테크매냐 대회를 앞두고..나름..스티어링 얼라인 먼트에 대해
잘 아시는 분들도 많이 계시겠지만..... 기본적 상식이 필요하시분들을 위해...
모아둔 자료 보던중..괜찮은 자료 풀어놓습니다.
1년전 쯤 본 자료지만 국내에서 조향 관련 자료중 가장 이해하기 쉽고 자세히 나와 있는 자료라 생각됩니다.
주로 직진성 문제에 고민이 많으신 분들께..도움이 될 듯...
응용보다는 개념 자체에 대한 관점으로 보면 좋을 듯..
머리도 식힐겸.(?)ㅋㅋㅋ...
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변화되는 토오각
자동차의 정적 얼라인먼트 요소는 캐스터(Caster), 캠버(Camber), 토(Toe) 등으로 나타낼 수 있다. 이러한 정적 얼라인먼트 제원은 자동차 정지 때 공차상태조건으로 타이어의 정렬상태를 맞추는 값이다. 뒷바퀴의 경우 정지 때 이 얼라인먼트값이 변하지 않는다. 하지만 앞바퀴의 경우 정지 때라도 스티어링 휠을 조향하면 토 값이 변화하게 된다. 그렇다면 지금부터 그것이 어떻게 변화되는지에 대해 알아보자.
액커먼 장토식
타이어의 조타각이 회전반경에 따라 가변될(차이가 날) 수 있도록 내측을 크게, 외측은 상대적으로 작게 조타되도록 스티어링 기어의 양단의 타이로드와 액슬의 타이로드 지지대가 각을 이루도록 함으로써 스티어링 기어 래크의 이동에 따라 액슬 타이로드 지지대의 회전각이 차이가 나도록 한다. 즉 스티어링 휠 조향 때 한 개의 래크로드 양단은 서로 동일한 양으로 이동하지만, 이 끝에 연결된 너클 암은 회전운동을 한다. 그리고 자동차 회전 때 내측에 해당되는 쪽의 회전은 타이어가 직각에서 멀어지는 방향이라 같은 변위의 이동이라 할지라도 외측(직각이 되는 방향으로 움직이는 래크와 연결)에 비해 많은 각이 회전된다.
이를 '액커먼 장토식의 원리'라고 한다. 이처럼 조향을 크게 하면 할수록 내측 타이어의 토가 변화되는 경향인 토 아웃화 현상이 크게 일어나게 되는 것이다. 즉, 자동차를 상부에서 보았을 때 타이어 좌우 뒷부분의 길이보다 앞부분의 길이가 더욱 길어지게 되는 것이다. 이는 원심력이 거의 0에 가까운 저속에서 액커먼 장토식 이론에 가까운 선회가 이루어진다. 액커먼 장토식의 원리를 사용하지 않고 양쪽의 타이어의 조타각의 변화가 동일하다면 선회 때 내측 타이어가 항상 끌려가는 듯한 현상이 나타나게 되어 원활하게 선회를 하지 못할 것이다. 즉 내측의 타이어는 회전반경이 외측보다 적으므로 그 만큼 더 조향되게 하는 것이고 외측 타이어는 회전 반경이 크기 때문에 상대적으로 적게 조향되게 하는 것이다.
지금부터는 타이어가 저속에서 조타되는 각과 고속에서 조타되는 각의 차이를 알아보자. 자동차는 선회할 때 원심력이 생기게 되고 이 원심력은 차륜의 접지점(차륜을 연결해 만나는 한 점) 즉, 구심점을 이루게 된다. 그러나 자동차의 속도가 높아짐에 따라 원심력의 구심점은 이동을 하게 된다. 이것은 타이어에서 슬립각이 생김으로 인해 차륜의 접지점이 변화를 일으켜 나타나게 되는 것이다. 구심점을 기준으로 자동차가 이동하지 않을 때 차륜을 회전시키면 구심점이 차륜에 직각으로 연결되어 만나는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나 자동차가 움직이면 차륜에 대해 직각방향으로 구심점이 만나지 않는 것을 볼 수 있을 것이다. 이것은 자동차가 움직여 노면에 대해 구심점이 자동차의 앞쪽으로 위치가 이동하게 되면서 타이어에 슬립각이 생기게 되고 이로 인해 타이어가 마모되기 때문이다. 실제로는 차량이 고속에서 똑같은 조타각을 움직이지만 슬립각으로 인해 차량이 덜 조타된 것처럼 느끼게 되는 것이다.
토크 스티어
이번에는 동적 얼라인먼트의 특성 중 하나인 토크 스티어에 대해 알아본다. 처음 새차를 샀을 때에는 괜찮다가 2~3년이 지난 후 자동차가 어느 날부터 정속 주행 때에는 쏠림 현상이 나타나지 않는데 가속할 때 한쪽으로 쏠리면서 조향 휠이 돌아가는 현상이 나타나는 것을 많이 보았을 것이다. 이것은 토크 스티어 때문에 나타나는 것으로 앞바퀴굴림(FF) 방식 자동차에 통상 많이 나타난다.
그 원인은 좌우 바퀴에 전달되는 구동력의 차이가 생기기 때문으로 자이로스코프의 원리에 의해서 나타나는 것이다. 앞바퀴굴림방식 자동차에서 앞바퀴는 드라이브 샤프트에 의해서 구동된다. 그런데 이 드라이브 샤프트는 <그림 3>과 같이 굴절각(Θ)을 이루고 있는 것을 볼 수 있다. 그러면 자동차는 '구동력 × 굴절각' 만큼의 힘으로 조향하려는 힘이 생긴다.
일반 주행 때 좌우의 이 조향되려는 힘이 동일하면 서로 상쇄되어 직진을 유지한다. 그러나 굴절각이 다르면 조향되려는 힘(= 구동력 × 굴절각)에서 굴절각이 다르게 되기 때문에 조향이 이루어진다. 하지만 하체의 각 링키지의 조립상태에 따라 이 조향되려는 힘은 흡수되어 나타나지 않을 수 있다. 특히 소형차(프라이드, 티코, 마티즈 등)는 이 드라이브 샤프트의 굴절각이 다르다. 그것은 엔진의 출력(토크)이 그리 크지 않기 때문에 하체에서 이를 흡수하게 하는 것이다. 그러나 배기량이 큰 차는 드라이브 샤프트의 길이가 긴 곳에 샤프트 한 개를 더 넣어 좌우 굴절각이 같게 한다. 이는 바로 좌우의 조향되려는 토크 스티어를 같게 하려는 것이다. 실제로는 타이어의 접지 상태가 항상 좌우가 균일하지 않기 때문에 토크 스티어의 힘(= 구동력 × 굴절각)에서 구동력이 순간순간 다르게 될 수 있다. 하지만 하체의 조립상태가 안정되어 있고 얼라인먼트가 제대로 되어 있으면 이러한 순간순간 나오는 토크 스티어는 하체에서 흡수되어 쏠리는 현상이 나오지 않는다. 물론 빗물이 고인 곳을 한 쪽 바퀴만 지나치는 것과 같은 좌우 바퀴의 큰 구동력의 차이는 토크 스티어가 크게 되어 하체에서 흡수하지 못해 조향휠이 흔들흔들 거리면서 휘청거리며 쏠리는 현상을 피할 수 없지만 일반적인 경우는 거의 느끼지 못한다.
시간이 지나면서 하체의 각 조립부가 이완되고 각 스티어링 계의 조인트 부분의 유격이 커지면서 토크 스티어를 흡수하는 양이 줄어들게 된다. 이럴 경우 구동력이 커지는 정지 때 출발이나 주행 중 급 가속 때 좌우 타이어의 접지력이 조금이라도 차이가 나면 타이어와 접지면 사이에서의 구동력의 차이가 생기게 된다. 바로 이 차이는 토크 스티어를 나타나게 하며, 하체는 이를 흡수하지 못해 결국 쏠리는 현상이 나오게 되는 것이다. 가속이 아닌 일반 주행 때는 비록 속도가 올라가더라도 지면과 타이어 사이에서의 구동력이 작아 토크 스티어는 별로 크지 않게 되어 자동차의 쏠림에는 영향이 없게 되는 것이다.
공차체결을 합시다
토크 스티어는 앞바퀴굴림 자동차에서는 피할 수 없는 현상이지만, 하체 상태를 안정시키면 많이 감소시킬 수 있다.
공차체결 : 하체의 각 부품을 느슨하게 풀어놓은 다음 타어어가 지면에서 하중을 받게끔 한다. 그 뒤 차를 앞뒤로 밀어주고 상하로 눌러준다.(즉 각 부품이 정상적인 하중을 받게 끔 자리를 잡게 한 다음) 그런 다음 각 체결부를 느슨하게 풀어준 상태에서 대각선 방향으로 골고루 조여 주는 작업을 하는데 이를 공차체결이라 한다.(이 작업은 얼라인먼트를 맞추기 전에 반드시 해야 하는 작업이다)
① 얼라인먼트를 맞춘다
얼라인먼트가 잘못되어 한 쪽으로 쏠리려는 힘을 받게 한다면, 그 쪽으로는 토크 스티어가 심해지고 반대쪽은 거의 나타나지 않을 수가 있다. 그러므로 우선 좌우를 같게 하기 위해서 얼라인먼트를 맞추어야 한다.
② 공차체결을 한다
지난호에서도 강조했지만 공차 체결을 통해 하체의 각 부품 및 링키지 특히 러버 부시의 조립 상태를 안정시켜야한다. 그래야만 하체의 각 부품이 골고루 힘을 받고 분산시킬 수 있어 토크 스티어를 흡수할 수 있다.
③ 스티어링계의 유격을 줄여준다.
위의 ①과 ②를 했어도 토크 스티어가 없어지지 않으면 스티어링 계의 각 조인트 부분이나 스티어링 기어의 유격이 크면 작게 해준다. 이러한 방법을 제대로 한다면, 사고 후에 좌우 차고가 달라졌거나, 하체의 구조가 틀어지는 큰 사고만 없었다면 거의 없어지리라고 기대한다. 정비의 경험상 자동차에 따라 또는 부품의 고장에 따라 엉뚱한 곳에서 원인이 있을 수가 종종 있다. 하지만 기본적인 방향은 항상 동일하므로 가속 때나 출발 때 한 쪽으로 쏠리는 것은 토크 스티어에 의한 문제로 생각하고 본 내용을 이해해서 접근한다면 쉽게 해결할 수 있으리라 믿는다.
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