후륜 구동 자동차가 승차감과 코너링이 좋고 전륜 구동은 연비와 눈길 빙판길에서 유리하다고 하는데 왜 그럴까요?
맞는 얘기일까요? 기술적으로 확인해 보았습니다. 기본 메카닉스와 구조적 차이에서 오는 특성을 비교하는 것이므로 가변 스티어링, 자세 제어장치, 어댑티브 서스펜션, 사륜구동 등의 첨단 옵션은 본 논의에서 제외합니다.
전륜 구동 자동차는 모두들 잘 아시는 바와 같이 전면에 위치한 엔진에 변속기와 등속조인트를 통해 앞바퀴가 연결되어 구동되며 뒤쪽에는 동력 전달이 없습니다.
이에 따라 앞바퀴는 조향과 구동의 복합기능을 수행하게 됩니다. 후륜 구동 자동차는 전면에 위치한 엔진에 변속기와 프로펠러샤프트그리고 디퍼렌셜 기어를 통해 뒷바퀴가 연결되어 구동되며 앞바퀴는 순수 조향 기능만 하게 됩니다.
다른 형태의 후륜도 간단히 보고 가겠습니다.
Mid engine Rear drive 차량은 엔진이 차량 중간에 위치하고 뒷바퀴를 구동하는데 경주용 자동차에 주로 사용되며 실내공간이 협소한 것이 큰 단점입니다. 람보르기니 가야도르 등에 적용됩니다.
Rear engine Rear drive 차량은 차체 뒷부분에 엔진을 배치하여 역시 뒷바퀴를 구동하는데 구동 효율과 실내공간 배치가 유리하나 고속 안정성이 떨어져 운전하기가 매우 어렵습니다.
유독 포르셰 911 시리즈만 고집스럽게 꾸준히 이 방식을 적용하고 있습니다.
물체가 원운동 할 때 원궤도 밖으로 나가려는 원심력은 구심력과 크기는 같고 방향만 반대인데 물체의 질량과 속도의 제곱에 비례하고 회전반경에 반비례합니다.
따라서 차가 코너링 시 순간적 원운동을 하게 되는데 원심력은 차량속도에 아주 민감하여 제곱 값으로 크게 변하며 회전반경이 작으면 즉 조향 각이 크면 증가합니다.
물체가 어떤 바닥면에 있을 때 마찰력 F는 물체 사이의 마찰계수 뮤에 물체가 바닥면에 수직으로 가하는 힘 N 즉 무게를 곱하면 됩니다.
정지상태에서 움직이기 직전까지의 마찰계수가 정마찰 계수이고 동마찰 계수는 움직인 후의 마찰계수로 정마찰 계수보다 그 크기가 작습니다.
따라서 일단 미끄러지면 마찰력이 감소하므로 ABS 브레이크도 이현상 때문에 개발된 것입니다.
운전자가 조향 한 대로 미끄러짐 없이 원궤도를 따라 코너를 돌아 나오는 경우를 뉴트럴 스티어링이라고 합니다. 차량이 코너 바깥쪽으로 밀리면서 조향 각보다 덜 회전하게 되는 언더 스티어링입니다. 차량이 코너 안쪽으로 돌아서 조향 각보다 크게 회전하는 오버 스티어링입니다.
결국 타이어와 노면의 마찰력이 접지력이 되는데 노면의 상태와 타이어 품질 그리고 타이어에 가해지는 하중에 따라 달라지게 됩니다.먼저 자동차의 코너링 형태를 한 번 살펴보고 가겠습니다.
좀 더 이해를 돕고자 일반 노면에서의 바퀴 하나만의 거동을 살펴보겠습니다. 상당히 높은 속도로 코너를 진입하더라도 바퀴가 단순 회전운동을 하는 경우에 마찰력은 원심력보다 커서 본래의 궤도인 파란색 궤도를 따라 코너를 회전해 나갑니다.
그러나 위의 이미지에서와 같이 엔진에 의해서 바퀴가 구동이 되는 경우에는 타이어 면이 노면을 치고 나가면서 마찰계수와 마찰력이 작아지게 됩니다.
즉 구동되는 바퀴는 노면 접지력이 상대적으로 떨어져서 원심력에 의해 원궤도 바깥쪽으로 밀려 나가게 됩니다(빨간색 궤도).
실제 코너링 시의 차량의 거동과 무게중심 배분의 문제, 눈길/빙판길과 같이 마찰력이 거의 없는 노면에서의 차량거동은 다음 글에서 이어가도록 하겠습니다.
