자동차 성능,역학 및 설계

5.1 개요

 노면을 주행하기 위하여 차량에 요구되는 성능의 기본개념은 주행 시 기계적인 만족을 충족시키는 것으로 동력 발생 및 전달 장치의 동력 성능 요소 및 운동 성능 요소, 그리고 거주 서능 요소 등을 구분된다. 

5.2 성능요소

1. 동력성능 요소 : 동력성능은 동력 발생장치 및 동력 전달장치와 관련된 자동차의 구동 성능 요소이다.

1) 엔진 성능

(1) 성능 선도

 동력성능 요소 중에서 엔진의 각 회전 속도에서 최대 출력시의 축 출력, 축 회전력 및 연료 소비율의 관계를 나타낸 그래프를 엔진성능 곡선이라 한다. 엔진의 축 출력(ps)은 회전속도(rpm)가 빨라짐에 따라 급속히 증가하나 지나친 고속회전이 되면 흡입 공기량의 관계등으로 연소상태가 나빠져 축 출력은 증가하지 않는다. 축 회전력은 저속이나 고속에 관계없이 일정한 직선으로 되는 것이 이상적이나, 실제는 연소상태가 가장 좋은 중간 정도의 속도에서 최대를 나타낸다. 저속에서는 열손실이 크고 고속일 때에는 기계 마찰이 크기 때문에 양 끝이 내려간다. 연료 소비율은 최대 회전력을 나타내는 회전속도 부근에서 최저값을 나타내는 것이 일반적이다. 이때 회전 속도를 표준 회전수라 한다.

(2) 엔진 동력

 엔진의 동력은 일반적으로 ps 또는 kW로 나타내며, 단위로는 ps를 사용한다. 

2) 자동차 성능 - (1) 구동 성능

A. 출력 성능

HP = (2π * T * N ) / 75 * 60 

여기서 T : 바퀴의 회전력(kg.m) N : 바퀴의 회전수(rpm)이다

B. 속도

 V = (2π*r*N*60)/1000

여기서 r : 바퀴의 반지름이다.

C. 주행 저항

전 주행저항 = 공기저항 + 구배 저항 + 가속 저항

① 구름 저항

 바퀴가 수평 노면 위를 굴러갈 때 발생하는 노면과의 저항을 전동 또는 구름 저항이라 한다. 그럼 저항은 노면의 종류에 따라 달라지며, 모래땅이나 연역 지반에서는 변형 저항도 합쳐져서 저항이 아주 커진다. 또 타이어의 구조나 공기압에 따라서도 변할 뿐만 아니라 속도가 빠를수록 변형 에너지도 증가하여 구름 저항은 급격히 증가한다.

② 공기저항 : 주행 시 자동차의 전면저에 받는 풍압과 ㅈ동차의 표면과 공기와의 마찰 및 공기 흐름의 맴돌이(와류)에 의한 저항 등이 이에 해당된다. 

③ 구배 저항 :언덕길을 올라갈 때 자동차의 중력에 의한 중력의 저항을 말한다. 등판능력은 중력을 이기고 언덕길을 올라갈 수 있는 능력을 말한다. 

④ 가속 저항 : 주행 시 가속에 의한 속도 변화를 주는데 필요한 힘을 말한다

 

2. 운동성능 요소

 운동성능이란 동력 발생장치 및 전달 장치와는 무관한 자동차의 성능 요소이다.

1) 타행 성능 : 자동차의 변속기를 중립 위치 또는 구동을 클러치와 끊고 관성에 의해서 주행할 때를 말하며, 자동차의 주행저항을 측정할 수 있다.

2) 제동 성능 : 자동차의 주행 중 위험을 느끼고 브레이크를 작동하여 자동차가 완전히 정지할 때까지의 거리를 정지거리라 하며 다음과 같다. 정지거리=공주 거리+제동거리

(1) 공주 거리 : 운전자가 위험을 느끼고 브레이크 페달을 밟아 제동력이 발휘될 떄 까지의 시간(공주시간) 동안 주행한거리를 말한다. 

(2) 제동거리 : 공주거리 이후부터 제동 작용이 시작되어 자동차가 정지할 때까지 주행한 거리를 말한다

A. 선회성능 : 자동차의 최대 조향각으로 회전할 때의 회전 반경을 최소 회전반경이라 하며, 회전 중심과 회전 중심의 바깥쪽 바퀴 중심의 거리를 말한다. 이 성능은 안전 선회 시 또는 주차 시 자동차의 운동성능 요소이다.

 

3. 거주성능 요소

 거주성능이란 차량의 실내에서 공간, 냉난방 공조, 조명, 환기, 방음, 운전성 및 편리성 등으로 운전자와 관련된 제반 성능 요소이다.

 

5.3 성능시험

차량 성능시험은 일 번 적인 사항과 실차시험이 있다.

- 정지 운행 시험 : 통상 평탄한 포장로의 일정구간을 일정 속도로 왕복하여 성능을 시험하는 방법을 말한다.

- 모델 운형 시험 : 테스트 코스 내에서 모의시험을 하는 것으로 횟수와 시간 등의 상황을 패턴화 하여 시험한다.

- 새시 동력계 운행시험 : 완성차의 엔진 및 섀시의 종합성능을 시험하는 것으로 전기식으로 작동되는 주철제 회전드럼 위에서 계측한다. 대상에서 고정도 측정과 해석이 가능하게 되었다.

- 장거리 운행시험 : 실차의 조건과 실제의 도로환경조건하에서 기관과 섀시 등의 각부 점검, 소음 및 승차감 등의 성능시험방법을 의미한다.

 

5.4 역할 및 설계

1. 차량 역학

 자동차 관련 기술은 발전을 거듭해오면서, 특히 자동차의 주행 시 구동성, 안락성, 안전성의 기술은 모듈러 생산기술과 더불어 자동차 산업의 경쟁기술로 부각되었다. 따라서, 차량 역학 분야에 관심이 집중되고 있는 사항이므로 범용의 차량역학 기초이론을 분류 설명하고 최근 급속히 개발 응용되고 있는 차량 거동 제어의 이론과 해석 방법 등을 고찰한다.

 기존의 차량 역학에서는 차량의 안락성에 관한 차량의 수직 역학, 그리고 차량의 구동성, 제동성 및 차량의 안정성에 관한 차량의 동역학과 차량의 조종성(조향성) 및 차량의 횡역학 등을 주로 고려하였다. 이들 세 가지(차량의 수직역학, 종 역하 및 횡 역학)와 깊이 연관되어 있는 타이어의 주행 거동과 차량의 동력을 전달하는 구동축의 역학으로 나누어진다.

첫째, 차량의 수직 역학에서는 차량의 수직 진동 모델로서 도로의 난 진동, 차량의 동적 거동을 해석하고, 이어서 수직 방향의 안정성에 영향을 미치는 스프링, 댐퍼 및 고무 마운트 등의 특성을 다루어 해석한다.

둘째, 차량의 종 역학은 주행저항, 차량의 부하(수직하중), 구동 및 제동 시에 도로면과의 접촉 마찰 상태(접촉 부하), 차량의 안정성, 제동과 가속 시의 과도적 상태 변화를 포함한다.

 특히, 제동장치의 설계에 응용되는 접선력 선도를 이용하여 차량의 수동력과 제동력을 각종 차량, 전륜, 후륜 및 전륜 구동 차량에서 분석하여 차량의 전도성과 안전성 등을 향상한다. 

셋째, 차량의 횡 역학은 곡선주행시(선회 시)의 횡방향 척력으로 인한 사선 방향 주행 거동 등을 분석한다. 또한, 주행 거동에 영향을 끼치는 인자, 즉 조향 탄성과 바퀴 지지 시스템의 비선형 특성 등을 말한다.

 최근 타이어, 즉 차체와 도로 사이의 연결부로서 거동 특성뿐만 아니라 차량의 발전상 차량의 주행거동의 제어 및 전륜 구동조향의 제어를 퍼지제어와 접목항 차량의 주행거동 특성을 연구 개발하고 있다.

 차량 역학에 관련되는 인자로는 수직 역학의 특성에는 도로면과 차량 중량, 그리고 현가장치의 설계 변수 등이 영향을 미친다. 차량의 종 역학에는 주행저항, 구동, 제동 및 제동거리 등의 동역학 인자가 주요 변수이며, 횡 역학에는 차축, 타이어, 조향 특성, 무게중심의 위치와 높이, 롤 관성 및 바퀴 정렬 등이 주요 동역학적 인자이다.