글을 시작하기 앞서 제가 알고있는 미천한 지식들을 최대한 이해하기 쉽게 작성하려고 노력하였으나 저의 능력이 부족하여 말이 이상하거나 억지스러운 표현이 있을 수도 있습니다. 이해가 안가시는 부분은 댓글로 남겨주시면 최대한 후속지원해보도록 하겠습니다.
어제, 오늘 이틀동안 엄청나게 눈이와서 클리앙에 눈길주행 관련 된 내용의 글이 마구 쏟아졌지요 하루종일 월급루팡하며 클리앙 하다보니 거의다 본.. 이 중 몇몇 글과 댓글에서 논쟁(?)이 있는 것 같아 굴러간당을 통해 제가 아는 내용을 정리하여 풀어보도록 해보겠습니다.
자동차에서 타이어 만큼 안전과 직결된 부품은 없습니다. 경차든 슈퍼카든 결국 노면(땅)과 맞닿아 있는 부품은 타이어 밖에 없기 때문이죠. 운전자가 가속/제동/조향 입력을 하는 순간 자동차는 타이어를 통해서 노면과의 마찰력을 이용하여 운전자가 원하는 움직임을 일으키게 됩니다.
제가 오늘 이곳을 통해 말씀드리고자 하는 주된 내용은 결국 마찰력입니다.
마찰력을 말씀드리기 전에 이해를 돕기 위해 몇가지 설명이 필요한데요, 먼저 수직항력 이라는 녀석이 있습니다. 수직항력은 타이어에 걸리는 중력방향의 힘으로 예를 들어 앞, 뒤 무게 배분이 5:5인 1000kg 짜리 (정지해 있는)자동차는 각 타이어가 250kg의 수직항력을 받고 있다고 생각하시면 됩니다. 다만 자동차는 주행을 하기 때문에 운전 상황에 따라서 각 타이어에 걸리는 수직하중의 크기가 끊임없이 변합니다.
그리고 마찰계수라는 녀석이 있는데 이것은 두개의 물질 사이에 발생하는 저항의 크기를 시험을 통해 계수로 표현한 것으로 일반적인 타이어의 경우 마른노면(아스팔트) 일 때 0.8~0.9 사이의 마찰계수를 갖습니다. 눈길에선 이 마찰계수가 엄청나게 낮아지고, 이 마찰계수를 개선한 것이 윈터 타이어라고 생각하시면 됩니다.
다시 마찰력으로 돌아와서, 마찰력의 수학적인 공식은 F=μN 으로 마찰계수μ 와 수직항력N과 직접적인 관련이 있습니다.
마찰력은 접지력 혹은 트랙션(Traction) 이라고도 하며, 우리는 결국 이 마찰력으로부터 얼마나 빠르게 가속하고, 짧은 거리를 제동하며, 빠른 속도로 선회 할 수 있는지 결정 됩니다.
아래 그림은 임의의 타이어의 성능을 나타낸 그래프로 타이어에 가해지는 입력(수직하중)이 어떻게 출력(마찰력)으로 변화하는지를 보여드리고자 나타낸 그림 입니다.
이 그래프에서 가장 중요한 점은 수직하중의 크기가 증가 할수록 마찰력의 증가량이 점점 줄어든 다는 점 입니다.
타이어는 종류마다 성능 곡선의 형상이 모두 다르지만 이 중요한 특성은 동일하게 갖습니다.
이러한 상대적인 마찰력 손실을 타이어의 선회효율(Cornering Efficiency)의 손실이라고 합니다.
이 타이어성능 곡선을 표로 다시 표현하면 아래와 같습니다.
수직하중과 선회 효율의 관계 |
||||
수직하중 |
마찰력 |
마찰력/수직하중 |
비율 |
선회 효율 |
500 |
700 |
700/500 |
1.4 |
140% |
1000 |
1000 |
1000/1000 |
1.0 |
100% |
1500 |
1250 |
1250/1500 |
0.83 |
83% |
2000 |
1500 |
1500/2000 |
0.75 |
75% |
여기서 선회효율이 140%면 이 차량은 코너를 1.4g의 가속도로 선회할 수 있다는 의미이고, 선회 효율이 75%면 0.75g의 횡가속도만 발생시킬 수 있다는 의미 입니다.
결국 수직하중이 낮을수록 선회효율이 매우 높고 이를 통해 가벼운 차 일수록 코너링에서 매우 유리하다는 것을 알 수 있습니다.
(그래서 레이스카와 슈퍼카들이 차량의 경량화를 위해 엄청난 노력을 기울이는 것이지요)
타이어의 마찰에 대해서 조금 더 나아가보면 마찰원(Circle of Traction)이라는 개념이 있습니다.
임의의 순간에 타이어 마찰력의 총합이 일정한 원(범위) 안의 값을 갖는다는 기본 컨셉으로 아래와 같이 표현 합니다.
만약 풀브래이킹(바퀴가 Lock이 걸리지 않는 범위에서 제동력이 최대인 상태)을 마찰원으로 표현하면 아래와 같습니다.
ABS가 없는 차량이 위험한 이유가 여기에 있습니다. ABS가 없게 되면 위와 같이 풀브래이킹 상황에서 조향을 하더라도 이미 타이어의 마찰이 100% 쓰이고 있기 때문에 조향이 먹지를 않습니다.
가끔 어떤 분들이 ABS가 차가 더 빠르게 멈추기 위해 있는 장치라고 알고 계신분들이 있는데
ABS는 제동상황에서도 차량의 조향입력이 가능하게끔 해서 사고를 회피할 수 있도록 도와주는 장치 입니다. ABS가 작동하면 '드드드드' 하는 느낌을 받아보신 적 있으시죠? 브래이크를 아주 빠르게 잡았다/풀었다를 반복하면서 바퀴가 완전히 잠기는 것을 막아 조향이 가능하게끔 해주는 것 입니다. 마찰원 개념으로 보면 제동 100%를 잠깐씩 풀어주는 것이지요
마지막 예로, 아주 빠른 속도로 오른쪽 코너에 진입했다고 가정해보죠.
이 상태에서 코너를 더 빨리 탈출하기 위해 가속패달을 밟게되면 마찰원 범위를 벗어나게 되겠죠?
그러면 이때 언더스티어 또는 오버스티어가 발생하게 됩니다.
마지막으로 사실 이 말씀을 드리기 위해 이 글을 쓰기 시작했습니다.
어제 눈이 엄청나게 온 뒤로 클리앙 내에 자꾸 4WD, AWD를 언급하시는 분들이 계시는데
심정적으로 이해가 안가는 것은 아닙니다. 구동력 입장에서 보면 분명 2WD는 2개의 바퀴만 가속을 할 수 있는데 4개의 바퀴가 구동을 하게 되면 분명 도움 되는 것은 맞습니다. 다만 제동력은 2WD건 4WD건 완전히 동일 합니다. 우리가 멈춰있는데 사고나는 경우는 없잖아요?(누가 와서 박지 않는 이상) 사고의 99%는 나 또는 상대방이 제대로 멈추지 못해서 사고가 납니다. 그러므로 우리는 위에서 배웠듯이 잘 멈추기 위해 4WD/AWD를 신경 쓸 것이 아니고 마찰력 그 자체를 높일 수 있는 타이어에 신경써야 한다는 것입니다.
글 이 길어지다 보니 힘들어서 황급히 이 글을 마칩니다.
새해 복 많이 받으시고, 온 가족이 코로나를 피해다니시길 기원하며, 운전하시는 도로 위 주변에 항상 카레이서만 있어서 사고날 일 없으시길 기원합니다. ^^*
브레이킹은 2륜 이든 4륜이든 같습니다.
눈길에 4륜 등판력 믿고 가다가는 큰코 다칩니다.
4륜 윈터가 좋더고들 하지만, 멈추는건 같은 윈터면 다 같습니다,
/Vollago
Circle of Traction을 보니 자동차 클러스터뷰에 보이는 뷰가 생각나네요.
요전에 급커브 틀었더니 차가 살짝 스핀하면서 전자장비가 개입하길래 어느정도에서 미끌어졌나보니 횡G가 0.83인가 0.86인가 그랬거든요.
눈으로 숫자 확인 안하고 적정량의 G가 걸리면 트랙션 경고음 울리는 시스템이 있으면 좋겠네요.
차는 타이어 마찰력 한계 내에서 속도 변화->가속도를 내서 가고 서고 돌고 있는 것이죠
이 글에서 설명된 두가지 요소는 자동차의 성능을 이해하는데 아주 중요한 기반 지식입니다.
감사합니다!
AWD는 구동하는 바퀴가 2WD의 2배이므로, 5:5시스템을 가정하면, 가속에 쓰이는 트랙션이 2WD의 절반.
따라서 좌/우의 트랙션이 그 '절반'만큼 여유가 있단 이야기..아닌가요? ^^
복잡하니깐 그런거 다 무시하면 말씀하신게 맞습니다. 단, '구동력' 조건에서만 그렇습니다. ^^
본문글의 일부는 카라이프라는 곳이 출처가 맞는지요?
타이어에 대해 잘 몰라서 여쭤봅니다
수직하중에 따라 마찰계수값이 왜 어떻게 바뀌는지에 대한 설명은 없는것 같아서 제대로 이해되지는 않는데 이부분에 대한 설명도 있으면 좋을것 같습니다
맨위에 차량 사진 빼고는 엑셀이랑 파워포인트로 다 제가 만든 것이구요
올려주신 내용을 보니 제가 배운 교재랑 동일하네요 아마 카라이프 기자님도 해당 교재로 공부하고 글 쓰셨겠죠
수직하중에 따라 마찰계수가 바뀌는게 아니고 마찰계수는 (일정한 노면일때)고정의 값이구요 수직항력 변화에 따라 마찰력이 바뀝니다.
본문 천천히 다시 읽어보시면 제가 아래처럼 적어놨어요~~
마찰력의 수학적인 공식은 F=μN 으로 마찰계수μ 와 수직항력N과 직접적인 관련이 있습니다.
그래프가 한번 꺽인것 같은데 그러면 마찰계수 뮤 가 바뀐게 아닌가 싶어서요
근데 F=μN 인데 F와 N이 선형이 아니라는건 뮤가 고정값이 아니라는거 아닌가요?
댓글 쓰신것 중에
"수직하중에 따라 마찰계수가 바뀌는게 아니고 마찰계수는 (일정한 노면일때)고정의 값이구요 수직항력 변화에 따라 마찰력이 바뀝니다."
가 이해가 잘 안됩니다 ㅜㅠ
역학 전공자인데.. 유체역학이라..
노면이 일정하면 마찰계수가 상수인데,
왜 F와 N이 선형이 아닐까요. 뮤는 N에 대한 변수여야 한거 같아서요.
(논외로 F는 N이 일정해도 슬립앵글에 따라서 달라지니 뮤가 슬립앵글에 따라 달라진다고 봐야될꺼 같다는 생각이 듭니다.)
말씀해주신 내용은 잘 이해하고 있습니다.
핵심내용은 수직항력이 선형증가하더라도 마찰력은 비선형 증가한다는 겁니다. 그래서 수직항력이 증가할 수록 선회효율이 떨어지는 거구요. 즉, 선회효율은 수직항력과 마찰력의 비를 수치화 한 것 뿐이에요
이맛클이네요 ^^
http://racingcardynamics.com/wp-content/uploads/2014/10/Post1.1Figure5.jpg
정확한 수치야 타이어 마다 다르겠지만
기본적으로 어느정도 슬립이 있을때 최대 마찰력이 나옵니다.