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사륜조향
사륜조향(Four Wheel Steering)은 스티어링 휠 조작에 따라 앞바퀴와 뒷바퀴 모두가 독립적으로 조향하는 기능을 뜻한다. 자동차의 네 바퀴가 각기 다른 각도로 움직이며 다양한 조향 각도를 제공하는 것이 특징이다. 이 경우 선회 시 회전 반경을 줄일 수 있거나 고속주행 중 차로를 변경할 때 더 자연스럽게 진행할 수 있다. 평행주차를 할 경우엔 바퀴 방향을 90도 돌려 대각선 진입이 아닌 직각 진입이 가능하다. 스티어링 휠 조작에 따라 앞바퀴만 움직였던 방식에서 벗어나, 속도에 따라 뒷바퀴가 같이 움직이는 기능을 뜻하는 후륜조향의 진화된 버전이라고 할 수 있다.[1] 줄여서 4WS라고 한다.
목차
역사
1960년대부터 뒷바퀴까지 조향하여 자동차의 기동성과 안전성을 높이는 본격적인 기술 논의가 시작되었다. 기술 개발에 가장 앞섰던 국가는 일본이었다. 1962년 일본자동차공학회 기술회의에서 사륜조향에 대한 발표가 있고 난 뒤, 일본의 자동차 제조사들은 본격적인 연구를 시작했다. 양산차에 처음 적용된 시기는 1980년대로, 당시 전기모터를 세밀하게 조작할 수 있는 기술이 없었기 때문에 뒷바퀴의 조향은 유압을 통한 기계식 방식이었다. 기계식 방식은 구조가 매우 복잡했고 뒷바퀴를 조향하는 능력도 한정적이었다. 이런 단점을 극복하기 위해 전기모터를 사용한 전자식 방식이 개발되었다. 전자식 방식은 자동차의 속도, 스티어링, 휠의 가속센서 등을 통해 정보를 취합하고, ECU가 이를 분석한 후 전기모터를 회전시켜 뒷바퀴를 제어했다. 기존적인 원리와 방식은 오늘날과 거의 동일했지만 부족한 전기모터의 출력, 뒷바퀴 서스펜션의 구조적인 한계, 자동차 조작과 움직임의 이질감 등으로 인해 제대로 빛을 보지 못한 채 확대되지 못했다. 특히 앞바퀴와 연동해 저속 역상과 고속 동상을 언제 어떻게 전환할 것인가는 많은 자동차 엔지니어들을 괴롭힌 문제였다. 너무 낮은 속도에서 이 위상을 바꾸면 역상 상태의 날렵함이 사라지고, 너무 높은 속도에서 바꾸면 고속 안정성을 되려 해칠 수 있기 때문이다. 아울러 후륜조향과 연관된 부품의 내구성과 제어 정밀도를 확보하는 것 또한 해결이 어려운 문제였다.
그렇게 사장될 것만 같았던 사륜조향이 다시 등장한 것은 2000년대 후반이었다. 20년간 크기는 동일하지만 전기모터의 성능이 월등히 발전하며 사륜조향 기술은 새로운 국면을 맞이했다. 차체 크기를 점점 키우면서, 특히 실내 공간 확장을 위해 앞뒤 차축의 거리인 휠베이스를 늘이면서 이 조합만으로는 해결하기 힘든 문제들이 발생하게 된다. 자동차의 앞바퀴는 꺾을 수 있는 각도가 정해져 있는데, 앞바퀴와 뒷바퀴의 거리가 길어지면서 회전 반경이 늘어나고, 앞바퀴를 돌렸을 때 차체 뒤쪽이 따라오는 시간차가 커지는 것이다. 게다가 차가 주로 달리는 도심 환경은 점점 더 좁아지고 복잡해졌다. 후륜조향 기술이 다시 주목받기 시작한 배경이다.[2] 여기에 차량에 탑재되는 부품들도 발전했다. 먼저 ECU를 통한 제어가 더욱 정교해졌다. 기존에는 스티어링 각도나 속도 등에 따라 정해진 각도로 뒷바퀴를 조향하고 고정했다면, 2000년대 후반에는 더 유연하게 뒷바퀴의 방향을 바꿀 수 있게 되었다. 뒷바퀴가 최대 5도가량 꺾인다면 스티어링 각도나 속도 등을 통해 뒷바퀴가 점진적으로 각도를 조절하면서 자동차의 기동성과 안전성을 높여주게 되었다.[3] 또 리튬이온 배터리가 장착되는 자동차가 늘면서 사륜조향은 다시 한 번 큰 발전을 겪고 있다. 충분한 전력을 바탕으로 전기모터의 동작은 더 빨라졌고, 사륜조향을 고려한 서스펜션을 도입한 자동차는 더 큰 폭으로 뒷바퀴를 조향할 수 있게 되었다. 전 세계에서 판매되고 있는 양산차 중에서 뒷바퀴의 각도가 10도까지 꺾이는 모델이 있기도 하다. 이 수치는 눈으로도 그 조향 각도가 쉽게 보일 정도이다. 사륜조향은 여전히 대형의 고급차에 주로 탑재되고 있다. 완전한 대중화를 맞지는 않았지만 부품이나 비용적인 측면에서 아직 저렴한 수준은 아니다. 또 부품이 파고들 공간을 확보하는 것도 어렵다. 그럼에도 소형 스포츠카에까지 점차 확대되고 있는 것을 보면 시스템의 소형화가 매우 빠르게 진행되고 있다는 것을 알 수 있다.[4]
비교
후륜조향
사륜조향은 후륜조향의 진화된 버전으로 볼 수 있다. 후륜조향은 뒷바퀴 각도를 살짝 꺾는 방식이다. 중저속에서는 뒷바퀴를 앞바퀴의 반대 방향으로 비틀어 더 좁은 반경으로 회전할 수 있도록 하고, 고속주행 시에는 같은 방향으로 향하도록 해 더욱 민첩하게 차선을 이동할 수 있도록 해준다. 후륜조향은 그간 고정돼 있었던 뒷바퀴를 움직이도록 하는 것이 핵심이다. 반면 사륜조향은 각 바퀴가 모두 각기 다른 방향으로 향하도록 할 수 있다. 가령 왼쪽 앞바퀴는 오른쪽으로, 오른쪽 앞바퀴는 왼쪽으로 돌아가도록 할 수 있다. 이를 응용하면 모든 바퀴를 수직으로 꺾어 차체를 옆으로 수평 이동하거나, 차량이 제 자리에서 빙글 돌도록 할 수도 있다.[5]
적용 및 개발
현대자동차㈜
2022년 5월 현대자동차㈜가 자동차 바퀴가 90도 회전하는 사륜 독립 조향 장치와 관련된 특허를 미국에서 출원했다. 대각선 주행뿐만 아니라 네 개의 바퀴가 각각 조향되어 수평 이동과 제자리 회전이 가능하도록 시스템을 진화시켰다. 특히 제자리 회전의 경우 좁은 골목길 등에서 유턴이 가능해져 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보인다. 이 밖에도 현대차의 사륜 독립 조향 장치는 저속 및 고속 상황 모두에서 핸들링을 지원하는 평행 및 수직 조향 시스템이 포함되어 차량 기동성을 높일 수 있을 것으로 예상된다. 현대차 사륜 독립 조향 장치는 모두 ECU를 통해 제어되며 변속기에 내장된 스위치를 통해 작동하고 조향 센서를 통해 이동 방향을 결정하게 된다.[6]
GMC 허머 EV
사륜조향 시스템은 최근 전기 픽업트럭을 중심으로 상용화되기 시작했다.[7] GMC의 허머 EV는 대각선 주행을 지원하는 크랩워크(Crab Walk) 모드를 갖췄다. ‘게’를 뜻하는 ‘크랩(Crab)’이라는 단어에서도 알 수 있듯이 크랩워크는 전륜과 후륜의 꺾임 각을 동일하게 유지해 대각선 주행이 가능한 기술이다. GMC는 허머 EV 공개 당시 크랩워크를 이 모델의 주요 마케팅 포인트로 활용하기도 했는데, 이 기능의 핵심은 차량의 회전 반경을 줄이고 오프로드 주행 시 장애물이 많고 험난한 산악지형에서 더욱 효과적인 주행을 지원하는 것이다. 크랩워크 덕분에 허머 EV는 큰 조향각 없이도 작은 범위 내에서 장애물 지역을 쉽게 이탈할 수 있다.[8]
리비안 R1T
리비안(Rivian)의 R1T는 제자리 회전 기능을 확보했다. 탱크턴(Tank Turn)이라고 불리는 이 기술은 탱크의 캐터필터가 서로 반대 방향으로 움직이며 제자리에서 차체의 방향을 바꿀 수 있게 한다.[9] R1T가 제자리에서 회전하기 위해서는 각 휠에 독립적인 전기모터를 장착해 차량 좌우 휠의 방향을 반대로 조향하여 탱크와 같이 즉각 회전시키게 된다. 리비안은 2018년 미국 특허청에 탱크 턴과 탱크 스티어라는 용어의 상표를 제출한 바 있다. 이 기능은 높은 그립의 포장도로에서 시도할 경우 전기모터가 손상될 수 있어 잔디, 모래바닥, 자갈 등과 같이 매끄러운 표면에서만 기능이 동작하도록 설계하였다.[10]
메르세데스-벤츠 AVTR
메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 콘셉트카 비전 AVTR(Vision AVTR)은 구에 가까운 형상으로 제작된 휠 일체형 타이어를 가지고 있다. 비전 AVTR의 앞바퀴와 뒷바퀴는 서로 유기적으로 연계되어 움직이기 때문에 통상적인 자동차로서는 불가능한 조향을 할 수 있다. 앞바퀴의 조향으로 뒷바퀴가 따라오는 것이 아니라 네 개의 바퀴 모두가 저향 및 구동을 수행할 수 있기 때문이다. 네 개의 바퀴가 모두 같은 방향, 혹은 전륜과 후륜이 개별 조향되는 '올 스티어링 시스템'이 적용되어 보다 능동적이고 개선된 운동 성능을 제시하는 것이 특징이다.[11] 따라서 마치 전차와 같은 궤도식 차량에서나 볼 법한 제자리 회전은 물론, 차량 전체가 대각선 방향으로 기동하는 것이 제한적으로 가능하다.[12]
동영상
각주
- ↑ 이강준 기자, 〈"너가 왜 거기서 돌아?"…이젠 자동차 뒷바퀴도 움직인다〉, 《머니투데이》, 2021-07-13
- ↑ 제네시스, 〈G80 스포츠, 차별화에서 시작해 운동성과 편리함까지 잡다〉, 《현대자동차그룹》, 2021-08-27
- ↑ 한국교통안전공단, 〈"요즘은 이게 대세!" 사륜조향 시스템의 장점과 미래〉, 《네이버 포스트》, 2022-01-04
- ↑ 불스원, 〈사륜 조향, 유행하는 자동차 기술이라고?〉, 《불스원 공식 블로그》, 2022-02-17
- ↑ 박혜성 기자, 〈현대차의 '4륜 독립 조향' 특허...제자리 돌기도 가능?〉, 《모터프레스》, 2022-05-02
- ↑ 김훈기 기자, 〈90도 회전하는 '4륜 독립 조향 장치' 현대차 美 특허 출원...사방팔방 이동 가능〉, 《오토헤럴드》, 2022-05-02
- ↑ 구기성 기자, 〈현대차, 360도 회전 조향 장치 내놓나〉, 《한국경제》, 2022-05-04
- ↑ 〈'실제로 가능한 거였다니' 최근 포착된 허머 EV의 역대급 기능〉, 《개인 블로그》, 2021-04-28
- ↑ CarTag, 〈리비안 R1T 전기 픽업트럭 탱크턴 영상 공개〉, 《티스토리》, 2019-12-27
- ↑ 모터데일리, 〈美 전기차 리비안의 '탱크 턴' 기능〉, 《네이버 포스트》, 2019-12-29
- ↑ 김학수 기자, 〈미래를 품은 '메르세데스-벤츠 비전 AVTR' 대한민국 상륙...미디어 포토세션 개최〉, 《한국일보》, 2021-02-09
- ↑ 〈나비족의 고향, 판도라를 담은 자동차 - 메르세데스-벤츠 비전 AVTR 국내 공개!〉, 《모토야》, 2021-02-08
참고자료
- CarTag, 〈리비안 R1T 전기 픽업트럭 탱크턴 영상 공개〉, 《티스토리》, 2019-12-27
- 모터데일리, 〈美 전기차 리비안의 '탱크 턴' 기능〉, 《네이버 포스트》, 2019-12-29
- 〈나비족의 고향, 판도라를 담은 자동차 - 메르세데스-벤츠 비전 AVTR 국내 공개!〉, 《모토야》, 2021-02-08
- 김학수 기자, 〈미래를 품은 '메르세데스-벤츠 비전 AVTR' 대한민국 상륙...미디어 포토세션 개최〉, 《한국일보》, 2021-02-09
- 〈'실제로 가능한 거였다니' 최근 포착된 허머 EV의 역대급 기능〉, 《개인 블로그》, 2021-04-28
- 이강준 기자, 〈"너가 왜 거기서 돌아?"…이젠 자동차 뒷바퀴도 움직인다〉, 《머니투데이》, 2021-07-13
- 제네시스, 〈G80 스포츠, 차별화에서 시작해 운동성과 편리함까지 잡다〉, 《현대자동차그룹》, 2021-08-27
- 한국교통안전공단, 〈"요즘은 이게 대세!" 사륜조향 시스템의 장점과 미래〉, 《네이버 포스트》, 2022-01-04
- 불스원, 〈사륜 조향, 유행하는 자동차 기술이라고?〉, 《불스원 공식 블로그》, 2022-02-17
- 구기성 기자, 〈현대차, 360도 회전 조향 장치 내놓나〉, 《한국경제》, 2022-05-04
- 김훈기 기자, 〈90도 회전하는 '4륜 독립 조향 장치' 현대차 美 특허 출원...사방팔방 이동 가능〉, 《오토헤럴드》, 2022-05-02
- 박혜성 기자, 〈현대차의 '4륜 독립 조향' 특허...제자리 돌기도 가능?〉, 《모터프레스》, 2022-05-02
같이 보기
