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[자동차 이야기(59)] 조종 안정성 위해 필수적인 휠밸런스

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[자동차 이야기(59)] 조종 안정성 위해 필수적인 휠밸런스

휠 밸런스 작업과 밸런스 웨이트(균형추)

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운전자라면 자동차가 일정 속도에서 조향 핸들에 진동이 느껴지는 경우나, 자동차가 직진상태를 유지하고 있지만 한쪽 방향으로 쏠리는 경우를 경험하여 보았을 수도 있을 것이다. 이러한 상황이면 운전자들은 불안감을 느끼게 될 것이고 바퀴와 관련이 있는 현상들이라 짐작할 것이다. 이와 같이 바퀴 이상 상태와 관련하여 자동차 정비공장에서 이루어지고 있는 대표적인 작업은 휠밸런스 작업과 휠얼라인먼트 작업이다. 이번 글에서는 운전자들이 혼동하기 쉬운 휠밸런스(바퀴 평형) 작업과 휠얼라인먼트(바퀴 정렬) 작업에 관하여 설명드리기로 하겠다.

◇ 휠얼라인먼트(혹은 바퀴 정렬)

자동차의 네 바퀴와 4개의 현가장치들이 설계단계 및 생산된 상태에서부터 자동차 차체에 특정 기하하적인 각도(Angle)를 두고 설치되어 있는 데, 이러한 각도들을 설정하는 것이 휠얼라인먼트라고 하며 대표적인 요소들이 캠버각, 토인/토아웃, 캐스터각 등이 있다. 자동차 바퀴들에 각각의 특정한 휠얼라인먼트 특성값를 설정하는 이유는 조향 핸들을 조작을 용이하게 하고, 타이어의 마모를 최소화하고, 자동차 직진성능과 조향핸들에 복원성을 부여하도록 하기 위해서이다.

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휠얼라인먼트 요소 (캠버)


그림에서와 같이 포지티브 캠버각을 갖는 바퀴는 핸들링에 따른 응답성이 굉장히 빨라서, 조향 핸들을 조금만 조작해도 빠른 응답성을 가지지만 코너링시 타이어가 쏠릴 경우에는 접지면이 부족해 불안정해지는 현상을 보이는 경향을 보인다. 반대로 네거티브 캠버의 경우는 주로 스포츠 드라이빙이 잦은 경우에 사용되는 데, 대부분의 레이스카 들은 코너링시 타이어의 변형이 크게 되어 많은 접지력을 만들어 낼 수 있지만 타이어 안쪽 마모가 급격히 빨라진다는 단점이 있다는 특성이 있다.

그러나 자동차의 나이가 들어갈수록 여러 가지 원인들에 의해 초기 휠얼라인먼트 요소(캠버, 토인/토아웃, 캐스터) 각도들이 변화하게 되면 도로면과 접촉하는 타이어가 균일하지 않게 편마모가 생기게 되고, 조향 핸들이 헐겁게 느껴지고 심한 경우에는 자동차가 한쪽 방향으로 쏠리거나 조향핸들에 심한 진동이 발생하게 된다. 따라서 필요시 자동차 차체와 네 바퀴의 캠버, 토인/토아웃, 캐스터각 설정값들을 측정하고 설정값 상태로 조정하는 것을 휠얼라인먼트 측정 및 조정이라 한다. 일반적으로 휠얼라인먼트는 20,000Km 주행시, 2년 정도 주기를 기준으로 점검하는 것이 권고사항이나 충돌, 추돌사고나 충격을 받았다면 컴퓨터 방식의 기계를 이용하여 휠얼라인먼트 측정하고 조정작업을 하는 것이 자동차의 양호한 주행거동, 타이어의 수명을 연장하는 데 꼭 필요하다고 판단한다.

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컴퓨터방식의 장치를 이용한 휠얼라인먼트 측정


휠얼라인먼트를 측정하기 위해서는 사전점검 및 준비사항들이 필요하게 되는 데, 조향관련 부품의 육안 점검, 휠과 타이어의 육안 점검, 차체의 좌우, 전후 높이 점검, 사전 점검을 통해 확인된 불량 부품의 교환수리 등이 이에 해당한다.

휠얼라인먼트(혹은 차륜정렬) 측정장치는 대부분 6개∼8개의 각도측정 센서가 바퀴 정렬상태 판정에 필요한 각도를 전기적으로 감지한다. 이 전기적 신호는 컴퓨터(CPU)에 입력된다. 컴퓨터는 입력정보를 처리하여, 그 결과를 화면(또는 프린터)을 통해 출력시킨다. 측정의 정확도는 시스템에 따라 다소 차이가 있으나 대부분 ±5′(초)∼±10′(초) 정도이다. 자동차 제조회사, 모델명, 생산년도를 선택하여 규정값을 호출하여, 측정값과 비교하면서 편차를 조정하는 방식이 대부분이다.

◇ 바퀴의 평형과 불평형이란?

바퀴는 휠과 타이어로 구성되고, 바퀴의 무게중심점이 바퀴의 회전중심에 있어서 평형을 이루어야 한다. 그러나 거의 모든 바퀴의 무게중심점이 회전중심과 어긋나 있는 데 타이어 트레드 두께의 불균일, 공기밸브 등에 그 원인이 있고, 이것을 바퀴의 불평형(언밸런스)이라 한다. 또한 바퀴의 불평형(언밸런스)상태도 크게 정적 불평형과 동적 불평형으로 구분하며, 각각 발생하는 현상도 다르게 된다.

가. 바퀴의 정적 불평형

먼저 바퀴의 정적 불평형 상태는 그림과 같이 바퀴의 한 부분에 m1이라는 무게가 주어지는 경우이다. 이러한 상태에서는 언제나 m1의 부분이 중심축의 아래쪽에 왔을 때는 스스로 정지하게 되고 이러한 상태를 정적 평형(static balance)이 잡혀 있지 않다고 한다. 이 상태에서 바퀴를 회전시키면 m1에 원심력이 작용하여 가속과 감속을 반복하므로 m1이 윗부분에 갔을 때는 바퀴가 위로 올라가고 m1이 아래 부분에 갔을 때는 바퀴가 노면을 두드리게 된다. 이 때문에 바퀴가 상하로 진동하면서 바퀴에 진동이 발생되며 이때 동시에 차체의 진동은 트램핑(tramping) 현상으로 발생한다.

(a) 정적 불평형상테 (b) 정적 평형 작업

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바퀴의 정적 불평형 상태와 정적 평형 작업. 그림=한국산업인력공단


나. 동적 불평형

그림과 같이 바퀴는 정적 평형를 유지하고 있지만, 바퀴 회전축을 중심으로 존재라는 질량들에 의해 원심력이 회전축 중심선에 직각방향으로 회전 토크를 발생시키게 되는 데 이를 바퀴 동적 불평형라고 한다. 동적불평형 상태에서는 바퀴가 좌우로 흔들리는 진동 현상이 나타나며 이를 시미 (shimmy)라고 한다.

(a) 동적 불평형상테 (b) 동적 불평형에 의한 시미 (shimmy)

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바퀴의 동적 불평형상태. 그림=한국산업인력공단


◇ 휠밸런스 작업

바퀴의 불평형은 바퀴의 회전에 따라 원심력을 발생시키고, 원심력의 크기는 바퀴의 회전속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 바퀴가 평형이 되어있지 않으면 일정속도 이상(승용차의 경우엔 100Km/h 부근)에서 불평형 질량에 의한 바퀴의 진동과 스프링 아래질량의 고유진동수와 공진하여 조향 핸들까지 진동하는 현상이 발생되게 된다. 이와 같은 진동은 타이어와 현가장치 부품의 마모를 촉진시킬 뿐만 아니라, 특히 안전한 고속 운전을 저해하는 요소가 된다. 따라서 자동차의 모든 바퀴는 반드시 평형(balancing)이 이루어져 있어야 한다. 바퀴 무게의 불평형을 보정하는 작업을 휠밸런스 작업 혹은 타이어밸런스 작업이라 한다. 휠밸런스 작업에는 그림과 같이, 타이어와 휠이 조립된 상태에서 바퀴의 불평형량을 측정하는 특수한 장비를 사용하게 된다.

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휠밸런스 장비


또한 휠밸런스 장비로부터 측정되는 바퀴의 불평형 질량을 보정하기 위한 것을 밸런스 웨이트 (혹은 균형추)라고 한다. 예전에는 밸런스 웨이트로 납 소재를 사용하여 클립 형태로 추가하는 것이 일반적이었지만, 최근에는 알루미늄합금 휠의 적용과 미관을 중요시하는 추세에 따라 휠의 안쪽에 납이나 알루미늄 소재의 작은 금속조각을 접착하는 형태로 사용되어 바퀴의 평형을 마무리하는 데 사용되어지고 있다.

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바퀴에 추가된 밸런스 웨이트

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한상욱 신한대 교수


특히 최소한 타이어를 교체하는 경우와 정기적인 육안 점검을 통해 휠밸런스 상태 혹은 밸런스 웨이트의 상태를 확인할 필요가 있다. 자동차 바퀴들의 적절한 타이어 공기압과 휠밸런스 상태를 유지하게 된다면 타이어의 수명 유지와 안정되고 쾌적한 고속 주행이 최소한 담보된다고 하겠다.


한상욱 신한대 기계자동차융합공학과 교수