4WS

왜 배우는가: 4WS는 대형차와 긴 휠베이스 차량의 저속 회전반경을 줄이고, 고속 차선 변경 시 차체 안정성을 높이기 위해 쓰인다. 구조와 제어 원리를 구분해 설명하는 문항이 여러 회차에 걸쳐 출제되었다.

출제 이력: 제134회 2교시 2번, 제101회 3교시 1번, 제96회 3교시 2번, 제95회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

4WS는 앞바퀴뿐 아니라 뒷바퀴도 조향하여 저속 선회성과 고속 안정성을 함께 높이는 조향 시스템이다.

답안의 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 본문에서는 아래 핵심 키워드를 함께 쓴다. 4WS는 4륜조향의 영문 약어로, 앞바퀴 조향 장치에 뒷바퀴 조향 기능을 더한 구조를 가리킨다. 이와 비교되는 2륜조향(2WS)은 앞바퀴만 조향하는 일반 조향 방식이다. 용어의 뜻을 정확히 알아야 저속과 고속에서 뒷바퀴가 어느 방향으로 움직이는지 설명할 수 있다.

• 4륜조향(4WS): 네 바퀴 중 뒷바퀴의 조향각을 별도로 제어하는 조향 방식이다.
• 뒷바퀴 조향: 앞바퀴 조향각과 별도로 뒷바퀴의 각도를 조정하는 기능이다.
• 역위상 조향: 저속에서 뒷바퀴가 앞바퀴와 반대 방향으로 돌아 회전반경을 줄이는 방식이다.
• 동위상 조향: 고속에서 뒷바퀴가 앞바퀴와 같은 방향으로 돌아 차체 안정성을 높이는 방식이다.
• 요레이트(Yaw Rate): 차량이 수직축을 중심으로 회전하는 각속도이다.
• 횡가속도: 차량의 진행 방향에 수직으로 작용하는 가속도이다.
• 조향각 비례제어: 운전자의 조향각 입력에 비례하여 뒷바퀴 조향각을 정하는 제어 방식이다.

2. 개념 풀이

4WS는 조향 기능을 앞바퀴에만 두지 않고 뒷바퀴에도 부여한 조향 시스템이다. 운전자가 조향휠을 돌리면 앞바퀴가 먼저 조향되고, 조향 제어기는 차속, 조향각, 차량의 회전 상태를 입력으로 받아 뒷바퀴 조향각을 계산한다. 계산된 값은 뒷바퀴의 액추에이터에 전달된다. 뒷바퀴 조향각은 보통 2~3도 이내로 제한된다.

여기서 위상이란 뒷바퀴의 조향 방향이 앞바퀴와 같은지 반대인지를 뜻한다. 4WS의 원리는 차속에 따라 뒷바퀴의 위상을 바꾸는 데 있다. 저속에서는 뒷바퀴가 앞바퀴와 반대 방향으로 조향되어 회전반경을 줄인다. 이때 차량의 유효 축거가 짧아진 것과 같은 효과가 나서 좁은 곳에서도 방향 전환이 쉬워진다. 고속에서는 뒷바퀴가 앞바퀴와 같은 방향으로 조향된다. 이렇게 하면 차선을 바꿀 때 요 운동이 완만해지고 횡가속도가 천천히 쌓여 직진 안정성이 높아진다. 즉 저속과 고속에서 뒷바퀴의 위상이 서로 반대로 바뀌는 것이 4WS의 핵심 원리이다.

예를 들어 주차나 좁은 골목에서 방향을 바꿀 때는 역위상 조향이 작동하고, 고속도로에서 차선을 바꿀 때는 동위상 조향이 작동한다. 같은 차량이라도 주행 속도에 따라 뒷바퀴 조향 방향이 바뀌는 것이 4WS의 특징이다.

4WS 제어는 조향각 비례제어와 요레이트 비례제어로 나뉜다. 두 방식의 특징은 다음과 같다.

• 조향각 비례제어: 운전자가 돌린 조향각에 비례하여 뒷바퀴 조향각을 정하는 방식이다. 조향 입력과 뒷바퀴 응답의 관계가 직접적이어서 제어 구조가 단순하다.
• 요레이트 비례제어: 센서로 측정한 실제 요레이트를 피드백하여 뒷바퀴 조향각을 보정하는 방식이다. 차량의 실제 회전 상태를 직접 측정하므로 노면 외란과 차량 변수 변화에 대해서도 요 운동을 안정시킬 수 있다.

두 방식은 배타적인 선택이라기보다 함께 쓰이는 경우가 많다. 조향각 비례제어로 운전자의 의도를 반영하고, 요레이트 피드백으로 차체 회전을 보정하는 구성이 일반적이다. 답안에서는 두 방식의 기준 변수가 조향각인지 요레이트인지를 구분해 쓰는 것이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

4WS가 등장한 배경은 앞바퀴만 조향하는 2WS 구조의 한계에 있다. 2WS에서 뒷바퀴는 앞바퀴 조향 결과를 따라가는 수동적 역할만 하므로, 차량의 회전 반경은 앞바퀴 조향각과 휠베이스에 따라 정해진다. 그 결과 휠베이스가 긴 승용차, 트럭, 트레일러를 견인하는 차량은 저속에서 회전반경이 커진다. 대형 트럭과 트랙터는 좁은 장소에서 방향을 바꾸는 일이 잦아 이 문제가 특히 크다. 뒷바퀴 조향을 더하면 이 회전반경을 줄여 저속 기동성을 확보할 수 있다.

반대로 고속 주행에서는 2WS의 한계가 안정성으로 나타난다. 운전자가 고속에서 조향을 급하게 하면 차체가 불안정해져 오버스티어나 언더스티어가 생길 수 있다. 4륜조향을 다룬 동역학 모델 연구에서는 4WS를 적용한 차량의 궤적이 2WS 차량보다 안정적으로 나타났고, 과도 조향과 부족 조향 현상이 줄어든 것으로 보고되었다. 즉 4WS는 저속 회전성과 고속 안정성이라는 상충하는 요구를 하나의 조향 구조로 해결하려는 시도이다.

전자제어 기술의 발달도 4WS 보급의 조건이 되었다. 차속, 조향각, 요레이트를 실시간으로 측정하는 센서와 빠르게 계산하는 제어기, 뒷바퀴를 정밀하게 구동하는 액추에이터가 함께 갖춰져야 뒷바퀴를 차량 상태에 맞춰 능동적으로 조향할 수 있다. 기계식 링크만으로는 차속에 따라 위상을 바꾸는 제어를 구현하기 어렵다. 이러한 점에서 4WS는 전자식 조향 기술의 흐름 위에서 발전한 시스템이다.