이번 포스팅은 자동차가 코너를 돌 때 타이어에 작용하는 코너링포스에 대한 내용 입니다.
코너링시 타이어 그립에 대한 이해를 돕기 위한 설명으로
튜닝이나 트랙주행 또는 두부배달을 좋아하시는 분들께 도움이 되리라 생각됩니다.
모터스포츠를 보면, F1을 예로 들어보겠습니다.
자동차에 달려있는 온갖 요소들로 인해 엄청난 양의 다운포스를 만들어내는데요
원래 차량 무게에 이런 다운포스가 더해짐으로써 타이어의 그립을 더욱 높이는 효과를 가져옵니다.
이같이 하중에 따른 타이어그립을 보면,
가벼운 스포츠쿠페 보다
무거운 중,대형 스포츠세단이 타이어를 누르는 하중이 더 높기 때문에,
타이어 그립이 더 높음에도 불구하고 왜 코너링 한계가 더 낮을까 하는 궁금점이 들게 됩니다.
(당연한 얘기지만 같은 종류의 타이어를 사용한다고 가정하겠습니다.)
물론 무게가 많이 나가는 만큼 횡으로 받는 힘이 많아지고
무게중심도 높은 등의 다양한 요인들도 있지만
이처럼 무거운 스포츠세단의 코너링 한계가 더 낮은 이유를 타이어 측면에서 찾아본다면
타이어의 그립이 하중에 비례해서 증가하지 않기 때문이라고 볼 수 있습니다.
즉, 다시말하면 가벼운 스포츠쿠페보다 무거워진 중량만큼 타이어 그립이 충분히 증가하지 못하기 때문인 것이죠.
타이어의 그립을 결정하는 요소는 많습니다.
타이어의 재질과 트레드패턴, 하중, 타이어 공기압 그리고 이들에 따른 컨택트 패치의 넓이, 노면의 거친 정도 등등 여러가지가 복잡하게 얽혀있습니다.
워낙 다양한 요소가 연관되어 있어서 실제로는 매우 복잡하지만
이번 포스팅에서는 대부분 조건이 일정하다고 가정했을 때
코너링시 타이어 마찰특성이 어떠한 요소에 의해 달라지는 지를 다뤄보도록 하겠습니다.
평지에 있는 물체의 마찰력을 보면
마찰력 = 마찰계수 X 무게
입니다.
즉 마찰계수나 무게가 증가하게 되면 마찰력이 증가하게 되죠.
하지만 타이어의 마찰력은 이렇게 간단하게 결정되지 않습니다.
힘을 받으면 변형되는 재질 특성상 마찰력을 결정하는 마찰계수가 일정하지 않고 계속해서 변하기 때문입니다.
코너링시 타이어의 마찰계수는 Slip Angle과 하중의 크기에 따라 달라집니다.
따라서 앞서 언급했듯이 타이어 그립이 하중에 비례하지 않게 되는 것이죠.
타이어 Slip Angle은 지난번 “언더스티어 및 오버스티어에 대한 이해 “포스팅에서 언급했던 내용인데요
외부의 힘을 받으면 변형되는 타이어 특성상 휠이 굴러가는 방향과 실제 자동차가 향하고 있는 방향 사이에 각도가 생기게 되는데 이 각도를 Slip Angle 이라고 합니다.
이 Slip Angle이 커지면 타이어의 마찰계수(Coefficient Of Friciton)가 증가하게 됩니다.
Slip Angle과 코너링 포스의 관계를 보면 서로 상호작용하는 관계라고 볼 수 있는데요,
코너링 포스가 발생해서 Slip Angle이 생기게 되고, Slip Angle이 생김으로써 코너링 포스가 발생하게 됩니다.
하지만 Slip Angle이 계속 커진다고 해서 마찰계수가 계속 증가하는 것은 아닙니다.
특정 Slip Angle에서 마찰계수값은 최대값을 찍고 다시 내려오게 되죠.
따라서 Slip Angle과 코너링포스의 그래프를 살펴보면
마찰계수와 같이 특정 각도에서 최대치를 찍고 다시 내려오는 것을 볼 수 있습니다.
하중증가에 따른 타이어 마찰계수 특성은 Slip Angle과는 다릅니다.
하중이 높아지면 높아질수록 마찰계수가 점점 낮아지는 특성을 갖죠.
하지만 그렇다고 해서 하중이 높아질수록 마찰력, 즉 코너링 포스가 줄어드는 것은 아닙니다.
마찰력 = 마찰계수 X 무게
이므로 마찰계수값이 낮아진다 하더라도 무게(하중)이 증가하기 때문에
하중이 증가하게 되면 코너링 포스도 같이 증가하게 되죠.
하지만 그래프를 통해 알 수 있다시피 증가폭은 점점 줄어들게 됩니다.
이같이 하중에 따른 타이어의 특성을 Tire Load Sensitivity 라고 합니다.
위의 그래프는 앞서 언급한 두가지 요인,
Slip Angle과 하중에 따라 코너링 포스가 어떻게 달라지는 것을 나타낸 것입니다.
보시면 타이어에 400파운드의 하중이 걸릴 경우 최대 코너링 포스가 작용했을 때 1g의 횡가속도를 견디지만
1000파운드의 하중이 걸릴 경우 Slip Angle이 변화하여 최대 코너링 포스가 작용한다 하더라도
0.8g의 횡가속도 밖에 견디지 못한다는 것을 알 수 있습니다.
다시말해서 포스팅 초반부에 언급했던것처럼 무거운 차가 가벼운차보다 코너링 한계가 낮은 이유가
이같이 타이어의 그립이 그 무게만큼 충분히 증가하지 않기 때문이라는 것을 알 수 있는 것이죠.
실제로는 이처럼 간단하지 않고 Slip Angle 값이 변화하면 하중이동량도 같이 변하기 때문에 더 복잡합니다.
따라서 간단히 이해하기 위한 내용 정도로 생각하시면 될 것 같습니다.
이같은 하중에 따른 타이어의 마찰특성을 이해하면 하중이동을 최소화 것이 왜 중요한지를 알 수 있습니다.
코너링 시 좌/우/앞/뒤 타이어 중 한쪽의 타이어에 하중이 많이 가해지는 것보다는
좌/우/앞/뒤 타이어에 최대한 고르게 분배될 수 있도록 해야 코너링 한계가 높아지는 것이죠.
혹시 헷갈리시는 분이 있을까봐 말씀드리자면 지난 포스팅과 이번 포스팅에서 말하는 “하중이동”은
“운전 잘하는 것”과는 관계없는 자동차 구조 또는 튜닝과 관계된 자동차 자체의 하중이동 특성을 말하는 것입니다.
프로 두부배달러가 운전하더라도 같은 횡가속도에서 걸리는 코너링 포스는 일정하기 때문입니다.
운전을 잘하면 하중이동을 부드럽게 조절하여 안정적으로 빠르게 코너링을 할 뿐
그 차가 갖고 있는 물리적 한계를 넘을 수는 없습니다.
하지만 설계가 변경되어 하중이동량을 줄게 만들면 덜 부드럽게 운전해도 더 높은 g의 코너링을 할 수 있죠
지난번 하중이동 포스팅에 이어 코너링시 타이어의 마찰 특성에 대해 알아보았는데요,
내용을 잘 알아두시면 코너링에 대해 이해하거나 튜닝을 하는데 도움이 되시리라 생각됩니다.
이정도로 포스팅을 마무리 하면서
겨울철 안전하고 즐거운 자동차 라이프 되시길 바랍니다.
출처
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