서스펜션과 휠 얼라인먼트

 

 

휠 얼라인먼트의 기본개념

 

1. 정의

자동차의 서스펜션과 휠 타이어는 조종 안정성과 승차감을 얻기 위하여 여러가지 기하학적으로 특정 각도를 가지고 차축에 설치되어 있습니다. 이 들이 충격이나 사고 및  부품 마모, 조립 불량 등으로 각도가 변화되어 주행 중 각종 문제를 일으키게 됩니다. 따라서 이들을 점검하여 바로 잡는 일련의 작업을 휠 얼라인먼트 (Wheel alignment)라고 합니다.

 

2. 역사

19세기 후반 프랑스 장토가 조향시 타이어 슬립을 방지하고자 애커만 장토의 조향 이론을 완성하였으며 10년 후 같은 프랑스 르네 파날이 노면 충격 완화와 직진 안전성 확보를 위하여 조향 감속기어를 채택하면서 캐스터를 처음 적용하였고 20세기 초 미국에서 복원성 증대와 핸들 조작력 감소를 위하여 처음으로 킹핀 경사각과 캠버를 고안 활용하였다고 합니다.

 

3. 휠 얼라인먼트의 필요성

-. 조종 안정성 및 주행 안전성 확보

-. 타이어 이상 마모 방지

-. 조기 점검에 의한 안정 운행 확보

-. 정밀측정에 의한 사전 진단으로 수리비 최소화

 

휠 얼라인먼트 문제 발생 원인

 

1. 사고 및 충격

-. 도로 경계석이나 큰 돌출물과의 충돌이나 웅덩이에 강하게 빠진 경우 등으로 직접 바퀴에 충격을 가한 경우

-. 범퍼에 의한 간접 충격으로도 스태빌라이저 링크 등은 쉽게 뒤로 밀려날 수 있다.

 

2. 아래의 하체 부품 교체시는 반드시 점검이 필요함

-. 조향기어

-. 로워 암

-. 서스펜션 (쇼바와 스프링)

-. 후륜 링크

-. 토션바 스프링

-. 스태빌라이저, 스트럿바, 래터럴 바 등

 

3. 기존 부품의 마모 또는 노후화

 

4. 핸들의 위치가 변한 경우

 

5. 신차라도 다음과 같은 증상이 있는 경우에는 점검을 요함

-. 핸들이 돌아가 있다.

-. 주행 중 한쪽으로 쏠린다.

-. 타이어가 편마모 한다.

 

휠 얼라인먼트의 구성요소

 

휠 얼라인먼트를 구성하는 요소로는 캠버, 캐스터, 토우, 조향축 경사각, 킹핀 옵셋 등이 있습니다.

 

더블위시본 타입과 맥퍼슨 타입에서의 캠버인데 위 그림은 양쪽 모두 플러스 캠버다.

 

1. 캠버
캠버(camber)는 바퀴의 위쪽이 차량 안쪽이나 바깥쪽으로 기운 각도를 말합니다. 쉽게 말하면 앞에서 차량의 바퀴를 보았을 때 한문으로 八자형이면 마이너스 캠버라고 하며 그 반대인 경우를 플러스 캠버라고 합니다.

＋ 캠버인 경우 직진성을 좋게 하고 킹핀 옵셋을 적게 하나 코너링 능력은 떨어집니다.
－ 캠버인 경우는 코너링 능력을 향상시키지만 타이어의 내측의 마모를 촉진시킵니다.

보통 승용차의 전륜에는 + 캠버를 두는데 그 이유는 다음과 같습니다.
* 앞 바퀴가 하중을 받아도 아래로 벌어지는 것을 방지
* 주행할 때 바퀴가 탈출하는 것을 방지
* 킹핀 옵셋을 적게 하여 핸들조작을 가볍게 한다
* 너클이나 스핀들이 휘어지는 것을 방지

일반적으로는 코너링 성능을 좋게 할 때는 - 캠버로 하는 경향이 있습니다. 반대로 포지티브(+) 캠버로 하면 코너링 한계는 떨어지지만 타이어가 드리프트(그립을 잃어 흐르는 상태)때의 컨트롤성을 높인다는 장점이 있습니다.

 

 

서스펜션 튜닝으로 차고가 낮아지면 마이너스 (-) 캠버로 변화합니다. 그러나 맥퍼슨 방식은 원래 캠버 조정이 쉽지 않습니다. 이런 경우 위 그림과 같은 필로볼 어퍼 마운트가 포함되어 있는 일체형 키트를 장착한 경우에는 간단하게 캠버를 조절할 수 있어 편리합니다. 아래 두 개가 앞쪽용인데 가운데 4개의 손잡이를 돌려서 볼의 위치를 조절하여 댐퍼와 연결되는 각도를 변화시켜 캠버를 조절하는 것입니다.

 

 자전거에서와 같이 바퀴앞쪽으로 무게가 쏠리면 플러스(+) 캐스터임

 

왼쪽이 플러스 캐스터 오른쪽이 마이너스 캐스터

 

2. 캐스터

캐스터(Caster)는 바퀴와 차체를 연결하는 부분(킹핀 등)의 연장선과 타이어의 접지점에서 수직으로 올라온 선의 각도를 말합니다.

일반적으로 전륜구동 차량에는 마이너스이거나 아니면 각도가 적고 후륜구동 차량의 경우에는 각도를 많이 주는데 정(+)의 캐스터는 차륜을 앞에서 잡아당기는 효과를 하므로 직진성이 좋고 시미 현상이 감소됩니다.

* shimmy : 너클핀을 중심으로 앞바퀴가 좌우로 회전하는 진동

 

그리고 조향핸들에 가한 힘을 제거하면 조향 차륜을 직진 위치로 복원시키는 효과를 발휘합니다. 하지만 지나치게 각도가 크면 핸들이 무겁고 선회시 내륜측의 차체가 위로 들려 올려 가는 역할을 하여 안정성을 해치게 됩니다.

 

왼쪽같이 바퀴 앞쪽이 좁으면 토우인, 넓으면 토우아웃

 

3. 토우

타이어 편마모와 관련이 큰 토우(Toe)는 좌우 양쪽 타이어의 평행의 정도를 말합니다. 즉 일반적으로 자동차의 타이어는 양쪽이 완전한 평행선을 그리는 것이 아닙니다. 쉽게 인체에 비유하여 말씀드리면 사람이 바로 서있을 때 양쪽 발의 간격을 발가락(Toe)에서 잰 경우와 발꿈치에서 재어본 거리의 차이를 말합니다. 그 결과 발가락 부분이 짧으면 토우인(Toe-in)이라고 합니다. 그 반대의 경우를 토우아웃이라고 합니다.

 

후륜구동인 경우에 토우인을 두는 중요한 이유는 캠버가 플러스이면 바퀴는 밖으로 향하려는 경향이 있습니다. 이를 해소하고자 토우를 인으로 조정하여 밖으로 빠지려는 힘을 상쇄시키는 것입니다. 그 반대로 전륜구동인 경우에는 구동력의 반작용으로 전륜이 바깥쪽에서 안쪽으로 조향되는 경향이 있습니다. 이 경우 토우 아웃으로 조정하는 것이 좋습니다.

 

그리고 토우 인의 경우는 스티어링 조작에 대하여 초기의 반응이 민감하고 토우 아웃 경우는 스티어링을 크게 하였을 때 선회성능이 높다고 합니다.

 

4. 조향축 경사각 (SAI : Steering Axis Inclination)

이를 킹핀 경사각 (KPI : King Pin Inclination) 이라고도 합니다. 그러나 요즘차량에는 실제로 킹핀이 없으므로 킹핀보다는 조향축 경사각이라고 많이 부릅니다. 자동차를 정면에서 보았을 때 조항축 중심선이 노면에 수직인 직선과 만드는 각을 말합니다. 대개 5 ~ 10도 입니다. 조향핸들을 돌렸을 때 차체를 들어올리는 작용을 하므로 자동차의 무게에 의한 직진용 복원력을 발생시키며 조향 차륜의 시미 현상을 방지합니다. 

※ Shimmy(시미) : 스티어링 너클핀을 중심으로 앞바퀴가 좌우로 회전하는 진동

5. 킹핀 옵셋 (스크러브 반경 : Scrub radius)

 조향축 중심선의 연장선이 지면과 만나는 점과 타이어의 중심점과의 거리를 말하며 요즘은 캠버 옵셋 또는 스크러브 반경이라고도 합니다. 이는 조향축 경사각과 캠버에 의하여 결정됩니다. 킹핀 옵셋이 적으면 조향장치에서 각 부품이 받는 부하는 적지만 차륜조향에 필요한 힘, 즉 조향력은 증대됩니다. 승용차의 경우 후륜구동의 경우는 30 ~ 70mm이며 전륜구동인 경우는 10 ~ 35mm 정도가 대부분입니다.

* + 옵셋은 제동시 마찰력이 큰 바퀴가 밖으로 많이 벌어지게 되어 차선을 이탈할 수 있다.
* - 옵셋은 제동시 마찰력이 큰 바퀴가 안으로 더 크게 조향되므로 주행차선을 유지한다.
* 0 옵셋은 제동시는 안정적이나 정차시 조향하려면 큰 힘을 필요로 한다.

 

 

6. IA (Included Angle)

우리말로 협각이라고도 합니다. 이는 조향축 경사각(SAI)와 캠버의 합을 말합니다. 스프링의 작용으로 차고가 낮아지거나 올라가면서 조향축 경사각과 캠버가 변하여도 이들 둘의 합은 항상 일정하여야 한다는 원칙에서 출발합니다. 즉 좌우 IA는 같은데 SAI만 다를 경우는 캠버만 조절하면 저절로 SAI는 동일하게 해결되는 것입니다.

 

따라서 이 수치는 어떤 부품의 이상유무 즉 휘어짐을 판단하는데 중요하게 활용되는 데이타입니다. 사제 캠버 볼트를 사용하거나 불량하거나 망가져 휘어진 쇼바를 장착하는 경우에는 이 값이 틀어지게 됩니다.

 

내륜이 20도일 때 외륜은 18도이므로 회전각은 2도이다.

 

7. 20˚ 회전각

일명 선회시 토우아웃이라고 합니다. 자동차가 선회할 때 좌우 바퀴가 동일한 각도로는 선회할 수가 없습니다. 그래서 좌우 다른 각도로 선회하도록 조향장치가 설계되어 있는데 항상 크게되어 있는 내측 회전각이 20˚일 경우 다른 한쪽과의 각도 차이를 말합니다.

 

너클암이 휘었거나 크로스 멤버의 변형 등에 의하여 회전각이 틀릴 수가 있습니다. 그러면 코너링시 타이어 슬립이 발생하여 소음이 나거나 타이어가 편마모를 하게 됩니다.

8. 휠 셋백 (Wheel set-back)

동일한 차축의 어느 한 바퀴가 다른 바퀴에 비하여 뒤로 밀린 경우를 말합니다. 부품의 휨을 판단하는데 유용한 데이타입니다. 셋백은  캐스터를 변하게 만들어 차가 한쪽으로 쏠리게 만듭니다.

 

9. 쓰러스트 각 (Thrust Angle)

자동차의 전륜과 후륜의 축 중심을 연결한 기하학적인 중심선과 뒷바퀴가 나아가려고 하는 추진선(Thrust Line)이 이루는 각을 말합니다. 이는 운전석 뒷바퀴 토우각에서 반대편 조수석 뒷바퀴의 토우각을 차감한 수치의 1/2 하여 산출합니다.

 

이 지표로 뒷바퀴의 충격 유무와 차축의 밀림이나 앞 멤버의 사이드 슬립 또는 휨 그리고 로워 암의 변형등을 점검할 수 있습니다. 판스프링 차량의 경우에 가끔 나타나는 뒤차축의 셋백 현상도 점검할 수가 있습니다. 이 각도가 크면 차량이 직진중에도 이상하게 모로 가는 현상이 발생하고 주차장에서 똑바로 주차하기가 어려워 지며 가끔 핸들의 센타가 틀어지기도 합니다. 따라서 이 지표는 점차 그 중요성을 인정 받는 추세에 있습니다.

 

위와 같이 좌회전할 때 원심력을 받아 타이어가 곧장 앞으로 가지 못하고 오른쪽(붉은색) 방향으로 밀려서 진행하게 된다.

 

10. 사이드 슬립각 (Side slip angle)

그냥 슬립각(Slip angle)이라고도 하는데 이는 주행중인 자동차가 원심력 또는 강한 바람 등에 의하여 측방향으로부터 힘을 받으면 타이어의 접지면에서 측력이 발생하여 기존의 진행방향에서 슬립각만큼 밀려나서 주행할 때 그 밀린 각도를 말합니다.

 

전후륜의 슬립각이 동일하면 뉴트럴 스티어 (neutral steer)가 되고 전륜의 슬립각이 클 경우에는 언더 스티어가 되며 후륜의 슬립각이 클 경우에는 오버 스티어가 됩니다.

 

슬립각은 하중과 타이어의 종류, 공기압 등 여러가지 상황에 따라서 크기가 달라지는데 여기에 대하여는 아래 오버 스티어와 언더 스티어에 대한 게시물을 참조하시기 바랍니다.

 

그러나 자동차 정기검사에서 행하는 사이드 슬립 테스트는 횡력에 의한 밀림을 측정하는 것이 아니라 한정된 공간에서 규정치를 과다하게 벗어난 휠 얼라인먼트나 타이어의 편마모 등을 검사하는 것입니다. 여기에 영향을 주는 얼라인먼트 요소로는 좌우 편차가 심한 토우와 캠버가 있으며 그외 조향이나 서스계통이 부품들의 유격이나 타이어의 편마모를 들 수 있겠습니다. 

 

최근에는 훨 얼라인먼트도 운전자의 운전 스타일이나 차량의 특성에 맞추어 규정치를 벗어난 범위까지 튜닝을 하는 추세이며 심지어는 유럽의 신차들은 처음부터 규정된 사이드 슬립량을 벗어난 경우도 있어서 이 사이드 슬립 테스트는 더이상 이상유무 점검 지표로서는 그 역할을 점차 잃어 간다고 할 수 있습니다.  

 

참고자료 : Suspension Tuning 野崎博路, 자동차새시 김재휘저 중원사, 유영봉의 휠얼라인먼트 골든벨 외