행복남의 일상

타이어

9. 타이어의 동력전달특성 [Force transferring characteristics of tire]

이번시간엔 타이어 공기압 감시 시스템에 이어 타이어 동력전달특성에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

주행거동과 주행안락성을 해석하고 최적화시키기 위해서는 가능한 한 정확한 타이어의 특성도가 먼저 작성되어야 한다. 일반적으로 승용자동차용 타이어와 경(輕)상용자동차 타이어의 특성도가 널리 이용되고 있다.

타이어는 수직력(normal forces；FN), 직진방향의 힘(longitudinal forces；FX), 그리고 횡력(lateral force；FL)을 전달할 수 있어야 하고, 이 3개의 축에 작용하는 토크를 흡수할 수 있어야 한다.

타이어에 작용하는 힘 <이미지 출처: 네이버>

노면과 타이어의 접촉면적을 푸트-프린트(foot print : Latsch)라 한다. 푸트-프린트는 아래 그림과 같이 타이어의 종류와 크기 및 편평비(H/B)에 따라 다르다. 자동차에 작용하는 모든 힘은 이 푸트-프린트를 통해 노면에 전달되거나 또는 노면으로부터 푸트-프린트를 거쳐 차체에 전달된다. 일반적으로 편평비가 증가할수록 푸트-프린트는 그림과 같이 정사각형에 가까운 형태가 되며, 푸트-프린트가 넓어짐에 따라 단위면적 당 하중부하는 감소한다.

타이어의 푸트-프린트 <이미지 출처: 네이버>

능동 안전 특히, 양호한 주행거동을 위해서 타이어는 아래의 조건들을 만족시켜야 한다.

① 직진방향의 힘(구동력 또는 제동력)의 전달능력

② 선회(cornering) 능력 → 횡력에 대한 저항성

③ 직진 특성

④ 고속주행 내구성

⑤ 내 저항성

1) 수직력 [normal force, Normalkraft]

타이어는 자동차의 하중을 지지하는 요소로서 수직력(대부분 자동차의 중량)을 노면 위에 지지하는 기능을 한다. 따라서 탄성체인 타이어는 하중에 의해 노면에 압착된다.

수직력은 접지면적에 균등하게 분포되는 것으로 가정하지만, 실제로는 그렇지 않다. 타이어의 종류(레이디얼과 바이어스)에 따라 수직력 분포상태가 크게 다르다. 바이어스 타이어에 비해 레이디얼 타이어에서의 수직력 분포상태가 상대적으로 균일함을 알 수 있다. 이 사실은 접지성 측면에서 볼 때, 레이디얼 타이어가 바이어스 타이어에 비해 상대적으로 우수하다는 것을 의미한다.

타이어의 스프링 기능과 감쇠기능은 자동차의 진동을 흡수하는 데 큰 영향을 미친다. 그러나 수평방향 운동역학(horizontal dynamic)에는 거의 영향을 미치지 않는다.

2) 직진방향의 힘[longitudinal forces, Längskräfte]

직진방향의 힘은 자동차의 길이방향으로 작용하는 힘을 말한다. 타이어는 자동차의 길이 방향으로 구동력과 제동력을 전달한다.

전달 가능한 최대 구동력(＝제동력)은 타이어와 노면 간의 마찰계수에 의해 제한된다.

최대 제동토크 예를 들면, ‘FX.maxㆍrst’를 초과하면 타이어는 노면 위에서 더 이상 점착상태를 유지할 수 없게 된다. 그러면 구동 중에는 바퀴가 헛돌고(spin), 제동 중에는 바퀴가 로크(lock)되게 된다. 즉, 차륜과 노면 사이에 슬립(slip)이 발생하게 된다.

슬립(slip)할 때, 전달 가능한 힘은 미끄럼 마찰계수에 의해서 제한된다.

일반적으로 미끄럼 마찰계수는 점착 마찰계수보다 작다.

구동토크 또는 제동토크 전달시 슬립이 발생하면, 차륜의 회전속도와 자동차 주행속도 간에 차이가 발생하게 된다. 이 속도차 때문에 타이어와 노면 사이에는 부분적으로 상대운동이 발생된다. 그리고 이 상대운동에 의해 접촉면에서 타이어는 변형된다. 즉, 직진방향의 접촉면 변형에 의해 푸트-프린트도 이동한다.

제동력(구동력)전달 시 타이어의 변형과 푸트-프린트의 이동 <이미지 출처: 네이버>

차륜에 회전속도센서를 장착한 경우, 예를 들면 ABS가 장착된 자동차에서는 주행속도를 비-구동륜(non-driven wheel)의 회전속도로부터 연산한다. 후륜구동방식(FR)에서는 앞 좌/우 차륜 회전속도의 평균값을 그 자동차의 차륜회전속도로 본다.

구동륜과 피동륜의 회전속도를 이용하여 근사적으로 구동슬립을 계산할 수 있다.

마찰계수 ‘μ＝FX/FN’를 동력전달계수라고도 한다. 마찰계수는 슬립의 함수이다. 아래 그림은 건조한 아스팔트(콘크리트) 도로에서 제동했을 때 승용차 타이어의 마찰계수/슬립의 상관관계이다. 최대 동력전달계수는 점착마찰계수(μH)로 표시된다. 승용자동차 타이어는 일반적으로 슬립 10~20%에서 최대 점착마찰계수(μH.max)에 도달한다. 슬립이 증가함에 따라 마찰계수는 점점 감소하여 100% 슬립할 때는 미끄럼 마찰계수(μG)가 된다.

점착마찰계수와 미끄럼마찰계수 사이는 불안정 영역이다. 마찰계수가 최대점을 지난 다음부터 슬립은 급격히 증대되어 순식간에 슬립 100%가 된다. 그러면 차륜은 미끄럼 상태에 돌입한다.

제동(구동)슬립과 마찰계수의 관계(예) <도표출처: 네이버>

3) 횡력[lateral forces, Seitenkräfte]

주행궤적(track)을 유지하기 위해서는 타이어의 선회(cornering) 특성이 가장 중요하다. 자동차의 주행방향을 변경시키기 위해서는 타이어를 통해서 옆방향으로 힘을 가해야 한다.

조향각을 변경시키면 차륜은 원래의 주행방향으로부터 벗어나게 된다. 이 동작에 의해 탄성체인 타이어는 노면과의 접촉면에서 옆방향으로 변형된다. 이 변형에 의해 횡력(lateral forces)이 발생한다.

차륜 접지점에서의 속도 벡터(vector)는 휠 림의 중심선과 슬립각 α를 형성한다. 이에 따라 접지면에는 옆방향으로 미끄럼 속도 ‘v sinα’가 발생한다. 이 옆방향 미끄럼속도 ‘v sinα’가 바로 사이드-슬립(side slip) 즉, 횡활(橫滑)의 원인이 된다.

이 사이드-슬립(λy)은 실제 주행속도 ‘v’와 노면과 타이어 간의 상대 옆방향속도 즉, 옆 미끄럼속도 ‘v sinα’와의 비율로 표시된다.

커브를 선회할 때의 횡력 슬립각 α에서의 옆방향 속도 벡터 <이미지 출처: 네이버>

직진방향 힘에 대한 마찰계수 곡선과 마찬가지로, 옆방향으로의 동력전달도 슬립의 영향을 받는다. 직진방향의 마찰계수와 대응시켜 옆방향 마찰계수를 정의할 수 있다.

오늘날 사용되는 타이어의 횡방향 점착마찰계수는 슬립률 15~35% 범위 내에 존재하며, 최댓값의 크기와 위치는 수직력의 크기에 따라 결정된다.

횡력의 구성과 복원토크의 발생을 간단한 타이어 모델을 이용하여 명확하게 설명할 수 있다. 그림 6-36은 타이어를 위에서 내려다 본 그림(평면도)으로, 빗금을 친 부분은 타이어의 접지면적(foot print)이다.

횡력(FL)과 복원토크(MSR)를 설명하기 위한 타이어 모델 <이미지 출처: 네이버>

위 그림은 직진주행할 때 타이어 접지면의 상태도이다. 재료고무와 타이어 구조의 불균일성 때문에 직진주행할 때에도 이미 아주 작은, 소위 선회력 제로(zero cornering force) 상태가 된다. → 각(angle) 효과와 원추 효과. 제로 선회력은 자동차의 직진성에 영향을 미친다.

일반적으로 대부분의 운전자들은 횡력/횡활각 선도의 직선영역을 벗어나지 않는 선에서 운전하게 된다. 횡력/횡활각 선도의 직선영역은 타이어와 노면상태에 따라 다르나, 점착성 노면에서 옆방향 가속도 3~4m/s2까지 유효한 것으로 알려져 있다.

횡활각(α)이 더 커지면, 먼저 푸트-프린트의 후반부에 부분적으로 미끄럼이 발생한다. 이렇게 되면 횡력(FL)은 더 이상 횡활각(α)에 비례하지 않고, 오히려 감소한다. 따라서 접지면 변형단면의 중심(重心 : center of gravity)은 다시 전방으로 이동한다. 그렇게 되면 타이어의 캐스터(nR)도 감소한다. 따라서 횡활각이 비교적 작을 때, 복원토크는 최댓값을 유지한다.

캠버 스러스트(camber thrust) <이미지 출처: 네이버>

차륜정렬요소인 캠버(camber；γ)도 횡력을 발생시킨다. 캠버 스러스트(camber thrust)의 작용방향은 차륜의 기울기 방향과 일치한다. 일반적으로 캠버가 작을 경우, 캠버 스러스트(Fγ)는 수직력(FN)을 이용한 근사식으로 표시할 수 있다.

이상으로 ‘자동차의 타이어 동력전달특성‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 타이어 휠 밸런싱’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 동력전달특성이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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