언더스티어와 오버스티어
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1. 개요
언더스티어와 오버스티어는 차량이 회전할 때 발생하는 조향 특성을 나타내는 용어이다. 언더스티어는 차량이 운전자가 의도한 것보다 더 큰 회전 반경으로 선회하는 현상으로, 주로 전륜 구동 차량에서 발생한다. 반면 오버스티어는 차량이 운전자가 의도한 것보다 더 작은 회전 반경으로 선회하는 현상으로, 주로 후륜 구동 차량에서 나타난다. 이러한 현상은 차량의 타이어가 한계에 도달하여 미끄러질 때 발생하며, 운전자는 카운터 스티어링과 같은 기술을 사용하여 차량의 움직임을 제어할 수 있다. 언더스티어 기울기는 차량의 조향 특성을 정량적으로 나타내는 지표이며, 차량의 무게 배분, 타이어, 서스펜션 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다.
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| 언더스티어와 오버스티어 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| 언더스티어 | |
| 정의 | 앞바퀴의 슬립 각도가 뒷바퀴의 슬립 각도보다 클 때 발생하는 현상 |
| 원인 | 앞 타이어의 접지력 부족, 과도한 속도, 급격한 조향 조작 |
| 증상 | 차량이 회전하려는 방향으로 덜 회전하거나, 운전자가 원하는 것보다 바깥쪽으로 벗어나는 현상 |
| 대처법 | 가속 페달에서 발을 떼고 속도를 줄인다. 스티어링 휠을 약간 풀어준다. 필요하다면 브레이크를 부드럽게 사용하여 속도를 더욱 줄인다. |
| 다른 이름 | 부족 회전 |
| 오버스티어 | |
| 정의 | 뒷바퀴의 슬립 각도가 앞바퀴의 슬립 각도보다 클 때 발생하는 현상 |
| 원인 | 뒷 타이어의 접지력 부족, 급격한 가속, 급격한 감속, 과도한 조향 조작 |
| 증상 | 차량이 회전하려는 방향으로 더 많이 회전하거나, 뒷부분이 바깥쪽으로 미끄러지는 현상 |
| 대처법 | 스티어링 휠을 미끄러지는 방향으로 부드럽게 돌려준다 (카운터 스티어). 가속 페달에서 발을 떼거나 부드럽게 가속하여 뒷바퀴의 접지력을 회복시킨다. 브레이크 사용은 피하는 것이 좋다. |
| 다른 이름 | 과잉 회전 |
| 관련 용어 | |
| 슬립 각 | 타이어의 진행 방향과 실제 이동 방향 사이의 각도 |
| 접지력 | 타이어가 노면에 전달할 수 있는 힘 |
| 카운터 스티어 | 오버스티어 상황에서 차량의 회전을 제어하기 위해 스티어링 휠을 미끄러지는 방향으로 돌리는 기술 |
| 차량 설정 | |
| 언더스티어 경향 감소 | 앞 타이어 공기압을 낮춘다. 뒷 타이어 공기압을 높인다. 앞 스태빌라이저 바를 부드럽게 하거나 제거한다. 뒷 스태빌라이저 바를 더 단단하게 한다. 앞 스프링을 부드럽게 한다. 뒷 스프링을 단단하게 한다. |
| 오버스티어 경향 감소 | 앞 타이어 공기압을 높인다. 뒷 타이어 공기압을 낮춘다. 앞 스태빌라이저 바를 더 단단하게 한다. 뒷 스태빌라이저 바를 부드럽게 하거나 제거한다. 앞 스프링을 단단하게 한다. 뒷 스프링을 부드럽게 한다. |
2. 차량 동역학
운전자가 급격하게 제동하거나 조향하는 등 한계 주행 상황에서 타이어에 과도한 힘이 발생하면, 타이어는 마찰력의 선형 영역을 벗어나 비선형 영역으로 진입할 수 있다. 이때 타이어의 마찰력이 차량에 작용하는 힘을 버티지 못하고 미끄러지게 된다.
고속 선회 시 앞바퀴가 먼저 비선형 영역으로 진입하여 미끄러짐이 발생하면, 차량은 운전자가 의도한 것보다 더 큰 곡률로 선회하게 되는데, 이를 '''언더스티어'''라고 한다. 반대로 뒷바퀴가 먼저 비선형 영역으로 진입하여 미끄러짐이 발생하면, 차량은 운전자가 의도한 것보다 더 작은 곡률로 선회하게 되는데, 이를 '''오버스티어'''라고 한다. 일반적으로 전륜 구동 차량은 언더스티어, 후륜 구동 차량은 오버스티어 현상을 나타낸다.
오버스티어 현상이 발생할 경우, 운전자는 카운터 스티어를 사용하여 차량의 회전 각속도를 감소시켜 정상 선회 상태로 돌아올 수 있다. 드리프트 주행은 오버스티어 상태를 유지하며 주행하는 기술이다.[7][8]
2. 1. 언더스티어 (Understeer)
언더스티어(understeer)는 차량이 코너를 돌 때 운전자가 의도한 것보다 회전 반경이 커지는 현상이다. 이는 운전자가 주행하고자 하는 선회각보다 더 적은 각도로 차량이 선회하게 되어, 결과적으로 운전자가 의도한 회전 곡률보다 더 큰 곡률로 선회하게 된다.
주로 전륜 구동 차량에서 발생하며, 앞바퀴가 먼저 마찰력의 비선형 영역으로 진입하여 미끄러짐이 발생하는 것이 주된 원인이다. 고속 선회 시 앞바퀴가 직진하려는 경향이 강해지기 때문이다.[5]
타이어는 횡력(좌우)과 종력(전후)을 지면에 전달하는데, 사용 가능한 총 견인력(그립)은 이 두 힘의 벡터 합이며, 법선력과 마찰 계수에 의해 결정된다. 타이어에 가해지는 횡력과 종력이 사용 가능한 견인력을 초과하면 타이어는 포화 상태가 되어 미끄러지기 시작한다.
언더스티어는 코너링 시 앞 타이어가 뒤 타이어보다 먼저 포화되어 미끄러지는 현상으로 이해할 수 있다. 앞 타이어는 추가적인 횡력을 제공할 수 없게 되고, 뒤 타이어는 횡력을 제공할 수 있기 때문에 차량의 앞부분은 뒷부분보다 더 큰 반경을 그리며 미끄러진다. 조향각이 일정하게 유지되면 차량의 앞부분은 곡선의 바깥쪽으로 미끄러지게 된다.
차량의 질량 중심 변화도 언더스티어에 영향을 미친다. 질량 중심이 앞으로 이동하면 타이어 하중 민감도 때문에 언더스티어 경향이 증가하고, 뒤로 이동하면 감소한다. 제동 시에는 차량 무게가 앞 타이어에 더 많이 실리고 뒤 타이어에는 적게 실려 언더스티어를 유발할 수 있다.
언더스티어 차량이 타이어의 그립 한계에 도달하여 더 이상 횡 가속도를 증가시킬 수 없을 때, 차량은 의도한 것보다 더 큰 반경의 경로를 따르게 된다. 차량은 횡 가속도를 증가시킬 수 없지만, 동적으로는 안정적인 상태를 유지한다.
2. 2. 오버스티어 (Oversteer)
운전자가 급격하게 제동하거나 조향하는 상황에서 타이어에 과도한 힘이 발생하면, 타이어는 마찰력의 선형 영역을 벗어나 비선형 영역으로 진입할 수 있다. 차량의 뒷바퀴가 먼저 비선형 영역으로 진입하여 미끄러지면, 차량은 운전자가 의도한 것보다 더 작은 곡률로 회전하게 되는데, 이를 오버스티어(oversteer)라고 한다. 일반적으로 후륜 구동 차량에서 오버스티어 현상이 나타난다.오버스티어 현상이 발생하면, 운전자는 의도적으로 조향각을 진행 방향과 반대로 조작(카운터 스티어, Counter-steer)하여 차량의 회전 각속도를 감소시켜 정상 선회 상태로 돌아올 수 있다. 이러한 조작은 차량 역학에 대한 높은 수준의 이해와 정확한 타이밍 및 기술이 필요하므로 전문적인 훈련이 필요하다. 드리프트 주행은 차량이 오버스티어 상태로 진입했을 때, 회전 각속도를 계속 유지하며 오버스티어 상태로 주행하는 것을 말한다. 온로드(Onroad) 레이싱에서는 주행 중 발생할 수 있는 오버스티어 현상으로 차량이 회전하려 할 때 이를 막고자 사용되는 기술이다. 오프로드 경기에서는 미끄러운 노면에서 차량의 횡방향 미끄러짐을 제어하거나 급선회 구간을 빠르게 통과하기 위해 고의로 횡방향 미끄러짐을 유발시켜 주행한다.[7][8]
스핀: 의도한 것보다 더 급격하게 회전한다.
오버스티어 차량이 타이어의 그립 한계에 도달하면, 스핀하는 경향으로 동적으로 불안정해진다. 하지만 숙련된 운전자는 반대 방향으로 조향하거나 스로틀 또는 브레이크를 적절하게 사용하여 불안정 지점을 지나 통제를 유지할 수 있다. 이는 드리프트 스포츠에서 의도적으로 수행된다.
만약 후륜구동 차량이 뒷바퀴를 회전시킬 충분한 출력을 가지고 있다면, 바퀴가 회전하기 시작할 정도로 충분한 엔진 출력을 바퀴에 전달하여 언제든지 오버스티어를 유발할 수 있다.
2. 3. 언더스티어 기울기
언더스티어 기울기는 정상 상태 코너링 거동을 특징짓는 주요 척도 중 하나이다. 이는 특징 속도(언더스티어 차량이 회전을 위해 필요한 조향각이 애커먼 각도의 두 배가 되는 속도), 횡가속도 이득(g/deg), 요 속도 이득(1/s), 임계 속도(오버스티어 차량이 무한대 횡가속도 이득을 갖는 속도)와 같은 다른 특성과 관련이 있다.[3]2. 3. 1. 언더스티어 기울기 측정
언더스티어 기울기를 결정하기 위해 여러 가지 테스트를 사용할 수 있다. 정반경 (다양한 속도로 테스트 반복), 정속 (다양한 조향 각도로 테스트 반복) 또는 정조향 (다양한 속도로 테스트 반복) 등이 있다. 이러한 세 가지 종류의 테스트에 대한 공식적인 설명은 ISO에서 제공한다.[3] 질레스피(Gillespie)는 두 가지 측정 방법에 대해 자세히 설명한다.[4]결과는 테스트 유형에 따라 다르므로 단순히 deg/g 값을 제공하는 것만으로는 충분하지 않으며, 기울기를 측정하는 데 사용된 절차의 유형을 표시해야 한다.
차량은 본질적으로 비선형 시스템이며, U가 테스트 범위 내에서 변동하는 것은 일반적이다. 차량이 일부 조건에서는 언더스티어를, 다른 조건에서는 오버스티어를 나타낼 수 있다. 따라서 언더스티어/오버스티어 특성을 보고할 때마다 속도와 횡가속도를 명시해야 한다.
2. 3. 2. 언더스티어 기울기에 영향을 미치는 요인
차량의 여러 특성이 언더스티어 기울기에 영향을 미친다. 타이어의 코너링 강성, 캠버 추력, 횡력 컴플라이언스 스티어, 자기 정렬 토크, 횡 하중 이동, 조향 시스템의 컴플라이언스 등이 이에 해당한다. 무게 배분은 각 타이어의 수직 하중과 그립에 영향을 미친다. 이러한 개별적인 요인은 분도르프 분석을 통해 분석하거나 측정하여 확인할 수 있다.3. 한계 조종 특성
차량의 한계 조종 특성은 타이어의 그립 한계와 관련이 있다. 운전자가 급격하게 제동하거나 조향하는 등 한계 주행 상황에서 타이어에 과도한 힘이 가해지면 타이어는 마찰력의 선형 영역에서 벗어나 비선형 영역으로 진입할 수 있다. 이 경우 타이어의 마찰력은 차량에 작용하는 힘을 버티지 못하고 미끄러지게 된다.
고속 선회 시 앞바퀴가 먼저 비선형 영역으로 진입하여 미끄러지면, 차량은 운전자가 의도한 것보다 더 적은 각도로 회전하는 '''언더스티어''' 현상이 발생한다. 반대로 뒷바퀴가 먼저 비선형 영역으로 진입하여 미끄러지면, 차량은 운전자가 의도한 것보다 더 많은 각도로 회전하는 '''오버스티어''' 현상이 발생한다. 일반적으로 전륜 구동 차량은 언더스티어, 후륜 구동 차량은 오버스티어 현상을 보인다.
오버스티어 발생 시, 운전자는 카운터 스티어 기술을 사용하여 차량의 회전 각속도를 감소시켜 정상 선회 상태로 돌아올 수 있다. 이러한 조작은 차량 역학에 대한 높은 이해와 정확한 타이밍, 기술이 필요하므로 전문적인 훈련이 필요하다. 드리프트 주행은 오버스티어 상태를 유지하며 주행하는 기술이다.
3. 1. 타이어 포화
타이어는 횡력(좌우)과 종력(전후)을 지면에 전달한다. 타이어에 사용 가능한 총 견인력(그립)은 횡력과 종력의 벡터 합이며, 법선력과 마찰 계수의 함수이다. 작동 중 타이어에 가해지는 횡력과 종력이 타이어의 사용 가능한 견인력을 초과하면 타이어가 포화 상태가 되어 지면에 대한 그립을 잃고 미끄러지기 시작한다.[7][8]3. 2. 언더스티어와 오버스티어의 한계 상황
차량의 언더스티어/오버스티어 동작과 한계 동작은 서로 다른 조향 문제와 원인을 가지므로 혼동하지 않도록 주의해야 한다. 레이스 드라이버들이 사용하는 "푸시(언더스티어) 및 루스(오버스티어)"라는 용어를 한계 동작에 사용하는 것이 이러한 개념을 혼동하지 않도록 하는 데 도움이 된다.[5]타이어는 횡력(좌우)과 종력(전후)을 지면에 전달한다. 타이어에 사용 가능한 총 견인력(그립)은 횡력과 종력의 벡터 합이며, 법선력과 마찰 계수의 함수이다. 작동 중 타이어에 가해지는 횡력과 종력이 타이어의 사용 가능한 견인력을 초과하면 타이어가 포화 상태가 되어 지면에 대한 그립을 잃고 미끄러지기 시작한다.
푸시(언더스티어)는 코너링 시 앞 타이어가 뒤 타이어보다 먼저 포화되어 먼저 미끄러지는 조건이다. 앞 타이어가 추가적인 횡력을 제공할 수 없고 뒤 타이어가 횡력을 제공할 수 있기 때문에, 차량의 앞부분은 뒷부분보다 반경이 더 큰 경로를 따르며 조향각이 변경되지 않으면 차량의 앞부분이 곡선의 바깥쪽으로 미끄러진다.
뒤 타이어가 앞 타이어보다 먼저 포화되면 앞 타이어는 차량 앞부분을 원하는 경로에 유지하지만 뒤 타이어는 미끄러지면서 반경이 더 큰 경로를 따르게 된다. 후미가 바깥쪽으로 꺾이면서 차량이 곡선의 안쪽으로 돌아선다. 조향각이 변경되지 않으면 앞바퀴는 점점 작아지는 원을 그리면서 뒷바퀴는 계속해서 차량 앞부분을 중심으로 회전한다. 이것이 차가 '스핀 아웃'될 때 일어나는 일이다. '느슨한' 경향이 있는 차는 때때로 '테일 해피(tail happy)'라고 불리는데, 이는 개가 행복할 때 꼬리를 흔드는 방식과 같으며, 흔한 문제 중 하나는 피시테일링이다.
실제 운전에서는 속도, 가속(차량 제동 또는 가속), 조향각 등이 끊임없이 변화한다. 이러한 변화는 모두 차량의 하중 배분을 지속적으로 변경하며, 이는 타이어 온도 및 노면 상태의 변화와 함께 각 타이어에서 사용할 수 있는 최대 견인력을 끊임없이 변화시킨다. 그러나 일반적으로 타이어 포화와 한계 조종 특성을 알리는 것은 질량 중심의 변화이다.
질량 중심이 앞으로 이동하면 타이어 하중 민감도로 인해 언더스티어 기울기가 증가하는 경향이 있다. 질량 중심이 뒤로 이동하면 언더스티어 기울기가 감소하는 경향이 있다. 질량 중심의 이동은 가속도에 비례하며 질량 중심의 높이에 영향을 받는다. 제동 시 차량 무게(하중)의 더 많은 부분이 앞 타이어에 실리고 뒤 타이어에는 적게 실린다. 반대로 차량이 가속할 때는 반대 현상이 발생하여 무게가 뒷 타이어로 이동한다. 마찬가지로 하중의 질량 중심이 한쪽에서 다른 쪽으로 이동함에 따라 안쪽 또는 바깥쪽 타이어의 견인력이 변경된다. 극단적인 경우에는 안쪽 또는 앞쪽 타이어가 완전히 지면에서 떨어져 지면에 전달될 수 있는 조향 입력을 제거하거나 줄일 수 있다.
언더스티어 차량이 타이어의 그립 한계에 도달하여 더 이상 횡 가속도를 증가시킬 수 없을 때, 차량은 의도한 것보다 더 큰 반경의 경로를 따르게 된다. 차량은 횡 가속도를 증가시킬 수 없지만, 동적으로 안정적이다.
오버스티어 차량이 타이어의 그립 한계에 도달하면, 스핀하는 경향으로 동적으로 불안정해진다. 차량이 개방 루프 제어에서 불안정하지만, 숙련된 운전자는 반대 방향으로 조향하거나 스로틀 또는 브레이크를 적절하게 사용하여 불안정 지점을 지나 통제를 유지할 수 있다. 이는 드리프트 스포츠에서 의도적으로 수행된다.
만약 후륜구동 차량이 뒷바퀴를 회전시킬 충분한 출력을 가지고 있다면, 바퀴가 회전하기 시작할 정도로 충분한 엔진 출력을 바퀴에 전달하여 언제든지 오버스티어를 시작할 수 있다. 일단 접지력이 끊어지면, 바퀴는 비교적 자유롭게 측면으로 움직인다. 브레이크 부하에서 더 많은 작업은 일반적으로 전방 브레이크에 의해 수행된다. 만약 이 전방 바이어스가 너무 크다면, 전방 타이어가 접지력을 잃어 언더스티어를 일으킬 수 있다.
3. 3. 한계 상황에서의 제어
후륜구동 차량은 뒷바퀴를 회전시킬 충분한 출력을 가지고 있다면, 바퀴가 회전하기 시작할 정도로 충분한 엔진 출력을 바퀴에 전달하여 언제든지 오버스티어를 유발할 수 있다. 일단 접지력이 끊어지면, 바퀴는 비교적 자유롭게 측면으로 움직인다. 브레이크 부하에서 더 많은 작업은 일반적으로 전방 브레이크에 의해 수행된다. 만약 이 전방 바이어스가 너무 크다면, 전방 타이어가 접지력을 잃어 언더스티어를 일으킬 수 있다.[7][8]4. 관련 척도
언더스티어 기울기는 정상 상태 코너링 거동을 특징짓는 주요 척도 중 하나이다. 이는 다음과 같은 다른 특성과 관련이 있다.
- 특징 속도: 언더스티어 차량이 회전을 위해 필요한 조향각이 애커먼 각도의 두 배가 되는 속도
- 횡 가속도 이득: g/deg
- 요 속도 이득: 1/s
- 임계 속도: 오버스티어 차량이 무한대 횡 가속도 이득을 갖는 속도
참조
[1]
간행물
Vehicle Dynamics Terminology
SAE International
2008-01-24
[2]
간행물
Road vehicles – Vehicle dynamics and road-holding ability – Vocabulary
International Organization for Standardization
2010
[3]
간행물
Passenger cars – Steady-state circular driving behaviour – Open-loop test methods
International Organization for Standardization
[4]
서적
Fundamentals of Vehicle Dynamics
Society of Automotive Engineers, Inc.
1992
[5]
서적
Race Car Vehicle Dynamics
SAE International
1994
[6]
Youtube
Kry Reacts to NASCAR Radioactive: Phoenix Raceway - YouTube
https://www.youtube.[...]
2020-11-12
[7]
웹인용
한계 주행 상황에서 인공신경망 기반의 실시간 자율주행 차량 거동 제어 기법 개발
http://www.riss.kr/s[...]
2020
[8]
웹인용
What Is The Basic Difference Between Understeer And Oversteer?
https://www.cartrade[...]
CarTrade
2015-05-15
[9]
문서
수동변속기 차량에서만 가능
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