Fortis Saxonia – experimental stress analysis when driving

환경적인 압박은, 에너지 및 원자재 고갈에 대한 두려움이 증가함에 따라, 혁신적인 해결책을 찾기 위한 강한 동기를 부여 하였습니다. 자동차 생산에 대해서도, 이는, 효율적이고 경제적인 운전 시스템을 갖춘 경량 구조 차량에 대한 열망을 의미 합니다. TU 켐니츠(Chemnitz)에서 이러한 꿈을 쫒는 한 그룹이 바로 학생들이 진행하고 있는 연구 프로젝트인 ‘포르티스 섹소니아 (Fortis Saxonia, 용감한 섹소니)’입니다.

포르티스 섹소니아 (Fortis Saxonia, 용감한 섹소니) 프로젝트

환경적인 압박은, 에너지 및 원자재 고갈에 대한 두려움이 증가함에 따라, 혁신적인 해결책을 찾기 위한 강한 동기를 부여 하였습니다. 자동차 생산에 대해서도, 이는, 효율적이고 경제적인 운전 시스템을 갖춘 경량 구조 차량에 대한 열망을 의미 합니다. TU 켐니츠(Chemnitz)에서 이러한 꿈을 쫒는 한 그룹이 바로 학생들이 진행하고 있는 연구 프로젝트인 ‘포르티스 섹소니아 (Fortis Saxonia, 용감한 섹소니)’ 입니다. 

기계공학, 전기 공학, IT, 컴퓨터 공학 및 인류학, 및 사회과학의 재능을 가진 약 20명의 학부생 및 대학원생들은 현재 연료 전지 기술, 경량 구조, 시물레이션, 및 제어에 관한 것을 연구하고 있습니다.

목적은 제한된 시험 조건에서 극한의 낮은 연료 소비를 하는 차량을 개발 하는 것입니다. 매년, 이런 결과물로 나온 차량들이 ‘Shell Eco-Marathon’에서 경쟁을 합니다. 이는 1리터의 연료에서 얻은 힘으로 가장 긴 거리를 달릴 수 있는 차랑이 어느 것이가를 알려 줍니다. 기록은 현재 5,385 km 입니다. 2008년 5월에, 제 24회 ‘Eco-Marathon’에서, 기록은 3,382 km이었는데, 포르티스 섹소니아는 2,500 km의 거리를 0.04 L로 100 km [1]를 주행 하였습니다.

차량 설계

수년간의 집중적인 연구 결과로, 완전히 경쟁력이 있는 차량이 이제 포르티스 섹소니아 팀에게 주어질 수 있었습니다. 이는 그림1에서 볼 수 있고, ‘Sax 3’라 부르며, 이전 모델들과 마찬가지로, 바퀴가 3개인 차량으로 설계 제작 되었습니다.
전방의 두 바퀴는 잘 휘어지지않고 단단하며, 후방 바퀴 하나는 운전 조작 및 전기 구동의 조합으로 이루어져 있습니다. 전기 모터에 대한 에너지는 출력이 500 W인 연료 전지에 의해 공급됩니다. 실제 새시는 초경량 아라미드 벌집 구조로 구성되어 있고, 라미네이트 탄소 섬유의 여러 층으로 강화 되어 있습니다. 운전자가 사실상, 전방 두 바퀴사이에 눕기 때문에, 차량의 전방 서스펜션(suspension)은 일종의 포탈(portal) 축으로 설계 되었고 두 개의 알루미늄 지지대로 새시에 연결 됩니다.
전방 바퀴의 브레이크는 브레이크 디스크를 통합니다. 그림2는 전방 축의 설계를 보여 주는데, 인는 스트레인 게이지 측정 포인트의 위치를 함께 보여 줍니다.

그림. 2: 전방 축의 측면도, 스트레인 게이지 측정 포인트

새시로의 연결은 5개의 인장 버팀대(strut)로 제작 되었으며, 이는 후방 바퀴의 운전 조작을 유지하기 위해서 입니다 (그림3). 후방 축 구조는 약간 기운 수직 축인데 메카트로닉 구동의 도움을 받아 코너링을 할 수 있습니다. 가속에 요구되는 드라이브가 허브 모터로 후방 바퀴에 통합 됩니다. 림(rim) 브레이크가 후방 바퀴의 브레이크로 사용 됩니다. 운전자 없이 차량의 전체 무게는 단지 45 kg입니다.

그림. 3: 후방 축의 등측도법(等測圖法) 보기, 인장 스트레스를 결정하기 위한 스트레인 게이지 측정 포인트 (그림5 참조)

업무

‘Shell Eco-Marathon’에 매년 참가하는 포르티스 섹소니아의 시험 차량은 계속 개발 되고 있기에, 더 가볍고 더 효율적인 컴포넌트가 개발 되어 성능을 계속 개선 할 수 있습니다. 현재 실험 스트레스 분석의 목적은, 차량을 운전 할 때에 전방 및 후방 축 구조에 영향을 주는 힘, 모멘트 및 가속을 정밀하게 결정 하는 것입니다. 측정 결과는 전체 디자인의 향후 최적화를 위한 기초이며, 성능의 최대 레벨의 관점으로 볼 때에, 컴포넌트의 정밀한 해석을 가능하게 합니다.

기기 설치, 측정 값의 처리 및 기록

시험 주행에 요구되는 트랜스두서들, 선연결, 증폭기 및 소프트웨어 등은 TU 켐니츠(Chemnitz) 대학의 교수님의 준비로 사용 가능하게 되었습니다. 측정되어야 할 모든 기계적인 양은 전기 스트레인 게이지를 필요로 합니다. 사용된 증폭기는 HBM의 QuantumX MX840 입니다. 이것은 측정된 값을 취득하기 위해 8개의 채널을 가지고 있고 운전석의 뒤에 장착 됩니다 (그림4). 증폭기에 대한 전력 공급은 10 Ah용량의 12V 밧데리입니다. 이는 차량의 코(nose) 부분에 설치 됩니다. 이는 전체 측정 운영 기간 동안에 안정된 에너지가 공급될 수 있도록 보장 합니다. catman Easy 소프트웨어 버전 2.24가 깔린 랩탑(윈도우 비스타 홈 버전)은 차량에 설치되어 증폭기를 설정하고 측정 데이터를 수집하고 저장 합니다. 렙탑과 증폭기 간의 연결은 네트워크 케이블로 이루어 집니다. 데이터 수집에 맞는 측정 주파수는 100 Hz입니다.

 

시험 운행 동안, 운전자 다리 밑에 랩탑 컴퓨터를 두었습니다. 각각의 시험 운행을 마친 뒤에, 피트 정지(Pit stop) 동안 랩탑은 분리 되어, 측정된 값을 검사하고 저장 합니다.

그림. 4: ‘QuantumX MX840’ 증폭기 (HBM)가 장착된 차량의 뒤부분

전방 축의 주요 컴포넌트는 탄소 튜브인데, 이는 가속, 브레이크 작동 및 코너링, 운전자를 포함한 차량의 정지 하중으로 발생하는 비틀림 및 휨 몸멘트를 견뎌 냅니다. 이 스트레스는 복잡하기 때문에, 기존 하중은 여기에서 분석 됩니다. 이들 외부 하중을 측정하기 위해, 탄소 튜브는 한정된 기계 변수를 가긴 알루미늄 튜브로 교체 되었습니다. 새시에 튜브를 장착하기 위한 이들 두 개의 지지대는 또한 차량의 중앙 쪽으로 15 mm 더 이동했는데, 이는 스트레인 게이지가 알루미늄 컴포넌트에 붙이기 위해서 입니다. 이들은 전방 축에 사용된 스트레인 게이지의 세부 사항 입니다:

• 비틀림: XY41-3/350 (HBM), 풀 브릿지 회로 (full bridge circuit)
• 휨: LY13-1,5/120 (HBM), 하프 브릿지 회로 (half bridge circuit)

후방 축 구조의 컴포넌트 하중의 상세한 취득을 위해, 4개의 인장 버팀대가 풀 브릿지 회로로 ‘XY41-1.5/120 스트래인 게이지(HBM)’가 장착이 되어 준비 되었습니다 (그림5).

그림. 5: 풀 브릿지 회로에서 준비된 스트레인 게이지를 장착한 인장 버팀대(strut)
스트레인 게이지 준비를 하기 위해, 전방 및 후방 축을 완전히 분해 할 필요가 있었습니다. 설치된 상태에서는 준비 되어야할 위치가 손에 닺기 어렵기 때문입니다.
접착 테이프를 이용하여 거칠고 깨끗하게 처리된 표면에 정렬된 스트레인 게이지들은, 냉각-처리(cold-curing)된 에폭시 수지로 전방 축에 부착 되고, 경화(硬化) 동안에, 100 N로 밴드(band)에 의한 하중이 가해집니다. 스트레인 게이지들이 180 °C로 열-처리(hot-curing)된 에폭시 수지로 인장 버팀대(strut)에 부착 됩니다. 그런뒤에, 모든 스트레인 게이지는 폴리우레탄 페인트(PU120) 또는 실리콘 고무(SG250)로 씌워지게 됩니다.

추가로, 3개의 가속 센서가 설치되었는데; 종 및 횡 가속에 대한 트랜스두서 각각은 10 m/s²의 측정 범위를 가지고 차량의 수직 가속에 대한 센서는 100 m/s²의 범위를 가집니다. 이들은 특별히 차량 중앙에 이러한 목적으로 만든 브라켓(bracket )에 설치 됩니다(그림6).

그림. 6: 스트레인 게이지 가속 트랜스두서

시험 주행

시험 주행은 켐니츠(Chemnitz)의 ‘파워홀(Powerhall)’ 카트 트랙의 일부에서 이루어 졌습니다. 정의된 하중 조건은 초기에 명시되었는데, 이는 차량의 최대 하중을 결정하기 위해서 입니다. 세 가지 측면이 특별히 관심을 끌었습니다. 차량이 곡선 구간을 달릴 때, 최대 속도로 주행하게 했는데, 이는 차량의 가로 가속도를 측정하기 위해서 입니다. 최대 속도에서 급정거도 실행 되었는데, 이는 주행의 방향을 따라, 최대 가속을 측정 하기 위해서 입니다. 최종적으로 충격-형태의 하중을 5 mm 직경의 반원 물체를 차량이 치어서 발생 시켰습니다. 하프 및 풀 브릿지에 연결된 스트레인 게이지는 이들 운전 조건 동안에 발생하는 스트레인을 측정 하는데, 브릿지 비균형을 처음엔 기록하고 난 뒤에 이것으로부터 하중을 계산 합니다. 준비가 일단 끝이 나면, 인장 버팀대(strut)는 무게에 의한 하중으로 교정이 되며, 가속 트랜스두서는 중력 가속에 의하게 됩니다. DAQ 작업은 이미 HBM의 catma Easy, 버전2.24소프트웨어에서 설정 되엇고, 이에 맞게 사용되었습니다. 처음에, 트랜스두서가 기능적으로 합당하게 동작하는 지를 점검 할 수 있었고, 그다음으로, 교정 양을 사용하여, 측정 값을 힘 및 가속 양으로 전환 시킬수 있었습니다.

그림. 7: 카트용 트랙상의 시험 트랙의 도해 보기
실험 목적으로 카트 홀(hall)을 사용할 기회란, 완벽한 도로 및 날씨 조건을 주어, 여러 조건들이 최적화 될 수 있었다는 것을 의미 합니다. 하중 조건을 만족시키기 위해, 차량은 처음에 직선주로를 따라 가속 되었는데, 그래서 곡선 구간에서 높은 속도로 운전 할 수 있었습니다. 그런 다음에 회전 루프(loop)를 돌아 같은 곡선 구간을 통해 직선 구간으로 돌아 와서, 물체에 최대 속도로 운전을 해서 마지막에는 급정거를 합니다. 차량은 그 다음에 회전합니다. 그림 7은 시험 트랙의 도해를 보여 줍니다.

총 6회의 측정 운행이 있었습니다. 그 이유는 운전자가 6~7 번의 통과(pass)를 할 수 있어야만 했기 때문인데, 이는 차량의 하중 용량의 한계에 이르기 위함입니다. 이는 또한 상당수의 비교 가능한 측정 값 및 최대값을 결정하는 것에 대해 신뢰성을 주는 것을 의미합니다. 각각의 운행 뒤에, 측정 데이터는 저장 되고, 물체에 이르기 전에, 곡선 구간 및 직선 구간에서의 최대 속도는 기록 되고 소프트웨어는 재 절정 되어 새로운 운행을 준비 합니다. 그림8은 최대 속도의 시험 차량을 보여주고 있으며, 그림9에서는, 피트 정지(Pit stop) 동안에, 측정값을 읽고 저장하는 것을 보여 줍니다.

그림. 8: 시험 주행 중인 시험 차량

그림. 9: 두번의 측정 주행 사이의 피트 정지(Pit stop), 저자와 시험 기사인 C. Gerlach.
분석 및 결론
HBM의 catman easy 소프트웨어와 Microsoft®의 Excel이 시험 데이터를 처리하는 데 사용 되었습니다. 역동적 스트레스에서 최대 하중 값에 따라, 힘의 정지 컴포넌트가 결정 되었습니다. 분석의 시작에서, 측정된 값은 catman easy 에서 ASCII 포멧으로 보내지고, 그 다음에 Excel로 보낼 수 있습니다. 다음 처리를 하기 전에, 추가된 데이터 세트가 먼저 준비 됩니다. 각각의 실행을 전후하여, 차량의 미가공 데이터에 변질된 측정 값이 상당수 있는데, 이는 사람의 참견(수정, 렙탑에서의 작업, 등)으로 발생하는 것인데, 이는 제거 됩니다. 결과적으로, 각각의 일련의 시험은 측정 실행 동안에 하중 데이터의 기록을 포함하며, 시작과 마침에 있어 5초간 역동적 특성 값을 결정 하기, 정지 힘 값을 정의하기 위함입니다. 미리 진행한 교정 측정으로부터의 결과는, 기록된 트랜스두서 전압 비율에서 그 결과에 따른 힘 및 가속 양을 산출하기위해 사용되었습니다. 알루미늄 튜브에서 휨 및 비틀림 모멘트는 등식 (1)에서 (4)에 따라 정의 되었고, 다른 것들 사이에서, 명기된[2] 방식과 유사 합니다.

하프 브릿지 회뢰에 의해 생성된 휨 모멘트

축 기하학 관성 모멘트로 

비틀림 모멘트를 계산 하기 위해,

과 같이

극관성 기하학 모멘트로 적용하여,

(1)부터 (4)까지 나타난 것을 아래에 정리하면 다음과 같습니다.

 아래의 4개의 그래픽은 사용가능한 측정 데이터의 방대한 양에서 취한 사례입니다. 차량의 가로 가속도 (그림10) 및 긴 인장 버팀목 상의 힘 (그림12 및 13)의 커브에서, 그림7에서 보여준 트랙에 쉽게 연관 시킬수 있습니다. 음 가속 값은 좌측 휘을 나타내며, 반면에 양 값은 우측 휨에 대한 것입니다. 두 개의 긴 인장 막대(rod)의 스트레스 커브의 비교는 반대의 반응(휨, 40-57초)을 가진 통행뿐만 아니라 같은 반응(앞선 직선 주행 57-65초)을 가진 통행 또한 보여 줍니다. 그림11은, 어떤 종류이든 브레이크를 사용하는 움직임 동안에 비틀림 모멘트가 시작 되었다는 것을 명확하게 보여줍니다. 전체적으로, 이들 커브는 준비된 높은 품질을 데모로 부여 주었으며, 또한 시험 동안에 트랜스두서의 적합한 기능이 무엇인지를 보여 주었습니다.

그림. 10: 가로 가속도 곡선

그림. 11: 비틀림 모먼트 곡선

그림. 12: 긴 좌측 인장 막대(rod)에서의 힘 커브

그림. 13: 긴 우측 인장 막대(rod)에서의 힘 커브

 

이들 결과의 도움으로, 컴포넌트 성은의 효율성에 대한 정확한 내역서를 만드는 것이 가능해 졌습니다. 예를 들어, 후방 축 서스펜션을 위한 버팀대의 설계에 개선할 것이 있다는 것입니다. 여기에서의 힘은 상대적으로 낮기 때문에, 막대(rod) 단면이 상당히 많이 감소 되었습니다. 전방 축 영역에서, 최고의 해결책은 현재 탄소 튜브를 사용하는 것인데, 이 컴포넌트는 여러 개의 축 주변의 비틀림과 휨의 조합에 대한 최대 강도를 보장 해 주기 때문입니다. 그러나, 튜브는 두 개의 알루미늄 지지대 사이의 영역에 필요한 것은 아닙니다. 어떠한 비틀림 모멘트가 여기서는 시작 되지 않으며, 순순 휨에 관련해서, 좁은 I-빔은 같은 단면에서 상당히 더 많은 강도를 가지기 때문입니다. 향후 무게-감소는 브레이크 시스템을 다시 설계 함으로써 가능한데, 이는 이 프로젝트의 2차 관심이 좋은 감속에 있기 때문입니다.

참조

[1] www.fortis-saxonia.de
[2] Hoffmann, K.: An Introduction to Measurements Using Strain Gages, Darmstadt, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (1987).