타이어 공기압 수준에 따른 경제성 평가
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2007-12-24 17:34:38 |
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타이어 공기압 수준에 따른 경제성 평가를 위해 우선 타이어 관련하여 연비 측정을 위해 회전저항 실험을 실시합니다. 회전저항이란 차량의 실차연비와 직접적인 상관성을 갖는 회전저항성능을 공기압 수준별로 평가하는 것으로, DRR / RPK이란 공기압 수준별 DRR(타이어의 유효회전반경) 및 RPK(1km 주행거리에 해당하는 타이어의 회전수) 분석과 더불어 개인별 연료비 증가 효과분석이 가능합니다.
자동차의 엔진에서 발생한 동력은 각부의 동력전달체계에 의하여 최종적으로 타이어에 전달되어 노면과의 마찰력에 의해서 자동차를 주행시키며 회전저항, 가속저항, 등판저항, 공기저항의 4가지 주행저항을 받게 됩니다. 이들 4가지의 주행저항 중 타이어와 가장 관련이 깊은 것이 회전저항으로서 주행 시 타이어 자체 또는 타이어와 노면사이에서의 에너지 손실을 의미합니다. 이러한 타이어 회전저항의 발생요인은 타이어 변형에 의한 내부 손실과 타이어와 노면 간 미끄러짐에 의한 마찰 저항, 노면을 변형시키는 저항, 공기저항의 4가지로 나뉘어집니다. 그 중 90% 이상의 비중을 차지하는 것이 타이어 변형에 의한 내부 손실입니다.
■ 타이어 회전저항의 발생요인
● 타이어 변형에 의한 내부 손실
— 타이어가 노면을 주행할 때는 접지에 의한 변형과 접지에서 떨어질 때의 복원이 반복됨
— 타이어의 점탄성은 응력과 변형의 관계에서 히스테리시스(Hysteresis)가 존재하며 이는 곧 에너지 손실량임
● 타이어와 노면간의 미끄러짐에 의한 마찰저항
— 곡률을 가진 타이어가 평면 접지를 하기 때문에 접지처음부터 접지끝 까지의 사이에 노면과 미끄러짐을 일으키는데 그때의 마찰저항임
— 타이어의 노면접지에 이한 변형은 하중의 이동에 따라 최대점에 도달한 후 차츰 감소하여 노면으로부터 멀어질 때 그 부분의 변형은 0으로 돌아감
— 이러한 연속적인 종변형의 변화는 타이어에 작용하는 토오크 이외에 타이어와 노면간의 수평방향의 힘을 발생시킴
— 이것은 타이어가 회전방향과 단면방향에도 곡면을 가지고 있으므로 단단한 노면에 접지할 때 타이어의 접지면이 평면이 되려는 힘이 발생하며 이 힘이 노면과의 마찰력보다 커질때는 미끄럼이 발생함
● 노면을 변형시키는 저항
— 타이어의 접지압력에 의해 노면을 변형시키는 것에 의한 저항으로 포장로 위를 주행하는 경우에는 무관할 수 있음
● 공기저항
— 공기중을 주행 및 회전하는 것에 의해 발생하는 저항
■ 회전저항에 대한 관계식
RR = U×W
*RR : 회전저항
*U : 회전저항계수
*W : 하중
● 회전저항계수(U = 회전저항/하중)는 노면상태, 공기압, 속도, 타이어 종류, 타이어 재료, 타이어 구조 등과 관계됨
■ 회전저항과 실차연비와의 상관관계
회전저항 시험결과와 실차연비와의 상관성은 매우 높은 것으로(상관계수 R = 0.9이상)알려져 있습니다. 대략 타이어 회전저항이 10% 낮아지면 연비는 1∼2.5% 향상됩니다. 실제 타이어 업계 데이터를 참조하면 속도 60∼80km/h에서 회전저항 16∼18% 차이는 실차연비 4∼7% 차로, 속도 100km/h 에서 회전저항 12∼16% 차이는 실차연비 약 2% 차이가 나타납니다. Automobile Wheels & Tires 자료를 참조하면 속도 30km/h에서는 연비의 40%가 타이어의 회전저항에 의해 소모되고 속도 150km/h에서는 연비의 15%가 타이어의 회전저항에 의해 소모된다고 합니다.
■시험 방법은 아래와 같은 장비를 이용하여 실시
T = Fx × ( RL + R )
T = FR × R
FR = Fx × ( 1 + RL / R )
시험조건은 아래와 같습니다.
— 드럼경 : 1.7m
— 노면(드럼표면) : Safety Walk 3M Medium Grit
— 시험속도 : 40, 60, 80, 100, 120km/h(증속법)
— 시험하중 : 최대하중의 80%
— 시험온도 : 24℃
□ 시험 결과
속도 40∼120km/h에서 공기압 수준별 회전저항 시험 결과 공기압이 감소할수록 회전저항이 증가하는 경향성이 뚜렷이 나타납니다. 이러한 경향성은 공기압이 감소할수록 타이어에서 발생하는 변형량이 커지기 때문입니다. 속도별로는 저속 영역에서의 공기압 영향이 고속 영역에서보다 상대적으로 크게 나타납니다. 아래에 그 결과를 공기압별 도표로 정리하였습니다.
자동차의 엔진에서 발생한 동력은 각부의 동력전달체계에 의하여 최종적으로 타이어에 전달되어 노면과의 마찰력에 의해서 자동차를 주행시키며 회전저항, 가속저항, 등판저항, 공기저항의 4가지 주행저항을 받게 됩니다. 이들 4가지의 주행저항 중 타이어와 가장 관련이 깊은 것이 회전저항으로서 주행 시 타이어 자체 또는 타이어와 노면사이에서의 에너지 손실을 의미합니다. 이러한 타이어 회전저항의 발생요인은 타이어 변형에 의한 내부 손실과 타이어와 노면 간 미끄러짐에 의한 마찰 저항, 노면을 변형시키는 저항, 공기저항의 4가지로 나뉘어집니다. 그 중 90% 이상의 비중을 차지하는 것이 타이어 변형에 의한 내부 손실입니다.
■ 타이어 회전저항의 발생요인
● 타이어 변형에 의한 내부 손실
— 타이어가 노면을 주행할 때는 접지에 의한 변형과 접지에서 떨어질 때의 복원이 반복됨
— 타이어의 점탄성은 응력과 변형의 관계에서 히스테리시스(Hysteresis)가 존재하며 이는 곧 에너지 손실량임
● 타이어와 노면간의 미끄러짐에 의한 마찰저항
— 곡률을 가진 타이어가 평면 접지를 하기 때문에 접지처음부터 접지끝 까지의 사이에 노면과 미끄러짐을 일으키는데 그때의 마찰저항임
— 타이어의 노면접지에 이한 변형은 하중의 이동에 따라 최대점에 도달한 후 차츰 감소하여 노면으로부터 멀어질 때 그 부분의 변형은 0으로 돌아감
— 이러한 연속적인 종변형의 변화는 타이어에 작용하는 토오크 이외에 타이어와 노면간의 수평방향의 힘을 발생시킴
— 이것은 타이어가 회전방향과 단면방향에도 곡면을 가지고 있으므로 단단한 노면에 접지할 때 타이어의 접지면이 평면이 되려는 힘이 발생하며 이 힘이 노면과의 마찰력보다 커질때는 미끄럼이 발생함
● 노면을 변형시키는 저항
— 타이어의 접지압력에 의해 노면을 변형시키는 것에 의한 저항으로 포장로 위를 주행하는 경우에는 무관할 수 있음
● 공기저항
— 공기중을 주행 및 회전하는 것에 의해 발생하는 저항
■ 회전저항에 대한 관계식
RR = U×W
*RR : 회전저항
*U : 회전저항계수
*W : 하중
● 회전저항계수(U = 회전저항/하중)는 노면상태, 공기압, 속도, 타이어 종류, 타이어 재료, 타이어 구조 등과 관계됨
■ 회전저항과 실차연비와의 상관관계
회전저항 시험결과와 실차연비와의 상관성은 매우 높은 것으로(상관계수 R = 0.9이상)알려져 있습니다. 대략 타이어 회전저항이 10% 낮아지면 연비는 1∼2.5% 향상됩니다. 실제 타이어 업계 데이터를 참조하면 속도 60∼80km/h에서 회전저항 16∼18% 차이는 실차연비 4∼7% 차로, 속도 100km/h 에서 회전저항 12∼16% 차이는 실차연비 약 2% 차이가 나타납니다. Automobile Wheels & Tires 자료를 참조하면 속도 30km/h에서는 연비의 40%가 타이어의 회전저항에 의해 소모되고 속도 150km/h에서는 연비의 15%가 타이어의 회전저항에 의해 소모된다고 합니다.
■시험 방법은 아래와 같은 장비를 이용하여 실시
T = Fx × ( RL + R )
T = FR × R
FR = Fx × ( 1 + RL / R )
시험조건은 아래와 같습니다.
— 드럼경 : 1.7m
— 노면(드럼표면) : Safety Walk 3M Medium Grit
— 시험속도 : 40, 60, 80, 100, 120km/h(증속법)
— 시험하중 : 최대하중의 80%
— 시험온도 : 24℃
□ 시험 결과
속도 40∼120km/h에서 공기압 수준별 회전저항 시험 결과 공기압이 감소할수록 회전저항이 증가하는 경향성이 뚜렷이 나타납니다. 이러한 경향성은 공기압이 감소할수록 타이어에서 발생하는 변형량이 커지기 때문입니다. 속도별로는 저속 영역에서의 공기압 영향이 고속 영역에서보다 상대적으로 크게 나타납니다. 아래에 그 결과를 공기압별 도표로 정리하였습니다.
