2-4 타이어의 특성과 조종안정성

--- 가장 이상적인 서스펜션 형식에다가 제아무리 최상급 댐퍼와 스프링으로 무장된 차량이라고 하여도 타이어가 없으면 무용지물, 결국 최종적으로 지면과 직접 맞닿는 것은 타이어 뿐입니다. 모든 자동차의 운동 성능은 타이어에서 이루어지고 구현되는 것입니다. 그러므로  타이어를 서스펜션의 일부분으로 포함하기도 하고 때로는 별개로 취급하기도 합니다만 여하튼 서스펜션에서 타이어의 특성은 매우 중요한 것임에는 틀림이 없습니다.

    

이 내용은 그다지 골치 아프지도 않고 비록 길지도 않지만 우리가 경험적으로 알고 있는 많은 사실들에 대하여 이론적으로 명백한 뒷받침을 하고 있다는 점에서 매우 중요하다고 하겠습니다.

  

편평 타이어가 왜 코너링에 좋은지, 그리고 편평 타이어를 장착할 경우에는 서스 튜닝이 왜 병행되어야 하는지, 그리고 롤 강성 강화가 왜 코너링에 좋은지, 그리고 왜 구동방식에 따라서 스티어링 특성이 달라지는지, 그리고 캐스터와 핸들의 복원력은 어떤 관계인지 등 여러 가지에 대한 이론적인 해답을 주는 내용입니다.

 

이래서 서스는 그냥 느낌과 감성만의 영역이 아니라 실제로는 그 저변에는 엄연한 과학이 밑받침하고 있다는 것을 여실히 보여주고 있습니다.

 

1. 코너링포스 특성

 

앞에서 조종안정성의 기초 이론을 서술했다. 또 롤이 변한 경우의 조종안정성 이론에 대해서는 다음에 설명할 기회가 있다면 참조하기 바란다. 앞에서 언급한 조안성 기초이론은 타이어 특성에 기인하고 있기 때문에 상기 내용이 이해하기 어려운 경우는 본 게시물에서 타이어 특성에 관해서의 이해를 깊게하기 바란다.  

 

우선 아래 그림과 같이 타이어의 진행 방향과 타이어가 이루는 각도를 타이어의 슬립각이라고 부른다.

 

 

타이어의 코너링포스는 아래 그림과 같이 어느 각도까지는 슬립각에 대하여 리니어(linear)로 발생하고 고슬립각이 되면 한계점에 달하게 되는 특성을 가지고 있다. 저슬립각시에 첫 출발의 기울기를 코너링 파워(K)라고 부른다. 최대 코너링포스(max)를 지나면 타이어는 미끌림 영역에 들어간다. 스핀했을 때 등 후륜은 이 미끌림 영역에 들어가면 타이어의 슬립각은 꽤 커져버리는 것이다.

 

또 동일 슬립각이라도 바퀴 하중이 높은 만큼 타이어는 아래 그림과 같이 더 높은 코너링포스를 발생한다.  

 

 

이것을 하중과 코너링 포스와의 관계에서 보면 아래 그림 좌측과 같이 된다. 즉 하중이 증가되는 만큼 타이어에서 발생하는 힘은 비례하여 올라가다가 일정 수준에 도달하면 기울기가 숙여지는 단계에 들어가 그 현상이 점차 심화되고 곧 리니어 특성은 없어지게 되는 것이다. 그래서 롤해서 하중이동이 생기면 외륜측은 타이어에서 발생하는 힘이 이미 기울기가 숙여진 단계에 들어가 버려 하중 증가분만큼 커지지 않는다. 따라서 내외륜의 평균 코너링포스는 아래 그림 우측과 같이 저하해 버리는 것이다.

 

         

 

이러한 것에서 차량의 중량배분 전후륜의 롤강성 등이 중요하게 되는 것이다. 즉 이같은 타이어 코너링 포스의 비선형성을 잘 이용해서 전후륜의 코너링 포스의 특성이 적당한 언더 스티어를 유지하는 튜닝이 필요한 것이다.  

 

또 편평 타이어의 경우 일반적으로 타이어의 접지면이 넓기 때문에 타이어의 그립한계가 높아 아래 그림과 같이 그립력이 향상한다.

 

즉 위 그림에서와 같이 편평 타이어를 사용하면

* 타이어의 최대 코너링포스 : CFmax⇒ CFmax'가 된다.

* 타이어의 코너링파워 : K ⇒ K' 가 된다. 

 

그래서 차량의 운동특성으로 해서는 코너링의 스키드(미끌림) 한계G(가속도)가 높은 하드한 코너링이 가능하고 또 코너링 파워도 높기 때문에 핸들에 대하여 빠르게 차량이 추종하도록 된다.  

 

편평 타이어는 또 하중~코너링포스 특성에 있어서도 보다 고하중까지 리니어한 경향이 유지되는 방향에 가깝기 때문에 차량으로서는 꽤 높은 코너링G의 곳까지 코너링 포스의 머리 숙이기의 영역을 사용하지 않아 내외륜의 평균 코너링 포스의 떨어짐을 저감할 수 있게 된다. 

 

아래 그림에서 보듯이 내외륜의 평균 코너링 포스의 떨어짐이 편평 타이어는 노멀 타이어 보다 작다.

 

이상과 같이 편평 타이어는 타이어 특성이 보다 리니어한 영역이 넓기 때문에 유효하지만 이를테면 가벼운 차량에서는 코너링시의 외륜 하중은 그만큼 크게는 되지 않기 때문에 지나치게 극단적인 광폭 타이어는 오버 퀄리티가 되어 그만큼 도움이 되지 않는 케이스도 있기 때문에 차종에 맞는 사이즈의 타이어 선정이 중요하게 된다.

 

또 서스튜닝에 있어서는 롤강성이 낮은 즉 스프링과 댐퍼가 부드러운데 타이어만 꽤 큰 광폭 타이어를 쓰는 것은 그다지 유효한 것은 아니다. 이것은 서스펜션의 형식에 따라서도 다르지만 차체가 롤했을 때 롤강성이 낮으면 타이어의 외측면의 접지압은 높지만 내측의 접지압은 낮아지는 경우가 있는 것이다.

 

이 경우 아무리 폭이 넓은 타이어를 사용한다고 해도 타이어의 넓은 접지면을 유효하게 다 살릴 수 없게 되기 때문에 주의가 필요하다. 이를테면 과격한 코너링을 연속해서 행하여 보고 타이어의 외측면만 타이어의 온도가 올라가고 내측은 차갑게 있는 경우는 타이어의 내측을 효과적으로 살리지 못하는 것이 된다. 이 경우는 스프링 스테빌라이저 그리고 쇼크업소버 감쇠력 등을 약간 업해서 타이어 접지면을 전체적으로 활용할 수 있도록 배려해 주는 것이 효과적이다.  

 

또 타이어의 코너링 포스는 제,구동력에 의해 저하한다.

 

타이어의 구동력과 코너링포스의 관계는 아래 그림과 같은 마찰원으로 표현할 수 있고 제동력 및 구동력이 증가하면 타이어의 최대 코너링포스는 감소하게 된다.

 

 

참고로 평면 벨트식 타이어 테스터에 의한 테스트 데이타의 일례를 아래 그림에서 본다.

 

 

 

2. 셀프 얼라이닝 특성

 

타이어는 슬립각을 생기게 하면 타이어 접지 중심에서 타이어의 뉴매틱 트레일(pneumatic trail)만큼 후방에 코너링 포스가 작용한다.  

 그림 1-59

 

그 결과 타이어 중심 P의 주변에 셀프 얼라이닝 토크 (SAT)를 일으키게 된다. 셀프 얼라이닝. 토크 SAT = CF x to 로 표시된다. 핸들에서 손을 떼었을 때 핸들이 원래대로 돌아가려고 하는 것은 이 셀프 얼라이닝 토크가 작용하고 있기 때문이다. 단지 이 경우 즉 전륜의 경우는 캐스터각이 있기 때문에 핸들 가장자리에 전해지는 모멘트의 양을 결정하는 토크는 아래 그림과 같이 타이어 뉴매틱 트레일 (to)와 캐스터 트레일 (tcas)의 조화가 되고 전륜의 셀프 얼라이닝 토크 SAT* = CF* x (to + tcas) 로 표시된다.

 

 

 

 

-- 튜닝앤코리아 --