오버스티어와 언더스티어
일반적인 도로 주행만 하는 운전자에게는 상관 없어 보이기도 하지만, 길이 미끄럽다거나 여러 가지 타이어와 관련된 요소들 때문에 언제든지 오버스티어와 언터스티어같은 현상이 발생할 수 있습니다. 자동차가 순간적으로 균형을 잡지 못하고 회전해 버리는 여러 가지 상황이 있는데요, 오늘은 이 현상들이 왜 일어나는지 간략하게 알아보도록 하겠습니다.
의도치 않은 방향으로 진행
차가 코너를 돌 때, 일반적인 속도보다 더 빠르게 돌면 차량이 약간씩 바깥쪽으로 빠져나가려고 합니다. 실제로 차가 가려고 하는 방향과 다르게 향하는 그 각도를 ‘슬립 앵글’이라고 하죠. 그래서 내가 가려고 했던 방향만큼 꺾이지 않고 바깥쪽으로 빠져버리는 것을 언더스티어라고 하고, 내가 가려고 했던 방향보다 더 꺾여버리는 것을 오버스티어라고 합니다.
내가 가려고 했던 방향보다 덜 꺾이면 ‘언더’. 내가 가려고 했던 방향보다 더 꺾이면 ‘오버’. 간단하죠? 이런 일이 왜 생기는 걸까요? 자동차는 어떤 속도로 가던지 선회를 잘 하면 문제가 없으나, 선회를 할 때 자동차에는 코너 밖으로 튕겨 나가려는 원심력이 작용합니다. 이때 자동차에 직접적으로 작용하는 힘을 측면가속도라고 합니다. 우리가 코너링 시 몸이 측면으로 쏠리는 이유가 바로 이것이죠. 이 측면가속도를 상쇄하며 차가 나아가는데, 대부분의 힘은 바로 마찰력, 타이어의 접지력과 관련이 있습니다.
자동차는 기본적으로 4개의 바퀴로 이동하는 이동 수단입니다. 오버스티어나 언더스티어가 났다는 것은 코너를 버틸 수 있는 타이어의 접지력이 한계를 벗어났다는 의미인 것이죠. 우리가 진행하려는 방향으로 핸들을 틀어도, 바닥과 접지된 타이어의 면이 해당 방향으로 바로 꺾이지 않습니다. 관성에 따라 타이어에 밀리는 힘이 작용하는 바닥 면, 바로 도로에 접지된 타이어의 트레드면이 주행 방향으로 잠시 동안 밀리다가 결국 우리가 조향한 이 조타 방향으로 돌아갈 것입니다. 아무리 타이어의 주성분이 신축성 강한 고무 탄성체일지라도 이 관성에 의한 힘을 바로 버텨서, 방향을 전환할 만큼의 힘이 부족하기 때문이죠.
따라서, 이런 미끄러짐 현상을 피하기 위해서는 자동차의 진행방향과 타이어의 접지면의 방향을 같게 만들어서(최대한 슬립 앵글을 줄여) 마찰력과 접지력을 올려주고 원심력에 대항해야 하는 것이죠. 간단하게 말씀드리면 ‘감속’과 ‘정확한 핸들 조향’입니다.
구동 방식의 차이
일반적으로 전륜 구동은 언더스티어가 많이 나고 후륜 구동은 오버스티어가 많이 난다고 합니다. 왜 그렇게 되는 것인지 알아보도록 하겠습니다. 조금 더 퍼포먼스에 치중한 후륜구동 차량을 보도록 할게요. 후륜 구동 차량들은 브레이크를 밟아 급제동을 하게 되면 뒷바퀴가 뜨게 됩니다. 그 상태에서 핸들을 조금만 많이 꺾으면 뒷바퀴의 마찰력이 전혀 없는 상태이기 때문에 그대로 돌아버리는 겁니다. 차가 정면을 기준으로 30도 정도만 돌아도 이때부터는 이를 극복하기가 너무나 힘듭니다. 이 상황을 극복할 수 있는 유일한 방법은 다시 가속 페달을 밟아서 뒷바퀴를 눌러 지면에 밀착시켜 주는 것인데 이게 너무나 힘든 일이죠. 사실상 이 상황을 이겨낼 수 있는 방법은 거의 없습니다.
전륜 구동 차량의 대부분의 힘은 앞바퀴에 있습니다. 전륜 구동 차량의 뒷바퀴는 오히려 힘이 적거나 반대 방향의 에너지를 갖고 있습니다. 그래서 전륜 구동 같은 경우는 앞으로 가려는 강한 마찰력을 일으키기 때문에 코너링을 조금만 해도, 앞바퀴의 마찰력이 부족해져 바깥으로 빠져나가는(언더스티어) 상황이 발생하는 것이죠. 앞바퀴로 조향과 구동력을 동시에 처리하기 때문입니다. 자동차가 움직이기 위해 전륜에 출력이 작용하면, 마찰력의 총합은 출력으로 사용한, 마찰력을 뺀 만큼 낮아지게 되는데 이 나머지의 마찰력으로 앞바퀴는 바닥과의 접지까지 수행해야 하는 거죠. 앞바퀴는 한정된 마찰력으로 이 두 가지를 동시에 수행해야 하기 때문에 그립이 부족해져 관성의 힘을 이기지 못하고 결국 언더스티어가 발생합니다.
사륜구동의 장점
사륜구동 차량의 장점이 분명 있습니다. 일반적으로 연비가 안 좋아지거나 하는 단점들도 존재하지만, 상대적으로 4개의 바퀴 모두가 구동력과 횡력과 작용력을 배분해서 가져가기 때문에 운행의 안정성이 높아집니다. 그래서 그립이 상대적으로 더 많이 남는다는 장점이 있죠. 그리고 옛날 같으면, ‘네 바퀴를 묶어서 똑같이 사용한다.’ 이런 느낌이었는데 요즘 출시되는 사륜구동 차량들은 운행의 모든 상황에서 어떤 바퀴가 미끄러질지 즉시 판단합니다. 그래서 미끄러지는 바퀴 쪽의 토크를 빼고, 미끄러지지 않는 바퀴 쪽에 토크를 더 넣는 방식으로 즉시 대응할 수 있습니다. 정말 시대가 많이 좋아졌죠? 적어도 전/후 배분은 다 되거든요.
사륜구동 아무 의미 없다고 하시는 분들이 계십니다. 저도 동의합니다. 살면서 뭐 얼마나 의미 있겠어요? 그런데 미국의 IIHS나 이런 곳의 사고 통계를 보면, 사망 사고 같은 경우에 사륜구동 차량과 그렇지 않은 차 사이의 사망률 차이가 굉장히 크게 납니다. 사륜구동 차량의 안정성을 확인할 수 있는 것이죠. 재미있는 관점으로 “사륜구동 차량은 더 비싸기 때문에 더 조심히 운전한다.”는 의견도 있는데요, 뭐 그런 거 다 차치하더라도 굉장히 유의미한 숫자 차이가 나기 때문에 사륜구동 차량이 더 안전하다고 저는 생각하긴 합니다.
실제로 이론적으로도 사륜구동 차량이 훨씬 더 안전하게 되어 있습니다.
오늘은 언더스티어와 오버스티어에 대해서 간략하게 알아 보았습니다. 해결 방법은 간단합니다. 바로 예방이죠. 감속과 올바른 조향으로 사고 나는 일 없이 안전 운전 하시길 바랍니다.