< 프로젝트 > V - Cycle을 활용한 자동차 디스크 브레이크 설계 (2) - 요구사항 분석

V - Cycle 자동차 개발 프로세스 - 요구사항 수집 및 분석

< 프로젝트 > V - Cycle을 활용한 자동차 디스크 브레이크 설계 (1)

 

 

 

 

디스크 브레이크 설계 (1)에서 V-Cycle의 첫 번째 단계에 해당하는 요구사항 수집 단계를 진행하였고 결과물로 고객요구사항을 도출하였다. 이번 단계에서는 고객 요구사항을 통해 기능요구사항과 설계 개념을 도출하는 요구사항 분석 단계를 진행하려고 한다.

 

요구사항 수집 : 고객 요구사항

 

아래는 이전 단계의 결과물인 9개의 고객요구사항을 수집하여 우선순위를 적용한 것이다.

 

요구사항 분석 : 기능 요구사항

 

 

기능 요구사항은 엔지니어 입장에서 고객 요구사항을 구현하기 위해 세부적으로 접근하여 정의하는 것이다. 사용자의 입장에서 요구할 수 있는 사항들을 공학적, 수학적으로 접근하여 고객 요구사항을 실현할 방법을 모색한다. 위와 같이 하나의 고객 요구사항에 대하여 여러 개의 기능 요구사항을 분석해야 한다.

 

공학적으로 요구사항을 분석하기 위해 논문 조사, 과거 데이터 수집 등 자료조사를 진행하여 현실성 있고 논리적인 기능 요구사항을 도출해야 한다. 공학에서는 불필요한 것을 효율적으로 제거하는 것이 매우 중요하다. 요구사항을 바탕으로 설계를 진행하기 때문에 제대로 된 요구사항을 도출하지 않으면 불필요한 제품을 설계하게 되는 일이 발생할 수 있다. 따라서 불필요한 설계를 줄이기 위해 고객 요구사항을 가장 효율적으로 실현할 수 있는 기능 요구사항을 도출해야 한다.

 

 

고객요구사항에 대하여 자료조사와 분석을 통해 도출한 기능요구사항

1. 차량 제동이 우수할 것


(1) 100km/h에서 제동을 시작할 때 차량은 32m 이내로 완전히 정지할 수 있어야 한다.(2) 운전자가 브레이크 페달을 밟았을 때 제동 시스템은 즉시 반응하여 제동 힘을 발생시켜야 한다.
(3) 제동 힘은 운전자의 페달 압력에 따라 선형적으로 증가해야 하며, 운전자는 제동 힘을 쉽게 조절할 수 있어야 한다.
(4) ABS 및 EBD 기능은 제동 중에 차량의 제어성을 유지하고 제동 힘을 최적화해야 한다.

2. 브레이크 소음 및 진동 억제 할 것

(1) 60km/h에서 제동 시 발생하는 소음을 70dB 이하로 제한한다.
(2) 60km/h에서 제동 시 발생하는 진동을 줄이기 위해 42HZ 부근의 진동수를 만들어야 한다.
(3) 디스크의 열전도를 균일하게 하여 진동을 방지한다.

3. 브레이크 냉각 효율을 상승시킬 것

(1) 브레이크 디스크의 최대 온도를 450 °C이하로 유지한다. (모든 도로 상태에서 적용)
(2) 브레이크 디스크를 패드 및 부품의 로터의 품질이 200 °C ~ 300 °C 사이에서 11.2만 킬로 이상 주행해도 견딜 수 있게 한다.
(3) 디스크 부분공간을 최대화하여 공기 순환이 잘 이루어질 수 있도록 한다.

4. 안전 기준에 충족할 것 

(1) ISO 26262(차량용 기능 안전 표준)및 FMVSS 135(미국 연방 차량 안전 표준)과 같은 국내 및 국제 안전 기준을 충족해야 한다.

< ISO 26262 >
1. 자동차 전자/전기 시스템의 개발, 제작, 운영 및 유지보수 과정에서 기능적 안전을 관리하고 평가해야 한다.
2. 시스템의 가능한 위험을 식별, 분석, 및 평가하여 안전 요구사항을 정리하고 ASIL을 할당해야 한다.
3. 설계, 구현 및 테스트 단계에서의 안전 요구사항 준수를 확인하고 검증하여, 시스템이 예상대로 안전하게 작동하는지 확인해야 한다.

<FMVSS 135>
1. 정상 및 비상 제동 성능을 보장하기 위해 서비스 브레이크 및 주차 브레이크의 효율적인 작동이 필요하다.
2. 제동 시스템은 지속적인 성능을 보장하기 위해 높은 내구성을 가져야 하며, 시간이 지나도 제동 성능을 유지해야 한다.
3. 제동 시스템은 정상 및 긴급 조건에서 안정한 제동 성능을 보장하기 위해 엄격한 테스트 및 검사를 통과해야 한다.

(2) 우리나라 안전 기준법 만족시키는 브레이크 시스템을 개발해야 한다.

제1절 자동차의 안전기준 제15조

1. 주제동장치와 주차제동장치는 각각 독립적으로 작용할 수 있어야 하며, 주제동장 치는 모든 바퀴를 동시에 제동 하는 구조로 만들어야 한다. (제15조 제동장치 1항)

 

2. 주제동장치의 계통 중 하나의 계통에 고장이 발생하였을 때에는 그 고장에 의하여 영향을 받지 아니하는 주제동장치의 다른 계통 등으로 자동차를 정지시킬 수 있고, 제동력을 단계적으로 조절할 수 있으며 계속적으로 제동 될 수 있는 구조이어야 한다. (제15조 제동장치 2항)

 

3. 자동차에 사용되는 브레이크 호스는 별표 30의4의 기준에 적합하여야 하며, 공기압 브레이크 호스를 제외한 다른 브레이크 호스는 분해되지 아니하는 일체형 구조이어야 한다. ( 제112조 2항) 

5. 부품 간 간섭 최소화 할 것

(1) 부품 간 간섭을 최소화하며, 차량의 진동 및 충격에 대비해 최소한의 유격(2mm)을 확보한다.
(2) 자동차 브레이크 작동 시 휠과 디스크 사이의 간격이 1cm 이상 벌어지게 한다.
(3) 자동차 브레이크 설계 시 디스크 패드가 디스크보다 작게 설계해야 한다.
(4) 자동차 브레이크 설계 시 휠 스피드 센서 커넥터 및 서스펜션 진공 호수 및 기타 부품에 간섭되지 않게 설계되어야 한다.

6. 날씨의 영향에 의한 성능 변화 최소화 할 것

(1) 브레이크 디스크 및 기타 부품이 극한 환경(-40 °C에서 50 °C의 온도 범위)에서 차량의 제동 성능을 온전히 유지할 수 있도록 해야 한다.
(2) 마찰계수 (0.3)인 구역에서도 70% 이상 제동력이 작동되도록 설계해야 한다.
(3) 비 오는 날 장시간 세워두어도 녹슬지 않는 재료를 사용해야 한다.

7. 색상 및 모양을 차별화할 것

(1) 브레이크 캘리퍼 (빨, 파, 보, 검) 등 커스텀 색상 및 디자인 옵션을 제공한다.
(2) 브레이크 디스크 판 구멍을 다른 제품과 달리 별 도는 네모 모양으로 만든다.
(3) 캘리퍼에 각종 문양과 마크를 각인시키는 옵션이 있어야 한다.
(단 7번 요구사항은 안전성에 위배되지 않는 선에서 충족시켜야 한다.)

8. 정비 절차를 간소화할 것

(1) 표준 / 규격화된 부품과 지침서를 만들어야 한다.
(2) 부품에 정확한 코드명을 만들어서 정비 시 사용자가 정확한 부품을 선택하도록 보이기 쉬운 곳에 부품코드를 부착하게 만들어야 한다.
(3) 정비 시 좌 또는 우 방향 표시를 확실하게 하여 자가 정비 시 방향이 변경되는 일이 없도록 해야 한다.
(4) GSW에서 찾을 수 있는 정비 절차 매뉴얼에 동영상 자료를 추가한다.

9. 대량 생산으로 가격 감축 할 것

(1) 브레이크 시스템의 제조 비용을 $100 이하로 유지한다.
(2) 부품에 벌크 포장을 만들어서 대리점 방문 구매 시 고객이 저렴한 상품을 선택하라 수 있도록 박스를 제거한 상품을 판매하며, 택배로 부품 구매 시 포장가격을 최소화하는 방안으로 재활용 박스를 이용하여 다른 타제품과 가격에서 차별화를 한다.
(3) 여러 플랫폼과 공유하는 디스크를 개발해야 한다.

 

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요구사항 분석 : 설계 개념

 

설계 개념이란  기능 요구사항을 구현하기 위한 시스템의 구조와 동작 방식을 수립하는 것이다. 시스템의 아키텍처, 모듈 구성, 등을 포함하며, 이를 통해 실제로 자동차 시스템이 어떻게 작동할지를 결정한다. 

 

좌 : 기능 요구사항,   우 : 설계 개념

  

 

• 기능요구사항에 대한 설계개념

1번 요구사항 설계 개념

(1)
- 최고 성능에서 속도 100km/h에서 31m 미만으로 정지할 수 있도록 제동 효율을 최적화하며, 이는 제동 패드 재료, 디스크 물질 및 디스크 크기를 조절하여 가능하도록 한다.
- 제동 성능을 평가하고 최적화하기 위해 시뮬레이션 및 테스트를 통해 다양한 제동 시나리오를 분석하여 가능하도록 한다.
(2)
- 브레이크 페달을 밟았을 때 시스템은 즉시 반응해야 하며, 이를 위해 빠른 액추에이션을 제공하는 브레이크 마스터 실린더와 브레이크 부스터를 설계한다.
(3)
- 제동 힘은 운전자의 페달 입력에 따라 선형적으로 증가해야 하며, 이는 제동 시스템의 기계적 및 유압적 특성을 통해 달성하게 한다.
(4)
-ABS는 제동 중에 차량의 제어성을 유지하고, EBD는 제동 힘이 각 휠에 적절하게 분배되도록 합니다. 이러한 기능을 통합하려면 센서, 액추에이터 및 제어 알고리즘을 함께 작동하도록 설계해야 한다.

2번 요구사항 설계 개념

(1)
- 제동 시스템의 설계와 구조를 최적화하여 소음 발생을 최소화한다.
- 유한 요소 해석(FEA)과 유체 역학 시뮬레이션(CFD)을 사용하여 브레이크 예상 소음을 평가
(2)
- 진동 센서를 통해 진동을 실시간으로 모니터링하고, 진동이 특정 수준을 초과할 경우 조치를 취한다.
- 컴퓨터 시뮬레이션과 실제 도로 테스트를 통해 42HZ 최적화
(3)
- CAD도구를 사용하여 균일한 열전도를 위해 형상을 최적화
- 냉각 날개 또는 핀을 구현하여 열 방출을 위한 표면적 늘림
- 고정밀 가공 기술을 사용하여 브레이크 디스크의 표면이 매끄럽게 한다.

3번 요구사항 설계 개념

(1)
- 브레이크 디스크에 효과적인 냉각 시스템을 설계하여 온도가 450°C를 초과하지 않도록 한다.
- 감지 센서와 경보 시스템을 구현하여 브레이크 디스크의 온도가 450°C를 초과할 때 경고를 제공한다.
- 브레이크 디스크에 열 관리 냉각 시스템을 통합하여 온도를 유지. 이때 공기 냉각팬, 또는 냉각 냉매 등을 사용
- 브레이크 디스크의 온도를 모니터링하기 위해 열감지 센서 및 자동 조절 소프트웨어를 사용하여 열 관리 시스템을 추가한다.
(2)
- 로터와 패드의 품질을 정기적으로 테스트하여 성능 저하를 미리 감지하고 대응한다.
- 브레이크 디스크 패드와 로터 부품에 고온 내구성을 가진 재료를 선택 열 저항성 폴리머, 세라믹, 특수 강철과 같은 재료를 사용
(3)
- 디스크에 구멍을 효율적으로 배치
- 디스크와 부품의 배치와 디자인을 최적화하여 공기 순환이 원활하게 이루어지도록 설계한다.

4번 요구사항 설계 개념

(1)
- 모든 전자/전기 시스템의 안전을 평가하고 관리하는 프레임워크를 구축한다.
- 시스템의 위협을 정기적으로 식별, 분석, 평가하고 이에 대한 대응 방안을 마련한다.
- 정상 및 비상 제동 성능을 실시간으로 모니터링하고, 성능 저하 시 즉각 대응한다.
(2)
- 주제동장치와 주차제동장치가 독립적으로 작용할 수 있도록 설계한다.
- 한 계통에 고장이 발생해도 다른 계통으로 자동차를 정지시킬 수 있는 메커니즘을 구현한다.
- 별표 30의 4의 기준에 적합한 브레이크 호스를 사용하고, 일체형 구조를 유지한다.

5번 요구사항 설계 개념

(1)
- 모든 부품을 3D로 모델링하고, 간섭 및 유격을 체크하는 시뮬레이션을 수행한다.
- 진동과 충격 테스트를 통해 유격이 적절하게 확보되었는지 확인한다.
(2)
- 브레이크 작동 시 디스크와 휠 사이의 간격을 조절하는 메커니즘을 설계한다.
- 휠과 디스크의 디자인을 최적화하여 요구사항에 맞는 간격을 확보한다.
(3)
- 디스크 패드의 크기와 형태를 디스크에 맞게 최적화하여 설계한다.
- 패드와 디스크의 접촉 면적을 최적화하여 효율적인 제동을 가능하게 한다.
(4)
- 설계 단계에서 간섭 체크 도구를 사용하여 부품 간의 간섭을 미리 확인하고 수정한다.
- 가능한 경우, 모듈화 설계를 도입하여 설치 및 유지보수의 용이성을 확보하고 간섭을 방지한다.

6번 요구사항 설계 개념

(1)
- 브레이크 디스크와 부품에 고열 및 저온에 견딜 수 있는 재료를 사용한다.
(2)
- 높은 마찰계수에서도 효과적인 제동을 보장하는 브레이크 패드를 선택하거나 개발한다.
- 제동 효율 최적화: 제동 시스템의 구조와 메커니즘을 최적화하여 높은 마찰계수에서도 안정적인 제동력을 보장하도록 전자제어 시스템이 적극적으로 작용하도록 한다.
(3)
- 방식 코팅: 브레이크 디스크 및 부품에 녹과 부식을 방지하는 코팅을 적용한다.
- 스테인리스 스틸 또는 유사 재료 사용: 녹에 강한 스테인리스 스틸 또는 유사한 재료를 브레이크 부품에 사용한다.

7번 요구사항 설계 개념

(1)
- 선택된 색상이 안전 및 성능에 영향을 주지 않는지 확인한다.
- 고온 및 다양한 환경에서 색상이 변하지 않는 고품질의 페인트를 사용한다.
(2)
- 별 또는 네모 모양의 구멍이 브레이크 디스크의 성능과 안전에 영향을 주지 않는지 테스트한다.
- 효과적인 냉각과 성능을 위해 방사형, 나선형, 다이아몬드, 헥사곤 패턴 등 모양의 구멍을 최적화하여 디자인한다.
(3)
- 높은 정밀도의 레이저 각인 기술을 사용하여 다양한 문양과 마크를 캘리퍼에 각인한다.
- 고객이 선택할 수 있는 다양한 문양과 마크의 데이터베이스를 구축한다.
- 커스텀 옵션의 품질과 내구성을 보장하기 위해 엄격한 품질 테스트와 인증 프로세스를 거친다.

8번 요구사항 설계 개념

(1)
- 부품의 사이즈, 형태, 재료 등을 표준화하여 일관된 품질과 호환성을 보장한다.
- 명확하고 이해하기 쉬운 지침서를 개발하여 사용자와 정비사에게 제공한다.
- 온라인 플랫폼에서 접근 가능한 디지털 지침서를 만들어 사용 편의성을 높인다.
(2)
- 부품별로 고유한 코드명을 생성하는 체계적인 시스템을 구축한다.
- 레이블 디자인: 부품 코드를 명확하고 보이기 쉬운 곳에 부착하는 레이블을 디자인한다.
- 코드명을 기반으로 한 부품 관리 및 주문 시스템을 구축한다.
- 부품에 명확한 방향 표시를 강화하여 설치 오류를 최소화한다.
(3)
- 지침서와 온라인 자료에 방향 표시와 설치 방법을 명확히 안내한다.
- 정비사와 사용자를 대상으로 방향 표시와 설치 방법에 대한 교육을 제공한다.
(4)
- 각 부품과 정비 절차에 맞는 동영상을 제작하여 매뉴얼에 추가한다.
- 동영상을 쉽게 검색하고 접근할 수 있는 온라인 플랫폼을 개선한다.
- 사용자의 피드백을 수집하여 동영상 매뉴얼을 지속적으로 업데이트한다.

9번 요구사항 설계 개념

(1)
- 생산 공정, 재료, 로지스틱스 등을 최적화하여 비용을 절감한다.
- 자동화와 기술 혁신을 통해 제조 공정의 효율을 높인다.
- 비용 효율을 최적화하면서 성능과 안전을 유지하는 디자인을 채택한다.
(2)
- 대리점 판매를 위해 브레이크 부품을 벌크포장하여 제공한다.
- 택배 판매 시 재활용 박스를 사용하여 포장 비용을 최소화한다.
- 포장의 효율과 안전성을 동시에 고려하여 포장 방법을 최적화한다.
(3)
- 다양한 차량 모델과 호환 가능한 브레이크 디스크 디자인을 개발한다.
- 호환 가능한 차량 플랫폼 정보를 데이터베이스에 저장하고 업데이트한다.
- 사용자 안내: 호환성 정보를 사용자에게 명확하게 안내하여 선택을 돕는다.

 

고객 요구사항 - 기능 요구사항 - 설계 개념까지 모두 수집하였고 이를 바탕으로 V-Cycle 프로세스의 다음 단계인 설계 과정으로 진행하려고 한다.  

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프로젝트 진행사항

 

지금까지 고객 요구사항을 수집하여 이를 만족할 수 있도록 기능 요구사항을 분석하였고 기능 요구사항을 구현할 수 있도록 시스템의 구조와 동작 방식을 수립하는 설계 개념을 도출하는 단계를 거쳤다. 이는 V-Cycle의 첫 단계 요구사항 수집 및 분석 단계이다.

 

그리고 지금까지의 설계 과정을 문서화하며 모든 과정을 기록하여 결과물( 회의록, 동료검토 보고서, 고객요구사항 명세서, 기능요구사항 명세서, 설계 개념 명세서 )을 출력하였다. 

 

 

 

< 프로젝트 > V - Cycle을 활용한 자동차 디스크 브레이크 설계 (3)