휠 얼라인먼트란 뭘까? 많이 들어 봤는데…
자동차를 타다 보면 어느 순간 자동차가 똑바로 주행하지 못하고 어느 한쪽으로 쏠리는 현상이 생긴다. 이러한 문제의 원인은 다양할 수 있으나 가장 흔한 것이 얼라인먼트에 관련된 것이다. 이는 자동차 관련 전문 리뷰 콘텐츠를 통해서도 많이 들을 수 있는 용어다. 그러나 막상 휠 얼라인먼트에 대한 자른 듯한 정의는 어렵다. 그것은 서스펜션과 마찬가지로 얼라인먼트 역시 여러 부품들의 조정으로 구현되는 하나의 현상이기 때문이다.
휠 얼라인먼트를 구성하는 요소들 |
휠 얼라인먼트(wheel alignment)는 자동차 바퀴의 위치, 방향 등의 올바른 정렬 상태를 말한다. 이러한 얼라인먼트를 이루는 요소는 킹핀, 캠버, 캐스터, 토 등이 있다.
■ 캉핀 경사각(kingpin inclination)
킹핀은 자동차의 조향 장치 너클을 차축에 고정시켜주는 핀이다. 통상 킹핀은 자동차를 정면에서 바라보았을 때 윗부분이 안쪽으로 경사진 형태(inclination)로 설치되어 있다. 이 킹핀 축의 중심과 노면에 대한 수직선이 이루는 각을 킹핀 경사각이라고 한다. 이 각은 차종에 따라 다르나 일반적으로 6~9° 정도 범위로 설정된다. 이러한 경사각이 필요한 이유는 스티어링 휠 조작 시의 저항 완화다. 또한 주행 및 제동 시의 충격을 완화하고 스티어링휠 조작 시의 복원력 증대도 목적이다.
킹핀 각의 도식과 실제 세팅에서의 관계
■ 캠버, 캠버 각(camber angle, roll)
캠버는 자동차를 정면에서 보았을 때 자동차의 휠이 기울어져 있는 상태 즉 장착 각도를 말한다. 캠버의 방향과 각도는 선회와 직진 시의 안정성 등에 영향을 미친다. 캠버는 휠 중심선이 바깥으로 기울어지는 포지티브(+), 중심선이 수직인 제로, 안쪽으로 기울어지는 네거티브(-)로 구분된다.
일반적인 양산차의 캠버는 포지티브 혹은 제로를 취한다
일반적인 자동차의 캠버 형태는 하중으로 인해 바퀴의 아래쪽이 벌어지는 것을 방지하고 선회 시 불필요한 구동 저항으로 인한 타이어 마모를 줄이기 위해 포지티브 캠버로 세팅된다. 그러나 선회 시 그만큼 마찰력은 부족해진다. 반대로 선회 시 강한 마찰력을 필요로 하는 스포티한 차량이나 레이싱카는 네거티브 캠버를 적용한다.
포뮬러 원의 자동차들과 같은 레이싱카는 눈에 띌 정도의 네거티브 캠버를 적용하고 있다
■ 캐스터, 캐스터 각(caster angle)
자동차를 측면에서 봤을 때 앞바퀴를 고정해 주는 킹핀이 기운 각도를 캐스터 각이라고 한다. 캐스터 각은 주행이나 조향 시 타이어의 접지 면적과 관련이 있으므로 조종성에도 영향을 미친다. 캐스터 역시 캠버와 마찬가지로 방향에 따라 포지티브, 네거티브로 나뉜다. 포지티브 캐스터는 킹핀이 차량 가운데 방향으로 기울어진 상태를 말하며 양산차의 경우 대부분이 포지티브 캐스터가 적용된다. 직진 시 안정성이 우선인 세팅이다. 반대로 킹핀이 앞쪽으로 기울어진 네거티브 캐스터를 적용하면 선회 시의 조향 반응은 기민해진다. 그러나 조타각이 커질수록 바퀴가 안으로 들어가려는 힘이 강해져 고속 주행시 조향이 어려워진다.
캐스터 각의 도식
■ 토, 토 각(toe angle)
토(toe)는 사전적으로 발 끝을 의미한다. 즉 토 각은 자동차를 위에서 바라봤을 때, 타이어가 발끝을 모으고 있는지 아니면 벌리고 있는지를 말하는 것이다. 앞쪽이 벌어져 있으면 토 아웃, 안쪽으로 들어가 있으면 토 인이라 한다.
토 각은 직진 주행 시 바퀴가 받는 구름 저항의 정도에 영향을 미친다. 일반적인 양산차에는 토 인 세팅이 많이 적용되는데 주행 중 저항과 통상 포지티브로 설정된 캠버의 영향으로 타이어가 벌어지기 때문이다. 특히 전륜 구동 차량의 전륜은 이러한 경향이 조금 더 강하다. 이를 토 인 세팅으로 하면 주행 시 바퀴가 주행 방향으로 정렬되는 효과가 있다. 이를 통해 직진성과 조향 시 복원성을 확보할 수 있으며, 타이어의 편마모를 방지해 준다. 그러나 선회 시 빠른 조향 반응이 필요한 차종에는 토 아웃 세팅이 적용되기도 한다.
진행 방향에 대한 토 인과 토 아웃
주행 중 한쪽으로 쏠리고, 타이어가 닳고
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위에서 살펴본 얼라인먼트 구성하는 각 요소들의 각도나 세팅 값이 맞지 않을 경우 주행이 불안정해진다. 대표적인 증상은 조향 불안정이다. 스티어링휠이 정렬되어 있고 타이어 공기압, 서스펜션 각 연결부의 상태 등이 정상임에도 자동차가 한쪽으로 쏠리는 증상이 있다. 이 경우에는 좌우 타이어의 공기압이 다를 때도 관찰되는 증상이다. 그러나 타이어 공기압이 정상인데 이러한 현상이 계속 된다면 휠 얼라인먼트를 점검할 필요가 있다.
참고로 휠 얼라인먼트 불량과 자동차의 조향이 한쪽으로 쏠리는 증상은 트랜스미션과 전륜 차축을 연결하는 등속조인트가 노후화하거나 불량인 경우에도 발생한다. 그러나 등속 조인트 문제일 경우 스티어링 휠을 돌릴 때 마다 ‘뚝뚝’하는 소음이 발생한다는 점이 얼라인먼트 문제와 다르다.
얼라인먼트 불량은 제동 시 소음을 유발하기도 한다. 또한 이상 마모가 심해지며 타이어의 수명까지 단축시킨다. 선회나 조향 후 스티어링휠이 복원되는 동작이 원활하지 않아도 얼라인먼트 상태를 의심해볼 필요가 있다. 그래서 정기적으로 점검을 받을 때, 엔지니어에게 타이어의 마모도의 균형 확인을 부탁하는 것이 좋다.
이 외에 선회나 U턴 등의 상황에서 스티어링휠을 돌렸다가 놓았을 때 스티어링휠이 정렬 상태로 잘 복원되지 않는 것도 휠 얼라인먼트 불량의 가능성이 높다. 평소 자기 차량의 상태에 관심을 갖고 체크해보는 습관이 필요한 이유다.
■ 휠밸런스, 휠 얼라인먼트와 다르다고?
휠 얼라인먼트와 휠 밸런스는 혼동되기도 한다. 앞서 살펴본 것처럼 얼라인먼트는 차축과 조향 계통 부품의 결합과 같은 엔지니어링적 사인이다. 이와 달리 휠밸런스는 휠의 무게 균형이 맞지 않아 스티어링 휠의 떨림이 심하고 타이어의 특정 위치에 편마모가 발생하는 것을 말한다. 휠 밸런스는 휠에 납으로 된 추를 부착해 잡아낸다.
얼라인먼트 상태를 나쁘게 하는 요인들 |
휠 얼라인먼트는 도로 위의 여러 요인에 인해 지속적으로 틀어지게 된다. 과속 방지턱을 빠른 속도로 넘었을 때도 틀어질 수 있고 2020년 여름의 장마처럼 큰 비로 인해 생긴 포트홀도 휠 얼라인먼트 틀어짐의 원인이다. 따라서 이런 충격이 차량에 가해졌을 때는 이후 주행 시 앞서 살펴본 이상 증상이 나타나지 않는지 체크해야 한다.
또한 급제동, 급가속은 물론 고속으로 코너를 돌거나 스티어링휠이 정렬되지 않은 상태로 급가속과 제동을 시도하는 것도 휠 얼라인먼트 틀어짐의 원인이 될 수 있다. 정지 상태에서 불필요한 스티어링휠 조작이나 서스펜션 계통의 문제를 방치해도 이러한 문제가 발생하기 쉽다.
제조사의 섀시와 서스펜션 연구,
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최근에는 자동차의 섀시 설계와 서스펜션 시스템 그리고 하부를 구성하는 각 부품의 강성 연구가 발전했다. 자동차 엔지니어들은 특히 구동 계통이나 서스펜션, 타이어 등에 가해지는 하중을 효율적으로 관리하고 주행 안정성과 내구성을 구현하는 데 있어 강성과 유연성을 가진 소재를 적절하게 배치하는 섀시 엔지니어링이 가장 중요하다고 입을 모은다.
현재 혼다에 적용되는 차세대 ACE(Advanced Compatibility Engineering) 바디는 최대 1,500MPa(메가파스칼, 152kgf/㎟) 수준의 초고장력 강판부터 유연성이 강조된 270MPa(27.5kgf/㎟)에 이르는 소재 배치를 통해 안전도는 높이면서 차량 하부 부품들에 가해지는 하중을 최소화한다. 정비 엔지니어들은 혼다의 휠얼라인먼트 정렬이 쉽게 틀어지지 않고 재정비도 수월한 편이라고 하는데 여기에는 섀시의 역량이 크다고 할 수 있다.
New CR-V 터보 차세대 ACE 바디의 장력별 소재 배치
또한 혼다는 서스펜션 시스템에서의 다양한 아이디어를 통해 얼라인먼트 유지 능력을 개선하고 있다. 예컨대 New CR-V 터보의 경우, 후륜 서스펜션의 토 컨트롤을 담당하는 암 형태 부품과 휠허브를 연결하는 부분에는 댐퍼처럼 유성의 액체가 들어가 있는 부시가 적용돼 있다. 전륜 구동 차량의 후륜 토 세팅은 선회력 향상을 위해 약간 토 인 값을 갖고 있는데, 주행 중 저항이나 충격에 의해 점점 벌어지려 하는 경향이 생긴다. 이를 세심한 세팅을 통해 완화하고자 하는 것이다.
물론 이와 같은 노력에도, 휠 얼라인먼트는 영구불변하는 것이 아니므로 적어도 1년에 한 번 혹은 1~2만km마다 체크할 필요가 있다. 서비스센터에서도 가능하며 정비 시간도 30분 내외로 오래 걸리지 않는다. 올바른 휠 얼라인먼트의 유지는 주행의 안정성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 타이어의 편마모로 인해 발생하는 불필요한 교체 비용도 절감할 수 있다. 무엇보다 안전을 위해서도 정상적인 휠 얼라인먼트는 필수적이다.
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