조향휠 진동 현상

왜 배우는가: 조향휠 진동은 운전자가 가장 먼저 느끼는 차량 이상 신호이며 조향 안정성과 직결된다. 킥백과 시미는 원인과 대책이 달라 두 현상을 구분하는 능력이 답안의 핵심이다. 두 현상을 용어형과 논술형으로 나누어 묻는 문제가 출제되어 왔으므로 정의와 비교를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제122회 1교시 6번, 제102회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

조향휠 진동 현상은 노면 가진이나 회전부 불균형이 조향계를 거쳐 조향휠에 전달되어 조향휠이 떨리거나 튀는 현상이다. 답안에 반드시 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 킥백: 노면의 요철이나 장애물 충격이 조향 기구를 거쳐 조향휠을 순간적으로 급격히 움직이게 하는 현상이다.
• 시미: 조향 바퀴가 좌우로 주기적으로 흔들려 조향휠과 차체가 함께 진동하는 현상이다.
• 저속 시미: 비교적 낮은 속도에서 노면 요철이나 제동을 계기로 돌발적으로 나타나는 시미이다.
• 고속 시미: 일정한 고속 구간에서 조향계가 공진하여 지속되는 시미이다.
• 노면 가진: 타이어가 노면으로부터 받는 충격과 진동이 조향계로 전달되는 것이다.
• 공진: 조향계의 고유진동수와 가진 주파수가 일치하여 진동 진폭이 커지는 현상이다.
• 타이어 불균형: 회전부의 질량 분포가 고르지 않아 원심력이 생기는 상태이다.
• 캐스터 트레일: 조향축 연장선이 노면과 만나는 점과 타이어 접지점 사이의 거리이다.

2. 개념 풀이

조향휠 진동 현상은 주행 중 조향휠에 생기는 진동 가운데 운전자의 조향 조작을 방해하거나 불안감을 주는 현상을 통칭한다. 대표적인 현상은 킥백(Kick Back)과 시미(Shimmy)이며, 두 현상은 원인과 지속 형태가 달라 구분해야 한다. 조향휠이 떨린다는 결과가 같아도 노면이 준 순간 충격인지 조향계가 공진하는 지속 진동인지에 따라 원인과 대책이 달라진다. 조향계는 조향휠, 조향 컬럼, 조향기어박스, 타이로드로 이루어진다. 조작기구는 조향휠의 조작력을 기어와 링크에 전달하고, 기어장치는 회전 운동의 방향을 바꾸면서 조작력을 키우며, 링크기구는 기어의 운동을 앞바퀴에 전달하고 좌우 바퀴의 위치 관계를 지지한다. 따라서 조향휠에서 나타나는 진동은 이 연결 구조를 따라 운전자에게 되돌아오며, 조향계 전체의 동특성이 진동 현상을 좌우한다. 킥백은 조향 바퀴가 노면의 큰 장애물이나 요철을 만났을 때 그 충격이 타이어, 너클, 타이로드를 거쳐 조향 기구로 전달되어 조향휠이 순간적으로 급격히 튀는 현상이다. 충격의 크기는 장애물과 부딪치는 각도, 쇽업소버의 상태, 주행 속도, 조향 기구의 형식에 따라 달라진다. 특히 랙앤드피니언 방식은 랙이 양 방향으로 힘을 전달하므로 볼 순환식 조향 기어보다 킥백에 민감하다. 시미는 조향휠이 회전 방향으로 부르르 떨리거나, 조향휠이 흔들리면서 차체도 좌우로 함께 흔들리는 현상이다. 타이어의 편마모나 회전부 불균형에 의한 원심력이 주기적인 좌우 방향 가진력을 만들고, 이 가진 주파수가 조향계의 고유진동수와 일치하면 조향계가 공진하여 조향휠이 크게 진동한다. 즉 시미는 노면이 준 순간 충격이 아니라 특정 속도에서 계가 공진하여 유지되는 현상이다. 조향계의 공진 조건은 고유 주파수로 판단한다. 질량과 용수철 상수로 나타나는 단일 자유도계의 고유 주파수는 다음 식으로 구한다. f_0 = 1/(2π) × √(k/m) 여기서 f0는 고유 주파수(Hz), k는 용수철의 뻣뻣함(N/m), m은 질량(kg)이다. 조향장치의 고유진동수도 같은 원리로 질량과 강성의 조합에 따라 정해지므로, 설계 단계에서 강성과 질량을 조정해 가진 주파수와 떨어뜨리는 것이 시미 억제의 기본 방향이다. 시미는 발생 속도에 따라 저속 시미와 고속 시미로 나뉜다. 저속 시미는 20~60km/h 정도의 비교적 낮은 속도에서 노면 요철이나 브레이크 작동을 계기로 돌발적으로 발생한다. 고속 시미는 양호한 도로에서 일정 속도 이상으로 주행할 때 한정된 속도 범위 안에서 발생한다. 시미를 억제하는 설계 변수 가운데 하나가 캐스터 트레일이다. 캐스터 트레일이 커지면 조향 바퀴의 복원 성질이 강해져 진동이 억제되는 경향이 있다. 다만 과도하면 조향 무게가 늘어나므로 조향 가벼움과 직진 안정성을 함께 고려해 값을 정해야 한다. 킥백은 노면이 주는 순간적 외란이고 시미는 조향계가 공진하면서 유지되는 진동이라는 점에서 근본적으로 다르다. 킥백은 노면이 주는 순간 충격, 시미는 조향계 공진에 의한 지속 진동이다. 조향휠이 떨리는 현상이라도 제동 중 브레이크 디스크나 드럼의 편마모로 생기는 브레이크 저더는 제동 계통의 맥동이므로 이 둘과 구별된다. 자세한 비교는 6절에서 다룬다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 공진: 가진 주파수가 계의 고유진동수와 같아질 때 진폭이 급격히 커지는 현상이다. 조향계의 고유진동수와 타이어의 가진 주파수가 맞는 속도에서 조향휠이 크게 흔들리는 원인이다.
• 캐스터 트레일: 조향축 연장선이 노면과 만나는 점과 타이어 접지점 사이의 거리이다. 이 거리가 조향 바퀴의 복원 성질과 시미 억제에 관여한다.