자동차, 현가 시스템(Suspension)의 휠 얼라인먼트 (Wheel Alignment) (Part.2)

현가 시스템의 휠 얼라인먼트란?

 현가 시스템의 휠 얼라인먼트는 현가장치에 구성된 장치들의 구성에 따라 결정됩니다. 그 장치들은 보통 서스펜션의 암(Arm)과 링크(Link)입니다. 이것들이 현가 시스템의 지오메트리를 구성하고, 구성에 따라 위치관계를 휠 얼라인먼트라고 부릅니다. 아주 많고 다양한 역할들을 가진 요소들이 있기에 서로 유기적으로 관계를 맺어 자동차를 운전하는 데 있어 장점을 부각합니다. 하지만, 몇몇 요소들은 서로 반대되는 특성을 가져 한쪽이 좋은 장점을 가지면 다른 쪽은 단점이 부각되기도 합니다.

 

 이 글에서는 현가 시스템의 휠 얼라인먼트의 구성요소의 특징에 대해서 말씀드리겠습니다.

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*Roll Center: 코너링 시 이 중심에 따라 차체가 기울어집니다.

양쪽 서스펜션 암의 연장선의 겹치는 점과 타이어 아래 중심 부분에 선을 그어 겹치는 점을 Roll Center로 정합니다.

휠 얼라인먼트의 대표적인 구성과 역할

 현가 시스템 휠 얼라인먼트에는 위의 사진과 같은 다양한 구성요소가 있습니다. 캠버각 (Camber-angle), 킹핀각 (Kingpin-angle), 토각 (Toe-angle), 캐스터각 (Caster-angle) 등이 있고 이것에 따라 여러 가지 부가요소가 정해지기도 합니다. 그렇다면 구성요소의 의미와 차량에 미치는 영향을 알아보면서 함께 부가요소도 알아보겠습니다.

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캠버각 (Camber-angle)

 캠버는 차량을 앞에서 보았을 때 바닥면과 수직인 선과 타이어의 중심선 사이의 각을 뜻합니다. 타이어의 위쪽이 밖으로 기울어진 것이 Positive Camber, 타이어의 아래쪽이 밖으로 기울어진 것이 Negative Camber입니다. 보통은 타이어가 지면에 수직으로 서있어 Zero Camber를 유지하는 것이 가장 이상적이지만 차량의 무게나 코너링 시 Conering Force발생으로 인해 차체가 원심력을 받아 기울어지면서 캠버각이 틀어지기도 합니다. 

 

 Positive Camber는 오프로드에서의 안정성에 유리하고, Negative Camber는 보통 조향성에 유리합니다. 코너링 시 차량이 기울어진 현상에 따라 외륜의 캠버각은 Positve 쪽으로 넘어갑니다. 그렇기 때문에 미리 세팅돼 있는 Negative Camber특성의 차량은 코너링 시 적절한 접지면적을 유지하여 안정적인 코너링을 하게끔 도와줍니다. Positive Camber의 경우에는 불특정 한 도로의 노면에서 뛰어난 직진 안정성을 보여줍니다. 그렇기에 트럭 같은 차량에 많이 적용되기도 합니다. 또, 시간에 따라 서스펜션이 내려와 Negative Camber 쪽으로 가는데, 이때 미리 세팅된 있는 Positve Camber의 특성이 이를 보상하여 타이어의 접지면적을 충분히 유지할 수 있게 합니다.

 

 캠버 스러스트는 (Camber Trust)는 타이어를 기울였을 때, 접지면에서 횡력을 받아 기울인 쪽으로 굴러가는데 이러한 현상 혹은 힘을 뜻한다. 이러한 캠버스러스트는 타이어가 편마모 되는 현상을 일으키며, 이것을 해결하기 위해 뒤에 설명할 토인(Toe-in)을 적용하여 캠버스러스트를 최소화합니다. 예를 들어, 자동차가 외부환경으로 인하여 직진 중 오른쪽 혹은 왼쪽으로 살짝 기울어졌을 때, 토인으로 인해 순간적인 코너링 포스를 발생시켜 자동차가 안정적으로 주행할 수 있게 합니다.

 

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토각 (Toe-angle) 

 토각 (Toe-angel)은 차량을 위에서 봤을 때, 타이어가 수직일 때 중심선을 기준으로 타이어의 앞부분이 차량 쪽으로 들어가 있으면 토인(Toe-in), 타이어의 앞부분이 차량 바깥 방향을 바라보면 토아웃(Toe-out)이라고 합니다.  토각은 차량의 진행방향의 특성과 안정성을 결정하는 중요한 요소입니다. 

 

 주행성 측면에서 Toe-in이 적당하면 직진성에 좋지만, 과하다면 저항이 커져 연비가 나빠지고, Toe-out이 적당하면 조향성 반응이 증가하지만, 과다하다면 불안한 직진성을 가집니다. 조향성 면에서는 전륜의 경우 차량의 타이어가 Bump시 Toe-in이 유리하며, Rebound의 경우 Toe-out을 유도하면 핸들링의 성능을 좋게 할 수 있습니다. 후륜의 경우에는 이런 변화를 적게 하여 안정성을 확보하는 것이 좋습니다.

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킹핀각 (Kingpin-angle)

 킹핀(Kingpin)은 앞바퀴의 방향을 바꾸는 너클 혹은 업라이트라고 불리는 곳이 회전축으로 설치되어 있습니다. 그리고 이것이 지상과 수직선과 이루는 각도가 킹핀각(Kingpin-angle)이라고 합니다. 그리고 자동차를 정면에서 보았을 때 킹핀 축 중앙 연장선과 타이어 중심선의 연장선이 노면에서 만날 때 두 점 사이에 거리가 생깁니다. 이 길이를 킹핀 오프셋(Kingpin-offset) 혹은 스크럽반경(Scrub radius)라고 합니다. 

 

 킹핀각은 보통 수직이 아니고 차량 쪽으로 기울인 각을 가지고 있는데, 이는 자동차가 정지한 상태에서 핸들을 회전하기 위해 킹핀 중심축을 회전하기 위해서 수직으로 있는 킹핀각은 유리하지 않기 때문입니다. 이는 킹핀 오프셋을 짧게 하는 것과 관련이 있습니다. 킹핀 오프셋을 짧게 하여 타이어를 비트는 데 힘을 적게 하여 손쉽게 진행방향을 바꿀 수 있습니다. 

 

 킹핀 오프셋은 제동과도 관련이 있습니다. 킹핀 오프셋이 너무 길다면 타이어가 회전하는 축인 킹핀 축을 중심으로 힘을 받기 제동력을 감당하기 때문에 킹핀 오프셋이 길어지면 좌우 제동력이 노면 상황 및 차량상태에 따라 다르게 작용할 경우 핸들이 돌아가 사고를 일으킬 수 있습니다.

 

 관련하여 킹핀축의 연장선이 타이어의 중심 연장선을 넘어 Negative Scurb의 특성을 띈 자동차도 있는데, 차량이 좌우가 눈이나 물로 인하여 노면 마찰력이 다른 상황에서 제동을 할 때, 차량을 안쪽방향으로 가게 하여 안정적인 제동과 직진성을 부여하기도 합니다.

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캐스터각 (Caster-angle)

 캐스터각(Caster-angle)은 자동차를 옆에서 보았을 때 지면과의 수직선과 킹핀의 중심선이 이루는 가을 말합니다. 캐스터각이 차량 쪽으로 향해있는 부분이 대부분이고 이 것을 Positive Camber라고 합니다. 그리고 킹핀의 중심선이 지면과 만나점과 수직선이 만나는 점 사이의 거리를 트레일(Trail)이라고 합니다.

 

 캐스터 각이 수직으로 있지 않고, 기울어져 있는 이유는 노면 저항을 줄이기 위함입니다. 킹핀을 노면에 수직으로 설치하여, 캐스터각이 수직이라면 타이어의 구름저항으로 인한 차량에 무리가 있을 수 있기 때문입니다. 그리고 조향과 직진을 함에 있어 캐스터각이 있는 것은 큰 도움이 됩니다. 트레일이 있는 바퀴는 타이어의 구름저항을 받는 점은 킹핀 중심선이 노면에 닿는 점보다 뒤에 있기 때문에 마찰력이 작용하는 방향이 바퀴가 회전한 반대 방향에 힘이 발생하여 바퀴를 자동적으로 복원하는 힘이 생십니다. 이것은 우리가 운전할 때 스티어링 휠을 조작하고 가만히 있을 때 바퀴가 원래대로 돌아와 직진성을 띄는 현상의 이유입니다.

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 이렇게 현가 시스템에서 대표적인 휠 얼라인먼트 구성요소와 부가요소에 대해서 알아보았습니다. 차량의 거동을 결정하고 올바른 방향으로 움직이게 하기 때문에 매우 중요한 요소들입니다. 필자가 쓴 글 이외에도 양질의 글들과 책이 있으니 참고하시어 올바른 지식을 얻길 바랍니다.

 

감사합니다.