KR20050095405A - 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법 - Google Patents

기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20050095405A
KR20050095405A KR1020040020787A KR20040020787A KR20050095405A KR 20050095405 A KR20050095405 A KR 20050095405A KR 1020040020787 A KR1020040020787 A KR 1020040020787A KR 20040020787 A KR20040020787 A KR 20040020787A KR 20050095405 A KR20050095405 A KR 20050095405A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
analysis
model
frame
reference model
cart
Prior art date
Application number
KR1020040020787A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100637842B1 (ko
Inventor
임중연
정홍기
이동재
고형규
고정민
Original Assignee
임중연
정홍기
이동재
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 임중연, 정홍기, 이동재 filed Critical 임중연
Priority to KR1020040020787A priority Critical patent/KR100637842B1/ko
Publication of KR20050095405A publication Critical patent/KR20050095405A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100637842B1 publication Critical patent/KR100637842B1/ko

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01B—SOIL WORKING IN AGRICULTURE OR FORESTRY; PARTS, DETAILS, OR ACCESSORIES OF AGRICULTURAL MACHINES OR IMPLEMENTS, IN GENERAL
    • A01B51/00—Undercarriages specially adapted for mounting-on various kinds of agricultural tools or apparatus
    • A01B51/02—Undercarriages specially adapted for mounting-on various kinds of agricultural tools or apparatus propelled by a motor

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

본 발명은 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법에 관한 것으로, 전량 해외 수입에 의존하고 있는 카트프레임의 구조, 프레임 설계 및 제작을 통한 설계, 제작 기반기술의 프로세스를 확립하여 국산화하고 해석적 기법(CAE)을 통한 카트프레임의 구조 및 내구, 충돌 해석을 실시하여 프레임의 강성 및 강도를 측정하고 이를 설계에 반영하여 보다 검증된 설계 시스템을 구축하며 이를 바탕으로 카트의 프레임을 제작하는 데 목적이 있다.
이를 위해벤치마킹모델을 선정하여 카트프레임의 구조 및 치수를 측정함으로써 목표 기준모델을 결정하는 벤치마킹모델 선정단계(S100)와; 모델의 강성 특성, 내구 특성 및 충돌 특성을 해석하고 해석기구를 이용한 카트의 조향 특성을 구현하는 기준모델 해석단계(S200)와; 제작모델 프레임 설계 및 강성, 내구, 충돌 해석을 실시하여 기준모델의 결과와 비교 분석하는 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)와; 제작에 필요한 도면을 작성 후 카트 메인프레임을 제작하는 카트 프레임 제작단계(S400)와; 제작된 모델의 주행성능을 평가하는 주행성능 평가단계(S500)를 포함하여 이루어지되, 상기 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 동적 강성 해석은 기준모델의 경계조건을 프리프리(Free-Free)상태로 프레임의 주파수에 대해 구조적 비틀림 및 굽힘 모드를 평가하며, 정적 강성 해석은 한점의 XYZ 방향의 단위 변위량에 대해 타측 지점의 회전자유도가 프리상태인 조건에서 강성을 계산하는 것을 특징으로 한다.

Description

기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법 {The Design Method For Motor Sports Cart Frame Using Target Model And Computer Aided Engineering}
본 발명은 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전량 해외 수입에 의존하고 있는 카트프레임의 구조, 프레임 설계 및 제작을 통한 설계, 제작 기반기술의 프로세스를 확립하여 국산화하고 해석적 기법(CAE)을 통한 카트프레임의 구조 및 내구, 충돌 해석을 실시하여 프레임의 강성 및 강도를 측정하고 이를 설계에 반영하여 보다 검증된 설계 시스템을 구축하며 이를 바탕으로 카트의 프레임을 제작할 수 있는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트의 설계방법에 관한 것이다.
모터스포츠는 올림픽, 월드컵과 더불어 세계 3대 월드스포츠로서 선수들의 무한 속도경쟁과 현란한 주행기술로 최고의 대중적 인기를 얻고 있는 분야이다.
그러므로 여기에 사용되고 있는 스포츠카는 고속 주행을 위한 최고의 엔진성능과 급격한 선회 시 완벽한 코너링을 위한 최고의 현가 특성을 갖추어야 한다. 이에 따라 세계적 자동차제조사들은 자신의 자동차 기술을 시험하고 선전하기 위한 무대로 생각하고 적극적으로 스포츠카 개발에 참여하고 있다.
아울러 개발되는 스포츠카 중에서 카트는 모터스포츠에서 가장 낮은 등급의 차종으로서, 도 1에서 보는 바와 같이 기본적인 전/측면범퍼(110), 프레임(120), 현가장치(130), 제동장치(140), 조향장치(150), 좌석(160), 동력전달계(170), 구동축/타이어(180) 등의 간단한 구조의 메커니즘으로 이루어져 있다.
그리고 카트는 1인승이며, 지상고가 낮아 속도감을 최대한 느낄 수 있으며, 동력전달계에서 차동장치가 없이 직접 체인을 이용하여 동력이 구동축으로 연결되어 다른 경주용 차량이나 일반 차량들과 크게 다르다.
또한 상위 등급인 F-1,2,3에 비해 차의 크기가 작고 구조나 엔진이 매우 초보적인 형태를 지니고 있어 세계적 대규모의 자동차제조사보다는 주로 중소 자동차 부품업체가 참여하고 있는 틈새 분야라고 볼 수 있다.
그러나 차체와 그 외 기본적 구조만으로 차의 주행성능을 결정해야 한다는 점에서 상위 등급의 차에 뒤지지 않는 고도의 차체 제작 기술이 필요하며, 자동차 설계를 기초에서부터 발명한다는 점에서 고카트 제작의 체계적 발명은 매우 의미가 크다고 볼 수 있다.
또한 카트는 강철과 알루미늄으로 제작된 프레임에 엔진, 시트, 바퀴 등이 장착된 간단한 형태이나 이 프레임으로 차량의 운동 특성을 제어해야 하므로 기술적으로 난해한 문제점을 가지고 있다.
그리고 국내에서도 근래에 와서 모터스포츠의 초보 단계인 카트가 동호회 중심으로 활성화되기 시작하고 있으며 용인의 스피드웨이와 경남 창원의 국제도로 경기장외에 경기도 화성에 2001년 4월 카트빌의 국제적 트랙이 완공되어 카트의 대중화가 서서히 조성되고 있다.
또한 향후 주 5일 근무제의 확대에 따라 레포츠 분야가 급격히 활성화 되고 있어 카트에 대한 관심이 크게 높아지므로 전량 해외 수입에 의존하는 카트의 국내 설계 및 제조 기술의 체계 구축은 절실히 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 개발된 것으로, 본 발명은 차량 운동 특성에 대한 연구를 통해 카트 프레임의 구조와 재질을 설계하여 자체 제작하고, 제작된 차체를 기본으로 완성된 카트를 제작하며, 제작된 카트는 주행시험을 통해 기존의 카트와의 성능 비교 및 평가를 할 수 있는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법을 제공하고자 한다.
또한 전량 해외 수입에 의존하고 있는 카트프레임의 구조 및 프레임 설계 및 제작을 통한 설계, 제작 기반기술의 프로세스를 확립하여 효율적인 개발체계를 구축하는 것을 목적으로 한다.
또한 해석적 기법(CAE)을 통한 카트프레임의 구조 및 내구, 충돌 해석을 실시하여 프레임의 강성 및 강도를 측정하고 이를 설계에 반영하여 보다 검증된 설계 시스템을 구축하며 이를 바탕으로 카트의 프레임을 제작할 수 있는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법은, 벤치마킹모델을 선정하여 카트프레임의 구조 및 치수를 측정함으로써 목표 기준모델을 결정하는 벤치마킹모델 선정단계(S100)와; 모델의 강성 특성, 내구 특성 및 충돌 특성을 해석하고 해석기구를 이용한 카트의 조향 특성을 구현하는 기준모델 해석단계(S200)와; 제작모델 프레임 설계 및 강성, 내구, 충돌 해석을 실시하여 기준모델의 결과와 비교 분석하는 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)와; 제작에 필요한 도면을 작성 후 카트 메인프레임을 제작하는 카트 프레임 제작단계(S400)와; 제작된 모델의 주행성능을 평가하는 주행성능 평가단계(S500)를 포함하여 이루어지되, 상기 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 동적 강성 해석은 기준모델의 경계조건을 프리프리(Free-Free)상태로 프레임의 주파수에 대해 구조적 비틀림 및 굽힘 모드를 평가하며, 정적 강성 해석은 한점의 XYZ 방향의 단위 변위량에 대해 타측 지점의 회전자유도가 프리상태인 조건에서 강성을 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 기준모델의 내구력 해석은 타측 지점의 6자유도를 구속시킨 상태에서 일측 한점의 Z방향으로 2°만큼 흔들어서 내구력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 실차 충돌시험을 유한요소법을 이용한 컴퓨터 해석으로 전면과 측면에서 시속 약 40km의 속력으로 단단한 벽(Rigid Wall)에 충돌하는 상황을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 한다.
또한 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)는 기준모델 해석단계(S200)의 해석 결과를 바탕으로 기준모델을 수정하여 실제 제작될 모델의 3D 모델링을 수정하고 정면충돌시의 성능을 높이기 위해 측면지지대를 일체형으로 모델링 하며 정적 강성측면과 내구력 측면에서 유리한 구조를 갖기 위하여 재원을 확장시키면서 동적 강성 및 내구력과 충돌에 유리하게 하기위해 프레임의 직경을 확장시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 카트 프레임 제작단계(S400)는 기계 구조용 강관을 사용하여 파이프 컷팅 후 벤딩 지그를 이용하여 정확한 벤딩 후 용접이 이루어 질 면을 가공하고, 용접 지그를 이용한 1차 가용접을 한 후 아르곤(Argon)용접의 2차 용접을 실시하며, 프레임 파이프 끝단을 가공한 후 카트를 조립하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법은 벤치마킹모델을 선정하면서 기준모델을 결정하여 카트프레임의 구조, 내구, 충돌해석을 하고, 제작모델을 설계하여 이의 구조, 내구, 충돌해석을 하여 상기 기준모델과 비교하며, 카트를 제작하여 상기 기준모델과의 주행성능을 비교 평가하도록 이루어진다. 도 2는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법의 단계별 순서도를 나타낸다.
따라서 처음단계는 벤치마킹모델 선정단계(S100)로써 벤치마킹모델을 선정하여 카트프레임의 구조 및 치수를 측정함으로써 목표 기준모델을 결정하는 단계이다.
아울러 경기용 카트의 공급에 많은 부분을 선점하는 이태리의 라카마 사의 카트프레임과 이아메사의 100cc 스프린트용 카트엔진을 벤치마킹모델로 선정하여 카트프레임의 구조 및 치수를 측정하여 목표 기준모델을 결정하게 된다.
또한 벤치마킹모델은 현재 선수용 스프린트 카트로 널리 사용되고 있는 이태리 라카마사의 상급자용 스프린트 카트프레임에 이태리 이아메사의 100cc 2행정 엔진을 벤치마킹모델로 선정하여 구입 후 3차원 측정기를 이용하여 벤치마킹모델의 기하학적 데이터를 측정하고 표 1과 같은 프레임의 중요제원 및 조향 특성 요소들을 측정하였다.
벤치마킹 모델 제원
프레임 중량 캠버(Camber)각 캐스터(Caster)각 킹핀(King-Pin)경사각 칼럼(Column)축각
14.7㎏ 0.63° 14° 10.35° 50°
칼럼(Column)길이 휠베이스 전륜 휠트레드 후륜 휠트레드 토(Toe)각
545mm 1045mm (973mm) (1111mm) 2°
표 1의 데이터 중에 전륜 휠트레드(Wheel Tread)와 후륜 휠트레드는 전/후륜 부착시의 위치에 따라 가변적이고 표 1의 측정치는 실차 테스트에서의 기본 참조 치수이며, 토(Toe)각 역시 조향장치에서 타이로드의 길이로 조절 가능하며, 위의 측정치 역시 기본 참조 치수이다.
그리고 벤치마킹모델의 구조 및 치수를 측정한 다음 3차원 모델링 및 기준모델을 결정하게 되는 데, 이때 3차원 측정기를 이용하여 측정한 벤치마킹 모델의 기하학적 데이터를 이용하고 상용 프로그램인 유니그래픽스엔엑스(Unigraphics-NX)를 이용하여 카트프레임 및 부품을 모델링할 수 있다.
여기서 3차원 측정기는 접촉센서가 피측정물과 접촉하는 순간 스케일에서 공간상의 3차원 위치값(XYZ)을 검출해 내어 계산처리를 통해 원하는 측정값을 구하는 접촉식 3차원 측정기와, 공간상의 3차원 위치값(XYZ)을 수케일과 카메라의 픽셀(Pixel)에서 검출해 내어 원하는 계산처리를 통해 측정값을 구하는 비접촉 3차원 측정기가 있다.
아울러 유니그래픽스엔엑스는 기하학적인 모델러로써 곡선, 면, 입체, 연합된 개념 등을 도해하는 프로그램이다.
또한 상기 기준모델의 메인 프레임을 제외한 나머지 부품은 벤치마킹 모델의 부품으로 대체하고, 캐스터 및 캠버, 킹핀 경사각을 동일하게 적용하면서 3차원 모델을 이용하여 구조, 내구, 충돌해석의 결과를 통해 기준모델로 결정한다.
아울러 제작모델과 비교하기 위해 기준모델의 실차성능을 평가하게 되는 데, 실차성능평가는 대한민국 경기도 화성시에 위치한 국제자동차경기장인 카트빌의 서킷(Circuit)에서 이루어졌으며 총길이 700m, 노면의 폭이 8m, 직선 110m, 총 7개의 코너로 구성되어 있다.
또한 평가는 랩타임(Lap Time)을 기준으로 하고, 표 2에서 보는 바와 같이 15랩을 도는 총시간을 기록하였다.
랩타임 평가
Lap 1 2 3 4 5 6 7 8 TotalTime
Time 28:32 28:12 27:34 27:44 27:32 27:45 27:55 27:12
Lap 9 10 11 12 13 14 15 6:24:34
Time 26:48 26:32 26:58 26:40 30:45 27:58 27:12
표 2의 랩타임 결과 중 13랩에서 과도한 드래프트 턴을 시도하다 노면을 탈선하여 시간이 초과되었으므로 총랩타임에서 제외된다.
다음단계는 기준모델 해석단계(S200)로써, 모델의 강성, 내구, 충돌 해석을 통한 특성발명 및 아담스 뷰(ADAMS/View)와 같은 상용패키지를 이용한 카트의 조향 특성을 구현하는 단계이다.
여기서 아담스뷰는 사용자로 하여금 여러 가지 분야와 접합, 이동 등의 구속, 그리고 부시, 스핑, 댐퍼, 타이어 등의 컴플리언트(Compliant) 요소 들을 이용하여 기계 시스템 모델을 효과적으로 구성할 수 있도록 도와주는 아담스사의 프로그램이나 본 발명에서는 기계 시스템 모델을 구축할 수 있는 해석적 도구이면 충분하다.
또한 이렇게 구성된 모델의 기구학적, 동역학적인 구조를 검증하고 강체 시스템 모델에 유연체 모델을 추가하기도 하며, 외부로부터 모델의 정교함에 필요한 CAD 기하학이나 비선형 요소의 시험데이터를 읽어 들일 수도 있고, 설계를 위한 모델의 매개변수로의 표현을 수행할 수도 있는 기능을 가지면 족하다.
동적 강성 해석은 진동해석(Modal)이라고도 하며, 프레임의 공진 주파수 및 모드에 대해 일반적으로 1차 비틀림 및 굽힘 모드를 평가하는 방법으로 본 발명에서는 기준모델의 경계조건을 프리프리(Free-Free)상태로 놓고 구조적 모드 양상을 파악하는 것이다.
아울러 기준모델의 동적 강성해석을 수행한 결과는 표 3과 같이 나타난다. 도 3a, 도 3b는 기준모델의 동적 해석 결과로써 비틀림, 굽힘 모드를 나타내는 프레임의 상태이다.
동적 강성 해석결과
Mode Shape Natural Frequency(Hz)
Modal Analysis Results
1st Torsion Mode 47.6
1st Bending Mode 57.6
또한 정적 강성 해석은 도 4에서 보는 바와 같이 경계조건하에서 한점의 XYZ 방향의 단위 변위량에 따른 강성(Stiffness)을 계산하는 해석 수행이고, 타측 지점의 회전자유도를 프리상태로 놓으면서 일측의 한점을 1mm 씩의 변위를 가한 상태에서의 강성 해석을 수행하는 방법이다. 상기 단위 변위량은 1mm에 대한 변위량을 말한다. 도 4는 기준모델의 정적 해석 결과를 나타내는 프레임의 상태를 나타낸다.
또한 표 4는 정적 강성 해석결과이고, 기준모델의 내구력(Durability) 해석은 경계조건을 도 5에서 보는 바와 같이 타측 지점을 6자유도로 구속시킨 상태에서 일측의 한점을 Z방향으로 2°만큼 흔들어서 내구력을 측정하는 해석이며, 프레임의 파이프를 쉘 엘리먼트(Shell Element)로 모델링 하였다. 도 5는 기준모델 프레임의 내구력을 측정하는 상태로써 좌측은 프레임을 2°만큼 흔드는 경우, 우측은 타측지점을 6자유도로 구속시킨 상태를 나타낸다.
아울러 내구력 해석결과는 표 5 및 도 6a, 도 6b와 같이 전륜 측에서는 피로 100,000 사이클(Cycle) 정도, 후륜 측에서는 600,000 사이클 정도 나왔다. 도 6a, 도 6b는 기준모델의 내구력 해석 결과를 나타내는 프레임의 상태로써 좌측은 전륜 측, 우측은 후륜 측을 나타낸다.
내구력 해석결과
Mount Point Frt LH Point Frt RH Point Rr LH Point Rr RH Point
Fatigue Life 115,000 108,000 773.,000 336,000
또한 충돌 해석이란 실차 충돌시험을 유한요소해석을 이용한 컴퓨터 해석을 통한 시뮬레이션을 해 봄으로써 경기 도중 많은 충돌 요소를 지니고 있는 카트프레임에 있어서 실행해야 하는 해석이며, 해석 방법은 도 7에서 보는 바와 같이 전면과 측면에서 시속 40km의 속력으로 단단한 벽(Rigid Wall)에 충돌하는 상황을 시뮬레이션 하는 것이다. 도 7은 기준모델 프레임의 충돌 해석을 평가하는 상태로써 좌측은 전면, 우측은 측면에서의 상태을 나타낸다.
여기서 유한요소해석(FEA ; Finite Element Analysis)은 구조물내의 무한개의 지지수점을 절점(Node)을 이용하여 유한개의 이산화된 위치로 나타내고 이들간의 서로 유기적 관계를 맺어 주는 요소(Element)라는 블록을 이용하여 전체구조물이나 실제의 물리적 시스템 내의 임의의 점에서 원하는 값을 수치적인 근사화를 통해 얻어내는 해석이다.
아울러 도 8a, 도 8b는 충돌 해석으로 얻은 F-D(Force-Displacement)선도로써 좌측은 전면, 우측은 측면의 F-D 선도를 나타낸다. 정면충돌인 경우 F-D 선도에 의하면 충돌 초기에 심한 굽힘이 발생하는 현상이 지속되다가 후반부에 또 다시 심한 굽힘이 발생하는 것을 확인할 수 있고, 측면 충돌인 경우 F-D 선도에 의하면 충돌 초기부터 굽힘이 서서히 시작하여 어느 정도 일정하게 굽힘이 진행되는 것을 확인할 수가 있다.
따라서 정면과 측면의 충돌 결과를 보면, 정면 충돌시의 하중량을 보면 측면 충돌시 보다 쉽게 굽힘이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
해석 결과 분석
CAE Result Remark
동적 강성 해석 1st Torsion Mode : 47.6 Hz1st Bending Mode : 57.6 Hz 엔진 가진 주파수 20-30Hz와 비연성기준을 47.6Hz 이상
정적 강성 해석 표 4 참조 기준 강성에 준하는 Spec.
내구력 해석 Max. 700,000 CycleMin. 108,000 Cycle 기준을 최소 100,000 Cycles
충돌 해석 정면충돌 : 62,000N측면충돌 : 130,000N 정면충돌의 성능 향상을 위해 프레임모델의 변경 필요
다음단계는 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)로써, 제작모델 프레임 설계 및 구조, 내구, 충돌 해석을 실시하여 기준모델의 결과와 비교 분석하는 단계이다.
따라서 표 6의 해석 결과를 바탕으로 기준모델을 수정하여 실제 제작될 모델의 3D 모델링을 수정하였다. 도 9에서 보는 바와 같이 충돌 해석결과에서 확인한 바와 같이 정면충돌시의 성능을 높이기 위해 측면지지대(11)를 일체형으로 모델링 하였고, 정적 강성측면과 내구력 측면에서 유리한 구조를 갖기 위하여 측면지지대(11) 중 바퀴지지대(12)와 좌석지지대(13)의 사이에 위치하는 부분의 그 사이를 20mm 확장시켰으며, 동적 강성 및 내구력과 충돌에 유리하게 하기위해 프레임을 Ø32로 확장시켰다. 도 9는 기준모델과 기준모델로부터 개선된 제작모델의 프레임 상태로써 좌측은 기준모델의 프레임, 우측은 제작모델의 프레임을 나타낸다.
도 10은 프레임을 변경시킨 모델을 포함한 카트의 전체 제작모델을 나타낸다.
또한 제작될 모델 프레임과 기준모델과 강성, 내구력의 해석을 비교하기 위한 제작될 모델의 유한요소모델(FEM)해석은 제작될 모델의 프레임에 대하여 기준모델과 동일한 해석방법을 통해 정/동 강성 해석, 내구력 해석, 충돌해석을 실시한다. 표 7은 제작모델과 기준모델의 해석결과를 비교하여 나타낸다.
동적/정적/내구 해석 결과 비교
동적 강성해석 Shape Mode Natural Frequency(Hz) Remark
제작모델 기준모델
1st Torsion Mode1 48.9 47.6 3% ↑
2st Bending Mode 57.8 57.6 0.3% ↑
정적 강성해석 해석 Point Stiffness(N/mm) Remark
제작모델 기준모델
Frt LHPoint For/Rear 1,792 1,687 6%↑
Lateral 529 499 6% ↓
Vertical 28 26 8%↑
Frt RHPoint For/Rear 1,803 1,697 6% ↑
Lateral 585 599 5%↑
Vertical 28 26 8% ↑
Rr LHPoint For/Rear 569 567 0.4%↑
Lateral 812 842 4% ↓
Vertical 28 26 8% ↑
Rr RHPoint For/Rear 637 628 1.4%↓
Lateral 907 939 3%↑
Vertical 29 27 7%↑
내구 해석 해석 Point Cycles Remark
제작모델 기준모델
Frt LH Point 107,930 115,000 6%↓
Frt RH Point 107,930 108,000
Rear LH Point 804,660 773,000 4%↑
Rear RH Point 336,130 336,000
따라서 표 7에서 동적/정적/내구 해석의 비교 결과를 살펴보면 먼저 동적 강성 해석의 경우 제작모델의 주파수가 기준모델의 주파수 보다 높음을 확인할 수 있는 데, 이는 전체적인 강성이 높다는 의미이고 내구성이 우수하면서 진동이 저진동이라는 의미를 내포한다.
또한 정적 강성해석의 경우 측면방향을 제외한 해석에서 제작모델이 기준모델보다 우위임을 확인할 수 있고, 내구력 해석에서도 제작모델에서 우리가 목표로 삼았던 100,000 사이클을 넘는 수치가 나옴을 확인할 수 있다.
아울러 도 11a, 도 11b에서 보는 바와 같이 충돌 해석결과의 비교 중 먼저 정면 충돌시의 결과를 보면 F-D 선도에서 제작모델은 처음에는 기준모델과 비슷한 양상으로 변형이 이루어지다가 나중에는 기준모델보다 큰 크래시(Crash) 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그리고 측면 충돌시의 결과는 기준모델과 큰 변화는 없는 것으로 확인되었다. 도 11a, 도 11b는 전면과 측면상의 기준모델과 제작모델의 충돌변화를 비교한 그래프를 나타낸다.
다음단계는 카트 프레임 제작단계(S400)로써, 제작에 필요한 도면을 작성한 후 카트 메인프레임을 제작하는 단계이다.
따라서 전 단계인 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)의 결과를 바탕으로 한 모델링 되어진 카트 프레임의 제작을 위한 도면작업을 수행한다.
또한 프레임 파이프의 재료는 기준모델과 물성이 비슷한 기계 구조용 SKT290 E-G 강관을 사용하였으며, 파이프 컷팅 후 벤딩 지그를 이용하여 정확한 벤딩 후 용접이 이루어 질 면의 가공이 이루어졌다.
그리고 용접 지그를 이용한 1차 가용접을 한 후에 불활성 가스 텅스텐 용접법인 아르곤(Argon)용접으로 2차 용접을 실시하고, 마지막으로 프레임 파이프 끝단의 가공을 하여 날카로운 버(burr) 등을 제거한 후에 카트를 조립하였다. 도 12는 기 작성된 도면을 바탕으로 제작되는 프레임의 제작과정을 나타낸다.
다음단계는 주행성능 평가단계(S500)로써, 제작된 모델의 주행성능을 평가하는 단계이고, 제작모델과 비교하기 위해 기준모델의 실차성능을 평가하게 되는 데, 실차성능평가는 카트빌의 서킷(Circuit)에서 이루어졌으며 총길이 700m, 노면의 폭이 8m, 직선 110m, 총 7개의 코너로 구성되어 있다.
도 13는 제작모델과 기준모델의 랩타임 결과의 비교를 나타낸다.
랩타임의 결과를 보면 기준모델의 총 시간은 6분 24초 34이고 제작모델의 총 시간은 6분 57초 59이다. 그러나 기준모델은 1회의 랩을 계산에 포함하지 않았으므로 평균 1회 타임인 27초를 뺀 6분 27초 59가 제작모델의 기록이 된다. 따라서 제작모델은 기준모델의 성능에 준하는 성능을 보인다고 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법은 차량 동역학 해석, 동적 강성 해석, 정적 강성 해석, 충돌 해석 등을 위한 해석 모델을 구축함으로써 카트프레임 설계의 체계적 접근을 용이하게 할 수 있다.
또한 해외 유명 메이커의 제품을 벤치마킹을 하고 해석적 기법을 통해 벤치마킹 프레임의 다양한 성능을 분석함으로써 자체 설계를 위한 자료를 구축할 수 있다.
그리고 구조 및 프레임의 설계 및 제작의 기반 기술을 구축하며 이를 위해 해석적 기법을 사용한 체계적인 설계 시스템을 구축함으로써 해외의존도를 줄여 카트의 국산화를 확립할 수 있는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 카트의 일반적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법의 단계별 순서도.
도 3a, 도 3b는 본 발명에 따른 기준모델의 동적 해석 결과를 나타내는 프레임의 상태도.
도 4는 본 발명에 따른 기준모델의 정적 해석 결과를 나타내는 프레임의 상태도.
도 5는 본 발명에 따른 기준모델 프레임의 내구력을 측정하는 상태도.
도 6a, 도 6b는 본 발명에 따른 기준모델의 내구력 해석 결과를 나타내는 프레임의 상태도.
도 7은 본 발명에 따른 기준모델 프레임의 충돌 해석을 평가하는 상태도.
도 8a, 도 8b는 본 발명에 따른 기준모델의 충돌 해석 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 기준모델과 기준모델로부터 개선된 제작모델의 프레임 상태도.
도 10은 본 발명에 따른 프레임을 변경시킨 모델을 포함한 카트의 전체 제작모델의 상태도.
도 11a, 도 11b는 본 발명에 따른 전면과 측면상의 기준모델과 제작모델의 충돌변화를 비교한 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 제작모델의 제작과정을 나타낸 순서도.
도 13은 본 발명에 따른 제작모델과 기준모델의 실차를 비교한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
S100 : 벤치마킹모델 선정단계 S200 : 기준모델 해석단계
S300 : 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계
S400 : 카트 프레임 제작단계 S500 : 주행성능 평가단계

Claims (5)

  1. 벤치마킹모델을 선정하여 카트프레임의 구조 및 치수를 측정함으로써 목표 기준모델을 결정하는 벤치마킹모델 선정단계(S100)와;
    모델의 강성 특성, 내구 특성 및 충돌 특성을 해석하고 해석기구를 이용한 카트의 조향 특성을 구현하는 기준모델 해석단계(S200)와;
    제작모델 프레임 설계 및 강성, 내구, 충돌 해석을 실시하여 기준모델의 결과와 비교 분석하는 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)와;
    제작에 필요한 도면을 작성 후 카트 메인프레임을 제작하는 카트 프레임 제작단계(S400)와;
    제작된 모델의 주행성능을 평가하는 주행성능 평가단계(S500)를 포함하여 이루어지되, 상기 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 동적 강성 해석은 기준모델의 경계조건을 프리프리(Free-Free)상태로 프레임의 주파수에 대해 구조적 비틀림 및 굽힘 모드를 평가하며, 정적 강성 해석은 한점의 XYZ 방향의 단위 변위량에 대해 타측 지점의 회전자유도가 프리상태인 조건에서 강성을 계산하는 것을 특징으로 하는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형 카트프레임의 설계방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 기준모델의 내구력 해석은 타측 지점의 6자유도를 구속시킨 상태에서 일측 한점의 Z방향으로 2°만큼 흔들어서 내구력을 측정하는 것을 특징으로 하는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터 스포츠형 카트프레임의 설계방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기준모델 해석단계(S200)나 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)에서 실차 충돌시험을 유한요소법을 이용한 컴퓨터 해석으로 전면과 측면에서 시속 약 40km의 속력으로 단단한 벽(Rigid Wall)에 충돌하는 상황을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터 스포츠형 카트프레임의 설계방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제작모델의 프레임 모델링 및 해석 비교단계(S300)는 기준모델 해석단계(S200)의 해석 결과를 바탕으로 기준모델을 수정하여 실제 제작될 모델의 3D 모델링을 수정하고 정면충돌시의 성능을 높이기 위해 측면지지대를 일체형으로 모델링 하며 정적 강성측면과 내구력 측면에서 유리한 구조를 갖기 위하여 재원을 확장시키면서 동적 강성 및 내구력과 충돌에 유리하게 하기위해 프레임의 직경을 확장시키는 것을 특징으로 하는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터 스포츠형 카트프레임의 설계방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 카트 프레임 제작단계(S400)는 기계 구조용 강관을 사용하여 파이프 컷팅 후 벤딩 지그를 이용하여 정확한 벤딩 후 용접이 이루어 질 면을 가공하고, 용접 지그를 이용한 1차 가용접을 한 후 아르곤(Argon)용접의 2차 용접을 실시하며, 프레임 파이프 끝단을 가공한 후 카트를 조립하는 것을 특징으로 하는 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터 스포츠형 카트프레임의 설계방법.
KR1020040020787A 2004-03-26 2004-03-26 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법 KR100637842B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040020787A KR100637842B1 (ko) 2004-03-26 2004-03-26 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040020787A KR100637842B1 (ko) 2004-03-26 2004-03-26 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050095405A true KR20050095405A (ko) 2005-09-29
KR100637842B1 KR100637842B1 (ko) 2006-10-23

Family

ID=37275928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040020787A KR100637842B1 (ko) 2004-03-26 2004-03-26 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100637842B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103770840A (zh) * 2013-01-31 2014-05-07 广州汽车集团股份有限公司 一种前纵梁的设计方法
CN106347461B (zh) * 2016-08-26 2018-10-30 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 一种电动汽车前纵梁变形引导机构的确定方法和装置
CN115158510A (zh) * 2022-04-27 2022-10-11 扬州新瑞车业发展有限公司 汽车轻量化车架设计方法及系统
CN115982859A (zh) * 2023-01-16 2023-04-18 吉林化工学院 用于可温控的车用动力电池箱轻量化模拟分析系统及方法
CN116176672A (zh) * 2023-01-31 2023-05-30 日照友和车辆股份有限公司 一种手推车及其加工方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101977099B1 (ko) * 2018-11-02 2019-05-10 버추얼모션(주) 동하중을 이용한 내구해석 방법
KR102136727B1 (ko) * 2018-11-02 2020-07-24 버추얼모션(주) 효과적인 체인 형식 cvt 동역학 해석방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3663346B2 (ja) 2000-09-13 2005-06-22 トヨタ自動車株式会社 チッピングシミュレーション方法、チッピングシミュレーション装置及び車両設計方法
JP2002215680A (ja) 2001-01-16 2002-08-02 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 構造物の設計方法及び記録媒体
JP2003108611A (ja) 2001-09-26 2003-04-11 Mazda Motor Corp 構造体形状のモーフィング方法及びそのコンピュータ・プログラム、並びにコンピュータ読み取り可能な記憶媒体

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103770840A (zh) * 2013-01-31 2014-05-07 广州汽车集团股份有限公司 一种前纵梁的设计方法
CN106347461B (zh) * 2016-08-26 2018-10-30 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 一种电动汽车前纵梁变形引导机构的确定方法和装置
CN115158510A (zh) * 2022-04-27 2022-10-11 扬州新瑞车业发展有限公司 汽车轻量化车架设计方法及系统
CN115158510B (zh) * 2022-04-27 2023-08-29 扬州新瑞车业发展有限公司 汽车轻量化车架设计方法及系统
CN115982859A (zh) * 2023-01-16 2023-04-18 吉林化工学院 用于可温控的车用动力电池箱轻量化模拟分析系统及方法
CN116176672A (zh) * 2023-01-31 2023-05-30 日照友和车辆股份有限公司 一种手推车及其加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR100637842B1 (ko) 2006-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5877414A (en) Vehicle road load simulation using effective road profile
JP4792049B2 (ja) タイヤのノイズ性能のシミュレーション方法及びタイヤの製造方法
US6725168B2 (en) Vehicle/tire performance simulating method
EP1580673A2 (en) Method and apparatus for estimating tire/wheel performance by simulation
CN109791577A (zh) 车体的接合位置的最佳化解析方法以及装置
Mántaras et al. Virtual test rig to improve the design and optimisation process of the vehicle steering and suspension systems
KR20050095405A (ko) 기준모델과 해석적 기법을 활용한 모터스포츠형카트프레임의 설계방법
JP3253952B1 (ja) 車両・タイヤ性能のシミュレーション方法
JP4976069B2 (ja) タイヤ性能シミュレーション方法、装置、及び記録媒体
Asperti et al. Modelling of the vertical dynamics of an electric kick scooter
JP4094885B2 (ja) 車両のシミュレーション方法
KR100471240B1 (ko) 자동차 서스펜션의 롤 지오메트리 예측 방법
CN105787168A (zh) 基于基础车型的载荷分解方法和装置
JP2012063949A (ja) タイヤ摩耗のシミュレーション方法、装置、及びプログラム
Kakria et al. Modeling and simulation study of BAJA SAEINDIA all terrain vehicle (ATV) using integrated MBD-FEA approach
JP2002103930A (ja) 車両・タイヤ性能のシミュレーション方法
CN112248732B (zh) 基于catia的汽车前桥纵置板簧跳动仿真的约束方法
Kakria et al. CAE analysis, optimization and fabrication of formula SAE vehicle structure
Borg An approach to using finite element models to predict suspension member loads in a formula sae vehicle
Totu et al. Dynamic analysis of a multi-link suspension mechanism with compliant joints
CN111985054A (zh) 驱动轴滑移偏角的校核方法和驱动轴滑移偏角的校核系统
Mousseau et al. Obstacle impact simulation of an ATV using an efficient tire model
Nagendra et al. DESIGN AND ANALYSIS OF A GO-KART CHASSIS BYCOMPARING DIFFERENT MATERIALS
Awati et al. Modal and stress analysis of lower wishbone arm along with topology
Marcel-Boghian THE GRAPHICAL REPRESENTATION IN CATIA V5 OF AN AUTOMOTIVE TRANSMISSION

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121011

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131017

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141017

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151002

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161012

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171011

Year of fee payment: 12

LAPS Lapse due to unpaid annual fee