차량의 움직임 3가지 – 롤링, 피칭, 요잉

속도를 조금 높인 채로 코너에 진입하면 차가 코너 반대쪽으로 기울어지고, 급브레이크를 밟으면 차가 앞으로 기울어지기게 됩니다. 이러한 차량의 움직임 – 롤링, 피칭, 요잉을 자세히 알아보겠습니다.

롤 Roll

자동차를 타고 어디론가 이동을 하다보면 쉽게 느낄 수 있는 차량의 움직임이 롤링입니다. 빙글빙글 올라가는 대형 마트의 주차장에서도, 보다 빠른 속도로 달리는 고속도로 진출입로에서도 롤링을 느낄 수 있습니다. 롤링은 원심력에 의해 차량이 좌우로 기울어지는 움직임을 표현합니다. 이는 차량 접지력의 한계에 대한 정보를 주기도 하지만 과할 경우 차량의 안정성을 해치는 요소가 되기도 합니다.

롤 센터 Roll Center

차가 좌우로 기울어짐은 어떠한 축을 기준으로 발생하는 모멘트에 의한 움직임입니다. 그 축은 프론트 롤 센터와 리어 롤 센터를 지납니다. 롤 센터는 서스펜션 구조에 의해 초기 위치가 결정되고, 이후 차량이 움직이면서 휠이 위아래로 움직이면 시시각각 롤 센터는 변화합니다.

위 그림은 더블위시본 서스펜션에서 롤 센터의 위치를 구하는 것을 보여주고 있습니다. 어퍼암과 로어암이의 중심선이 교차하는 점과, 타이어 컨택패치를 지나는 선이 차량중심선과 만나는 지점이 롤 센터입니다. 차량이 코너를 돌 때, 무게 중심에 관성에 의한 힘이 작용하게 되고, 롤 센터를 중심으로 모멘트가 생기게 됩니다. 이 모멘트가 차량의 롤링을 발생시킵니다. 이러한 롤의 원리는 무게 중심이 롤 센터에 가까울 수록 롤링이 줄어듬을 의미합니다.

극단적인 롤의 억제

코너링 시 차량의 안정적인 움직임을 위해서 롤링을 적정한 수준으로 억제하는 것은 중요하지만, 극단적으로 롤이 억제되는 경우 문제가 생길 수 있습니다. 포르쉐의 PDCC와 같이 최근에는 전자식 스테빌라이저 또는 유압시스템을 이용해서 차량의 롤링을 거의 없는 수준으로 만들어내기도 합니다. 이는 차량의 안정성과 승차감에 있어 분명히 긍정적인 효과를 가져다 줍니다. 하지만 그보다 더 극단적으로 롤을 억제하는 경우, 탑승자가 롤링 이라는 차량의 움직임을 느끼지 못한다는 의미이므로 차량의 하중이동에 대한 피드백을 잃는 것과 같습니다. 이는 드라이버에게 접지력의 한계에 대한 정보를 적게 주는 문제가 있습니다.

피치 Pitch

가속 페달과 브레이크 페달을 자주 번갈아 밟아야하는 시내 주행 상황에서 우리의 몸이 그렇듯 차량도 앞뒤로 기울어짐을 알 수 있습니다. 그러한 차량의 움직임을 피칭이라고 합니다. 피칭은 가속 또는 감속에 따른 하중이동에 의해 쇽업쇼버의 스프링이 줄었다 늘었다하며 발생하게 됩니다. 흔히 제동시 앞으로 기울어지는 것을 ‘노즈다이브’라고 합니다.

차량이 앞 뒤로 기울어지는 것은 차량의 바닥과 지면사이의 거리가 변화한다는 것을 의미합니다. Aerodynamics가 중요한 레이스카의 경우, 이러한 피칭은 에어로 파츠들의 계산된 효과에 영향을 주고, 특히나 지면과 차체 바닥 사이에서 발생하는 그라운드 이펙트(Ground Effect)에 악영향을 줄 수 있습니다.

그렇다면, 차량의 피칭으로 인해 차체 바닥과 지면 사이의 거리가 변화하게 되면 원하는 만큼의 다운포스 효과를 가져오지 못 할 수 있습니다. 그래서 피칭을 줄여주는 안티지오메트리가 존재합니다.

하중이동

피칭은 차량의 가속과 감속에 의해 하중이동이 발생함에 따라 만들어지는 움직임입니다. 가속 시에 차량의 하중이 뒤로 옮겨가면서 뒷바퀴에 더 큰 하중이 실림과 동시에 앞바퀴에 걸리는 하중이 줄어들기 때문에 차가 뒤로 기울어지게 됩니다. 따라서 피칭이라는 움직임은 운전자로 하여금 차량의 전후방향 하중이동의 정보를 알 수 있도록 하는 움직임입니다.

요 Yaw

앞에 나온 피칭이나 롤에 비해 일반적인 상황에서 잘 느끼기 어려운 움직임입니다. 코너링 시 차량이 ‘회전하는’ 움직임으로, 차량의 정 가운데를 차량 위쪽부터 아래쪽까지 수직으로 지나는 축을 중심으로 차량이 회전하는 것을 요잉이라고 합니다.

이해를 돕기 위한 사진을 가져왔습니다. 위에서 자동차를 내려다본 사진이며 차량 가운데 파란색 축을 중심으로 요 Yaw가 발생하는 것을 확인할 수 있습니다.

오버스티어

이러한 요잉이라는 움직임을 우리는 오버스티어 상황에서 체감할 수 있습니다. 후륜 차량의 경우 코너를 돌면서 가속 페달에 힘을 주게 되면 차량 뒷쪽이 코너 바깥쪽으로 흐르는 듯한 느낌(오버스티어)을 받으며 요잉을 느낄 수 있습니다. 또한 전륜 차량도 아반떼 N과 같은 차량이라면 동일한 상황에서 오버스티어를 발생시켜 요잉을 만들어낼 수 있습니다. 따라서 요잉은 차량의 회전에 대한 피드백을 제공하여 오버스티어의 정도를 파악할 수 있게 하는 움직임입니다.

마무리

지금까지 자동차의 움직임 3가지 롤링, 피칭, 요잉에 대한 설명이었습니다. 간단히 그 정의를 알아보자는 느낌으로 작성한 글이기에 못다한 이야기들이 많습니다. 추후에 디테일한 내용을 소개하는 글을 여기에 링크해 두겠습니다. 여기서는 회전에 대한 움직임만을 다뤘는데, 수평적 움직임인 서지Surge, 스웨이Sway, 히브Heave도 다음에 다뤄보도록 하겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다.