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구름저항
구름저항(rolling resistance, Rr)은 자동차가 노상을 달릴 때 차 바퀴의 전동으로 말미암아 생기는 저항을 말한다. 원인으로는 타이어의 변형, 노면의 굴곡, 노면의 충격, 각 부 베어링의 마찰 등에 의하여 생긴다. 구르는 타이어는 항상 도로면으로부터 저항을 받게 되는데, 트럭에 짐을 적재한 상태에서 타이어는 눌려서 형상이 찌그러진다. 부드러운 표면을 가진 비포장도로 상에서 타이어는 표면에 내려앉아 타이어 앞에 작은 경사를 이루는데, 이들이 구름저항을 구성한다. 트럭의 중량이 크면 클수록, 도로 재질이 부드러우면 부드러울수록 구름저항은 비례적으로 더 커진다.
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상세
구름저항은 자동차가 수평 노면 위를 굴러 이동할 때, 받는 저항의 총합으로
평지를 직진 주행하는 자동차의 차륜저항의 대부분은 구름저항, 소위 전동저항이다. 그리고 구름저항의 대부분은 평지를 주행할 때 회전하는 타이어의 변형에 소요되는 일에 의해서 발생된다. 물론 노면이 약할 경우 또는 수막현상 하에서는 지표면의 변형에 소요되는 일도 고려하여야 한다. 그러나 자동차 각부의 마찰 즉, 내부저항은 동력전달계의 효율로 고려된다. 따라서 구름저항에서는 외부저항만을 취급한다. 구름저항에서 취급하는 외부저항으로는 타이어의 변형저항과 노면의 변형저항이 있다. 그러나 포장도로의 표면은 변형되지 않는 것으로 가정하면, 타이어의 변형만을 고려하면 된다.[1]
영향요인
타이어 마찰력
구동력과 제동력을 생각하면 타이어의 마찰력은 가능한 큰 것이 바람직하다. 그러나 마찰력이 커지면 구름저항도 커지기 때문에 연료 소비가 증가되는 단점도 있다. 타이어를 두껍게 하고 트레드의 접지면적을 크게 하면 확실히 노면과의 마찰력은 커진다. 그러나 동시에 타이어 자체가 구르지 않으려고 하는 힘, 즉 구름저항도 증가되는 것이 타이어를 계속 크게 할 수 없는 가장 큰 이유이다. 크고 두꺼운 타이어를 잘 구르게 하려면 크기가 작고 폭이 좁은 타이어를 구르게 할 때보다 더 큰 힘이 필요하다. 마차의 바퀴는 모두 말에 끌려 굴러가는 피동 바퀴이기 때문에 가능한 한 저항이 작은 좁은 타이어를 장착하는 것이 좋다. 그러나 너무 좁으면 훼손되기 쉽고 약한 도로에서는 지면에 타이어가 빠져 들어가 오히려 구름저항이 커지기 때문에 타이어는 적당한 크기이어야 한다. 한편 자동차에는 피동 바퀴와 구동 바퀴가 있다. 4륜구동 자동차의 경우 4개의 바퀴가 모두 구동 바퀴이지만 과거에는 4개를 모두 구동 바퀴로 사용하는 경우는 적었다. 일반적으로 앞바퀴와 뒷바퀴 중에서 한쪽을 구동 바퀴로 사용하고 그 나머지를 피동 바퀴로 사용하는 경우가 많았다. 구동 바퀴에는 엔진의 동력을 구동력으로서 활용하기 위해 마찰력이 큰 타이어가 필요하지만 피동 바퀴는 그렇지 않다. 그러나 피동 바퀴도 브레이크가 걸렸을 때를 위하여 마찰력을 발생시키는 능력이 있어야 한다. 제동력은 앞바퀴 쪽이 조금 더 많이 걸리지만, 뒷바퀴에도 발생한다. 따라서 2개의 타이어로 구동력의 전체를 노면에 전달하는 구동 바퀴와 비교하면 마찰력을 발생시키는 힘이 적어도 된다.
포뮬러원(F1)으로 대표되는 포뮬러 카의 앞 타이어가 뒤 타이어에 비해 작은 것은 엔진의 동력을 노면에 전달하는 것은 뒤 타이어지만, 제동력은 앞/뒤 4개의 타이어 모두가 부담하기 때문이다. 앞바퀴의 피동 타이어를 작게 하면 구름저항과 공기저항을 동시에 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 4WD 자동차를 타고 있는 사람은 누구라도 연비가 매우 좋지 않다는 것을 실감할 수 있다. 이것은 험로 주행에 대비하여 약한 노면에서 부상성을 최우선한 트레드 폭이 넓은 타이어를 장착하고 있어 그 구름저항도 크기 때문이다. 과거 유럽의 4륜 구동차는 이런 종류의 커다란 타이어를 주문해도 결코 신차에는 장착하여 주지 않곤 했다. 이유는 연비를 위해서이기도 하지만, 자동차의 종합적인 성능저하의 우려가 있기 때문이다. 자동차 타이어는 엔진의 동력을 충분하게 전달하는 구동륜으로서의 성능을 가짐과 동시에, 피동 바퀴로서는 구름저항이 가능한 한 작은 것이 바람직하다는 둘 다 만족시키기 어려운 문제를 안고 있는 것이다.[2]
히스테리시스 로스
이력 현상 또는 히스테리시스(hysteresis)는 물질이 거쳐 온 과거가 현재 상태에 영향을 주는 현상으로 어떤 물리량이 그 때의 물리조건만으로 결정되지 않고 이전에 그 물질이 경과해 온 과정에 의존(history-dependent)하는 특성을 말한다.[3] 타이어의 마찰력을 다르게 생각하면 타이어가 굴러갈 때의 구름을 방해하는 힘, 즉 구름저항이라고 할 수 있다. 따라서 그립력이 큰 타이어는 구름저항도 크다. 특히 히스테리시스 마찰은 구름저항에 큰 영향을 준다. 마찰력은 다른 시각에서 보면 타이어가 굴러갈 때 방해가 되는 힘, 즉 저항력이기 때문에 구름저항이라고 하며, 마찰계수도 구름저항계수라고 부른다. 구름저항계수는 마찰력과 마찰계수와의 관계와 같이 구름저항을 하중으로 나눈 것이다. 구름저항의 주역은 타이어의 히스테리시스 마찰력으로 점착 마찰력은 작다. 이것은 구동력이 가해질 때와 달리 점착 마찰력이 작아도 타이어는 차축에 눌려 앞으로 나아가는 것으로도 알 수 있다. 이 히스테리시스 마찰력을 조금 더 자세히 알아보면 타이어를 구성하는 고무와 섬유 등 고분자물질의 히스테리시스 로스(Hysteresis Loss)와 타이어가 변형됨에 따라 손실되는 비틀림 에너지(Torsional Energy)로 나뉜다. 타이어의 모든 구름저항 중 약 1/2이 트레드 고무의 히스테리시스 로스이기 때문에 타이어의 구름저항을 선정할 때 문제가 되는 것은 오로지 트레드 고무의 히스테리시스 로스이다.[4]
저감방법
그립이 좋은 고성능의 타이어는 구름저항이 크다. 연비를 향상시키기 위해서는 타이어의 변형을 작게 하여 히스테리시스 로스를 감소시켜야 한다. 즉, 타이어의 공기압을 높게 하고 많은 짐을 싣지 않는 것이 좋다. 구름저항이 작아 연비가 좋은 타이어는 tanδ가 작은 트레드 고무가 사용되고 있다. tanδ가 작은 고무를 사용한 타이어는 히스테리시스 마찰력이 작기 때문에 점착 마찰력을 더한 타이어의 총 마찰력이 작다. 따라서 가능한 한 큰 마찰력을 요구하는 고성능 타이어는 tanδ가 큰 고무를 사용하기 때문에 연비가 좋지 않다. 이와 같이 타이어의 구름저항은 타이어가 구를 때 내부저항이 클수록 크기 때문에 tanδ가 큰 고무를 사용할 때와 같이 타이어의 변형이 클수록 커진다. 따라서 타이어의 구름저항 감소와 관련해서는 다음과 같은 결론이 나온다.[5]
- 하중이 클수록 타이어의 변형은 커진다. 구름저항은 타이어의 변형에 비례하여 커지기 때문에 연비를 좋게 하기 위해서는 가능한 한 많은 화물을 싣지 않도록 하는 것이 상식적이다. 스페어 타이어를 콤팩트한 전용 타이어로 한 것도 연비를 좋게 하기 위해서이다.
- 하중이 일정한 상태에서 공기압을 높게 하면 변형량이 작아지기 때문에 구름저항도 작아진다. 단, 레이디얼 타이어의 경우는 공기압에 의해 변형되는 것은 사이드월의 트레드 부분에 가까운 극히 적은 부분이기 때문에 그 효과는 그다지 크지 않다.
- 타이어의 온도가 높아지면 구름저항은 작아진다. 이것은 온도가 높아지면 고무 분자의 움직임이 쉬워져, 타이어의 내부저항이 작아지기 때문이다. 승용차 타이어를 일정 속도로 주행했을 때 트레드 고무의 온도가 거의 일정하게 되는 시간은 15분 정도 소요되고 그 사이에 온도가 높아지는 만큼 공기압이 높아지기 때문에 구름저항뿐만 아니라 다른 특성도 변화된다. 주행 전에 타이어의 공기압을 조정할 필요가 있는 것은 이 때문이며, 타이어를 테스트할 때 조건을 일정하고 충분한 길들임 주행을 행하지 않으면 데이터의 불균형이 커져 결과를 신뢰할 수 없게 된다.
- 트레드가 마모되어 두께가 얇아지면 구름저항은 작아진다. 고무의 양이 적어져 히스테리시스 로스가 작아지기 때문이다. 따라서 히스테리시스 마찰력이 작아지기 때문에 그립성능은 저하된다.
- 승용차 타이어의 경우 속도의 증가에 따라 구름저항은 커지는 경향이 있으나 120km/h 정도까지는 거의 일정하다고 가정한다. 속도가 140km/h 이상이 되면 바이어스 타이어에서는 스탠딩 웨이브 현상이 발생하고 구름저항이 급격히 커진다. 레이디얼 타이어는 육안으로 관찰할 수 있는 정도의 스탠딩 웨이브는 발생하지 않지만 변형의 에너지가 속도의 증가와 함께 커지기 때문에 구름저항은 증가한다. 증가 정도는 타이어의 구조와 공기압에 따라 결정되며, 고성능 타이어에서는 속도가 높아져도 구름저항이 증가되기 어렵게 되어있다.[6]
각주
- ↑ 김재휘 교수, 〈첨단 자동차섀시 - ( tractive resistance or running resistance , Fahrwiderstand )〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2009-09-07
- ↑ 사와타리 쇼지, GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 타이어의 마찰력과 구름저항〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 〈이력 현상〉, 《위키백과》
- ↑ 사와타리 쇼지, GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 구름저항과 히스테리시스 로스〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 사와타리 쇼지, GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 타이어의 구름저항 저감〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 엠에스리, 〈타이어 구름저항 (Rolling resistance)〉, 《네이버 블로그》, 2022-10-06
참고자료
- 〈이력 현상〉, 《위키백과》
- 〈구름 저항 ( rolling resistance , -抵抗 , ころがりていこう )〉, 《네이버 지식백과 용어해설》
- 〈구름 저항 ( rolling resistance )〉, 《자동차용어사전》
- 김재휘 교수, 〈첨단 자동차섀시 - ( tractive resistance or running resistance , Fahrwiderstand )〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2009-09-07
- 사와타리 쇼지, GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 구름저항과 히스테리시스 로스〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- 사와타리 쇼지, GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 타이어의 구름저항 저감〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- 사와타리 쇼지, GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 타이어의 마찰력과 구름저항〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- 엠에스리, 〈타이어 구름저항 (Rolling resistance)〉, 《네이버 블로그》, 2022-10-06
같이 보기
