자동차 항력계수

Automobile drag coefficient
에드먼드 럼플러의 1921년형 트로펜바겐은 크라이슬러 에어플로와 타트라 77 이전에 공기역학적으로 설계된 최초의 직렬 생산 자동차였습니다.

항력 계수는 공기역학과 관련되어 있기 때문에 자동차 설계에서 일반적으로 사용되는 척도입니다. 드래그는 공기 흐름과 평행하고 같은 방향으로 작용하는 힘입니다. 자동차의 항력 계수는 자동차가 주변 공기를 통과하는 방식을 측정합니다. 자동차 회사는 새로운 차량을 설계할 때 다른 성능 특성 외에 자동차 항력 계수를 고려합니다. 공기역학적 항력은 속도의 제곱에 따라 증가하므로 고속에서는 매우 중요합니다. 자동차의 항력 계수를 낮추면 속도와 연비가 향상되므로 차량의 성능이 향상됩니다.[1] 차량의 항력을 줄이기 위한 다양한 방법이 있습니다. 차량의 항력을 측정하는 일반적인 방법은 항력 영역을 통과하는 것입니다.

드래그 감소의 중요성

도로 차량의 항력 감소로 인해 차량의 최고 속도와 차량의 연비는 물론 핸들링 및 가속과 같은 다양한 성능 특성이 향상되었습니다.[2] 항력에 영향을 미치는 두 가지 주요 요인은 차량의 정면 영역과 항력 계수입니다. 항력 계수는 물이나 공기와 같은 유체를 통해 물체가 얼마나 저항하는지를 나타내는 단위가 없는 값입니다. 차량의 공기 역학을 변경할 때 발생할 수 있는 잠재적인 복잡성은 차량이 너무 많이 들어올 수 있다는 것입니다. 리프트는 차량 차체 주변의 공기 흐름에 수직으로 작용하는 공기 역학적 힘입니다. 리프트가 너무 많으면 차량의 도로 트랙션이 손실되어 매우 안전하지 못할 수 있습니다.[3] 항력 계수를 낮추는 것은 차량의 외부 차체를 효율화하는 데서 비롯됩니다. 차체를 효율화하려면 주변 공기 속도와 차량의 특징적인 사용에 대한 가정이 필요합니다.

드래그를 줄이기 위한 전략

차량의 부품 삭제는 설계자와 차량 소유자가 적은 비용과 노력으로 차량의 기생 및 정면 항력을 줄일 수 있는 쉬운 방법입니다. 삭제는 애프터마켓 부품이나 생산 후 차량에 설치된 부품을 제거하거나 OEM 부품을 수정 및 제거하는 것처럼 간단할 수 있습니다. 즉, 차량에서 원래 제조된 차량의 모든 부품을 의미합니다. 대부분의 생산 스포츠카와 고효율 차량은 자동차 및 레이스 시장에서 경쟁력을 갖추기 위해 이러한 삭제가 기본적으로 제공되는 반면, 다른 차량은 시각적 측면에서 차량의 이러한 드래그 증가 측면을 유지하거나 고객 기반의 일반적인 용도에 맞게 선택합니다.[4]

스포일러

리어 스포일러는 일반적으로 대부분의 스포츠 차량에 기본으로 제공되며, 차량 후방의 융기된 날개 모양과 유사합니다. 차량 디자인에서 리어 스포일러의 주된 목적은 리프트에 대항하여 고속에서 안정성을 높이는 것입니다. 가능한 한 낮은 항력을 달성하기 위해서는 가능한 난류 영역에 접촉하지 않고 유선형의 차량 차체 주위로 공기가 흘러야 합니다. 리어 데크 뚜껑에서 벗어난 리어 스포일러 디자인은 다운포스를 증가시켜 고속에서 리프트를 감소시키는 동시에 드래그 패널티를 발생시킵니다. 아래쪽으로 약간 치우친 평면 스포일러는 난류를 감소시켜 항력 계수를 감소시킬 수 있습니다.[5] 일부 자동차는 자동으로 조정 가능한 리어 스포일러를 갖추고 있기 때문에, 저속에서는 리프트 감소의 이점이 필요 없을 때 드래그에 미치는 영향이 줄어듭니다.

거울

사이드 미러는 모두 차량의 정면 면적을 증가시키고 차량 측면에서 돌출되기 때문에 항력 계수를 증가시킵니다.[6][7] 사이드 미러가 차량의 항력에 미치는 영향을 줄이기 위해 사이드 미러를 작은 미러나 다른 모양의 미러로 교체할 수 있습니다. 2010년대의 몇몇 컨셉트카들은 거울을 작은[8] 카메라로 대체하고 있지만, 대부분의 국가들은 사이드 미러를 필요로 하기 때문에 이 옵션은 생산용 자동차에서는 흔하지 않습니다. 미러를 카메라로 교체한 최초의 생산 승용 자동차 중 하나는 Honda e였으며, 이 경우 Honda는 카메라가 공기역학적 항력을 "기존 도어 미러에 비해 약 90% 감소"하여 차량 전체의 항력을 약 3.8% 감소시키는 데 기여했다고 주장합니다.[9] 사이드 미러 2개가 자동차 전체 공기역학적 항력의 2~7%를 담당하는 것으로 추정되며, 이를 제거하면 미국 갤런당 1.5~2마일의 연비를 향상시킬 수 있습니다.[10]

무선안테나

크기가 작아 항력계수에 가장 큰 영향을 주지는 않지만, 차량 전면에서 돌출되어 흔히 볼 수 있는 무선 안테나는 차량을 재배치하고 설계를 변경하여 추가된 항력을 제거할 수 있습니다. 표준 자동차 안테나의 가장 일반적인 대체품은 대부분의 고효율 차량에서 볼 수 있는 샤크 핀 안테나입니다.[11]

바퀴

Tesla 모델 3의 커버가 장착된 알로이 휠

공기가 휠 웰 주위에 흐르면 차량의 림에 의해 방해를 받아 휠 주위에 난류 영역이 형성됩니다. 휠웰 주위로 공기가 더욱 원활하게 흐르기 위해서는 부드러운 휠 커버를 적용하는 경우가 많습니다. 부드러운 휠 커버는 공기가 통과할 수 있도록 구멍이 없는 허브 캡입니다. 이러한 설계는 항력을 감소시키지만 커버가 브레이크 시스템 주변의 공기 흐름을 방지하기 때문에 브레이크가 더 빨리 가열될 수 있습니다. 결과적으로 스포츠카나 경주용 차량보다는 고효율 차량에서 이러한 변화를 더 흔하게 볼 수 있습니다.[12]

에어커튼

프론트 에어 커튼이 달린 2017 Land Rover Discovery

에어 커튼은 차체의 슬롯에서 공기 흐름을 전환하여 휠 웰의 외부 가장자리로 유도합니다.[13][14][15]

부분 그릴 블록

차량의 프론트 그릴은 라디에이터를 통해 공기를 유도하는 데 사용됩니다. 유선형 설계에서는 공기가 통과하는 것이 아니라 차량 주변으로 흐릅니다. 그러나 차량의 그릴은 차량 주변에서 차량을 통과하는 방향으로 공기 흐름을 전환시켜 항력을 증가시킵니다. 이러한 영향을 줄이기 위해 그릴 블록이 자주 사용됩니다. 그릴 블록은 차량의 프론트 그릴 일부 또는 전체를 덮습니다. 대부분의 고효율 모델이나 드래그 계수가 낮은 차량에서는 이미 매우 작은 그릴이 차량 디자인에 내장되어 그릴 블록이 필요하지 않습니다. 대부분의 생산 차량에서 그릴은 일반적으로 라디에이터를 통해 엔진룸으로 빠져나가는 공기 흐름을 극대화하도록 설계되어 있습니다. 이러한 설계를 통해 엔진실로 공기가 너무 많이 유입되어 엔진이 적시에 예열되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 그릴 블록을 사용하여 엔진 성능을 높이고 차량의 항력을 동시에 감소시킬 수 있습니다.[16][page needed]

트레이 밑

차량의 하부는 종종 다양한 장소에 공기를 가두고 차량 주변에 난류를 더합니다. 대부분의 경주용 차량에서 이는 언더 트레이라고 불리는 차량 하부 전체를 덮음으로써 제거됩니다. 이 트레이는 차량 아래에 공기가 갇히는 것을 방지하고 항력을 줄입니다.[12]

펜더 스커트

펜더 스커트는 종종 차량의 차체 패널을 확장하고 휠 웰 전체를 덮는 형태로 제작됩니다. 부드러운 휠 커버와 마찬가지로 이 개조는 공기가 휠 웰에 갇히는 것을 방지함으로써 차량의 항력을 감소시키고 차체를 합리화하는 데 도움이 됩니다. 펜더 스커트는 타이어가 돌아가지 않고 디자인이 훨씬 간단하기 때문에 차량의 뒷바퀴 우물에서 더 흔히 볼 수 있습니다. 이는 1세대 혼다 인사이트와 같은 차량에서 흔히 볼 수 있습니다. 프론트 펜더 스커트는 뒷바퀴 스커트와 동일한 항력 감소 효과를 갖지만, 회전이 이루어짐에 따라 타이어가 차체에서 튀어나오는 것을 보완하기 위해서는 차체에서 더욱 상쇄되어야 합니다.[12]

보트테일즈와 캄백스

보트 테일은 차량의 총 항력을 크게 줄일 수 있습니다. 보트 테일은 차량에 보다 효율적인 프로파일을 제공하는 눈물 방울 모양을 만들어 항력 유도 흐름 분리 발생을 줄입니다.[17] 캠백은 잘린 보트 꼬리입니다. 차량 후방의 연장선으로 만들어져 후방이 자동차 범퍼를 향해 약간의 각도로 뒤쪽으로 이동합니다. 이렇게 하면 드래그도 줄일 수 있지만 보트 테일은 차량의 드래그를 더 줄일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 실용적이고 스타일적인 이유로 캠백은 경주, 고효율 차량 및 트럭 운송에서 더 흔히 볼 수 있습니다.[18]

예제 드래그 계수

평균적인 현대 자동차는 0.25에서 0.3 사이의 항력 계수를 달성합니다. 스포츠유틸리티차량(SUV)은 일반적으로 박시한 모양을 갖추고 있으며, 일반적으로 Cd=0.35–0.45의 성능을 발휘합니다. 차량의 항력 계수는 차량의 차체 형태에 영향을 받습니다. 그 외에도 다양한 특성이 드래그 계수에 영향을 미치며, 이 예제에서는 이러한 특성을 고려합니다. 많은 스포츠카들은 다운포스가 드래그를 의미하기 때문에 놀라울 정도로 높은 드래그 계수를 가지고 있는 반면, 다른 스포츠카들은 속도와 효율성을 추구하기 위해 공기역학적으로 매우 높게 설계되어 결과적으로 훨씬 낮은 드래그 계수를 가지고 있습니다.

주어진 차량의 Cd는 어떤 풍동에서 측정되는지에 따라 달라집니다. 최대 5%의 변동이 문서화되었으며[19] 테스트 기법과 분석의 변동도 차이를 만들 수 있습니다. 따라서 드래그 계수가 Cd=0.30인 동일한 차량이 다른 터널에서 측정된 경우 Cd=0.285에서 Cd=0.315 사이의 어느 곳에 있을 수 있습니다.


생산 차량
역년 자동차 Cd
2008 Land Rover Defender 0.59[20]
1938 폭스바겐 비틀 (원디자인)[21][22] 0.48
1979 폭스바겐 카브리올레 (토끼컨버터블) 0.48 [23]
2018 지프 랭글러(JL) 0.454[24]
2002 아리엘 아톰 0.40[25]
2011 포드 레인저 0.40 [26]
1999 닛산 스카이라인 R34 GT-R 0.34 [27]
1962 알파 로미오 줄리아(살롱) 0.33 [28]
2010 포드 퓨전 0.33 [29]
2012 파가니 화이라 0.31 [30]
2019 토요타 코롤라 (E210, 영국) 0.31 [31]
2001 도요타 프리우스 0.29[32]
2005 쉐보레 콜벳 C6 0.286[33]
2012 스바루 BRZ 0.27[34]
1999 혼다 인사이트 0.25[35]
2012 테슬라 모델 S 0.24 [36]
2017 테슬라 모델 3 0.23[37]
2019 포르쉐 타이칸 터보 0.22[38][a]
2023 리 오토 메가 0.215[39][40]
2021 메르세데스-벤츠 EQS 0.20[41][b]
2022 루시드 에어 0.197[42][c]
2024 샤오미 SU7 0.195[43]
1996 제너럴 모터스 EV1 0.19[44]


컨셉트 및 실험차
역년 자동차 Cd
1952 알파 로미오 디스코 볼란테 0.26
1933 다이맥시온 카 0.25
1954 알파 로미오 B.A.T. 7 컨셉 0.19 [45]
2022 광년 0 0.175 [46][47]
2022 메르세데스-벤츠 비전 EQXX 0.170 [48]
2000 제너럴 모터스 프리셉션 0.16 [49]
2013 폭스바겐 XL1 0.19[50]
1965 골든로드 본네빌 경주차 0.117
2022 선스위프트7 0.095[51] [52]
2001 누나, 세계 솔라 챌린지 우승자 0.07
2018 에코러너8 (쉘 에코마라톤) 시제품 0.045

드래그 영역

디자이너들은 자동차의 전체적인 모양에 주목하면서도 모양의 정면 영역을 줄이는 것이 항력을 줄이는 데 도움이 된다는 점도 염두에 두고 있습니다. 드래그 계수와 면적 – 드래그 면적 –의 곱은 CdA(또는 CAx)로 표시되며, 이는 면적 기준 Cd 값의 곱입니다.

항력 영역이라는 용어는 공기역학에서 유래한 것으로, 일부 기준 영역(단면적, 총 표면적 등)과 항력 계수의 곱입니다. 2003년, Car and Driver 잡지는 다양한 자동차의 공기역학적 효율성을 비교하기 위한 보다 직관적인 방법으로 이 메트릭을 채택했습니다.

항력을 극복하는 데 필요한 힘 F는 항력 방정식으로 계산됩니다. = × × 드래그 계수 × 기준 면적 × 속도 2 {\displaystyl F ={\tfrac {1}{2}}\times {text{공기 밀도}}\times {tdrag 계수}\text{기준 면적}\times {text{speed}^{2} 따라서 다음과 같습니다. = × × × 2 {\displaystyl F ={\tfrac {1}{2}}\times {\text{공기 밀도}\times \mathbf {\tdrag 영역}}\times {\text{speed}^{2}} 드래그 계수 및 기준 영역이 드래그 영역 항으로 붕괴된 경우. 이를 통해 드래그 영역만 알려져 있는 모든 차량에 대해 주어진 속도에서 드래그 힘을 직접 추정할 수 있으므로 비교가 용이합니다. 드래그 영역 CdA는 주어진 크루즈 속도에 필요한 전력을 결정하는 기본값이므로 일정한 속도에서 연료를 소비하는 데 중요한 매개 변수입니다. 또한 이 관계를 통해 튜닝된 엔진이 장착된 자동차의 새로운 최고 속도를 추정할 수 있습니다.

또는 목표 최고 속도에 필요한 전력:

일반적인 대형 승용차의 항력 면적은 약 8 평방 피트(02.74 m)입니다. 보고된 항력 영역은 5.1 평방 피트(0.47 m2)의 1999 Honda Insight부터 26.5 평방 피트(2.46 m2)의 2003 Hummer H2까지 다양합니다. 자전거의 드래그 면적은 6.5~7.5 평방 피트(0.60~0.70m2)입니다.[53]

CdA의[54] 자동차 예
CdA sqft CdAm2 자동차 모델
3.00평방피트 0.279m2 2011년형 폭스바겐 XL1
3.95 평방 피트 0.367m2 1996년형 GM EV1
5.52 평방 피트 0.513m2 2019 포르쉐 타이칸 터보[38]
5.6 평방 피트 0.52m2 1993 마쓰다 RX-7 FD (기본 모델)
5.90 평방 피트 0.548m2 2015년식 BMW[56] i8
5.96 평방 피트 0.554m2 1993 Mazda RX-7 FD R1(R2)[55]
6.0 평방 피트 0.56m2 2001년 혼다[57] 인사이트
6.05 평방 피트 0.562m2 2012 테슬라 모델 SP85[57]
6.08 평방 피트 0.565m2 1989년 지오메트리[58]
6.19 평방 피트 0.575m2 1981 Citroën GSA X3 [59]
6.20 평방 피트 0.576m2 2014년형 토요타 프리우스[57]
7.00 평방 피트 0.650m2 2013 메르세데스-벤츠 CLA250[57]
7.63 평방 피트 0.709m2 1974 Citroën CX[59]
7.80 평방 피트 0.725m2 2012년 닛산 리프 SL[57]
8.1 평방 피트 0.75m2 르노 조에[60] 2016
8.79 평방 피트 0.817m2 1956년 ë DS 페시알
13.0 평방 피트 1.21m2 2019 램 1500[61]
13.1 평방 피트 1.22m2 2021 지프 와고니어 (WS)[62]
17평방피트 1.6m2 메르세데스-벤츠 G클래스[63] 2013
컨셉트카/실험차
CdA sqft CdAm2 자동차 모델
0.21 평방 피트 0.020m2 팩카 II[64]
2.04 평방 피트 0.190m2 2011년 아프테라 2 시리즈[65]
2.50평방피트 0.232m2 1986년 트위크[66]
2.54 평방 피트 0.236m2 2002 오펠 에코 스피드스터
2.78 평방 피트 0.258m2 2010 에디슨2 초경량 자동차[68]
3.27 평방 피트 0.304m2 1987 르노 VESTA II [fr][69]
5.00 평방 피트 0.465m2 2005년 메르세데스-벤츠 바이오닉[70]

참고 항목

메모들

  1. ^ 로우 레벨 및 폐쇄 공기 흡입 플랩과 조합된 레인지 모드
  2. ^ "Sport" 주행 모드에서 19인치 AMG 휠/타이어 조합 포함
  3. ^ 19인치 휠/tire 조합 포함

참고문헌

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