자동차공학)자동차의 성능 (조종 안정성)

조종 안정성이란 운전자가 자동차를 의도하는 대로 쉽고 안정하게 조정할 수 있는가로 판단한다. 조향성능은 핸들의 무게, 서스펜션 시스템, 스티어링 시스템 등과 밀접한 관계가 있고, 이것은 타이어의 특성이 큰 영향을 미치고 있다. 이런 조정 안정성에 대하여 알아보자

1. 선회특성

2. 선회시 타이어 특성

3. 언더스티어, 오버스티어

 

1. 선회특성

자동차는 선회속도가 빠르면 차체에 생기는 원심력 때문에 타이어가 옆으로 미끄러져 저속시ㅢ 선회커브보다 바깥쪽으로 밀려 회전한다. 이것은 핸들을 꺾은 앞바퀴가 뒷바퀴보다 옆미끄럼량이 크기 때문에 회전반경이 저속 주행시보다 커지기 때문이다.그런데 뒷바퀴에 제동력이 가해지면 뒷바퀴의 옆미끄럼량이 앞바퀴보다 커져, 차체는 선회커브 안쪽으로 향하므로 회전 반경은 급격히 적어진다. 이것을 스핀 아웃(spin out)이라 한다. 자동차의 선회특성은 이와 같이 타이어와 노면 사이의 옆방향 마찰력에 좌우되므로 타이어의 특성에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니다. 핸들을 꺾는 각도가 같아도, 즉 동일한 회전반경에서도 주행속도가 빠르면 속도의 제곱에 비례하여 차체의 방향이 변할 뿐만 아니라 원심력도 같은 비율로 증가하므로 차체는 갑자기 방향을 바꾸고 심한 롤링을 발생한다. 따라서 고속주행시에 핸들이 가볍고 잘 꺽이면 조정이 불안정하게 된다. 그렇다고 너무 무거운 핸들이나 고속주행시에 잘 꺾이지 않는 핸들로 주행하면 육체·심리적인 피로감을 주기 때문에 여기에도 한계가 있다.

 

2. 선회시 타이어 특성

 

코너링 포스

 

자동차의 주행속도가 느리면 선회하기 시작하여도 옆으로 미끄러지지 않아 타이어는 구르는 방향으로 진행한다. 그러나 주행속도가 빠르면 차체에 생기는 원심력 때문에 타이어가 옆으로 미끄러져(skid), 타이어 중심선의 방향은 선회하는 커브의 바깥쪽으로 미끄러져 의도한 진행방향에 대하여 소우 횡 미끄럼각(side slip angle) β가 발생한다. 이 차체에 생기는 원심력에 대항하여 4개 타이어에 작동하는 구심력을 코너링 포스(CF, cornering Force) 또는 선회력이라 하고, 타이어의 횐전면과 직각 방향의 분력을 사이드 포스(SF, side Force), 또는 횡력이라고 한다. 코너링 포스 CF와 옆미끄럼각β 사이에는 관계가 있다. 코너링 포스 CF는 옆미끄럼각 β가 8도~12도까지는 β에 비례하여 증가하나 β=20도~30도에서 피크에 도달한 다음 점점 감소하여 β=90도에서는 0으로 떨어진다. 단 조향에 사용된 옆미끄럼각은 기껏해야 8도까지이고 보통 주행에서는 옆미끄럼각은 4도~6도정도 이하이다. 

 

코너링 포스는  마찰력의 일종으로 다음과 같은 성질을 갖고 있다.

1. CF는 접지하중이 증가할수록 높아진다.

2. 노면 점착(grip)성이 좋은 타이어일수록 CF는 크다.

3. CF는 노면의 상태에 따라서 크게 달라진다. 마찰계수가 낮은 노면에서는 CF도 낮다.

4. CF는 타이어의 슬립비(미끄럼비)의 증가와 함께 낮아지며 잠김(locked)상태에서는 0이 된다.

 

코너링 파워

횡 미끄럼각 β의 증가에 따른 코너링 포스 CF의 증가율 즉 K = △CF / Dβ 를 코너링 파워(cornering power) K라 한다. 코너링 파워 K는 횡미끄럼각 β의 증가에 따라 감소하여, β=8~12이상에서는 0이 된다. 조향장치는 앞바퀴의 방향(횡 미끄럼각)을 바꿈으로서 코너링 포스 CF를 가감하여 선회속도 V, 선회반경 R로 원선회할 때의 힘(원심력과 구심력) 사이에 균형을 잡는 장치라 할 수 있다.

 

3. 언더스티어, 오버스티어

일정한 속도로 일정한 반지름의 원둘레를 주행하는 것을 정상 원선회라 한다. 자동차의 최소 회전반경은 핸들을 좌 또는 우로 최대로 조향하여 저속에서 선회한 경우에, 즉 선회속도가 느려 차체의 원심력이 적고 타이어에 생기는 옆미끄럼도 없을 때 앞차축의 꺾인 각도와 축거(wheel base)의 길이로 기하학각으로 결정된다. 그러나 차체에 생기는 원심력 때문에 타이어의 옆미끄럼을 무시할 수 없을 정도로 주행 속도가 빠르면, 핸들이 꺾여 있는 앞바퀴가 미끄러질 뿐 아니라 뒷바퀴도 미끄러지므로 복잡하게 된다. 더우기 구동력이나 제동력이 가해지면 옆으로 미끄러지느 현상도 변화하여 선회운동은 변동이 심하게 되어 결국 오버스티어나 언더스티어가 된다.

 

언더스티어(US, under steer) : 자동차가 선회주행 중 정상적인 궤도에서 더욱 바깥쪽으로 벗어나려는 현상을 말한다. 즉 핸들을 15도정도 돌렸는데 차는 10도정도 밖에 방향이 틀리지 않게 되는 현상으로서 전륜구동 승용차는 일반적으로 이경향이 나타난다. 이것은 앞바퀴의 미끄러지는 가도가 뒷바퀴의 미끄러지는 각도보다 작기 때문에 앞바퀴의 진행방향으로 뒷바퀴가 따라가지 못하고 뒤로 처지게 되어 선회 반경이 크게 되어 나타나는 현상이다. 승용차는 일반적으로 완만한 언더 스티어 특성을 가지도록 설계하여 급 커브시에도 저절로 수정되어 안전한 운행을 하도록 하고 있다.

 

오버스티어(OS, over steer) : 언더스티어와 반대로 정상적인 궤도에서 안쪽으로 말려 들어가는 조향 특성을 말한다. 후륜구동 자동차는 뒷바퀴를 구동하기 때문에 뒷바퀴의 옆미끄럼각이 앞바퀴보다 커서, 앞바퀴의 진행 방향보다 뒷바퀴가 먼저 미끄러지기 때문에 선회 반경이 작게 되어 일어나게 된다. 레이싱 카 또는 스포츠 카의 경우 운동성을 갖게 하기 위해 약간 오버스티어 특성을 갖도록 설계하고 있지만, 일반 승용차는 코너를 돌 때 핸들을 꺾은 정도보다 더 크게 방향이 틀어지면 사고의 위험성이 높아져 적용하고 있지 않다.

 

뉴트럴스티어(neutral steer) : 언더스티어나 오버스티어가 아닌 정상적인 상태의 조향 특성을 말한다.

 

리버스스티어(reverse steer) : 초기에는 언도스티어가 나타나 바깥쪽으로 벗어나려고 하지만 회전하는 도중에 갑자기 안쪽으로 감아 들어가려는 현상을 말한다. 이 현상은 일부 리어 엔진 승용차 등에서 일어나는 특수한 사항이다.