 보충하는 사람, 캘리퍼에서 공기 빼는 사람으로 구성; 3인 1조로 작업함. 마스터 실린더에 녹가루 묻어 있으면 깨끗하게 닦기.

23KSAE 대회 당일 페달룸

[22 이영대]

제목 btos ㅋㅋㅋ 이게 더 익숙한거 어쩔 수 없나보다

[22 박민성]

끝까지 헷갈린다야 ㅋㅋㅋㅋㅋ