자동차에 적용된 yaw 컨트롤 장치들 분석 (feat. 토크 벡터링)
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안녕하세요~ 아우디로 서킷타는 서킷초보 린드우디입니다~
이번에는 자동차의 yaw운동에 영향을 미치는 장치는 어떤게 있는지 분석해 보았습니다.
1. 앞 타이어
이게 뭔 소리야??? 라고 생각하시겠지만 자동차가 코너를 돌아가는 원리는 전륜 타이어의 슬립 앵글에 있습니다.
스티어링 조향을 통해 전륜 타이어와 노면이 마찰하는 면이 비틀림각이 생기고
차량의 직선 운동을 횡 운동으로 변화 시키는 코너링 포스가 형성 됩니다.
코너링 포스를 통해 횡 운동을 시작한 차량은 위와 같이 회전 중심축을 기준으로 동심원을 그립니다.
그런데 자세히 보시면 차를 중심으로 그림을 그려보면 차는 yaw운동을 하고 있습니다.
자동차의 코너링은 횡운동과 yaw운동이 함께 일어나며 도로를 주행하는것입니다.
더 자세한 내용은 다른 좋은 자료들이 많으니 일단 여기까지만 설명하겠습니다.
2. 질량 분포
스포츠 주행을 많이 해보신 분들은 잘 아시겠지만 차량의 질량 분포도 yaw운동에 영향을 줍니다.
특히 스포츠 성향이 높은 차량들이 무거운 엔진을 차량 중심에 놓는 FMR, MR 레이아웃을 추구하는 이유입니다.
차량의 엔진과 변속기 배치 레이아웃은 분명 코너링 성능에 영향을 줍니다.
무거운 질량이 차량의 중심에서 멀수록 차는 yaw운동이 잘 발생하지 않고
무거운 질량이 차량의 중심에 가까울수록 차는 yaw운동이 잘 발생합니다.
FF보다는 FR이, FR보다는 MR이 코너링하기에 훨씬 유리한 구조라고 볼수 있습니다.
스포츠카, 슈퍼카, F1 경주차들이 실내 공간을 포기해서라도 MR구조를 유지하는 이유이기도 합니다.
3. ESC (Electronic Stability Control)
그 다음은 바로 전자 제어 시스템을 통한 차량의 yaw컨트롤입니다.
"근데 갑자기 ESC ?? ESC는 주행 안정성을 위한 장치 아닌가요?" 라는 생각이 드신다면 정확하게 보셨습니다.
ESC 장치 자체가 차량의 불안정한 움직임, 즉 불안정한 yaw거동을 바로 잡아주는 장치가 ESC입니다.
(브랜드 별로 부르는 명칭이 다릅니다. 현대 기아에서는 VDC라고 부르고 BMW는 DSC라고 부릅니다.)
ESC장치의 원리는 간단합니다.
네 바퀴중 한쪽 바퀴에 제동을 걸어 차량의 비정상적인 yaw거동을 잠재웁니다.
진행 중인 yaw운동에 반대되는 yaw를 만들어 차량의 자세를 바로 잡습니다.
단, ESC는 차의 자세가 아주 크게 무너졌을때만 발동되는 매우 보수적인 장치입니다.
실제로 눈길이 아닌 이상 일상에서 ESC가 동작하는걸 체감하시는건 힘드실겁니다.
물론 여기 서킷스토리에서 ESC는 그저 방해물일 뿐이므로 무조건 끄는 대상이죠ㅋ
(저는 초보라 아직 1단계만 끕니다^^;;)
4. 브레이크 방식 토크 벡터링 (Brake-based Torque Vectoring)
드디어 이번 글의 본론이 시작됩니다. 바로 능동적으로 전자 제어를 통해 차량의 yaw컨트롤하는 시스템입니다.
사실 토크 벡터링이 실제 주행에 도움이 되냐 안되냐 말이 좀 많은데요.
그 이유는 토크 벡터링이 동작하더라도 운전자에게 이게 지금 동작하고 있다는걸 안알려주기 때문입니다.
ESC처럼 계기판에 경고등 번쩍여주는것도 아니고, 그렇다고 "나 동작한다!" 하면서 소리 내주는것도 아니고...
(폭스바겐 계열 차량들은 제동형 토크 벡터링 동작시 페달로 찌륵찌륵 신호를 주기는 하네요)
그리고 동작 원리만 생각해보면 ESC(Electronic Stability Control)와 제동형 토크벡터링은 완전히 동일합니다!
두 시스템 모두 네 바퀴중 한쪽 바퀴에 제동을 걸어 yaw를 만들어 내는 방식이니까요.
모닝에 들어간 제동형 토크 벡터링 (TVBB)
포르쉐에 적용된 제동형 토크 벡터링 (PTV : Porsche Torque Vectoring)
ESC와 제동형 토크벡터링의 가장 큰 차이점은
"차량의 자세가 무너질때 동작하는지(ESC)"vs"차량의 자세를 만들어 내기 위해 동작하는지(토크 벡터링)"입니다.
운전자가 조향을 하고 가속, 혹은 감속을 할때 자동차의 ECU는 각종 센서값으로 차량의 진행 궤도를 계산할겁니다.
그런데 예상된 궤도가 충분히 나오지 않을 경우 토크 벡터링 기능을 이용해 의도한 궤도로 돌려 놓을수 있겠죠.
능동적인 yaw컨트롤 방식이 토크 벡터링(제동형)이라고 볼수 있습니다.
5. 능동 토크 배분 방식의 토크 벡터링
(Active Torque Distribution - Torque Vectoring)
마지막으로 소개 해드릴 방식은 yaw컨트롤 시스템의 꽃이라 불리는 능동형 토크 벡터링 시스템입니다.
이 시스템 때문에 브레이크 제동 방식은 가짜 토크벡터링이라는 욕을 먹기도 하죠.
물론 저는 제동형과 능동형 모두다 같은 목적의 yaw컨트롤 시스템으로서 충분히 의미 있다고 생각합니다.
제동형이 사용되는 차종과 능동형이 사용되는 차종을 보면 그 이유를 명백하게 알수 있습니다.
제동형이 사용되는 차종은 BMW나 포르쉐 같이 기본적으로 yaw가 잘 발생 가능한 차종들입니다.
질량분포가 좋아 굳이 능동형을 안써도 되는 차량들이죠.
능동형이 사용되는 차종은 아우디 콰트로, 미쯔비시 란에보, 혼다 SH-AWD 입니다.
딱 봐도 감이 오시죠? 상시사륜으로 유명하고 사륜구동 특성상 yaw발생 시키기 쉽지 않은 차량들입니다.
ESC나 제동형과는 다르게"능동형은 토크를 한쪽 바퀴로 몰아주는게 가능"합니다.
그래서 꽤 복잡한 기계장치와 습식 다판클러치들이 사용됩니다.
제동형 토크 벡터링에 비해 부품 가격이 비싸고 아무 차량에나 적용하기도 쉽지 않죠.
아우디 후륜에 장착되는 능동형 토크 벡터링 (스포츠 디퍼렌셜)
미쯔비시 랜서 에볼루션의 능동형 토크 벡터링 (AYC : Active Yaw Control)
혼다의 능동형 토크 벡터링 (SH-AWD)
위 시스템들의 구성을 잘 보시면 습식 다판클러치가 쌍으로 들어가 있음을 알수 있습니다.
좌우 토크를"실제로"배분하기 위해서는 반드시 필요한 장치죠.
제가 운행하는 B8.5 S4 차량에도 스포츠 디퍼렌셜이 들어가 있는데 실제 코너링에서
조향 타각을 넣은채로 악셀링을 해보면 누가 등뒤에서 차를 돌려주는 느낌으로 부드럽게 yaw가 발생합니다.
란에보의 AYC 시스템의 독일차 버전이 바로 아우디의 스포츠 디퍼렌셜이라 볼수 있습니다.
능동형 토크 벡터링의 장점은 명확합니다.
상시사륜의 끈적한 트랙션 능력을 유지하면서도 빠르게 코너링이 가능하도록 yaw모션을 만들어주는 것입니다.
아우디 콰트로, 랜서 에볼루션, 혼다 SH-AWD... 엔진배치 레이아웃의 단점을 기술로 극복한 차량들입니다.
이 차량들에 들어간 능동형 토크 벡터링이 차량의 스포츠성을 완성시키는 역할을 해준다고 보시면 되겠습니다.
ps.
비전공자로서 제 경험과 얕은 지식을 바탕으로 분석해본 내용이므로
틀린 부분이 있을 수 있는점 참고 부탁드리고 혹시 잘못된 내용이 있으면 댓글 달아주시면 정정 하겠습니다~!
린드우디님의 댓글의 댓글
깜딩이님의 댓글
그러니까 아우디는 자세제어장치를 켜고 달려야 더 빠르다는건가요?
그리고 아우디는 자세제어장치 켰을때 슬립상황에서 악셀 먹나요?
린드우디님의 댓글의 댓글
제가 와인딩이나 서킷에서 주행할땐 ESC OFF로 타는게 더 빨랐습니다
대신 능동형 토크 벡터링이 있는 아우디와 없는 아우디는 랩 타임 차이가 좀 나긴 합니다~
린드우디님의 댓글의 댓글
https://youtu.be/yXxV_dDx2DI
내용만 보면 사실 전자식 LSD 활용법이랑 별 다른 차이점은 없지만...
그래도 혹시나 싶어서 영상 링크 달아 드립니다~
깜딩이님의 댓글의 댓글
와 코스 좋네요.
능동형 토크 벡터링 이라도 자세제어는 꺼야되는군요
4륜이라 그런가 타이어 소리가 후륜차랑 좀 다르게 나네요.
후륜에서 언더날때 나는 소리가 계속 나는데
소리만 그렇고 언더가 나진 않는군요
린드우디님의 댓글의 댓글
일방통행이니 마주 오는 차도 없어서 타고 있으면 꼭 서킷 같은 느낌도 들구요ㅋ
도로 위치는 네이버 지도로 공유 드립니다~
https://naver.me/GwEetbVS
ESC ON(TCS ON)되어있어도 토크 벡터링이 동작을 하긴 하는데 뭔가 좀 이상하게 동작하더라구요
yaw가 붙으면서 뒷바퀴가 슬쩍 슬립이 되려고 하면 TCS가 출력이 죽여서 yaw도 붙을려다 말고
그게 계속 반복되면서 yaw가 붙다가 말고 붙다가 말고 이렇게 되버리더군요~
그래서 ESC SPORT(TCS OFF), ESC OFF로 해야만 스포츠 디퍼렌셜(토크 벡터링)을 100% 활용이 가능하고
재밌는건 다른 후륜 구동차들 yaw가 한번 붙기 시작하면 관성으로 계속 차가 돌아가려는 성질 때문에
카운터를 한번 쳐줘야하는데 토크벡터링은 카운터 칠정도의 yaw는 발생시키지 않더라구요
전자식이다보니 차가 스핀할정도의 yaw는 시스템이 알아서 발생을 억제하는듯한 느낌이 들었습니다.
말씀처럼 언더날것 같이 소리가 엄청 들리는데도 언더가 안나는게 사륜의 영향도 있을 것 같습니다
종종 후륜차로 저 코스 똑같이 돌아보는데 확실히 사륜과 후륜은 느낌이 많이 다르긴 하더라구요
휘소님의 댓글
관성가지고 브레이킹 바이어스를 좌우 조정하는데, 재밌어요 ㅎㅎㅎ
p/C66PMPPNi1n
린드우디님의 댓글의 댓글
그냥 적당히 코너 라인을 이쁘게 그려주는 역할 정도 해주는듯 합니다ㅋ
휘소님의 댓글의 댓글
https://www.instagram.com /p/C66PMPPNi1n/
인스타 링크가 안붙네요.... ㄷㄷㄷ
얘는 레이스카에서 코너 진입시 운전자가 밟는 브레이킹 바이어스를 바꿔주기 때문에 조금 더 공격적으로 될껍니다.
린드우디님의 댓글의 댓글
조향 방향에 따라 브레이크 제동 바이어스가 달라져서 차의 yaw를 만들어 내는군요ㅋ 신기합니다!!
호호호아범님의 댓글