구동력

구동력(驅動力, driving force)은 어떤 속도로 기계를 움직이거나 배·자동차 등을 주행시킬 때 그 운동 저항을 이기기 위한 힘을 말한다.

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정의

구동력은 엔진에서 발생된 힘(동력)이 실제 차량을 움직이게하는 구동륜(타이어)까지 전달되어 노면과의 마찰에서 발생되는 저항을 이기고 차량을 움직이게 하는 것을 의미한다. 엔진의 회전력은 변속기 및 최종 감속장치를 거쳐서 마지막으로는 바퀴를 움직인 토크와 회전수가 된다. 즉, 일정한 반경을 갖는 바퀴에 대하여 자동차의 구동력과 속도로 되는 것이다. 구동력은 구동륜의 타이어와 노면사이 접지부에서 발생되어 차량의 구동에 이용되는 마찰이다. 따라서 구동력은 엔진의 토크에서 변속기와 효율을 고려한 뒤 타이어의 반경으로 나누어 주면 된다.

$F={\frac {t_{e}i_{s}i_{f}n}{r}}$ 
$t_{e}$: 엔진 토크 
$i_{s}$: 기어박스 감속비
$i_{f}$: 최종 감속비
$n$: 엔진 효율
$r$: 타이어 반경

한편, 자동차의 구동력에서 전주행저항을 뺀 값을 여유구동력이라고 부른다.

여유구동력 (BC) = 구동력(AC) - 주행저항(AB)

주행성능선도

기관으로부터 차륜에 전달된 구동력은 대부분 자동차 주행속도와 관련시켜 도시한다. 주행저항과 구동력을 하나의 그래프에 도시하면 임의의 점에서의 주행 상태를 쉽게 판독할 수 있다. 이 선도를 주행성능선도라고 한다. 주행선도 상에서 구동력과 주행저항의 차이는 여유구동력으로서 가속 또는 등판에 이용된다.

힘의 작용

자동차는 앞으로 나아가기 위해 엔진의 힘으로 타이어를 회전시켜 바퀴가 굴러야 전진하면서 속도를 낼 수 있다. 바퀴가 회전하면서 굴러야 자동차가 앞으로 전진하는 이유는 지면과 타이어 사이에 마찰이 일어나 힘의 작용이 있기 때문이다. 마찰은 움직임을 저지하는 것이라고 생각하기 쉽다. 마찰은 물체가 다른 물체와 접촉한 상태에서 움직이기 시작할 때 또는 움직이고 있을 때 그 접촉면에서 운동을 저지하려고 하는 현상을 말한다. 뉴턴의 작용·반작용의 법칙에 따르면 물체 A가 물체 B를 미는 힘이 있으면 반드시 물체 B가 물체 A를 미는 힘이 있다. A와 B가 서로에게 미는 힘은 언제나 같고 방향은 반대다. 예를 들어 사람이 벽을 10의 힘으로 밀고 있다면 벽도 사람을 10의 힘만큼 밀고 있는 것이고, 바람이 빠지는 풍선이 이리저리 튀는 것도 작용·반작용 때문이고, 인라인 스케이트를 타고 사람이 벽을 밀었을 때 사람이 뒤로 밀리는 건 벽의 마찰력보다 인라인을 신은 사람의 발 마찰력이 벽보다 적어 반작용이 더 크기 때문에 사람이 뒤로 밀리는 것이다. 일반적인 도로나 포장도로는 타이어와 지면 사이에 적당한 마찰력이 일어나고, 이렇게 마찰이 일어나기 쉬운 지면에서는 엔진의 힘으로 바퀴가 굴러가려는 힘만큼 반작용으로 지면에서도 같은 힘으로 바퀴를 밀어내고 있는 것이다. 즉, 뉴턴의 작용·반작용 법칙에 따르면, 바퀴가 지면을 뒤쪽으로 밀며 나아가려 할 때, 지면은 바퀴의 힘과 같은 힘으로 바퀴를 앞으로 밀기 때문에 자동차가 앞으로 나아가게 되는 것이다. 그래서 자동차가 구동력을 가지기 위해선 꼭 마찰이 필요하다. 하지만 마찰이 그다지 발생하지 않는 얼음 위에선 사람이 인라인을 신고 벽을 미는 것과 같이 마찰력이 자동차를 전진시킬 정도의 구동 마찰계수가 적어 자동차 바퀴가 헛돌아 전진을 하지 못하는 것이다.

아울러 마찰력이 구동력보다 커지면 어떻게 되느냐도 중요한 것이다. 마찰력이 구동력보다 크면 차는 앞으로 갈 수가 없고, 바퀴가 헛돌기만 한다. 일반적인 도로는 타이어와 노면 사이에 적당한 마찰력이 발생하도록 만들어져 있다. 마찰력이 없으면 구동력도 발생되지 않기 때문이다. 이렇게 타이어와 노면 사이의 마찰력을 '타이어의 바닥을 움켜쥐는 힘'이라고 표현을 한다. 모든 노면의 마찰력에는 한계가 있고, 그 한계를 뛰어 넘으면 마찰력은 발생하지 않고 오히려 타이어가 공회전을 해 버려 휠 스핀이 일어나는 것이다. 다행히 일반적인 도로와 타이어에서는 잘 일어나지 않는 현상이지만 레이싱 경주용 자동차가 발진할 때 너무 강한 힘을 걸기 때문에 발생한다. 레이싱카가 출발할 때 휠 스핀이 일어나도 자동차에 금방 구동력이 생기는 이유는 타이어의 고무가 마찰력에 의해 부드러워져 마찰력의 한계가 전보다 높아지기 때문에 잠시 휠 스핀이 일어난 후 타이어의 변화에 의해 마찰력의 한계가 높아져 구동력이 생겨 튕겨 나가는 것이다. 마찰력의 크기와 한계는 마찰을 일으키는 두 물체에 의해서 영향을 받는다. 그래서 자동차의 경우에는 타이어와 노면 상태에 따라서 아주 영향을 많이 받는다. 같은 도로의 노면이더라도 바짝 마른 건조한 노면인지, 비나 눈이 와 젖은 상태의 노면인지에 따라 마찰력이 달라지고 타이어 트레드의 어떤 고무를 쓰느냐에 따라서 달라진다. 또 마찰력은 마찰이 일어나는 면과 수직으로 물체를 누르고 있는 힘에 비례하기 때문에 자동차가 무거울수록 마찰력의 한계는 높아진다. 아울러 마찰력이 높아지는 것에 비례하는 것이 구동력이라 자동차는 많은 구동력이 필요한 것이다.

관련 기술

구동력 제어장치

구동력 제어장치(Traction Control System)는 눈길이나 빗길 등 미끄러운 노면에서 헛도는 바퀴를 브레이크를 제어해 멈추는 기술이다. 가속 페달을 밟아 차량이 움직이면 구동력 제어장치가 각 바퀴의 회전수를 측정하는데, 회전수 차이가 클 경우 연료 분사량, 점화 시기 등을 조절해 해당 바퀴에 브레이크를 걸어 차량의 안정적인 주행을 돕는다. 하지만 구동력 제어장치만으로는 진흙, 모래 등의 노면 환경에 적응하기가 쉽지 않다. 현대자동차㈜의 험로 주행 모드는 다양한 노면 환경에도 안전한 주행이 가능하다. 험로 주행 모드는 노면 상태에 맞춰 각 바퀴에 전달되는 구동력과 제어 시스템을 능동적으로 제어하는 기술이다. 예를 들어 눈 모드를 선택하면, 바퀴의 회전수를 올리고 접지력을 향상해 노면과의 마찰력을 높여 미끄러짐을 방지한다.

참고자료

• 〈구동력(Driving Force)〉, 《모토야》, 2017-04-10
• 〈ABS는 무슨 기능일까? 바퀴와 관련된 기술 알아보기〉, 《키즈현대》, 2019-11-27
• 행복남의 일상, 〈자동차 구동력 (tractive force)〉, 《티스토리》, 2019-03-20
• 엠에스리, 〈자동차의 주행 저항〉, 《네이버 블로그》, 2016-07-04

같이 보기

• 동력
• 마찰력

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