이 전 글에서 우선 가속도, 힘, 토크, 출력등에 대해 언급했는데요(http://clien.net/cs2/bbs/board.php?bo_table=cm_car&wr_id=2246193CLIEN)..
이번에는 다이노 그래프와 기어비를 고려한 속력-구동력 그래프를 가지고 추가로 설명해보겠습니다.
제 생각에는 용어를 다르게 사용하셔서 혼란이 생기는 경우도 있고, 초점을 어디에 두느냐에 따라 조금 의견이 달라지는 경우도 있는 것 같습니다. 일단 저는 이 전글에서 명시한 용어들을 사용하겠습니다. 그리고, 그게 공식 용어들이고요…
첨부한 그림 (a)는 포르쉐 911 터보의 다이노 그래프입니다. 포르쉐에서 제공하는 카탈로그에 나오는 그림입니다.
다이노는, 엔진회전속력에 따라 토크와 출력을 보여주는 그래프입니다.
특징적인 몇 군데를 언급해보면,
(A) 2000 RPM -> 출력 140 kW, 토크 660 Nm
(B) 5000 RPM -> 출력 350 kW, 토크 660 Nm
(C) 6500 RPM -> 출력 397 kW, 토크 590 Nm
토크와 출력에 대해 살펴보면 다음과 같습니다.
토크 - 가속도를 예상할 수 있습니다.
다시 언급하지만, 가속도는 구동력에 비례하고, 구동력은 엔진토크에 비례합니다.
가속도 a = F/m 이고, F = 엔진토크 x 전체기어비율 / 바퀴반지름입니다.
그래프를 보고 알 수 있는 건, (A)-(B)구간 즉 2000RPM ~ 5000RPM에서 최대 가속도를 유지하고 그 이상에서는 가속도가 줄어듭니다. 이게 급격히 줄면 “힘이 빠진다”는 느낌을 줍니다.
출력 – 앞으로 얼마나 더 속력을 높일 수 있는지 알 수 있습니다.
(A)에서는 140kW, (B)에서는 350kW입니다. 그러면 (B)에서 가속도가 2배 이상 더 높은가요? 아닙니다. 토크가 같기 때문에 가속도는 같습니다.
그러면 출력값은 뭐에 쓰느냐?
얼마나 더 여력(?)이 남았는지 확인 할 수 있습니다.
(A)지점에서 140kW이면, 아직 최대 출력 397kW까지는 한참 남아있죠. 즉, 아직 한참 더 속력을 올릴 수 있다는 지표가 됩니다.
반면 (B)에서는 현재 350kW인데 최대 출력까지는 47kW밖에 안남았으니, 앞으로 속력을 내봐야 얼마 더 못 낸다는 의미가 됩니다.
다이노 그래프에 대해 간단히 정리하면 아래와 같습니다.
토크 – 가속도를 예상할 수 있습니다.
출력 – 얼마나 더 속력을 높일 수 있는지 알 수 있습니다.
이제는, 기어비를 고려해 보겠습니다.
코르벳Z06의 다이노(그림(b))와 이 차의 기어비를 고려해서 구성한 속력-구동력 그래프(그림(c))입니다. 책 Physics of Gearheads에서 발췌했습니다.
저 다이노를 이용해서 그림(c)를 계산합니다.
그림(c)에 보면 곡선들이 보이는데요… 이게 각 이어 단수별로, 속력에 따라 계산한 구동력입니다.
구동력은 반복해서 언급한 F = 엔진토크 x 전체기어비율 / 바퀴반지름 입니다.
X축은 속력입니다. 속력도 기어 비율등의 정보를 알면 RPM으로부터 계산됩니다. 즉, 속력과 RPM은 1:1 관계입니다. 속력이 빠르게 올라가면 RPM도 빠르게 올라갑니다.
그냥 다이노 그래프에서 X축과 Y축에 기어 비율을 곱해서 가져다 붙였다고 보시면 됩니다.
기어가 높아지면, 동일 RPM당 속력이 늘어나지만, 그래프에서 보실 수 있듯이 구동력은 감소합니다. 앞서 언급한 F = 엔진토크 x 전체기어비율 / 바퀴반지름에서 “전체기어비율”에 해당하는 값이 낮아지거든요….
그림(c)를 보고, 변속 시점을 가늠할 수도 있고, 속력별 저항 그래프가 따로 있으면 최대 속력이 얼마가 될지도 예측 가능합니다.
먼저 1단부터 보겠습니다.
악셀을 밟으면 “First gear”로 표시된 구동력을 가지고 차를 가속합니다. 점점 속력이 올라가겠죠.
그러다가 60 mph넘기 시작하면 구동력이 급감해서 빨간색 2단기어를 쓰는거랑 별반 차이가 없어집니다. 그러면 2단 기어로 바꿔야겠죠.
다시 악셀을 계속 밟아 속력을 올립니다. 90mph근처에 가면 구동력이 급격히 떨어지며 노란색 3단기어의 구동력과 별반 차이가 안납니다.
최대 가속을 유지하며 기어변속을 하려면 이렇게 변속을 하게 되고, 그림(c)가 토크곡선에서 왔기 때문에 이것도 결국 토크 이야기가 됩니다.
이제 출력 얘기를 해보겠습니다.
“딴거 다 필요없고, 마력 높은게 짱이다!”
왜 이 말이 나오는지 이 그래프에서 설명이 됩니다.
중간에 “Force at Max-power”로 표시된 곡선이 하나 있습니다. 이걸 “최대 구동력 곡선”이라고 하겠습니다. 이게 뭐냐하면…. 그 차가 가질 수 있는 최대 구동력을 보여주는 선입니다. 기어비를 아무리 바꿔도 각 속력에서 저 선보다 더 높은 구동력을 가질 수는 없습니다.
저 곡선은 최대구동력 = 최대출력/속력 으로 표시되는 곡선이라 엔진토크와는 별개로 최대출력에만 관련 있는 양입니다.
최대출력이 높은 엔진을 가지고 있다면, 저 곡선은 우상향으로 이동합니다. 그러면, 기어비 잘 조정할 경우 구동력을 높일 수 있습니다.
반대로 엔진의 최대출력이 낮다면, 특정 속력에서 구동력을 올리고 싶어도 더 못올립니다.
즉, 마력이 동일하면, 엔진의 토크밴드가 좁건, 어느 놈이 높건 간에 기어비 조정을 통해 어느정도 비슷한 특성을 만들 수 있게 됩니다.
몇가지 예를 들어보겠습니다.
1. 동일 최대출력
토크곡선이 매우 평평한 경우, 엔진A는 최대토크 800Nm, 최대출력RPM이 4000RPM이고, 엔진B는 최대토크 400Nm, 최대출력RPM이 8000RPM이라고 해보죠. 토크가 반으로 낮아지는 대신, 최대출력RPM이 두배로 늘어나면 두 엔진의 최대출력은 동일합니다.
이 경우 두 차량의 기어비만 두배로 바꿔주면 완전히 동일한 속력-구동력 그래프를 얻을 수 있습니다.
이런 이유 때문에 마력이 짱이다란 얘기가 나오는거고요.
2. 최대출력과 최고속력
그림(c)에는 표시되어 있지 않은데, 그 그래프에 속력에 따른 저항력을 같이 그릴 수 있습니다. 그 저항력 선이 “Force at Max-power”선과 만나는 지점이 그 차가 낼 수 있는 최고 속력이 됩니다.
물론 항상 그 속력이 가능한 것은 아니고, 그 속력까지 구동력을 유지할 수 있도록 기어가 조정된 경우 가능합니다.
3. 엔진의 토크곡선이 넓고 평평하지 않고, 볼록하게 형성되는 경우
경유엔진들이 이런 형상을 갖더라고요…. 이 경우, 최대토크는 높지만, 그 높은 토크가 넓게 유지되지 못합니다. 이 상황에서 변속기 구성을 듬성듬성 할 경우, 가속하며 힘 빠지는게 너무 심해지죠. 따라서, 이런 경우에는 변속기를 촘촘하게 구성하게 되는데, 이러면 기어 단수가 많아지지 않는 한 고속 주행이 어려워집니다. 대부분의 경우차들이 저속에서는 토크빨 받혀주지만 고속에서 급격히 힘이 빠지는 원인입니다.
4. 경유차는 RPM이 천천히 올라가고, 휘발유차는 RPM이 빠르게 올라간다
두 차량의 출력이 같다면 이것과 가속과는 전혀 관계가 없습니다. 1번에서 예를 다시 생각해봅시다.
변속기 구성을 바꿔주면 엔진A가 2000RPM->4000RPM으로 2000만큼 바뀌는 것과, 엔진B가 4000RPM->8000RPM으로 4000만큼 바뀌는게 완전히 동일한 효과를 가질 수 있습니다.
경유차의 RPM이 천천히 올라가고, 휘발유차가 빨리올라간다고 해서 경유차의 가속이 느린건 아닙니다.
5. 최대 구동력 곡선을 따라 변속하면 좋겠네?
무단변속기인 CVT를 사용할 경우 가능합니다. 또다른 방법은 기어비를 촘촘히 하고 단수를 늘리는 방법입니다. 자동차 업체에서 지속적으로 단수를 늘리고 있죠?
이 글도 너무 길어진거 같은데… 제가 글쓰는 재주가 없다보니 간단하게 정리하기 쉽지 않네요.
세줄로 정리하면...
- 가속도는 구동력에 의해 결정된다!
- 근데 어쨌든 출력 높은게 킹왕짱이다! **추가** 차대 차 비교할 때는 엔진토크는 소용없다. 마력이 짱이다!
- **추가*** 토크로 가속도를 추정하는 건, 자기 차에서만 봐라! 다른차랑 비교해서 토크 높은지 비교해 봐야 쓸모 없다! 왜? 기어비가 어떻게 되어 있는지 모르니깐!
기회가 되면 다음에는 광폭타이어와 접지력 떡밥을 한번 올려보겠습니다… ^^
토크 - 지금 이 순간 빨라질 수 있는 능력
마력 - 빠를 때 더 빨라질 수 있는 능력
을 각각 나타내는 셈
토크는 gtd가 높지만 가속은 gti가 좋습니다.
320d ed 와 320i 토크는 거의 320ed가 40%더 좋은데.
가속은 320i가 더 좋습니다.
이건 어떻게 설명이 되는지요..
토크가.가속도라면 토크가 40.8 인 320ded 와 35.7인 328i 라면 비슷하거나 320d.ed가 더 20%가까이 더 빨라야 되지만.
실제 가속도는 328i가 넘사 벽입니다. 비교 불가죠.
from CV
하지만, 실제 구동력은 엔진토크가 변속기를 거힌후 구동력을 발휘합니다.
즉, 엔진의 토크는 GTD가 높지만, 실제 구동력은 GTI가 높은거고요.
글에 언급된것 처럼 전체적인 가속성능은 말씀하신대로 출력높은게 장땡입니다.
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아... 그러고 보니 제가 마지막 정리를 수정해야겠네요. 가속도는 토크가 아니라 구동력으로 변경하겠습니다.
쏘-군님 댓글이 달린 이후에 제가 제 글을 수정했습니다.
가만히 생각해 보니, 토크로 가속도를 추정하는 건 차대차 비교에서는 쓸모없는 일이라서요...
토크와 마력 이야기는 간단하게 생각하다가도 막상 제대로 이해하려면 복잡한 구석이 있는 것 같습니다 ㅎㅎ
다음 이야기도 기대되네요~~
제가 워낙 분위기 파악에 늦어서....
가속을 이야기 할 때,
차대 차 비교시에는 마력으로 비교하는게 맞고...
한 차에서 가속도를 이야기 할때는 다이노의 토크를 보는게 맞거든요.....
두 시각차 때문에, 마력이다 토크다라는 얘기가 나오는것 같습니다.
저항은 여러가지가 있지만 주로 공기저항, 지면과 타이어의 마찰력, 기타 구동계의 회전 저항들이 있겠죠
공기저항 계수가 낮고 타이어 마찰력이 낮으며(=무게가 가벼우며) 구동계가 잘 만들어진 차가 가속이 빠릅니다
from CV
최고속력에서 언급 한것과 같이, 저항력이 구동력과 같아지면 힘은 0이 되어 더 이상 가속을 못하게 되고요.
의견 주셔서 감사합니다.
더이상 올릴 엔진 RPM이 없어서 다음단으로 바꾸는 것이지요...
그리고 토크가 높으면 변속을 좀 덜해도 될 뿐입니다
변속기를 통하면 토크 1이라도 얼마든지 가속할 수 있죠... 결국은 출력가지고 가속력이 설명되는 것이죠
디젤과 휘발유가 동일한 기어비라면 맞는 말이겟지만.
기어비가 다르기 때문에. 바퀴의 토크와 엔진의 토크는 달라요..
결국 마력으로 비교 하는게 더 정확합니다...
출력은 그 차의 엔진 에너지가 얼마나 빠르게 증가 하냐의 수치이기 때문에.
토크-가속력.
마력-최대속도로 이분화 해서 생각하는거 자체가 개념의 혼동을 가지고 계신거라고 생각합니다.
하지만, 차대차 비교에서가 아니라, 기어비를 알고 있는 차량에 대해서는 분명히 토크가 가속력에 직접 비례합니다. 이건 동의 하시는지요?
한가지 여쭤 볼게요.
기어비를 알고 있을 때(고정되어 있을 때), 그림(a)에서 (A), (C)중 어디의 가속도가 높은가요? 토크가 높은 (A)인가요? 아니면 파워가 높은(C)인가요?
구동력 = 기어비 x 토크 / 타이어 반지름이기 때문에 기어비가 고정되어 있다면 토크가 높은 (A)겠죠? 아닌가요?
말씀하신대로 낮은 rpm 토크가 더 높은 지점이 가속도가 더 높다면 악셀을 풀 전개하는거보다 악셀을 조금만 밟는게 더 가속도가 빠르다는 뜻이 됩니다..
일반적으로 같은 차종에서 180 마력의 디젤차와 240 마력의 휘발유 차가 있다면 180마력의 디젤차가 토크는 더 높지만, 가속도는 240 마력의 휘발유차가 더 높습니다.. (제로백을 비교해보시면 알수 있습니다.)
우선, 차대 차 비교에서는 다이노의 토크를 떠나 마력이 우선한다는 것에는 동의합니다. 기어비가 제대로 설정되었다는 가정하에.... 동일한 속력에서 더 높은 구동력을 뽑아낼수 있으니까요.
하지만, 그림(a)의 다이노 결과에 대해서는.... (C)라고 하시면 LeeJun님이 틀리신 겁니다. (A)가 더 높습니다. 음.. 제가 더 설명드릴수도 있지만, 한번 직접 더 찾아보시는게 좋겠습니다.
최고 가속도가 최대 출력에서 나온다 이네요..
제가 이걸 잘 설명할수가 없네요.. 전 제 생각이 틀렸다고 생각하지 않고 글쓰신분도 그러니 이건 계속 평행선으로 갈것 같네요.
왜 제로백을 측정할때 항상 높은 rpm 을 유지하면서 계속 변속 하는지 생각해 보시기 바랍니다..
제 생각에는 LeeJun님께서 다이노그래프에 대해 잘 모르고 계신것 같습니다.
이건 기회가 있으면 한번 자세히 설명해 보겠습니다.
말씀하신 제로백의 경우 최대출력을 유지하며 변속하는게 가장 유리한 건 맞습니다. 그런데... 그게 최대출력점에서의 가속도가 가장 높아서 그런거는 아니에요.
그리고, 변속 이후에는 최대출력이 아닌 상황이 됩니다.
저기 속력-구동력 그래프를 한번 보세요. 1단기어에서 최대출력지점에서 변속한다고 해봅시다. 약 60mph부근이죠? 2단 기어로 올라갔어요. 그 시점에서 2단 기어를 물렸을 때, 최대 출력인가요? 아닙니다.
이것도, 기회가 있으면 다시 설명해보겠습니다.
제가 이해를 못햇다고 생각하시니...
제가 자동차 공학을 전공 한건 아니지만, 대학수준의 물리학까지는 공부 했고, 결국 평행선 이니 그만하겟습니다.
제가 아무래도 잘 설명을 못하는것 같습니다. 제가 글쓰는 능력이 없거나 제대로 이해하지 못했거다 둘중이 하나인데.... T_T
기회가 있으면 다시 깔끔하게 설명해 볼게요. 제로백 측정 시, 최대토크 구간과 최대출력 구간에 대한 내용도요.
http://www.clien.net/cs2/bbs/board.php?bo_table=cm_car&wr_id=2246947&sca=&sfl=mb_id%2C1&stx=kornightCLIEN
이글을 링크하는걸로 진짜 그만하겟습니다 ㅠㅠ
언짢으셨다면 죄송합니다.
다시 말씀드리지면, 출력 높은 차량이 더 높은 가속도를 얻을 수 있다는 것에는 분명히 동의합니다.
하지만, 저 다이노 그래프에서 (A), (C)위치에서의 가속도 언급은 LeeJun님이 틀린게 맞습니다.
물리 전공 하셨으니, 토크와 구동력 관계를 다시 한번 보시는게 좋겠습니다.
저도 필요한 내용이 있으면 새로운 글로 시작해보겠습니다....
최대토크구간을 지나면 가속도가 약해지지만
변속해서 고단으로 올라가도 가속도가 약해집니다.
기어비가 낮아지니 휠토크가 어차피 약해질테니까요.
그래프의 C점에서 약해진 휠토크보다도, A점에서 변속해버린 이후에 고단에서 rpm저하와 기어비저하로 인해 휠토크가 더 낮기 때문에, 굳이 C점까지 가속을 유지하는 것입니다. 절대 A점에서보다 C점에서 가속도가 강해서 그런 게 아닙니다. 어차피 봐야하는 손해를 덜 보는 선택일 뿐이죠.
저도 많이 헷갈렸던 주제이나, 정답은 A라고 생각합니다.
토크와 파워의 개념을 다시 한번 곱씹어보시면 답이 나오실거라 생각합니다...
쉽게 할 수 있는 실험으로는 자동차 기어를 고정시킨 상태에서 최저 알피엠-최고 알피엠으로 풀악셀 실험을 해보시길 추천드립니다. 만약 가속 성능이 출력과 비례한다면 레드존 근방에서 차량의 가속도가 가장 커야겠죠. 하지만 실제로는 토크곡선과 비례하는 가속도를 느끼실 겁니다.