따뜻한 우체부

엔진으로부터 파워를 휠까지 전달하는 동력 전달장치(Powertrain)는 저속에서 고속까지 언제나 원활하고 효율성있게 주행하도록 하는 기능을 한다. 엔진의 구동력을 끊거나 이어주는 클러치, 스피드에 맞게 엔진동력을 선택하는 변속기, 변속기와 종감속기어 사이에 설치되어 변속기의 출력을 종감속기어에 전달하는 추진축, 추진축을 통해 온 기관의 회전력을 최종적으로 증가시킴과 동시에 회전시 좌우 구동바퀴에 알맞는 속도로 동력을 전달하는 종감속기어와 차동장치로 주요 부분이 구성되어 있다.

클러치

클러치(Clutch)는 Fly Wheel과 변속기의 사이에 설치되어 변속기에 전달되는 엔진의 동력을 필요에 따라 단속(단속)하는 일을 하는 장치로 엔진을 시동할 때, 또는 기어변속을 할 때에는 엔진과이 연결을 차단하고 출발할 때에는 엔진의 동력을 서서히 연결하는 일을 하여 부드러운 출발을 가능케하고 엔진과 동력전달장치를 과부하로부터 보호한다. 클러치 본체는 직접 동력의 단속을 하는 부분으로 클러치판, 압력판, 클러치스프링, 클러치 커버 등이 있으며, 이들 부품을 부착시키기 위한 플라이 휠 및 클러치축으로 구성된다.

변속기

변속기(Transmission)는 클러치와 추진축의 사이에 설치되어 엔진의 동력을 자동차의 주행상태에 알맞도록 엔진이 회전력을 증대시키거나 감소시켜 구동바퀴에 전달하는 역할을 하며, 자동차를 후진하게 하는 역할을 갖고 있는 장치이다. 변속기의 종류에는 변환(Shift)에 직접 기어를 변속시키는 활동기어식(Sliding Gear Type), 주축에서 상시 자유롭게 회전하는 기어와 부축기어가 항상 맞물린 상태로 회전하는 상시치합식(Constant-Mesh Type), 그리고 상시치합식을 개선한 동기치합식(Synchro-Mesh Type)이 있다. 자동변속기(A/T)는 운전자의 조작에 의하지 않고 자동적으로 기어비가 선택되어 치합되어 No-Clutch라고 부른다. 이 A/T는 Manual에 비해 운전이 용이하고 엔진과 동력전달장치 외에 기계적 접촉이 없기 때문에 각부에 가해지는 충격이 적은 장점이 있으나, 구조가 복잡하고 가격이 비싸며 정비하기 어렵고 연료소모가 약 10% 많이 드는 단점이 있다. 한편 트랜스액슬(Transaxle)은 전륜구동차에서 엔진에 부착된 변속장치와 Final Drive(Axle)의 합성어(T/A)로 T/M과 Axle이 일체로 되어있는 것을 말한다. 트랜스퍼 케이스(Transfer Case)는 4륜구동(4WD) 자동차에만 장치된 일종의 보조변속기로서 변속기 뒷부분에 설치되어 앞·뒤 바퀴로 모두에 동력이 구동되도록 기관이 동력을 분배하는 일을 한다.

추진축과 유니버설 조인트

추진축(Propeller Shaft)은 강한 비틀림을 받으면서 고속으로 회전하기 때문에 이에 견디도록 속이 빈 강관으로 되어 있으며 회전할 때 평형을 유지하기 위한 평형추(Balance Weight)와 길이 변화에 대응하기 위한 슬라이브 조인트가 설치되어 있다. 자재이음(Universial Joint)은 일직선상에 있지 않는 2개의 축이 어느 각도를 이루어 교차할 때 자유로이 동력을 전달하기 위한 장치이다. 등속조인트(Constant Velocity Toint)는 일반적으로 전륜(FF) 구동차에서 종감속장치에 연결된 구동차축에 설치되어 바퀴에 동력전달용으로 사용된다.

차축(Axle)

차축은 부착되어 있는 바퀴를 통해 차의 무게를 지지하는 부분이며 엔진에서 발생한 동력을 전달하며 구조상 현가 방식에 따라 좌우바퀴를 1개의 차축으로 결합한 일체차축식(Rigid Axle)과 좌우바퀴가 각각 별개로 움직일 수 있게 되어 있는 분할 차축식(Divided Axle)으로 나눌 수 있다. 기관의 회전력은 차동장치로부터 다시 구동차축을 경유하여 바퀴로 전달된다. 이 차축은 바퀴와 더불어 자동차의 중량을 받고 있다. 차축의 기본적 종류는 우마차의 차축처럼 동력을 저달하지 못하는 사축(Dead Axle)과 동력을 전달하는 활축(Live Axle)로 나누어지는데 전륜구동차의 뒷차축은 사축이며 후륜구동차는 앞차축이 사축이 되고 4륜구동차는 모두 활축이 된다.

종감속기어와 차동장치

종감속기어(Final Reduction Gear/Final Drive Gear)는 추진축에서 받은 동력을 직각이 각도로 바꾸어 뒷차축에 전달함과 동시에 최종적인 감속을 통한 회전력의 증대를 위해 설치되며 차동장치(Differential Gear)는 주행 중에 선회하거나 노면이 울퉁불퉁하면 좌우 바퀴에 회전차가 생기므로 자동차가 원활한 회전을 할 수 있도록 하기 위해 설치되며 종가속기어와 일체로 되어 액슬 하우징(Axle Housing)에 설치되어 있다. 종감속기어는 구동피니언과 링기어로 구성되며 스파이럴 베벨기어와 하이포이드 기어가 사용된다. 종감속기어의 감속비는 링기어의 잇수와 구동피니언의 잇수와이 비(Ratio)로 나타내며 엔지이 출력, 차량무게, 가속성능, 등판능력 등에 따라 정해진다. 구동축인 프로펠러축의 회전비인 가속비는 기관의 출력, 차량중량, 가속도 등에 따라 일정하지는 않으나 승용차는 3~8, 버스는 5~8, 트럭은 5~10이다. 그러므로 이 최종 감속비(Final Reduction Gear Ratio)와 변속기의 변속비를 곱한 것이 구동 계통의 총감속비이다.

엔진의 작동

4 사이클의 작동순서 - 가솔린과 공기를 혼합시켜 좁은 용기에 밀어넣고 착화시키면 폭발적인 연소팽창이 일어나 이를 피스톤이 받아서 회전운동으로 바꾸는 왕복운동(Recipro)으로 4 사이클인 '흡입압축폭발배기' 각 과정의 움직임은 다음과 같다.
[흡입과정 : Induction] - 흡입밸브가 열리고 여기에 가솔린과 공기의 혼합가스가 피스톤의 하강에 따라 대기압보다 낮아지는 거의 진공상태의 실린더 내로 흡입된다.
[압축과정 : Compression] - 하강이 끝난 피스톤은 크랭크샤후트의 작용으로 상승하여 혼합가스를 1/8~1/9의 체적으로 압축시킨다. 이 때 흡입밸브는 닫혀져 있다.
[폭발과정 : Combustion] - 피스톤이 상한(상사점)에 달했을 때 점화프러그의 전기불꽃에 의해 혼합가스가 폭발(연소)하여 팽창된 힘이 피스톤을 눌러 내린다.
[배기과정 : Exhaust] - 폭발에 의해 하강된 피스톤은 다시 상승을 개시하지만 이 때 배기밸브가 열리기 때문에 연소가 끝난 폐가스를 실린더 밖으로 밀어내어 4 사이클의 최종과정을 종료한다. 그 후는 다시 흡입과정으로 반복한다.
사이클 스피드 - 일반적으로 자동차엔진은 1분간 약 3000~7000회전, 1초당 약 60회전하면 고속이 된다. 따라서 피스톤도 1초에 약 60회나 왕복운동을 반복하고 상사점, 하사점에 달할 때마다 스피드는 제로가 되기 때문에 엄청난 속도로 반복운동을 거듭하는 것이다.
에너지 손실 - 가솔린엔진은 가솔린을 공기와 혼합하여 연소시켜 최종적으로 회전에너지를 얻지만 에너지 전부가 회전에너지로 변환하지 않는다. 엔진출력에 유효한 에너지의 비율은 약 25~30%에 불과하고 약 30~35%는 미소화 상태에서 배기손실로 빠져 나가고 과열엔진의 냉각손실로 약 30~35%가, 기계 마찰로 5~10%가 손실로 빠져나가 버린다.

엔진의 종류

4 사이클엔진 - 오늘날 전세계 자동차용 엔진의 대부분이 4 Cycle 엔진으로 '흡입', '압축', '폭발', '배기'의 4 생정에 의해 1Cycle을 종료시킴으로써 이런 종류의 모든 엔진을 4 Strock Cycle Engine이라고 부르며 왕복운동(Reciprocating)엔진의 가장 대표적 존재이다. 4가지 행정 동안 피스톤은 2회 상하운동을 하고 크랭트샤후트도 2회전을 하지만 흡·배기밸브는 각 1회씩밖에 개폐운동을 하지 않으며 점화프러그도 1회밖에 불꽃을 내지 않는다. 흡·배기밸브가 있는 것이 2 사이클과 가장 다른 구조적 특징이다.
디젤엔진 - 디젤엔진(Diesel Engine)은 독일의 R.디젤이 발명하였기 때문에 그의 이름을 붙여 이런 명칭이 생겼다. 공기를 급격히 압축하면 고열이 되기 때문에 여기에 연료를 직접 주입시켜 자연착화(自然着化)시키는 '압축착화기관'이다. 따라서 다른 엔진에 있는 점화프러그와 연료분사장치가 필요없지만 연료를 고압으로 연소실에 주입시키기 위한 분사펌프와 노즐이 필요하다.
2 사이클 엔진 - 2 사이클엔진은 4 사이클엔진에 있는 버섯 모양의 흡·배기밸브가 없고 대신에 실린더 벽면에 소기구멍과 배기구멍이 있어 피스톤의 상하운동에 따라 이 구멍이 개폐되고 여기로부터 가스가 출입하는 특징을 가지고 있다. 크랭크샤우트가 1회전할 때마다 1회 폭발이 일어나는 엔진으로서 경자동차와 2륜차에 많이 쓰이고 있다.
로타리엔진(Rotary Engine) - 피스톤에 상당하는 부분이 연결형 로타로 회전운동하는 엔진으로 파워로스나 진동이 적고 기구가 간단하며 경량화시킬 수 있다는 특징이 있으나 연비가 나쁜 단점을 갖는다.
전동모터 - 전기를 동력으로 하는 회전모터로 전기자동차의 동력원을 말한다. 배기가스나 소음이 없는 무공해 자동차이지만 전력공급과 저장의 어려움으로 일반 보급에 어려움이 있다. 최근 하이브리드(Hybrid) 방식으로 1대의 차에 2가지 동력원을 탑재하여 장소와 필요에 따라 조합하여 쓸 수 있는 하이브리드 자동차가 일부 실용화되었다.

엔진의 구조

엔진 본체 - 엔진본체는 실린더를 둘러싸고 보호하는 실린더블럭(Cylinder Bloc), 실린더 상부의 실린더헤더(Cylinder Head), 실린더 헤드와 일체를 이루는 밸브(Valve)와 캠샤휴트(Cam Shaft), 피스톤(Piston), 피스톤과 크랭크샤휴트(Crank Shaft)를 연결하는 커넥팅로드(connecting Rod/Con.Rod), 엔진을 회전시키기 위한 플라이휠(Fly Wheel) 등이 있다. 엔진의 부대장치 또는 보조장치로는 연료공급장치, 냉각장치, 윤활장치, 흡배기장치, 전기장치의 5가지로 나누어진다.
실린더(Cylinder), 실린더 블록(Cylinder Bloc) - 엔진의 중심부로 엔진의 물체와 골격을 이루는 것이 실린더 블록이다. 실린더는 피스톤이 내부에서 상하왕복하면서 혼합기를 연소시키는 원통 또는 원기둥으로 강도와 내열성이 뛰어나지 않으면 안된다. 재질은 주철이 대부분이지만 최근 경량의 알루미늄 합금이 늘어나고 피스톤과의 접촉부위인 라이너(Liner)만은 3~5mm의 특수 주철로 보강하고 있다. 또한 실린더 블록 내에는 엔진 각부를 윤활하여 마찰을 줄이는 오일의 흐름통로와 엔진을 냉각시키는 물의 흐름통로가 있다. 실린더는 수에 따라 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12기통이 자동차에 있으며 실린더의 배열에 따라 직렬형(In-Line Type), V형(V-Shaped Type), 수평대향형이 있다.
실린더 헤드(Cylinder Head) - 실린더 블록의 상부에 위치하는 실린더 헤드는 실린더와 함께 연소실을 형성하고 흡입배기 통로를 개폐하는 밸브기구가 있는 부품이다. 또한 냉각수를 통하는 Water-Jacket, 연소실에 불꽃을 튀기는 Spark Plug도 부착되어 있다. 실린더 헤드의 재질은 내열, 내압성이 요구되기 때문에 최근에는 알루미늄 합금제가 많이 쓰이고 있다.
연소실(Combustion Chamber) - 혼합기를 실린더 내에 넣고 또 연소가스를 외부에 배출하기 위하여 실린더에 흡입배기밸브가 있는 곳이며 연소실은 형상이 반구형, 지붕형, 욕조형, 쐐기형 등이 있다.
실린더 헤드 가스켓(Cylinder Head Gasket) - 실린더블럭과 실린더헤드를 접합시키는 부위로 고압고온에 강한 재질로 밀봉성이 뛰어나야 한다.
피스톤(Piston), 피스톤링(Piston Ring) - 피스톤은 실린더 내에서 고속직선 왕복운동을 반복하여야 하므로 경량으로 강도가 높고 열에 의한 팽창이 적어야 한다. 최근에는 주철재에서 알루미늄 합금재로 거의 바뀌었으며 디젤 엔진의 일부만 주철재로 남아 있다. 피스톤링은 피스톤 상부에 있는 3~4개의 링으로 실린더 벽면에 있는 오일은 연소실에 들어가지 못하게 하는 Oil Ring과 연소가스가 새지 못하게 하는 압축링이 있다.
커넥팅로드(Connecting Road/콘로드: Con.Rod) - 왕복운동하는 피스톤과 회전운동하는 크랭크샤후트를 이어주는 기구이다. 이 Con.Rod는 Con.Rod Bearing, Oil Jet, Cap Bolt, Bushing의 부속품이 있다.
크랭크 축(Crank Shaft) - 크랭크 축은 크랭크케이스 안에 설치된 메인 베어링으로 지지되어 있고 각 실린더의 동력 행정에서 발생한 피스톤의 직선동력을 콘로드를 통해 회전동력으로 바꾸고 반대로 다른 행정에서는 피스톤에 운동을 가해 연속하여 동력을 발생시키는 기능을 한다.

플라이 휠(Fly Wheel) - 크랭크샤후트의 회전력을 균일하게 하여 휠에 연결시켜 회전시키고 엔진 시동시, 전기기동모터(Starter Motor)의 기동력으로 크랭크샤후트를 돌려 피스톤이 왕복운동을 하는데 이용된다.
밸브(Valve) - 4 사이클 행정 가운데 '흡입'과 '배기' 행정 중에는 혼합기를 연소실 안으로 흡입하고 연소가스를 외부로 배출시키는 실린더와 외부의 셔터 역할을 하는 기구를 밸브라고 한다. 일반적으로 흡기밸브가 배기밸브보다 지름이 크고 최근에는 밸브의 복수화가 유행되어 '흡기x2, 배기x2'의 4밸브방식(4기통은 16밸브)이 대부분이다.
캠축(Camshaft) - 캠축은 흡기밸브 및 배기밸브와 같은 수의 캠을 바른 위치와 각도로 배열한 축이며 캠 표면의 곡선은 약간만 변화해도 각 밸브의 개폐시기나 리프트가 달라져 기관의 성능에 큰 영향을 주므로 장시간 사용해도 마모나 비틀림이 없는 고도의 열처리와 내마모성의 소재를 쓴다.
타이밍기어 체인(Timing Gear & Chain) - 캠샤후트를 회전시키는 기어는 크랭크샤후트와 체인으로 연결되어 있는데 샤후터에 부착되어 있는 기어를 타이밍기어라고 하며 체인을 타이밍기어 체인이라고 한다. 타이밍기어는 크랭크샤후트 기어가 2회전시 1회전하도록 2:1로 되어 있어 흡기, 배기밸브의 운동과 Х燒텝분사, 점화시기를 항상 일정하게 유지한다.
밸브개폐기구 - 밸브개폐기구는 Timing Gear, Valve Lifter, Push Rod, Valve, Rocker Arm 등으로 되어 있으며 Sohc(Ohc)방식, DOHC방식이 있다. 밸브시스템은 밸브의 위치에 따라 OHC와 OHV의 2형식이 대부분이다. OHC(Over Head Camshaft)는 SOHC와 DOHC로 분류된다. SOHC는 Single의 의미로 Camshaf가 1개, DOHC는 Double의 의미로 Camshaft가 2개 달려 있다. Overhead는 실린더에 대해 머리 윗부분에 Camshaft가 있음을 가리킨다. 오늘날의 엔진은 흡·배기밸브가 실린더에 따라 나란히 되어 있는 SV(Side Valve)에서 밸브가 실린더 상부에 있는 OHV(Over Head Valve)로 다시 Camshaft를 실린더 바로 윗부분에 위치시키는 OHC로 이행한다. DOHC는 1기통에 밸브가 4개이고 Twin Camshaft이기 때문에 고회전, 고성능의 장점이 있지만 Camshaft가 2개 있고 Chain이나 Belt의 복잡화 등으로 엔진의 무게가 커지고 코스트가 높아지는 단점이 있다.

윤활장치

윤활장치(潤滑裝置 : Lubricating System)는 기관의 작동을 원활하게 하고, 그 작동이 기관의 수명을 다할 때까지 오래 유지하기 위해 운동 마찰부분에 엔진 오일을 공급하는 장치이다. 기관에는 실린더와 피스턴처럼 접동을 하는 부분이나, 크랭크샤프트 및 캠 샤프트와 같이 회전운동을 하는 부분이 있으며, 이러한 운동 마찰부분은 금속끼리 직접 접촉하면 마찰열이 발생하고 마찰면이 거칠어져 빨리 마모하거나 늘어 붙는 고장이 발생하여 기관이 운전할 수 없게 된다. 이것을 방지하기 위해 금속의 마찰면에 오일을 주입하면 그 사이에 유막(油膜 : Oil Film)이 형성되어 고체 마찰이 오일의 유체 마찰로 바뀐다. 따라서 마찰 저항이 적어져 마모가 적고 마찰열의 온도 상승을 방지한다. 윤활 장치는 Pil Pan, Oil Pump, Oil Pressure Regulator, Oil Screen, Oil Cooler로 구성되어 있다.

냉각장치

냉각장치(Cooling System)는 기관을 냉각하여 과열을 방지하고 또 적당한 온도를 유지하는 장치이다. 실린더 안의 연소가스의 온도는 2.000도 이상에 이르며, 이 열의 상당한 양이 실린더, 실린더 헤드, 피스턴, 밸브 등에 전도된다. 이러한 구분의 온도가 과도하게 높아지면 부품 재료의 강도가 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고 연소상태도 나빠져 노킹이나 조기 점화가 발생하며 그 결과 기관의 출력이 저하된다. 또 냉각이 불완전한 상태에서는 실린더 벽의 유막이 끊기는 등의 윤활기능 저하와 오일의 변질 등으로 이상마모나 눌어 붙는 등 고장의 원인이 된다. 반대로 지나치게 냉각되면 연소에서 발생한 열량 가운데 냉각으로 손실되는 열량이 크기 때문에, 기관의 열효율이 낮아지고 연료 소비량이 증가하는 등의 문제가 생기므로, 기관의 온도를 알맞게 유지하는 것이 냉각장치의 기능이다. 기관의 냉각 방식에는 외부 공기로 기관을 직접 냉각하는 공냉식과 냉각수를 기관 내부로 순환시켜 냉각하는 수냉식이 있다. 냉각수는 물펌프(Water Pump)를 돌려서 냉각수를 실린더 블록과 실린더 헤드의 물자켓(Water Jacket)으로 보낸 다음, 가열된 냉각수를 Radiator)로 보내 방열하며 식힌 다음 다시 물펌프로 순환시킨다. 물펌프에는 냉각팬(Cooling Fan)이 부착되어 외부 공기를 래디에이타를 통해 강제적으로 흡입하여 방열효과를 좋게 한다.

연료장치

연료장치는 기관이 필요로 하는 적당한 혼합기(混合氣)를 공급하는 장치로 연료를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank), 연료 속의 불순물을 제거하는 연료여과기(Fuel Filter), 연료 분사장치에 연료를 보내는 연료펌프(Fuel Pump), 혼합기를 만들어 기관에 공급하는 연료분사장치 그리고 이러한 장치를 연결하는 연료파이프 등으로 구성되어 있다. 연료공급과 관련된 전자제어시스템은 크랭크 각도 센서, 차속센서, 냉각온도센서, 산소센서, 삼원촉매 장치로 구성되어 있는데 이 시스템들은 흡입공기량을 직접 측정하며, 다양한 차량주행 상태에 따른 엔진요구조건을 정확하게 맞추어 주기 위한 공연비(空煙比) 및 점화시기 등을 제어하여 연비향상과 유해배출가스를 감소시킨다. 특히 전자제어 연료분사 시스템은 하나의 인젝터로 모든 실린더에 분산하는 Single Point Injection(SPI) 방식과 실린더마다 인젝터가 하나씩 달린 Multi Point Injection(MPI) 방식으로 나눌 수 있는데 MPI 시스템은 흡기 밸브 앞 Program된 ECU내의 정보에 의한 연산과정을 거쳐 정밀한 연료량을 각 실린더의 Injector에 동시 또는 순차적으로 공급하는 시스템이다.

흡·배기 장치

기관이 작동하기 위해서는 실린더 안에 혼합기를 흡입하고 연소된 가스를 외부로 배출하는 것이 흡·배기장치이다. 흡기장치(Intake-system)는 흡이하는 공기 속에 들어 있는 먼지 등의 이물질을 제거하는 공기청정기(Air Cleaner)와 기화기에서 만든 혼합기를 공급하는 관으로 흡기 매니홀드(Intake Manifold)로 구성되어 있다. 배기장치(Exhaust System)는 엔진구조의 최후에 있는 부품으로서 배기가스의 통로의 배기관은 소음과 배기가스의 저감에 직접적인 영향을 주는 중요한 부품이며 연소가스를 모으는 배기 매니홀드(Exhaust Manifold)와 외부로 나가는 배기파이프 및 소음기(Muffer) 등으로 되어 있다. 한편 공해저감을 위하여 배기가스장치로서 촉매 컨버터 장치와 배기가스 재순환장치(EGR:Exhaust Gas Recirculation)가 있고 엔진출력향상을 위한 과급(過給) 장치가 있다. 엔진은 배기량마늠 혼합기를 흡입하여야 하는데 실제 배기량의 80% 정도밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2000cc엔진도 1600cc분의 혼합기밖에 흡입하지 못한다. 이 흡입량을 늘리기 위해 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하고 있지만 또 하나의 방법으로 터보차저(Turbo Charger)나 슈퍼차저(Super Charger)를 사용하여 터빈이나 펌프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배 하면 많은 공기가 실린더 내로 들어가 가솔린의 양도 많아지면서 파워도 상승한다. 이와 같이 실린더 내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연흡기방식이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식(過給方式)이라고 한다.

디젤엔진

경유를 연료로 하는 디젤엔진의 작동은 4 사이클 엔진과 거의 같다. 다른 점은 흡입할 때 공기만 연소실에서 받아들이며 압축비를 대단히 높게 하고 연료를 연소실에 분사하는 것이다. 압축비는 15~22:1 정도로 가솔린의 2배 정도이고 실린더 내에 흡입된 공기는 압축시켜 약 500℃에 가까운 고열로 만들어 착화온도가 300℃인 경유를 자연착화시킨다. 가솔린엔진은 회전수를 높이기 위해 엑셀 페달로 트로들 밸브는 없고 회전 수를 올리기 위해 엑셀 페달을 밟아 펌프로부터 들어오는 경유의 양을 늘리는 방법을 쓰고 있다

디젤엔진은 높은 압축비와 폭발 압력으로 높은 토오크를 얻을 수 있고 값싼 경유를 사용하는 경제적인 이점은 있지만 고압에 견디려면 무거운 주철의 블럭을 사용하여야 하는 난점과 또 가속 페달을 밟아도 곧 회전력이 올라가지 않으며 진동과 소음이 가솔린엔진보다 큰 결점이 있다.

자동차 성능의 구성요소

자동차를 달리고, 좌우로 돌고, 달리다 멈추는 세가지 동작을 하는 단순한 운동기계로 볼 때 동력성능, 제동성능, 조종성능의 세가지로 나누어 지며 여기에 이런 모든 운동성능이 탑승자나 차체에 전달되는 승차감을 포함해서 '자동차의 성능이 어떻다'라고 말할 수 있다.

구동력

자동차가 움직이고 있을 때에는 언제나 구동력과 그것에 대항하는 힘(주행저항)이 작용하여 그 힘의 크기에 따라 속도가 빠르거나 늦거나 한다. 엔진에서 나오는 토오크는 Transmission Gear와 Final Gear를 통해 타이어에 전해져 자동차를 움직이는 힘 즉 구동력이 된다. 한편 자동차가 주행 중에 받는 주행저항(Tractive Resistance)은 구름저항, 공기저항, 구배저항 및 가속저항의 4종류로 구분된다.

구름 저항(Rolling Resistance:Rr) - 타이어에서 발생하는 저항으로 중량에 비례하며 구름저항계수는 저속에서는 일정하지만 고속에서는 급속히 증가한다.
구름저항 = μ(구름저항계수) X 차량중량
공기 저항(Air Resistance:Ra) - 공기 중에서 움직일 때 발생하는 저항으로 전면투영면적과 공기에 대한 자동차의 상대 속도이 제곱으로 비레한다.
구배 저항(Gradient Resistance:Rg) - 언덕길을 오를 때 자동차를 당기려는 힘으로 중량과 언덕 경사도에 비례한다.
가속 저항(Acceleration Resistance:Ri) - 자동차의 속도가 변화할 때 즉 가속도가 생길 때 자동차에는 질량(차량+회전부분)과 가속도에 비례하는 가속저항(가속저항)이 생긴다.

가속성능

발진가속이란 정지상태에서 일정거리를 주행할 때 생기는 최대가속을 말한다. 엔진시동을 건 정지상태에서 기어변속으로 일정거리를 최단시간내에 주파할 때 얻은 최대가속능력을 말한다. 추월가속이란 일정속도에서 다른 속도로의 변화를 얻을 수 있는 최대가속능력을 말하며 추월성능을 판단할 수 있다.

운전성능

운전성능(Drivability)이란 운전이 부드럽게 이루어지는 것을 말하는데 주로 발생하는 성능부족은 엔진의 Accelator Control 계통이나 구동계의 이상에서 생기며 비정상적인 조건(기상, 도로, 연료의 성질)도 관계된다. 일반적으로 다음과 같은 현상이 생기면 운전성능이 나쁘다고 평가하며 대부분 운전자가 직접 느끼는 현상이다.
·Surge : 주행 중 출력변동으로 생기는 차량 진동현상
·Hesitation : 가속시에 나타나는 초기 응답이 늦는 현상
·Stumble : 가속 중에 일시적으로 발생하는 출력 저하 현상
·Rough Idle : 공회전 중 생기는 공회전 불량 현상
·Stall : 주행 중 엔진정지 현상 또는 등판시 출력저하 현상
·Knocking : 가속 중이나 언덕주행 중 이상연소로 땅땅땅하는 폭음의 불쾌한 금속소리현상
·Back-Fire : 엔진의 흡배기관이 연료 폭발역화현상
·Icing : 연료 출구부에 공기 중의 수분이 결빙되는 현상
·Vapor Lock : 연료파이프나 연료 펌프 내에 연료가 대량으로 기화하여 엔진으로 연료가 압송되지 않는 현상

제동성능

차량의 속도를 올리려면 큰 엔진출력이 필요한 것은 알고 있지만, 차량을 정지시키는 데에는 보다 큰 힘이 필요한 것을 아는 사람은 드물다. 예를 들어 출력 100ps의 승용차가 100km/h까지 가속하는데 약 15초가 걸리지만 100km.h에서 급브레이크로 정지할 때까지 3.6초가 걸린다고 한다. 공기저항이나 구름저항을 무시한다면 브레이크로 정지할 때까지 필요한 힘은 출력의 5배, 즉 500ps로 되어 가속에 필요한 힘과 비교할 때 제동시에 필요한 힘이 매우 큰 것을 알 수 있다.

브레이크력

브레이크 조작으로 브레이크 내부의 Shoe와 Drum, Tire와 노면 사이에 마찰력이 발생하여 차의 움직임을 막는다. 일반적으로 마찰계수인 Drum과 Lining 사이에는 일반적으로 0.3~0.5이며 또 노면의 상태, 타이어의 종류에 따라 건전포장로에서 0.6~0.9, 습기포장로에서 0.3~0.6, 결빙로에서는 0.1~0.3이다. 눈이나 비가 올 때는 2배 이상의 제동거리가 필요하다.

정지거리와 제동거리

운전자가 위험을 감지하고 브레이크를 조작하여 차량이 정지할 때까지 거리가 정지거리이다. 위험을 감지한 때부터 브레이크가 작동을 개시할 때까지 걸리는 시간을 공주시간이라고 하고 그 사이에 간 거리를 공주거리(공주거리)라 한다. 일반적으로 0.5초 이내라고 한다. 브레이크거리란 브레이크가 작동해서 정지한 거리로서 브레이크의 기본적인 능력을 나타낸다. 이 브레이크 거리는 차종과 중량에 따라 다르고 노면 마찰계수에 좌우되며 또 노면상태에 따라 비가 올 경우 1.5배, 빙판길에서는 3배 이상 길어진다.

조종안정성

조종안전성이란 운전자가 생각하는 데로 선회한다거나 컨트롤 할 수 있는가 어떤가를 나타내는 것으로 좁은 산길에서 자유자재로 코너링하거나, 고속도로에서이 주행 중에 바람이 갑자기 불어도 안심하고 주행할 수 있거나 장애물을 여유있게 피해갈 수 있는 등의 자동차 자체의 성능과 운전자의 의도대로 움직여지는 것을 말한다. 자동차의 주행은 기본적으로 6가지 운동의 조합으로 이루어지다. 즉 전후운동, 좌우운동, 상하운동, Yawimg 운동, Rolling 운동, Pitching 운동으로 나누어지고 선회시에는 좌우운동, Yawing, Rolling의 3종류가 대표적인 운동이라고 할 것이다. 이와 같은 조종 안정성에 영향을 주는 선회특성과 고속시 안정성 등은 핸들의 무게, 서스펜션 시스템, 스티어링 시스템 등 밀접한 관련성이 있다.

승차감

넓은 의미로 승차감(Comfortability)이라고 하는 경우는 실내의 크기, 시계, 시트의 승차감, 실내의 정숙함, 각 부위의 진동크기를 가리키지만, 일반적으로 승차감이란 이 가운데 진동에 관계된 승객의 쾌적함을 의미하는 경우가 많다. 자동차가 주행하는 상태에서는 엔진, 구동계, 타이어 등 많은 물체가 운동을 하게 된다. 이 운동시 요철 등의 노면 상태, 타이어 상태의 Unbalance, 추진축의 회전불량, 엔진폭발로 생기는 토오크변화 등으로 이상진동이 발생한다. 노면이나 타이어에서 발생한 진동은 먼저 서스펜션에 전달되고 서스펜션 자체의 진동 특성에 의해 변화하여 차체로 전달된다. 플로어에서는 승객의 발에서 시트를 매개로 등과 허리에서 전달되고, 차체에서 스티어링으로 전달된 진동은 핸들진동으로 손에 전해진다. 한편 엔진, 트랜스미션, 프로펠라샤후트에서 생긴 진동은 Mount Rubber에서 감퇴시킨 후 차체에 전달된다. 이 승차감을 해석하는 경우, 자동차에서 발생한 진동에 대한 인간의 반응 즉 인체의 진동 특성과 진동에 대한 생리적 반응을 알 필요가 있다.

사양과 제원이란

자동차의 외양, 크기, 무게, 성능, 구성품 등의 명세나 형식 등은 자동차 각 부품의 설계와 제조의 표준이 되며 이를 바탕으로 자동차의 형식승인이나 필요한 인증을 받는데 이러한 것을 통칭하여 사양(사양) 또는 제원(제원 : Specifcation)이라고 하며 이들 용어의 정의나 측정방법은 자동차관리법과 한국공업규격(KS)에 규정되어 있다. 이러한 제원은 카다로그, 설명서, 사양서 등에 표시되어 자동차 사용과 정비 기타 기술적 목적에 이용되고 있으며 자동차의 특성항목과 비교우위를 파악하는 가장 객관적 자료가 될 수 있다. 제원치에는 치수(Dimensions), 질량(Masses), 하중(Weights) 및 성능(Performances)이 있으며 기준조건으로 치수는 수평의 직진자세로 정지된 공차(공차)상태에서, 성능은 최대 적재상태에서 측정하며 공차상태란 기본사양에 필요한 최소한의 장치,장비를 갖추고 윤활유, 브레이크액, 냉각수, 연료를 포함한다. 또한 최대 적재상태랑 공차상태에서 승차정원(1인당 55kg)과 최대 적재량을 균등하게 적재한 상태를 말한다.

치수제원

저장, 전폭, 전고(Overall Length/Width/Height) - 외형크기로서 최대치를 말하며 저장은 앞범퍼에서 뒷범퍼까지의 길이, 전폭은 차체이 가장 넓은 부분의 길이(단 백미러 제외), 전고는 지면에서 가장 높은 루프까지의 길이이다. 이를 전길이, 전너비, 전높이라고도 한다.



축간거리(Motor Vehicle Space/Wheel Base) - 앞뒤 차축의 중심에서 중심까지의 거리를 말하며 이는 앞뒤타이어 접지 중심에서 세로 중심면에 내린 수직 사이의 거리와 가다. 이것이 길수록 차체와 내부공간이 크고 안정감이 있는 대신 회전반경이 커진다.
차륜거리(Track/Tread) - 좌우 타이어 중심 사이의 거리로서 앞뒤 바퀴폭의 차이로 앞뒤거리가 다른 경우도 있다. 트레드가 길면 실내폭이 커지고 코너링 성능이 좋아진다.
최대 안전경사각 - 자동차를 측정대 위에서 오른쪽 및 왼쪽으로 기울였을 경우, 반대쪽의 모든 차륜이 측정대 바닥면에서 떨어질 때 측정대 바닥면과 수평면이 이루는 각도를 말한다.
최저지상고(Ground Clearance) - 접지면과 자동차 중앙 부분의 최하부와의 거리로서 타이어, 휠, 브레이크 부분을 제외한다. 이 수치가 높으면 험로주행성이 좋은 반면 안정성이 떨어진다.
실내치수(Interior Dimensions of Body) - 자동차 실내의 각종 치수는 거주성과 운전 조작성에 기준이 되며 길이는 계기판으로부터 최후로 좌석 뒤끝까지, 폭은 객실 중앙부의 최대 폭, 높이는 차량중심선 부근의 바닥면부터 천정까지의 길이를 말한다.
오버행(Over Hang) - 자동차 바퀴의 중심이 지나는 수직면에서 자동차의 맨앞 또는 맨뒤까지(범퍼, 견인고리, 윈치 등을 포함)의 수평거리로 Front/Rear Overhang이라고 하며, 바퀴의 접지점과 차량 앞뒤끝단 하부를 연결하는 선과 노면과이 경사 각도를 앞바퀴는 접근각(Approach Angle), 뒷바퀴는 이탈각(Departure Angle)이라고 한다.
최소 회전 반경(Minimum Turning Radius) - 자동차가 최대 조향각으로 저속회전할 때 바깥쪽 바퀴의 접지면 중심이 그리는 원의 반지름을 말한다. 따라서 실제로 차가 장애물을 접촉하지 않고 회전하려면 타이어의 궤적이 아닌 차체의 바깥 궤적이어야 하므로 이 수치보다 크다.

질량·하중제원

공차중량(Complete Vehicle Kerb Weight) - 자동차에 사람이나 짐을 싣지 않고, 연료, 냉각수, 윤활유 등을 만재하고 운행에 필요한 기본장비(예비타이어, 예비부품, 공구 등의 제외)를 갖춘 상태의 차량중량을 말한다.
최대 적재량(Maximum Payload) - 적재를 허용하는 최대의 하중(하중)으로 하대나 하실이 뒷면에 반드시 표시하여야 한다.
차량 총중량(Gross Vehicle Weight:GVW) - 승차정원과 최대적재량 적재시 그 자동차의 전체 중량으로 예를 들면 차량공차중량 1100kg, 승차정원 2명, 최대적재량1,000kg의 트럭 차량 총중량은 [1100+(55x2)+1000=2210]로 2,210kg이 된다. 국내 안전기준에서 자동차의 총중량은 20톤(1축 10톤, 1륜 5톤)을 초과해서는 안된다. 단, 화물자동차 및 특수자동차의 총중량은 40톤을 초과해서는 안된다. 연결시 중량은 트레일러를 연결한 경우 차량 총 중량을 말한다.
축하중(Axle Weight) - 차륜을 지나는 접지면에서 거리는 각 차축당 하중으로 도로, 교량 등의 구조와 강도를 고려하여 도로를 주행하는 일반자동차에 정해진 한도를 최대 축하중이라고 한다.
승차정원(Riding Capacity) - 입석과 좌석을 구분하여 승차할 수 있는 최대인원수로 운전자를 포함한다. 좌석의 크기는 1명 당 가로세로 400mm 이상이어야 하며 버스의 입석은 실내높이 1800mm 이상의 장소에 바닥면전 0.14m2에 1명(단 12세 이하 어린이는 2/3)으로 하고 정원 1명은 55kg으로 계산한다.

성능제원

자동차 성능곡선(Performance Digram) - 자동차의 성능곡선은 엔진 성능곡선과 주행성능곡선의 두 가지가 있다. 엔진성능곡선은 엔진회전수에 대한 마력, 토오크값, 연비를 나타내며 주행성능곡선은 주행저항, 구동력, 엔진회전속도 및 차속을 종합하여 표시한 것으로 성능의 검토나 해석에서 사용된다.
공기저항(Air Resistance) - 자동차가 주행하는 경우의 공기에 의한 저항으로 공기저항계수의 식은 다음과 같다.
동력전달효율(동력전달효율) - 엔진 기관에서 발생한 에너지(동력)가 축출력과 클러치, 변속기, 감속기 등의 모든 동력전달 장치를 통하여 구동륜에 전달되어 실사용되는 에너지(동력)의 비율을 말한다.
구동력(Driving Force) - 타이어와 노면과이 접지점에 있어서 자동차의 구동에 이용되는 엔진으로부터의 힘을 말한다.
저항력(Resistane Force) - 자동차 주행을 방해하는 방향에 작용하는 힘 즉 단순구름저항, 내부저항, 공기저항, 구배저항, 가속저항의 힘의 총합을 말한다.
여유력(Excess Force) - 엔진의 구동력과 전 주행의 저항 차이로서 이 여유구동력은 발진이나 추월의 가속력, 견인력, 등판력으로 나타난다.
등판능력(Gradability/Hill Climbing Ability) - 차량총중량(최대적재) 상태에서 건조된 포장노면에서 정지하여 언덕길을 오를 수 있는 최대 능력으로 'tan ' 혹은 '%' 단위로 표시하며 지도상 A·B 지점간의 거리가 1km이고, A·B 두 지점간의 고도차가 480m(0.48km)이면 48%가 된다.

가속능력(Accelerating Ability)

자동차가 평지주행에서 가속할 수 있는 최대여유력으로서 발진가속능력은 자동차의 정지상태에서 변속 및 급가속으로 일정거리(200m, 400m)를 주행하는 소요시간을 말하며 추월가속능력(Passing Ability)은 어느 속도에서 변속없이 가속페달을 조작, 급가속하여 어느 속도까지 걸리는 시간을 말한다.

변속비(Transmission Gear Ratio)

변속기의 입력축과 출력축의 회전수 비율로서 주행상태에 따라 선택할 수 있다.

압축비(Compression Ratio)

피스톤이 하사점에 있는 경우의 피스톤 상부 育馨泡피스톤의 상사점에 있는 경우의 피스톤 상부 용적과의 비율을 압축비라고 한다. 일반적으로 압축비가 높을수록 폭발압력이 높아 높은 출력과 큰 토오크를 얻을 수 있지만 가솔린 엔진의 경우 지나치게 높아지면 혼합기가 타이밍에 관계없이 자연착화되어 노킹의 원인이 된다. 압축비가 8:1이라면 흡입된 혼합기의 체적을 1/8로 압축시킨다는 뜻이다. 현재 일반승용차의 압축은 7.5~9.0이다.

배기량(Displacement)

엔진의 크기를 나타내는 가장 일반적인 척도로 엔진이 어느 정도 혼합기를 흡입하고 배출하는가를 용적으로 나타내는 것이다.

최대 출력(Maximum Power)

엔진의 힘을 나타내는 가장 일반적인 척도로 엔진이 행할 수 있는 최대 일의 능률을 말한다. 보통 마력/ps(Pferdestarke) 또는 HP(Horse Power) "말의 힘"으로 경험적으로 말 한 마리의 힘을 나타내는데 1마력이란 75kg의 물체를 1초 동안 1m 움직일 수 있는 힘을 말한다. 출력은 대부분 회전력(Touque)와 속도(회전수)를 결합한 능률을 나타내는 척도로 회전수를 병기하는 경우가 많다. 예를 들어 '120ps/6000rmp'이라면 매분 6000회전을 할 때 출력이 최고에 달하며 그 때 출력이 120ps라는 의미이다. rpm(Revolution Per Minute)은 1분간 몇 회전하는가를 표시하는 단위로 1분간 엔진의 회전수를 말한다. 4행정 엔진의 경우 2번 회전에 1회 팽창하므로 1분 동안 개별 실린더에서 1500회 팽창이 발생, 피스톤의 왕복운동이 있었다면 이때 rpm은 3000(1500´2)이 된다. 이 엔진출련 수치는 Net 값과 Gross 값으로 구분하여 표기하는데 SAE 규정에 따르면 'Net'는 엔진본체에 머플러, 배기가스 정화장치, 라디에이터 등의 부속장치를 붙인 상태에서 측정한 것으로 도로주행에서 보여주는 마력과 차이가 별로 없다. 반면에 'Gross'는 에진 자체만 다이나모에서 측정한 것이어서 일반적으로 양산차의 주행마력보다 크게 나온다.

토오크(Torque/rpm)

일반적으로 누르고 당기는 힘이라고 말하지만 이것에 대해 회전하려고 하는 힘을 토오크라고 한다. 토오크는 자동차의 성능 가운데 견인력, 등판력, 경제성을 좌우하는 요소가 된다. 단위는 'kg·m'로 하나의 수평축으로부터 직각 1m 길이의 팔을 수평으로 하여 그 부분에 1kg의 힘을 가할 때 축에서 생기는 것이 1kg·m이다. 예를 들어 15kg·m/4500rpm이라면 매분당 4500번 회전할 때 1m의 팔 끝에 15kg의 무게가 가해지는 것을 뜻한다. 따라서 토오크는 초기발진시 필요한 힘을 얻는데 필요하고, 탄력을 받은 후 가속하기 위해 필요한 것이 마력이다. 휘발유엔진보다 디젤엔진은 낮은 rpm에서 최대토오크가 나오도록 한다. 그러나 토오크가 강하면 최고속도를 손해보기 때문에 어떤 성격의 엔진이나 차를 만드느냐가 처음부터 고려되어야 한다.