[Formula 1] #20 - 타이어의 캠버(Camber)에 관하여

 이전 포스팅에서 타이어의 토(Toe)에 관해 다뤘었다.

 

 위 대문 사진을 보면 차량의 바퀴가 기울어져있다. 현재 내 지식을 기준으로 이러한 질문들이 떠올랐다.

 

대체 왜 쓸 데 없이 타이어를 기울여놓는 것일까?
저렇게 되면 타이어의 안쪽만 마모되는 건 아닐까?
뭔가 차에 무리가 갈 것만 같은데?

 

 이번 포스팅에서는 토와 함께 서스펜션 세팅의 기본이 되는 타이어 캠버(Camber)에 대해 알아보자.

 

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타이어 캠버(Camber)란?

 캠버(Camber)란 차량의 지면과 수직이 되는 축에서 얼마나 안 쪽 또는 바깥 쪽으로 꺾여있는가를 나타내는 각도다.

 

 예전에 코너를 설명하면서 트랙 노면의 캠버(camber)에 대해 언급한 적이 있다. 트랙 노면의 캠버는 트랙 종단에 대한 기울기나 굽힘을 말하는 것이다.

2021.11.08 - [가벼운 공학 과학 IT/Formula 1 Tech. Stuff] - [Formula 1] #14 - 코너(Corner)에 대한 모든 것

[Formula 1] #14 - 코너(Corner)에 대한 모든 것

 

 이와 비슷하게 타이어의 캠버도 지면 종단에 대한 기울기나 굽힘을 의미하는 면에서 같은 용어를 사용한다.

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타이어 캠버에 대해

 타이어는 본래 서스펜션에 완전한 90도로 붙어있고, 이를 제로 캠버(Zero camber) 또는 중립 캠버(neutral camber)라고 한다.

 만약 타이어의 윗 부분을 바깥으로 꺾으면 양 값의 캠버(positive camber)라고 하고, 안쪽으로 꺾으면 음 값의 캠버(negative camber)라고 한다.

 

앞바퀴의 타이어 네거티브 캠버

 레이스 차량의 앞 타이어는 보통 0도에서 -3.5도 정도로 캠버가 세팅되어 있다.

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타이어의 기초

 자 먼저 F1 차량에 탑승해 운전해본다고 해보자. 아마 타이어 트레드(tread)가 트랙에 최대한 많이 닿기를 바랄 것이다.

 

타이어 컨택트 패치

 타이어와 지면이 닿는 부분을 컨택트 패치(contact patch)라고 하는데, 이 부분은 차량의 무게에 의해 바닥에 강제로 짓눌러져 더욱 평평해진다. 넓은 contact patch를 가질수록 타이어 그립(grip)과 트랙션(traction)에 좋다.

 

 Contact patch를 넓게 한다라는 것은 차량의 적정 그립을 극대화한다는 말과 동일하다. 게다가 타이어 마모도 줄일 수 있고, 타이어의 마찰열도 고르게 분산시킬 수 있다. F1 타이어의 너비가 넓은 이유 중 하나가 바로 이것이다.

 

 앞서 말한 대로 타이어 그립이 가장 극대화되는 제로 캠버(Zero camber)가 제일 좋다. 하지만 이 말은 직선 주로에서만 옳다. F1을 시청하는 사람들, 모터스포츠를 시청하는 사람들은 모두 알고 있듯이 F1은 직선만 달리지 않는다. 다양한 빠르고 느린 코너를 도는 스포츠이다. 

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차량이 코너를 돌아나갈 때

 F1은 아주 빠른 속도로 코너를 돌아나간다. 이는 고속에서 차량의 진행 방향을 특정 방향으로 바꾼다는 말인데, 이때 여러 힘들이 연관된다.

 

 코너를 돌아나갈때 타이어는 코너 안쪽 방향으로(laterally) 힘을 받게 된다. 아무 힘도 없으면 차가 바깥으로 튕겨 나갈테지만, 이러한 횡방향의 힘(lateral force)이 작용하기 때문에 차가 튕기지 않고 버티게된다. 이 횡방향의 힘(lateral force)으로 인해 타이어 고무가 안쪽으로 밀리게 된다. 이로 인해 앞서 말한 contact patch가 안쪽으로 이동한다. 

코너링 시 발생하는 2가지 현상

 차가 코너를 돌 때 2가지 일이 발생한다.

 

 첫째는 차량의 하중 변화가 일어난다. 코너를 돌때 무게는 안쪽에서 바깥쪽으로 이동하게 된다. 차가 정지해있으면 50:50 으로 무게가 배분되겠지만, 코너를 돌때에는 바깥 쪽 타이어가 더 많은 하중을 견뎌야 한다. 이는 코너가 반복되거나 긴 코너를 지날 때마다 바깥쪽 타이어에 무리가 많이 가 마모가 더 심해질 수 있다.

 

 둘째로 코너링을 할 때 무게가 좌우로 이동함에 따라 차량이 롤링(rolling)한다. 롤링함에 따라 차량 바퀴 또한 같이 롤링한다. 이로 인해 트레드는 평평하지 않게 되며 타이어의 바깥쪽에만 힘이 가해지게 된다. 또한 트레드를 잡아당기는 횡력(lateral force)에 의해 표면이 왜곡돼서 contact patch가 줄어들고, 일부 하중이 타이어 측면에 가해진다. 앞서 말한 것처럼 언제나 제로 캠버(zero camber)가 좋아보였지만 코너에서는 그리 좋지는 않다. 이로 인해 마모가 과해지고, 타이어 온도는 관리가 안 될 것이며, 최종적으로 그립을 잃어 코너를 빠른 속도로 통과하지 못하게 된다.

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캠버의 등장

 여기서 타이어에 캠버를 줘보자. 하중이 이동하고 이로 인해 휠이 롤링해도 contact patch가 이전보다 더 넓어졌다. 이를 통해 트랙션과 그립을 게속 유지할 수 있다.

 

 

 여기에 추가적인 효과가 있다. 측면 추력(lateral thrust) 또는 캠버 추력(camber thrust)이라는 효과이다. 세부적인 내용은 굉장히 복잡하지만 간단히 말하면 '캠버각이 있는 타이어에 하중이 가해지면, 타이어는 캠버방향 안쪽으로 이동하려고 하는 효과'다. 이는 트레드가 트랙에 맞닿으면서 변형되는 비대칭적인 방식, 고무의 탄성이 트랙에 밀착되어 모양을 유지하려고 하는 성질에서 나온다. (어렵다. 자세히는 안 다룰것이다..) 그냥 Negative camber 타이어는 코너를 돌 때 코너 안쪽으로 향하는 힘이 자연스레 생긴다는 것만 기억하자.

 

 이런 생각이 들 수도 있다. 안쪽 타이어는 contact patch가 좁아지잖아? 하지만 차량의 하중은 이미 바깥쪽으로 많이 쏠려있기 때문에, 안쪽 contact patch가 줄어들어도 그리 큰 영향은 미치지 않는다. 실제로 서스펜션 세팅과 코너에 따라 안쪽이 완전 들리는 경우도 있다. 들릴 정도라는 것은 그만큼 하중이 바깥쪽으로 쏠린다는 말이기 때문에, 안쪽은 그리 크게 신경쓰지 않아도 된다.c

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네거티브 캠버가 only 해결책?

 Negative camber는 그럼 좋기만 한가? 그렇지는 않다. 당연히 단점도 있다.

 

 직선로에서 엄청난 속도로 주행한다면 다운포스로 인해 타이어가 눌려 접지력이 높아지겠지만, 출력을 낮추면 트레드가 평평해지지 않게 된다. 이로 인해 타이어 안쪽 트레드만 사용하게 되어 타이어 안쪽에만 하중이 가해질 수 있다. 이로 인해 타이어 펑쳐(puncture)의 위험이 증가하고, 타이어 온도 상승과 타이어 마모도도 증가해서 타이어 수명에 문제를 야기한다.

 

 게다가 직선 주로에서의 contact patch가 좁아져 직선 트랙션이 줄어 들고, 이는 가속에 영향을 미친다. 사실 이는 큰 문제는 아닌 것이 F1 차량은 후륜 구동이므로 제로 캠버(zero camber)인 뒷 타이어가 가속을 담당하므로 앞 타이어의 트랙션은 크게 중요하지는 않다. 게다가 가속 시에는 차량 하중이 뒤로 쏠리므로 더더군다나 앞 타이어는 그리 크게 중요하지는 않다.

 

 하지만 중요한 것은 브레이킹이다. 브레이킹할 때에는 하중이 앞쪽으로 쏠리므로 앞 타이어에 크게 하중이 가해진다. 이 때 브레이킹 시 캠버각이 너무 높으면 타이어 마모가 엄청 심해진다.

 

 또한 아까 말한 캠버 추력(camber thrust)이 작용하는데, 만약 한쪽 타이어가 그립이 많이 떨어져있거나 요철을 밟으면 반대쪽 타이어에 의해 차량이 캠버 추력이 작용하는 방향으로 쏠리게 된다. 마치 코너링 시 차량 한쪽으로 힘이 가해졌을 때 캠버 추력이 발생하는 것과 같이 말이다. 이는 차량 운전이 더 예민해지고, 더불어 직선 주로에서 안정성을 잃는다는 의미가 된다.

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Camber Gain이란?

 좀 더 자세히 들어가고자하면, 우리는 지금까지 서스펜션이 고정된 상황에서 캠버를 살펴봤는데, 서스펜션에 따라 가변하는 캠버를 봐야한다. 서스펜션은 여러 스프링과 마운팅을 통해 수직방향으로 움직인다. 이때 캠버 게인을 줘서 캠버 또한 바뀌게 할 수도 있다.

 

 캠버 게인의 장점은 코너링 시 면적을 최대로할 수 있다. 하지만 단점으로는 브레이킹 시 서스펜션 동작에 의해 캠버각이 많이 증가해서 앞서 말한 캠버각이 높을 때의 문제(타이어 안쪽 마모, 직선 주로의 불안정성 등)가 발생하게 된다.

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 포스팅 초반에 '대체 왜 타이어에 각도를 줄까?'라는 궁금증은 해결되었다. 최근에 BMW 드라이빙센터를 다녀왔는데, 자세히 보니 일반 상용차량에도 타이어 캠버가 있어서 꽤 신기했다. (아는만큼 보인다!)

 

 대략적으로 F1 관련된 전반적으로 내가 궁금해했던 내용은 다룬 것 같다. 다음에는 좀 더 심화된 내용을 가져오거나 아니면 최근 F1 소식 중 공학적인 내용이 담긴 내용을 다루어보려고 한다.