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자동차가 어떻게 회전하는지 이해하기 위해서는, 먼저 전륜 서스펜션의 구조를 알 필요가 있음.


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일반적으로 중형차까지는 전륜에 위와 같은 구조의 [맥퍼슨 스트럿]이 사용되고,



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대형차, 스포츠카로 갈수록 전륜에 [더블 위시본]과 [멀티링크]가 적용됨.

위의 사진 2장에서는 (너클에 붙어있는) 킹핀 축을 기준으로 앞바퀴 각도가 변한다는 것을 알면 됨.



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- 맥퍼슨 스트럿 적용 차량
* 아반떼/쏘나타/그랜저
* G70, 3시리즈, i4
* 아이오닉5/6, EV6

- 더블 위시본 적용 차량
* 911 GT3, 파나메라, 타이칸
* GV80, 5시리즈, i5
* 모델3/Y, 사이버트럭

- 전륜 멀티링크 적용 차량
* G80/90, S클래스
* 모델S/X, EQE/EQS






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더블 위시본 사진에서 유의깊게 볼 점은, 맥퍼슨 스트럿에 비해 구조가 복잡하여 전륜 서스펜션 공간을 많이 차지하고, 사륜구동으로 만들기 어렵거나 전륜 조향각이 제한됨.

그리고 '로어 암'과 '어퍼암' 사이에 있는 <너클>, 너클에 달린 <허브 캐리어(볼트)>의 길이에 주목하자.

저 허브캐리어의 두께가 있기 때문에 앞바퀴를 조향할 경우 회전 축과 실제 바퀴의 중심이 어긋나게 되고, 해당 길이만큼(정확히는 킹핀 각도와 타이어 접촉면을 고려한) [스크럽 반경]이라는 편차가 발생하게 됨.

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'스크럽 반경'이 존재하기때문에 조향 시 핸들이 무겁게 느껴진다던가, 직진 시 앞바퀴 복원력이 강해지기도 함. 따라서 휠 옵셋 변경, 허브스페이서, 광폭타이어를 사용 시 '스크럽 반경'이 바뀌어서 조향 특성이 달라질 수 있음.

오늘 설명할 회전반경에서는 저 '스크럽 반경'만큼 회전반경이 증가하는 효과도 있겠지.





이제 전륜 서스펜션이 어떻게 생겼고, 어디를 회전축으로 돌아가는지 이해했으니 자동차 전체의 모델링으로 넘어가자.



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우리는 이런 회전교차로에서 일정한 조향각으로 서행할 경우, 회전반경의 변화 없이 정확히 원을 그리며 타이어의 미끄러짐도 없다는 것을 알고있다.


위의 사진에서는 2가지 의문점이 발생한다.

1. 자동차의 전폭만큼 안쪽 바퀴/바깥쪽 바퀴의 회전반경이 다른데, 각 바퀴의 회전속도가 동일할 경우 어딘가는 헛돌아야하지 않겠는가?
(v=r*ω, 속도 = 반지름 × 회전속도)

그래서 자동차에 '디퍼런셜 기어', 동력이 전달되어도 좌/우 바퀴의 회전속도를 다르게 허용하는 장치가 있다.

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이정도는 운전면허에도 나오는 내용이고, 서스펜션 구조와 관련된 진짜 의문은 '조향각'이다.

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2. 자동차가 정확히 원을 그리며 주행한다면, 전폭만큼 안쪽 바퀴/바깥쪽 바퀴의 회전 반지름이 달라진다.
그렇다면 원에 접하는 각도만큼 안쪽/바깥쪽 바퀴의 조향각이 달라져야하지 않겠는가?
(sinθ = a/r, sin(조향각) = 휠베이스 ÷ 회전 반지름)

그래서 나온 조향방식이 '애커만 스티어링', 좌/우 바퀴의 조향각에 기계적으로 편차를 주는 방식이다.

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원리는 어려울 것 없이 앞바퀴를 좌/우로 밀어주는 '타이 로드'가 '킹핀 축'과 다른 위치에 사다리꼴로 있어서, 조향각이 커질수록 안쪽 바퀴는 크게, 바깥쪽 바퀴는 작게 돌아가도록 만들어준다.

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이제 자동차의 전륜 서스펜션 구조와 조향 원리를 모두 알았으니, 회전 반경을 아래와 같이 모델링할 수 있다.

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회전반경
= 휠베이스 / sin(조향각)
+ 스크럽 반경



서두에서 말한 바와 같이, 전기차는 휠베이스가 길거나, 전륜 모터와의 간섭으로 조향각이 부족하기 때문에 회전반경이 커질 수 있다.

특히 테슬라는 사륜구동 + 더블 위시본까지 사용하였으니 전륜 조향각이 상당히 제한되는 편이다.

그럼에도 잘 생각해보면, 내연기관과는 달리 전륜 축 위에 엔진과 변속기가 없어서 생각보다 회전반경의 증가가 크지 않다.

오히려 비슷한 출력의 V6/V8 엔진+변속기 사이즈가 거대한 스포츠세단과 비교하면, 모델3/Y의 회전반경이 더 작은 경우도 존재한다.





간단하게 각 차량별 회전반경이나 적고 끝내려고 했는데, 회전반경을 계산하는 방법을 설명하다보니 글이 너무 길어졌다.

각 차량별 터닝서클과 전폭, 휠베이스를 이용한 조향각 계산은 다음 글에 이어서 적겠음


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출처: 테슬라 갤러리 [원본 보기]