내 차가 더 강력한 머신으로 탈바꿈 하는 방법, 자동차 튜닝 제 2탄!
안녕하세요, 토비토커 카레귀신입니다.
지난 시간에는 좀 더 나은 재미를 위해 현재의 즐거웠던 게임화면은 잠시 뒤로하고, 내 차를 더욱 강력하게 만드는 방법인 튜닝에 대해 잠시 공부하는 시간을 가졌습니다.
두번째 시간으로 지난 시간에 이어서 자동차 튜닝에 대한 기초를 더 알아보고, 튜닝이 자동차의 성능에 어떤 영향을 미치는지 최대한 간단~~~~~하게 알아보도록 하겠습니다.
세 번째, 차체 경량화 및 전/후 무게배분
차체의 경량화는 침이 마르게 이야기해도 부족할 정도로, 차량 성능을 끌어올리는데 매우 중요한 요소입니다. 경량화에 알아보기 전 그란투리스모 6에서만 보더라도, 250kg를 감량하게 되면 차량의 퍼포먼스 포인트가 크게 올라가는 것을 볼 수 있습니다. 이는 50마력정도 출력을 상승시켜야 얻을 수 있는 수치입니다.
뉴턴의 운동 제2법칙에 따르면, 같은 힘을 가했을 때 물체의 질량이 작으면 작을수록 가속도는 커진다는 것을 볼 수 있습니다. 이는 자동차도 마찬가지로, 차량의 무게를 줄이면 줄일수록 같은 엔진의 출력을 내었을 때 더 빠른 가속력을 얻을 수 있습니다.
이를 여지없이 보여주는 것이 폰티액 솔스티스(지엠대우 G2x의 형제차) 또는 오펠 스피드스터와 같은 경량 로드스터이지요.
또한 경량화는 코너링 성능에도 영향을 줍니다. 코너링에 영향을 주는 중요한 인자인 하중이동은 차량의 무게, 무게중심의 위치, 트레드(좌/우 휠 사이의 간격)에 영향을 받습니다. 차량이 그림과 같이 코너를 돌게되면, 원심력에 의해서 코너 바깥쪽 휠로 차량의 무게가 쏠리게 되고, 코너 안쪽 휠로는 상대적으로 무게가 가벼워 지게 됩니다.
이를 횡방향 하중이동, 줄여서 하중이동이라고 하고, 하중이동을 구하는 공식은 대략 위와 같이 간단하게 표현이 가능합니다. 이 하중이동에 마찰의 법칙을 적용하게 되면 하중에 따라 타이어의 접지력이 바뀌게 되는데, 하중이동이 크면 코너 바깥쪽에서 무게가 증가하면서 얻는 마찰력(접지력)보다 코너 안쪽에서 무게가 감소하면서 잃는 마찰력(접지력)이 더 크게 됩니다.
즉, 다시 이야기하면 하중이동이 적어질수록 직선로에서와 마찬가지로 전후/좌우 타이어의 그립을 최대한 사용할 수 있어 코너링 성능이 향상되게 되는데, 이 하중이동은 차량의 무게에 영향을 받으므로 차체 경량화를 통해 차량의 무게가 작아질수록 가속도는 커지고 코너링 성능은 향상됩니다.
전/후 무게배분에 대해서도 이야기 하면, 일반적으로 앞차축이 무거운 방향으로 무게중심이 쏠리면 언더스티어가 일어날 가능성이 큽니다. 반대로 뒤 차축으로 무게가 쏠리면 오버스티어가 일어날 가능성이 커집니다. 약한 오버스티어는 샤프한 핸들링에 도움을 주지만, 강한 오버스티어는 차량이 코너링 도중 중심을 잃고 스핀할 가능성이 커지게 됩니다.
이는 자동차를 최~~대한 간단하게 모델링 한 다음 얻어지는 선회방정식의 특성에서 알 수 있는데, 공식에 대해서는 역시 머리가 아프기 때문에 이야기를 줄이기로 합니다. 결론만 이야기 하면 중립적인 회전각을 δ 라고 하였을 때, 전륜에 하중이 더 걸리면 (Wｆ > Wｒ) δ 값이 커지므로 언더스티어, 후륜에 하중이 더 걸리면 δ 값이 작아지므로 오버스티어가 생기게 됩니다.
경량화 및 전/후 무게배분 조절을 하는 데는 여러가지 방법이 있습니다. 극단적인 튜닝에서는 달리는데 필요한 부분을 제외한 모든 부분을 제거하는 방법, 또는 파트의 위치를 바꾸는 방법으로 무게조절을 하는데, 가령 뒷자석 시트제거나 배터리의 위치교환이 좋은 예시입니다. 그란투리스모 6에서는 더 극단적으로 모든 유리창을 플라스틱으로 바꾸는 방법도 제시를 합니다.
좀 더 많은 투자가 이루어 진다고 할 때, 차체 외부를 탄소섬유를 이용한 부품으로 교체하는 방법도 있습니다. 탄소섬유를 이용하게 되면 차량의 무게가 가벼우면서도 강성은 더 크게 유지할 수 있기 때문에, 튜닝에는 아주 잘 어울리는 소재이지요. 또한, 탄소섬유는 특유의 멋을 가지고 있기 때문에 드레스업에도 그만입니다.
경량화에서 주의해야 할 점, 현가상질량의 감소
이렇듯 경량화에 대해 칭찬만 하면 좋겠지만 한 가지 주의해야 할 점이 있습니다. 서스펜션 세팅 등의 조정이 없는 극단적인 경량화는 접지력, 즉 노면 추종성이라고 하면 이해하기 쉬운 부분의 성능이 떨어진다는 것을 염두해야 합니다. 이는 현가상질량(Sprung mass)와 현가하질량(Unsprung mass)이라는 개념을 이해해야 합니다.
그림을 보시면, 현가상질량은 서스펜션 윗 부분, 즉 차체 부분의 질량 이야기 하는 것이고, 현가하질량은 서스펜션의 아랫 부분, 즉 휠/타이어 및 브레이크의 질량 등을 이야기 합니다. 이를 이용해 접지력에 대해 자세히 알아보기 위해서는 기계진동학을 이용한 모델링 분석이 필요한데, 이는 깊이 들어가면 굉장히 복잡해 지므로 마찬가지로 결론만 이야기 하겠습니다.
쉽게 이야기하면, 노면의 충격을 받으면 현가상질량과 현가하질량은 서스펜션을 사이에 두고 서로 상대적인 상하운동을 하게 되는데, 윗부분인 현가상질량이 무거울수록 서스펜션의 스프링을 빨리 제자리로 오게 만들고, 아랫부분인 현가하질량이 가벼울수록 서스펜션의 스프링을 빨리 제자리로 오게 만듭니다.
이 말은 자동차가 거친노면을 지나가도 휠/타이어가 빨리 제자리로 올 수 있게 도와주어 결론적으로 타이어의 접지력을 상승시키는 결과를 가져옵니다. 다시 이야기 하면, 현가상질량이 커질수록 그리고 현가하질량이 가벼워 질수록 노면 추종성에 유리하며, 또한 서스펜션이 단단할 수록 (수축 및 팽창이 빠를수록) 거친 노면에서 타이어가 노면을 잘 타고 다니는데 유리합니다.
흔히 알페온과 같은 대형차, 럭셔리카가 노면에 진득하게 붙어서 달린다라는 표현을 하게 되는데, 이는 현가상질량의 증가에 따른 노면 추종성의 상승도 어느 정도 영향이 있습니다. 물론 안정적인 주행에는 여러가지 요인이 있기 때문에, 현가상질량 만이 안정감에 영향을 준다는 말은 아닙니다.
또한 차가 무거워 지는데는 앞서 이야기 한 경량화와 상충되는 개념이기 때문에 가속력 및 연비의 하락 등이 올 수 있습니다. 이는 차량의 목적에 알맞게 세팅을 하면서 어느 성능에 중점을 둘 지 결정해야 하며, 될 수 있으면 경량 브레이크 시스템 등 현가상질량의 상승보다는 현가하질량이 감소하는 방향으로 튜닝해야 하겠지요 (현가하질량의 감소는 다음에 다시 다루도록 하겠습니다).
요약을 하면, 차량의 경량화 및 적절한 전/후 무게배분은 코너링 성능 및 가속성능에 큰 도움을 주지만, 서스펜션 등 다른 파트의 튜닝 없는 경량화는 현가상질량의 감소로 인해 접지력 하락을 불러올 수 있다, 라고 정리할 수 있겠습니다.
쉬는시간입니다. 잠시 머리를 식히고 가도록 하겠습니다.
지금까지 차체 경량화를 통해 차량의 가속성능 및 코너링 특성이 어떻게 변화하는지 간단하게 둘러보았습니다.
최대한 쉽게 풀어서 설명하려고 하였는데, 역시 머리가 아파 오는 것은 어쩔 수 없습니다. 때문에 이번 시간에 서스펜션까지 언급하려고 하였으나 너무 길어질 것 같아 잠시 쉬었다 가기로 하고, 다음 시간에는 오늘 이야기 못한 서스펜션 및 자동차의 외관에도 지대한 영향을 주는 (일명 간지라고도 하는) 경량휠에 대해 알아보도록 하겠습니다.
이상 아베오RS의 무게를 줄이기 위해 트렁크에 있는 짐부터 빼고 있는 카레귀신이었습니다.
