자작 전기자동차 제작을 통한 조향시스템에 관한 연구
(A Research on Steering System by Making an Electric Automobile)
영재학교
대구과학고등학교
Ⅰ. 서론
1. 서론
현재 화석 연료로 인해 생기는 이산화탄소는 오존층을 파괴하고 환경오염을 일으킴에도 불구 하고 대부분의 나라에서 사용되는 자동차는 화석에너지에 대한 의존도가 매우 높다. 물론 대체 에너지를 사용하는 자동차를 개발하고 있고 실제로 하이브리드 자동차나 전기 자동차가 출시 되어 시중에 유통되고 있기는 하지만 아직까지는 화석에너지를 이용하는 자동차가 많이 사용 되고 있어 전기 자동차와 하이브리드 자동차에 대한 지속적인 연구가 필요하다.
현재 주목받고 있는 친환경 적인 자동차인 전기 자동차와 하이브리드 자동차 중 하이브리드 자동차는 이미 상용화가 많이 진행되었을 뿐만 아니라, 전기 자동차 보다 더 많은 개발이 되어 있다. 하지만 전기 자동차의 경우 주행 중 매연이 전혀 발생하지 않고 소음이나 진동이 없어 하이브리드 자동차나 일반 자동차에 비해 여러 가지 면에서 장점을 가지고 있다. 우리는 이렇 듯 개발이 많이 진척되지 않은 전기 자동차 연구에 많은 흥미를 느꼈고 직접 자작 전기 자동 차를 제작해봄으로서 자작 자동차의 구조 및 작동 원리에 대해서 알아보고 조향장치를 중심으 로 자작 전기자동차의 성능을 평가해보고 싶어서 이를 연구 주제로 선정하여 연구해 보기로 하였다.
2. 이론적 배경 및 선행 연구
우리가 하고자 하는 자작 전기 자동차의 연구를 살펴보면, 독립동력원을 갖는 전기자동차의 조향시스템에 관한 연구(김학선, 2010), 자작형 전기자동차의 회생제동 효율에 관한연구(송인성 외 3인, 2010), 스티어링 휠 조작에 따른 자작형 전기자동차의 구동 휠 속도제어(김학선 외 3 인, 2010) 등 최근에 들어 활발한 연구가 지속되고 있으며 전기자동차의 제작에 있어서 가장 핵심적인 부분이라고 할 수 있는 모터와 배터리 부분뿐만 아니라 다른 부분에까지도 연구가 이루어지고 있다.(1)(2)(3)
3. 연구 목적
본 연구에서는 실제로 자동차를 만들어보고 전기자동차의 구조 및 성능에 대한 실험을 진행 함으로써 전기자동차에 대한 이해를 목적으로 한다. 이를 위해 우리는 전기자동차를 설계하고 직접 제작해 볼 것이다. 그리고 자작 자동차의 구조 및 성능을 알아보기 위한 실험을 설계, 진 행하고 그로부터 전기자동차에 대한 기본적인 이해를 할 것이며, 자작 자동차의 문제점을 인 식, 개선할 수 있는 방안을 제시해 보려 한다.
Ⅱ. 자동차 설계 및 제작
1. 프레임
1. 1. 프레임 설계
처음에 이 연구를 시작할 때 제작에 앞서서 어떤 종류의 자작 자동차를 만들지 고민을 하게 되었고, 제작의 용이성 및 경제성과 실험에 대한 적합성을 고려하여서 오프로드 자작 자동차인 1인승 Baja자동차를 구상하게 되었다. 다음은 구상한 프레임을 Trimble SketchUp을 이용하여 서 설계한 모습이다.
<Fig 1> 구상한 프레임을 Trimble SketchUp을 이용하여서 설계한 모습
프레임은 기본적으로 우리나라에서 국제 Baja 자동차 대회 규정에서 정한대로 제작을 하여서 최대한 안전성을 보호하고자 하였으며 우리가 이 프레임을 만들 때 가장 유념한 부분은 첫 번 째로 사고가 발생하였을 때도 운전자가 재빠르게 탈출할 수 있으며 운전자와 차의 간격이 있 어 사고가 났을 때 롤 케이지에 의해서 운전자가 보호받을 수 있어야 하며, 구조적으로 안정하 여야 한다는 것이다.(4)
안전성을 위하여 운전자를 보호하고자 프레임제작을 위해 사용한 공식 규정은 Baja SAE® 의 가솔린엔진용 자동차 프레임 규정이며, 전기자동차에 적합하도록 약간의 수정을 하였다. 프레 임을 만들 때 고려해야 되는 최우선 사항은 운전자의 안전으로 사고가 발생하였을 때도 운전 자가 롤 케이지에 의해 보호, 재빠르게 탈출 할 수 있어야하며, 그 롤 케이지는 충돌이나 압력 에도 어느 정도의 저항성이나 탄성이 있어야한다는 것이다.
1. 2. 측면공간
롤 케이지의 측면공간은 운전자가 모든 안전장치를 갖추었을 때, 머리를 제외한 운전자의 신 체부위와 롤 케이지간의 간격은 최소한 76.2mm를 유지해야하고 머리부위는 최소 152.4mm를 유지해야한다.
1. 3. 수직공간
롤 케이지의 수직공간은 운전자의 머리와 상단 프레임과의 거리는 152.4mm를 유지해야한다.
1. 4. 롤 케이지 구성요소
Rear Roll Hoop (RRH) Roll Hoop Overhead Members (RHO) Front Bracing Members (FBM) Lateral Cross Member (LC) Front Lateral Cross Member (FLC) Lateral Diagonal Bracing (LBD) Lower Frame Side (LFS) Side Impact Member (SIM) Fore/Aft Bracing (FAB) Under Seat Member (USM)
<Fig 2> Rear Roll Hoop (RRH)
<Fig 3> Lateral Diagonal Bracing(LDB)
<Fig 4> 기타 프레임 구조(1)
<Fig 5> 기타 프레임 구조(2)
<Fig 6> 기타 프레임 구조(3)
이러한 조건을 만족하기 위해서 프레임을 제작하고자 구상을 한 후에 우리는 이 프레임을 만 들기 위해서 적절한 재료를 선정하게 되었는데 우리는 지름 25.4mm와 28mm에 두께 2mm의 스틸 파이프를 사용하기로 결정하였다.
우리가 사용한 동원파이프 φ25.4와 φ28의 파이프 특성은 다음과 같다.
·
× × × ·
· 치수 검사 인장 시험 화학 성분
제품 지름 (mm)
두께 (mm)
항복점 (kgf/㎟)
인장강도 (kgf/㎟)
연신율 (%)
C
×10000 Si
×1000
Mn
×1000 P
×10000 S
×10000 φ25.4 25.4 2 43.4 61.6 22 1830 335 1087 150 49
φ28 28 2 53.5 68.7 22 1797 340 1106 134 33
<Table Ⅰ> 파이프의 특성
이렇게 실제로 설계를 하고 파이프 재료까지 정한 후에는 이 차가 과연 얼마나 구조적으로 안정한지 알아보기 위해서 영남대학교 황평 교수님께 자문을 받아서 Ansys로 구조 분석을 해 보았다.
<Fig 7> 프레임의 구조 역학적 분석 (Ansys 사용)
위의 <Fig 7>은 Ansys를 사용하여서 프레임의 안전성을 구조 역학적으로 분석한 것이다.
<Fig 7>은 우리가 설계했던 프레임의 파이프의 중심선을 이어서 입체적으로 재구성한 것이다.
우리는 프레임에 대해서 극단적으로 45km/h로 달려와서 정면으로 충돌할 때 프레임의 변형을 실험해보기로 하였다.
먼저 차가 45km/h로 달리다 충돌하여 정지하였을 때 가해지는 충격량을 계산해보았다. 이 계산에서는 차와 운전자의 총 질량이 300kg이며 충돌 시간은 1초라고 가정을 하였다.
다음과 같이 충격을 주었을 때 분석을 하자 롤 케이지 부분에 최대 0.94mm의 변형이 생기는 것을 알 수 있었다. 그러나 이 값은 차량 전체로 생각하였을 때는 매우 작은 변형일 뿐만 아니 라 실제로 자동차가 45km/h로 주행하지도 않으므로 차량이 안전하다는 것을 알 수 있었다.
<Fig 9> 서스펜션
<Fig 10> 업라이트 1. 5. 암
<Fig 8> 암
암이란 차체와 바퀴를 연결하기 위한 지지대로서 현과 장치(서스펜션)과 업라이트와 연결되게 된다. 프레임을 제작하는데 사용했던 규격과 같은 스틸 봉을 암을 만드는데 사용하였다.
1. 6. 서스펜션
서스펜션이란 <Fig 9와 같이 자동차에 사용되는 완충장치로서 노면에서 부터 오는 충격을 운전자에게 전달되지 않도록 하며 타이어가 노면과 접 할 수 있도록 도와주는 장치이다. 우리가 사용한 서스펜션은 코일 스프링 으로 이루어져 있다. 코일 스프링은 단위질량당 에너지 흡수율이 크며 소 형 자동차에도 많이 사용되기 때문에 사용했다. 우리는 각 바퀴마다 서스 펜션을 장착했는데 이때 네 바퀴에 무게가 고르게 실리게 장착하였다.
1. 7. 업라이트(upright)
업라이트(upright)에는 직접적으로 휠이 연결되며 위와 아래의 암 과 베어링으로 고정되게 된다. 베어링은 완충 시 암이 위아래로 진 동하더라도 바퀴가 연결된 업라이트가 암과 고정될 수 있도록 도와 준다.
2. 조향 장치
조향 장치란 자동차 휠의 각을 바꾸어 자동차가 회전할 수 있도록 하는 장치이다. 조향의 방 식에도 여러 가지가 있지 가장 구조가 간단하며, 근래 가장 일반적으로 사용되는 방식은 랙 앤 피니언 방식으로, 이는 운전자가 핸들을 돌릴 때 축에 같이 연결되어 있는 피니언(기어)이 차 축에 있는 랙과 맞물려 돌아가면서 차축을 수평방향으로 움직여, 업라이트에 고정되어있는 바
퀴를 업라이트를 축으로 회전시켜 차체를 회전시키는 방식이다. 맨 처음 등장한 사륜구동 운송 수단인 마차에 사용되었던 차축 전체를 회전시켜, 차체를 회전시키는 방식은 현제 후륜구동 차 량에 적용하기 어려운 점이 있어, 현재 대부분 차량의 조향장치에는 차축 전체를 회전시키는 방식이 아닌, 업라이트에 부착되어있는 바퀴의 방향을 차축의 수평방향 운동을 통해 회전시키 도록 하는 방식을 사용한다.
<Fig 11> 조향장치
랙 앤 피니언 방식은 일직선의 랙 기어와 작은 피니언 기어가 맞물려 돌아 타이 로드가 부착 되어 있는 차축이 좌우로 움직이도록 하며 이를 통하여 바퀴의 각을 변화시킬 수 있다. 그런데 이런 방식을 사용할 경우 차가 회전할 때, 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴의 각속도가 같기 때문에 선속도에서 차이가 날 수 밖에 없다. 이럴 경우, 바깥쪽 바퀴는 강제적으로 회전하게 되어 미 끄러지게 된다. 이런 문제점을 보완하기 위해 차축에서 업라이트로 이어지는 도중에 차동장치 라는 구조를 넣어 이 문제점을 해결하는 것이 보통이나 우리 자동차에는 존재하지 않아 회전 도중 미끄러질 수 있다.
피니언이 장착되어있는 핸들 축은 운전자 편의에 맞는 높이/각도로 조정하기위해 중간에 한 번 꺾여야 한다. 이를 위해 유니버설 조인트라는 두 개의 회전하는 축을 꺾인 상태로도 회전 할 수 있도록 만들어진 장치가 사용되었다.
<Fig 12>
유니버셜 조인트
3. 제동 및 가속 장치 3. 1. 유압식 브레이크
브레이크 페달을 밟을 때 가해지는 힘이 유압을 통해 바퀴에 제동을 거는 방식의 브레이크로 제동력이 고르게 전달되며, 조금만 힘을 가해줘도 제동력이 크기 때문에 사용하기 편리하고 이 러한 이유로 아직까지도 일반차량에서 많이 쓰이고 있다. 하지만 가끔 오일이 새어나오는 단점 이 있다. 그러나 요즘은 기술이 좋아 이러한 현상이 잘 일어나지 않는다.
<Fig 13> 유압식 브레이크
유압식 브레이크의 원리는 간단하다. 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 라인에 유압이 가해지 고 가해진 압력에 의해 디스크가 눌리면서 바퀴에 마찰을 주어 제동을 하게 하는 것이다. 유압 식 브레이크는 파스칼의 원리가 적용되어 있다. 파스칼의 원리는 액체를 용기 속에 밀폐하고 압력을 가했을 때, 그 압력이 모든 부분에 그대로 전달된다는 원리이다. 브레이크를 작동시킬 때 모든 부분에 같은 세기의 압력이 가해져야 안정성이 보장된다. 유압식 브레이크는 브레이크 오일이 들어있고 압력을 주면 파스칼의 원리에 의해 모든 브레이크에 같은 세기의 압력이 가 해져서 안정성이 보장된다.
.
<Fig 14> 유압을 가했을 때
다음 <Fig 14>는 우리가 직접 제작한 유압식 브레이크로서 브레이크 실린더에 발로 압력을
가할 수 있도록 다음과 같이 지렛대의 원리로 페달 부분을 제작하게 되었다.
<Fig 15> 제동 장치의 기계적 구조
3. 2. 가속 장치
일반 자동차는 가속 장치(엑셀레이터)가 쇠줄로 엔진과 연결되어서 엔진으로 들어가는 공기의 양을 조절하게 되고, 이는 연료의 연소 정도를 조절하여서 자동차의 출력을 조절하게 된다. 그 러나 우리가 제작한 차량은 전기 자동차이므로 모터의 출력을 컨트롤러에서 조절하게 된다. 따 라서 우리는 가변 저항을 이용하여 컨트롤러에 신호(저항 값)를 보내고 이 신호를 읽어서 차의 속도를 조절할 수 있도록 하였다.
페달과 가변 저항 사이의 연결은 다음과 같다.
<Fig 16> 엑셀레이터와 가변저항의 연결 모식도
<Fig 17> 가변저항 및 내부 회로
다음 <Table Ⅱ>는 엑셀레이터를 밟았을 때와 밟지 않았을 때 각 단자 사이의 저항을 나타낸 것이다.
A-B B-C C-A 밟지 않았을 때 10.97kΩ 15.2Ω 10.98kΩ 밟았을 때 2.43kΩ 3.08kΩ 7.01kΩ
<Table Ⅱ> 가속 정도에 따른 가변저항의 저항값 변화
TM13-D1521 단위
정격 출력 W 1500
정격 토크 N·m 7.17
kg·cm 73.09
순간 허용 토크 N·m 14.34
kg·cm 146.18
정격 전압 V 24
정격 전류 A 72
정격 속도 RPM 2000
무게 kg 9
<Table Ⅲ> DC모터의 사양 4. 모터, 감속기, 배터리 및 컨트롤러
4. 1. 모터
이제 동력을 전달하기 위한 모든 부품이 조립되었으니 이제 동력을 만들기 위한 모터와 감속 기 그리고 배터리와 컨트롤러를 차에 장착해야한다. 모터에는 DC모터, AC모터, 브러쉬리스 모 터 등 여러 종류의 모터가 있는데 그 중 우리는 자작 자동차에 사용하여서 좋은 힘을 낼 수 있는 브러쉬리스 모터 중에 쉽게 배터리로 제어를 할 수 있는 브러쉬리스 DC모터를 사용하게 되었다. 모터는 신용모터의 TM13-D1521 브러쉬리스 DC모터를 사용하였고, 그 스펙은 다음과 같다.
4. 2. 감속기
우리가 사용한 브러쉬리스 모터는 감속 모터가 아니어서 2000RPM의 빠른 속도로 돌아가기 때문에 적절한 속도를 낼 수 없을 뿐만 아니라 차를 구동시키기 위한 힘을 낼 수도 없다.
일률
· 위의 식에서 모터의 일률은 1500W로 정해져있는데 모터의 효율이 일정하다고 가정을 할 때 바퀴가 2000RPM의 빠른 속도로 회전하게 되면 상대적으로 구동력에서 손해를 보게 된다. 따 라서 우리는 감속기를 모터에 부착하여서 우리가 원하는 적정 속도를 낼 수 있을 정도로 속도 를 낮추고 그 대신 차량의 구동력을 늘리기로 하였다. 이 실험을 하기 위해서는 빠른 속력이 필요하지 않으므로 평상시의 적정 속도로 시속 10km 정도를 낼 수 있게 속도를 조절하기로 하였다. 이 실험에서 차에 사용된 바퀴의 지름은 60cm이므로 이에 맞추어서 적정 RPM(
′) 을 구하였다.
이므로
× ×
′이를 계산하면 적정 RPM(RPM')이 88RPM으로 계산되는데 2000RPM을 약 1/22로 감속시키 면 적정 속도를 얻을 수 있다. 따라서 우리는 기어비 20:39의 스프로킷과 감속기를 이용하여서 모터의 속도와 구동력을 조절하기로 하였고 이를 위해서 감속비 10의 NMRV-050 감속기를 사 용하여서 19.5의 감속비로 감속시켰다.
<Fig 18> 감속기 설계도 및 모습
<Fig 19> 모터, 감속기와 스프로킷의 연결 부분
4. 3. 배터리 및 컨트롤러
전기 자동차에 사용될 수 있는 배터리는 매우 다양하며 배터리의 성능이나 무게 등이 차량의 효율에 많은 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로는 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬 인산철 배터리 그리고 납축 전지를 사용한다. 리튬 이온, 리튬 폴리머, 리튬 인산철 배터리는 효율이 좋으며 그 용량에 비해 크기가 작고 가벼워서 선호를 하지만 가격이 매우 비싸서 우리가 하는 실험을
위해서 이 배터리를 구입하는 것은 경제적이지 못하다고 판단하였다. 따라서 우리는 비록 매우 무겁고 관리가 힘들지만 가격이 싸고 지속적인 재충전이 가능하여서 일반 차량의 보조 배터리 로 사용되는 납축 전지를 사용하기로 하였다. 그런데 우리가 사용하는 모터와 컨트롤러는 24V 의 적정 전압에서 구동되는 반면에 납축 전지 하나가 내는 전압은 12V이므로 두 개의 납축 전 지를 직렬로 연결하여서 사용하여야 했다. 사용한 배터리는 Delkor 12V 차량용 납축 전지 (DF80R, 용량80Ah)이다. 이 배터리는 먼저 컨트롤러에 메인 라인으로 직접적으로 연결되고 컨 트롤러는 전진/후진 스위치와 가속 장치에서 값을 받아서 모터의 움직임을 조절하게 된다.
먼저 전체 차량의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하여 전조등을 제외한 차의 모든 전 기적 장치(부하)는 100A 누전 차단기와 직렬로 연결되어 있어서 전체 차의 전류를 끊을 수 있 으나, 추가로 차량의 도난을 막고 운전석에서 비상 사태에도 전원을 차단할 수 있도록 운전석 부분에는 키 스위치를 장착하기로 하였다. 그런데 일반적으로 시중에 판매되는 키 스위치는 보 통 최대 한도 전류가 10A인 반면 우리 차의 컨트롤러로 들어가는 메인 라인에 흐르는 전류는 정격 72A 정도이므로 다른 방법으로 이 전류를 통제하여만 했고, 이를 위해서 전자식 스위치 인 릴레이 회로를 사용하였다. 릴레이 회로란 큰 전류가 흐르는 회로를 조절하는 장치로서, 전 자석의 힘을 이용하여서 주 회로의 스위치를 닫고, 전기적인 신호로 전체 전류를 작은 전류만 으로도 조절할 수 있게 하는 장치이다. 다음 <Fig 20>과 <Fig 21>은 회로도에서 사용하는 릴 레이 기호와 릴레이 회로의 모식도이다.
<Fig 20> 릴레이 기호 <Fig 21> 릴레이 회로의 모식도
또한 메인 라인에 흐르는 전류가 상당히 크기 때문에 일반 전선을 사용해서는 안 된다. 따라 서 우리 차에는 허용 전류표의 기준을 따라서 컨트롤러로 들어가는 전원선(메인 라인)과 모터 전원 선에 대해서 단면적 8.3㎟(AWG8 규격)이상의 연선을 사용하였다.
제작된 STEAM차량의 전체 회로도를 간단하게 나타내보면 다음과 같다.
<Fig 22> 차량의 전체 회로도
Ⅲ. 실험 설계 및 결과
1. 실험 계획 1. 1. 실험 목적
우리는 우리가 제작한 자작 전기자동차와 일반 자동차의 비교에 실험의 주안점을 두었다. 따 라서 일반 자동차의 속도 성능 및 조향 성능을 우리 자동차의 성능과 비교해 보고, 차이와 거 기서 발생하는 문제점들을 찾아볼 것이다.
1. 2. 실험 준비
먼저 차량의 속도 테스트를 위해서 속도계를 장착하여야 하는데, 속도계로서는 일반 자동차 속도계, GPS, 자전거 속도계 등의 선택이 있다. 자동차 속도계는 우리 차량에 장착하기 어려울 뿐만 아니라 속도 범위가 너무 커서 적당하지 않았고, GPS는 각 바퀴별로 속도를 측정할 수 없었기 때문에 각 바퀴에 개별로 달아 속도 비교를 할 수 있고 디지털로 표시되어서 가독성이 좋은 자전거 속도계(Sigma BC1009 유선)를 사용하기로 하였다. 자전거 속도계는 프레임에 장 착된 자석 스위치가 바퀴가 한 바퀴 돌 때마다 바퀴에 부착되어 있는 자석을 스위칭할 수 있 게 하였고, 이를 바퀴 뒷축과 앞바퀴의 왼쪽과 오른쪽 바퀴에 각각 장착하였다.
그러나 자전거 속도계가 자체 log기능도 없을뿐더러 변하는 속도 값을 직접 손으로 기록할 수도 없었기 때문에 실험을 위해서 3개의 속도계의 계기판을 동영상으로 촬영할 수 있도록 박 스를 제작하였다. 다음은 속도계 박스를 차에 장착한 모습이다.
<Fig 23> 속도계 박스 외형 <Fig 24> 속도계 박스 내부 <Fig 25> 속도 촬영 모습
<Fig 23>은 우리 차에 장착한 속도계 박스의 모습이고, <Fig 24>는 박스의 내부 모습이다.
<Fig 25>는 속도계가 최대와 평균 속도는 기록하여 주지만 그 변화는 기록하지 않는다는 점을 보완하기 위하여 아이팟을 이용하여서 동영상을 촬영하는 모습이다.
또한 조향 각을 알아보는 실험에서는 조향 각도를 두 가지 방법으로 측정하였는데, 첫 번째 방법은 직접 선을 그어서 각도기로 각도를 측정하는 방법이었고, 정확성을 위해서 자이로스코 프 어플리케이션을 이용하여 각도를 측정하기도 하였다.
<Fig 26>
자이로스코프 앱 <Fig 27> 각도기를 이용한 각도 측정
실험은 학교 운동장에서 진행하였는데 아래의 <Fig 28>과 같이 운동장에서 대각선으로 달릴 수 있는 거리는 약 40m 정도이다.
<Fig 28> 학교 운동장의 모습
그리고 실험을 위해서 다음과 같은 도구들을 이용하였다.
<Fig 29> 실험 도구 (1) 면에 수평을 맞추기 위한 판
(2) 선을 긋고, 각도를 측정할 때 사용했던 자 3개
(3) 자이로스코프 어플, 속도계 동영상 촬용을 위해 사용된 아이팟 터치 (4) 각도를 측정하는 데 사용했던 원형 각도기
(5) 길이를 측정할 때 사용한 트랙 줄자
2. 주행 성능 실험 2. 1. 최고 속도 실험
◎실험 방법
최고 속도 실험은 자동차가 낼 수 있는 최고 속도를 측정하는 것이 목표이며, 약 40m 정도 구간을 최고 속도로 직진 주행한 후에 최고 속도를 측정하고, 이 값들의 평균을 구하면 된다.
◎이론적 계산
에서 차량 바퀴의 지름이 60cm이고, 우리 차량의 모터 정격 RPM은 2000RPM이며 기어 의 총 감속비가 1:19.5이므로 차량의 적정 속력을 계산해보면 다음과 같이 11.6km/h로 계산이 된다.
× ×
그런데 우리가 사용한 모터가 최고 출력이 적정 출력의 2배 까지 나오므로 이론적으로 최대 속력은 약 23km/h가 나와야 한다.
속력 (km/h) 1회 2회 3회 평균 왼쪽 앞바퀴 속력 14.58 14.35 14.35 14.43 오른쪽 앞바퀴 속력 14.32 14.11 14.11 14.18 뒷바퀴 속력 13.94 13.84 13.25 13.68 평균 14.28 14.1 13.9 14.09
<Table Ⅳ> 최고 속도 측정 실험 결과
◎실험 결과
3회 측정한 결과 최대 속도는 약 14.09(km/h)이다. 이론적인 값과 차이가 나는 이유는 이론적 인 계산값이 차의 무게 등의 요인을 고려하지 않아서인 것 같다. 그리고 차를 최대로 충전하지 않았을 때 최고 속도가 6km/h 정도였던 것을 고려하면 차의 충전상태(걸리는 전압이 달라짐) 가 차의 최고 속도에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 따라서 이 실험을 일반적으로 진행 하려면 차체의 무게와 차량의 충전 상태를 동일하게 한 후에 실험을 하여야 할 것이다.
2. 2. 가속도 실험
◎실험 방법
엑셀레이터를 끝까지 밟아서 최대 출력을 낼 수 있도록 한 후, 40m를 주행하면서 순간 속력 을 기록하고, 기록된 순간 속력의 값으로 가속도를 구한다.
◎실험 결과
<Fig 30> 속도(왼쪽)와 가속도(오른쪽) 실험 결과
다음과 같이 1초 마다 순간 속도를 측정한 후에 분석을 하면 최고 속도까지 도달하는 동안의 평균 가속도가 약 정도임을 알 수 있고, 따라서 우리 차는 최고 속도에 도달하기 위해서 약 5초가 필요하다는 것을 알 수 있다.
3. 조향 성능 실험
3. 1. STEAM 자동차의 조향 장치는 애커먼 장토식 원리가 적용되었는가?
◎이론적 배경
<Fig 31> 애커먼 장토식 원리의 설명도
대부분 자동차의 조향장치에는 애커먼 장토식 원리가 적용된다. 애커먼 장토식 원리란, 조향 핸들을 돌렸을 때 양쪽 바퀴의 중심선의 연장선(CO , DO)과 뒤차축의 중심선의 연장선(PO)이 한 점(점 O)에서 만나게 되어 모든 바퀴는 어떠한 선회를 하더라도 중심이 일치되는 연장선이 존재한다는 원리이다.
◎실험 방법
좌, 우 앞바퀴의 최대 조향 각도를 측정하고, 바퀴 사이 거리를 측정하여 이론적으로 중심점 을 찾아보고, 또 임의의 각도에 대해 바퀴의 중심선의 연장선과 뒤차축의 중심선의 연장선이 한 점에서 만나는지 확인해 본다.
◎실험 결과
이론적으로 계산해보면 우리 차의 축간 거리는 1.6m이고, 킹핀 사이 거리는 1.25m이다. 따라 서 왼쪽 바퀴의 중심을 원점 (0,0)으로 잡으면, 직선 C와 D와 F의 식은 다음과 같이 나타내어 질 수 있다.
C: tan D: tan F:
이 식들에서 C와 D의 교점은 다음과 같이 나타난다.
tan tan
tan
, tan tan
tan tan
만약 우리 차의 조향장치가 애커먼 장토식으로 설계되었다면, 이 점은 F위에 있어야 한고, 이 때 각와 는 다음 관계를 만족해야 한다.
cot cot
와 에 각각 측정값인 24°와 37°를 넣어서 계산하면 값은 약 0.91로,
=0.78과 꽤 오차가 난다는 것을 알 수 있다. 이를 직접 실험해보아도 다음과 같이 한 점에서 만나지 않았고, 따라 서 우리 차는 애커먼 장토식 원리가 적용되지 않았다고 말할 수 있다.
<Fig 32> 애커먼 장토식 원리 실험 결과 3. 2. 조향 장치의 최대 조향 각도 측정 실험
◎실험 방법
보통 승용차의 경우 최대 조향 각도는 30도 이내이고 대형차가 40도 이내이고, 오른쪽으로 돌 때에는 앞 축의 좌측바퀴는 최대 약 35도까지, 우측바퀴는 약 55도까지 돌아간다고 한다. 따라 서 우리 차의 최대 조향 각도를 알아보기 위해서 핸들을 좌우로 최대로 돌린 후, 각 바퀴의 조 향 각을 측정하기로 하였고, 측정 방법은 각도기를 이용한 방법과 자이로스코프를 이용한 방법 2가지로 사용했다. 자이로스코프로 각도를 측정하는 경우, 자이로스코프의 yaw값이 자이로스 코프가 좌우로 돌아간 각도를 뜻하므로 yaw값을 측정하여서 바퀴가 돌아간 각도를 잴 수 있 다. 다음은 자이로스코프로 각도로 측정한 사진이다.
<Fig 33>
기준 상태
<Fig 34>
회전 상태
◎실험 결과
조향 장치의 최대 조향 각도는 다음과 같았다.
자이로스코프로 측정 각도기로 측정 오른쪽 최대 오른쪽 바퀴 37° 오른쪽 바퀴 30°
왼쪽 바퀴 24° 왼쪽 바퀴 30°
왼쪽 최대 오른쪽 바퀴 26° 오른쪽 바퀴 43°
왼쪽 바퀴 34° 왼쪽 바퀴 39°
<Table Ⅴ> 조향 장치의 최대 조향 각도 측정값
3. 3. 핸들 회전 각도와 바퀴의 회전 각도 비교 실험
◎실험 방법
보통 자동차들은 핸들을 60도 돌린다고 해서 바퀴도 60도를 돌아가는 것은 아니다. 하지만 F1 자동차의 경우에는 핸들을 10도 돌리면 바퀴도 10도 돌아간다. 이처럼 핸들의 회전 각도와 바 퀴의 회전 각도 사이의 관계는 힘과 안정성 측면에서 매우 중요하다. 따라서 핸들 회전 각도와 바퀴의 회전 각도를 비교하기로 하였고, 방법은 핸들을 가운데에 위치시켰을 때 바퀴가 돌아간 정도를 0도라 하고, 좌우로 최대로 돌렸을 때의 각도를 측정하여 핸들 회전 각도와 자동차 바 퀴의 회전 각도를 비교해 보는 것이다.
◎실험 결과
조향 핸들을 좌로 최대로 돌렸다가 우로 최대로 돌렸을 때의 각도는 231°였다. 가운데를 0으 로 할 때 핸들의 최대 회전 각도는 자이로스코프로 측정하였을 때 왼쪽으로 117°, 오른쪽으로 는 113°가 나왔으면 각각 경우에 대해서 사진은 다음과 같다.
<Fig 35> 왼쪽으로 최대로 돌렸을 때
<Fig 36> 오른쪽으로 최대로 돌렸을 때
핸들이 가운데에 정렬했을 때를 0도라고 가정하고 좌우로 1도씩 회전할 때 바퀴가 회전하는 정도를 자이로스코프로 측정해 보면 다음과 같다.
-좌로 1° 돌렸을 때
왼쪽 바퀴 :
≈0.29° 오른쪽 바퀴 :
≈0.22°
-우로 1° 돌렸을 때 왼쪽 바퀴 :
≈0.21° 오른쪽 바퀴 :
≈0.33°
3. 4. 회전반경 측정 실험
◎실험 방법
최소회전반경이란 자동차가 핸들을 최대로 꺾고 돌았을 때 외측 바퀴가 그리는 원의 반지름 이다. 자동차 안전기준에서는 최소회전반경이 12m이내이어야 한다고 규정하고 있다. (승용차는 보통 4미터 이내이다) 자동차 공학에서 최소회전반경을 구하는 식은 다음과 같다.
sin (
: 최소회전반경,
: 축간거리, :바깥쪽 바퀴의 조향각) 따라서 이 식에 측정값을 대입해서 이론값을 구해 보기로 하였다.실험 방법으로는 조향 핸들을 좌우로 최대로 돌리고 주행하였을 때의 최소회전반경을 구해본 고, 좌로 돌렸을 때와 우로 돌렸을 때의 값을 비교해 보았다.
◎실험 결과
이론적으로 계산해보았을 때 오른쪽으로 돌 때 바깥쪽 바퀴의 최대 조향 각도는 24도이고, 왼 쪽으로 돌 때에는 26도이고, 축간 거리가 1.6m이므로 오른쪽으로 돌 때의 회전 반경은 약 3.93m, 왼쪽으로 돌 때에는 약 3.65m이다. 그러나 실험적으로 구해보았을 때는 오른쪽으로 돌 때 회전 반경은 5.75m였고, 왼쪽으로 돌 때 회전 반경은 4.34m였다.
<Fig 37> 자동차의 좌우 회전 반경 실험
3. 5. 차륜 정렬 실험
◎실험 방법
국내 자동차 법에 따라서 자동차는 조향바퀴의 옆으로 미끄러짐이 1미터 주행에 좌·우 방향 으로 각각 5밀리미터 이내이어야 하며, 각 바퀴의 정렬상태가 안전운행에 지장이 없어야 한다.
따라서 40m를 주행한 후, 좌·우 방향으로 얼마나 벗어나는지 구하였다. 또, 이 실험을 진행하 기 위해서는 핸들을 직진 상태로 고정시키고 달려야 하나, 차량의 핸들을 고정시킬 수 없어서 핸들을 가운데로 하여 꽉 잡은 후 달리는 방법을 선택하였다.
◎실험 결과
<Fig 38> 차륜 정렬 실험 결과
<Fig과 같이 차량이 예상 경로를 오른쪽으로 12.755m 벗어났다. 자동차 기준으로 벗어난 정 도가 1m당 5mm 이내여야 하므로 1m 기준으로 환산하면,
× 로 기준 치를 약 6300% 초과함을 알 수 있다.
3. 6. 앞바퀴 정렬
◎이론적 배경 및 실험 방법
앞바퀴 정렬을 위한 요소들로는 캠버 각, 킹핀 경사각, 토우 인, 스러스트 각 등이 있다.
- 캠버 각
앞바퀴를 차의 정면에서 보았을 때, 타이어의 중심선이 접지면 가운데에서 수직으로 뻗은 연 직선과 이루는 각을 캠버 각이라고 한다. 보통 0.5∼2°정도이다. 이 캠버는 핸들의 조작을 가볍 게 하고 수직방향의 하중에 의한 앞차축의 휨을 방지한다.
<Fig 39> 캠버 각
자이로스코프의 값들(roll, pitch, yaw) 중에서 pitch는 위 아래로 기울어진 정도를 말한다. 수 평면에 대한 pitch 값은 90도 이므로, 다음과 같이 자이로스코프를 놓고, 좌우 앞바퀴에 대한
pitch값을 측정한 후, 90도에서 빼면 캠버 각을 구할 수 있다.
<Fig 40> 캠버각의 측정 방법 - 킹핀 경사각
앞바퀴를 앞쪽에서 보았을 때 킹핀의 윗부분이 안쪽으로 경사지게 설치되어 킹핀 축의 중심 과 지면에 대한 수직선이 이루는 각을 킹 핀 경사각이라 하는데 보통 6∼9°정도이다. 이 킹핀 경사각의 목적은 캠버와 함께 핸들조작을 가볍게 하며 핸들의 흔들림을 방지하고 복원성을 주 어 직진위치로 쉽게 돌아오도록 하는 것이다. 킹핀 경사각은 다음 사진의 각도를 구하는 것이 므로 다음과 같이 자이로스코프의 pitch값을 이용하여서 각을 구하였다.
<Fig 41> 킹핀
경사각(1) <Fig 42> 킹핀 경사각(2) <Fig 43> 킹핀 경사각의 측정 - 토우 인
앞바퀴를 위에서 보았을 때 앞쪽이 뒤쪽보다 좁게 되어 있는데 이 상태를 토우 인이라고 하 며 토우인의 값은 약 2∼6mm 정도이다. 이 토우인은 캠버각에 의한 타이어의 원뿔 운동을 직 진운동으로 하고 마모에 의해 Toe-Out 되는 것을 방지한다.
<Fig 44> 토우 아웃, 토우 인
- 스러스트 각
뒷바퀴의 진행방향과 차체의 중심선 사이의 각으로서 정상적인 차라면 스러스트 각이 0도여 야 한다.
<Fig 45> 스러스트 각
이러한 앞바퀴 정렬(Front Wheel Alignment)의 기능은 다음과 같다.
① 조향핸들을 작은 힘으로 쉽게 할 수 있다.
② 조향핸들 조작을 확실하게 하고 안전성을 준다.
③ 조향핸들에 복원성을 준다.
④ 타이어 마모를 최소로 한다.
따라서, 앞바퀴 정렬은 차량의 운행 및 수명에 직간접적인 관련이 있음을 알 수 있다.
◎실험 결과 - 캠버 각
자이로스코프로 측정한 결과는 다음과 같았다.
<Fig 46> 좌측 바퀴 캠버 각
<Fig 47> 우측 바퀴 캠버 각
측정 결과 좌측 바퀴의 pitch 값은 88도이고 우측 바퀴의 pitch 값은 89도였다. 그러므로 좌측
바퀴의 캠버각은 2° (90°-88°=2°)이고, 우측 바퀴의 캠버각은 1° (90°-89°=1°)이다. 이는 일반 자 동차와 비슷한 수준으로, 이 값은 좌우 차이가 얼마 없었다.
- 킹핀 경사각
측정 결과 좌측 킹핀의 pitch 값은 75°이고 우측 킹핀의 pitch 값은 69°였다. 그러므로 좌측 킹핀 경사각은 15° (90°-75°=15°)이고, 우측 킹핀 경사각은 21° (90°-69°=21°)이다. 일반 자동차 와 비교했을 때, 킹핀 경사각이 상당히 컸다. 이는 속도나 균형보다는 힘이 중요한 차의 설계 와 관련이 있을 것으로 생각된다. 또 좌우 바퀴의 킹핀 경사각의 차이가 6도나 나는 것으로 보 아 차의 좌우 균형이 잘 맞지 않는 것 같다.
Ⅳ. 결론 및 제언
자작 전기자동차의 제작과 차량의 구조 및 성능에 관한 연구로써 전기 자동차의 국내외 개발 동향과 전기자동차에 대한 기본적인 개념에 대해 알아보고 전기자동차 프레임의 설계와 그에 따른 안전성 분석을 진행하였고 핸들과 브레이크 그리고 엑셀레이터의 설치와 전기자동차라는 특징과 경제적 요건을 고려한 모터와 감속기와 배터리 그리고 컨트롤러의 선정과 그렇게 제작 된 자작 전기자동차의 주행 성능 및 조향 성능 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 안전성 분석
Ansys를 이용한 프레임의 안전성 분석에서 차량의 최고 속도의 3배가 넘는 속도로 충돌했음 에도 불구하고 운전자가 보호받는 롤 케이지 부분의 변형이 거의 없는 것을 보면 차량이 매우 안전하다는 것을 알 수 있다. 이는 곧 자작 전기자동차의 설계가 적절했다는 것으로 판단된다.
2. 장치의 선정 평가
우리의 자작 전기자동차는 핸들의 경우 유니버셜 조인트라는 장치를 사용하였고 브레이크와 엑셀레이터는 발로 압력을 가할 수 있도록 하여 운전자에 편의를 제공하였다. 모터와 감속기는
‘힘’에 초점을 맞춘 목적에 잘 부합하는 것으로 선택되었지만 기대에 못 미치는 차량의 속도를 보완하기 위해서는 연구가 향후 지속되어야 할 것으로 보인다. 배터리의 경우 충전 시간에 비 하면 사용 시간이 매우 짧기 때문에 이를 보완하기 위해서는 배터리 분야에 대한 연구도 지속 되어야 할 것으로 보인다.
3. 주행 성능 평가
우리가 선택한 감속기는 이론적인 최고 속도가 약 20km/h가 되도록 감속시킨다. 그런데 우 리가 실험해본 결과 우리 차의 최고 속도는 약 14km/h였다. 이는 배터리 충전 상태, 실험을 진행한 장소(운동장)의 울퉁불퉁한 정도 그리고 차량의 무게 등 다른 요소들이 고려되었기 때 문이라고 판단되며 주행을 시작한지 약 5초 만에 최고 속도에 이른 것은 우리 차의 가속 능력 이 나쁜 편이 아닌 것으로 보인다.
4. 조향 성능 평가
먼저 자작 전기 자동차의 핸들 및 바퀴 부분은 잘 설계되었다고 판단된다. 우리 차의 핸들은 좌우 균형이 상당히 잘 맞았으며 바퀴의 회전각도 또한 너무 작지도, 너무 크지도 않고 적당했 다. 또한 좌측 바퀴 우측 바퀴 모두 최대 조향각이 30도로 비슷했으며, 캠버 각이 정렬이 잘 되어 있었다.
그리고 조향 장치가 애커먼 장토식이 아니었고 최소회전 반경 및 킹핀 경사각에 차이가 났는 데 이는 자작 자동차이다 보니 제작 상에 정밀도가 떨어져 발생한 것으로 보인다. 이는 향후 좀 더 정교하게 수정할 필요가 있을 것으로 사료된다.
이상의 결과를 통하여 본 연구는 자동차에 대해 탐구함으로써 고등학생들에게 직접 자작 전 기자동차를 만들어 이론으로 배운 지식을 실제로 적용시켜볼 수 있는 기회를 제공하였고, 자동 차의 원리에 대한 쉬운 접근을 위한 기본 자료로써의 활용이 가능하며 더 나아가 차량의 문제 점 보완을 위한 연구 진행을 통한 더욱 향상된 자작 전기자동차 제작을 위한 토대가 될 것으 로 판단된다.
Ⅴ. 참고 문헌
1) 김학선, “독립동력원을 갖는 전기자동차의 조향시스템에 관한 연구”, 울산대학교 자동차선박 기술대학원 석사논문, 2010. 11, pp. 2-4
2) 송인성 외 3인, “자작형 전기자동차의 회생제동 효율에 관한 연구”, 2010년 한국자동차공학 회 학술발표자료, pp. 3060-3063, 2010.
3) 김학선 외 2인, “스티어링 휠 조작에 따른 자작형 전기자동차의 구동 휠 속도 제어”, 대한 기계학회 추계학술대회 강연 및 논문 초록집, pp. 1324-1329, 2010
4) 유영천, “전기자동차의 제작과 성능평가에 관한 연구”, 국민대학교 공과대학, 자동차공학과, 2011년, pp. 29~ 31
