주행 저항

왜 배우는가: 주행저항은 차량이 얼마나 큰 힘을 내야 움직이는지를 정량적으로 보여주는 기본 개념이다. 동력성능, 연비, 등판능력, 가속 성능을 검토할 때 모든 계산이 이 저항의 합에서 출발하므로 실무에서 가장 먼저 정리해야 할 항목이다. 시험에서는 저항의 종류를 빠짐없이 열거하고 감소 대책을 연결하는 문항으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 11번, 제135회 1교시 8번, 제87회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

주행저항은 차량이 주행할 때 진행을 방해하는 힘의 총합이며, 구동력으로 극복해야 하는 힘이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 주행저항: 차량이 주행 중 진행 방향과 반대로 작용하는 모든 저항력의 총칭이다.
• 구름저항: 타이어가 노면과 접촉하며 변형될 때 생기는 에너지 손실에 따른 저항이다.
• 공기저항: 차체가 공기 속을 상대적으로 움직일 때 공기로부터 받는 저항이다.
• 경사저항: 차량 중량의 경사 방향 성분이 차량을 아래로 끌어내리며 생기는 저항이다. 흔히 구배저항이라고도 부른다.
• 가속저항: 차량의 질량과 회전 부품의 관성을 가속하는 데 필요한 힘이다.
• 구동력: 엔진의 회전력이 변속기와 구동축을 거쳐 구동바퀴가 노면을 미는 힘이다.
• 총 주행저항: 구름저항, 공기저항, 경사저항, 가속저항을 합한 값이다.

2. 개념 풀이

주행저항은 차량이 평탄하거나 경사진 도로를 달릴 때 진행을 방해하는 저항력들의 합이다. 엔진의 구동력이 총 주행저항보다 커야 차량이 움직일 수 있으며, 두 값의 차이가 가속과 등판에 쓸 수 있는 여유 구동력이 된다. 총 주행저항은 네 저항의 합으로 나타낸다.

$R_{total} = R_r + R_a + R_g + R_i$

여기서 R_r은 구름저항, R_a는 공기저항, R_g는 경사저항, R_i는 가속저항이며 모두 N 단위이다.

구름저항은 타이어가 하중을 받아 변형되었다가 복원되는 과정에서 에너지가 손실되어 생긴다. 이 저항은 바퀴가 노면을 누르는 힘에 비례하며, 비례 상수를 구름저항계수라 한다. 경사면에서는 바퀴가 노면을 누르는 힘이 W cos θ이므로 다음과 같이 쓴다.

$R_r = C_{rr} W cos θ$

C_rr은 구름저항계수(무차원), W는 차량 중량(N), θ는 경사각이다.

공기저항은 차체가 공기를 밀어내고 후류가 생기면서 발생하며, 상대속도의 제곱에 비례한다. 따라서 고속 주행일수록 공기저항이 급격히 커진다. 식은 다음과 같다.

$R_a = ½ ρ C_D A V^2$

ρ는 공기 밀도(kg/㎥), C_D는 항력계수, A는 전면투영면적(㎡), V는 공기에 대한 상대속도(m/s)이다. 많이 쓰는 식 R_a = kAV²에서 k는 이 가운데 ½ρC_D에 해당하는 공기저항계수이다.

공기저항은 속도의 제곱에 비례하므로 고속 영역에서 지배적인 저항이 된다.

경사저항은 차량 중량이 경사면에 평행하게 작용하는 성분이다. 중력이 만든 힘이므로 차량의 운전 방식만으로는 없앨 수 없고, 중량과 경사도에 비례한다.

$R_g = W sin θ$

도로에서는 경사도 G(%)를 쓰며, 경사각이 작으면 sin θ ≈ tan θ = G/100으로 근사한다.

가속저항은 차량을 가속할 때 필요한 힘이다. 차량 질량뿐 아니라 엔진과 구동계, 바퀴의 회전 관성까지 가속해야 하므로 회전질량계수 δ를 곱하여 구한다.

$R_i = δ (W/g) a$

W/g는 차량 질량(kg), a는 가속도(m/s²), δ는 회전질량계수이다. δ는 1보다 큰 값이며, 회전 부품의 관성이 클수록 커진다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 구름저항계수: 바퀴 하중에 대한 구름저항의 비이며, 타이어 구조와 공기압에 따라 달라진다.
• 항력계수: 물체가 유체 속에서 받는 저항의 크기를 나타내는 무차원 값이다.
• 회전질량계수: 회전 부품의 관성을 차량 병진 질량에 환산하여 반영하는 계수이다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차는 엔진이 만든 회전력을 변속기와 구동축을 거쳐 구동바퀴에 전달하고, 그 힘으로 주행저항을 이겨야 움직인다. 주행저항의 크기가 구동력보다 커지면 차량은 가속하지 못하고, 언덕길에서는 정속으로 오르기가 어려워진다. 따라서 주행저항을 정량적으로 파악하는 일은 자동차의 동력성능 목표를 정하는 출발점이다.

주행저항의 구성은 차량이 달리는 속도와 조건에 따라 달라진다. 저속이나 등판 상황에서는 구름저항과 경사저항이 중요해지고, 고속 영역에서는 속도의 제곱에 비례하는 공기저항의 비중이 커진다. 이런 변화 때문에 설계자는 한 가지 저항만 줄여서는 전체 성능을 개선할 수 없으며, 속도 영역별로 저항 구성을 나누어 검토해야 한다.