행복남의 일상

자동차 구동력 [tractive force]

이번시간엔 앞서 알아본 자동차 주행저항에 이어 자동차 구동력에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

1. 구동력

어떤 속도로 기계를 움직이거나 배·자동차 등을 주행시킬 때 그 운동 저항을 이기기 위한 힘을 말한다.

구동력＝구동륜 하중×구동력 계수

앞서 설명한 각종 저항의 총합(총 주행저항)은 동력원(＝기관)으로부터 차륜에 전달되는 구동력을 결정한다.

<이미지 출처: 네이버>

2. 주행성능선도(출력/차속선도)

기관으로부터 차륜에 전달된 구동력은 대부분 자동차 주행속도와 관련시켜 도시한다. 앞서 설명한 주행저항과 구동력을 하나의 그래프에 도시하면 임의의 점에서의 주행상태를 쉽게 판독할 수 있다. 이 선도를 주행성능선도라 한다. 주행선도 상에서 구동력과 주행저항의 차이는 여유구동력으로서 가속, 또는 등판에 이용된다.

주행성능선도(출력/차속선도)(예) <그래프 출처: 네이버>

3. 구동력과 마찰력

자동차는 앞으로 나아가기 위해, 엔진의 힘으로 타이어를 회전시켜 바퀴가 굴러야 자동차는 전진을 하면서 속도를 낸다. 그런데 왜 바퀴가 회전하면서 굴러면 자동차가 앞으로 전진을 하는 걸까요? 바로, 지면과 타이어 사이에 '마찰'이 일어나 힘의 작용이 있기 때문입니다.

마찰은 움직임을 저지하는 것이라고 생각하기 쉽다. 마찰은 '물체가 다른 물체와 접촉한 상태에서 움직이기 시작할 때 또는 움직이고 있을 때 그 접촉면에서 운동을 저지하려고 하는 현상'이라고 우린 배워왔기 때문 이다.

1) 뉴턴의 작용 반작용 법칙

학창시절에 배웠던 '작용·반작용의 법칙'에 빗대어 설명을 해보자.

뉴턴의 작용·반작용의 법칙에 따르면 '물체A가 물체B를 미는 힘이 있으면 반드시 물체B가 물체A를 미는 힘이 있다. A와 B가 서로에게 미는 힘은 언제나 같고 방향은 반대다.'

<이미지 출처: 네이버>

예를 들어, 사람이 벽을 10의 힘으로 밀고 있다면 벽 역시 사람을 10의 힘만큼 밀고 있는 것이고, 바람이 빠지는 풍선이 이리저리 튀는 것도 작용·반작용 때문이고, 인라인스케이트를 타고 사람이 벽을 밀었을 때 사람이 뒤로 밀리는 건 벽의 마찰력보다 인라인을 신은 사람의 발 마찰력이 벽보다 적어 작용보다 반작용이 더 크기 때문에 사람이 뒤로 밀리는 것이다.

 <이미지 출처: 네이버>

일반적인 도로나, 포장되어 있는 도로는 타이어와 지면 사이에 적당한 마찰력이 일어나고, 이렇게 마찰이 일어나기 쉬운 지면에서는 엔진의 힘으로 바퀴가 굴러가려는 힘만큼 반작용으로 지면에서도 같은 힘으로 바퀴를 밀어내고 있는 것이다.

즉, 뉴턴의 작용·반작용 법칙에 따르면, 바퀴가 지면을 뒤쪽으로 밀며 나아가려 할 때, 지면은 바퀴의 힘과 같은 힘으로 바퀴를 앞으로 밀기 때문에 자동차가 앞으로 나아가게 되는 것이다. 그래서 자동차가 구동력을 가지기 위해선 꼭 마찰이 필요하다.

하지만 마찰이 그다지 발생하지 않는 얼음 위에선 사람이 인라인을 신고 벽을 미는 것과 같이 마찰력이 자동차를 전진시킬 정도의 구동 마찰계수가 적어 자동차 바퀴가 헛돌아 전진을 하지 못하는 것이다.

2) 마찰력과 구동력

아울러 마찰력이 구동력보다 커지면 어떻게 되느냐도 중요한 것이다. 마찰력이 구동력보다 크면 차는 앞으로 갈 수가 없다. 그냥 웽웽웽 하고 바퀴가 헛돌기만 한다.

일반적인 도로는 타이어와 노면 사이에 적당한 마찰력이 발생하도록 만들어져 있다. 마찰력이 없으면 구동력도 발생되지 않기 때문이다. 이렇게 타이어와 노면 사이의 마찰력을 '타이어의 바닥을 움켜쥐는 힘'이라고 표현을 한다.

모든 노면의 마찰력에는 한계가 있고, 그 한계를 뛰어 넘으면 마찰력은 발생하지 않고 오히려 타이어가 공회전을 해버려 휠 스핀이 일어나는 것이다. 다행스럽게도 일반적인 도로와 타이어에서는 잘 일어나지 않는 현상이지만 레이싱 경주용 자동차가 발진할 때 너무 강한 힘을 걸기 때문에 발생을 한다.

<이미지 출처: 네이버>

레이싱 자동차들이 출발할 때 휠 스핀이 일어나도 자동차에 금방 구동력이 생기는 이유는 타이어의 고무가 마찰력에 의해 부드러워져 마찰력의 한계가 전보다 높아지기 때문에 잠시 휠 스핀이 일어난 후 타이어의 변화에 의해 마찰력의 한계가 높아져 구동력이 생겨 튕겨 나가는 것이다.

마찰력의 크기와 한계는 마찰을 일으키는 두 물체에 의해서 영향을 받는다. 그래서 자동차의 경우에는 타이어와 노면의 상태에 따라서 아주 영향을 많이 받는다. 같은 도로의 노면이더라도 바짝 마른 건조한 상태의 노면인지, 비나 눈이 와 젖은 상태의 노면인지에 따라 마찰력이 달라지고(당연히 젖은 노면이 마찰력이 적다) 타이어 트레드의 고무를 어떤 것을 쓰느냐에 따라서 또 달라진다.

<이미지 출처: 네이버>

또 마찰력은 마찰이 일어나는 면과 수직으로 물체를 누르고 있는 힘에 비례하기 때문에 자동차가 무거울수록 마찰력의 한계는 높아진다. 아울러 마찰력이 높아지는 것에 비례하는 것이 구동력이라 자동차는 많은 구동력(힘)이 필요한 것이다.

이상으로 ‘자동차의 구동력‘에 대하여 알아봤습니다. 오늘 알아본 자동차의 구동력이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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.