언더 스티어와 오버 스티어의 발생 원인 및 요소들

아래에서 언더와 오버 스티어에 대한 간단한 개요와 해소방안을 알아 본 바 있습니다. 그 다음 차종별로 스티어링 특성에 대하여 알아 보고 거기에 맞는 운전 방법에 대하여도 조금 엿 본 바 있습니다.

 

그럼 여기서 다시 원점으로 돌아가 도대체 스티어링 특성은 왜 발생하는 것인지 그리고 정확하게 어떤 상황을 그렇게 말하는지에 대하여 알아 보겠습니다.

 

차량이 코너링할 때는 질량과 속도의 제곱에 비례하는 원심력이란게 발생합니다. 

원심력 = 질량 x 속도² / 코너의 반지름 : 즉 원심력은 질량에 비례하고 속도의 제곱에 비례하고 코너의 반지름에 반비례한다.

  

 

원심력은 코너링 중심으로부터 외곽으로 작용하는 가상의 힘인데 여기에 반하여 구심력 즉 주로 바퀴와 노면의 마찰력에 의하여 발생하는 동일한 크키의 버티는 힘을 코너링 포스라고 말합니다.  

 

코너링 포스는 하중 그리고 타이어의 재질이나 노면의 조건 등에 따라서 감당 한계가 달라지는데 원심력을 감당하지 못하면 미끌어지는 것입니다. 쉽게 예를들면 노면이 얼어붙으면 노면 마찰력이 떨어져 코너링 포스가 현저하게 줄어들게 됩니다. 이때는 조그마한 원심력(즉 낮은 속도)에서도 차량이 미끌어지게 되는 것입니다. 실제로는 원심력은 항상 코너링 포스와 동일하며 미끌어지는 순간 이미 코너의 반지름이 커져서 원심력이 작아지거나 아니면 직진하여 더 이상 코너링을 하지 못하는 상태로 되어 원심력과 코너링 포스 자체가 동시 소멸됩니다.

 

코너링 포스는 타이어나 서스, 하중 그리고 노면 상황에 따라서 감당할 수 있는 크기가 달라지지만 원심력은 차량이 일정한 무게와 일정한 속도를 유지한다면 항상 일정합니다. 따라서 동일한 차량에 동일한 속도로 같은 코너를 선회해도 미끌어지는 차량이 있는 반면에 코너링 포스 감당 한계를 키운 차량은 쉽게 통과하는 것입니다.

 

이쯤오면 코너링 포스는 원심력과 항상 동일하다면서 무슨 개선이냐고 의문을 갖는 것이 당연합니다. 정확하게 말하면 키울 수 있는 것은 코너링 파워입니다. 코너링 파워는 코너링 포스를 사이드 슬립각으로 나눈 수치로서 코너링 경직성을 나타내는 지표입니다.  즉 코너링 파워 x 사이드 슬립각 = 코너링 포스가 되는 것 입니다. 따라서 코너링 파워를 키우면 슬립을 적게해도 동일한 코너링 포스를 발생시킬 수 있고 코너링 파워가 약하면 슬립을 많이 하는 것입니다.

 

원심력 = 코너링 포스 이고,  코너링 포스 = 코너링 파워 x 사이드 슬립각 이므로 서스펜션 보강 등으로

코너링 파워를 키우면 코너링 포스가 커지는 것이 아니라 그만큼 밀려나가는 슬립각이 줄어드는 것입니다.

 

그리고 코너링 포스나 원심력을 앞뒤 바퀴 분리하여 생각해 보면 앞 바퀴 동시에 동일한 각도로 미끌어진다면 이상적이겠지만 앞뒤 차량의 무게가 달라서 원심력 자체를 다르게 받기 때문에 미끌어지는 각도도 달라지게 되는 것이 일반적입니다. 앞쪽이 많이 미끌어져 코너의 외곽으로 밀리면 언더 스티어가 되는 것이고 뒷쪽이 많이 밀려서 뒤가 밀려나 앞이 안으로 들어오면 오버 스티어가 되는 것입니다.

 

주어진 차량 FF나 FR 대부분의 우리나라 차량에서 무게 배분은 앞이 무겁기 마련입니다. 그래서 앞뒤 동일한 조건이라면 특히 FF차량에서는 거의 무조건 앞쪽이 밀려나서 언더 스티어로 가게 되어 있습니다. 어느 정도의 언더 스티어는 차량 제작사의 의도된 설계이지만 너무 심하다고 판단되거나 스포츠 주행을 위해서는 이 언더 성향을 좀 줄여 줄 필요가 있는 것입니다. 얼마든지 가능합니다. 이게 바로 튜닝입니다.  

 

특히 차량의 스티어링 특성은 서스펜션 튜닝이 지향하는 조종안정성에 지대한 영향을 미치게 됩니다. 즉 내가 조향한대로 차량이 움직이지 않아서 조종성을 위협하고 내가 원하지 않는 방향으로 제멋대로 움직여 안정성을 저해하는 것입니다. 그러므로 이 스티어링 특성을 서스펜션 튜닝에서 매우 중요하게 다루는 것입니다. 

 

그럼 어떻게 그 특성을 판단하는지에 대하여 알아 보겠습니다. 이것이 국제 표준이기도 합니다. 우선 원심력이 작용안되게 차량의 속도를 최대한 줄여서 일정한 조향각으로 운동장 같은 넓은 지역에서 동그란 원을 그려 봅니다. 더 이상 좌우 어디로든 핸들을 돌리지 않아도 출발한 자리로 되돌아 오도록 원을 그린 다음 이번에는 핸들은 그 상태로 둔 다음 악셀만 밟아서 속도를 높여 봅니다. 계속 속도를 높일 필요는 없습니다. 그저 저속 선회시보다 회전 반경이 변경될 정도로만 높은 속도면 됩니다.  그러면 분명 차량이 원 안쪽이나 바깥쪽으로 향하게 될 것입니다.  안쪽으로 들어가면 오버 스티어가 되고 바깥쪽으로 가면 언더 스티어가 됩니다. 속도를 높였는데도 그대로 원을 회전한다면 뉴트럴 스티어가 됩니다만 앞뒤 무게 중심이 잘 잡힌 4륜구동차량에서나 가능한 이야기입니다.

 

 

이를 다른 말로 표현하면 "정상원 선회지름이 극 저속시 정상원 선회지름보다 큰 경우를 언더 스티어라 한다" 입니다. 지금은 동일한 조향각으로 스피드를 올려서 그 회전 반경을 비교하였습니다만 동일한 지름의 원을 회전하면서 스피드에 따라서 그  조향각의 변화로 판정할 수도 있습니다. 속도에 따라서 조향각이 커진다면 언더 스티어 적어진다면 오버 스티어가 됩니다.

  

지금 우회전을 하고 있는데 오른쪽에서 왼쪽으로 원심력을 받아서 밀려나고 있으므로 조향각을 슬립각만큼 더 주어

타이어가 약간 오른쪽으로 더 돌려야만 차량이 내가 원하는 방향으로 진행하는 것이다.여기 Fⅹ가 코너링 포스이다.

 

이를 다른 각도로 보면 우리가 코너링할 때는 항상 타이어가 약간씩은 밀려나면서 주행하게 됩니다. 그 밀리는 각도를 슬립각 (Slip angle) 또는 사이드 슬립각이라고 합니다. 앞바퀴 슬립각이 뒷바퀴 슬립각보다 크면 앞이 밀리게 되는 것이므로 언더 스티어가 되는 것입니다.

 

다음은 스티어링 특성에 영향을 미치는 요소들을 살펴 보겠습니다. 이 요소들을 알면 그 해소 방안은 자연적으로 나오게 되는 것입니다.

 

1.     타이어의 특성

 1)  타이어의 종류 : 구조, 사이즈, 림 폭, 공기압

 2)  비선형성의 영향 : side slip각이 일정 수준 이상으로 커지면 코너링 포스 급감

 3)  구동력의 영향 : 구동륜의 코너링 파위 감소

 4)  제동력의 영향 : 제동력의 밸런스 제동륜의 코너링 포스 감소

 5)  자동중심 조정 토크 (Self aligning torque)

 

 2.     서스펜션 관계의 영향

 1)  롤 스티어의 영향 : 예 차축식 서스펜션에서 판스프링이 자세변화로 갑자기 앞이나 뒤로 이동

 2)  컴프라이언스 스티어 영향 : 트레일링암의 탄성변형

 3)  캠버각의 영향 : 캠버 트러스트

 4)  롤 강성의 영향 : 강한 쪽이 밀림

 5)  토우의 영향 : 토우-인이 코너링 파워를 키움

 

 3.     기초량 변화의 영향

1)  차량의 질량 (앞 뒤 바퀴의 하중)

2)  차량의 무게 중심의 위치

3)  축간 거리 (휠 베이스)

4)  코너링 파워 (코너링 포스를 사이드 슬립각으로 나눈 수치)  

 

 

 자동중심 조정토크는 핸들이 타이어의 방향에서 차량의 진행방향으로 돌아가려고 하는 토크를 말한다.

이는 원심력은 타이어 중심에서 받는데 반하여 코너링 포스는 타이어가 밀리면서 약간 뒷쪽에서 받기 때문에 발생하게 되는 것이다.

 

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