타이어의 동적 특성에 대한 이해 1.-슬립앵글, 코너링 포스, 얼라이닝 토크 등

자동차의 타이어는 기본적으로 자동차의 무게를 지탱해 주는 역할뿐 아니라 자동차를 가속하거나 감속할 때, 그리고 코너를 선회할 때(Cornering) 자동차의 제어와 안전에 가장 중요한 역할을 담당하게 됩니다. 따라서 운전을 하시는 여러분들은 여러 조건의 주행 중 타이어의 동적 특성(Tire Dynamic Properties)을 이해하시는 것이 필요합니다. 따라서 오늘은 타이어의 동적 특성 및 원리 그리고 이에 따른 여러 특성 값들에 대하여 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

자동차 승차감에 영향을 미치는 서스펜션 특성값-Ride Frequency, Wheel Rate, Tire Rate 등에 대하여

코너링 포스 메커니즘 (Cornering Force Mechanism)

굽은 도로에서 자동차가 도로를 따라 선회하기 위해 운전자가 스티어링 휠을 돌리거나 횡풍이 자동차에 직접 작용할 때 아래 그림과 같이 타이어와 도로의 지면이 접촉하는 지점에서 횡력(Lateral Force)이 발생하게 됩니다. 이는 타이어의 내부응력(Internal Stress)과 변형(Distortion)의 결과로 발생하게 됩니다.

자동차 승차감(Ride)을 결정하는 요소 및 관련 시스템에 대하여

슬립 앵글 (Slip Angle)

아래 그림은 자동차가 선회 시 또는 횡풍의 영향을 받을 때 회전하는 타이어와 지면의 접촉면에서 이러한 횡력들이 발생되는 메커니즘의 원리를 설명해 주는 예입니다. 아래 그림과 같이 자동차가 선회 시 회전하는 타이어와 지면의 접촉면은 탄성 변형을 하게 되며 변형된 접촉면에 의해 자동차는 타이어가 향하는 방향과 다른, 일정 각도만큼 변화된 방향으로 실제 주행을 하게 됩니다. 우리는 이각도를 슬립 앵글(Slip Angle)이라고 부르며, 이는 타이어의 동적 특성에 중요한 역할을 하게 됩니다.

자동차 승차감에 영향을 미치는 서스펜션 특성값-Ride Frequency, Wheel Rate, Tire Rate 등에 대하여

자동차가 선회 시 회전하는 타이어의 접촉면에서 발생하는 횡력에 의한 슬립앵글

얼라이닝 토크 (Aligning Torque)

아래 그림의 그래프는 슬립앵글 3도일 때 타이어와 지면의 접촉면에 대한 횡력의 크기 또는 분포를 실험적으로 나타내는 그래프로써 이 그래프의 총면적은 타이어에 의해 발생한 전체 횡력(Total Lateral Force)으로 최대 피크 중심은 타이어와 지면의 접촉 중심에서 약간 뒤쪽에 위치하고 있음을 보여주고 있습니다. 이로 인해 타이어와 지면의 접촉 중심을 기준으로 모멘트가 발생하게 되는데 이것을 얼라이닝 토크(Aligning Torque)라 합니다. 이러한 얼라이닝 토크의 발생은 운전자가 타이어에 작용하고 있는 방향의 변화를 느낄 수 있도록 하는 유용한 신호가 될 수 있습니다.

자동차 승차감(Ride)을 결정하는 요소 및 관련 시스템에 대하여

코너링 포스 (Cornering Force)

앞서 설명드렸던 내용을 정리해 보면 아래 그림에서 볼 수 있듯이 타이어의 실제 진행방향과 수직 한 방향으로의 코너링 포스(Cornering Force)를 정의할 수 있습니다.

또한 진행방향의 반대 방향으로 드래그 포스(Drag Force)가 발생하게 되는데, 이는 자동차가 선회할 때 힘의 소비를 증가시키는 주된 요인이 됩니다.

자동차 승차감에 영향을 미치는 서스펜션 특성값-Ride Frequency, Wheel Rate, Tire Rate 등에 대하여

또한 얼라이닝 토크(Aligning Torque)를 발생시키는 최대 횡력의 작용하는 지점과 타이어 중심과의 거리인 뉴메틱 트레일(Pneumatic Trail)을 위의 그림을 통해 확인할 수 있습니다.

따라서 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

Cornering Force CF = Y cos∮
Drag Force DF = Y sin∮
Aligning Torque AT = Y e

여기서 참고적으로 큰 슬립 앵글(Slip Angle)의 타이어 한계상황은 일반적인 상황에서는 발생하기 쉽지 않기 때문에 cos∮는 1에 가깝게 되며, 따라서 보통 일반적으로 코너링 포스(Cornering Force)와 횡력(Lateral Force)은 혼용해서 사용하게 됩니다.

타이어의 마찰 한계

아래 그림에서는 슬립 앵글에 따른 코너링 포스가 증가함을 볼 수 있고, 슬립앵글이 증가하여 한계에 도달할수록 코너링 포스의 최대 피크 점은 타이어 중심에 가까워지고 있는 것을 볼 수 있습니다. 또한 이로 인해 얼라이닝 토크가 감소하면서 타이어 접촉면이 필요한 마찰력을 발생할 수 없기 때문에 타이어가 미끄러지는 슬립이 발생하게 됩니다.

자동차 승차감(Ride)을 결정하는 요소 및 관련 시스템에 대하여

이를 보여주는 것이 운전자의 스티어 입력 (Aligning Torque)과 그에 따른 출력 코너링 포스(Cornering Force)를 나타내는 아래의 그래프입니다. 또한 아래 그림에는 코너링 포스가 타이어의 미끌림, 즉 슬립에 의해 제한되는 마찰 한계 라인도 표시되어 있습니다. 또한 흥미로운 것은 3가지 구간 범위로 구분이 되는데 O-A 구간은 일반 운전자, A-B 구간은 스포츠카 애호가, B-C 구간은 레이스 드라이버가 활용할 수 있는 구간으로 구분되고 있습니다.

자동차 승차감에 영향을 미치는 서스펜션 특성값-Ride Frequency, Wheel Rate, Tire Rate 등에 대하여

마무리

자동차 승차감(Ride)을 결정하는 요소 및 관련 시스템에 대하여

지금까지 자동차 타이어의 동적 특성을 이해하기 위한 슬립 앵글, 얼라이닝 토크, 코너링 포스, 타이어의 마찰 한계 등에 대해서 알아보았습니다. 앞서도 말씀드렸지만 타이어의 동적 특성을 이해하는 것은 자동차의 속도 또는 코너링을 즐기시는 분들에게는 매우 중요하다고 생각하며 그런 분들의 운전에 조금이라도 도움이 되었으면 합니다. 오늘 설명드린 이외에도 캠버 스러스트 메커니즘, 타이어의 비선형 특성 등에 관하여서는 다음 시간에 이어서 설명을 드리겠습니다.