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교통사고에서의 자동차 특성

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자동차제원

 제원(Specification)이란 자동차에 관한 전반적인 치수, 무게, 기계적인 구조, 성능 등을 일정한 기준에 의거하여 수치로 나타낸 것을 말한다.

【자동차의 외관 수치제원】

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자동차길이(overall length): 자동차의 차체앞끝에서 뒤끝까지의 최대거리.(적재물제외)

자동차너비(overall width): 자동차의 차체좌측끝에서 우측끝까지의 최대거리.(후사경제외)

자동차높이(overall height): 지면에 접지된 바퀴하단으로부터 차체의 최상단까지의 거리.

축간거리(軸距:wheel base): 앞바퀴 중심축에서 뒷바퀴 중심축까지의 거리.

윤간거리(輪距:tread): 좌․우바퀴 타이어 중심간의 거리.

최저지상고(ground clearance) : 자동차의 최하단 밑부분과 접지면(수평면)과의 높이.

앞오버항(front overhang): 앞바퀴의 중심축에서 차체앞끝까지의 수평거리.

뒤오버항(rear overhang): 맨 뒷바퀴의 중심축에서 차체뒤끝까지의 수평거리.

최소회전반경(turning radius) : 바깥쪽 바퀴의 접지면 중심이 그리는 최소 선회반지름.

조향비(steering rate) : 조향핸들의 회전각도와 조향바퀴의 조향각도와의 비율.

차량중량(unloaded or empty vehicle weight) : 공차상태의 차량중량.

 자동차의 운동

자동차의 운동은 보통 차체중심의 전․후방향(X축)으로 작용하는 병진(직진)운동과 회전운동, 차체중심의 좌․우방향(Y축)으로 작용하는 병진운동과 회전운동, 차체중심의 상․하방향(Z축)으로 작용하는 병진운동과 회전운동으로 분류하여 6자유도운동으로 취급한다.

여기에서 X축을 중심으로 한 회전운동을 rolling, Y축을 중심으로 한 회전운동을 pitching, Z축을 중심으로 한 회전운동을 yawing, Z축을 중심으로 한 병진운동을 bouncing이라고 한다.

 【자동차의 운동】

타이어의 구조

【타이어의 구조】

트레드(tread): 지면과 직접접촉하는 부위로서 타이어의 골격이 되는 카커스와 브레이커 벨트층의 외측에 강력한 고무층으로 되어 있다. 접지면의 문양에 따라 리브(rib), 러그(rug), 블록형 등이 있다.

브레이커(braker) or 벨트(belt): 트레드와 카커스의 중감 코드(벨트)층으로 외부로부터 오는 충격이나 내부코드의 손상을 방지한다.

카커스(carcass): 타이어의 골격을 이루는 강도가 큰 코드층. 타이어의 하중, 충격 및 타이어의 공기압을 유지시켜 주는 역할을 한다.

비드(bead): 카커스 코드의 끝부분으로 타이어를 휘림(wheel rim)에 고정하는 역할.

사이드월(side wall): 타이어의 옆부분으로 승차감을 유지시키는 역할.

튜브(tube): 타이어내부의 공기압을 유지시키는 역할. 오늘날 대부분의 승용차용 타이어는 특수설계하여 튜브없는 타이어(tubeless) 사용.

주행 중 타이어에 작용하는 힘의 요소

■ 직진방향의 힘

구름저항(rolling resistance) : 타이어의 자유로운 회전을 방해하는 힘. 수식적으로 표현하면 타이어(바퀴)에 가해지는 중량(W)과 구름저항마찰계수( )의 곱으로 나타낼 수 있다.

구동력(traction force) : 엔진의 구동토크에 의해 구동바퀴(타이어)가 회전하는 힘. 수식적으로 표현하면 구동바퀴에 가해지는 중량(W)과 구동력계수( )의 곱 또는 구동토크(T․i․t)를 타이어의 동반경(dy)으로 나눈값으로 나타낼 수 있다.

 
【구동력과 제동력】

제동력(brake force): 브레이크의 조작에 의해 진행방향의 반대방향으로 작용하는 힘. 수식적으로 표현하면 바퀴에 가해지는 중량(W)과 제동계수( )의 곱으로 나타낼 수 있다.

■ 타이어의 회전방향이 진행방향과 일치하지 않는 경우의 힘

    【타이어가 옆미끄럼할 때 발생하는 힘】

횡력(side-force): 조향 또는 외란에 의해 타이어가 옆미끄럼되면 타이어는 노면과의 접촉면에서 옆방향으로 변형되는데 이 변형에 의해 타이어의 회전방향에 대한 직각방향으로 나타나는 힘.

항력(drag force): 타이어 회전방향의 성분으로 구름저항, 구동력, 제동력을 의미.

마찰력(friction force): 횡력과 항력에 대한 벡터성분의 힘으로 자동차의 운동력은 타이어와 노면사이의 마찰력에 의해 좌우된다.

선회력(cornering force): 마찰력에 대한 분력으로 타이어 진행방향에 대한 직각방향 성분의 힘이다. 선회력은 선회운동을 원활히 하기 위한 구심력의 대부분을 차지한다.

선회저항(cornering resistance): 마찰력에 대한 분력으로 타이어 진행방향 성분의 힘. 이때 마찰력은 선회력과 선회저항의 벡터합임.

복원토크(self aligning torque): 코너링포스(선회력)의 착력점이 접지중심보다 뒤쪽에 있기 때문에 발생하는 토크. 이 복원토크는 선회주행시 옆미끄럼각을 줄이는 방향으로 발생하기 때문에 조향바퀴에 복원력을 일으키는 힘으로 작용함.

 제동의 원리

운전자가 전방의 위험을 느끼고 브레이크페달을 조작하게 되면 브레이크페달에 의한 조작력은 브레이크장치에 작동압(유압, 공압 등)을 발생시키게 되고, 이 작동압이 뒷바퀴와 앞바퀴를 멈추게 함으로써 차량은 정지하게 된다. 자동차를 정지하게 하는 힘, 즉 제동력은 차체질량(m)과 감속도(a=μ․g)의 곱으로 나타낼 수 있으며 에너지보존법칙에 의해 제동을 걸기전 자동차가 가지고 있는 운동에너지(속도에너지)가 제동에 의해 모두 타이어와 노면사이의 마찰일로 변환되었다고 가정하면 물리적으로 자동차의 주행속도와 제동거리를 산출할 수 있다.

이와같이 실제 바퀴에 제동이 걸려 차가 정지할 때까지의 거리를 제동거리라고 하며 제동 전 운전자가 전방의 위험을 인지하고 브레이크를 작동하여 실제 제동이 이루어지기까지의 시간을 공주시간이라고 하고, 공주시간동안 차가 진행한 거리를 공주거리라고 한다. 따라서 운전자가 전방의 위험을 발견하고 브레이크를 조작하여 차가 정지할 있는 정지거리는 공주거리와 제동거리를 합한 거리와 같다.

정지거리 = 공주거리 + 제동거리

한편 주행 중 제동을 걸면 지면보다 높은 차의 무게중심이 앞으로 쏠리면서 차체의 앞부분은 지면쪽으로 주저앉고, 상대적으로 차체의 뒷부분은 위로 상승하는 회전모멘트(pitching)가 발생하게 되는데 이와같은 자세변화로 인해 앞차축의 하중은 증가하고 그 증가분만큼 뒷차축은 하중은 감소하게 된다.

 
 【제동에 의한 차의 자세변화】

선회의 원리

운전자가 선회주행하기 위해 핸들을 좌․우 어느쪽으로 돌리게 되면 전륜의 방향각이 달라지면서 타이어에는 선회력(cornering force)이 발생하게 되고 선회력(구심력)은 선회운동시에 발생하는 원심력과 균형을 이루면서 차체의 곡선운동을 가능하게 한다. 자동차가 선회운동할 때 발생하는 원심력과 이것에 저항하는 구심력(횡방향마찰력)의 관계로부터 자동차의 선회속도 또는 차량이 일정 속도 조건에서 안전하게 주행할 수 있는 도로의 곡선반경 범위를 추정할 수 있다. 또한 사고현장에서 발생하는 요마크(yaw mark)의 궤적을 이용하여 속도를 산출할 수 있는데 이것은 선회운동 중에 발생하는 차량의 원심력과 구심력의 관계를 응용한 것이다. 

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    【자동차의 선회원리】

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