공기역학(Aerodynamics)은 차체 디자인의 기준이 될 수 있을까?
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2006-07-22 06:05:17 |
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공기역학(Aerodynamics)은 차체 디자인의 기준이 될 수 있을까?
글/구상(한밭대 교수)
1970년대 이후로 전 세계적으로 자동차 디자인이 급격하게 변화되었는데, 그것은 1971년과 1973년 두 차례의 오일쇼크에 의한 사회, 경제의 흐름과 안전규제의 강화에 의해 초래된 것이었다. 이들 중 특히 오일쇼크에 의해 보다 에너지효율이 높은 차량에 대한 관심이 높아진 것이 가장 큰 원인이었다. 물론 1950년대에 극에 달했던 장식적인 형태의 테일 핀(tail fin)스타일에 대해 반성의 움직임도 있었지만, 기능을 중시하는 합리적이고 기능적인 스타일이 정착되어 가고 있었던 것이다.
한편 자동차 디자인에 공기역학적 이론을 도입하려는 움직임은 오래 전부터 시도되었고, 이미 1930년대에는 레이몬드 로위(Raymond Loewy)와 같은 디자이너들에 의해 항공기의 영향을 받은 유선형(流線型)의 모델이 등장하였다. 그런데 1950년대부터 미국을 중심으로 등장하기 시작했던 날개형태의 장식을 붙인 테일 핀(tail fin) 스타일은 차체 크기의 대형화와 거주성의 문제가 대두되고, 게다가 테일 핀은 그 자체로써의 물리적 기능이 없이 단순한 외형스타일만을 위한 것으로, 실용적인 측면이 전혀 없었다. 게다가 육상운송수단인 자동차가 항공기를 흉내 낸 것에 대한 비판, 즉 자동차 디자인에서의 정통성(正統性) 요구 때문에 쇠퇴하게 되었던 것이다. 이 이후에 자동차의 성능을 향상시키는 기술의 하나로써 공기역학은 실제적인 실험과 분석에 의한 디자인 기준의 하나로써 정착되었고, 오늘날에 와서는 공기역학을 고려하지 않는 차체 디자인은 생각할 수 없는 시대가 되고 말았다.
고속으로 주행하는 자동차의 차체가 여러 측면에서 받게 되는 공기저항을 줄임으로써, 실질적인 성능의 향상으로 횡풍(橫風)에 대한 안전성 향상, 풍절음(風切音,바람 가르는 소리)의 감소, 공조(空燥)성능 및 냉각성능 향상 등 자동차의 주요기능의 효율을 높이기 위하여 공력특성은 높은 비중을 가지고 있고, 아울러 스타일적인 면에서도 매우 중요하게 다루어지고 있다.
자동차가 주행 중에 받게 되는 힘은 복잡하지만, 차체의 각 방향의 중심축에 작용하는 힘 및 모멘트(moment;움직임)로서 표현된다, 이 축은 차체의 방향에 대하여 X, Y, Z로 나뉘게 된다. 중심에 작용하는 힘은 항력(drag : 진행 반대의 방형으로 작용하는 힘), 양력(lift : 차체의 위 방향으로 작용하는 힘), 횡력(side force : 옆 방향으로 작용하는 힘), 모멘트(Moment)에는 종적 모멘트(Pitching Moment : 중심을 지나는 좌우 축 옆으로 회전하는 모멘트), 횡적 모멘트(Rolling Moment : 중심으로 통하는 전후 축을 중심으로 회전 작용을 하는 모멘트), 수평 모멘트(Yawing Moment : 중심으로 통하는 상하 축을 중심으로 회전 작용을 하는 모멘트) 등 모두 여섯 개의 힘 요소가 있다. 이러한 힘과 모멘트는 개별적으로 작용하지 않고 복합적으로 작용한다. 이들 각각의 힘과 모멘트를 공기역학의 6분력이라고 한다.
- 항력(抗力:Cd) - 시속60㎞ 이상의 속도에서부터 차체에 작용하는 항력이 급격히 증가하며, 이것은 연료 소모율, 최고속도, 가속성능과 깊은 관계가 있다. 스타일에 관계 깊은 저항에 대하여 서술하면 다음과 같다.
형성저항(形成抵抗) - 공기 흐름에 의해 차체의 전방에서 저지되는 힘으로, 자체 후방에서 압력을 회복하는 과정과의 차이에 의하여 형성된다. 이것은 차체의 기본 스타일에 의하여 정해지는데, 형상 저항을 감소시키기 위해서는 높이가 낮고 단순한 형상을 설정하고, 전면투영면적을 적게 하며, 차체 후면에서 공기와 밀착하는 단면적의 급격한 변화를 피하기 위하여 차체 뒷부분을 작게 해야 한다. 대부분의 해치 백 차량들의 형성저항이 큰 것은 이렇게 만드는 것이 사실상 어렵기 때문이다. 그리고 또한 이론적으로 본다면 대단히 차체 뒷부분이 긴 꼬리와도 같은 형상을 가지고 있어야 한다. 그러나 길이가 정해져 있는 양산차에는 현실적으로 불가능한 문제이다. 그러나 오히려 뒷부분을 직각에 가깝게 급격하게 경사진 형태의 캄 테일(Kamm Tail)이 유효하다. 이것은 공기흐름이 돌면서 떨어져 나가는 것을 방지하고, 와류(渦流)의 발생을 최소한으로 억제하기 위해 차체 후부를 가능한 한 수직이 되도록 하고, 능선을 날카롭게 유지하여 처리한다.
유도저항(誘導抵抗) - 차체가 떠오르는 양력(揚力)이 발생할 때 부수적으로 생기는 저항이다. 차체의 면은 매끈하게 만들어져 있지만, 플로어(floor)의 아랫부분은 엔진과 부품 등으로 복잡한 형상을 하고 있다. 따라서 상부의 공기흐름은 빠르며 압력은 낮고, 하부의 흐름은 늦고 압력은 높다. 이 때문에 차체에는 양력이 발생하고, 자체의 뒷면에서는 와류가 작용한다. 이 와류로 차체 후부의 공기흐름이 뒤쪽으로 물러나면서 차체를 끌어당기게 되고, 양력의 증가에 의해 유도저항도 증가한다. 이것을 해결하려면 차체 하부의 형상을 평평하게 정리해주는 작업이 필요하다. 플로어의 형상을 플러쉬(flush)화 시키고 복잡한 부품의 형상을 커버로써 정리하면 양력의 감소와 함께 실내소음 감소의 효과도 얻을 수 있다.
냉각 및 환기에 의한 저항 - 냉각 및 환기를 위하여 엔진룸 및 실내에 유입된 기류는 확산되거나, 장애물에 부딪혀서 에너지를 손실함으로써 저항을 발생시킨다. 또한 엔진룸을 통과한 공기는 일반적으로 차체 밑을 통과하면서 양력을 증가시킨다. 이러한 저항의 감소 방법에는 냉각 및 환기에 필요한 최소한의 공기만을 유입하여 기류의 손실을 없애고, 후드윗면에 배출구를 설치하여 기류가 통과하도록 하는 방법 등이 있다.
- 양력(揚力-C1) - 양력에 의한 영향은 이미 유도저항에서 설명하였다. 이것은 차체를 유지하고 있는 전 후륜의 접지하중을 감소시키고, 조종 안전성에 나쁜 영향을 미친다. 자체 형상과 양력의 관계는 차체의 각 단면의 중심을 연결하는 가상선(mean line)과 공격각(attack angle)에 의해 결정되며, 일반적으로 그 차이를 적게 하면 양력도 감소한다. 차체의 후부를 높게 설정한 힙업(hip-up) 처리는 공격각이 감소하고 양력을 저감시킴과 동시에, 트렁크 공간을 넓히는 데에도 유용해 현재 양산차에 많이 적용되고 있다. 또한 전면부를 낮추고 자체하부의 공기의 유입을 억제하는 에어댐(air dam)과 뒷부분의 리어 스포일러(rear spoiler)의 설치는 양력을 감소시키는데 유용하다. 특히 전륜구동 차량에는 구동계가 차체 하부에 배치되어 있지 않고 엔진룸 안쪽으로 들어가 있기 때문에, 차체 하부의 정리가 가능하게 되고 공력특성의 향상에 커다란 장점이 된다.
- 횡력(橫力-Cs) - 자동차에 작용하는 횡력은 편요(偏搖;측면 흔들림) 모멘트이다. 횡력은 차의 진로를 측면에서 평행 이동시키는 것으로, 운전자에게 주는 심리적 불안감은 상당히 크다. 편요 모멘트는 자동차의 차체를 흔들리게 함으로써 진로가 변화되고 위험하기 때문에 그 영향을 최소화 할 필요가 있다. 효과적인 방법은 공력중심(空力中心;측면도에 투영된 횡풍의 압력분포의 중심점)을 뒤쪽으로 이동 시켜서 차체의 중심에 근접시키는 것이다. 미니 밴 형태의 차량은 공력중심이 비교적 후방으로 되어 있어 편요 모멘트는 작지만, 측면적의 과다로 인해 횡력이 크게 된다. 해치백 차량은 차체의 측면 형상을 충분히 고려하지 않으면 편요 모멘트가 커질 수 있다. 결국 편요 모멘트의 감소를 중시 할 것인지, 횡력의 제거를 중시할 것인지는 그 자동차의 조종 안정성과의 균형을 맞추어야 한다. 대체로 차체의 앞을 길게 하고, 뒤를 짧게 하는 방법으로 편요 모멘트를 감소시키고, 차체 측면부의 횡단면을 곡률 처리함으로써 횡력을 감소시키는 방법을 사용했다.
사실상 공기역학에서의 최적형상이란 상당히 복잡하다. 항력(Cd), 양력(Cl), 횡력(Cs)등이 상호 밀접한 관계를 가지고 있기 때문이다. 저항계수가 동일하더라도 미끄러지는 듯한 곡면형태의 것이 있을 수 있는 반면, 면을 밀고 당기는 스타일적 변화를 주어 날카롭게 모가 난 직선적 형태의 차체도 있을 수 있다. 이것은 사실상 공기역학 특성의 훌륭한 결과를 낳는 데에는 디자이너의 형태에 대한 발상이 중요하며, 기본형상을 스타일적으로 유리하게 설정하고, 풍동(風洞 : wind tunnel)실험에 의하여 지속적으로 개선시켜나가는 것이 효과를 달성할 수 있다는 의미이. 자동차의 고성능화와 효율화의 추세 속에서, 공기역학은 자동차의 차체 스타일을 만드는 요소로서 점점 중요시되어 갈 것이지만, 그것이 최종의 목적은 분명 아니다. 다만 디자이너들이 어떤 방법으로 그것을 유효하게 활용하느냐에 달려 있다고 할 것이다.
글/구상(한밭대 교수)
1970년대 이후로 전 세계적으로 자동차 디자인이 급격하게 변화되었는데, 그것은 1971년과 1973년 두 차례의 오일쇼크에 의한 사회, 경제의 흐름과 안전규제의 강화에 의해 초래된 것이었다. 이들 중 특히 오일쇼크에 의해 보다 에너지효율이 높은 차량에 대한 관심이 높아진 것이 가장 큰 원인이었다. 물론 1950년대에 극에 달했던 장식적인 형태의 테일 핀(tail fin)스타일에 대해 반성의 움직임도 있었지만, 기능을 중시하는 합리적이고 기능적인 스타일이 정착되어 가고 있었던 것이다.
한편 자동차 디자인에 공기역학적 이론을 도입하려는 움직임은 오래 전부터 시도되었고, 이미 1930년대에는 레이몬드 로위(Raymond Loewy)와 같은 디자이너들에 의해 항공기의 영향을 받은 유선형(流線型)의 모델이 등장하였다. 그런데 1950년대부터 미국을 중심으로 등장하기 시작했던 날개형태의 장식을 붙인 테일 핀(tail fin) 스타일은 차체 크기의 대형화와 거주성의 문제가 대두되고, 게다가 테일 핀은 그 자체로써의 물리적 기능이 없이 단순한 외형스타일만을 위한 것으로, 실용적인 측면이 전혀 없었다. 게다가 육상운송수단인 자동차가 항공기를 흉내 낸 것에 대한 비판, 즉 자동차 디자인에서의 정통성(正統性) 요구 때문에 쇠퇴하게 되었던 것이다. 이 이후에 자동차의 성능을 향상시키는 기술의 하나로써 공기역학은 실제적인 실험과 분석에 의한 디자인 기준의 하나로써 정착되었고, 오늘날에 와서는 공기역학을 고려하지 않는 차체 디자인은 생각할 수 없는 시대가 되고 말았다.
고속으로 주행하는 자동차의 차체가 여러 측면에서 받게 되는 공기저항을 줄임으로써, 실질적인 성능의 향상으로 횡풍(橫風)에 대한 안전성 향상, 풍절음(風切音,바람 가르는 소리)의 감소, 공조(空燥)성능 및 냉각성능 향상 등 자동차의 주요기능의 효율을 높이기 위하여 공력특성은 높은 비중을 가지고 있고, 아울러 스타일적인 면에서도 매우 중요하게 다루어지고 있다.
그림. 공기역학의 6분력
자동차가 주행 중에 받게 되는 힘은 복잡하지만, 차체의 각 방향의 중심축에 작용하는 힘 및 모멘트(moment;움직임)로서 표현된다, 이 축은 차체의 방향에 대하여 X, Y, Z로 나뉘게 된다. 중심에 작용하는 힘은 항력(drag : 진행 반대의 방형으로 작용하는 힘), 양력(lift : 차체의 위 방향으로 작용하는 힘), 횡력(side force : 옆 방향으로 작용하는 힘), 모멘트(Moment)에는 종적 모멘트(Pitching Moment : 중심을 지나는 좌우 축 옆으로 회전하는 모멘트), 횡적 모멘트(Rolling Moment : 중심으로 통하는 전후 축을 중심으로 회전 작용을 하는 모멘트), 수평 모멘트(Yawing Moment : 중심으로 통하는 상하 축을 중심으로 회전 작용을 하는 모멘트) 등 모두 여섯 개의 힘 요소가 있다. 이러한 힘과 모멘트는 개별적으로 작용하지 않고 복합적으로 작용한다. 이들 각각의 힘과 모멘트를 공기역학의 6분력이라고 한다.
- 항력(抗力:Cd) - 시속60㎞ 이상의 속도에서부터 차체에 작용하는 항력이 급격히 증가하며, 이것은 연료 소모율, 최고속도, 가속성능과 깊은 관계가 있다. 스타일에 관계 깊은 저항에 대하여 서술하면 다음과 같다.
형성저항(形成抵抗) - 공기 흐름에 의해 차체의 전방에서 저지되는 힘으로, 자체 후방에서 압력을 회복하는 과정과의 차이에 의하여 형성된다. 이것은 차체의 기본 스타일에 의하여 정해지는데, 형상 저항을 감소시키기 위해서는 높이가 낮고 단순한 형상을 설정하고, 전면투영면적을 적게 하며, 차체 후면에서 공기와 밀착하는 단면적의 급격한 변화를 피하기 위하여 차체 뒷부분을 작게 해야 한다. 대부분의 해치 백 차량들의 형성저항이 큰 것은 이렇게 만드는 것이 사실상 어렵기 때문이다. 그리고 또한 이론적으로 본다면 대단히 차체 뒷부분이 긴 꼬리와도 같은 형상을 가지고 있어야 한다. 그러나 길이가 정해져 있는 양산차에는 현실적으로 불가능한 문제이다. 그러나 오히려 뒷부분을 직각에 가깝게 급격하게 경사진 형태의 캄 테일(Kamm Tail)이 유효하다. 이것은 공기흐름이 돌면서 떨어져 나가는 것을 방지하고, 와류(渦流)의 발생을 최소한으로 억제하기 위해 차체 후부를 가능한 한 수직이 되도록 하고, 능선을 날카롭게 유지하여 처리한다.
유도저항(誘導抵抗) - 차체가 떠오르는 양력(揚力)이 발생할 때 부수적으로 생기는 저항이다. 차체의 면은 매끈하게 만들어져 있지만, 플로어(floor)의 아랫부분은 엔진과 부품 등으로 복잡한 형상을 하고 있다. 따라서 상부의 공기흐름은 빠르며 압력은 낮고, 하부의 흐름은 늦고 압력은 높다. 이 때문에 차체에는 양력이 발생하고, 자체의 뒷면에서는 와류가 작용한다. 이 와류로 차체 후부의 공기흐름이 뒤쪽으로 물러나면서 차체를 끌어당기게 되고, 양력의 증가에 의해 유도저항도 증가한다. 이것을 해결하려면 차체 하부의 형상을 평평하게 정리해주는 작업이 필요하다. 플로어의 형상을 플러쉬(flush)화 시키고 복잡한 부품의 형상을 커버로써 정리하면 양력의 감소와 함께 실내소음 감소의 효과도 얻을 수 있다.
그림. 차체 하부의 플러쉬 화, 렉서스 LS430
냉각 및 환기에 의한 저항 - 냉각 및 환기를 위하여 엔진룸 및 실내에 유입된 기류는 확산되거나, 장애물에 부딪혀서 에너지를 손실함으로써 저항을 발생시킨다. 또한 엔진룸을 통과한 공기는 일반적으로 차체 밑을 통과하면서 양력을 증가시킨다. 이러한 저항의 감소 방법에는 냉각 및 환기에 필요한 최소한의 공기만을 유입하여 기류의 손실을 없애고, 후드윗면에 배출구를 설치하여 기류가 통과하도록 하는 방법 등이 있다.
- 양력(揚力-C1) - 양력에 의한 영향은 이미 유도저항에서 설명하였다. 이것은 차체를 유지하고 있는 전 후륜의 접지하중을 감소시키고, 조종 안전성에 나쁜 영향을 미친다. 자체 형상과 양력의 관계는 차체의 각 단면의 중심을 연결하는 가상선(mean line)과 공격각(attack angle)에 의해 결정되며, 일반적으로 그 차이를 적게 하면 양력도 감소한다. 차체의 후부를 높게 설정한 힙업(hip-up) 처리는 공격각이 감소하고 양력을 저감시킴과 동시에, 트렁크 공간을 넓히는 데에도 유용해 현재 양산차에 많이 적용되고 있다. 또한 전면부를 낮추고 자체하부의 공기의 유입을 억제하는 에어댐(air dam)과 뒷부분의 리어 스포일러(rear spoiler)의 설치는 양력을 감소시키는데 유용하다. 특히 전륜구동 차량에는 구동계가 차체 하부에 배치되어 있지 않고 엔진룸 안쪽으로 들어가 있기 때문에, 차체 하부의 정리가 가능하게 되고 공력특성의 향상에 커다란 장점이 된다.
- 횡력(橫力-Cs) - 자동차에 작용하는 횡력은 편요(偏搖;측면 흔들림) 모멘트이다. 횡력은 차의 진로를 측면에서 평행 이동시키는 것으로, 운전자에게 주는 심리적 불안감은 상당히 크다. 편요 모멘트는 자동차의 차체를 흔들리게 함으로써 진로가 변화되고 위험하기 때문에 그 영향을 최소화 할 필요가 있다. 효과적인 방법은 공력중심(空力中心;측면도에 투영된 횡풍의 압력분포의 중심점)을 뒤쪽으로 이동 시켜서 차체의 중심에 근접시키는 것이다. 미니 밴 형태의 차량은 공력중심이 비교적 후방으로 되어 있어 편요 모멘트는 작지만, 측면적의 과다로 인해 횡력이 크게 된다. 해치백 차량은 차체의 측면 형상을 충분히 고려하지 않으면 편요 모멘트가 커질 수 있다. 결국 편요 모멘트의 감소를 중시 할 것인지, 횡력의 제거를 중시할 것인지는 그 자동차의 조종 안정성과의 균형을 맞추어야 한다. 대체로 차체의 앞을 길게 하고, 뒤를 짧게 하는 방법으로 편요 모멘트를 감소시키고, 차체 측면부의 횡단면을 곡률 처리함으로써 횡력을 감소시키는 방법을 사용했다.
이탈리아의 피닌파리나가 개발한 두 종류의 공기저항감소를 위한 차체 디자인의 컨셉트카 CNR1(1971년-위쪽)과 CNR2(1986년-아래쪽) - 이들 두 차량은 각각 곡선형과 직선형의
전혀 다른 스타일을 가지고 있지만 공기저항계수는 같다.
사실상 공기역학에서의 최적형상이란 상당히 복잡하다. 항력(Cd), 양력(Cl), 횡력(Cs)등이 상호 밀접한 관계를 가지고 있기 때문이다. 저항계수가 동일하더라도 미끄러지는 듯한 곡면형태의 것이 있을 수 있는 반면, 면을 밀고 당기는 스타일적 변화를 주어 날카롭게 모가 난 직선적 형태의 차체도 있을 수 있다. 이것은 사실상 공기역학 특성의 훌륭한 결과를 낳는 데에는 디자이너의 형태에 대한 발상이 중요하며, 기본형상을 스타일적으로 유리하게 설정하고, 풍동(風洞 : wind tunnel)실험에 의하여 지속적으로 개선시켜나가는 것이 효과를 달성할 수 있다는 의미이. 자동차의 고성능화와 효율화의 추세 속에서, 공기역학은 자동차의 차체 스타일을 만드는 요소로서 점점 중요시되어 갈 것이지만, 그것이 최종의 목적은 분명 아니다. 다만 디자이너들이 어떤 방법으로 그것을 유효하게 활용하느냐에 달려 있다고 할 것이다.
