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주행저항
주행저항(Rolling Resistance, 走行抵抗)은 주행 중 자동차가 받는 저항이다. 일반적으로 타이어의 회전 저항, 중력에 의한 저항, 가속 저항, 공기 저항 등의 총합으로 표현한다.
개요
주행저항은 주행 시 받게 되는 저항이기 때문에 기관출력 때문에 극복되며 총 주행저항은 기관으로부터 차륜에 전달되어야 할 구동력을 결정하며 차륜과 자동차 전체에 작용할 수 있다. 주행저항과 기관의 회전 토크, 동력전달계 효율의 상호관계로부터 주행성능, 즉 최고속도, 등반능력 및 가속능력 등이 결정된다. 일반적으로 고도가 높아짐에 따라 기관의 출력은 감소한다. 상용차의 경우는 고도가 100m 높아질 때마다 견인차와 트레일러의 총 중량을 각각 10%씩 낮추도록 권장하는 회사들도 있다. 전진운동에 대항하여 차륜에 작용하는 저항을 차륜저항이라고 하며 자동차 전체에 작용하는 저항으로는 공기저항, 기울기 저항 및 가속 저항 등이 있다.[1]
종류
구름 저항
구름 저항은 자동차가 수평 노면 위를 굴러 이동할 때 받는 저항의 총합으로 타이어를 변형시키는 저항, 자동차 각부의 마찰, 노면을 변형시키는 저항 등으로 구성된다. 평지를 직진 주행하는 자동차의 차륜 저항의 대부분은 구름 저항으로 대부분 평지를 주행할 때 회전하는 타이어의 변형에 드는 일에 의해서 발생한다. 노면이 연약할 경우, 수막현상 하에서는 지표면의 변형에 드는 일도 고려해야 한다. 하지만 자동차 각부의 마찰 즉, 내부저항은 동력전달계의 효율로서 고려된다. 따라서 구름 저항에서는 외부저항만을 취급하며, 취급하는 외부저항으로는 타이어의 변형 저항과 노면의 변형 저항이 있다. 하지만 포장도로의 표면은 변형되지 않는 것으로 가정하지만 타이어의 변형만을 고려하면 된다. 차륜의 허브 중심에 수직으로 작용하는 힘과 그 반력에 의한 타이어는 노면에서 압착되어 접지면, 푸트 프린트를 형성한다. 푸트 프린트에서의 압력분포는 비대칭이다. 또한 타이어의 구름 저항에 의해 소비되는 에너지가 상당하다. 대체 연료 데이터 센터에 따르면 승용차 연료 소비의 약 5%~15%는 단지 구름 저항을 극복하기 위해 사용된다고 밝혔다. 따라서 많은 자동차 제조업체는 이러한 중요성을 인식하고 있으며 정부의 의무 연비 표준을 충족할 수 있도록 회전 저항이 낮은 타이어를 장착하고 있다.[2]
차륜종류 비교[3] 차륜 종류 도로 상태 구름 저항계수 승용차용 공기 타이어 콘크리트(건조) 0.01~0.02 콘크리트(젖음) 0.02~0.03 아스팔트(건조) 001~0.02 아스팔트(젖음) 0.02~0.03 자갈 및 타르(건조) 0.02~0.03 비포장도로 0.05 농로 및 모랫길 0.1~0.35 상용차용 공기 타이어 콘크리트, 아스팔트(건조) 0.006~0.01 기차용 금속 차륜 철로 0.001~0.002
공기저항
공기저항은 공기 유동 중에 노출된 물체가 운동할 때는 공기력의 영향을 받게 된다. 주행 중인 자동차의 진행 방향에 반대 방향으로 작용하는 공기력을 공기저항이라고 한다. 공기저항은 공기 밀도, 앞 투영 단면적, 주행속도, 자동차 형상의 영향을 크게 받는다. 먼저 주행 풍의 합성 속도는 바람의 속도 그리고 차체의 길이 방향 축에 대한 주행 풍의 유입 각에 따라 속도로 직진 주행하는 자동차에 유입되는 주행 풍의 합성속도가 결정된다. 직진 주행할 때는 같이 코사인의 법칙을 이용한다. 공기저항 계수는 주로 물체의 형상에 따라 차이가 발생하는데, 물체의 기본형상에 따른 공기저항 계수 즉 자동차 공기저항 계수에 영향을 미치는 여러 가지 요소 중 몇 가지는 특정한 예를 가지고 있다. 공기저항 계수를 낮추는 요인에는 마이너스를 공기저항 계수를 높이는 요인에는 플러스를 부가한다. 앞 투영 단면적은 자동차 전면에서 연직면에 자동차를 투영했을 때의 단면적으로서, 실제로는 설계도면으로부터도 구할 수 있고 단위는 ㎡이다. 앞 투영 단면적의 경험 값은 일반적으로 승용차에서는 1.5~2.5㎡ 범위, 그리고 상용차에서는 4~9㎡이다.[3] 더불어 공기저항은 공기 속을 운동하는 물체가 공기로부터 받는 저항이기 때문에 물체와 공기의 상대속도의 크기에 따라 저항이 작용하는 양상에 두 가지가 있다. 먼저 물체가 저속이어서 공기의 흐름이 층류가 되는 범위에서는 공기의 점성에 의한 마찰저항이 작용하여 그 크기는 공기와 물체의 상대속도의 크기에 비례하는데 이것을 점성저항이라고 한다. 물체의 빠르기가 커져서 층류가 허물어지기 시작하면 물체의 배후에 소용돌이가 생겨 저항력은 상대 속도의 제곱에 비례해서 커지는 것을 관성저항 또는 형상 저항이라고 하며 이때의 저항은 이미 점성과는 관계가 없고, 물체가 공기에 미치는 힘의 반작용에 의해 공기로부터 받는 힘이다.[4]
승용차의 공기저항계수[1] 자동차 아름 공기저항계수(cw) 앞 투영 단면적 A(㎡) cwㆍA(㎡) 아우디(Audi AG) 100 0.311 2.05 0.638 프리미어자동차(Premier Cars) 피아트 우노 ES 0.335 1.83 0.613 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz) 300E 0.295 2.06 0.608 오펠(Opel Automobile GmbH) 카데트 GSI 0.312 1.91 0.596 오펠 오메가 0.280 2.06 0.577 포르쉐(Porsche) 944 터보 0.321 1.86 0.597 르노(Renault) 25 TS 0.312 2.04 0.636
기울기 저항
기울기 저항은 자동차가 비탈길을 오를 때, 중력의 진행 반대 방향 분력에 의해 자동차의 무게중심에 뒤 방향으로 작용하는 일종의 저항이자 차등이 구배 선을 오를 때 지구 인력에 따라 일어나는 저항이다.[5] 기울기 저항은 구배 저항 또는 등반 저항으로도 불린다. 하지만 언덕길을 내려갈 때는 자동차의 질량이 구동력을 지원하는 힘으로 작용한다. 기울기 저항은 자동차의 질량과 노면의 기울기에 따라 변화하며 일반적으로 노면의 기울기는 각도로 표시하지 않고 백분율로 표시한다. 기울기 10%는 수평거리 100m에 높이 10m일 경우의 값으로 기울기 저항을 계산할 때 5%의 오차를 허용한다면, 기울기 30%까지는 정의된 식을 통해 사용할 수 있다. 대부분의 가파른 도로들도 기울기 30%를 초과하는 경우가 드물기 때문에 거의 모든 도로에 대해서 식을 적용할 수 없다. 농용도로나 산악도로 등에서는 기울기가 틀 경우가 있을 수 있다.[3]
가속 저항
가속 저항은 주행 중인 자동차의 속도를 증가시키는 데 필요한 힘이다. 일반적으로 물체의 운동속도를 상승시키려면, 물체의 관성력을 극복해야 하기 때문에 가속 저항은 관성저항이라고 한다. 자동차를 1개의 강체로 보면 자동차가 가속될 때, 자동차 전체는 주행 방향으로 간다. 이를 병진 가속운동이고 내부의 기관과 동력전달계의 회전부품들은 주행 방향으로는 물론이고 회전 방향으로 가속되는 것을 병진 가속운동과 회전 가속운동이라고 한다. 가속 저항에서는 회전부의 관성을 극복하는데 소요되는 회전력을 별도로 고려해야 하고 결과적으로 자동차의 질 양이 증가한 것과 같은 현상으로 나타난다.[3] 또한 가속 저항은 자동차를 가속할 때 필요한 힘이기 때문에 역학의 관성 법칙에서 나타내는 관성에 의한 저항과 동일하다. 자동차의 엔진, 변속기, 추진축, 바퀴 등은 자동차가 주행과 동시에 회전 운동을 하는 부분으로서, 자동차가 가속할 때 회전 부분의 회전 속도를 빠르게 즉 각가속을 하는 것이 필요하다. 따라서 회전 부분을 내장하고 있는 경우는 그 각가속에서 필요한 양만큼 여분의 출력이 필요하며 자동차가 가속할 때는 자동차의 중량이 실제 중량보다 증가하는 효과가 있음으로 이 중량의 증가분을 회전 부분 상당 중량이라 한다.[6]
견인 저항
견인 저항은 피견인차의 모든 저항의 합으로 표시되며, 피견인차의 개별 저항은 다른 저항을 구하는 방법과 동일하게 구한다. 피견인차의 공기저항은 견인차와 피견인차의 주위의 공기 유동 때문에 크게 달라진다. 견인차와 피견인차의 앞 투명 단면적이 같을 경우에도 피견인차의 공기저항은 일반적으로 견인차의 공기저항에 10~15%를 추가한다. 또한 커브를 선회할 때에도 피견인차의 커브 저항은 많이 증가하기 때문에 정확한 견인 저항을 계산하기 위해서는 이들의 요소를 고려해야 한다.[3]
기타저항
총 주행저항은 자동차가 주행하면서 그때그때 운전 점에서 자동차의 운동에 대항하여 발생하는 개별 저항의 총합을 말한다. 주행저항 출력은 각 운전 점에서 단위시간 당 소비되는 에너지를 말하며 주행저항 출력은 총 주행저항과 자동차 주행속도의 곱으로 표시된다.[3]
각주
- ↑ 1.0 1.1 〈주행저항〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 인피니트랜스알파 공식 홈페이지 - http://infialpha.com/ko/%EA%B5%AC%EB%A6%84%EC%A0%80%ED%95%AD%EC%9D%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B8%EA%B0%80/
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 행복남의 일상, 〈자동차 주행저항〉, 《티스토리》, 2019-03-19
- ↑ 사이언스올, 〈공기저항(air resistance)〉, 《사이언스올》, 2010-08-04
- ↑ 〈구배저항〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈가속 저항〉, 《네이버 지식백과》
참고자료
- 〈주행저항〉, 《네이버 지식백과》
- 인피니트랜스알파 공식 홈페이지 - http://infialpha.com/ko/%EA%B5%AC%EB%A6%84%EC%A0%80%ED%95%AD%EC%9D%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B8%EA%B0%80/
- 행복남의 일상, 〈자동차 주행저항〉, 《티스토리》, 2019-03-19
- 사이언스올, 〈공기저항(air resistance)〉, 《사이언스올》, 2010-08-04
- 〈구배저항〉, 《네이버 지식백과》
- 〈가속 저항〉, 《네이버 지식백과》
같이 보기
