토크와마력-7

[hvacyoon]

자동차 제원표시를 보면 최대마력이니 몇RPM에서 토크니 하는 것들이 나온다. 정확한 의미를 알아보자

Force, Work and Time(힘, 일 그리고 시간) 1파운드의 물체가 바닥에 떨어져 있다고 보자. 1파운드의 힘으로 물체를 들어올리려면 아무리 힘을 쓰고 에너지를 소모한다고 하더라도 들어올리지 못할 것이다.즉 일을 못한 결과가 된다.

만약 그것을 들어올리기에 충분한 힘을 가해 1푸트(foot)를 들어올리면 1푸트파운드 (ft.lb)의 일을 한 것이다.

이 일을 1분 동안에 해냈다면 1ft.lb/분의 일을 한 것이고 1초 동안에 해냈다면 60ft.lb/분의 일을 한 것이다.

이러한 일의 측정을 자동차 성능에 연관시키려면 힘(ce), 일(work), 시간(time)의 세 가지 요소를 반드시 적용해야 한다.

증기기관을 발명한 와트는 몇 가지 실험을 통해 말 한 마리가 일을 할 수 있는 능력이 1초에 550파운드의 물체를 1푸트 들어올릴 수 있다는 결론을 얻고 1마력을 33,000ft.lb/분으로 정의했다.

이를 자동차에 적용시키려면 크랭크 샤프트 같은 회전하는 물체로부터 단위를 계산해야 한다.

따라서 토크는 원의 중심으로부터 1피트 떨어진 무게가 없는 바에 1파운드의 무게를 지탱할 수 있는 비틀림 힘을 말한다.

그러나 가동중인 엔진으로부터 실제 마력을 잴 수가 없기 때문에 다이나모에서 토크를 측정하여 이를 마력으로 변환하게 된다.

길이 1피트의 무게가 없는 바에 있는 1파운드를 1회전시키면 6.2832 피트를 움직이게 된다(원주=2pi×r). 즉 우리는 6.2832ft.lb의 일을 한 것이다.

그런데 와트는 분당 33,000ft.lb의 일 량이 1마력과 같다고 했으므로 33,000ft.lb를 1회전에 6.2832ft.lb의 일을 한 것으로 나누면 5,252rpm에서 1ft.lb의 토크는 분당 33,000ft.lb의 일 즉 1마력과 같다.이 무게를 2,626rpm의 속도로 움직이면 1/2마력의 힘이 발생한다.따라서 다음과 같은 공식이 나타난다.

마력=토크×rpm/5,252자동차에서 토크와 마력은 무엇을 의미하는가?

주어진 기어에서 주행저항과 공기저항을 무시한다면 그 토크커브에 정확히 일치하며 가속을 할 것이다.즉 자동차는 어느 기어단에서 최대토크에서 최대 가속을 할 것이고 최대토크 아래에서는 가속이 그리 크지 않을 것이다.

300ft.lb의 토크를 가진 차의 경우 4,000rpm의 토크가 2,000rpm의 토크와 같다면 2,000rpm에서도 가속이 아주 강하게 될 것이다.

그런데 마력을 보면 4,000rpm의 절반에 불과하다.

토크 커브와 대조적으로 마력은 rpm의 증가에 따라 급격히 증가한다.특히 토크 값이 같이 증가하면 더욱 급격해진다.

마력은 토크의 최대치를 지나더라도 rpm이 증가함에 따라 증가한다.그러나 엔진 회전수 증가보다도 더 급격히 토크가 떨어지면 마력도 떨어진다.

그런데 마력은 드라이버가 느끼는 것하고는 상관이 없다.이 사실을 믿겠는가? 그러나 논터보 차량을 1단 기어에서 최대 토크에서 출발하면 몸이 뒤로 확 젖혀지지만 최대 마력에서 출발하면 뒤로 젖혀지는 느낌이 덜한 데서 이러한 사실이 입증되고 있다.

이처럼 토크가 중요한데도 우리가 마력을 고려하는 이유는 무엇일까? 토크는 낮은 rpm에 두는 것보다 높은 영역에 두는 것이 낮다.

왜냐하면 기어링의 장점이 있기 때문이다(일반적인 도로주행에서는 낮은 대역에서의 최대 토크발생이 운전하기에 더 편하다). 몇 백년 전에 만들어진 무거운 물레방아를 생각해 보자. 샤프트에 걸쳐진 채 그 무거운 물레방아가 천천히 돌아가고 있다.이 휠은 보통 2,600ft.lb의 토크를 생산하는데 돌아가는 속도를 재어보면 12rpm 정도이다.

이 휠을 자동차의 드라이브 휠에 연결시킨다면 차는 물레방아가 느끼지도 못할 정도로 순식간에 12rpm으로 갈 것이다.12rpm은 보통 차들의 시속 1마일(1.6km) 정도가 되는 회전수이다.만약 60mph(시속 100km정도)로 가기 위해서는 43.3ft.lb의 토크(2,600/60)를 생산하기 충분한 기어로 바꾸어야 하는데 이는 그리 큰 토크 값도 아니며 보통 차들이 60mph에 도달하기 위한 것보다도 작은 수치이다.

어쨌든 이를 공식에 대입하면 2600×12/5200=6마력이 된다.따라서 물레방아는 많은힘(ce)을 내지만 시간의 함수인 힘(power)은 아주 적다.

마력이 가속력에 미치는 영향

그러면 마력은 가속력에 어떻게 영향을 미치는지 LT1 코베트와 1991년형 L98 엔진의 코트를 비교해 보자. 두 차량은 기어비가 같고 무게도 몇 파운드밖에 차이가 나지 않으므로 좋은 비교가 될 것이다.

엔진 최고출력/rpm 최대토크/rpm L98 250/4,000 340/3,200 T1 300/5,000 340/3,600테스트 결과 두 차는 최대토크에서 출발할 때 몸이 젖혀지는 맛이 거의 같다.

처음에는 두차가 거의 비슷하게 빠르다고 느끼겠지만 궁극적으로는 LT1이 훨씬 빠르다.

왜 그럴까? 토크= 마력×5,252/rpm의 공식에 L98의250hp/4,000을 대입해보면 최고출력에서 328ft.lb의 토크밖에 발휘하지 못하며 5,000rpm에서 263ft.lb 이상의 토크를 내지 못하리란 것을 추정 할 수 있다.

실제 L98 엔진의 코베트는 5,000rpm에서 210ft.lb의 토크를 낸다.이에 따라 대부분 4,600∼4,700rpm에서 기어를 변속하는데 그래야만 다음 기어단에서 최대토크를 얻을수 있기 때문이다.반면 LT1 5,000rpm에서 315ft.lb를 얻을 수 있으며 5,000rpm 중간까지도 여유가 있다.

따라서 드래그 레이스에서 같이 출발하면 L98은 최대토크가 낮은 rpm에 있으므로 처음에는 유리할 것 같지만 이는 논쟁의 여지가 있다.

왜냐하면 LT1이 더 넓은 대역의 편편한 토크 커브를 갖고 있기 때문이다.미드 레인지 이상이 되면 LT1이 쭉 가속이 될 것이다.

어느 시점에서 L98이 2단 으로 가속할 때 LT1은 1단으로 1,000rpm을 더 갈 수 있는 성능을 바탕으 로 선두로 나설 것이고 속도가 빨라지면 빨라질수록 더욱 더 차이가 난다

토크의 크기와 변속과는 어떤 관계가 있나요?

버기 자동차에서 토크가 클수록 그립력이 크다고 하던데 그것과도 관계 있는 내용인가요?

솔직히 말씀드려.. 토크가 무엇인지도 제대로 이해를 하고 있지 못한데요, 22.9kg.m이라는 숫자의 의미를 어떻게 이해 해야 하는 건가요?

토크는 바퀴가 돌아가는 힘이라고 생각하면 됩니다. 그리고 마력은 바퀴가 얼마나 빨리 돌아갈 수 있는가를 나타낸다고 생각하면 되고요.

공학적으로 토크는 모멘트라고 하는데, 비트는 힘을 말합니다. 모멘트는 힘과 거리를 곱해서 나타내는데 그래서 단위가 힘을 나타내는 kg과 거리를 나타내는 m의 곱으로 표현됩니다. 하지만 이렇게 생각하면 어렵거든요.....

토크가 크다는 것은 크랭크축이 돌아갈때 힘이 크다는 것을 말합니다. 물론 원인은 커넥팅로드라는 피스톤과 크랭크 축을 연결하는 바의 길이가 길기 때문입니다. 즉, m가 크기때문이지요. 따라서 크랭크축이 돌때 내는 힘이 크다는 것은 바퀴가 돌때 내는 힘이 크다는 것이고, 바퀴의 힘은 결과적으로 지면과의 마찰력으로 발생하는 것이니까 바퀴가 지면에 얼마나 큰 마찰력을 일으키는가를 말하게 됩니다. 이런 것을 유식하게 그립력, 즉 땅을 꽉쥐는 힘을 말하죠.

통상적으로 토크가 크다고 해서 차가 빠르지는 않습니다. 디젤차의 경우, 토크는 크지만 최고속도에 있어서는 가솔린차를 이기지는 못하죠. 원인은 이렇습니다.

디젤차의 경우, 가솔린차와는 다르게 경유를 큰압축력으로 눌러서 착화시켜 힘을 냅니다. 따라서 큰 압축력을 얻기 위해서는 피스톤이 실린더 내에서 움직이는 거리(행정이라고도 합니다. )가 길어야 합니다. 끝을 막은 주사기를 끝까지 빼서 누를때 더 큰 압이 걸리는 것과 마찬가지죠. 그러다보니 피스톤과 크랭크 축을 연결하여 회전력을 얻는 커넥팅 로드의 길이가 길어집니다. 결가적으로 크랭크 축에서 발생하는 회전력은 커지게 된답니다.

이런 이치는 지렛대의 원리와도 같은데요, 자전거의 앞쪽기어가 큰 이유도 패달에서 돌리는 힘은 동일한데 앞쪽의 기어가 크기 때문에 결과적으로 체인이 걸린 기어이의 끝에서는 큰 토크가 걸리는 것입니다. 드라이버의 손잡이가 굵은 것도 그러한 이유이며, 힘이 똑같은 사람이 야구방망이를 양쪽으로 잡고 돌렸을 때, 굵은 쪽에 잡은 사람이 이기는 이유도 토크가 크기 때문이지요.

따라서, 같은 배기량의 디젤차와 가솔린차를 묶어서 서로 당기기를 한다면 아마 디젤차가 이길 것입니다. 이유는 디젤차의 크랭크축에 걸리는 토크가 가솔린 차보다는 크니까, 즉 바퀴가 돌아가는 힘이 크기때문이지요.

하지만, 토크가 크다고 해서 차가 빠르지는 않습니다. 디젤차는 커넥팅 로드의 길이가 길기때문에 결과적으로 토크는 크지만 최고 엔진회전수가 가솔린 차보다는 낮답니다. 길이가 긴 끈의 끝에 쇠방울을 달고 돌리는 것과, 짧은 끈에 쇠방울을 달고 돌리는 것에서 짧은 쪽을 빨리 돌리기 쉽죠. 긴쪽은 어렵습니다.

가솔린차가 디젤차보다 빨리 달릴 수 있는 이유는 바로 엔진회전수를 높이는데 유리하기 때문이지요. 물론 기어비라든가 여타의 방법으로 차속을 높일 수는 있지만 같은 기술을 디젤차와 가솔린 차에 동일하게 적용한다면 근원적인 차속의 힘은 바로 엔진의 회전수이며 결과적으로 가솔린차가 빠르게 되죠.

따라서 회전수는 일량을 나타네기 때문에 마력이 같은 배기량이라고 한다면 가솔린 차가 높고, 아무래도 가솔린의 열량이 경유보다 높기 때문에 왠만한 작은 배기량의 가솔린차도 디젤차보다는 마력수가 높죠.

따라서, 토크는 자동차가 물건을 끌어당길수 있는 힘이라고 생각하시면 되구요, 마력이란 차가 얼만나 시간을 두고, 빨리 달릴 수 있는가를 나타낸다고 생각하시면 됩니다.

토크란 머 모멘트나 우력 이런 어려운 말도 있는데, 비틀리는 힘으로 얘기하면 쉽겠군요.

얼마나 세게 비트느냐 인거죠.

22.9kg.m는 앞 분 얘기대로 1m의 강철봉에 22.9kg의 추를 달았을때 걸리는 힘입니다. 22.9kgm면 음.. 조금은 센 엔진이겠네요. 엔진에서 변속기를 거치면 약 13배 정도는 토크가 뻥튀기 됩니다. 기어 변속비 때문이죠.

그런데 헛갈리는건 마력라는게 또 있다는 겁니다. 마력이랑 토크랑.. 헛갈리죠?

마력은 일량입니다. 즉 얼마나 빨리 일을 하느냐는 거죠.

일이란 kg.m (토크랑 같은 단위입니다. 하지만 토크로 일을 계산할때는 각도를 곱합니다.)으로 표시하는데 (또는 Nm) 이는 1kg의 무게를 1m 들어올릴때 들어가는 일입니다.

일량은 kg.m/s 로 표시하는데 이는 1kg의 무게를 1초에 1m를 들어올릴 수 있는 일량입니다. 즉 마력이란 1마리의 말이 1초에 1m를 들어올릴 수 있는 무게를 나타냅니다. 얼마나 많이 얼마나 빨리라는 것이 들어가지요. 그래서 토크랑은 틀립니다.

만약 토크가 낮더라도 엔진의 속도가 빠르다면 마력은 높아지겠지요. 디젤엔진이 용량에 비해서 휘발유엔진(오토엔진)보다 토크는 높은데 마력이 낮은 이유는 엔진의 속도가 느려서 입니다.

한마디로 하면 토크는 한펀치(힘이 좋다), 마력은 순발력(가속이 뛰어나다) 이정도면 될까요

22.9kg.m

1미터 긴봉에 22.9 KG 을 엔진이들어올리수 있다는 얘깁니다..(맞나?)

여기서 RPM도 나와야 합니다..분당 회전수인데..시동을키면 속도계옆 비슷한그림의 타코메타가 1에 가있는데..이건 1000회전을 한다는겁니다..(실제는 약간 낮게 세팅해놓습니다..)

최고 22.9을 들어 올리려면 2~4000rpm엔 가있어야 하구요..

분명한건 변속도 중요하다는겁니다..

예를들어 일반자전거를 무척힘 좋은사람이 타고 21단기어자전거를 일반인이 탄다고 생각할때.. 두사람이 오르막 급경사를 간다고 생각해보세요..

아무리 힘좋은 사람이라도 기어가 없으면 체인이 망가지거나 올라갈수 없을겁니다..

여기서 버기차는 기어는 최저,오르지 함만으로 달리는걸 얘기하는것 같네요..

사실 버기차에 기어 5단이 필요하겠습니까.. 스포츠카도 아닌데..

토크

토크는 바퀴가 돌아가는 힘이라고 생각하면 됩니다. 그리고 마력은 바퀴가 얼마나 빨리 돌아갈 수 있는가를 나타낸다고 생각하면 되고요.

공학적으로 토크는 모멘트라고 하는데, 비트는 힘을 말합니다. 모멘트는 힘과 거리를 곱해서 나타내는데 그래서 단위가 힘을 나타내는 kg과 거리를 나타내는 m의 곱으로 표현됩니다. 하지만 이렇게 생각하면 어렵거든요.....

토크가 크다는 것은 크랭크축이 돌아갈때 힘이 크다는 것을 말합니다. 물론 원인은 커넥팅로드라는 피스톤과 크랭크 축을 연결하는 바의 길이가 길기 때문입니다. 즉, m가 크기때문이지요. 따라서 크랭크축이 돌때 내는 힘이 크다는 것은 바퀴가 돌때 내는 힘이 크다는 것이고, 바퀴의 힘은 결과적으로 지면과의 마찰력으로 발생하는 것이니까 바퀴가 지면에 얼마나 큰 마찰력을 일으키는가를 말하게 됩니다. 이런 것을 유식하게 그립력, 즉 땅을 꽉쥐는 힘을 말하죠.

통상적으로 토크가 크다고 해서 차가 빠르지는 않습니다. 디젤차의 경우, 토크는 크지만 최고속도에 있어서는 가솔린차를 이기지는 못하죠. 원인은 이렇습니다.

디젤차의 경우, 가솔린차와는 다르게 경유를 큰압축력으로 눌러서 착화시켜 힘을 냅니다. 따라서 큰 압축력을 얻기 위해서는 피스톤이 실린더 내에서 움직이는 거리(행정이라고도 합니다. )가 길어야 합니다. 끝을 막은 주사기를 끝까지 빼서 누를때 더 큰 압이 걸리는 것과 마찬가지죠. 그러다보니 피스톤과 크랭크 축을 연결하여 회전력을 얻는 커넥팅 로드의 길이가 길어집니다. 결가적으로 크랭크 축에서 발생하는 회전력은 커지게 된답니다.

이런 이치는 지렛대의 원리와도 같은데요, 자전거의 앞쪽기어가 큰 이유도 패달에서 돌리는 힘은 동일한데 앞쪽의 기어가 크기 때문에 결과적으로 체인이 걸린 기어이의 끝에서는 큰 토크가 걸리는 것입니다. 드라이버의 손잡이가 굵은 것도 그러한 이유이며, 힘이 똑같은 사람이 야구방망이를 양쪽으로 잡고 돌렸을 때, 굵은 쪽에 잡은 사람이 이기는 이유도 토크가 크기 때문이지요.

따라서, 같은 배기량의 디젤차와 가솔린차를 묶어서 서로 당기기를 한다면 아마 디젤차가 이길 것입니다. 이유는 디젤차의 크랭크축에 걸리는 토크가 가솔린 차보다는 크니까, 즉 바퀴가 돌아가는 힘이 크기때문이지요.

하지만, 토크가 크다고 해서 차가 빠르지는 않습니다. 디젤차는 커넥팅 로드의 길이가 길기때문에 결과적으로 토크는 크지만 최고 엔진회전수가 가솔린 차보다는 낮답니다. 길이가 긴 끈의 끝에 쇠방울을 달고 돌리는 것과, 짧은 끈에 쇠방울을 달고 돌리는 것에서 짧은 쪽을 빨리 돌리기 쉽죠. 긴쪽은 어렵습니다.

가솔린차가 디젤차보다 빨리 달릴 수 있는 이유는 바로 엔진회전수를 높이는데 유리하기 때문이지요. 물론 기어비라든가 여타의 방법으로 차속을 높일 수는 있지만 같은 기술을 디젤차와 가솔린 차에 동일하게 적용한다면 근원적인 차속의 힘은 바로 엔진의 회전수이며 결과적으로 가솔린차가 빠르게 되죠.

따라서 회전수는 일량을 나타네기 때문에 마력이 같은 배기량이라고 한다면 가솔린 차가 높고, 아무래도 가솔린의 열량이 경유보다 높기 때문에 왠만한 작은 배기량의 가솔린차도 디젤차보다는 마력수가 높죠.

따라서, 토크는 자동차가 물건을 끌어당길수 있는 힘이라고 생각하시면 되구요, 마력이란 차가 얼만나 시간을 두고, 빨리 달릴 수 있는가를 나타낸다고 생각하시면 됩니다.

RPM

RPM은 엔진의 분당 회전수를 말하는것으로서 TACHO METER 타코미터라고 흔히 부릅니다.

자동차의 RPM과 TOQUE 마력 그리고 자동차의 스피드는 미묘한관계를 가집니다.

일반적인 승용차는 중저속으로 세팅이 되어있고 고성능 엔진의 스포츠카등은 고알피엠영역까지도 충분한 힘을 발휘하게 되어있습니다.

여기서 알피엠이 무조건 높다고 엔진이 힘이 최대가 되는것은 아닙니다. 자동차들은 차특성마다 최고의 힘을 발휘하는 엔진 회전영역이 있습니다. 보통 세단형 차들은 중저속에 맞게 세팅이 되어있습니다.

어떤차들은 4500영역전후에서 최고의 토크를 발휘하고 또 어떤차들은 6100전후에서 최고의 힘을 발휘하기도 합니다. 물론 고성능 스포츠 카들은 7500이상에서 최대토크를 발휘하기도 합니다.

다시말해 엔진의 마력과 최대토크의수치는 똑같은 영역에서 발휘되지 않습니다. 어느정점에서 (엔진회전수)에서 곡선을 그리며 엔진의 마력과 토크는 다른 수치를 나타냅니다.

따라서 본인의 차의 이런 특성을 파악하여 운전을 하시는게 드라이빙의 묘미를 만끽하실수 있습니다

Revolutions Per Minute 의 약자로

1분당 모터의 회전수를 말합니다.

자동차 계기판에 보면 1 2 3 4 5 ...순으로 되어 있는데,

아래에 보시면 1000rpm을 1로 설정한다고 되어 있습니다.

즉 1에 지침이 되어있다면, 그것은 1분당 모터의 회전수가 1000회 움직인다는 말입니다.

하지만, rpm이 높다는 것은 회전시키는 힘이 크다는 것과는 일치하지만 속력이 높은 것과는 일치하지 않습니다.

기어변속이 이루어지기 때문인데, 하지만 기어 5단(일반 자동차기준)에서는 일치합니다. (여기서 일치란 말은 비례를 뜻함)

5단에서는 rpm이 높을수록 힘과 속력이 모두 높습니다. 더이상 높이 변속할 기어가 없으니까 최대로 올릴 수 있죠.

또한, RPM의 단위는 자동차에만 쓰이는 것이 아니라 모터가 있는 장비엔 모두 쓰이며,

(여기서 모터라 함은 자생이건 타수이건 원동력을 전달하는 기관 및 기계 전체를 말함)

참고로 RPM과 자동차 바퀴의 회전수는 일치하지 않습니다.

[출처] 자동차 토크와 마력 그리고 rpm|작성자 bag1116

[마포숭문/인천인하/(주)삼호]

감사합니다