모노코크의 문제와 프레임 바디 채택
여름방학 스터디를 시작하면서 부터 프레임팀의 목표는 모노코크를 실현화시키는 것이었지만, 8월 초 프레임으로 바디를 구성하는것으로 목표를 바꾸게 되었습니다. 모노코크를 실현화하기 위해 많은 자료들을 찾아보고, 카본 작업을 도와드리고 동아리 선배분들께 궁금한점들을 자주 여쭤보고 정리하였지만, 쉽게 해결하지 못할 여러 부분들이 있어 2020 대회는 프레임바디로 차체를 구성하기로 하였습니다.
모노코크는 단순히 경량화와 공력 성능에서 이점을 볼 수 있고, 프레임은 강성과 정비성, 가격적인 측면에서 장점을 얻을 수 있습니다. 모노코크와 프레임바디를 갈등하던 중 우리 팀은 가장 먼저 세미 모노코크로 목표를 두기로 하였습니다.
세미 모노코크는 전면부 벌크헤드 부터 운전자 탑승공간까지의 공간을 모노코크로 만들고, 뒤 배터리 박스및 파워트레인 룸은 스페이스 프레임 방식으로 제작하여 결합하는 스타일의 바디입니다. 이로써 파워트레인과 배터리 박스및 전자장비들의 정비성에서 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 특히 배터리의 열배출에서 유리하고, 전면부 공력성능 개선및 잔여공간을 줄이는데 수월할 수 있다는 장점이 있습니다.
하지만 세미 모노코크는 여러 측면엠서 단점을 가지고 있끼 때문에, 가장 먼저 포기하게된 바디 구성방식이기도 합니다. 우선적으로 세미 모노코크의 이점을 가격이라고 생각했었는데,풀 모노코크 바디와 몰드 제작비용도 크게 차이가 나지 않고, 오히려 별도의 스페이스 프레임을 제작하기 위한 재료및 지그 제작 비용을 생각하면 비용적인 측면에서는 오히려 손실이 더 크다는결론을 내렸습니다. 또한 한가지 장점이 이었던 열 배출도 규정상 배터리박스 온도가 60도를 넘어서지만 않으면 되고, 실질적으로 내연기관에 비해 EV 배터리의 온도는 10분의 1도 안되는 수준이기 때문에 굳이 스페이스 프레임을 사용하지 않아도 해결가능한 문제라는 결론을 내렸습니다. 그뿐만 아니라 해석적인 측면에서도 풀 모노코크바디보다 어려울 것이고, 설계 기간도 더 길어질 것입니다. 스페이스 프레임과 모노코크 바디를 어떻게 결합할지에 대한 문제점도 해결방안이 크게 떠오르지 않았기 때문에 결합 방식에서 문제점이 발생할 수 있습니다. 마지막으로 운전자 탑승공간의 경량화를 달성한다고 해도 스페이스 프레임의 무게와 밸런스가 맞지 않는다면, 무게중심이 뒤로 쏠려 오버스티어링 현상이 과해질 것이고, 가속시 차체 앞부분이 흔들리거나 하는 동특성에서 치명적인 손실을 가져올 수 있다는 단점을 떠올렸습니다. 결론적으로 세미 모노코크는 정말 미미한 공력성능 개선과 경량화및 정비성 측면의 장점을 제외하고는 많은 설계및 해석, 공정의 어려움들을 수반하고 있다고 생각하여 포기하게 되었습니다.
우리 팀은 세미모노코크를 포기하고, 모노코크 바디와 프레임 바디 둘 중 한가지를 뚜렷한 목표로 정해서 그에 맞는 방향으로 스터디를 진행하기로 했습니다. 우선 세미 모노코크를 포기하기 전 한달간 우리 팀은 모노코크와 관련된 자료 조사 위주로 스터디를 진행하였고, 실제로 몰드를 다루며 카본적층 작업도 경험한적이 있었기 때문에, 모노코크에 대한 이점을 알고 모노코크 바디로 목표를 재정립 하기로 결정했습니다. 모노코크는 프레임바디의 궁극적인 목표인 경량화와 공력성능 개선에 절대적으로 유리하고, 강성적인 측면에서도 우수한 공정을 이룬다면 더 나은 결과를 얻어낼 수 있다는 사실이 명확했습니다. 비용적인 측면에서도 단순히 프레임만 봤을때 비용 차이가 심해보일 수 있겠지만, 바디 카울+ 프레임 + 지그 제작 비용을 고려하면 모노코크 바디와 큰 차이가 없을 수 있다는 결론도 있었습니다. 공정방식도 직접 경험한 내용들과 타팀 조사를 통해 얻어낸 자료들로 유리섬유 몰드와 카본 프리프레그, 알류미늄 허니콤 코어를 사용하는 것으로 이미 생각중 이었고, 가격적인 측면에서도 작년 팀의 프론트 스포일러와 같은 프레임 파트의 부속품들을 이용하기로 하여 해결하기로 했습니다.
하지만 모노코크를 포기하게된 이유는 현실적인 리스크가 너무 크다는 문제점입니다. 우선 모노코크는 해석적인 측면에서 프레임에 비해 상대적으로 어렵다는 문제점을 가지고 있습니다. 각 바디 부분에 따라 카본과 코어의 두께가 달라지고, 그렇다면 각 부분마다 차체가 가지는 강성이 달라지게 되는데 이를 정확히 해석하기엔 난이도가 너무 높고, WSC 형들께 여쭤보았을 때도 해석한 값이 일치할 확률이 너무 낮다는 실질적 조언도 들을 수 있었습니다. 이방성물질인 카본의 경우 해석이 틀리거나 예기치 않은 오류가 발생하여 풀 모노코크의 한 부분의 파손이 발생한다면 차체 전체를 폐기해야하고, 그런일이 발생했을때 손실된 비용과 시간은 다시 회복시킬 수 없다는 심각한 위험성이 존재합니다.
다른 파트 팀간의 협력성을 보아도 단순히 프레임팀의 욕심으로 모노코크를 당장 시작하기에는 무리가 있을 수 있다는 생각이 들었습니다. 해결 가능한 문제라고는 했지만, 열배출에 대한 제약이 당연히 발생할 수가 있고, 모노코크는 중간에 수정하는게 불가능 합니다. 파워트레인도 마찬가지로, 공간에 대한 제약과 정비성에 대한 어려움이 더 심해질 것이고, 특히 서스펜션팀의 경우 모노코크로 인해 바디 형태가 바뀌게 된다면, 하드포인트 위치를 다시 설정하는데 큰 어려움이 발생할 수 있습니다.
이렇게 확실한 리스크가 남아있는 상태에서 모노코크를 만들겠다고 하기에는 우리 팀에서 설명할 수 없는 구체적인 근거 자료와 해석능력이 부족합니다. 현실적으로 교수님을 설득하지 못하는 현재 상황도 명확한 수치적 근거와 해석 자료가 없기 때문이고, 이러한 기초 자료를 미리 준비하고 제작을 시작한다면 제작 시기가 너무 느려질 수 있다는 문제점이 발생합니다.
이러한 이유들로 프레임을 선택하게 된 것입니다. 우선 해석적 측면에서는 동일하게 어려움이 남아있는게 현재 상황이긴 하지만 최소한 하드포인트는 유지할 수 있으며, 중간중간 수정하는 것도 모노코크보다는 훨신 수월할 수 있습니다. 중간에 설계상의 오류가 발생하여 규정을 충족시키지 못한다면, 프레임의 경우는 특정한 상황의 경우 수정이 가능할 수 있으나 모노코크는 애초에 한번 제작하면 수정이 절대 불가하다는 점 또한 프레임이 가지는 이점입니다.
가격적인 측면에서도 모노코크보다는 저렴할 수 있고, 특히 프레임 제작을 시작할때 파이프를 두대 분량을 준비하여 혹시 모를 실수나 오류에도 바로바로 대처할 수 가 있다는 장점이 있습니다. 즉, 모노코크에 비해 프레임이 가지는 리스크는 현저히 적다는 이유입니다.
그리고 우리 동아리의 프레임 바디 자동차가 아직 발전해야할 부분이 남아있다는게 프레임 바디를 채택한 또 다른 이유입니다. 2019 KSAE의 프레임바디는 2D형태의 설계이고, 이를 3D 형태로 전환한 '보트형 구조'를 완성하게 된다면 동특성에서 큰 이점을 얻을 수가 있습니다. 또 지상고를 낮추어 공력성능 개선 및 접지력을 높여야할 필요도 있습니다. 그리고 프론트 오버행의 길이가 너무 길다는 말씀도 해주셔서 이를 줄여야할 필요가 있다고 생각했습니다. 그리고 공력적인 측면에서는 현재 사용중인 프런트윙과 스포일러에 사이드윙을 추가할 수도 있습니다.
이러한 이유들로 우리 프레임팀은 스페이스 프레임으로 바디를 구성하기로 하였습니다. 우리 팀이 프레임 방식을 채택하며 2020대회에서 다시 시도할 내용은 위에서 언급한 것 처럼 3D형태인 보트형 구조를 설계하는 것입니다. 또한 작년팀에 비해 지상고를 낮추기 위해 노력할 것이므로 동특성과 공력성능의 측면에서 개선을 이룰 것이라고 생각합니다. 프론트 오버행의 길이를 줄여 프레임 내 잔여공간을 줄여 경량화를 달성할 것이고, 최초로 디퓨저와 사이드 윙을 제작하고 설치하여 공력성능 개선을 위해 노력할 것입니다.
프레임이 개선해야할 부분이 명확하여 컨셉 모델을 미리 모델링해보고 있는데, 공간적인 측면의 규정은 대부분 맞추기 위해 노력하고 있습니다. 하지만 아직 정확한 쇠파이프의 규격은 정하지 않았고 물성치도 모르기 때문에 강성적인 측면에 대한 규정까지 맞춰가며 설계할 수 있는 단계가 아닙니다.
현재는 프레임만을 모델링해보고 있지만, 앞으로는 지그와 카울 , 윙 , 디퓨저등을 모델링해야 합니다. 이는 곧 공력과 강성의 파트를 카울과 프레임으로 구분해 역할을 분담시키고 스터를 진행할 생각입니다.
프레임바디를 제작하게 되면서 19 EV 프레임팀에서 물려받을 수 있다고 생각하는 부품은 시트와 프런트 윙 입니다. 시트와 프런트윙을 물려받게 된다면 여유 자금과 시간으로 사이드윙을 제작하는데 충분한 시간과 비용을 충당할 수 있을 것이라 생각합니다.
