양력계수

양력계수 또는 CL값은 양력의 크기를 표시하는 계수로, 양력인 L과 바람의 동압인 q, 수풍 면적인 S인 L/q*S로 정의된다. 고속 직진성에 큰 영향을 주며 프런트(CLF)와 리어(CLR)로 나누어서 나타낼 경우도 있다.

자동차 공기역학

자동차가 달릴 때 받는 각종 저항을 통틀어 주행저항이라고 한다. 주행저항에는 공기저항, 가속저항, 타이어의 구름저항, 언덕길에서의 구배 저항 등이 있는데 그 가운데 공기저항이 가장 크다. 저속에서는 구름저항이 크지만, 속도가 올라갈수록 공기저항의 영향을 많이 받는다. 일반 승용차의 경우 시속 60~85km에서 구름 저항과 공기저항의 값이 같아지며 그 후부터는 공기저항의 영향이 속도의 제곱 크기로 커진다. 이러한 공기의 저항은 자동차의 연비향상만이 아니라 주행 안전성, 핸들링의 향상, 주행 중 소음감소, 차내 환기 성능, 엔진 및 제동장치의 냉가성능 향상 등에 모두 관계되어 이를 연구 분야로 하는 것이 공기역학이다. 자동차 주행에 미치는 공기의 영향 즉 바람은 크게 셋으로 나눌 수 있다. 차체 앞쪽에서 받는 항력, 옆바람에 의한 횡력, 차체를 위로 뜨게 하는 양력이 있다. 또한, 이들 힘의 중심인 공기역학 중심과 차체의 무게 중심의 차이로 인해 앞뒤로 출렁거리는 롤링, 옆으로 흔들리는 피칭, 롤링과 피칭이 복합적으로 작용해 차가 도는 듯한 요잉이 나타난다. 공기역학적으로 가장 이상적인 차는 주행을 방해하는 이 6분력이 최소화된 것이다. 항력, 횡력, 양력을 최소화하면 그에 따른 모멘트도 최소화되기 때문에 자동차 디자인은 6분령 중에서도 3가지 공기 저항력을 줄이는 데 역점을 둔다. 전면 바람의 저항을 표시하는 항력계수 단위로 CD 계수가 있다. 편의상 사람의 경우를 1.0으로 보고 정사각형판은 1.1, 계란이나 돌고래형이 0.043~0.045, 비행기는 0.1~0.19, 승용차는 0.3 전후, 버스는 0.38, 트럭은 0.8 정도이다. 공기저항의 대부분은 후류와 후방 와류에 의해 생기는 승용차 후미 상부에 저압 구역이 생겨서 압력항렬과 양력 그리고 유도항력이 향상하는 것이다. 양력은 비행기에서는 도움이 되나 자동차에서는 차체가 위로 떠 바퀴와 지면과의 접지력이 떨어져 구동 성능과 조향 성능에 나쁜 영향을 미친다. 이런 후류와 후방 와류를 방지하는 것이 에어 스포일러와 역양력 날개, 차체 연장부착물 등이다. 또한 공기 저항은 자동차 연비를 좌우하는 세 가지 요소 중 하나다. 공기저항 계수를 10%만 낮춰도 연비가 무려 2%가량 개선되는 효과가 있다. 즉 엔진 성능을 개선하거나 차체 무게를 줄이는 것 못지않게 공기 저항계수를 낮추는 것이 연비를 개선하기 위한 중요한 과제이다. 공기 저항이 연비에만 영향을 미치는 것은 아니다. 공기 저항은 주행 안전성, 조향 기능, 고속 주행 시 차량의 정숙성, 차내의 환기 성능 등 차량의 전반적인 주행성능과 밀접한 연관이 있다. 이 때문에 세계적인 자동차 제조업체들은 큰 비용을 들여 자동차 위로 움직이는 공기의 흐름을 시뮬레이션해 볼 수 있는 풍동 시설을 갖추고 있다. 자동차가 주행할 때 외부에서 받는 공기의 힘은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 차체의 앞면에서 받는 항력과 옆 바람에 의한 횡력, 그리고 자동차를 뜨게 하는 양력이 바로 그것이다. 항력은 쉽게 말해 저항력으로 자동차가 공기를 뚫고 앞으로 나아가고자 할 때 차량 진행 반대 방향으로 작용하는 힘이다. 사실 항력의 영향력은 느린 속도에서는 미미한 수준이지만 빠른 속도에서는 급격하게 커진다. 항력의 크기가 자동차 주행 속도의 제곱으로 커지기 때문이다. 고속 주행 시에 특별히 핸들을 조작하지 않아도 자동차가 흔들리는 느낌을 받는 것은 바로 이런 이유 때문이다. 자동차 업체들은 항력을 최소화하고 부딪치는 공기를 부드럽게 흘려보내기 위해 차체를 유선형으로 제작한다. 특히 고속 주행에 강점이 있는 스포츠카일수록 이 같은 경향은 뚜렷이 나타난다. 이런 스포츠카들은 풍동 시설 속에서 여러 차례의 기류 검사를 거쳐 공기를 송곳처럼 뚫고 나갈 수 있는 최적의 자동차 모양을 이루게 된다. 포뮬러 머신은 자동차 공기역학의 진수라고 할 수 있다. 차체 모양이 조금만 달라져도 기록이 천차만별로 달라질 수 있어 포뮬러 머신은 차량의 작은 부품까지도 공기역학을 고려해 제작한다. 그렇다고 포뮬러 머신이 단순히 공기의 저항을 가장 적게 받는 모양으로 설계되는 것은 아니다. 포뮬러 머신은 차체의 무게가 500㎏ 내외로 매우 가벼운 데다 최고 시속은 350㎞에 달해 자칫 양력에 의해 차량이 전복될 수 있기 때문이다. 또한 양력 때문에 차량이 들리면 타이어와 지면의 접지력이 약해져 속력이 잘 나지 않을 수도 있기 때문에 포뮬러 머신의 차체는 양력을 내리누르는 다운포스가 발생하도록 설계돼 있다.

항력계수

항력계수는 공기 저항 계수라고도 불리며 공기 6분력 계수 중 차량의 앞뒤 방향에 작용하며, 차량을 밀어 되돌리려 하는 힘으로 이론상 최대치는 1.0이 된다. 이 수치를 10% 작게 하면 연비는 약 2% 향상되며 공기 저항, 공기 밀도, 주행 속도, 앞면 투영면적 등에 관계한다. 자동차회사들이 앞다퉈 공기저항 계수를 발표하고 있다. 공기저항이 줄어들수록 효율이 올라간다는 점에서 디자인 단계부터 공기저항을 적극적으로 고려하여 계수 경쟁이 펼쳐지고 있지만, 차종별 공기 저항이 측정되는 방식은 자세하게 알려지지 않았다. 주행을 방해하는 공기저항은 속도가 빠를수록, 차가 클수록 증가한다. 그 때문에 공기저항을 나타내기 위해선 외부 요인을 제외한 채 순수 형상만을 기준으로 한 대푯값이 필요하다. 우선 주행 중 받는 실제 힘을 측정해야 하는데, 이때 밸런스라는 장비가 동원된다. 일반적인 저울은 상하 방향 힘을 측정하지만 항력 계수 산출이 가능한 풍동 시험실 밸런스는 전후/상하/좌우 세 방향을 모두 측정한다. 이 가운데 전후 방향이 연료 효율과 직접 관련이 있고, 상하 방향인 양력과 좌우 방향의 척력은 주행 안정성과 연관된다. 두 번째는 차의 앞에서 보았을 때 눈에 보이는 면적인 전면투영면적을 알아야 한다. 항력계수가 동일하다면 전면투영면적이 클수록 공기저항도 커지기 마련이다. 면적 측정에는 일반적으로 레이저가 동원된다. 세 번째는 정확한 바람의 속도다. 이를 위해선 실제 바람이 나오는 노즐이 커야 한다. 일반적인 차의 전면투영면적인 가로 2m, 세로 2m의 14배 수준이지만 국내 유일한 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company) 풍동 시험실 노즐 크기는 가로 4m, 세로 7m다. 이들 세 가지 조건이 충족된 후 항력계수가 산출된다. 항력계수만 보면 낮은 차일수록 효율이 높다. 주행속도가 시속 80㎞ 이하라면 구름 저항과 기계 저항이 영향을 미치지만, 시속 80㎞ 이상은 공기저항이 효율 저하의 주요 원인이다. 따라서 고속주행이 많은 사람은 항력 계수를 눈여겨봐야 한다. 즉, 낮은 차를 구매하는 게 경제적으로 유리하며 항력 계수가 10% 낮으면 고속연료 효율은 5%가량 좋아진다. 공기 저항은 형상 저항, 하부 저항 그리고 냉각 저항으로 구분되기도 한다. 또한, 형상 저항은 디자인과 밀접하므로 디자인 초기부터 해석과 시험을 통해 최적 형상을 만들어 낸다. 더불어 풍동 평가로 하부 및 냉각 부분의 저항도 측정, 최적화하는 작업이 병행된다. 하지만 공기저항을 측정하는 풍동 시험은 제조사별로 조금씩 다르다. 풍동 평가 결과와 과정 등은 제조사 노하우여서 비밀로 관리된다. 따라서 풍동 시험실의 일반적인 제원 외에 상호 비공개가 원칙이다. 유럽연합이나 미국, 일본 내 회사들은 자국 메이커 간 시험 결과를 공유하지만, 국내에 실차 풍동 장비를 보유한 곳은 현대자동차㈜ 밖에 없다. 외부로 발표되는 항력 계수의 검증은 가능하여 해외의 경우 정부가 메이커 풍동 시험실을 활용하기도 한다. 그러나 국내에선 아직 기본적인 장비가 구축되어 있지 않아서, 정부 차원의 검증은 이뤄지지 않고 있다. 이에 따라 자동차회사의 발표만으로 항력계수를 알 수밖에 없다.

참고자료

• 〈양력 계수〉, 《네이버 지식백과》
• 월하, 〈자동차 공기역학 Automotive aerodynamic〉, 《홀스리스비이컬》, 2017-09-28
• 현대모비스㈜, 〈공기저항 10%만 줄여도 연비 2%개선〉, 《매일경제》, 2012-08-13
• 〈항력 계수〉, 《네이버 지식백과》
• 권용주 기자, 〈(기획)자동차 항력계수(Cd), 어떻게 측정하나〉, 《오토타임즈》, 2012-05-09

같이 보기

• 양력
• 다운포스
• 자동차
• 속도
• 주행

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