동력성능시험

왜 배우는가: 동력성능시험은 실무에서 개발 목표의 달성 여부와 차종 간 성능 차이를 판단하는 기준이 된다. 시험에서는 네 가지 항목의 측정 원리와 주행저항의 관계를 함께 묻기 때문에 원리 설명이 답안의 점수를 좌우한다.

출제 이력: 제113회 3교시 2번, 제90회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자동차 동력성능시험은 차량의 구동력과 주행저항을 측정하여 최고속도, 가속성능, 등판성능, 연료소비율을 수치로 평가하는 시험이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 본론에서는 네 항목을 각각 측정 원리와 함께 풀어 쓴다. 아래 키워드는 답안에 그대로 쓰이는 용어이므로 뜻을 정확히 구분해야 한다.

• 동력성능: 엔진이 만든 동력이 구동륜을 거쳐 차량을 움직이는 능력이다.
• 최고속도: 평탄한 포장노면에서 차량이 낼 수 있는 최대 속도이다.
• 가속성능: 정지 상태나 저속에서 일정 속도에 이르기까지 걸리는 시간 또는 거리로 나타내는 능력이다.
• 등판성능: 차량 총중량 상태에서 건조된 포장노면의 언덕길을 오를 수 있는 최대 능력이다.
• 연료소비율: 연료 1리터로 주행할 수 있는 킬로미터 수로 나타내는 연비 지표이다.
• 주행저항: 차량의 주행을 방해하는 구름저항, 공기저항, 등판저항, 가속저항의 합이다.
• 구동력: 엔진 토크가 전달장치를 거쳐 구동바퀴와 노면 사이 접지면에 작용하는 힘이다.
• 섀시 동력계: 차량을 롤러 위에 올려놓고 구동륜에서 나오는 출력을 측정하는 장치이다.

2. 개념 풀이

동력성능시험은 차량을 정해진 조건에서 구동시켜 엔진 출력이 구동력으로 바뀌고, 그 구동력이 주행저항을 이기는 정도를 측정하는 시험이다. 즉 엔진에서 구동륜까지 전달되는 힘과 차량이 받는 저항을 함께 재어 차량이 얼마나 빠르고 강하게 움직이는지를 수치로 평가한다. 이 평가는 최고속도, 가속성능, 등판성능, 연료소비율의 네 가지 결과로 나타난다.

원리는 다음과 같다. 엔진 토크는 변속기와 종감속기어에서 감속되면서 커지고, 동력 전달 과정에서 일부가 손실된다. 구동륜에 남아 노면에 작용하는 힘이 구동력이며, 구동력을 식으로 쓰면 다음과 같다.

$F_d = T_e × i_t × i_f × η_t ÷ r$

여기서 F_d는 구동력(N), T_e는 엔진 토크(N·m), i_t는 변속비, i_f는 종감속비, η_t는 동력전달효율, r은 타이어 유효 반경(m)이다. 동력전달효율은 클러치, 변속기, 감속기 등 동력 전달 장치를 거쳐 구동륜에 전달된 출력이 기관 제동 마력에 대해 차지하는 비율이다. 전달 장치의 손실이 클수록 같은 엔진 토크에서 얻는 구동력이 작아진다.

구동력이 주행저항보다 커야 가속과 등판이 가능하다는 것이 동력성능의 기본 원리이다. 주행저항은 다음 식으로 나타낸다.

$R = R_r + R_a + R_g + R_i$

여기서 R_r은 구름저항, R_a는 공기저항, R_g는 등판저항, R_i는 가속저항이다. 이 가운데 공기저항은 속도 증가에 따라 커지는 대표적인 항이다. 공기저항은 속도의 제곱에 비례하며, 식으로 쓰면 R_a = kAV^2이다. 여기서 k는 공기저항 계수, A는 자동차의 앞면 투영 면적(m²), V는 공기에 대한 자동차의 상대 속도(m/s)이다.

그래프에서 두 곡선이 만나는 지점은 구동력과 주행저항이 같아 차량이 등속으로 주행하는 점이다. 이 지점을 넘어 속도가 더 높아지면 저항이 구동력을 앞지르므로 가속 여유가 사라진다. 이 때문에 최고속도는 구동력과 주행저항이 만나는 속도로 정해진다.

등판력은 차량 총중량 상태에서 언덕길을 오를 수 있는 최대 경사를 tanθ 또는 %로 나타낸 값이다. tanθ에 100을 곱하면 %와 같은 값이므로 두 표기는 같은 기준을 다른 단위로 쓴 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차의 최고속도와 가속, 등판 능력은 엔진 출력, 변속비, 차량 질량, 타이어 특성이 함께 작용하여 결정된다. 설계 단계에서는 이 조합이 목표 성능을 만족하는지 시험으로 검증해야 하며, 시험 결과는 설계 변경의 판단 자료와 차종 간 비교 자료로 쓰인다. 성능을 수치로 확인하지 않으면 개발 목표와 실제 차량 사이의 차이를 알 수 없으므로 동력성능시험은 개발 과정 전반에 필요하다.

시험 조건이 제각각이면 제조사나 모델 사이의 비교가 불가능하다. 따라서 노면 상태, 기상 조건, 차량 중량, 타이어 공기압 같은 조건을 정해 두고 같은 절차로 측정하는 시험법이 필요하다. 시험 조건을 표준화해야 측정값의 차이를 차량 성능의 차이로 해석할 수 있으며, 측정 절차의 신뢰성이 결과의 신뢰성을 좌우한다.