보이지 않는 공기의 실체를 잡아라, 자동차의 에어로다이나믹(공기역학성)
오늘날 완성차 업체들은 저항을 줄이고 효율을 늘리기 위한 연구가 지속되고 있습니다. 그중 하나가 공기역학성(Aerodyanamic) 입니다. 공기는 자동차를 밀어주는 힘을 보태주기도 하지만 종종 앞을 가로막는 거대한 벽이 되기도 합니다. 그래서 이 심술궂은 공기를 다스리려는 노력을 지속하고 있습니다.
범퍼의 역할에 대해서 정리해 보겠습니다.
범퍼(혹은 Fasicia - ASM)는 차량의 외관 디자인을 담당하고 운전자 및 탑승객들을 보호해 주는 역할을 함과 동시에 보행자들 역시 보호해 주고 있습니다.
그리고 한 가지 더, 공기저항계수를 줄이는 역할을 하고 있습니다. 공기 저항계수는 범퍼의 모양에 따라 큰 영향을 받습니다. 범퍼 디자인을 할 때 공학적 디자인과 미적인 면을 강조하는 디자인의 절충을 하여 지금 우리가 만나 볼 수 있는 자동차가 만들어지는 것입니다.
공기 저항을 수치화하다
일반적으로 차량의 전후 반향으로 작용하는 차의 앞으로의 진행을 방해하는 힘을 계수로 표현한 것을 Cd 값이라고 부르고 있습니다. Cd 값이 0에서 1사이를 갖습니다. 1일 때 최대값을 가지고 0일 때 최소값을 가지는 것입니다. 저항의 값이 Cd값이기 때문에 적으면 좋다고 표현할 수 있습니다. 통상적으로 Cd값이 10% 적게 하면 연비는 2% 좋아진다고 말하고 있습니다.
1990년대에 출시한 대우자동차 에스페로의 스펙 중에 주목할 점은 시대를 초월한 공기역학적 설계를 하였다는 것입니다. 0.29의 공지저항계수는 2008년에 출시된 타사 차량이 앞서기까지 무려 18년 동안 최저 Cd값을 가지는 차량이었습니다.
공기저항을 줄이기 위한 기술
그럼 범퍼에서 공기저항계수를 줄이기 위한 노력들을 찾아보겠습니다.
1. Air-Curtain(에어커튼)
무더운 여름 상점에 들어갈 때 문을 열게 되면 문 위에 달린 에어컨이 작동되면서 차가운 바람이 불게 되죠. 이 차가운 바람이 가계 안으로 들어오는 더운 공기를 막게 됩니다. 이런 것을 에어커튼이라고 합니다.
<2016년 카마로 ss>
카마로 ss 범퍼라인에서 로워헤드램프 옆면으로 수직의 에어커튼 덕트가 붙어 있습니다. 이 에어커튼으로 인해서 고속으로 차량이 운행시에 공기가 차량 안으로 들어오는 것이 아니라 에어커튼이 형성되어서 공기가 옆면으로 미끄러지듯이 빠져나가게 됩니다.
2. Air-Dam(에어댐)
우선 멋진 임팔라를 감상해 보시죠. 에어댐의 역할부터 설명해 드리겠습니다. 에어댐은 차 밑으로 흐르는 공기의 양을 줄이고 차량 전방 밑 부분에 약한 난류를 가진 저압 지대를 형성하는 역할을 합니다.
일반적으로 차량의 외관을 볼 때 에어댐은 잘 보이지 않습니다.
바로 빨간색인 부분이 에어댐입니다. 가까이 가서 만져보게 되면 에어댐은 플라스틱이 아닌 고무재질을 하고 있습니다. Cd값만 가진다면 힘에 의해서 휘어지는 고무보다는 플라스틱 재질이 좋습니다. 하지만 방지턱을 생각하면 이야기가 달라집니다. 차량 하부 부분은 방지턱 혹은 여러가지 장애물들이 있을 수 있습니다. 플라스틱이라면 깨질 수 있겠죠. 그래서 에어댐은 고무재질을 가지고 있으며 쉽게 휘어집니다. 신차가 개발되고 난 후에 방지 턱 테스트를 진행합니다. 수천 번의 방지 턱을 지난 후에 만약 에어댐에 손상이 있으면 다시 설계 해야만 합니다.
3. Air-Blister(에어 블리스터)
블리스터의 영문단어의 뜻은 물집, 수포입니다. 직역하면 '공기의 티눈' 정도가 되겠네요. 보시는 것처럼 타이어 디플렉터 앞에서 공기가 차량 안으로 주입되는 것을 막고 있으면 에어댐 만큼의 효과가 있는 것으로 해석결과가 나왔습니다.
공기와 차가 부딪히면 차가 주행하는 과정에서 소음이 발생합니다. 고속도로에서 창문을 열게 되면 엄청난 소리가 나는 것이 바로 공기의 소음입니다. 이 소음들은 범퍼의 디자인뿐만 아니라 사이드미러의 모양에 따라서 그 정도가 달라집니다. 차량의 디자인에 따라서 공기가 거꾸로 회전하는 와류가 생기기도 합니다. 보통 뒤가 평평하게 생긴 해치백 승용차, SUV 등의 공기가 물 흐르듯 지나가지 않고 차 뒤에서 소용돌이를 일으키면 다시 말려 들어옵니다.
이런 차량들은 뒷유리에 와이퍼가 붙어있습니다. 승용차는 뒷유리를 공기가 지나가면 빗물도 따라 없어지지만, 와류가 생기는 차들은 강제로 닦아줘야 하기 때문입니다.
인간에게는 반드시 필요한 공기, 하지만 고속에 차량에게는 엄청난 압력으로 다가오는 공기, 공기역학 및 공기저항을 줄이기 위한 노력은 계속될 것입니다. 앞으로도 지속적으로 공기저항을 줄이면서 멋진 디자인을 개발하기 위해서 노력하겠습니다. 이만 범퍼설계팀의 일원 지고릴라는 인사드립니다.
