<설명하기 귀찮아서 하기 AI 답변으로 대체합니다.>
km77 채널에서 진행하는 무스 테스트(Moose Test)를 보면, 동일한 진입 속도에서도 차량마다 스티어링 각도(조타각)가 다르게 나타나는 이유는 여러 물리학적 및 자동차 공학적 요인들이 복합적으로 작용하기 때문입니다. 이를 역학적 관점에서 설명하자면, 차량의 설계, 무게 중심, 서스펜션 특성, 타이어 성능, 그리고 스티어링 시스템의 기하학적 구조(Ackermann Steering Geometry 등)가 주요 변수로 작용합니다. 아래에서 이를 단계적으로 풀어서 설명하겠습니다.
1. 차량의 질량 분포와 무게 중심
차량의 무게 중심(Center of Gravity, CoG)은 회전 관성(Moment of Inertia)에 직접적인 영향을 미칩니다. 무스 테스트는 급격한 방향 전환을 요구하므로, 차량이 선회할 때 발생하는 원심력과 이를 제어하기 위한 타이어의 횡방향 힘(Lateral Force)이 중요합니다. 무게 중심이 높거나 앞/뒤로 치우친 차량은 동일한 속도에서 더 큰 롤(Roll)이나 요(Yaw) 움직임을 보이며, 이를 억제하기 위해 더 큰 스티어링 각도가 필요할 수 있습니다.
- 예시: SUV는 세단보다 무게 중심이 높아 동일한 속도에서 더 큰 롤이 발생하며, 운전자가 더 많이 핸들을 꺾어야 안정적으로 코스를 통과할 수 있습니다.
2. 타이어의 슬립 각도(Slip Angle)와 횡방향 힘
타이어는 차량이 선회할 때 슬립 각도(Slip Angle)를 형성하며, 이 각도는 타이어가 횡방향 힘을 발생시키는 핵심 요인입니다. 슬립 각도는 차량 속도, 타이어 접지력(Traction), 그리고 하중 분포에 따라 달라집니다. 무스 테스트에서 동일한 진입 속도라도 타이어의 성능(예: 고성능 타이어 vs. 에코 타이어)과 하중 이동(Load Transfer)에 따라 필요한 스티어링 각도가 달라질 수 있습니다.
- 역학적 설명: 선회 시 원심력 Fc=mv2r F_c = \frac{mv^2}{r} Fc=rmv2 (여기서 m m m은 질량, v v v는 속도, r r r은 선회 반경)을 타이어의 횡방향 힘으로 상쇄해야 합니다. 타이어의 최대 횡방향 힘은 마찰계수와 수직 하중에 비례하므로, 접지력이 약한 타이어는 더 큰 슬립 각도(즉, 더 큰 스티어링 입력)를 요구합니다.
3. 스티어링 기하학(Ackermann Steering Geometry)
스티어링 시스템의 설계는 앞바퀴의 조타각을 결정하는 중요한 요소입니다. Ackermann 기하학에 따르면, 차량이 선회할 때 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴는 서로 다른 반경을 그리며 회전해야 합니다. 이로 인해 안쪽 바퀴는 바깥쪽 바퀴보다 더 큰 조타각을 가집니다. 하지만 실제 차량에서는 속도와 하중 이동에 따라 이 이상적인 기하학이 변형되며, 차량마다 Ackermann 비율(%)이나 Anti-Ackermann 설계가 다르기 때문에 스티어링 각도 차이가 발생합니다.
- 예시: 스포츠카는 Anti-Ackermann 설계를 통해 고속 선회 시 외측 타이어의 접지력을 극대화하지만, 무스 테스트처럼 급격한 저속 회피 상황에서는 더 큰 스티어링 입력이 필요할 수 있습니다.
4. 서스펜션과 하중 이동
무스 테스트 중 급격한 방향 전환은 차량의 하중을 내측에서 외측으로 이동시키며, 이로 인해 서스펜션의 반응이 중요해집니다. 단단한 서스펜션은 롤을 줄여 빠른 응답성을 제공하지만, 너무 단단하면 타이어 접지력을 잃을 수 있습니다. 반대로 부드러운 서스펜션은 롤이 크고 응답이 느려 더 큰 스티어링 조작이 필요합니다.
- 역학적 설명: 하중 이동은 Fz=Fz0±m⋅ay⋅ht F_z = F_{z0} \pm \frac{m \cdot a_y \cdot h}{t} Fz=Fz0±tm⋅ay⋅h로 계산되며 (여기서 Fz F_z Fz는 타이어 수직 하중, ay a_y ay는 횡가속도, h h h는 무게 중심 높이, t t t는 트랙 너비), 이 값이 클수록 외측 타이어에 의존도가 높아져 조타각이 변합니다.
5. 차량의 요율(Yaw Rate)과 안정성 제어(ESC)
차량의 요율(단위 시간당 회전 각도, ω=vr \omega = \frac{v}{r} ω=rv)은 스티어링 입력과 타이어 접지력의 결과입니다. 동일한 속도에서 선회 반경 r r r이 작을수록 더 큰 조타각이 필요합니다. 또한, 전자식 안정성 제어(ESC)가 개입하면 브레이크를 특정 바퀴에 적용해 요 움직임을 억제하므로, 운전자가 느끼는 스티어링 각도 요구가 달라질 수 있습니다.
- 예시: ESC가 강하게 개입하는 차량은 운전자가 핸들을 덜 꺾어도 코스를 통과할 수 있지만, ESC가 느슨하면 더 큰 스티어링 입력이 필요합니다.
종합적인 이유
결론적으로, 동일한 진입 속도에서 스티어링 각도가 다른 이유는 차량의 질량 분포, 타이어 특성, 스티어링 기하학, 서스펜션 설정, 그리고 ESC 개입 정도가 모두 다르기 때문입니다. 무스 테스트는 단순히 속도만이 아니라 이러한 변수들이 조화를 이루어 차량의 동적 거동을 결정하며, 이는 각 차량의 설계 철학과 목적에 따라 달라집니다.
*추가 1. km77의 EV9 과 아이오닉5만 봐도 완벽하게 통제된 코스, 동일한 75km 속도에서 조타각 2배 차이 납니다.
**추가 2. https://www.racecar-engineering.com/articles/tech-explained-ackermann-steering-geometry/
(특히 두번째 그래프의 의미를 잘 생각해야합니다)
선동은 한줄이면 되지만 반박은 책 한권이 필요하다는 말이 진짜 진리네요.
물리적으로 그럴 수 밖에 없는걸 자꾸 우겨대는 사람들 보니 공학도로서 참 속이 뒤집어집니다.