서스펜션
일반적인 서스펜션의 중요성은 우리가 잘 알고 있는 것처럼 차축과 차체를 연결하여 차량의 운행중에 노면으로부터 발생되는 충격이나 진동 등을 최소한으로 줄여 안전한 운행을 또한 편안한 운전을 할 수 있도록 도와주고 차량의 선회시나 출발, 감속, 가속시 가장 중요한 역할을 하고 있다. 현재 양산되는 일반 자동차는 전륜은 맥퍼슨 스트럿방식을 많이 사용하고 후륜은 듀얼 링크나 멀티링크 타입을 많이 사용한다. 그것은 기능이나 성능도 많이 좌우하겠지만 비교적 설계와 제작단가, 양산가능성, 정비성등이 더 많은 부분을 차지하게 마련이다. 하지만 레이싱카의 경우 전륜, 후륜 모두를 더블 위시보운타입을 사용한다. 레이스카는 앞에서 이야기한데로 오로지 달리기만을 위한 차이기 때문에 승차감의 편안함보다는 안전하고 정확한 성능을 얻기 위한 설계가 우선적이다. 서스펜션은 차량이 직선을 달릴 때에도 중요한 역할을 하겠지만 코너링 에서 그 진가가 발휘된다. 우수한 코너링을 위해서는 다음과 같은 조건들이 있다.
1. 중량
차량의 무게가 가벼울수록 차량의 선회시 원심력이 작아지고 가속포인트가 빨라진다. 초등학교 운동회 때 홀쭉이와 뚱뚱이가 달리기를 하는 것과 같은 이치라고 할수 있겠다. 특히 서스펜션의 스프링이하의 무게를 줄이게 되면 노면의 영향에 따른 타이어 및 허브등에 의한 관성력이 작아지게 되어 타이어의 접지력이 우수하게 되어 코너링시 우수한 능력을 발휘하게 된다. 이것은 달리기 선수의 발목에 모래 주머니를 달고 경기에 임하는 것과 그렇지 않은 선수와의 차이라고나 할까. 이를 위해 포뮬러카는 서스펜션을 인보드화<쇼크 및 스프링 등을 차체 안에 설치하는 것> 해서 공기저항에 의한 마찰계수도 적게 하고 타이어의 접지력도 높이는 역할을 하게 된다.
2. 서스펜션
*서스펜션의 구성요소와 기능
쇼크업쇼버
레이스카의 쇼크업쇼버는 차체의 진동이나 쏠림 등에 의해 차체를 지탱해야 하므로 큰 감쇄력을 가지고 있어야 하며 차량의 상태, 날씨, 드라이버의 운전습관, 경기장의 성격 등에 맞추어 감쇄력의 크기와 신축비등이 조절 가능해야 한다.
*스프링
차량의 승차감을 배재 하고 보다 빠르게 달리기 위해서는 보다 큰 스프링 상수가 필요하다. 평균적으로 일반 양산차는 3~4kg/mm이지만 투어링카에 사용되는 스프링은 6~15kg/mm이고 F1머신은 15~20kg/mm정도의 스프링을 사용한다. 레이스카는 일반 차량보다 몇배 강한 스프링과 쇼크 업 쇼버를 장착하기 때문에 차량을 탑승해 보면 마치 경운기를 타는 듯한 느낌을 받는다.
*암
암은 서스펜션과 너클, 섀시 등을 연결하는 아주 중요한 부분이다. 투어링카의 경우에는 노멀 암을 사용하게 되며 암의 충격이나 진동, 쏠림 등에 의한 변형을 막기 위해 연결부위의 고무부싱류를 우레탄이나 합성플라스틱, 또는 알루미늄같은 단단한 재질의 것으로 교환을 하여 사용하게 된다. 포뮬러의 경우 대부분은 강관을 이용한 암을 사용하게 되며 각 연결부위는 베어링으로 만들어진 피로볼을 사용하여 간섭에 의한 저항을 줄이고 길이도 조정할 수 있게 제작된다. 최근F1 에서는 공기저항의 최소화와 무게의 경량화등을 위해 암, 어프라이트 등을 윙 처럼 풍동실험을 거쳐 카본으로 제작하는 추세이다. 암의 강도는 일반 양산차에 비해 약하며 암이 가져야할 최소한의 강도를 기준으로 제작된다. 그렇게 해야 만이 차량의 충돌이나 추돌시 암이 파손되면서 충격을 흡수해 드라이버의 생명을 보호하기 때문이다.
*스테이빌라이저
레이싱카의 스테이빌라이저도 일반 양산차량처럼 차량의 롤링을 방지하고 차량의 접지력을 높이기 위한 것이며 포뮬러의 경우 이것의 강도를 조정할 수 있도록 되어 있다. 날씨가 좋은 날은 강도를 조금 강하게 셋팅을 하고 비가 오거나 흐린 날은 강도를 낮게 조정하거나 사용하지 않도록 셋팅을 하는 것이 보통이다.
3. 차량 셋팅
차량의 셋팅 이라 하면 설계 당시부터 중요한 부분이다. 하지만 일단 제작된 차량이라면 그 차량의 특성과 드라이버의 운전 습관, 경기장의 성격, 경기규정 등에 맞추어서 재 조정 해야 하는 것이다. 셋팅은 일단 차량의 움직임<롤링, 피칭, 요잉, 바운딩등>을 보고 판단해야한다. 차량의 스타트, 브레이킹, 시프트업, 시프트다운, 코너링 등을 자세히 관찰하고 노우즈업, 다운 등이 어떻게 진행되는지를 체크해 차량의 무게중심의 이동이 어떻게 이루어지는 가를 체크해서 조정해야 한다. 셋팅에 있어서 제일 중요한 것은 드라이버와 타이어다. 이것이 먼저 정해지고 나면 테스트를 통해서 셋팅에 들어가게 된다.
3.1. 출발, 브레이킹시 차량의 움직임을 체크하여 얼라이먼트를 이용해서 조정한다.
캠버- 일반적으로 레이스카는 마이너스 캠버를 주게 된다. 직진성 보다 코너링시 차량의 성능차이가 많아 높은 접지력을 얻기 위해서 그렇다. 캠버의 조정은 투어링카의 경우 규정상 쇽크업쇼버의 어퍼마운트를 움직일 수 있도록 제작을 해서 이것으로 조정하게 된다. 다른 레이스의 경우에는 로어암의 길이를 조정할 수 있도록 제작을 해 그것으로 캠버를 조정한다. 캠버의 양은 드라이버와 타이어, 날씨, 경기장의 구조등 여러 가지조건들을 고려해서 테스트를 한 뒤 결정하게 된다.
토우- 토우는 타이어와 드라이버에 의해 바뀌므로 테스트를 통해 그 값을 결정하게 된다. 일반적으로 차량을 토우인으로 셋팅을 하게 되면 드라이버가 의도한 스티어링각 보다 더 많은 각도로 차량이 움직이게 되는데 이것을 '오버스티어' 현상이라고 한다. 반대로 토우아웃으로 셋팅을 하게되면 드라이버가 원하는 각도보다 차량이 적은 각도로 움직이려고 하는 현상이 발생되는데 이것을 '언더스티어'현상이라고 한다. 물론 토우의 조정만으로 위와 같은 현상이 일어나는 것은 아니며 코너웨이트나 서스펜션의 셋팅과 함께 복합적으로 발생되는 현상이다. 이러한 현상을 셋팅하는데에는 엔지니어의 경험과 방법에 따라 달라지게 된다.
캐스터- 캐스터가 작으면 차량의 직진성이 떨어지며 핸들의 복원력도 약하고 캐스터가 클 경우 차량의 직진성은 우수하나 코너링시 조종안정성 등이 떨어지는 상반되는 경향이 있기 때문에 서스펜션을 제작할 때 미리 계산해서 설계를 한다.
차고-차량의 세팅중에서 가장 중요한 셋팅중 하나이다. 차고를 최대한 낮추면 코너링시 차량의 전복 및 공기저항 등을 낮출 수 있는 장점이 있다. 하지만 차고가 너무 낮을 경우 경기장 코너구간에 설치된 연석이나 굴곡이 심한 직선에서는 차체가 노면에 부딪히는 경우가 발생하게 된다. 또한 경기도중 타이어가 파손되었을 때 차량이 움직일 수 있는 최소한의 높이를 계산해야 한다. 차고의 조정은 쇼크업쇼바의 스프링 시트를 움직여 차고를 조정하게 된다.
코너웨이트-차량의 무게배분을 이야기하며 차량의 4바퀴에 걸리는 하중의 배분을 이야기한다. 공차 상태의 코너웨이트를 측정하고 드라이버의 탑승시와 연료등의 주입시 등을 측정하여 차고를 이용해서 조정하게 된다. 코너웨이트는 차량의 4바퀴의 무게를 측정할 수 있는 전자저울을 이용해서 측정하게 되며 차량의 선회시 관성모우멘트, 오버,언더스티어링현상 등을 좌우하는 중요한 부분이므로 셋팅을 할 때에는 많은 신경을 써야 하는 부분이다.
3.2. 주행 중 차량의 무게중심이동<노우즈업,다운의 상태 체크>
주행중의 차량의 상태 즉 시프트업,다운, 브레이킹, 가속등과 같은 조건에서 차량의 상태는 쇼크업쇼버를 이용해서 조정하게 된다. 일반적으로 좌우는 동일한 상태로 하며 앞뒤의 쇼크업쇼버의 감쇄력을 조정해 차이를 두어 차량을 셋팅하게 된다.
4. 그립력
그립력 이라고 하면 타이어와 노면과의 마찰력이라고 이야기 할 수 있다. 그립력 에는 코너링포스, 얼라이먼트등 많은 것들이 영향을 주겠지만 가장 중요한 역할을 하는 것은 휠과 타이어이다.
*휠
초창기 휠은 스포크휠 이나 철재휠이 대부분이었으나 휠의 무게에 대한 중요성과 재질에 대한 발전등에 의해 주조 알미늄으로, 단조 알미늄으로 발전해 나갔으며 1피스에서 2피스, 3피스로 발전했고 현재는 마그네슘휠로 까지 발전하게 되었다. 휠은 일단 무게가 가벼워야하며 어느 정도 강도를 유지해야 한다. 그러한 면에서 마그네슘휠은 상당히 우수한 휠임에 틀림없다. 하지만 부식이나 산화, 응력 등에 대해서는 상당히 약한 모습을 보이며 가격 또한 만만치 않다. 그렇기 때문에 경기나 연습주행이 끝나면 주행중 사용했던 휠은 모두 세척을 하고 약품처리를 해서 크랙검사를 하게 된다. 크랙이 발견되게 되면 작은 크랙은 가공을 해서 사용을 하고 그렇지 않으면 휠 전문회사에 보내져 사용 가능한 것은 사용을 하고 그렇지 않은 부분은 교환을 해 재조립 한 후 사용하게 된다. 휠의 선택 또한 상당히 중요한 부분이어서 사이즈나 폭 옵셋 등을 결정할 때에는 신중을 기해야 한다. 휠의 사이즈는 보통 규정에 나와 있으며 이 규정에 맞게 폭도 결정을 하게 마련이다. 옵셋이 <+>가 되면 차량의 트레드가 작아 지므로 코너링시 불리한 조건이 되며 옵셋이 작아지거나 <->가 되면 트레드가 넓어져 우수한 코너링을 할 수 가 있지만 그만큼 직진성능은 떨어진다는 것을 염두에 두어야 한다. 하지만 국내 규정상 오버팬더<팬더를 다시 제작해 트레드를 넓게 만들기 위해 밖으로 나오도록 제작하는 것>를 금지하고 있기 때문에 캠버값을 계산한 팬더 끝 부분에 맞추어 선택하게 된다.
*타이어
레이싱 타이어의 조건에는 제일 중요한 것이 그립력 이고 무게가 가벼워야 한다. 그래야 만이 회전 관성이 적어지고 고속회전에서도 원심력에 견디기가 쉽기 때문이다. 또한 굴림저항이나 공력이 우수해야 하고 충돌이나 추돌 사고시 변형에 강해야 하고 파열에도 강해야 한다. 우수한 그립력을 위해서 레이싱 타이어는 일반 타이어에 비해 부드러운 레이디얼 슬릭 타이어를 사용한다. 타이어의 성격은 타이어의 성형시 추가되는 컴파운드의 재질과 양에 따라 결정되며 레이스용은 일반타이어에 비해 부드러운 반면에 내구성이 약해져 오랫 동안 운행을 할 수가 없다. 우리가 초등학교 때 쓰던 고무 지우개를 생각해 보면 알 수 있다. 부드러운 지우개는 글씨는 깨끗이 지워지지만 오래 사용할 수가 없고, 딱딱한 지우개는 글씨는 깨끗이 지워지지는 않지만 오래 쓸 수 있지 않은가. 타이어의 결정은 레이스카에 있어서 상당히 중요한 부분이다. 경기장의 성격, 날씨, 온도, 등을 고려해 많은 테스트를 거쳐서 결정하게 되며 테스트 중에는 타이어의 공기압의 변화 트레드의 부위별 온도<안쪽, 중간, 바깥쪽>, 트레드의 닳는 상태등을 기록해 셋팅을 하게 된다. F1 타이어는 예선용, 결승용이 있으며 예선용 타이어는 짧은 시간에 최고의 기록을 내야 하기 때문에 상당히 부드럽고 그립력이 우수하며 장시간 사용할수 없는 타이어이다. 하지만 결승용은 예선용 보다는 그립력이 조금 떨어지고 내구성이 우수한 타이어가 사용된다. 또한 우천시에는 'Wet tire'를 사용하는데 배수성이 우수하도록 트레드를 가공하여 사용하며 좋은 날씨에서는 그립력이 우수한 슬릭타이어를 사용한다. 경기 전에 타이어의 온도를 높이기도 하며 포메이션 랩 때 타이어의 온도를 높이기 위해서 좌,우로 번갈아 가며 운행하는 모습을 보게 된다. 하지만 레이싱 타이어는 일반 타이어에 비해서 타이어 하중에 따른 사용 범위가 좁기 때문에 코너링시 그 한계를 벗어나게 되면 그립력을 잃어버리고 복구가 어렵기 때문에 차량이 미끄러지는 현상이 발생되므로 드라이버의 좀더 민감한 핸들링을 요구하게 된다. 국내에서는 투어링카에 사용되는 금호타이어의 'V800'과 한국 타이어의 '블랙 파이터'가 있고 포뮬러용 타이어에는 한국타이어의 '벤투스'가 있다.
5. 관성 모멘트
차량이 코너링시 차량의 움직임과 핸들링에 영향을 미치는 것 중 가장 중요한 부분중 하나이다. 관성 모멘트란 차량이 움직일 때 일어나는 무게 중심의 이동으로 이것이 크면 차량의 움직임을 콘트롤하기 힘들며 그로 인해 차량의 재 가속이나 드라이버가 가고자 하는 라인을 그려 나갈 수 없게 된다. 그러므로 차량의 제작시 차량의 무게를 최소하 하고 차량의 무게 중심에 가까운 곳에 무게를 집중시키고 중심에서 멀어지는 곳의 무게는 할 수 있는데로 최소화해야 한다. 서스펜션의 인보드화나 엔진의 미드십배치 등이 이러한 맥락이라고 말할 수 있겠다. 차량이 무겁고 관성 모멘트가 클 경우에는 코너링시 핸들링에 대한 차량의 반응이 늦어지게 되고 자칫 잘못하면 차량이 미끄러지는 현상까지 발생 되게 되는 것이다.