E 모노코크 개요
프레임 바디 / 모노코크
(SAE 규정에 한해) SAE 대회에서 프레임이 근본적으로 달성해야하는 것은 충분한 강성을 확보하는 것이다. 여기서 충분한 강성을 확보함과 동시에 차체는 공기저항을 줄이기 위한 공기역학적인 디자인능 가져야하고 구배저항을 줄이기 위한 경량화를 달성해야 한다. 특히 경량화는 차체가 각 파트별 부품에 가하는 하중에 대한 부담을 줄여줄 수 있고, 모터의 출력을 통해 도로와의 마찰을 일으켜 얻는 운동에너지의 손실도 최소화 시킬 수 있다.( 뮤값을 낮출수 있다) 그 외 프레임에는 서스펜션 및 스티어링, 브레이크와의 연결성을 고려해야 하고, 배터리나 모터의 배치를 통한 무게배분, 정비의 용이성까지 고려 해야한다.
SAE 포뮬러의 프레임을 구성하는 방식에는 프레임 바디 뿐만 아니라 모노코크 방식이 있다. 프레임은 간략하게 쇠파이프를 이용하여 트러스 구조를 구성하고, 부품들을 배치하며 위에 카울을 덮어 공기저항을 조절하는 방식이다. 모노코크는 카울과 프레임을 따로 제작하는 방식이 아니라 하나의 바디를 만들어 프레임과 카울의 역할을 함께 충족시키는 것이다.
모노코크는 세미모노코크 방식과 일반적인 모노코크 방식으로 나뉠수 있는데, 프레임과 모노코크의 특징을 섞은 방식이 세미 모노코크라 볼 수 있다. 세미 모노코크는 흔히 내연기관을 이용한 SAE 대회에 주로 이용되는데, 내연기관이 위치한 부분의 열배출과 정비성이 뛰어나기 때문이다. 하지만 SAE ELECTRIC의 경우에는 내연기관에 비해 열배출에 대한 제약이 크지 않기 때문에, 일반적인 모노코크 방식을 이용하는 것이 경량화와 구조 단순화에 있어 더 유리할 수있다.
미국의 대학교에서 포뮬러E에 적용한 모노코크 방식의 자동차이다. 위에서 언급한 것 처럼 모노코크는 프레임 바디의 포뮬러 설계에 비해 경량화와 및 비틀림 강성의 부분에서 발전을 이루기 더 쉬운 방식이다. 즉, SAE 대회에서는 프레임 바디보다 모노코크 바디가 더 신세대적인 방식으로 채택되고 있는 것이다. 이는 모노코크 바디의 장점 뿐만 아니라, 앞으로 프레임 바디를 통해 포뮬러를 발전시키는 데에는 한계에 도달할 수 있다는 것에도 근거가 있다.
즉, 이제는 SAE 전기차대회를 출전하는데 있어 모노코크 바디를 채택할 필요가 있다는 것이다.
구체적인 근거를 위한 논문도 있다.
"한국자동차 공학회 추계학술대회논문집 PP1695~1700"에 따르면 알류미늄이나 강철과 같은 전통적인 프레임의 재료는 높은 비중에 기인하여 경량구조를 제조하기에 한계가 있다. 이에 따라 새롭게 이용할수 있는 소재에는 고분자 기지 섬유강화 복합재료가 있다. 비 강성 및 충격 특성, 감쇠 특성이 우수한 것이 특징이다. 결과적으로 무게에 비해 강성 및 강도가 높다. 기존에는 유리강화 플라스틱이나 알류미늄을 통해 경량화를 달성하려 했지만, 이는 강성이 부족할 수 있고 이를 개선하기 위해서는 탄소섬유/에폭시 복합재료를 이용한다. 탄소섬유의 경우 일방향으로만 강성이 보강되는 문제점(이방성 재료)이 있기 때문에 최 외곽면을 직물 복합재료등으로 보강해야할 필요성이 있다. 즉, 차체를 형성하는 각 패널들의 치밀한 결합으로 접합하여 강성을 높이는 것이 핵심이다. 또한 잔여 공간을 줄이는 것도 경량화를 달성하는데 영향을 줄 수 있다.
이 논문에서는 연구를 위해 직접 포뮬러를 제작하였는데, 금형을 위해 적층과 드레이핑, 경화의 3단계로 제품을 제작하고 에폭시 적찹제를 통해 결합하였다. 몰드를 성형하는데에는 양각 금형과 음각 금형 방법이 있는데, 이는 각각의 장단점이 있다. 양각금형은 섬유 드레이핑이 쉬운 방면 표면이 매끈하지 못하고, 음각 금형은 기계적 완성도가 뛰어나지만 고도의 기술이 필요하다는 단점이 있다.
결과 적으로 모노코크방식을 채택해 복합재료로 제작한 포뮬러는 기존의 강철 프레임에 비해 강성이 83% 향상되었으며 질량은 약 50% 감소한 효과를 얻을 수 있었다. 즉 중량감소를 통한 성능 향상에 기여하는 것이고, 차체에서 힘이 집중되는 부분에 집중적으로 강도를 증가시켜 제작하는 것이 가능하다.
국내 논문중 모노코크를 통해 자작 차를 제작한 논문이 한가지 더 있는데 "Transactions of KSAE, Vol.24, No.5, pp.575-580 (2016)"의 Shell Eco-marathon 자작 자동차 경량화 연구 이다. SAE대회와는 다른 형태의 자동차를 제작하지만, 이 대회는 경량화에만 목표를 두고 있다는데, 우리 SAE 대회와 유사성이 있다. 여기서 한기대의 팀은 알루미늄을 이용하여 모노코크 바디를 제작하고, 사람이 탑승하기 위해서는 강성이 약하다고 판단하여, 아래에 쇠파이프를 설치하여 차체를 지지하도록 하였다. 이 역시 세미 모노코크의 형태이다.
모노코크 방식의 핵심은 소재에 있다고 볼 수도 있다. 위와 같은 샌드위치 패널의 구조가 가장 대표적인 SAE 모노코크 바디의 소재 이다. 직접 몰드를 짜고, 그 위에 층층이 소재들을 쌓아 차체를 성형하고, 이를 조합하여 차체를 제작하는 것이다.
실제 FSAE 대회에 참가하는 대학교들의 모노코크 바디이다. (위 사진은 모노코크, 그 위는 내연기관에 사용된 세미 모노코크)
모노코크 바디를 채택하게 된다면, 프레임바디와는 설계과정에서 물론 차이가 발생한다. 우선 카울과 프레임이 따로 제작되는 형태가 아니어서 공기저항을 고려하는 카울과 강성을 고려하는 프레임의 특징이 합쳐지게 되고, 결과적으로 바디를 설계할때 공기저항(앤시스)과 강성적인 부분(카티아)을 함께 연구해야 한다.
지금까지 우리 동아리의 포뮬러는 프레임 바디를 채택해 왔고, 더 발전하기 위해서는 모노코크 바디를 연구해야할 필요가 있다. 하지만, 사실상 모노코크 바디를 채택하는건 많은 문제점을 수반하고 있다.
프레임바디의 경우 ksae 대회에 출전하기 위해 사용된 경우가 있고, 이때 얻어낸 데이터를 기반으로 과거에 비해 더 안정적인 발전을 이룰 수 가 있다. 제작 방식에 대한 직접적인 조언도 구하기 쉽고, 제작 방식 자체에도 특별한 기술이나 방법이 크게 없다고 볼수도 있다. 기본기만을 중요시 여긴다면, 오히려 실패할 가능성이 적은 프레임 바디를 채택하는 것이 옳을 수 있다. 모노코크의 단점은 이 내용의 반대가 의미하는 것과 같다.
결과적으로 프레임 바디도 틀린 선택은 아니라는 의미이다. 그렇지만, 우리 동아리의 포뮬러가 앞으로도 발전해 나가기 위해서는 모노코크 방식을 시도해 볼 필요도 있다. 모노코크의 장점은 분명하다. 이 글을 토대로 모노코크의 장점과 현재 우리 프레임팀이 고민중인 차체 구조의 방식에 대해서는 어느 정도 이해할 수 있다.
우리가 모노코크 방식을 채택하기 위해서는 기존의 앤시스나 솔리드웍스에서 했던 공기 역학적 해석과 하중 이동, 강성측면에 대한 해석뿐만 아니라 몰드를 조형하고, 차체를 뽑아내는 방식에 대해서도 공부해야 한다.
현실적으로 우리 프레임팀은 아직 1학년 이고, 이 포뮬러e에 대한 전반적인 전공 지식에 대해 무지하기 때문에 당장 모노코크를 채택하겠다고 말하기에는 무리가 있다. 근본적으로 어떤 공부를 해야 우리가 모노코크 바디를 제작하는데 도움이 될지, 더 나은 차체에 대한 해석과 연구를 할 수 있는지 부터 알아가야 하는 것이다. 만약에 스터디를 진행하다가 모노코크 바디를 채택하는 것에 대한 불확실성이 생긴다면 프레임바디로 다시 목표를 바꿔야 할 수 도 있다는 가능성이 있음도 배제해서는 안된다. 이번 여름방학 스터디때는 설계를 위한 툴을 익히는 것을 주된 목표로 둔다.
file:///C:/Users/YuAoung/Downloads/[기술논문]%20Shell%20Eco-marathon을%20위한%20자작%20자동차%20경량화%20연구.pdf
file:///C:/Users/YuAoung/Desktop/MONOQOCUE/CFRP와%20PVC%20foam을%20이용한%20모노코크%20제작.pdf
file:///C:/Users/YuAoung/Desktop/ev/FSAETS~1.PDF
file:///C:/Users/YuAoung/Desktop/MONOQOCUE/이미지%20FSAE-Monocoque.pdf
file:///C:/Users/YuAoung/Desktop/MONOQOCUE/WR-217e+In-Hub+Motor+System.pdf
file:///C:/Users/YuAoung/Desktop/MONOQOCUE/경량화%20기술논문.pdf
