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자동차 핸들링

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목차

1. 개요

자동차 핸들링은 차량의 조종성과 주행 안정성에 영향을 미치는 설계 및 외부 요소를 포괄하는 개념이다. 차량의 무게 배분, 서스펜션, 타이어, 휠, 공기역학, 구동 방식, 스티어링 시스템 등이 핸들링에 영향을 미치며, 운전자의 숙련도와 날씨, 노면 상태와 같은 외부 요인 또한 중요하다. 핸들링 문제는 언더스티어, 오버스티어, 범프 스티어, 차체 롤, 하중 이동, 느린 응답 등 다양하며, 이러한 요소들을 조절하여 핸들링 특성을 튜닝할 수 있다.

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자동차 핸들링

2. 자동차 핸들링에 영향을 미치는 설계 요소

자동차 현가 장치는 스프링 상수, 댐핑, 캠버각, 휠 트래블에 따른 캠버각 변화, 롤 센터 높이, 서스펜션 요소의 유연성 및 진동 특성 등 다양한 요소를 가진다. 이러한 요소들은 일반적으로 전면과 후면이 다르며, 핸들링에 큰 영향을 미친다. 또한 서스펜션은 불소 질량에도 영향을 준다.[8]

많은 자동차들은 스웨이 바나 단단한 축을 통해 좌우 양쪽 서스펜션이 연결되어 있으며, 드물게 시트로엥 2CV처럼 앞뒤 서스펜션이 연결된 경우도 있다.[8]

2. 1. 무게 배분

차량의 무게 중심 높이와 앞뒤, 좌우 무게 배분은 차량의 하중 이동과 롤링, 언더스티어/오버스티어 특성에 큰 영향을 미친다. 낮은 무게 중심은 스포츠카의 핸들링 성능을 향상시키는 핵심 요소이다.

이상적인 앞뒤 무게 배분은 50:50으로 알려져 있지만, 스포츠카나 레이싱카는 코너 진입 시 언더스티어를 줄이기 위해 40:60 또는 35:65 정도의 무게 배분을 사용하기도 한다. 이는 앞 타이어가 차량의 무게 중심을 선회시키는 종방향 힘과, 팽이와 같이 차량의 방향을 돌리는 힘을 모두 받게 되는데, 뒤 타이어에서 생성되는 종방향 힘은 차량의 방향을 돌리는 힘의 반대 방향으로 작용하기 때문이다. 따라서 50:50 무게 배분을 가진 차량은 코너 진입 시 언더스티어 성향을 보이며, 이를 피하기 위해 스포츠카와 레이싱카는 무게를 뒤쪽으로 더 배분한다.

차량 제조사는 다른 크기의 휠과 타이어를 사용하여 차량의 언더스티어/오버스티어 특성을 조절하기도 한다.

2. 1. 1. 무게 중심 높이

노면에서부터의 무게 중심 높이는 하중 이동에 영향을 미친다. 차량의 타이어가 구심력을 발휘해 차량이 선회할 때, 차량은 진행 방향으로의 관성 때문에 하중 이동이 일어나며 이는 차체의 기울임으로 표현된다.[1]

차량 무게 중심 높이와 휠베이스 간의 비율은 차량 앞뒤의 하중 이동에 영향을 미친다. 브레이크를 잡거나 엑셀을 밟는 행위에 의해 차량의 관성은 차를 앞쪽 또는 뒤쪽으로 기울이게 된다. 무게 중심이 변하는 것이 아니고, 하중만이 변하므로 언더/오버스티어에 대한 효과는 실제 무게 중심에 의한 것과는 반대로 이루어진다. 즉 차량이 감속할 때, 앞 타이어의 하중이 증가하고 뒤 타이어의 하중은 감소하므로, 그만큼 선회력이 변화하게 된다.[1]

저중심은 세단이나 SUV에 비해 스포츠카가 누리는 근본적인 이점이다. 차체를 가벼운 재질로 만드는 경우도 있다.[1] 차체의 기울임은 스프링과 안티롤 바, 롤 센터 높이에 의해 컨트롤될 수 있다.[1]

질량 중심 높이는 트랙과 관련된 중력 중심 높이 또는 CGZ라고도 하며, 좌우 하중 이동(정확히 무게 이동은 아님)을 결정하고 차체의 기울어짐을 유발한다. 차량의 타이어가 회전을 위해 구심력을 제공할 때 차량의 운동량은 차량의 현재 위치에서 차량 경로의 접선상의 지점으로 향하는 방향으로 하중 이동을 작동시킨다. 이러한 하중 이동은 차체의 기울어짐 형태로 나타난다. 극단적인 경우에는 차량이 전복될 수 있다.[1]

휠베이스에 대한 질량 중심의 높이는 앞뒤 간의 하중 이동을 결정한다. 차량의 운동량은 제동 및 가속 시 각각 차량을 앞뒤로 기울이기 위해 질량 중심에서 작용한다. 질량 중심의 위치가 아니라 하향력만 변화하기 때문에 오버/언더 스티어에 미치는 영향은 질량 중심의 실제 변화와 ''반대''이다. 차량이 제동할 때 앞 타이어의 하중은 증가하고 뒤 타이어의 하중은 감소하며, 이에 따라 측면 하중을 견딜 수 있는 능력이 변화한다.[1]

낮은 질량 중심은 스포츠카가 세단 및 (특히) SUV에 비해 갖는 주요 성능상의 이점이다. 이러한 이유로 일부 차량은 차체 패널을 경량 재료로 제작한다.[1] 차체 기울어짐은 스프링, 안티롤 바 또는 롤 센터 높이로도 제어할 수 있다.[1]

자동차 무게 중심 높이 목록
모델모델 연도무게 중심 높이
Dodge Ram B-150[1]198785cm
Chevrolet Tahoe[1]199872cm
Lotus Elise[2]200047cm
Tesla Model S[3][4]201446cm
Chevrolet Corvette (C7) Z51[5]201444.5cm
Alfa Romeo 4C[6]201340cm
포뮬러 1 자동차201725cm


2. 1. 2. 무게 중심

이상적인 앞뒤 바퀴의 전후 무게 배분은 "50/50"이다. 다른 조건이 모두 같다면, 일정한 상태의 코너링에서 앞이 무거운 차량은 언더스티어 성향이 있고 뒤가 무거운 차량은 오버스티어 성향을 보인다. 엔진이 앞에 있는 차량은 실용성을 추구하는 설계인 반면, 이상적인 무게 배분을 추구하는 경우에는 엔진을 차체의 가운데 배치하기도 한다. 숙련된 드라이버는 다른 조건이 같다면 미드십 엔진 차량을 코너에서 빠르게 돌아나갈 수 있지만, FR 차량이 한계 상황에서 다루기 더 쉽다.

스포츠카나 레이싱카에서는 후륜에 무게가 많이 실리는 것을 선호하는데, 이는 직선에서 코너 진입 시의 핸들링 특성 때문이다. 코너 진입 시 앞 타이어는 차량의 무게 중심을 선회시키는 종방향 힘과, 팽이와 같이 차량의 방향을 돌리는 힘을 모두 받게 된다. 반면, 뒤 타이어에서 생성되는 종방향 힘은 차량의 방향을 돌리는 힘의 반대 방향으로 작용한다. 이러한 이유로 "50/50" 무게 배분을 가진 차량은 코너 진입 시에 언더스티어 성향을 보인다. 이러한 문제를 피하고자 스포츠카와 레이싱카에서는 무게를 조금 더 뒤쪽으로 배분하는 것을 선호한다. 순수 레이싱 카의 경우 "40/60" 혹은 "35/65" 정도의 무게 배분이 사용된다. 이러한 설정은 차량의 앞 타이어가 차의 관성 모멘트를 극복하여 코너 진입 시의 언더스티어를 줄일 수 있게 해준다.

차량 제조사는 다른 사이즈의 휠과 타이어를 사용하여 차량의 언더스티어/오버스티어 특성을 조절하기도 한다.

2. 1. 3. 롤각 관성

롤각 관성이 클수록 차량이 안정되는 속도와 스티어링을 따라가는 속도가 늦어진다. 롤각 관성은 차량의 높이와 너비가 커질수록 증가하며, (질량 분포가 일정하다면) 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.: ''I=M(height2+width2)/12''.[7]

너비가 넓으면 차량의 무게중심이 낮아지는 장점이 있지만, 롤각 관성을 증가시킴으로써 핸들링을 저하시키는 요인이 되기도 한다. 이러한 이유로 일부 고성능 차량은 펜더와 루프에 경량 소재를 사용하기도 한다.

2. 1. 4. 편요각 관성과 피치각 관성 (극관성 모멘트)

편요각 관성과 피치각 관성은 거의 동일하다. 각관성은 주어진 회전에 대한 회전관성을 결정한다.

편요각 관성은 차량이 향하는 방향의 변화를 일정하게 유지하려고 한다. 이것은 타이트한 코너에서 선회를 느리게 하며, 다시 직선주로로 나올 때의 동작도 느리게 한다.

피치각 관성은 안 좋은 노면에서 앞뒤 타이어의 하중을 일정하게 하려는 서스펜션의 움직임을 저해하고, 따라서 범프스티어를 유발한다.

각관성은 무게중심점에서의 거리의 "제곱"에 대한 적분값이다. 따라서, 작은 차들이 휠베이스와 윤거가 짧아 불리하더라도 각관성에서는 유리하다.

차량 외곽 부분의 질량은 차량을 재설계하지 않고도 범퍼나 휀더에 경량 재료를 사용하거나, 완전히 제거함으로써 줄일 수 있다. 대부분의 무게가 자동차 중앙에 있으면 차량이 더 쉽게 회전하므로 회전에 더 빠르게 반응한다.

2. 2. 서스펜션

차량의 서스펜션은 스프링 상수, 댐핑, 캠버각, 휠의 이동에 따른 캠버각 변화, 롤 센터 높이, 서스펜션 요소들의 유연함과 진동 특성 등 다양한 요소를 가지고 있으며, 앞뒤가 다를 수 있고 핸들링에 큰 영향을 미친다. 또한 서스펜션은 스프링 아래 질량에도 영향을 준다.[8]

많은 차량들은 스웨이 바나 단단한 축을 통해 좌우 양쪽 서스펜션이 연결되어 있으며, 드물게 시트로엥 2CV처럼 앞뒤 서스펜션이 연결된 경우도 있다. 프레임의 휘어짐은 서스펜션 작동과 연관이 있다.[8]

2. 2. 1. 서스펜션 스트로크

서스펜션 스트로크가 너무 짧으면 심각한 핸들링 문제가 생길 수 있다. 코너에서 둔턱을 만났을 때 보통의 차량들도 서스펜션 스트로크가 모자랄 수 있으며, 심각한 재앙을 초래할 수 있다. 심하게 개조된 차들도 비슷한 문제가 생길 수 있다. TR3B 및 관련 차량의 심각한 핸들링 문제는 서스펜션 트래블 부족으로 인해 발생했다. 다른 차량도 노면의 요철과 코너링의 조합으로 서스펜션 트래블이 부족해지면서 이와 유사한 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 과도하게 튜닝된 차량 역시 이 문제에 직면할 수 있다.

2. 2. 2. 스프링 상수

차량의 서스펜션에 일반적으로 사용되는 스프링 유형으로는 가변 강성 스프링과 선형 강성 스프링이 있다. 선형 강성 스프링에 하중이 가해지면 스프링은 가해진 하중에 비례하는 양만큼 압축된다. 이러한 유형의 스프링은 승차감은 고려하지 않는 로드 레이싱에 일반적으로 사용된다. 선형 스프링은 항상 동일하게 작동하므로 고속 코너링, 가속 및 제동 시 예측 가능한 핸들링 특성을 제공한다.[8]

가변 스프링은 초기 스프링 강성이 낮다. 스프링 강성은 압축될수록 점차 증가하는데, 간단히 말해 스프링은 압축될수록 더 강해진다. 스프링의 끝은 더 촘촘하게 감겨져 더 낮은 스프링 강성을 낸다. 이러한 특성은 주행 시 작은 도로의 요철을 완화하여 승차감을 향상시킨다. 그러나 스프링이 특정 지점까지 압축되면 스프링은 더 촘촘하게 감기지 않아 더 높은 (더 강한) 스프링 강성을 제공한다. 이는 과도한 서스펜션 압축을 방지하고 전복으로 이어질 수 있는 위험한 차체 롤링을 방지한다. 가변 강성 스프링은 편안함을 위해 설계된 자동차뿐만 아니라 오프로드 레이싱 차량에도 사용된다. 오프로드 레이싱에서 이러한 스프링은 차량이 점프 시의 격렬한 충격을 효과적으로 흡수하고 오프로드 지형의 작은 요철도 효과적으로 흡수할 수 있도록 한다.[8]

2. 3. 타이어와 휠

일반적으로 더 부드러운 고무, 더 높은 히스테리시스 고무 및 더 뻣뻣한 코드 구성은 노면 접지력을 높이고 핸들링을 향상시킨다. 대부분의 좋지 않은 노면에서는 큰 직경의 휠이 낮고 넓은 휠보다 성능이 더 좋다. 남은 트레드 깊이는 수막 현상(노면 표면에 닿지 않고 깊은 물 위를 주행하는 현상)에 큰 영향을 미친다. 타이어 공기압을 높이면 슬립 앵글이 줄어들지만, 접촉 면적을 줄이는 것은 일반적인 노면 조건에서 해로우므로 주의해서 사용해야 한다.[1]

타이어가 노면과 접촉하는 면적은 차량의 무게와 타이어의 종류(및 크기) 사이의 방정식이다. 1000kg의 차량은 185/65/15 타이어를 215/45/15 타이어보다 종방향으로 더 많이 압축할 수 있으므로 더 나은 선형 그립과 제동 거리를 확보할 수 있으며, 넓은 타이어는 더 나은 (건조한) 코너링 저항을 가진다.[1]

현대 타이어의 화학적 구성은 주변 및 노면 온도에 따라 달라진다. 이상적으로 타이어는 노면에 맞춰질 만큼 부드러워야(따라서 접지력이 좋아야) 하지만, 경제적으로 타당할 만큼 충분한 기간(거리) 동안 지속될 수 있을 만큼 단단해야 한다. 이러한 온도를 가진 기후에서는 여름용 타이어와 겨울용 타이어를 다른 세트로 갖추는 것이 일반적으로 좋은 생각이다.[1]

2. 4. 윤거와 휠베이스

윤거는 차체의 기울임과 하중 이동을 감소시킨다. 휠베이스는 앞뒤 하중 이동을 감소시킨다. 하지만 차량이 급선회하는 데는 휠베이스보다 각관성(극 모멘트)이 더 중요하다.[1]

윤거는 횡 방향 하중 이동과 차체 롤에 대한 저항을 제공한다. 휠베이스는 종 방향 하중 이동과 피치 각 관성에 대한 저항을 제공하며, 급선회 시 자동차를 회전시키는 토크 레버 암을 제공한다. 그러나 휠베이스는 차량의 급선회 능력에 있어 각 관성 모멘트보다 덜 중요하다.[1]

휠베이스는 차량의 회전 반경에 기여하며, 이는 또한 핸들링 특성이다.[1]

2. 5. 스프링 아래 무게

스프링 아래 무게는 바퀴, 타이어, 브레이크, 서스펜션 일부 등 스프링 아래에 위치한 부품들의 무게를 의미한다. 이 무게는 차량의 노면 추종성과 승차감에 큰 영향을 미친다.[1]

스프링 아래 무게가 무거울수록 바퀴가 노면의 요철에 빠르게 반응하기 어려워진다. 둔턱을 지날 때 바퀴의 관성 때문에 둔턱 높이보다 더 위로 튀어 오르거나, 움푹 파인 곳을 지날 때 늦게 내려가면서 일시적으로 접지력을 잃을 수 있다. 이는 승차감 저하뿐만 아니라, 차량의 조종 안정성에도 악영향을 미친다.[1]

타이어의 탄성은 스프링 아래 무게를 완충하는 역할을 하지만, 동시에 구름 저항을 증가시킨다. 타이어는 연비 향상과 과열 방지를 위해 내부 충격 흡수가 제한적으로 설계되기 때문에, 스프링 아래 무게의 움직임은 주로 서스펜션의 댐퍼에 의해 흡수된다. 따라서 스프링 아래 무게가 크면 노면 접지력이 떨어지고, 거친 노면에서 차량 거동이 불안정해진다.[1]

스프링 아래 무게를 줄이기 위해 다양한 방법이 사용된다.

  • 알루미늄 합금 휠이나 마그네슘 합금 휠과 같이 가벼운 휠을 사용한다.
  • 인보드 브레이크는 브레이크를 차체 쪽에 장착하여 스프링 아래 무게를 줄인다.
  • 드 디옹 튜브 서스펜션은 디퍼렌셜을 차체에 장착하여 스프링 아래 무게를 감소시킨다.
  • 시트로엥 2CV는 뒷바퀴 허브에 관성 댐퍼를 장착하여 바퀴 튐 현상을 완화했다.

2. 6. 공기역학

공기역학은 속도의 제곱에 비례하기 때문에, 속도가 올라갈수록 매우 중요해진다. 다트나 비행기와 같이 자동차도 꼬리날개나 후방의 공기역학적 장치로 인해 안정감을 얻을 수 있다. 또한 그립력 증가를 위해 다운포스를 사용할 수도 있다. 이는 특히 레이싱카에서 두드러지며 승용차에서도 양력을 제한하기 위해 일부 활용되기도 한다.

차량을 노면에 밀착시키는 기능 이외에도, 공기역학은 코너링 속도가 올라갈수록 오버스티어 하기 쉬운 차량의 기본적인 속성을 보상하기 위해 설계되기도 한다. 차량이 코너를 돌 때, 차량은 선회 동작 이외에도 자체적으로 앞머리 방향을 바꾸는 작업을 해야 한다. 그런데 타이트한 저속 코너에서는 각속도가 커져야 하고, 큰 코너에서는 각 속도가 훨씬 작다. 따라서 앞타이어는 저속 코너에서 더욱 부담을 받으며 고속 코너에서는 그 부담이 덜하다. 따라서 자동차는 자연스럽게 저속 코너에서는 언더스티어, 고속에서는 오버스티어하게 된다. 이러한 효과를 보상하기 위해 자동차 디자이너들은 차량의 핸들링 특성을 코너 진입 시 언더스티어를 줄이는 방향으로 설계하고 (프론트 롤 센터를 줄이는 식으로), 후방에 스포일러 등을 설치하여 다운포스를 줌으로써 고속 코너에서의 오버스티어를 피하는 방법을 쓰기도 한다. 하지만 이러한 방법이 효과를 얻으려면 스포일러와 차량 바디의 모양이 전체적으로 어우러져야 한다.

최근, 공기역학은 차량 제조사 및 레이싱 팀들에서 점점 중요성이 높아지고 있다. 풍동이나 전산 유체 역학(CFD)과 같이 진보된 도구들은 엔지니어들이 차량의 핸들링 특성을 최적화할 수 있게 해주고 있다.

2. 7. 구동 방식과 브레이크

고무와 노면 사이의 마찰 계수는 횡력과 종력의 벡터 합의 크기를 제한한다. 따라서 구동 바퀴, 즉 가장 많은 제동력을 공급하는 바퀴가 측면으로 미끄러지는 경향이 있다. 이러한 현상은 종종 힘의 원 모델을 사용하여 설명된다.[1]

스포츠카가 일반적으로 후륜구동인 이유 중 하나는 숙련된 운전자에게 급커브에서 파워 오버스티어가 유용하기 때문이다. 가속 시의 무게 이동은 정반대의 효과를 가지며, 조건에 따라 어느 쪽이든 우세할 수 있다. 전륜구동 자동차에서 파워를 가하여 오버스티어를 유발하는 것은 "왼발 제동"을 적절히 사용하면 가능하며, 가파른 언덕에서 낮은 기어를 사용하면 약간의 오버스티어가 발생할 수 있다.[2]

제동이 핸들링에 미치는 영향은 하중 이동에 의해 복잡해지며, 이는 (음의) 가속도에 무게 중심 높이를 휠베이스로 나눈 비율을 곱한 값에 비례한다. 어려움은 접지력 한계에서의 가속도가 노면에 따라 다르다는 것이며, 따라서 전후 제동력 비율이 동일하더라도, 미끄러운 노면에서는 제동 시 언더스티어가 발생하고, 단단한 노면에서 급제동 시 오버스티어가 발생한다. 대부분의 현대 자동차는 이러한 문제를 제동력 배분을 다르게 함으로써 해결한다. 이는 무게 중심이 높은 자동차에서 중요하지만, 더 높은 수준의 성능이 기대되는 무게 중심이 낮은 자동차에서도 수행된다.[3]

2. 8. 스티어링

운전자, 스티어링 조작력, 노면에서 스티어링 휠로 전달되는 힘, 그리고 스티어링 휠 회전수와 바퀴 회전수의 스티어링비에 따라 차량의 제어 및 감각이 달라진다. 휠이 회전하기 전에 스티어링 휠이 자유롭게 회전하는 유격은 특히 구형 모델이나 낡은 차량에서 흔히 발생하는 문제이다. 또 다른 문제는 마찰이다. 랙 앤 피니언 스티어링은 일반적으로 제어 효과 면에서 가장 우수한 메커니즘으로 여겨진다. 링키지도 유격과 마찰을 유발한다. 접지면에서 스티어링 축의 오프셋인 캐스터는 자체 중심화 경향을 일부 제공한다.[1]

스티어링의 정밀성은 접지력 한계에서의 슬립각이 마른 도로보다 작은 얼음이나 단단하게 다져진 눈 위에서 특히 중요하다.[1]

스티어링 조작 노력은 스티어링 타이어에 가해지는 수직 하중과 접지면의 반경에 따라 달라진다. 따라서 타이어 공기압이 일정하다면 차량 무게의 1.5제곱에 비례한다. 운전자가 휠에 가할 수 있는 토크 역시 운전자의 체격에 따라 비례한다. 더 긴 차량은 주어진 반경으로 회전하기 위해 바퀴를 더 많이 회전시켜야 한다. 파워 스티어링은 감각을 희생하여 필요한 힘을 줄여준다. 파워 스티어링은 특히 전방이 무거운 차량의 무게가 운전자 체중의 10~15배를 초과하거나, 신체 장애가 있는 운전자에게 유용하며, 스티어링 메커니즘에 마찰이 많은 경우에 유용하다.[1]

4륜 조향은 일반 도로 차량에 사용되기 시작했다(일부 제2차 세계 대전 정찰 차량에 탑재되었다). 이는 원하는 방향으로 회전하기 전에 차량 전체를 움직이게 함으로써 각운동량 관성의 영향을 완화한다. 또한 다른 방향으로 사용하여 회전 반경을 줄일 수도 있다. 일부 차량은 속도에 따라 이 중 하나를 수행한다.[1]

도로의 요철로 인해 스티어링 기하학이 변경되면 앞바퀴가 함께 또는 서로 독립적으로 다른 방향으로 조향될 수 있다. 스티어링 링키지는 이러한 영향을 최소화하도록 설계되어야 한다.[1]

2. 9. 전자식 주행안정 제어장치 (ESC)

전자 제어 주행 안정 장치(ESC)는 미끄러짐을 감지하고 방지하여 차량의 안정성을 향상시키는 컴퓨터 기술이다. ESC는 조향 제어 손실을 감지하면, 운전자가 원하는 방향으로 차량을 "조향"하는 데 도움을 주기 위해 개별 브레이크를 작동시킨다. 오버스티어를 방지하기 위해 바깥쪽 앞바퀴, 언더스티어를 방지하기 위해 안쪽 뒷바퀴에 브레이크가 자동으로 적용된다.

일부 자동차의 안정 제어 장치는 파워 유도 오버스티어와 같은 일부 운전 기술과 호환되지 않을 수 있다. 따라서 적어도 스포츠적인 관점에서는 이를 비활성화할 수 있는 것이 바람직하다.

2. 10. 휠 얼라인먼트

자동차의 휠 얼라인먼트에서 캠버는 조향에 영향을 미치는데, 타이어는 상단이 기울어진 쪽으로 힘을 생성하며, 이를 캠버 추력이라고 한다. 전면에 추가적인 네거티브 캠버는 캠버 증가가 충분하지 않은 자동차의 코너링 능력을 향상시키기 위해 사용된다.[1] 일반 자동차의 경우 좌우 캠버는 동일해야 한다.

2. 11. 프레임 강성

차체는 하중을 받으면 휘어질 수 있으며, 특히 노면의 요철에 의해 비틀릴 수 있다. 강성은 핸들링에 도움이 되는 것으로 여겨진다. 적어도 서스펜션 엔지니어의 작업을 단순화한다. 메르세데스-벤츠 300SL과 같은 일부 자동차는 더 튼튼한 차체를 위해 높은 도어 실을 가지고 있다.

3. 운전자에게 있어서의 핸들링

자동차 핸들링은 운전자의 숙련도, 운전 자세, 페달 및 스티어링 조작 기술에 따라 크게 달라진다. 차량의 특성은 운전자에 따라 다르게 작용할 수 있다.[9]

3. 1. 친숙성

차량 또는 차량 종류에 대한 경험이 많을수록, 불리한 조건에서 해당 차량의 핸들링 특성을 최대한 활용할 가능성이 높아진다.[9]

3. 2. 포지션


  • 운전자가 G-포스를 견뎌야 하는 것은 운전자의 정밀한 조향을 방해한다. 이와 유사하게, 운전자가 좌석에 제대로 고정되지 않으면 차가 급가속(코너링, 출발 또는 제동)할 때 몸이 움직이게 된다. 이는 정밀한 조작을 방해하여 차량 제어를 더욱 어렵게 만든다.[9]
  • 운전대, 페달 등 조작 장치에 쉽게 접근할 수 있는 것도 중요한 고려 사항이며,[9] 특히 차량을 격하게 운전할 때 더욱 그렇다.
  • 어떤 상황에서는 훌륭한 운전자세 지지력이 사소한 사고 후 또는 사고 초기에 운전자가 어느 정도 제어력을 유지할 수 있게 해줄 수 있다.

4. 핸들링에 영향을 미치는 외부 요소

날씨와 노면 상태는 차량의 접지력과 핸들링에 큰 영향을 미친다.

4. 1. 날씨

날씨는 노면의 가용 접지력 변화를 통해 자동차 핸들링에 영향을 미친다. 다양한 타이어는 각기 다른 날씨에 가장 적합하다. 넓은 타이어가 노면 접지력을 향상시킨다는 일반적인 규칙에서 예외적인 경우는 웅덩이처럼 물이 깊게 고인 곳이다.

4. 2. 노면 상태

요철, 웅덩이, 기름 등 노면 상태의 변화는 차량의 접지력에 영향을 미쳐 핸들링에 변화를 일으킨다.[1] 어떤 바퀴라도 노면과의 접촉을 잃으면 핸들링에 변화가 생기므로, 서스펜션은 급격한 코너링, 급회전 및 노면의 요철에도 불구하고 네 바퀴 모두를 노면에 유지해야 한다.[1] 서스펜션 트래블이 소진되어 "바닥"이나 "상단"에 닿지 않도록 하는 것 역시 핸들링뿐만 아니라 다른 이유에서도 매우 중요하다.[1]

5. 일반적인 핸들링 문제


  • 언더스티어 – 앞바퀴가 회전 바깥쪽으로 쏠리는 경향이 있다. 운전자는 이를 보상하기 위해 더 좁게 스티어링할 수 있지만, 노면 유지력이 감소하고, 자동차 거동이 예측하기 어려워지며, 타이어 마모가 빨라질 수 있다.
  • 오버스티어 – 뒷바퀴가 앞바퀴보다 회전 바깥쪽으로 미끄러지는 경향이 더 크다. 운전자는 코너에서 멀리 스티어링하여 이를 수정해야 하며, 그렇지 않으면 자동차가 스핀될 수 있다. 오버스티어는 운전자가 의도적으로 파워를 가할 때 조향을 돕는 데 유용할 수 있다.
  • 범프 스티어 – 노면의 불규칙성이 자동차의 각도나 움직임에 영향을 미치는 현상이다. 서스펜션의 운동학적 움직임으로 인해 바퀴가 토인 또는 토아웃되어 자동차의 방향에 영향을 줄 수 있다. 이는 결함이 있거나 마모된 서스펜션 부품 때문에 발생할 수도 있다.
  • 차체 롤 – 자동차가 곡선 바깥쪽으로 기울어지는 현상이다. 운전자가 스티어링 변화의 영향을 완전히 판단하기 전에 자동차가 기울어지는 것을 기다려야 하므로 운전자의 제어를 방해한다. 또한 자동차가 원하는 방향으로 움직이기까지 지연 시간을 추가한다.
  • 과도한 하중 이동 – 코너링하는 모든 차량에서 바깥쪽 바퀴는 안쪽 바퀴보다 더 큰 하중을 받는다. 총 하중 이동은 자동차 무게 중심의 높이와 차축 트랙의 비율에 의해 결정된다. 하중 이동이 차량 적재 중량의 절반과 같아지면 차량 전복이 시작될 수 있다.
  • 느린 응답 – 스티어링 휠을 돌려도 측면 가속이 즉시 시작되지 않으며, 스티어링 휠을 가운데로 되돌려도 즉시 멈추지 않을 수 있다. 이는 부분적으로 차체 롤 때문에 발생한다. 다른 원인으로는 높은 슬립 각도를 가진 타이어, 요 및 롤 각 관성 등이 있다.

6. 절충안

승차감과 핸들링은 항상 상충되는 부분이었으나, 기술 발달로 자동차 제조사들은 시간이 지남에 따라 동일한 차량에 이 두 가지 기능을 더 많이 결합할 수 있게 되었다. 그러나 높은 수준의 편안함은 낮은 무게 중심, 차체 롤 저항, 낮은 각 관성, 운전자 지지, 스티어링 감각 및 자동차의 훌륭한 핸들링을 만드는 기타 특성과 조화를 이루기 어렵다.

일반적인 양산차의 경우, 제조사들은 의도적으로 언더스티어 쪽으로 기울이는데, 이는 오버스티어보다 경험이 없거나 부주의한 운전자에게 더 안전하기 때문이다. 다른 타협점으로는 부드럽고 매끄러운 승차감 선호도나 더 많은 좌석 수와 같은 편안함과 실용성이 있다.

인보드 브레이크는 핸들링과 편안함을 모두 향상시키지만 공간을 차지하고 냉각이 더 어렵다. 대형 엔진은 자동차를 앞이나 뒤가 무겁게 만드는 경향이 있다. 연비, 고속 주행 시 시원함 유지, 승차감 및 긴 수명은 모두 노면 유지와 상충되는 경향이 있으며, 젖은 노면, 마른 노면, 깊은 물, 눈길에서의 노면 유지는 정확히 호환되지 않는다. A-암 또는 위시본 전륜 서스펜션은 엔지니어가 기하학을 선택할 수 있는 더 많은 자유를 제공하고, 캠버가 맥퍼슨 스트럿보다 래디얼 타이어에 더 적합하기 때문에 더 나은 핸들링을 제공하는 경향이 있지만, 더 많은 공간을 차지한다.

포드 모델 T에서 익숙한 구형 리브 액슬 후륜 서스펜션 기술은 내구성을 위해 (그리고 비용 절감을 위해) 대부분의 스포츠 유틸리티 차량과 트럭에 여전히 널리 사용된다. 리브 액슬 서스펜션은 포드 머스탱(2015년 이전 모델)과 같은 일부 스포츠카에서도 여전히 사용되며 드래그 레이싱에는 더 좋지만, 울퉁불퉁한 코너, 빠른 코너에서의 접지력 문제와 울퉁불퉁한 직선에서의 고속 안정성 문제가 일반적으로 발생한다.

7. 핸들링 튜닝

경량 휠, 서스펜션 튜닝, 타이어 교체 등은 핸들링 성능을 개선하는 방법이다.[7]

차량의 무게 중심을 낮추면 핸들링에 도움이 되며, 플라스틱 창문(또는 창문 없음), 가벼운 지붕, 보닛, 트렁크 재질 사용, 지상고 감소 등으로 어느 정도 가능하다. '리버스' 휠을 사용하여 트랙을 넓히는 것도 유사한 효과를 낸다.

프론트와 리어 모두 스프링과 쇽을 더 단단하게 하면 완벽에 가까운 노면에서는 일반적으로 핸들링이 향상되지만, 노면 상태가 좋지 않은 곳에서는 차량이 '튕기면서' 그립을 잃어 핸들링이 어려워진다. 애프터마켓 성능 서스펜션 키트는 일반적으로 쉽게 구할 수 있다.

더 가벼운 (주로 알루미늄 또는 마그네슘 합금) 휠은 스프링 하중을 줄여 핸들링과 승차감을 향상시킨다.

관성 모멘트는 더 가벼운 범퍼와 윙(펜더)을 사용하거나 아예 사용하지 않음으로써 줄일 수 있다.

언더스티어 또는 오버스티어 상태를 수정하려면 전륜 또는 후륜의 그립을 늘리거나 줄여야 한다. 다음은 액슬의 '그립'을 증가시키는 작업들이다.


  • 무게 중심까지의 모멘트 암 거리를 늘린다.
  • 횡방향 하중 이동을 줄인다(쇽 감쇠, 스웨이 바 감쇠, 트랙 너비 증가).
  • 타이어 접지 면적을 늘린다.
  • 해당 액슬로의 종방향 하중 이동을 늘린다.
  • 타이어 공기압을 줄인다.


구성 요소언더스티어 감소오버스티어 감소
무게 배분무게 중심을 뒤쪽으로무게 중심을 앞쪽으로
프론트 쇽 업소버더 부드럽게더 단단하게
리어 쇽 업소버더 단단하게더 부드럽게
프론트 스웨이 바더 부드럽게더 단단하게
리어 스웨이 바더 단단하게더 부드럽게
프론트 타이어 선택1더 넓은 접지 면적²더 좁은 접지 면적
리어 타이어 선택더 좁은 접지 면적더 넓은 접지 면적²
프론트 휠 림 폭더 넓게²더 좁게
리어 휠 림 폭더 좁게더 넓게²
프론트 타이어 공기압더 낮은 공기압더 높은 공기압
리어 타이어 공기압더 높은 공기압더 낮은 공기압
프론트 휠 캠버 각도네거티브 캠버 증가네거티브 캠버 감소
리어 휠 캠버네거티브 캠버 감소네거티브 캠버 증가
리어 스포일러더 작게더 크게
프론트 높이 (보통 캠버 및 롤 저항에 영향을 미침)프론트 엔드 낮추기프론트 엔드 높이기
리어 높이리어 엔드 높이기리어 엔드 낮추기
프론트 토우 인감소증가
리어 토우 인감소증가
1 타이어 접지 면적은 트레드 패턴의 홈이 적은 타이어를 사용하면 증가할 수 있다. 물론 홈이 적을수록 젖은 날씨나 기타 좋지 않은 노면 상태에서는 반대 효과가 나타난다.


참조

[1] 간행물 Measured Vehicle Inertial Parameters - NHTSA's Data Through November 1998 http://1985mustanggt[...] National Highway Traffic Safety Administration 1999
[2] 웹사이트 Suspension http://willmartin.co[...] 2016-06-05
[3] 웹사이트 Tesla Model S Data http://www.roperld.c[...] 2015-04-05
[4] 웹사이트 How Tesla Motors Builds One of the World's Safest Cars [Video] http://www.scientifi[...] 2016-06-06
[5] 웹사이트 2014 Chevrolet Corvette Stingray Z51 http://www.caranddri[...] 2016-06-06
[6] 웹사이트 Alfa Romeo 4C Review http://www.caradvice[...] 2016-06-06
[7] 서적 Engineering Mechanics 3 Springer
[8] 웹사이트 Linear vs Progressive Rate Springs http://automotivethi[...] 2016-02-16
[9] 웹사이트 Vehicle Familiarity and Safety https://ntl.bts.gov/[...] National Highway Traffic Safety Administration 2017-08-16
[10] 웹사이트 Slavné české auto slaví osmdesátiny. Průkopnice aerodynamiky Tatra 77 http://auto.idnes.cz[...] 2017-09-06
[11] 뉴스 Consumers Union Seeks Lawsuit Shield against Suzuki https://www.latimes.[...] 2010-05-06
[12] 웹사이트 SUPREME COURT LETS SUZUKI SUE http://www.thefreeli[...] 2016-05-21
[13] 웹사이트 Suzuki Resolves Dispute with Consumer magazine https://www.nytimes.[...] 2017-02-18
[14] 웹사이트 Consumers Union, Suzuki settle suit https://www.usatoday[...] 2017-08-24
[15] 웹사이트 Suzuki And Consumers Union Agree To Settle Lawsuit http://www.consumers[...] Consumersunion.org 2011-11-13
[16] 웹사이트 Firestone/Ford Knowledge of Tire Safety Defect http://www.citizen.o[...]
[17] 웹사이트 NHTSA Denies Firestone Request For Ford Explorer Investigation http://nhthqnlas188.[...] NHTSA 2010-05-17


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