구름저항 (Rolling Resistance, RR) - 히스테리시스 손실, 고무, 접지력, 안정성, 타이어

 
 

 

 구름저항 영향

 

구름저항이 30% 증가하면 연료가 3~5% 더 든다는 결과가 있고
한때의 프랑스에서 차량의 50% 이상이 공기압 0.3 bar 정도 부족하게 주행하고 있었다 합니다.
이는 6% 의 구름저항 차이를 만드는 요인이 됩니다. (1 bar 부족 = 30% 구름저항 차이 발생)
 
구름저항은 간단히 보면 차량 구동에서의 저항성분 입니다.
그렇기에 어찌보면 마찰력도 포함되는데,
마찰력은 기본적으로 바퀴가 슬립(미끄럼) 되지 않고 노면을 밀어 굴러 앞으로 나가는 원동력이 되는 힘 입니다.
그렇기에 무조건 접지력과 마찰력을 줄일 수 없지만,
 
기본적으로 손실이기에 열이 발생하며 에너지 손실이 발생합니다.
즉, 낮은 구름저항과 높은 접지력을 가질 수 있는 방법이 필요합니다

 

infinitrains

 
 

 구름저항 주된 원인

 

구름저항
 
주된 원인 :
타이어 변형 ~ 히스테리시스 손
윙 (wing) 항력
접지와의 마찰
Total Friction force =adhesion force + hysteresis force (+ cohesion force)
 
타이어 공기압, 트레드 패턴, 직경, 폭, 재질, 구성
구성 : 탄성률 조절 가능 (compounding),
화학물질 구성을 바꾸어 => 가루 성형을 하여 => 쪄 만드는 것이 타이어
트레드 패턴 : 형상(패턴), 두께
 

한국타이어

 

 
 
FF (Front engine, Front wheel drive) 차량의 경우, 엔진이 프론트에 위치 + 바퀴 구동이 프론트에 위치 차량으로
앞바퀴가 엔진의 동력을 받아 마찰력(구동력)을 통해
바퀴가 노면에서 미끄러지지 않고 앞으로 나아가게 됩니다.
 
이 때, 뒷바퀴는 끌려 굴러가게 되는데
이 또한 앞뒤 바퀴에 하중이 적당량 분배되어 가해지니, 마찰력이 발생하고 이는 구동에서의 로스가 됩니다.
이 때의 Loss/저항을 구름저항이라 합니다.

 

 

 구름마찰 이란

 

 
구름마찰은 점착 마찰 보다는 히스테리시스 마찰의 영향이 크며, 고무 히스테리시스를 가장 많이 봅니다.
 

 
고속을 올라갈 수록, 차량 구동의 저항성분 중 공기저항이 급속도로 올라가지만
구름저항은 저속부터 꾸준히 영향을 끼치는 요인입니다.
그렇기에 저속에서의 영향성이 큰 저항이며
구름저항이 차량 연비에 미치는 영향이 저속에서 10% 정도 됩니다.

 

 

 

히스테리시스 손실

 

 
그리고 이 구름 저항의 절반 정도가 고무 히스테리시스 손 인데, 쉽게 말하면 고무의 변형에 의한 저항 정도 입니다.
 
Hysteresis loss tan(delta) = (modulus of energy loss) / (modulus of energy storage)
간단히 말하면, 에너지 로스 / 에너지 저장 정도 입니다.
 
히스테리시스 손실 ~= 변형이 잘 되돌아 오지 않는 성질 = 반발 탄성률이 작다
히스테리시스 로스가 큰 고무일수록 열로 에너지가 방출되어 반발 탄성률이 작습니다
// 반발 탄성률 = 변형이 일어난 고무가 되돌아오는 성질
 
즉, 에너지 적인 관점에서 말한다면 타이어에 동일한 에너지가 들어왔을 때
총 에너지는
히스테리시스 손실 (반발 탄성에 힘/에너지로 사용되지 못하고 열에너지로 손실되는, 사용하지 못하는 에너지로 되어버리는) + 반발 탄성률 (변형을 회복하고자 하는 힘/에너지)로 나눠 생각해볼 수 있겠네요
 

 
 
고무의 히스테리시스 손실은 고무에 연속적으로 진동을 가하여 변형이 되었을 때, 에너지 손실량을 측정하여 알아낸다
 
고효율 타이어의 탄성 반발률은 60%로 히스테리시스 손실이 비교적 작고
- 이는 승차감이 좋다라 평가되고
고성능 타이어는 탄성 반발률이 30%로 히스테리시스 손실이 비교적 크고
- 이는 주행 안정성이 높다고 평가됩니다.
- 히스테리시스 마찰은 고무분자가 형태를 바꿀 때, 분자 내부의 마찰에 의해 발생하는데, 타이어의 그립력은 히스테리시스 마찰력 때문에 발생한다.
즉, 고성능 타이어, 히스테리시스 손실이 비교적 큰 타이어는 그립력이 좋아 주행 안정성이 높다. (통통 튀지 않는다)
 

 

 구름저항의 변수

 
하중 : 차량 하중이 증가할수록 수직항력 증가 = 마찰력 증가 & 타이어 고무 변형 증가 = 히스테리시스 손 증가
공기압 : 공기압이 높은 타이어는 타이어 변형량이 적기에 구름저항 감소
ㄴ 이는 일반적인 국도/고속도로에서의 상황이며 오프로드로 가게되면 상황이 반대가 됩니다.
ㄴ 오프로드, 자갈길, 비교적 부드러운 숲길 등 울퉁불퉁한 노면 =
    높은 공기압의 타이어는 수많은 요철에 지속적으로 부딪히며 앞으로 나아가는 힘을 잃는 구름저항을 받지만
    낮은 공기압의 타이어는 비교적 요철들을 부드럽게 타고 넘어 관성을 비교적 더 유지할 수 있게 해줍니다.
 
타이어 온도 : 타이어 온도가 높아지면 고무 분자의 움직임이 용이해져, 타이어 내부 저항 감소 & 공기압 높아짐 ==> 구름저항 감소
 
 

온도에 따라 구름저항값이 변하는데,
아래 속도별 구름저항은 어떻게 찍었나 찾아보니,
위으 그래프에서 일정 온도 이상 올라가면 구름저항 값이 수렴하는 것을 볼 수 있습니다.
수렴하는 일정 이상의 온도로 타이어 및 시스템을 댑힌 후, 해당 속도로 올려 측정을 시작한 것입니다.
 
트레드 마모 정도 : 고무 양 감소 = 탄성력 감소 & 히스테리시스 손 감소 = 구름저항 감소 및 그립력 감소
ㄴ 그렇기에 트레드/타이어가 일정이상 감소되면, 트레드 패턴이 남지 않아 미끄럼 위험도 있지만, 비슷한 말로 히스테리시스 손 감소로 그립력이 감소하니, 주행 안정성 및 만족도가 떨이집니다. 그렇기에 일정 시간 지나면 타이어를 교체하라는 알림을 듣게 됩니다.
 
공기압과 차량 주행속도 :

engineeringtoolbox.com

 

 
타이어의 폭 : 
폭이 좁은 타이어에 비해 폭이 넓은 타이어가 더 많은 변형을 일으킵니다.
 
단, 폭 보다는 직경 및 편평비가 타이어의 변형률에 더욱 큰 영향을 끼치는 것으로 보입니다.
이와 같은 원리로 사용되는 것이 광폭타이어 입니다.
광폭타이어는 타이어 단면폭을 넓혔지만
타이어가 아닌 휠의 직경을 늘림으로써, 측면부 타이어부가 짧아짐으로써
히스테리시스 손을 줄이고 주행 안정성 대신 접지력(폭)을 높여줍니다
직경과 폭 때문에, 광폭타이어를 사용한다 보면 되겟씁니다.
폭이 넓고, 직경(편평비)이 작은 타이어인 광폭타이어를 사용하면, 변형은 적어 - 구름저항이 작지만 - 폭이 넓어 접지력을 높이고 - 안정감을 높입니다.

 
타이어의 구조 (성분) :
탄성이 좋은 고무 compound를 사용하면 변형에 의한 손실을 줄일 수 있습니다.
 
트래드 패턴 :
일반적으로 부드러운 트레드 패턴이 울퉁불퉁한 트레드 패턴보다 구름성이 좋습니다.
트레드 블럭이나 블럭사이의 간격이 클 수록 구름저항이 높습니다. (트레드 패턴이 작고 조밀하면 구름저항에 유리)