자동차 공력성능과 디자인 독창성

[골프(김기태)]

1. 자동차 공력의 중요성 
자동차에서 공력은 연비, 동력성능, 주행안전성 그리고 주행쾌적성에 중요한 역할을 하고 있다. 특히 고속에서는 엔진 출력의 대부분이 단지 공기저항을 극복하기 위해 소모된다. 최근에 배기가스에 대한 글로벌 환경규제는 더욱 강화되고 있으며 고연비 차량은 소비자의 중요 구매요인으로 선호되고 있다. 

글 / 백승대 (현대자동차) 
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 8월호

자동차 디자인에 있어서 자동차 항력의 70% 이상이 차체의 스타일링에 의해 결정되기 때문에 그 중요성이 더욱 비중 있게 부각되고 있다. 자동차의 공력을 중시하다 보면 결국 유사한 모양의 차들만이 생산될 것이라는 우려가 있었으나 실질적으로는 공력에 관심을 가져온 선진 메이커들을 중심으로 오래 전부터 우수한 공력성능을 고려한 독창적인 디자인 연구개발이 지속되고 있다. 

현대자동차 디자인센터는 공력을 고려한 차량 전체의 유연한 프로파일과 안정된 스탠스를 추구하면서 글로벌디자인 경쟁력 향상을 도모하고 있으며 현대자동차만의 독창적인 디자인 조형철학인“Fluidic Sculpture”을 통하여 공력개선의 궁극적인 지향점인 친환경 디자인을 추구하고 있다. 

본 고찰은 공력최적화 자동차 디자인과 관련한 기본 특성을 이해하고 현대자동차가 개발한 컨셉카와 양산차 디자인 사례소개 및 VW 컨셉카 XL1을 통하여 궁극적인 공력최적화 자동차 디자인의 발전 가능성을 공유하고자 한다. 

그림 1은 차량 별 특성에 따른 항력 계수를 단순 비교한 것으로 VW의 1ℓ카(1인승 컨셉카)의 CD값은 0.15이며 일반적인 세단형은 0.3 내외의 CD값을 기록한다. 

2. 공력개발과 자동차 성능향상 
자동차에 관련된 공기역학은 일반적으로 풍동실험(Wind Tunnel Test)의 과정을 거쳐 다음과 같은 분야에서 자동차의 성능을 향상시키고 있다. 

1. 연료 경제성(Fuel Economy) 
2. 고속주행 안정성(Stability at High Speed) 
3. 횡풍 직진주행 안정성(Straight Line Driving Stability at Side Wind) 
4. 엔진냉각 및 브레이크 성능(Cooling of Engine and Brake) 
5. 공력소음 감소(Reduction of Wind Noise) 
6. 환기(Ventilation) 및 성애제거(Defrosting) 등 

3. 항력(CD) 계수 

항력계수는 공기의 밀도, 풍속(차량 속도), 전면 면적의 함수로 결정된다. 따라서 형태가 다른 두 종류의 자동차 항력의 크기를 비교할 때에는 공기밀도와 풍속이 일정하 
다고 가정하는 경우 풍동시험에서의 측정된 항력계수에 전면 면적을 곱하여 그 크기를 기준으로 항력특성을 직접 비교할 수 있다. 그림 2에서 전면 면적은 자동차의 전면 
에서 평행관선을 비추어서 나타나는 자동차의 그림자를 측정함으로써 구할 수 있다.

4. 6분력과 힘의 모멘트 
자동차에 작용하는 공기력을 세분화하여 구분하면 그림 3과 같이 6개의 성분으로 나눌 수 있다. 즉 자동차의 직교좌표 계 X, Y, Z에 평행하게 작용하는 힘(항력, 양력, 
측력)과 이들 좌표축을 기준으로 작용하는 모멘트(롤링,요잉, 피칭)가 있다. 

● 3개의 힘 - 항력, 양력, 측력 
차량에 작용하는 공기저항은 3가지로 항력, 양력, 측력이 있으며 차량 외부 및 하부 형상에 따라서 좌우된다. 

- 항력(Drag) : 물체가 전진하는데 방해가 되는 힘을 말한다. 연비, 추월가속, 동력성능을 결정한다. 

- 양력(Lift) : 공기와 날개가 만나서 항공기가 위로 뜰 수 있게 하는 힘이다. 차체부상량, 접지력과 관련하며 주행안전성을 결정한다. 

- 측력(Side Force) : 자동차를 옆으로 미는 힘으로 사이드 슬림각과 관련 횡풍 주행안전성을 결정한다. 

● 3개의 모멘트 - 롤링, 피칭, 요잉 
차량에 작용하는 힘 외에 3개의 모멘트가 발생한다. 공기역학적 모멘트는 공기역학적인 중심(a.c : Aerodynamic Center)과 차량의 무게중심(c.g : Center of Gravity)의 위치가 다르기 때문에 발생한다. 

- 롤링 모멘트(Rolling Moment) : 측력 방향 축을 중심으로 회전하며, 횡풍 주행안정성과 관련 있다. 

- 피칭 모멘트(Pitching Moment) : 항력(바람) 방향 축을 중심으로 회전하며, 고속 주행 안정성과 관련있다. 

- 요잉 모멘트(Yawing Moment) : 양력(수직) 방향 축을 중심으로 회전하며, 횡풍 주행안정성과 관련 있다. 

고속 주행 스포츠카는 피칭 모멘트가 중요하며 상대적으로 전고와 지상고가 높은 SUV/MPV 차종은 롤링 모멘트가 중요 하다. 횡풍 조건에서 발생하는 요잉 모멘트는 차 
량의 주행안정성을 결정하므로 최소화할 수 있는 디자인 방안이 요구되어야 한다. 

5. 항력과 전방 기울기 
승용차의 전방형상에서 후드 곡률이 공력성능에 미치는 영향은 매우 크다. 차량 전면을 타고 오는 유동이 후드 시작부분에서 큰 와류를 형성하는가, 아니면 매끄러운 유선을 만드는가에 따라 항력과 양력이 크게 달라진다. 후드 시작부에서 유동박리가 생기지 않도록 하기 위해서는 후드 전면이 경사각을 갖도록 디자인하는 것이 유리하다.

그림 4 평가결과는 그릴부위 경사각이 30。정도에서 항력과 양력이 감소됨을 알 수 있다. 이는 앞 유리(Wind Shield) 경사각에서도 동일한 개념으로 이해할 수 있다. 그림 5에서와 같이 앞 유리(Wind Shield) 경사각이 끝나는 지점에서 유동박리가 생기는 경우 그렇지 않는 경우에 비해서 항력과 양력은 증가한다. 앞 유리 경사각과 루프 전방 코너 곡률적용으로 박리 와류 형성을 제거함으로써 항력계수를 크게 감소시킬 수 있다. 

6. 범퍼 측면 곡률과 휠 오픈닝 
탑뷰상에서 범퍼 측면 곡률도 후드 곡률과 같은 역할을 하게되는데 코너에 적절한 곡률이 적용되지 않는 경우 범퍼 측면에서 발생하는 유동박리로 항력이 증가하게 된다. 범퍼 측면부의 곡률최적화 시 범퍼측면 및 펜더부의 적정 길이 확보도 함께 고려되어야 한다. 곡률만을 크게 할 경우 휠하우스 앞에서 과도한 와류 발생으로 공력성능을 저하시킬 수 있다. 이때 휠하우스와 타이어의 갭을 최소화하면 와류도 줄일 수 있으며 스타일링 측면에서도 안정감 있는 스탠스를 확보하는데 크게 기여한다.

7. C 필라 와류현상 최소화 
세단이나 쿠페 차량의 후방에서는 규모가 큰 와류를 발견할 수 있는데, 이를 C필라 와류(C Pillar Vortex)라 부른다. 그림7에서와 같이 C필라 와류는 C필라를 타고 넘어가는 유동과 루프를 타고 내려오는 유동과의 속도 차로 인해 형성되며 항력 악화의 원인이 되기도 한다. C필라 와류의 세기는 내리씻음(Down Wash) 유동의 크기와 양력의 크기에 비례한다. 자동차의 경우, 차량에 발생하는 양력은 차량의 안정성을 악화시키고 
부가적인 유도항력(Lift Induced Drag)를 발생시킨다. 따라서 자동차에서는 C필라 와류를 최소화하여 차량 후면부의 양력 및 유도항력을 최소화해야 한다.

8. 엣지 효과 (Edge Effect) 
해치백 차종에서 루프 끝 단 곡률을 직각화 하거나 세단에서 경사각이 큰 뒷 유리 상단에 연장엣지(Extended Edge)를 적용하는 경우 항력감소 효과를 얻을 수 있다. 그림 9와 같이 스포일러가 없는 경우 일반적으로 발생하는 후면부 양력을 그림 10처럼 스포일러를 적용함으로써 후면부 재순환 영역의 강도를 감소시키거나 후방으로 이동시켜 후면부의 표면 압력을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 

9. HND4 컨셉카 디자인과 공력개선 효과 
현대자동차 컨셉카 HND4는 유기적인 역동성을 자동차 스타일에 적용시킨 실험적인 스타일링이었으며 공력특성을 고려한 미래지향적인 디자인 개발 사례이다. 전면부 그릴부의 곡률과 부분적으로 과장된 바디의 조각적인 스타일링 요소를 제외한 전 부문에 걸쳐서 공력개선을 이루었으며 내부 실험치로 CD 0.285 결과를 기록하였다.

10. 쏘나타 하이브리드 디자인과 공력성능 개선 
2009년 런칭한 쏘나타는 현대차 디자인 철학‘플루이딕 스컬프처’를 적용한 최초 차종이었고 2011년 그 철학을 계승하여 양산된 쏘나타 하이브리드는 현대차 최초의 가솔린 하이브리드 차량이었으며 주요 공력개선 항목은 다음과 같다. 

- 트렁크 경사각 최적화 및 킥업 
- 리어램프 및 범퍼 측면 형상 직각화 
- 휠 형상 평평화 및 개구율 최적화 
- 타이어 가림량 증대 및 범퍼 스커트 적용 
- 휠 디플렉터 크기 및 형상 최적화 
- 전범위 센터플로어 언더커버 
- 리어범퍼 측면 언더커버 
- 디퓨저각 및 형상 최적화 
- 차체 지상고 하향

● 스타일링 컨셉과 공력 디자인 
쏘나타 하이브리드 디자인은 현대차의 조형철학‘플루이딕 스컬프처’를 이어받았다. ‘플루이딕 스컬프처’란 자연에서의 영감과 유연성을 상징하는 Fluidic과 예술적 가치를 구현하는 Sculpture의 합성어로 공기의 흐름이 깎아놓은 듯한 유기체적인 친환경 디자인 철학이다. 

이를 위하여 공기의 흐름과 조화를 이루도록 전면부 그릴 경사각은 후드 선단에서 박리가 일어나지 않고 공력성능을 최적화할 수 있는 각도를 적용하였고, 카울포인트는 전방으로 이동시켜 캡포워드 프로파일을 구현하면서 윈드실드와 루프의 연결감을 강조하였으며 전고점 위치 또한 최적점에서 형성되도록 데크포인트를 후향시켜 그린하우스를 바디 전체와 일체감을 이루도록 하였다. 

● 후면부 공력 개선효과 
공력성능 개선을 위해서는 후방 측면의 유동박리가 일정한 위치에서 일어나도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 쏘나타 하이브리드에서는 클레이 모형 평가와 공력해석을 통하여 최적의 박리위치를 선정하였으며, 리어콤비램프와 후방범퍼에 직각화 및 엣지 형상(Edge Effect)을 적용하여 일정한 박리가 일어나도록 유도하여 공력성능을 개선하였다. 또한 최적의 트렁크 경사각과 후미 킥업 형상을 적용하여 루프에서 이어지는 후류 형상을 최적화 하였다.

● 휠 주위 유동 최적화 
휠 주위 유동저항 역시 공기저항 중에서 큰 비중을 차지한다. 이 부위의 개선을 위해서 범퍼 스커트를 적용하여 타이어에 직접 유동이 부딪히는 면적을 최소화 하였으며, 휠 디플렉터 형상 및 사이즈를 최적화하여 휠아치로의 유동유입으로 발생하는 공기저항을 감소시켰다. 휠 형상 또한 최대한 평평한 형상을 적용하고 개구율을 최소화하여 휠 내부로 유입되어 발생하는 공기저항을 최소화 하였다. 

● 언더바디 최적화 
언더바디가 평평하지 않을 경우, 하부의 불규칙한 유동은 하부 유속을 감소시켜 공기저항이 증가한다. 쏘나타 하이브리드는 센터플로어 및 연료탱크 부위를 커버하는 전 범위 언더커버를 적용하였으며, 리어범퍼 측면하단에도 언더커버를 적용하여 하부 유동이 범퍼로 유입되는 현상을 막아 공력성능을 개선하였다.

마지막으로 차체의 지상고를 쏘나타 대비 하향하여 최적의 지상고를 적용하였다. 이와 같이 쏘나타 하이브리드는 수많은 모형평가, 실차평가, 공력해석을 통해 공력성능 최적화가 이루어졌으며, 그 결과 당시까지 개발된 양산차 최고의 공력성능인 CD 0.25를 달성할 수 있었다. 

11. 공력성능 최적화, VW XL1 컨셉카 (CD 0.168) 
2014년 양산 예정인 VW XL1 하이브리드 컨셉카는 공력성능을 가장 이상적으로 최적화하여 제시한 자동차 디자인으로 1ℓ로 100km 주행이 가능한 미래자동차시대를 예고하고 있다 (그림 17).

사이드 프로파일은 항력과 양력을 최소할 수 있도록 디자인되었으며 자동차의 루프형상은 공기역학적인 관점에서 가장 중요한 전고점을 최적화하였으며, 와류의 발생을 억제할 수 있도록 후미의 킥업(Duck Tail) 처리까지 그린하우스 전체가 바디와 일체감을 주도록 길게 이어지는 루프 커브를 구현함으로써 양력계수와 항력계수의 크기를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 

차량의 주행안정성은 지면에 대한 접지력과 깊은 관련이 있다. 차량에 발생하는 과도한 양력은 타이어 접지력을 감소시키므로 주행안정성을 악화시키는 경향이 있다. 그러므로 차량 개발 시 양력을 Zero화 하거나 약간의 다운포스를 발생시키는 방향으로 공력특성을 설정해야 한다.

그림 18에서 정리한 것과 같이 VW XL1 컨셉카를 통해서 표기된 주요 공력성능 9가지는 상품성과 밀접하게 상관요소를 내재하고 있다. 이러한 상관 관계를 차종별 특성에 맞게 공력성능의 비중과 상품개발의 우선순위를 통합적으로 고려하여 디자인하여야 한다. 

12. 공력성능 개선과 독창적인 자동차 디자인 
차량의 연비를 개선하는 대표적인 방법에는 중량 축소, 동력성능 개선 그리고 공력성능 개선이 있다. 여기서 공력성능 개선은 자동차 디자인과 가장 밀접한 분야로써 효율적 차량개발과 고품질의 상품개발을 통합적인 디자인 솔루션으로 제공하여야만 소비자 만족효과를 극대화할 수 있다. 

공력성능만을 최우선 과제로 차량개발이 이루어질 경우, 법규 불만족 및 상품성이 미흡할 수 있으며 획일화된 형상과 특징 없이 단조로운 디자인으로 소비자의 감성만족을 충족시키지 못할 수 있다. 

결론적으로 공력성능이 우수한 차량개발을 목표로 차종별 최적화된 상품성이 고려된 자동차 개발은 브랜드 고유의 차별화 전략을 부각시킬 수 있는 독창적인 스타일링으로 조화를 이룰 때 비로소 창의적인 디자인으로 완성된다고 할 수 있으며, 이것이야말로 진정한 글로벌 자동차 디자인 트렌드를 주도할 수 있는 지속성장의 밑거름이라고 할 수 있다. 

[진러브]

와우~ 정말 대단한 정보네요^^
상당히 어려운 내용이겠만 엔지니어 출신으로서 피를 끓게 만드는 내용입니다~ ㅎㅎ 좋은 정보 감사합니다~^^

[골프(김기태)]

감사합니다. 읽어주셔서.

[그라시아(민혜원)]

오호~~
그럼 제 각설탕은 공력무시한 차네요ㅋ
근데도 2**킬로 대까지 잘 달리는데 ㅎㅎ
조만간 각이 닳아 없어지려나ㅋ

[골프(김기태)]

풍압이 세지면 각이 펴지는 첨단기술이 들어간 것 같은데요Σ(￣。￣?)?

[그라시아(민혜원)]

아항~그럼 좀더 달리면 폴쉐처럼 날렵해지겠죠?ㅋㅋ

[골프(김기태)]

제가 도저히....상상력이 발끝에도 못미치는군요.^.^ 스승으로 모시겠습니다. 꾸벅

[그라시아(민혜원)]

ㅋㅋㅋ^^;
제 직업이 tutor~ㅎㅎ

[골프(김기태)]

그럼 이제부터 그 선생님이시군요..

[그라시아(민혜원)]

^^

[최자(최기열)]

직선과ㅜ곡선의~ 조합•_•!!!

[골프(김기태)]

전체 디자인이 공력에 맞게 다자인 되어 있어야 하니 아직도 어려운 일인가봐요