내연기관차와 전기차차이(롤센터, 무게중심,무게 배분)

 

 차량 동역학을 논할 때, 롤센터, 무게중심(Center of Gravity, CG), 그리고 무게 배분은 차량의 설계 및 성능에 중요한 지표다. 이 요소들은 차량의 핸들링, 안정성, 그리고 전체적인 승차감에 영향을 미치며, 내연기관차와 전기차(EV) 간의 차이점은 이러한 영역에서의 공학적 접근 방식에 큰 차이를 가져있어 사실상 전혀 다른 설계 방식으로 접근해야 한다 오늘은 이에 대해 한번 분석해 보자

1. 롤센터 (Roll Center)

 

 롤센터는 차량이 코너링이나 측면 가속 중에 차체가 회전하는 가상의 지점을 말한다. 이는 서스펜션 기하학에 의해 결정되며, 차량이 코너링 시 어떤 반응을 보일 지를 이해하는 중요한 요소로, 낮은 롤센터는 차체의 롤링(기울어짐)을 더 많이 유발하는 반면, 높은 롤센터는 롤링을 줄일 수 있지만 핸들링의 다른 측면에서 타협이 필요하기에 이를 잘 설정하는 것이 차량설계에서는 필수적이다.

내연기관차에서의 롤센터

 일반적으로 내연기관차는 엔진과 변속기가 앞쪽에 위치해 있어 차량 전방의 무게가 더 무겁다. 이로 인해 롤센터를 낮게 유지하는 것이 쉽지 않으며, 핸들링 특성을 유지하기 위해 다른 요소와의 균형을 맞추어야 한다.

기존의 맥퍼슨 스트럿(McPherson Strut)이나 더블 위시본(Double Wishbone)과 같은 서스펜션 시스템 여기에 추가적으로 팔을 더단 멀티링크를 활용해 롤센터를 최적화하며, 내연기관차는 엔진 무게와 전체 레이아웃에 따라 롤센터가 조정된다. 예를 들어, 스포츠카는 차체 롤링을 줄이고 코너링 성능을 향상하기 위해 롤센터가 낮게 설정될 수 있으며, 반대로 SUV와 같은 무거운 차량은 안정성을 위해 롤센터가 더 높게 설정되기도 한다.

전기차에서의 롤센터

 전기차는 배터리와 같은 무거운 부품들이 중앙에 위치한 덕분에 일반적으로 더 균형 잡힌 무게 배분을 가진다. 이로 인해 엔지니어들은 서스펜션 기하학을 보다 자유롭게 조정하여 최적의 롤센터를 달성할 수 있다. 전기차의 배터리 팩은 주로 차체 하부에 배치되기 때문에 롤센터를 낮게 설계할 수 있으며, 이는 차체 롤링을 줄이고 코너링 안정성을 향상하는데 주된 강점을 가진다. 예를 들어 테슬라 모델 S나 포르셰 타이칸 같은 전기차들은 배터리 팩이 차체의 낮은 위치에 있어 무게 중심이 낮아지고, 더 나은 핸들링과 코너링 성능을 보장하는 경향이 있다.

2. 무게중심 (Center of Gravity, CG)

 

무게중심은  차량의 모든 무게가 집중된 가상의 지점으로, 이 지점이 낮을수록 차량의 핸들링과 안정성이 향상된다. 하지만 고속 주행이나 급격한 회전 시 낮은 무게중심은 차량이 전복될 위험을 증대하기에 이를 잘 설정하는 것이 중요하다.

내연기관차에서의 무게중심

내연기관차는 엔진, 변속기, 연료 탱크 등의 무거운 부품이 주로 앞쪽에 위치해 있어 무게중심이 앞쪽으로 치우치는 경향이 있다. 일반적인 세단에서는 무게중심이 차량의 중간 지점보다 약간 앞에 위치하며, 이로 인해 코너링 시 언더스티어(Understeer)가 발생할 가능성이 높다. 스포츠카나 퍼포먼스 차량은 엔진을 중앙에 배치하거나 후륜에 더 가깝게 위치시켜 무게중심을 최적화하고 핸들링 성능을 향상하기도 하며, 예를 들어, 미드엔진 레이아웃을 사용하는 차량들은 무게중심이 중앙에 가까워 코너링 성능이 우다. 특히 BMW의 차량이 내연기관에서 무게중심을 가장 중심에 가깝게 설정한 차량이라는 이야기는 유명하다.

전기차에서의 무게중심

전기차는 배터리가 차체 하부에 넓게 깔려 있어 무게중심이 매우 낮다. 이는 내연기관차에 비해 전기차가 더 안정적인 핸들링을 제공하는 주요 이유로, 특히 배터리의 무게가 바닥에 가까워 전복의 위험이 줄어들고, 급격한 코너링 시에도 안정적으로 차량을 제어할 수 있다. 전기차는 무거운 엔진 대신 상대적으로 가벼운 모터를 사용하므로, 무게중심이 한쪽으로 치우치지 않으며 전체적으로 균형 잡힌 설계를 유지할 수 있다. 이는 고속 주행이나 급격한 방향 전환 시 매우 중요한 요소지만 실제로는 발열의 문제로 내연차만큼의 성능을 내지 못해 이를 잡는 것이 주된 연구과제다.

3. 무게 배분 (Weight Distribution)

 

 

무게 배분은 차량의 앞뒤 바퀴에 걸리는 무게의 비율을 나타낸다.

내연기관차에서의 무게 배분

 대부분의 내연기관차는 앞쪽에 엔진이 위치해 있어 60:40이나 55:45와 같은 비율로 앞쪽이 더 무겁다. 이로 인해 내연기관차는 코너링 시 언더스티어 경향이 강하며, 앞바퀴에 더 많은 무게가 걸려 제동 성능이 앞바퀴에 의존하는 경향이 있다.

고성능 차량이나 스포츠카는 무게 배분을 50:50으로 맞추기 위해 엔진을 중간이나 뒤쪽에 배치하기도 하며, 이는 차량이 코너링 시 보다 균형 잡힌 핸들링을 제공하고, 안정성을 높이는 데 기여한다.

전기차에서의 무게 배분

 전기차는 무게 배분에서 큰 이점을 가진다. 배터리가 차량 하부에 위치하고, 앞뒤로 모터를 배치할 수 있어 전기차는 거의 이상적인 50:50에 가까운 무게 배분을 구현할 수 있다. 이러한 무게 배분은 전기차가 핸들링에서 매우 유리한 조건을 가질 수 있도록 하는데, 특히 4륜 구동 전기차는 전방과 후방 모두에 모터를 배치함으로써 구동력을 더 균일하게 분배할 수 있으며, 이는 차체가 균형 있게 움직일 수 있도록 하는 확실히 내연기관에 대비한 장점이다.

 

 

전자제어 서스펜션에 대해서 알아보자[ECS, ECD]

 

 

문제는 이로인하여 전기차는 기존 내연기관차량과 다른 서스펜션을 사용하는데 이는 다음글에서 알아보자