어제도 그렇고, 가끔씩 토크와 출력에 대한 글들이 올라오는데, 제가 알고 있는 내용을 정리해봤습니다.
차에 관심이 많아 책보고 공부하고 있는데, 제가 물리전공은 했어도 자동차공학을 전공한 건 아니다 보니… 혹시 잘못된 부분이 있으면 지적 부탁드립니다.
1) 가속도와 회전가속도
가속도는 속도가 바뀌는 정도를 말합니다. 벡터니 뭐니 얘기하면 골치아프니까, 그냥 직선운동만 가정해서 그냥 속도/속력 똑같이 얘기할게요.
속력이 빠르게 올라간다 = 가속도가 크다
속력이 천천히 올라간다 = 가속도가 작다
회전하는 운동에 대해서도 같은 개념으로 정의할 수 있습니다. 자동차에서 회전속력은 RPM(분당 회전수)로 많이 표시하는데요…
RPM이 빠르게 올라간다 = 회전가속도가 크다
RPM이 느리게 올라간다 = 회전가속도가 작다
이렇게 이해하시면 됩니다.
2) 힘과 토크
F(힘) = m(질량) x a(가속도) 의 관계가 있습니다.
가속도 a = F/m이므로….
차를 밀어주거나 끌어주는 힘(구동력)이 크면 가속도가 커집니다.
하지만, 차가 무거우면 똑같은 힘을 줘도 속력이 천천히 증가합니다.
그래서 “가벼운게 장땡이다!”라는 말이 맞습니다.
회전 운동에서는 T(토크) = I(회전 관성 모멘트) x a(회전 가속도) 로 표시합니다. 단위는 Nm(뉴턴-미터) 또는 kg.m로 표시합니다.
힘과 물리량이 다르지만, 토크를 대충 회전체에 작용하는 “힘”이라고 생각하셔도 괜찮습니다.
회전 가속도 a = T/I로 토크가 높으면 회전가속도가 커집니다.
즉, 토크가 클수록 RPM이 빨리 올라갑니다.
3) 구동력 (Traction force)
앞에서는 토크를 얘기했는데, 자동차는 엔진의 회전운동을 바퀴를 이용하여 직선운동으로 바꿔줍니다.
바퀴로 전달된 토크는 차를 밀어주는 구동력을 제공하는데, 이 구동력은 다음과 같은 식으로 표현됩니다. (동력 손실은 무시할 경우입니다)
F = T(엔진의 토크) x Rt(변속기 기어비) x Rf(종단 기어비)/r(타이어 반지름)
위 식은 제가 추론한 게 아니라, 자동차 동역학을 설명하는 책에 나오는 내용입니다.
식에서 볼 수 있듯이, 토크가 크면 힘이 큽니다.
힘이 크면 F = ma이므로, 가속도가 커집니다.
즉, 토크가 커야 가속도가 커집니다.
4) 출력
출력은 힘이 아니라… 단위 시간당 얼마나 많은 “일”을 하느냐의 척도입니다. 마력, 와트(W), 또는 킬로와트(kW)등으로 표시합니다.
직선 운동에서의 출력 P = F v(속력)
회전 운동에서의 출력 P = T w(회전속력=RPM) 입니다.
식에서 보시다시피 고속에서도 힘을 내줄 수 있으면 출력이 높은 겁니다.
고출력 차량은 고속에서도 힘을 낼 수 있기 때문에, 속력을 더 올릴 수 있습니다.
저출력 차량은 고속에서 밀어줄 수 있는 힘이 부족하기 때문에 더 이상 속력을 못내거나 훨씬 천천히 가속이 됩니다.
토크와 출력에 대해서 조금 단순하게 얘기하면 아래와 같습니다.
출력
지금 속력에서 더 속력을 올릴 수 있는가?를 알려줍니다. 얼마나 더 여력이 있는가? 정도로 이해할수 있습니다.
현재 출력이 최대 출력의 50%이면 속력을 더 올릴 수 있는 여력이 충분한 것이고, 최대 출력에 도달했으면 더 이상 속력을 올리기 어려워집니다.
고출력 차는 고속에서도 가속을 할 수 있습니다.
저출력차는 고속에서 더 이상 가속을 못합니다.
이 외에도... 최대 출력은 해당 속력에서 최대로 낼 수 있는 구동력을 결정하기도 하는데, 이건 다음에 기회가 있으면 다뤄보겠습니다.
토크
악셀 밟았을 때, 목이 꺾이느냐 밋밋하냐의 정도입니다.
출력이 더 가속 할 수 있냐 없냐를 말해 준다면… 토크는 그 가속의 정도를 알려주는 양입니다. 토크가 크면 가속이 크고, 토크가 작으면 가속이 작습니다.
토크가 높으면 악셀 밟았을 때 목이 꺾입니다. (수정: 시트에 파묻힌다는 표현이 더 나을것 같습니다. 목 꺾인다는건 가속이 아니라, 가속이 없다가 가속이 생길때의 변화라서....)
토크가 낮으면 악셀 밟아도 밋밋하게 가속됩니다.
원래는 다이노 그래프와, 기어비를 고려한 속력-구동력 그래프까지 준비 했었는데 너무 길어질 것 같아서 일단 여기까지 만 정리했습니다.
또 기회가 되면 몇가지 더 정리해 보겠습니다.
보통 미션이 비슷할때
가속력=무게/마력
외우면됩니다
가속도 a = F/m = Fv/mv = 마력/(무게x속력)입니다.
구동력으로 바꾸면, F = 마력/속력이고요.
디젤은 열량때문에 토크가 크게 나오지만 연소속도 때문에 RPM이 빠르게 올라갈 수가 없어요. ;ㅂ;...
악셀을 밟았을 때, 과연 ECU가 악셀의 응답을 그대로 전달할 것인가? 이건 ECU에서 처리하며 달라질 수는 있습니다.
하지만, 일반적으로는 토크가 커야 RPM이 빠르게 올라가는건 맞습니다.
같은 알피엠에서도 연료 분사량 공기량에 따라 단위 시간당 연료량이 다릅니다.
#CLiOS
다만 잘 이해가 안되는것은, 순간적으로 개인이 느끼는 가속G 가 토크에 따라서 영향을 준다는건데
예를들어서 최대토크가 2000rpm ~ 5000rpm 까지 나오는 차량이 있다면,
차량이 가속하고 있다는 가정하에 가속G 가 RPM 과는 상관없이 동일한건가요?
사실 제가 물리학적 지식이 높은편은 아니라 정확히 제가 이해를 못하는걸수도 있는데, 운전하면서 느끼는 감각과는 좀 동떨어진거라서 잘 이해가 되지 않네요.
말씀하신대로, 2000RPM~5000RPM에서 토크가 동일하다면 G는 동일합니다.
하지만, 사람의 느낌은 좀 다른거라서....
가령, 1000RPM부터 가속하고 있는 상황이라면 G의 변화가 생깁니다. G의 변화를 더 크게 느끼게 되면 1000RPM에서 2000RPM 넘어가는 순간이 더 큰 가속으로 느낄수도 있을 것 같습니다. 그 이후는 "주욱~ 밀어준다"는 느낌일거고요.
아니면, 5000RPM에서는 속력이 높아 공기저항이 크기 때문에, 실제 차를 밀어주는 힘이 작아질수 있습니다. 이 경우에는 G가 낮아졌다고 느낄수도 있겠고요.
100km 로 주행중인 상태에서 내가 2000rpm 이라면 기어비에 따라 다르겠지만,
속도가 늘어나지 않는 항속상태에 가까울 가능성이 높고,
100km 로 주행중인 상태에서 엔진이 5000rpm 이라면 동일 기어라면, 당연히 가속 상태일텐데,
.. G 가 동일하다는게 있을수 있나요?
동일기어에서 RPM이 다르다면 같은 속력이 아니라고 이해해야 할 것 같습니다. 자동미션이면 손실때문에 그럴수도 있겠지만, 수동이나 DCT라면 말씀하신 상황이 생기지 않을 것 같습니다.
만일 기어가 다르다면 구동력이 달라집니다. 이러면 좀 얘기가 달라지고요...
결국, 바퀴에 전달되는 토크에따라 가속도를 느낀다는것은
1단에서 가장 높은 가속도를 느끼고
이후, 2,3,4,... 기어단수가 올라갈수록
느껴지는 가속도가 낮아진다는 것을 생각해보시면 될것같습니다.
그렇다면 토크가 높은 디젤엔진이 가속력이 무조건 좋은가?
아닙니다.
자동차를 움직이는 힘은 변속기를 거쳐서 전달되는데,
이 변속기의 역할이 토크를 증가시키거나 감소시키는것입니다.
토크가 낮은 엔진이라도 기어비를 크게하면 바퀴에 전달되는 토크를 동일하게 만들 수 있는것이죠.
하지만, 무작정 기어비를 크게하면 속도가 감소하기 때문에 rpm이 더 높아야 할 것입니다.
가솔린엔진은 힘을 쓰려면 rpm을 올려야 한다는 이야기가, 낮은 단수에서 높은 rpm을 사용해야
디젤엔진에서 느껴지는 토크를 느낄수 있다는 것입니다.
최대 속도나 가속력을 결정짓는 것도 바퀴에 전달되는 토크입니다.
최대속도가 200km/h 라고하면
시속 200km로 달리는 차의 모든 저항(공기, 구름, 등등...) = 200km에서 바퀴에 전달되는 토크 입니다.
이 때, 어떤 차량은 4000rpm이 필요하지만 같은 속도에서 6000rpm을 사용하는 차량도 있을것입니다.
둘 의 경우 바퀴에 전달되는 토크는 같지만
변속기를 거치기 전 엔진의 토크는
4000rpm엔진이 30이라면 6000rpm 엔진은 20이 되는것입니다.
바로 이것이 마력을통해 차량의 성능을 비교하는 이유입니다.
두 경우에서 앞의 엔진은 토크가 높지만, rpm이 낮기 때문에 변속기를 통해 바퀴에 전달되는 토크가 상대적으로 낮은것이고
앞의 엔진은 토크가 낮지만 상대적으로 높은 rpm을 활용하기 위해 높은 기어비를 통해 동일한 토크를 바퀴에 전달한것입니다.
이런 이유 때문에 가속력은 토크, 최대속도는 마력 이라는 이야기가 나오게 된것입니다.
참고로, 마력이 같으면 최대속도가 같을 수 밖에 없겠지만
가속력은 엔진의 토크 특성과 기어비에따라 달라지는것이기 때문에
무조건 어떤 경우가 빠르다 라고 할수는 없을것 같습니다.
최대속력은 디젤/휘발유의 문제가 아니라 그냥 마력이죠.
동일 마력이면 기어비에 따라 달라지고요.
안그래도 기어비를 고려한 속력-구동력 그래프도 준비했다가 말았는데, 다시 한번 소개해 보겠습니다.
우리가 흔히 말하는 rpm 은 엔진의 회전속도를 말하는것이고, "자동차의 회전속력"이라고 말씀 하시면 꼭 바퀴의 회전속도 랑 혼동될수가 있겟네요.
그리고 토크가 클수록 rpm 이 빨리 올라간다? 는 아닙니다.
토크Xrpm= 마력 이기 때문에 토크가 높을 수록 낮은 rpm 에서 더 높은 출력을 낼수 있다. 가 맞는 표현이라고 생각합니다.
그리고 목이 꺽이는 정도는 순전히 a, 가속도와 비례합니다. 토크는 힘의 개념이구요.
우리 머리가 받는 힘(일종의 반작용력)은 ma 즉, 머리의 무게X 차의 가속력이기 때문이죠.
정확히 얘기하면 말씀하신게 맞습니다.
RPM의 변화는... 엔진의 흡/배기, 또는 ECU개입등이 아니라면... RPM의 변화율는 회전가속도(각각속도)이고, 이건 토크에 비례해야 하는게 맞습니다. 여기에 굳이 마력의 개념이 들어올 필요는 없어요.
토크는 말하자면 엔진 내부 폭발에 의해 크랭크축을 미는 힘 (휠을 미는 힘이 아닙니다) 이라고 보시면 될것 같습니다.
저는 rpm의 변화율이 뭐에 의해 결정되는지는 정확히 모르겟습니다.
토크가 가속도와 비례 관계인게 아니라. 마력이 가속도와 비례 관계인겁니다.. 마력은 토크 X rpm 이구요.
예를 들면 토크가 40 .rpm2000 인 차와 토크 20, rpm 6000 인 차가 있다면, 후자가 더 마력이 높고, 두차가 동일한 기어. 동일한 속도라면 가속도도 뒷차가 더 빠를겁니다.
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일단, 동일 기어라면 RPM상승->속력 상승입니다.
디젤차가 RPM상승이 낮다는건 어떤 기준인건지 잘 모르겠습니다.
그리고, 가속도는 구동력에 비례하고, 구동력은 토크에 비례합니다.
마력이 아닙니다.
마력으로 쓸 수도 있는데, a = P/mv 이렇게 쓸 수도 있기는 합니다. 이 경우에는 마력에 비례하지만, 속력까지도 고려해야 합니다. 저 식을 다시 풀어보면 결국 토크로 귀결되고요. 토크로 얘기하면 가속도 얘기할 때 속력을 고려할 필요도 없습니다.
솔직히 이건 논란의 여지가 없어요....
그리고 말씀하신 예제라면(기어비가 동일하다면), RPM2000까지는 토크 40인 차의 가속도가 더 높습니다. 다만 그 이후에는 토크20인 차의 가속이 높은거고요.
따라서 처음에는 토크 40인 차가 앞서나가지만, 그 이후에는 토크 20인차가 앞섭니다. 전 영역에걸쳐 20인차가 앞서는게 아니라요.
소위말해 앞차는 "후빨이 딸린다"는 평을 받겠죠.
구동력은 토크X rpm 에 비례하고. (동일 rpm 이면 토크가 높다면 구동력이 더 높겟죠)
마지막문단의 말씀은 rpm 을 800-> 부터 차근차근히 올릴때를 말씀하시는거구요.
제가 말씀 드리고자 함은 그 상태. 를 말씀 드리는 겁니다.
전자가 rpm 2000 인 상태이고, 후자가 rpm 6000 인 상태라면 토크가 더 낮아도 가속도가 빠르다는 예씨를 보여드리려고 말씀 드린겁니다.
전형적인 토크의 오해를 하고 계신것 같네요.
토크가 낮고 고 rpm을 쓸수 있는 가솔린 터보가 더 가속력은 좋습니다.
그리고 같은 rpm을 올리는데 필요한 시간. 반응성이라고 하시는데.
골프 gtd 와 gti 가속에서는 gti가 가솔력이 좋습니다 토크가 낮지만.
실제 같이 가속하는 rpm변화를 보면 디젤은 4000rpm올라갈때 가솔린은 벌써 6000까지 올라가서 기어를 업을 하죠.
가속력은 말씀하신대로 힘과 무게가 연관이 있죠. 마력이 그 차를 움직이는.힘이 될거고.
토크가 크면 힘이 더 클수 있지만 같은 rpm에서의 이야기고.
rpm의 변화량이 더 크다면 같은 토크라면 더 힘이 크죠.
같은 시간에 벌써 rpm이 더 올라서 더 큰 힘이 생깁니다.
천천히 rpm을 올리는 경우와는 다릅니다
그 차이가 골프 gtd gti의 차이죠.
토크만이 가속력에 영향을 주는게 아니라 rpm도 영향을 줍니다.
반응성이 빠른 가솔린이 그래서 낮은 토크지만 더 빨리 rpm이 올라서 토크빨이 좋은 디젤보다 더큰 힘이 생겨 가속력이 좋죠.
물론 그외 기어비나 구름저항이나 차량의 공기저항력들이 양향을 주지만. 기본적으로 같은 시간에 어느 마력까지 나타나느냐에 따라 가속력은 차이가 나죠.
2초만에 최대 마력이 나오냐
3초만에 최대 마력이 나오냐에 따라.차량의.가속력은 달라집니다. 힘뿐만 아니라.
가속력은 시간도 차이가 있으니까요.
from CV
음... 아무래도 잘못 알고 계신것 같습니다.
구동력은 토크에 직접 비례합니다.
2000rpm과 6000rpm에서 기어비가 같고 토크가 같다면 가속도는 동일합니다.