자동차 주행저항

자동차 주행저항 [Tractive resistance]

이번시간엔 앞서 알아본 타이어 차륜의 평형에 이어 자동차 주행저항에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

자동차가 주행 중 받는 저항을 주행저항이라 한다. 주행저항(tractive resistance)은 기관출력에 의해 극복되어야 한다. 총 주행저항은 기관으로부터 차륜에 전달되어야 할 구동력(주로 자동차를 전진시키기 위한)을 결정한다. 주행저항과 기관의 회전토크, 그리고 동력전달계 효율의 상호관계로부터 주행성능 즉, 최고속도, 등반능력 및 가속능력 등이 결정된다. 일반적으로 고도가 높아짐에 따라 기관의 출력은 감소한다. 따라서 특히 상용자동차의 경우는 고도가 100m 높아질 때마다 견인차와 트레일러의 총중량을 각각 10%씩 낮추도록 권장하는 회사들도 있다.

주행저항은 차륜에 그리고 자동차 전체에 작용할 수 있다. 전진운동에 대항하여 차륜에 작용하는 저항을 차륜저항이라고 한다. 자동차 전체에 작용하는 저항으로는 공기저항, 기울기 저항(＝구배저항이라고도 함) 및 가속저항 등이 있다.

1) 구름저항(rolling resistance)

구름저항은 자동차가 수평 노면 위를 굴러 이동할 때, 받는 저항의 총합으로

① 타이어를 변형시키는 저항,

② 자동차 각부의 마찰,

③ 노면을 변형시키는 저항 등으로 구성된다.

평지를 직진 주행하는 자동차의 차륜저항의 대부분은 구름저항, 소위 전동저항이다. 그리고 구름저항의 대부분은 평지를 주행할 때 회전하는 타이어의 변형에 소요되는 일에 의해서 발생된다. 물론 노면이 연약할 경우 또는 수막현상 하에서는 지표면(또는 수막)의 변형에 소요되는 일도 고려하여야 한다. 그러나 자동차 각부의 마찰 즉, 내부저항은 동력전달계의 효율로서 고려된다. 따라서 구름저항에서는 외부저항만을 취급한다.

구름저항에서 취급하는 외부저항으로는 타이어의 변형저항과 노면의 변형저항이 있다. 그러나 포장도로의 표면은 변형되지 않는 것으로 가정하면, 타이어의 변형만을 고려하면 된다.

차륜의 허브 중심에 수직으로 작용하는 힘과 그 반력에 의해 타이어는 노면에서 압착되어 접지면 소위, 푸트-프린트(foot print)를 형성한다. 푸트-프린트에서의 압력분포는 비대칭이다.

도로조건에 따른 구름저항계수 <표 출처: 네이버>

2) 공기저항(air resistance)

공기유동(air flow) 중에 노출된 물체가 운동할 때는 공기력의 영향을 받게 된다. 주행 중인 자동차의 진행방향에 반대방향으로 작용하는 공기력을 공기저항(Fair)이라 한다.

<이미지 출처: 네이버> 

공기저항은 공기밀도, 앞 투영 단면적, 주행속도 그리고 자동차 형상의 영향을 크게 받는다.

① 주행풍의 합성속도(vres)

바람의 속도, 그리고 차체의 길이방향 축에 대한 주행풍의 유입각에 따라, 속도로 직진 주행하는 자동차에 유입되는 주행풍의 합성속도(vres)가 결정된다. 직진 주행할 때에는 같이 코사인(cosine)법칙을 이용한다.

공기저항계수는 주로 물체의 형상에 따라 큰 차이가 있다. 물체의 기본형상에 따른 공기저항계수를 열거하였다. 자동차의 공기저항계수에 영향을 미치는 여러 가지 요소들 중에서 몇 가지 예를 들고 있다. 공기저항계수를 낮추는 요인에는 (－)를, 공기저항계수를 높이는 요인에는 (＋)를 부가하였다.

② 앞 투영 단면적(frontal projected area)

앞 투영 단면적이란 자동차 전면에서 연직면에 자동차를 투영했을 때의 단면적으로서, 그림 과 같이 구한다. 실제로는 설계도면으로부터도 구할 수 있다. 단위는 [m2]을 사용한다.

<이미지 출처: 네이버>

앞 투영 단면적(A)의 경험값은 일반적으로 승용자동차에서는 A＝1.5~2.5m2 범위, 그리고 상용자동차에서는 A＝4~9m2의 범위가 대부분이다.

공기저항계수의 개선 추세(승용자동차) <표 출처: 네이버>

3) 기타 저항

구름저항(＝전동저항)과 공기저항 외에도 기울기 저항과 가속저항을 고려할 수 있다.

① 기울기 저항(hill climbing resistance)

기울기 저항이란 자동차가 비탈길을 오를 때, 중력의 진행 반대방향 분력에 의해 자동차의 무게중심(center of gravity)에 뒤 방향으로 작용하는 일종의 저항을 말한다. 구배저항 또는 등반저항이라고도 한다. 그러나 언덕길을 내려 갈 때는 자동차 질량(또는 중량)이 구동력을 지원하는 힘으로 작용한다.

기울기 저항은 자동차의 질량(또는 중량)과 노면의 기울기에 따라 변화한다.

일반적으로 노면의 기울기는 각도로 표시하지 않고, 백분율(%)로 표시한다. 기울기 10%란 수평거리 100m에 높이 10m일 경우의 값이다. 즉 기울기 백분율은 다음과 같이 정의된다.

기울기 저항 <이미지 출처: 네이버>

각 α가 작을 때는 sin 값과 tan 값이 거의 같다. 그리고 기울기저항을 계산할 때 5%의 오차를 허용한다면, 기울기 30%까지는 다음 식을 사용할 수 있다.

대부분의 가파른 도로들도 기울기 30%를 초과하는 경우가 드물기 때문에, 거의 모든 도로에 대해서 식을 적용할 수 있다. 농용도로나 산악도로 등에서는 기울기가 클 경우가 있다.

② 가속저항(acceleration resistance)

주행 중인 자동차의 속도를 증가시키는 데 필요한 힘을 가속저항이라고 한다. 일반적으로 물체의 운동속도를 상승시키려면, 그 물체의 관성력을 극복해야 한다. 따라서 가속저항을 관성저항(inertia resistance)이라고도 한다.

자동차를 1개의 강체(rigid body)로 보면 자동차가 가속될 때, 자동차 전체는 주행방향으로 가속된다. → 병진가속운동.

그러나 그 내부의 기관과 동력전달계의 회전부품들은 주행방향으로는 물론이고, 회전방향으로도 가속되어야 한다. → 병진가속운동과 회전가속운동.

즉, 가속저항에서는 이들 회전부의 관성을 극복하는데 소요되는 회전력을 별도로 고려하여야 한다. 결과적으로 자동차의 질량이 증가된 것과 같은 현상으로 나타난다.

③ 견인저항(towing resistance)

견인저항은 피견인차의 모든 저항의 합으로 표시되며, 피견인차의 개별 저항은 앞서 구한 방법과 동일한 방법으로 구한다.

피견인차의 공기저항은 견인차와 피견인차 주위의 공기유동 때문에 크게 달라진다. 견인차와 피견인차의 앞 투영 단면적이 같을 경우에도 피견인차의 공기저항은 일반적으로 견인차의 공기저항에 10~15%를 추가한다. 또 커브를 선회할 때에도 피견인차의 커브저항은 크게 증가한다.

따라서 정확한 견인저항을 계산을 하기 위해서는 이들 요소들을 고려하여야 한다.

4) 총 주행저항(total tractive resistance)

총 주행저항이란 자동차가 주행 중, 그때그때 마다의 운전점에서 자동차의 운동에 대항하여 발생하는 개별 저항들의 총합을 말한다.

5) 주행저항출력(tractive resistance power)

주행저항출력이란 각 운전점에서 단위시간 당 소비되는 에너지를 말한다. 즉, 주행저항출력은 총 주행저항과 자동차 주행속도의 곱으로 표시된다.

6) 주행저항의 실제 계산

① 주행조건과 주행저항

② 결과 분석

상용자동차는 승용자동차에 비해 기울기저항과 가속저항이 대단히 크다. 즉, 총 저항에 대한 기울기저항과 가속저항의 비율이 대단히 높다.

상용자동차의 정상주행상태의 저항은 총저항의 1/4에 지나지 않는다. 따라서 구름저항과 공기저항보다는 구배저항과 가속저항이 대단히 크다는 것을 알 수 있다.

승용자동차에서는 정상주행상태의 저항이 총저항의 약 40%이다. 따라서 구배저항과 가속저항의 합이 정상상태의 주행저항에 대해 상용자동차에서 만큼 큰 차이가 나지 않음을 알 수 있다.

또 시험속도(80km/h＝22.2m/s)에서 승용자동차에서는 구름저항이 공기저항의 약 2배에 달한다. 그러나 전동저항은 주행속도에 관계없이 일정한 반면에, 공기저항은 주행속도의 제곱에 비례한다. 따라서 고속(예 : 200km/h＝55.5m/s)에서는 공기저항이 1,020N으로서 구름저항(392.4N)의 약 2.6배로 급격하게 상승함을 알 수 있다. 즉, 고속에서는 승용자동차의 주행저항의 대부분은 공기저항임을 쉽게 알 수 있다. 따라서 승용자동차에서는 공기역학적 설계가 가장 중요한 요소이다.

그러나 상용자동차에서는 80km/h(＝22.2m/s)에서 전동저항이 공기저항보다 약간 크게 나타나고 있다. 또 상용자동차의 최고속도(예 : 100km/h＝27.8m/s)와 적재하중을 고려하면 상용자동차의 주행저항의 대부분은 구름저항, 구배저항 및 가속저항이다. 즉 상용자동차의 최고속도를 고려할 때 공기저항이 차지하는 비중이 승용자동차에 비해 상대적으로 작다. 그러므로 상용자동차에서는, 특히 총중량(＝공차중량＋적재중량) 상태에서의 등반성능을 우선적으로 고려한다.

 

이상으로 ‘자동차의 주행저항‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차의 구동력’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 주행저항이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.