킹핀 경사각

킹핀 경사각(kingpin inclination)은 자동차를 정면에서 보았을 때, 킹핀 중심선이 노면에 수직인 직선과 만드는 각을 말한다. 킹핀 경사각은 대략 5~10° 범위이다.

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상세

자동차 앞에서 앞바퀴를 보았을 때 킹핀의 윗부분이 안쪽으로 경사지게 설치되어 있는데, 이때 킹핀 축 중심과 노면에 대한 수직선이 이루는 각도를 킹핀 경사각이라 한다. 이 경사각은 핸들 조작력과 복원력을 증대시킨다. 킹핀을 사용하지 않는 볼 조인트 형식에서는 위쪽의 볼 조인트와 아래쪽의 볼 조인트의 중심을 잇는 직선과 노면에 대한 수직선이 이루는 각도가 킹핀 경사각이다.

킹핀 경사각과 캠버를 합하여 협각(included angle)이라 한다. 현가장치의 스프링 작용으로 차체의 높이가 높아지거나 낮아져도 협각은 항상 일정하다. 즉, 차체 높이가 변화함에 따라 킹핀 경사각이 커지면 캠버는 작아지고, 그 반대도 성립한다. 이는 캠버가 변화함에 따라 킹핀 경사각도 변화한다는 것을 의미한다. 따라서 차륜 정렬을 할 때에는 캠버를 먼저 측정하고, 필요하면 조정한 다음에 킹핀 경사각을 측정, 조정해야 한다. 캠버가 정확하면 킹핀 경사각도 정확하게 된다. 킹핀 경사각과 캠버는 킹핀 오프셋에 영향을 미친다. 그리고 킹핀 경사각은 조향핸들을 임의의 방향으로 조향하였을 때, 포지티브 킹핀 오프셋과 함께 차체의 앞부분을 들어 올리는 작용을 하여, 자동차의 무게에 의한 직진복원력을 발생시킨다. 킹핀 경사각은 또 조향차륜의 시미(shimmy) 현상을 방지한다.

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 벌어져 있다. 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(King-pin Offset) 또는 스크러브 반경(Scrub Radius)이라고 한다. 오프셋은 그 거리만큼 "떨어뜨려 세팅"되어 있다는 것을 뜻하고, 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 경사각 ( kingpin angle )〉, 《자동차 용어사전》
• 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈: 첨단자동차섀시 - 킹핀 경사각 ( kingpin inclination , Spreizung )〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
• 사와타리 쇼지 , GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 킹핀 오프셋과 스크러브 반경〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
• 사실요것만고치면돼요, 〈킹핀경사각(SAI)과 협각(인클루디드앵글) - Kingpin inclination or Steering axis in clination & Included angle〉, 《네이버 블로그》, 2013-01-14
• 자동차 역사가, 〈110. 킹핀 경사각(King Pin Angle) (자동차 용어:섀시)〉, 《개인블로그》, 2014-10-19
• 권센세, 〈자동차바퀴정렬(킹핀경사각)〉, 《네이버 블로그》, 2018-10-05
• 림빵연구, 〈자동차에서 앞바퀴 정렬(Front wheel alignment)의 목적과 각 구성요소들(캠버, 캐스터, 킹핀 경사각, 토인)〉, 《티스토리》, 2022-11-17

같이 보기

• 킹핀
• 킹핀 오프셋
• 휠 얼라인먼트

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