자동차의 차체가 커지면 실내 공간과 적재 공간이 넓어서 좋습니다. 그렇다면 승차감과 주행 안정성은 어떻게 될까요? 이 번 글에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
자동차 크기에 대한 제원
자동차의 크기에 대한 제원(스펙)을 먼저 간단히 알아보겠습니다. 차체의 총길이가 전장, 앞뒤 차축 사이의 거리가 축거입니다.
|
| 자동차 크기 제원 |
차체의 정면에서의 최대 너비가 전폭, 앞바퀴 사이의 거리가 윤거 앞입니다. 지면에서 차량의 최대 높이가 전고, 뒷바퀴 사이의 거리가 윤거 뒤입니다.
보통 윤거는 전폭에 축거는 전장에 비례하므로 윤거와 축거에 대한 분석은 제외하겠습니다. 전장과 전폭 크기와 축거와 윤거 크기가 반대인 경우는 차량 안정성이 문제가 되고 분석하는 것도 의미가 없기 때문입니다.
관성 모멘트
회전하고 있는 물체가 계속 회전 운동을 유지하려는 성질 또는 반대로 정지한 물체가 회전력에 대해 저항하는 성질을 관성 모멘트라고 합니다.
|
| 관성 모멘트 |
질량이 m, 가로, 세로, 높이가 각각 a, b, h인 직육면체의 수직축에 대한 관성 모멘트는 회전축과 평행한 h와 무관하고 가로, 세로 크기의 제곱에 비례하여 증가합니다.
같은 질량의 물체라도 모양에 따라 관성 모멘트가 크게 달라지는 것입니다.
따라서 무게가 같고 가로와 세로 길이가 다른 물체에 동일한 회전력이 가해지면 가로, 세로가 짧아 관성 모멘트가 작은 물체가 더 빨리 회전하게 됩니다.
또한 가로와 세로 길이가 짧아서 관성 모멘트가 작은 물체는 작은 충격에도 크게 회전합니다. 반대로 무게는 같지만 가로 세로가 커서 관성 모멘트가 큰 물체에 동일한 충격이 가해지면 상대적으로 작게 회전합니다.
|
| 관성 모멘트가 다른 물체의 충격에 의한 회전 |
자동차의 전장/전폭 그리고 관성 모멘트
이러한 관성 모멘트와 관련된 물리적 현상을 자동차에 적용해 보겠습니다.
자동차가 주행할 때 바람이나 조향, 충돌, 좌우 바퀴 사이의 토크와 접지력 차이 등 다양한 원인에 의해 측면 방향으로 충격이 발생합니다.
무게와 전폭이 동일한 경우에도 전장이 긴 자동차의 관성 모멘트가 크므로 이러한 측면 충격에 대한 좌우 흔들림 정도와 빈도가 적습니다.
|
| 측면 충격에 의한 자동차의 좌우 회전 |
불규칙한 노면에 의한 수직 방향 충격이 앞뒤에 발생할 때에도 전장이 짧은 자동차는 관성 모멘트가 작아 피칭의 정도 빈도가 커집니다.
|
| 자동차의 피칭 |
관성 모멘트가 큰, 전장이 긴 자동차는 노면에 의한 수직 충격에 대해 피칭 정도와 빈도가 상대적으로 작습니다.
그러나 급가속이나 급제동에 의한 피칭은 관성이 큰 전장이 긴 차량에서 더 크게 나타납니다.
차량의 좌우에 수직 충격에 의해 발생하는 롤링도 관성 모멘트가 상대적으로 큰 전폭이 큰 차량의 흔들리는 정도와 그 빈도가 적습니다.
|
| 자동차의 롤링 |
자동차의 전폭/전고 그리고 코너 주행
아래 이미지는 차폭이 좁고 전고가 높은 자동차의 코너를 주행하고 있는 모습입니다.
여기서 r은 바깥쪽 바퀴에서 무게 중심까지의 거리, C는 원심력, Θ는 r과 C 사이의 각도, G는 중력, Φ는 r과 G 사이의 각도라고 가정합니다.
그러면 원심력이 차체를 들어 올리는 토크는 r·C ·Sinθ가 되고 중력이 차체를 지면에 두려는 토크는 r·G ·Sinφ가 됩니다.
|
| 전고가 높고 차폭이 좁은 차량의 코너링 |
그런데 차폭이 좁고 전고가 높은 차량은 무게 중심이 높기 때문에 Θ가 Φ 보다 크고 따라서 SinΘ 값이 SinΦ 보다 크게 됩니다.
결국 원심력에 의한 토크가 중력에 의한 토크보다 커지면서 코너 주행이 불안정해지고 차량 전복까지 일어날 수 있게 됩니다.
그러나 차폭이 넓고 전고가 낮은 자동차는 무게 중심이 낮기 때문에 Θ가 Φ 보다 작고 따라서 SinΘ 값이 SinΦ 보다 작게 됩니다.
|
| 전고가 낮고 차폭이 넓은 차량의 코너링 |
따라서 원심력에 의한 토크보다 중력에 의한 토크가 커지면서 안정적인 코너 주행이 가능해집니다.
결론
같은 중량의 차량이라도 전장이 길고 전폭이 넓은 차량이 충격에 대한 관성 모멘트가 커서 외부 영향에 의한 흔들림이나 롤링, 피칭의 정도와 빈도가 상대적으로 작습니다.
따라서 승차감과 주행 안정성이 향상되며 고급 세단 차량들이 모두 긴 전장과 넓은 전폭을 갖는 이유입니다.
하지만 급가속이나 급제동 시에 차체의 앞뒤가 들리면서 발생하는 피칭은 관성이 큰, 전장 긴 차량에서 더 커집니다.
차량의 전폭이 넓고 전고가 낮아야 무게 중심이 낮고 차체를 들어 올리는 원심력 토크 보다 중력이 차량을 지면에 두려는 토크가 커지면서 코너 주행 안정성이 확보될 수 있습니다.
스포츠카의 전폭이 넓고 전고는 낮으며 급가속과 급제동을 위해 전장은 짧게 제작되는 이유입니다.
