Podbike FRIKAR 전기자전거 (e-bike)에 대한 아이디어는 말 그대로 모두의 주목을 받으며 시작되었습니다.
Podbike 설립자이자 제품 개발자인 Per Hassel Sørensen은 노르웨이 산네스의 거리를 따라 평범한 이륜자전거를 타고 있던 중, “초속 3미터의 자동차와 동적 에너지 교환”을 겪었습니다.
다른 말로, 저속 충돌 사고에 연루되었습니다.
그러나 속도가 얼마인지와 상관없이 자전거는 자동차와 충돌 시 상대가 되지 않습니다. 그 사고로 그는 목이 거의 부러질 뻔했을 뿐만 아니라, 이로 인해 다리에 철심을 박았고 극심한 혼잡 교통 상황에서 자전거를 타는 것에 대한 두려움도 생겼습니다.
Sørensen은 지속 가능 에너지에 대한 석사 학위를 가진 사이클 광이었기 때문에, 자동차를 몰아야 하는 생활로 한발짝 물러나는 대신, 키트로 만든 일상적인 이동 수단용 3륜 벨로모빌을 제작하는 데 6년의 시간을 보냈습니다. 하지만 마음 한 구석에선 더 나은 것을 구상할 수 있다는 사실을 알았습니다.
벨로모빌은 전기 보조 자전거로, 운송수단의 역할과 동시에 운동을 하면서 에너지 사용을 줄이려는 유럽의 자전거 문화에서 특히 가치가 높습니다. 그러나 특히 북유럽 날씨에는 루프나 앞유리가 없어 라이더가 비바람에 노출되는 한계가 있습니다.
이러한 한계는 Sørensen이 처음부터 다른 종류의 전기자전거를 개발하여 극복하기 위해 넘어야 할 문제 중 하나일 뿐입니다.
최종 제품은 기존의 벨로모빌보다 안전하고, 붐비는 도로에서도 쉽게 눈에 띄며, 일년 내내 편안하게 즐길 수 있고, 대중적인 시장에도 어필할 수 있습니다.
섀시 전면의 Ansys Mechanical 구조 피로 시뮬레이션
Sørensen과 그의 4인조 팀은 Ansys Discovery, Ansys Mechanical 및 Ansys Fluent를 사용하여 완벽하게 라이더를 감싸는 에너지 효율적인 전천후 4륜 전기자전거 Podbike FRIKAR를 개발했습니다. FRIKAR는 가볍지만 튼튼하며, “일종의 보호막처럼 작동하여” 라이더는 물론 옵션인 유아용 시트에 탑승한 아이들까지 보호한다고 Sørensen은 설명합니다. 전기 보조 장치는 라이더에게 더 많은 페달 동력을 제공하지만, 벨로모빌을 스스로 나아가게 하지는 않습니다.
Ansys는 제품 개발 자금이 제한된 유망 신생 기업을 지원하는 Ansys 스타트업 프로그램을 통해 시뮬레이션 소프트웨어 제품을 모두 제공했습니다.
Sørensen은 “사업 초기 단계에 자금을 조달하는 것은 힘겨운 일입니다. Ansys 덕분에 우리는 최고수준의 소프트웨어를 할인된 가격에 사용할 수 있었고 큰 도움이 되었습니다.”라고 말했습니다.
고성능 벨로모빌 설계
FRIKAR 전기자전거의 공기역학적 바디를 설계한다는 것은 비용과 조립 용이성, 강도 및 안전성 간의 균형을 의미하며, 차량의 안전 뿐만 아니라 라이더가 내부에서 느끼는 안전함도 포함됩니다.
Podbike FRIKAR는 벨로모빌의 안전성을 한 차원으로 높였습니다.
FRIKAR는 3개가 아닌 4개의 바퀴가 달려있어 평상시는 물론, 특히 코너링 시에 기존의 전통적인 벨로바이크보다 안정적입니다. 보호 구역은 충돌 시 충격 에너지를 흡수하고 분배하며, 저속으로 움직이거나 정지한 물체를 튕겨내도록 설계되었습니다.
그러나 라이더에게 진정으로 어필하려면 FRIKAR는 스타일리시함도 가져야 했습니다.
Sørensen이 추구하고자 했던 것은 사람들로부터 제품을 멋지다는 얘기를 듣는 것이었습니다.
일반적인 벨로모빌은 3륜 고카트나 어린이용 축제 놀이기구와 비슷합니다. 상반신이 드러났으며, 플린트스톤 (애니메이션 ‘고인돌 가족’에 등장한 이동기구)과 같이 페달 아래가 오픈되어 있습니다. 그러나 날씨에 영향을 받지 않는 Podbike FRIKAR는 캐노피, 측면 및 하단이 완전히 밀폐되어 있고 소형의 제트 조종석과 같은 유선형의 멋진 외관을 가지고 있습니다.
길이 7.5피트, 너비 2.75피트로 자전거 트레일러와 거의 같은 크기를 가지고 있으며, 낮은 측면 형상은 전복을 방지하기 위한 것이지만 실제로는 FRIKAR가 람보르기니 쿤타치나 미우라보다 높습니다. 사람 크기로 볼 때, FRIKAR에는 성인 한 명이 앉을 수 있는 여유 공간을 가지고 있으며, 식료품, 캠핑 장비 또는 강아지 몇 마리를 실을 수 있는 충분한 적재 공간도 갖추고 있습니다.
세련된 스타일과 함께 FRIKAR는 적어도 전기자전거 세계에서 만큼은 속도를 목표로 제작된 것처럼 보입니다. 두 개의 뒷바퀴에 모터가 있고 각 앞바퀴에 페달 발전기가 있는 리컴번트 (누워서 타는 자전거) 섀시 기반으로 제작됩니다. 전기 보조 장치 사용 시 최고 속도는 약 시속 25km입니다. 더 빠르면 EU에서 전기자전거로 인증이 불가하며, 자전거 전용 도로에서 주행할 수 없을 뿐만 아니라 운전 면허증과 등록을 필요로 합니다.
FRIKAR는 또한 장거리용으로 제작되었습니다. 섀시에는 각각 60~89km의 거리의 동력을 제공하는 여러 개의 트랙션 배터리를 장착할 수 있습니다. 또한 배터리는 전기자전거를 스스로 추진하지 않고 페달 동력을 향상시켜, 라이더가 더 적은 에너지를 소모하면서 더 멀리 갈 수 있도록 도와주는 전기 보조 기능을 제공합니다.
공기역학의 편안함
물론 모든 라이더가 전기 보조 장치를 사용하는 것은 아닙니다. 전기 보조 장치 없이도 페달을 밟을 수 있도록 설계 고려사항에는 FRIKAR의 전체 중량에 대한 제약 방법이 포함되었습니다. (현행 모델 기준 약 90kg)
탄소 섬유를 사용하면 FRIKAR의 무게를 상당히 줄일 수 있겠지만, Podbike의 친환경 요구 사항을 충족시키지 못했습니다. 재활용하거나 재사용할 수 없는 재료이므로 적용에서 제외되었습니다.
개발팀은 궁극적으로 더 높은 피로 주기를 요하는 부품에 대해 환경 친화적이고 내식성을 가진 알루미늄 합금과 스테인리스 스틸을 선택했습니다. Ansys Mechanical 제품을 사용하여 재료 피로, 하중 및 진동을 모델링함으로써 팀은 울퉁불퉁한 도로를 포함한 다양한 작동 조건에서 FRIKAR가 어떻게 작동하는지 이해할 수 있었습니다. 또한, 충격에 의한 전기자전거의 반응에 대하여 통찰력을 얻었습니다.
Ansys CFD 난류 모델은 항력 계산을 가능하게 하여 Sørensen이 말하는 전기자전거 형상에 대한 “힌트”를 제공했습니다. 실질적으로 항력을 최대한 줄이기 위해 Podbike 팀은 여러 번의 반복 계산을 통하여 차체 형상을 정교하게 다듬었습니다.
또한 Sørensen은 Ansys CFD를 사용하여 열 해석을 수행하고 실내 환기를 위한 풍속을 계산함으로써 FRIKAR를 완전히 다른 의미로 쿨하게 (냉각이 잘 되도록) 만들었습니다.
“다른 페달 구동 장치와 마찬가지로 라이더로부터 방출되는 열을 분산시켜야 합니다. 하지만 FRIKAR 라이더는 완전히 밀폐된 공간에 있고 공기 순환으로 인한 자동 냉각이 없으므로 송풍구 및 환기 포트를 통한 공기 흐름이 핵심적인 설계 과제입니다.”라고 Sørensen은 말했습니다.
충분한 냉각 메커니즘이 없으면 과도한 힘을 요구하게 되어 열 발생을 높이거나 라이더의 속도가 느려질 수 있습니다. 환기에 대한 총 열 하중을 계산하기 위해서는 헤드라이트, 심지어 유리창에 김이 서리게 만드는 라이더의 습한 숨을 비롯하여 일부 다른 작은 열원도 고려해야 했습니다.
시뮬레이션 속도 향상
Podbike FRIKAR에 대한 영감은 사고에서 비롯되었지만, Sørensen과 그의 소규모 팀은 이를 한정생산으로 이끌어내기 위한 모든 단계를 계획적이며 신중하게 잘 고려했습니다. 여기에는 중요한 설계 결정을 위한 Ansys 시뮬레이션 사용도 포함되며, 실제로 Sørensen은 시뮬레이션이 없었다면 여기까지 오기 어려웠을 것이라고 말했습니다.
그는 “특히 피로와 관련된 복잡한 형상을 고려할 때, 많은 실험실 테스트와 시제품 제작하기에는시간과 비용이 너무 많이 듭니다. FRIKAR와 같은 제품을 만들려면 수치 시뮬레이션이 필요하며, 시뮬레이션 없이는 적어도 합리적인 기간과 예산 내에서 개발이 불가능합니다.”라고 말했습니다.
Ansys 스타트업 프로그램에 대해 자세히 알아보려면 ansys.com/startups를 방문하십시오.
출처 : Ansys Cool, Compact and Comfortable: Podbike FRIKAR Redefines the Velomobile
