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자동차가 어떻게 회전하는지 이해하기 위해서는, 먼저 전륜 서스펜션의 구조를 알 필요가 있음.
일반적으로 중형차까지는 전륜에 위와 같은 구조의 [맥퍼슨 스트럿]이 사용되고,
대형차, 스포츠카로 갈수록 전륜에 [더블 위시본]과 [멀티링크]가 적용됨.
위의 사진 2장에서는 (너클에 붙어있는) 킹핀 축을 기준으로 앞바퀴 각도가 변한다는 것을 알면 됨.
- 맥퍼슨 스트럿 적용 차량
* 아반떼/쏘나타/그랜저
* G70, 3시리즈, i4
* 아이오닉5/6, EV6
- 더블 위시본 적용 차량
* 911 GT3, 파나메라, 타이칸
* GV80, 5시리즈, i5
* 모델3/Y, 사이버트럭
- 전륜 멀티링크 적용 차량
* G80/90, S클래스
* 모델S/X, EQE/EQS
더블 위시본 사진에서 유의깊게 볼 점은, 맥퍼슨 스트럿에 비해 구조가 복잡하여 전륜 서스펜션 공간을 많이 차지하고, 사륜구동으로 만들기 어렵거나 전륜 조향각이 제한됨.
그리고 '로어 암'과 '어퍼암' 사이에 있는 <너클>, 너클에 달린 <허브 캐리어(볼트)>의 길이에 주목하자.
저 허브캐리어의 두께가 있기 때문에 앞바퀴를 조향할 경우 회전 축과 실제 바퀴의 중심이 어긋나게 되고, 해당 길이만큼(정확히는 킹핀 각도와 타이어 접촉면을 고려한) [스크럽 반경]이라는 편차가 발생하게 됨.
'스크럽 반경'이 존재하기때문에 조향 시 핸들이 무겁게 느껴진다던가, 직진 시 앞바퀴 복원력이 강해지기도 함. 따라서 휠 옵셋 변경, 허브스페이서, 광폭타이어를 사용 시 '스크럽 반경'이 바뀌어서 조향 특성이 달라질 수 있음.
오늘 설명할 회전반경에서는 저 '스크럽 반경'만큼 회전반경이 증가하는 효과도 있겠지.
이제 전륜 서스펜션이 어떻게 생겼고, 어디를 회전축으로 돌아가는지 이해했으니 자동차 전체의 모델링으로 넘어가자.
우리는 이런 회전교차로에서 일정한 조향각으로 서행할 경우, 회전반경의 변화 없이 정확히 원을 그리며 타이어의 미끄러짐도 없다는 것을 알고있다.
위의 사진에서는 2가지 의문점이 발생한다.
1. 자동차의 전폭만큼 안쪽 바퀴/바깥쪽 바퀴의 회전반경이 다른데, 각 바퀴의 회전속도가 동일할 경우 어딘가는 헛돌아야하지 않겠는가?
(v=r*ω, 속도 = 반지름 × 회전속도)
그래서 자동차에 '디퍼런셜 기어', 동력이 전달되어도 좌/우 바퀴의 회전속도를 다르게 허용하는 장치가 있다.
이정도는 운전면허에도 나오는 내용이고, 서스펜션 구조와 관련된 진짜 의문은 '조향각'이다.
2. 자동차가 정확히 원을 그리며 주행한다면, 전폭만큼 안쪽 바퀴/바깥쪽 바퀴의 회전 반지름이 달라진다.
그렇다면 원에 접하는 각도만큼 안쪽/바깥쪽 바퀴의 조향각이 달라져야하지 않겠는가?
(sinθ = a/r, sin(조향각) = 휠베이스 ÷ 회전 반지름)
그래서 나온 조향방식이 '애커만 스티어링', 좌/우 바퀴의 조향각에 기계적으로 편차를 주는 방식이다.
원리는 어려울 것 없이 앞바퀴를 좌/우로 밀어주는 '타이 로드'가 '킹핀 축'과 다른 위치에 사다리꼴로 있어서, 조향각이 커질수록 안쪽 바퀴는 크게, 바깥쪽 바퀴는 작게 돌아가도록 만들어준다.
이제 자동차의 전륜 서스펜션 구조와 조향 원리를 모두 알았으니, 회전 반경을 아래와 같이 모델링할 수 있다.
회전반경
= 휠베이스 / sin(조향각)
+ 스크럽 반경
서두에서 말한 바와 같이, 전기차는 휠베이스가 길거나, 전륜 모터와의 간섭으로 조향각이 부족하기 때문에 회전반경이 커질 수 있다.
특히 테슬라는 사륜구동 + 더블 위시본까지 사용하였으니 전륜 조향각이 상당히 제한되는 편이다.
그럼에도 잘 생각해보면, 내연기관과는 달리 전륜 축 위에 엔진과 변속기가 없어서 생각보다 회전반경의 증가가 크지 않다.
오히려 비슷한 출력의 V6/V8 엔진+변속기 사이즈가 거대한 스포츠세단과 비교하면, 모델3/Y의 회전반경이 더 작은 경우도 존재한다.
간단하게 각 차량별 회전반경이나 적고 끝내려고 했는데, 회전반경을 계산하는 방법을 설명하다보니 글이 너무 길어졌다.
각 차량별 터닝서클과 전폭, 휠베이스를 이용한 조향각 계산은 다음 글에 이어서 적겠음
테슬라 갤러리
전기차
전기차는 전력을 이용하여 모터를 구동하는 차량으로, 친환경적이며 연비가 뛰어나다. 내부연소 엔진이 없는 전기차는 배출가스가 없고, 배터리를 충전하여 주행한다.
회전반경
회전반경은 차량이 회전할 때 필요한 최소한의 공간을 의미한다. 회전반경이 작을수록 좁은 공간에서도 쉽게 돌 수 있어 주차나 도로 주행 시 유리하다. 전기차는 일반적으로 회전반경이 작아 도심 주행에 적합하다.
이해
이해는 특정 주제나 개념에 대해 깊이 알고 파악하는 과정을 의미한다. 전기차의 회전반경을 이해하면 보다 효율적으로 차량을 운전할 수 있으며, 주행 시 주의할 점과 그 이점을 제대로 파악할 수 있다.
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