스트레인게이지는 AMZ 레이싱 팀의 안전한 부품 디자인을 보증합니다.

AMZ(Academic Motorsports Club Zurich)는 지난 몇 년 동안 전 세계에서 열리는 Formula Student 대회에 참가하고 있습니다. Formula Student는 연속해서 열리는 대회로 학생들이 만든 경주용 자동차가 서로 경주를 펼칩니다. Formula Student는 최고 속도뿐만 아니라 주로 차량의 지능 및 혁신적인 구조에 대한 것입니다.

AMZ는 폴 포지션을 자주 달성하는 데, 특히 엔지니어링에서 그렇습니다. Zurich의 팀은 2013년 4개의 Formula Student 대회에서 모두 "최고 엔지니어링 상"을 수상했는데 이는 기록입니다.

학생들이 달성한 이 엔지니어링 성과는 완전한 전동식 차량의 종합적인 계획 수립 및 테스트를 기반으로 합니다. 따라서 AMZ 팀은 모델링과 FEM 시뮬레이션 검증을 하는 동안 HBM 스트레인 게이지를 사용하여 전반적인 테스트를 진행합니다.
플라스틱에 사용하는 경우 항상 사전 테스트를 진행하는 것이 좋습니다. 소재 종류가 너무나 다양하기 때문에 항상 예측 가능한 것은 아닙니다.

 

 

모델링과 FEM 시뮬레이션 검증 작업

이 작업을 하는 이유는 무엇일까요? 여러 부품의 FEM 시뮬레이션을 통해 얻은 결과는 모델링의 직접적인 영향을 받습니다. 모델링은 이미 다양한 간소화 및 추정을 포함하기 때문에 오류를 축적할 수 있습니다. 이러한 오류시뮬레이션으로 바로 연결되어 최종 부품 모양에 직접 영향을 줍니다. 

또한 FEM 시뮬레이션은 동적 부하 작용 및 소재의 불확실성에 대한 복잡성 때문에 알려지지 않은 사항를 많이 포함하고 있습니다. 경험이 없는 엔지니어는 FEM 분석을 통해 잘못된 결론을 급하게 도출할 수 있기 때문에 크기가 미달된 부품을 유통시키게 됩니다. 부품 크기가 너무 작으면 AMZ의 경우 차량 자체는 물론이고 운전자까지 위험하게 만들 수 있다는 것을 의미합니다.

현재까지 AMZ에서 사용하는 모델은 검증되지 않았습니다. 이것은 실험 때문이었습니다. 또 다른 이유는 공기 역학적 다운 스러스트 계수의 검증에 있습니다. 차량의 윙은 개발 단계에서 컴퓨터의 CFD 시뮬레이션을 사용하여 초기에 테스트를 진행했습니다. 여기에서 한 가지 문제가 발생했습니다. 경주용 자동차는 제작한 후에만 부품을 검증할 수 있었습니다.

향후 자동차 세대를 공기역학적으로 향상시키기 위해서는 계산 결과를 확인하는 일이 매우 중요한데, 이를 통해 개발된 구조가 얼마나 좋은지 효과적으로 알아낼 수 있기 때문입니다. 부품은 한편으로는 풍동(Wind tunnel)에서 테스트했지만 다른 한편으로 SG 테스트는 레이싱 트랙을 달리는 차량의 정확한 특성을 설명할 수 있습니다. 풍동은 동일한 조건 때문에 다양한 설정을 직접 비교하기는 좋지만 경주에서 정확한 다운 스러스트 값을 측정하기에 최적은 아닙니다. 이러한 매개변수는 경주 시 작용하는 압축력을 알고 있으면 바로 계산할 수 있습니다.

이러한 모든 이유가 적절한 SG 측정을 수행하기 위한 자극이 되었습니다. 공기 역학적 다운 스러스트 값을 결정하는 데 필요한 모델 오류 및 압축력은 SG와 실험 응력 분석을 사용하여 얻었습니다.

측정 시퀀스

AMZ Formula Student 프로젝트가 성공하기 위해서는 스트레인 게이지를 사용한 완벽한 측정 프로세스가 매우 중요했습니다. 결과가 실제로 타당성을 갖도록 하려면 적어도 기계적 작업을 신중하게 수행한다라고 가정해야 합니다. 이는 특히 스트레인 게이지 적용에 해당됩니다. 테스트 날짜 전에 스트레인 게이지도 완벽하게 보정되었습니다.

테스트 절차

검증에 필요한 힘을 다루기 위해 호켄하임링에서 4가지 테스트를 진행하였습니다.:

  • 곡선 주행
  • 브레이킹
  • 오토크로스
  • 선형 주행

곡선 주행 테스트에서 3가지 서로 다른 크기의 곡선이 그려졌습니다. 이는 서로 다른 수평 가속도 주행을 가능하도록 합니다. 브레이킹 테스트에서는 차량을 최대 속도로 가속한 다음 전력으로 브레이크를 밟았습니다. 오토크로스 테스트에서 빠른 오토크로스 트랙을 횡단했습니다. 트랙에는 Formula Student 경주에 존재하고 테스트 작업에 필요한 모든 필수 요소가 포함되어 있다는 것을 확인했습니다. 이러한 요소에는 슬랄롬 구간, 곡선으로 들어가기 위해 반드시 브레이크를 밟아야 하는 빠른 곡선 구간, 차량이 최대 속도로 가속할 수 있는 직선 구간 및 기타 소소한 요소들이 포함되었습니다. 트랙 길이는 422m였습니다. 끝으로 직선 트랙에서 일정한 속도로 다양한 테스트를 진행했습니다.

부하 사례를 검증하기 위해서는 변형 경사도에 대한 부가 정보로 가속도 곡선을 측정해야 합니다. 이 정보는 차량에 장착된 G 센서를 통해 직접 측정했습니다. 이러한 센서는 별도의 측정 컴퓨터에 로그인되어 있기 때문에 두 모듈 시간을 동일하게 맞춰야 합니다. 각 측정 작업을 시작할 때 차량을 4번 눌러 동일하게 맞췄습니다.

이를 통해 SG의 응력과 스프링 댐퍼 전위차계의 이동을 기록할 수 있었습니다. 그 후 데이터를 분석하는 동안 두 시간을 동일하게 맞출 수 있었습니다.

시뮬레이션 값의 중요한 차이

QuantumX data acquisition modules: CX22-W and MX1615

 이러한 측정 결과의 도움으로 서스펜션의 부하와 다운 스러스트 계수를 검증할 수 있었습니다.

부하 계측에서 부하가 예상보다 15% 더 높게 측정되었습니다. 부하가 더 높게 나왔던 이유는 평평하지 않은 도로로 인해 발생한 차량 진동에 따른 최대 응력 때문에 모델에 고려하지 못한 요소가 있었습니다. 부하 사례 검증을 기초로 서스펜션에 그에 따른 안전 요소가 적용될 것이며 그렇게 되면 이러한 최대 응력을 고려할 수 있고 고장에 대비해 더 뛰어난 안정성을 확보할 수 있게 될 것입니다.

다운 스러스트 계수(downthrust coefficients)를 측정하는 동안 값은 풍동에서 측정했던 값보다 10% 더 작아졌습니다. 이런 차이 또한 차량 진동과 평평하지 않은 도로 때문이며 조건은 풍동(Wind tunnel)에 있는 연구소 조건과 다릅니다.

전반적으로 SG 측정을 통해 레이싱 트랙을 달리는 차량의 동작을 더 잘 이해할 수 있었고 얻은 데이터는 다음 시즌을 위한 새 경주용 차량의 설정을 더 쉽게 설계하게 될 것이라는 사실을 의미한다라고 말할 수 있었습니다.

조사 및 테스트를 진행하는 동안 AMZ는 HBM 스트레인 게이지뿐만 아니라 측정 데이터 수집   QuantumX MX1615 를 사용하여 스트레인게이지를 측정했고 이와 더불어 데이터 기록 장치 모듈CX22-W측정한 데이터의 로컬 저장 장치로 사용했습니다.

브릿지 신호증폭기 QuantumX MX1615를 사용하면 모듈당 최대 16개의 스트레인 게이지를 연결할 수 있습니다. 캐리어 주파수 기술 덕분에 이 모듈은 어려운 적용 조건에서도 정확한 측정 결과를 제공합니다.

About AMZ

The Academic Motorsports Club Zurich (AMZ) was founded in 2006 by students of ETH Zurich, who - as the only team in Switzerland - develop a prototype each year for various Formula Student competitions in Europe.

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