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주행 저항과 제동력 계산 방법 (구름, 공기, 가속, 등판 저항)

by vicddory 2017. 5. 20.

주행 저항과 제동력 계산 방법 (구름, 공기, 가속, 등판 저항)


흔히 주행 저항이라고 하면 구름 저항, 공기 저항, 가속 저항, 등판 저항을 말한다. 그렇지만 때에 따라 전주행 저항을 포함해 5종을 일컫기도 한다. 결과적으로 주행 저항은 제동력과 밀접한 관계가 있는데, 이 포스트에서는 전주행 저항을 포함한 주행 저항 5종과 제동력 계산을 다룬다.


구름저항

구름저항은 차량이 수평 노면 위를 굴러 이동할 때 받는 저항의 총합으로


- 타이어를 변형시키는 저항

- 차량 각부의 마찰

- 노면을 변형시키는 저항


등으로 구성되는데, 구름 저항의 대부분은 회전하는 타이어의 변형에 드는 일에 의해 발생한다.

노면이 연약하거나 수막현상이 있을 때는 노면을 변형시키는 저항을 고려해야 하나 때에 따라서는 무시해도 관계없다. 그리고 때에 따라 각부의 마찰에 의한 저항은 동력 전달 효율로서 고려되므로 구름저항은 단지 타이어의 변형저항만을 고려해도 역시 관계없다.


예시)



- 표) 도로조건에 따른 구름저항계수


차종

도로상태

구름저항계수(μR)

 승용차용 공기 타이어

 콘크리트(건조)

 콘크리트(젖음)

 아스팔트(건조)

 아스팔트(젖음)

 자갈+타르(건조)

 비포장도로(딱딱함)

 농로/모랫길

 0.01~0.02

 0.02~0.03

 0.01~0.02

 0.02~0.03

 0.02~0.03

 0.05

 0.1~0.35

 상용차용 공기 타이어

 콘크리트, 아스팔트(건조)

 0.006~0.01

 기차용 금속 차륜

 철로(건조)

 0.001~0.002


공기저항

공기저항은 공기에 노출된 물체가 운동할 때 진행방향의 반대방향으로 작용하는 공기력으로 공기저항은 공기밀도, 앞 투영 단면적, 주행속도, 차량의 형상 등에 의해 결정된다.


주행속도는 바람의 속도와의 합성속도로 실내 환경으로 인해 바람의 속도는 무시한다. 공기밀도는 상온(20°C)에서의 값을 취하며 공기저항계수는 평판일 때의 공기저항계수 값을 취한다.


예시)



물체의 기본형상에 따른 공기저항계수물체의 기본형상에 따른 공기저항계수

가속저항

일반적으로 물체의 운동 속도를 상승시키려면, 그 물체의 관성력을 극복해야 한다. 따라서 가속저항을 관성저항이라고 한다. 관성저항은 크게 직진 관성저항과 차륜 등의 동력전달계의 회전방향에 대한 회전 관성저항이 있으며 결과적으로 차량의 질량이 증가한 것과 같은 현상으로 나타난다.


이를 고려한 가속저항은 다음과 같다.


예시)



등판저항

수평 노면이 아닌 경사진 노면을 주행할 때 생기는 중력에 대한 저항력을 등판저항 또는 구배저항이라 하며, 구배저항은 노면 경사각에 비례하는데 등판 경사도가 크지 않을 경우 수평거리(100)에 대한 높이와의 비인 백분율로 대체하며 다음과 같다.


예시)



전주행저항(구동력)

차량의 임의 속도로 주행 시 운동에 대항하여 발생하는 전주행저항은 개별 저항의 합으로 나타나며, 그 결과는 다음과 같다.


예시)



차량의 속도는 1㎧ 가속도는 0.4㎨일 때 구동력은 279㎏이며 구동륜의 슬립 손실을 무시하면 구동마력 및 구동부의 회전력은 다음과 같다.  


예시)



예시)



차량 구동부 Wheel이 2개라면, 한 개에 필요한 최소한의 구동마력은 1.37kW 이상이며 회전력은 174Nm 이상이 필요하다. 

제동력 계산

움직이는 차량을 제동하기 위해서는 타이어와 노면 사이의 점착마찰을 이용한다. 차량의 총제동력(FB)은 각 차륜에 작용하는 제동력(FBR)의 합으로 표시되며 차량의 무게중심에 작용하는 것으로 가정한다.


차량의 총 제동력은 제동할 때 차량의 질량(m)에 의해 발생하는 관성력과는 반대다. 즉, 제동력과 관성력은 서로 대항하며, 관성력은 차량의 질량과 제동감속도의 곱으로 식 1과 같다.


제동력을 구하기 위해서는 차량의 무게와 제동 시 제동 감속도를 알아야 한다. 차량의 제동 감속도는 차량의 무게중심 및 차륜의 축간거리 및 노면과의 점착마찰계수에 의해 결정되며 식2와 같다. 


식 1)



식 2)



b = 적차 시 전륜 축과 차량 무게 중심과의 거리

u = 노면과 타이어의 점착 마찰계수

H = 적차 시 차량 중심과 전륜 축과의 거리

L = 축간거리 

R = 제동력비

a = 제동 감속도


식 3)



m = 차량의 질량

a = 제동 감속도


 = 후륜 Wheel 한 개에 작용하는 제동력


 = 구동 Whell 반경


T = Whell의 소요 제동 Torque

i = 구동 모터 감속비

n = 전달 효율


= 모터 축에 연결된 전자


식 4)



v = 차량 주행속도

a = 제동 감속도

S = 제동거리


주행 저항과 제동력 계산 방법 (구름, 공기, 가속, 등판 저항)

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