글로벌오토뉴스

상단배너

  • 검색
  • 시승기검색
ä ۷ιλƮ  ͼ  ī 󱳼 ڵδ ʱ ڵ 躴 ͽ ǽ ȣٱ Ÿ̾ Auto Journal  Productive Product

자동차 디자인과 공기역학

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-08-16 11:34:39

본문

자동차 디자인과 공기역학

1. 서론
차량의 총 운영비용(TCO, Total Cost of Ownership)과 CO2 배출량과 같은 친환경적 가치가 신규 차량 구매의 중요한 판단기준이 되고 연비가 좋을 경우 차량 판매의 차별화 요소(USP Unique Selling Proposition)로 부각되고 있다. 최근 국내 인증연비 측정기준이 평균 주행속도가 34.1km/h의 도심주행모드(CVS75, FTP75)에서 평균속도 77km/h, 최고속도 129km/h의 고속주행모드(US06)을 포함하는 5사이클 복합연비로 변경되면서 차량 주행 시 대기횡풍 및 자체 주행풍속 증가로 공기역학적 성능이 연비에 미치는 영향이 커지고 있다.

글 / 기정도 (현대자동차)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 6월호

인증연비를 측정하는 과정에서도 차량에 작용하는 공기역학적인 특성을 이해하는 과정이 중요하게 되는데 이는 차량 주행저항을 측정하는 타행법(Coastdown Method)에서 차량에 작용하는 대기 횡풍에 의한 불규칙한 공기력 영향도를 고려해야 하기 때문이다. EPA에서 이러한 타행시 횡풍 영향도를 반영한 시험방법인 풍향계 탑재 타행법(SAE J2263, ABCD-An Improved Coast Down Test and Analysis Method, Frank T. Buckley 제안) 적용을 요구하고 있고 실제 타행 평가 시 주행저항 측정의 불확실도를 악화시키는 인자가 횡풍에 의한 공기저항 변화이다.

차량의 연비성능이 차량 신규 판매에 크게 영향을 미치게 되면서 인증 연비, 타행법 및 실도로 주행연비에 영향을 미치는 중요한 성능 중 하나인 공기역학에 대한 이해와 기술개발 개선의 중요성이 부각되고 있다. 더불어 차량 공력성능의 70%를 결정하는 디자인과 연관성 연구가 중요해지고 있다.

본 고에서는 공기역학적인 디자인 혹은 차별화된 디자인 구현을 위한 공력개발 기술을 논의하고자 한다. 이를 위해 공력/연비와 디자인 연관성, Form Follows Function 정의, 승용차 공력특성, 코안다 효과 및 항공기 공력과 상사성, 디자인 요소의 공력특성, 공력개선의 한계, 예술적 디자인과 공력 엔지니어링간의 커뮤니케이션, 이를 위한 다분야 최적화 플랫폼 그리고 디자이너와 공력엔지니어 협업을 통한 저공력 칸셉카 개발 사례 순으로 논술하고자 한다. 또한 공기역학적 차량 디자인을 표방하는 현대자동차의 디자인 언어인 Fluidic Sculpture를 개발 사례를 통하여 설명하고자 한다.

2. 자동차 공력의 정의
자동차 공력은 차량에 작용하는 6자유도의 힘과 모멘트를 동 압력(차속의 제곱과 밀도의 곱)과 차량의 전면 투영면적으로 무차원화한 공력계수(Aerodynamic Coefficient)로 표현된다. A는 전면 투영면적으로 2.1~2.3m2 수준이다. 최근 승용차에서 Cd 값은 0.25~0.32 수준을 유지한다.

36821_1.jpg


3. 공력과 디자인 연관성
차량의 공력성능은 형상(디자인) 및 차체비례 40%, 휠 및 휠하우징 30%, 언더바디 20%, 에어 인테이크 10% 순으로 영향을 받는다고 한다. 언더바디 형상 20%를 제외한 80%는 차량 디자인에 의해서 결정되므로 차량 공기역학 성능은 디자이너에 의한 차량 외형 디자인과 가장 밀접한 연관성을 갖게 된다.

Hucho, Janssen 그리고 Emmelmann에 따르면 차량 공기역학 개발 단계를 시대별로 차량외관에 적용한 디자인적 요소에 따라서 4단계로 구분하고 있다􀕝. 1930년까지 어뢰, 보트테일, 비행선에서 유선형 형상을 채용한 기본형상(Basic Shape) 단계, 1973년까지 본격적으로 차량에 유선형 형상을 채용한 유선형 차량(Streamlined Car) 단계, 1974년부터 세부 최적화(Detail Optimization) 단계, 1983년부터 지금까지를 형상 최적화(Shape Optimization) 단계로 구분하고 있다. Hucho는 2000년 이후 공력을 0.15까지 개선하기 위한 Threshold Strategy 단계로 진입하고 있다고 정의하고 있다.

이러한 형상 최적화 단계도 1995년 피터 슈라이어 등이 디자인한 Audi TT 등장 이전과 이후, 2001년 BMW의 7시리즈에 적용된 Flame Surface 등장 이후로 구분이 가능하다. 기존 3박스 혹은 2박스 형태를 유지하던 승용차에서 Audi TT 및 Audi A6는 윈드실드에서 루프, 리어 글라스로 이어지는 단일 라인 형태의 활형상 캐빈(Arched Cabin)을 디자인적으로 구현하여 보다 공기역학적 차량 형상이 개발되었다.

또한 BMW의 크리스 뱅글(Chris Bangle) 등에 의해서 차량에 적용된 Flame Surface 디자인 랭귀지는 건축가 Frank Gehry의 해체주의(Deconstructivism)에 영향을 받아서 볼록한 면(Convex)과 오목한 면(Concave)이 만나서 차량 전체적으로 강한 캐릭터 라인이 돌출되는 디자인이 적용되었다. 이는 BMW가 보유한 3차원 판넬 프레스 기술을 이용한 것으로 과거 여러번 프레스를 해야만 구현 가능한 복잡 곡면을 단일 프레스만으로 구현하는 차체 표면가공 기술을 이용하였다.

이러한 스컬프쳐(Sculpture)적인 요소는 2009년 현대자동차의 YF Sonata에서 역동적으로 구현되었고 2010년 i-flow 칸셉카에서 공기역학적인 형상이 능동적으로 적용된 플루이딕 스컬프쳐(Fluidic Sculpture)로 발전되어 적용되었다􀕠. 이렇듯 차량 디자인은 공기역학적인 형상을 디자인 요소로 받아들여 차량에 외관에 반영하는 경향이 있다.

4. 공력우선 디자인과 디자인우선 공력개선
차량의 디자인 과정은 루이스 설리반(Louis Sullivan)의 기능우선주의(Form Follows Function)와 그 반대 개념인 형태우선주의(Function Follows Form) 과정을 거치게 된다. 1935년도 크라이슬러에서 에어플로우(Airflow)를 개발하는 과정에서 최초로 최적공력형상(Function)을 디자인(Form)에서 채용하였고 GM에서도 유선형 차체를 공기역학적인 기술적 측면과 디자인 마케팅 툴의 두 가지 측면에서 채택하게 되었다.

모델 변경 시 에어로다이나믹 스타일링을 반영하고 실제 공기역학적으로 무의미 하더라도 차량의 마케팅툴로 효율적으로 사용하게 되었다􀕡. 이러한 전통은 지금까지도 이어져서 디자이너가 사용하는 언어로 에어로다이나믹 스타일링과 유선형 스타일링이 반드시 공기역학적인 의미를 갖는다고 할 수 없게 되었다.

차량 디자인 과정에서는 차량의 기본적 공력요구조건과 특성을 만족시키는 과정인 Form Follows Function 프로세스와 디자인적 특성을 살릴 수 있는 공기역학적 기술적용 Function Follows Form이 공존하거나 융합 되어야 한다.

5. 공력 디자인과 연비
자동차 공기역학 특성은 차량의 연비와 가속성능과 같은 동력성능(Performance)와 고속주행 안정성, 횡풍 안정성과 같은 주행 안정성(Stability), 공력소음(Wind Noise)을 결정하는 중요한 차량 인자 중 하나이다. 특히 연비의 경우 차량 전체 에너지 중에서 공기저항으로 소모되는 에너지는 6.9%(SI 엔진, NEDC 조건)로 주행 중 소모되는 에너지의 35%를 차지한다􀕛. 공력 10% 개선 시 연비는 140km/h, 고속주행 시 7%, NEDC 및 EPA 복합사이클에서 2% 수준의 개선이 가능하다 􀕜. 실도로 주행 조건인 140km/h 주행과 NEDC를 복합한 1/3 Euro Mix Mode의 경우 공력 영향도는 40%까지 증가한다􀕝. 차량의 공기저항은 엔진냉각항력 8%, 차량 하부 항력 12%, 유도항력 10%, 형상항력 70%􀕜로 유도항력과 형상 항력은 디자인 단계에서 결정되는 공기저항으로 차량 초기 디자인 단계에서 공기저항의 70%가 결정된다.

36821_2.jpg



그림 1에서 보여주듯이 컨셉 및 디자인 단계에서 공력이 17% 개선되어 전체 공력개선량의 80%가 컨셉 및 디자인 단계에서 개선되고 있다. 외관 형상 디자인 과정에서 전체 공력개선 70%가 이루어지고 디자인 단계 언더바디 개선에 의해서 16%, 프로토 타입 단계에서 언더바디와 선행기술에 의해서 공력저항 14%가 개선된다 그림 2.

이렇듯 차량 공력성능은 디자인 단계에서 70~80%가 결정된다. 디자인 단계 공력개선은 코스트 발생을 유발하지 않는 큰 이점이 있다. Schretzenmayer에 따르면 공기저항을 2% 개선하는 경우 중량 1% 절감효과를 갖는다 그림 3. 중형승용차에서 공력 2% 개선 시는 중량 15kg 절감효과와 동일하며 이에 소요될 것으로 예상되는 원가로 전환 시 18~45만원 절감효과와 동일하다.

그림 3에서 Acceleration 영역이 중량에 영향을 받게 되는데 Upper Middle Class에서는 연비에 미치는 중량 영향이 공력보다 2배 큰 반면 Micro Car에서는 공력과 중량의 영향이 동일하다. 디자인 단계 공력개선은 타 기술대비 원가가 발생하지 않으면서 큰 연비개선이 가능하다는 측면에서 매우 중요한 연비개선 기술이 된다.

6. 승용차 공력특성
차량의 공력특성은 차량표면에서 생성되는 와류의 크기와 후류의 크기로 결정된다. 그림 4. 지속적인 차량 유선형화로 후드 전방, 언더바디, 타이어 주변의 흐름박리와 와류는 개선되어 가고 있으나 A필라 와류, C필라 와류, 타이어 휠하우징 와류는 향후에도 지속적 개선이 필요하다.

36821_3.jpg

36821_4.jpg

웨곤, 쿠페, 세단의 차량의 타입 별로 와류와 후류 크기가 다르게 형성되므로 디자인에 의한 공력개선 방법도 다르게 수립되어야 한다 그림 5. 웨곤 형상의 경우 와류 없이 후류 만 존재하므로 선미 형상(Boat Tailing) 및 후방 코너부위 박리라인이 필요하다. 반면 쿠페 형상에서는 강한 C필라 와류가 형성되고 후류 면적(뒤에서 보았을 때 후류 영역 면적)은 상대적으로 작아진다. 이는 트렁크 상단에 킥업 스포일러를 통해서 차량 후방에 생기는 내려씻음(Downwash)의 각도를 완만하게 하는 리어 스포일러와 킥업 디자인이 요구된다. 세단 차량에서는 C필라 와류와 후류 면적이 비슷한 수준으로 발생하므로 와류 크기를 줄이면서 후류 면적을 줄이는 디자인을 검토할 필요가 있다.

유동은 A필라 영역을 지나면서 40% 이상 속도가 빨라지게 되고 차량하부 유동은 지면과의 막힘효과(Blockage Effect)로 유동이 확산되는 경향을 갖는다 그림 6. 차량 디자인 시 A필라와 타이어 주변, 언더바디에서 형성되는 좌우로 확산되는 유동에 대한 대응으로 와류를 최소화하는 디자인이 요구된다.

7. 코안다 효과와 항공기 공력과 상사성
차량 공력특성을 이해하는데 있어 후류 구조에 대한 이해는 중요하다. 승용차는 언더바디를 지나는 유동대비 차량 상부를 지나는 흐름의 속도가 크면서 양력이 발생하고 이에 비례하는 강한 내려씻음(Downwash)유동이 발생하며 이는 항공기 날개 뒤쪽에서 발생하는 말발굽 와류(Horse-shoe Vortex)와 상사성을 갖는 그림 8을 보면 항공기 날개 끝 와류, 승용차 C필라 와류, 포뮬러카 후방날개 끝 와류간에 유사한 패턴을 갖는 것을 알 수 있다. 큰 차이점은 양력이 발생하는 항공기와 승용차의 경우 반시계 방향으로 형성되면서 강한 내려씻음(Downwash)이 동반되는 반면 다운포스(Downforce)가 발
생하는 포뮬러 차량의 경우 시계방향 와류가 형성되면서 올리씻음(Upwash) 유동이 발생한다.

36821_5.jpg

36821_6.jpg

차량 후방에서 발생하는 Down Wash Effect는 차량의 양력과 양력에 유도된 항력(Lift Induced Drag)을 발생시켜 유도항력 발생 메커니즘을 구성한다􀕥. 이러한 내려씻음은 차량 후방 코너 부위에 곡면이나 내려씻음을 유발시키는 경사면을 형성하는 경우 코안다 효과에 의해서 공기가 곡면을 따라 흘러가면서 발생한다 그림 9.

항공기의 경우 양력 발생이 우선시 되므로 코안다 효과를 적극적으로 활용하고 있으나 자동차의 경우 양력 발생을 억제하고 Zero Lift 혹은 Down Force 발생을 요구하고 있어 디자인 단계에서 내려씻음을 억제하는 형상이 요구된다. 내려씻음에 의한 와류 형성을 억제하는 방법으로는 트렁크 끝단에 킥업(Kick Up) 형상을 추가하거나 그림 10 킥업 스포일러를 부착하여 내려씻음 유동을 감소시키고 코너부에 형성되는 부압 (Suction Pressure) 형성을 방지해야 한다 그림 11.

8. 디자인 요소와 공력 요소기술
차량 공력개선을 목적으로 개발된 기술요소가 디자인 요소로 활용되는 사례가 많으며 범퍼립, 리어스포일러 등이 그 예이다. 디자인 과정에서 공력적 형상 최적화 과정 없이 디자인에 반영되는 경우 항력을 악화시키는 요인이 될 수 있다. 그림 12에서 차체의 내려씻음 유동을 변형시켜서 차량 전체 유동흐름을 변경하는 스포일러(좌측)과 독립적으로 다운포스를 생성시키는 Rear Wing으로 구분된다. Rear Wing(우측)에서는 다운포스가 생성되어 이후 올려씻음 유동이 발생한다.

36821_7.jpg

36821_8.jpg

세단이나 쿠페 차량의 경우 트렁크 리드에 리어 스포일러 혹은 킥업 스포일러 부착을 통하여 양력과 항력개선을 진행하는 반면 SUV차량과 Hatch Back, Fast Back 차량에서는 루프 끝단을 연장하는 형태의 스포일러(엄격한 의미에서는 Roof Extension)를 통하여 공력개선을 유도한다. Roof Extension형 스포일러 설치시 차체와 연결부위를 디자인에 저해 되지 않는 형태로 설치하기 위한 공력 형상(Aerodynamic Wedge)이 요구된다그림 13. 트렁크 끝단에서 내려씻음을 올려씻음 유동으로 바꾸기 위해서 리어스포일러나 킥업형상으로 디자인하는 것에 더하여 트렁크하단에서는 리어 디퓨져를 설치하여 후류내 올려씻음(Upwash)를 유도한다.

그림 14에서는 좌측은 차량하부 풀 언더커버가 장착된 F1 차량의 리어 디퓨저 개념도이고 우측은 이를 디자인적 요소로 채용하여 활용한 사례이다. 언더커버와 연계하여 설치하지 않는 경우 공력적 효과를 얻기는 불가능하다.디자인 단계에서 고려하여야 할
추가적인 공력 요소는 냉각항력을 개선하기 위한 엔진 인테이크 플랩, 아웃사이더 미러를 대체하는 후사경 카메라, 휠캡 등이 있다 그림 15. 디자인 외적인 공력개선 방안으로 Under Body의 단차 최소화, Under Cover, Full Under Cover를 통한 공력개선이
추가로 존재한다 그림 16.

9. 공력개선의 한계
차량 디자인에 유선형 바디 혹은 공기역학적인 스타일링을 채용하면서 공기저항 계수가 점차적으로 낮아 지고 있다. Hucho에 따르면 60년 이전 Cd(Coefficient of Drag)가 0.45 이상을 유지하다가 1965~1975년 타이어가 차체 내부로 들어가는 Pontonstyle
Body Design이 채용되면서 0.4로 수렴되는 경향을 보였고 2000년 Arched Cabin과 언더바디 커버 등이 적용된 Audi A2 이후 0.25로 수렴되는 경향을 보이고 있다 그림 17.

Hucho는 후방형상, 언더바디, 리어 디퓨저, 휠 하우징, 냉각 유동, A필라, 아웃사이드 미러 개선을 통해서 현 수준 평균인 0.32에서 0.17까지 추가적인 개선이 가능하다고 예측하고 있다.

36821_9.jpg

36821_10.jpg

디자인 변화에 따른 차량 공력개선의 한계는 BMW Group Research의 AEROLAB 분석결과를 통해서 판단할 수 있다. BMW AEROLAB에서는 차량의 공기저항이 디자인과 차체비례 40%, 휠 및 휠하우징 30%, 언더바디 20%, 에어 인테이크 10% 순으로 영향을 받는다고 분석하였다.

차량에 타이어가 장착된 경우 휠하우징 내에서 와류가 형성되다가 타이어가 없이 지면에서 떨어지는 경우 와류가 줄어들어 Cd 0.27(Air Curtain+타이어 회전 조건)에서 0.18(Gliding Fish)로 35% 개선되는 것을 볼 수 있다 그림 18. VW XL1에서 0.189까지 공력을 낮추었고 세단 차량에서 휠하우징 없는 조건에서 0.18이 구현되는 것으로 보아
공력계수 한계는 휠하우징 및 후류 형성을 제어하는 수준에 따라 0.17~0.18까지 개선이 가능할 것으로 판단된다.

10. 공기역학적인 디자인 구현 프로세스
차량 디자인은 시장의 요구에 따라서 공력, 즉 연비 상품성 우선개발 (Form Follows Function)과 시장 요구에 따른 디자인 우선 개발(Function Follows Form)로 구분이 될 수 있다. 양 경우 모두 차량의 공력성능이 초기 스타일링 단계에서 70%가 결정되므로 차종의 패키지 요구도 및 스케치 단계 공력성능을 확인하고 디자이너에게 피드백할 수 있는 프로세스 기술이 요구된다 그림 19.

36821_11.jpg

36821_12.jpg

이동호 교수에 의해서 초기 디자인 컨셉 도출 및 스타일링 단계에서 차량의 3차원 형상을 생성 시켜서 공력특성을 점검 할 수 있는 기술 개발이 이루어 지고 있다. 패키지 요구도 단계에서 형상함수(Shape Function)를 이용하여 수식적으로 3차원 외관 형상을 자동으로 도출하여 Meta Model 및 풍동시험 가능한 Rapid Prototype을 개발하고 이를 이용하여 공력, 구조, 패키지 등을 동시에 고려한 다분야 최적화(MDO, Multi-Disciplinary Optimization) 기술 적용이 가능하다 그림 20, 그림 22.

또한 이동호 교수에 의해서 디자이너 컨셉 스케치단계에서 생성되는 2차원 스케치의 특성 라인과 비례를 추출 이용하여 형상함수를 통한 3차원 형상을 자동 생성시키고 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석으로 공력특성을 분석 하는 기술개발도 병행되고 있다 그림 22.

카네기 멜론에서도 스케치에서 3차원 형상을 도출하는 기술 개발 그림 23, 좌측 을 VW에서는 스케치에서 Rapid Prototype 개발을 자동으로 수행하는 기술 개발이 이루어지고 있다 (그림 23, 우측).

11. 디자이너 공력엔지니어 협업 사례
칸셉카 개발 과정을 통하여 공기역학적인 디자인을 구현한 사례(Form Follows Function)로 칸셉카 개발이 진행되었으며 공력성능을 극대화하기 위한 패키지 요구조건에 근거하여 디자인이 진행되었다.

디젤 초저연비 차량 BlueDrive iE 개발과정에서 ISG(Idle Stop & Go), 솔라셀 등 연비개선 기술에 더하여 초저 공력(Cd 0.22) 형상개발을 통하여 기존 i30 (125g/km) 대비 30% CO2 배출량이 저감(87g/km)되었다. (공력계수는 풍동 실측치, CO2 배출량은 기술 적용 컴비네이션에 따른 시뮬레이션 결과임)

에어로 다이나믹 스타일링, 즉 디자인을 강조하기 위한 공력 개발(Function Follows Form) 과정은 iflow 칸셉카에서 구현되었음을 알 수 있다. 후드 전방과 C필라, 트렁크 디퓨져 등 와류가 형성되는 영역에 가이드 베인을 디자인 요소로 받아들여 Fluidic
Sculpture 디자인을 구현하였다. 후드 전방의 슬롯과 트렁크 하단 리어 디퓨저 슬롯은 다운포스를 형성하는 구조이다 (그림 25).

12. 결론
자동차 공력성능은 디자인 초기단계 70%가 결정되므로 공기역학적인 디자인 능력과 차별화된 디자인을 구현하기 위한 공기역학 기술개발은 프리미엄 차량개발에 있어 매우 중요한 R&D 요소이다. 차량의 상품성에 따라서 공력 연비, 동력성능을 구현하는 디자인, 즉 Form Follows Function 프로세스와 이와 반대로 차별화된 디자인을 구현하는 Function Follows Form 프로세스를 단계적으로 구현하는 플랫폼 개발이 요구된다. 공기역학의 엔지니어링과 디자인(혹은 스타일링)과 같은 예술적 분야간에 정량화된 커뮤니케이션과 공기역학적인 디자인이 구현되기 위해서는 다음과 같은 기술개발이 요구된다.

가. 차량 패키지 및 디자인 변화에 따른 와류 형성 및 양력, 항력 발생 메커니즘에 대한 이해
나. 디자이너의 예술적 표현과 공력 엔지니어간의 커뮤니케이션 기술
다. 킥업, 리어 스포일러, 디퓨저 등 디자인 요소에 대한 공력효과 이해
라. 공력한계치(현 Cd 0.25 및 향후 0.17 수준)에 대한 이해 및 구현 기술 확보
마. 패키지 요구도 및 디자인 스케치 단계 공력성능 검토 기술, 이를 이용한 다분야 최적화 플랫폼 구축
바. 차별화된 디자인 구현을 위한 능동 공력개선 기술 및 협업 프로세스 개발
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)