킹핀 오프셋

킹핀 오프셋(kingpin off-set)은 차륜의 중심선이 노면에서 만나는 점과 킹핀 중심선의 연장선이 노면에서 만나는 점 사이의 거리를 말한다. 킹핀 중심을 축으로 하여 타이어를 회전시키면, 킹핀 오프셋이 회전 반지름이 되어 킹핀 오프셋을 스크러브(scrub) 반지름이라 말하기도 한다.

스크러브는 ‘비비다’는 뜻으로 킹핀 오프셋이 크면 타이어 접지면에 힘이 작용했을 때 킹핀의 축 둘레에 큰 모멘트가 생겨, 좌우 타이어에 걸리는 힘이 같지 않으면 스티어링에 영향을 미친다. 이에 따라 킹핀 오프셋을 아주 작게 하게 되었다. 반대로 이 모멘트를 이용하여 차의 직진성을 좋게 하려는 것이 네거티브 킹핀 오프셋이다.

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분류

킹핀 오프셋은 차륜의 중심선이 노면에서 만나는 점과 킹핀 중심선의 연장선이 노면에서 만나는 점 사이의 거리를 말하며, 킹핀 경사각과 캠버에 의해서 결정된다. 그리고 킹핀 오프셋은 타이어와 노면 사이에서 발생하는 마찰력이 작용하는 토크 암(torque arm)이 된다. 포지티브(＋), 제로(zero) 및 네거티브(－)의 킹핀 오프셋으로 분류한다. 킹핀 오프셋이 작으면 작을수록 조향장치의 각 부품에 가해지는 부하는 작지만, 차륜조향에 필요한 힘을 의미하는 조향력은 증대된다. 승용차의 킹핀 오프셋은 후륜구동 방식에서는 30~70mm, 전륜구동 방식에서는 10~35mm 정도가 대부분이다.

• 제로 킹핀 오프셋(zero kingpin off-set) : 타이어의 중심선과 킹핀 중심선의 연장선이 노면의 한 점에서 공동으로 만나는 상태를 말한다. 조향할 때, 차륜은 킹핀을 중심으로 원의 궤적을 그리지 않고, 접촉점에서 직접 조향된다. 따라서 정차 중에 조향할 때, 큰 힘을 필요로 하게 된다. 주행 중 외력에 의한 조향간섭은 작다. 제동할 때 앞바퀴를 밖으로 조향되게 하는 토크는 현저하게 감소한다.
• 포지티브 킹핀 오프셋(positive kingpin off-set) : 정의 킹핀 오프셋이라고도 불리며, 차륜 중심선의 접지점이 킹핀 중심선의 연장선과 노면이 만나는 점보다 바깥쪽에 위치한 상태를 말한다. 포지티브 킹핀 오프셋은 제동할 때, 차륜이 안쪽으로부터 바깥쪽으로 벌어지도록 작용한다. 노면과 양측 차륜 사이의 마찰계수가 서로 다를 경우에는 마찰계수가 큰 차륜이 바깥쪽으로 더 많이 조향되어, 자동차가 차선을 이탈할 수 있다. 차륜의 시미현상을 감소시키고, 차륜으로부터 조향장치에 전달되는 토크를 작게 유지하기 위해서 가능하면 킹핀 오프셋을 작게 하고자 한다.
• 네거티브 킹핀 오프셋(negative kingpin off-set) : 부의 킹핀 오프셋이라고도 불리며, 차륜 중심선의 접지점이 킹핀 중심선의 연장선과 노면이 만나는 점보다 안쪽에 위치한 상태를 말한다. 회전점이 차륜의 중심보다 바깥쪽에 위치하므로, 제동할 때 차륜은 제동력에 의해 바깥쪽으로부터 안쪽으로 조향되게 된다. 노면과 좌/우 차륜 간의 마찰계수가 서로 다를 경우, 마찰계수가 큰 차륜이 안쪽으로 더 크게 조향되므로 자동차는 주행차선을 그대로 유지할 수 있게 된다.

관계

킹핀 오프셋

너클(Knuckle)은 손목을 뜻하는 것으로 너클 조인트는 바퀴의 정중앙을 손으로 잡아 타이어의 방향을 좌우로 바꾸는 것과 같이 움직인다. 차축 끝에 볼 조인트를 장착하고 허브에 휠을 설치한 것이다. 이 너클 조인트의 중앙에 있는 것이 킹핀(King-pin)으로 너클 조인트는 이 핀을 축으로 하여 좌우로 고개를 흔드는 것처럼 움직이는데 자동차를 정면에서 보았을 때 좌우의 킹핀은 노면에 대해서 수직으로 장착되어 있지 않고 아래쪽으로 벌어져있다. 만약, 킹핀이 노면에 대해서 수직으로 되어 있으면 자동차가 정지한 상태에서 핸들을 회전시킬 경우 이 킹핀 축을 중심으로 타이어를 회전시키는데 큰 힘을 필요로 하기 때문이다. 좌우의 킹핀을 정면에서 보았을 때 아래쪽이 벌어지도록 세팅하여 킹핀의 중심선이 노면과 만나는 점을 타이어의 접지면에 가깝게 하면 타이어를 굴리는 힘이 약해지고 방향이 바뀔 때에 타이어를 들어 올리는 힘이 발생하면서 스티어링휠을 꺾는데 힘이 든다. 그러나 킹핀을 아래쪽이 벌어지도록 기울임과 동시에 킹핀의 중심선이 노면에서 만나는 점과 타이어의 접지면의 중심이 일치하도록 하면 타이어를 이 점 위에서 비트는 것과 같이 되기 때문에 비교적 작은 힘으로 타이어의 진행 방향을 바꿀 수 있다.

킹핀의 기울기는 킹핀 경사각이라 불리며, 킹핀의 중심선과 타이어 접지면 중심의 간격은 킹핀 오프셋 또는 스크러브 반경(Scrub Radius)이라고 한다. 오프셋은 그 거리만큼 ‘떨어뜨려 세팅’ 되어 있다는 것을, 스크러브(Scrub)는 ‘문지른다’는 의미를 뜻하는데 이 수치는 스티어링휠의 무게뿐만 아니라 자동차의 조종성에도 영향을 준다. 자동차가 앞을 향하여 주행할 때의 구름저항과 브레이크를 작동시켰을 때의 제동력은 타이어 접지면의 중심에 가해지지만 이 힘은 킹핀이 지지하고 있기 때문에 킹핀 오프셋이 설계되어 있어 킹핀의 중심선과 타이어 접지면의 중심이 맞지 않으면 킹핀 축을 중심으로 하여 너클을 회전시키려는 힘이 발생한다. 좌우 타이어의 구름저항과 제동력이 같으면 좌우 너클을 회전시키려는 힘은 같지만 방향이 반대이기 때문에 서로 상쇄되어 없어지므로 문제는 없다. 그러나 예를 들어 브레이크가 한 쪽만 작동되어 오른쪽 타이어의 제동력이 왼쪽 타이어의 제동력보다 크면 너클을 회전시키려는 힘도 오른쪽이 커지기 때문에 스티어링휠이 오른쪽으로 돌아가게 된다. 또한, 한쪽 타이어만 노면의 돌기에 접촉될 경우에도 마찬가지로 그 방향 쪽으로 스티어링 휠이 돌아가게 되는 것이다.

참고자료

• 〈킹핀 오프셋 ( king pinoffset )〉, 《자동차용어사전》
• 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈: 첨단자동차섀시 - 킹핀 오프셋 또는 스크러브 반경〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
• 사와타리 쇼지 , GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 킹핀 오프셋과 스크러브 반경〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
• 사실요것만고치면돼요, 〈킹핀 오프셋 - Kingpin off-set, Scrub radius〉, 《네이버 블로그》, 2013-01-04
• 경규동, 〈RC car setting을 위한 자동차 기본 원리 및 이론. #4 (차륜 정렬 - 킹핀 옵셋)〉, 《네이버 블로그》, 2014-05-14
• 림빵연구, 〈자동차에서 앞바퀴 정렬(Front wheel alignment)의 목적과 각 구성요소들(캠버, 캐스터, 킹핀 경사각, 토인)〉, 《티스토리》, 2022-11-17

같이 보기

• 킹핀
• 킹핀 경사각
• 캠버
• 휠 얼라인먼트

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