[ F1/모터스포츠 입문 ] 3편 - 자동차의 구동 방식

[ F1/모터스포츠 입문 ] 3편 - 자동차의 구동 방식

자동차의 구동 방식이 달라지면 차량의 운동에 큰 영향을 미치게 되며,
구동 방식을 이해하는 과정에서 모터스포츠의 이론의 핵심적인 요소들이 거론되므로,
모터스포츠를 이해하는데 가장 중요한 부분 중 하나입니다.


우선, 일반적인 구동 방식에 대해서 정리를 해 보도록 하겠습니다.

자동차의 구동 방식은 보통 '엔진의 위치가 어디인가?'와
'앞 바퀴(축)와 뒷 바퀴(축) 중 어느 바퀴로 엔진의 힘을 전달하는가?'의 두 가지 요소를 결합하여 설명합니다.
이 두 요소를 영어 약자로 표기하여 'FR'과 같은 형태로 구동 방식을 표현하는데...
여기서 'F'는 엔진의 위치가 차량의 앞쪽( front )에 있다는 의미이며,
'R'은 뒷 바퀴(축)에 엔진의 힘을 전달하는 '후륜 구동'( '뒷 바퀴 굴림' )이라는 의미입니다.

이와 같은 표기 방법에 따라, 대부분의 자동차는
FR, FF, MR, RR, 4WD
이상 다섯 가지 중 한 가지 구동 방식을 갖게 됩니다.
이 중, 4WD는 4-wheel-drive, 즉 4륜 구동을 의미하며...
엔진의 위치와 관계 없이 '네 바퀴 굴림'을 하는 차량을 가리키는데,
다른 네 가지의 일반적인 방식과는 다르게 조금 복잡한 운동성을 갖고 있으므로
이번 구동 방식의 설명에서는 제외하고 나머지 네 가지 구동 방식을 설명하도록 하겠습니다.
( 실제로 4WD 차량의 대부분은 일반 도로에서 FR의 형태로 '두 바퀴 굴림' 상태의 운행을 합니다. )



1. FR : Front engine Rear drive

FR은 위에 풀어쓴 것처럼 차량의 앞쪽에 엔진이 위치하고,
차량의 뒷 바퀴를 구동축으로 삼는 구동 방식을 가리킵니다.
FR은 바로 다음에 설명할 FF와 함께 최근 수십년 간 가장 보편적인 구동 방식으로 자리를 지켜왔으며,
현재도 많은 세단, 스포츠 세단, 중형 승용차 등에 채택되고 있습니다.
간단한 다이어그램으로 FR의 구동 방식을 표현하면 아래 그림과 같습니다.

FR은 앞쪽의 엔진에서 발생한 힘이 ( 갈색으로 표시된 ) 동력 전달 축을 지나 구동축에 전달되는 방식입니다.
일반적으로 앞바퀴가 조향( 스티어링 )만을 담당하고, 뒷바퀴는 구동만을 전담하게 되며,
앞바퀴가 방향 전환을 하는 동안에도 직선 방향( 관성과 같은 방향 )으로 계속 힘을 전달하게 되므로
차량의 뒷쪽이 앞쪽보다 더 많이 앞으로 나아가면서 결과적으로 조향이 훨씬 수월해지는 효과가 있습니다.
따라서, 'FR 구동 방식을 가진 차량은 오버-스티어 성향을 가진다'라고 이해할 수 있습니다.
조향을 담당하는 앞바퀴에 엔진의 무게가 전해져,
앞바퀴 타이어와 바닥의 마찰력이 증가한다는 점도 오버-스티어 성향을 보다 강화시킵니다.

또, 엔진 외에 기어 박스 등을 동력 전달 축과 함께 차량의 아랫쪽에 배치할 수 있으므로,
FF와 비교하여 상대적으로 엔진의 공간을 크게 확보할 수 있게 되어...
FF의 경우보다 규모가 큰( 결과적으로 출력이 강한 ) 엔진을 탑재할 수 있습니다.
조향에 더 유리한 오버-스티어 성향과 강한 엔진 덕분에,
고성능 상용차의 경우 FR의 구동 방식을 택하는 경우도 많습니다.
또한, '일정량의 오버-스티어가 성립 조건인' 드리프트를 위해서도 FR 차량이 주로 사용됩니다.



2. FF : Front engine Front drive

FF는 FR과 마찬가지로 차량 앞쪽에 엔진이 위치하지만,
차량의 앞 바퀴를 구동축으로 삼는 구동 방식을 가리킵니다.
FF는 조향을 담당하는 앞 바퀴가 구동축의 역할을 해야 한다는 점에서,
자동차 산업의 초기에는 불가능했던 구동 방식입니다.
하지만, FF의 기술이 보편화된 현재는,
차량의 아랫 부분을 지나는 동력 전달 축이 없는 것을 비롯해서...
전반적인 효율이 우수하기 때문에, 중소형 차량에 많이 사용되고 있습니다.

현재 한국에서 제작되고 있는 상용차의 대부분은 FF 구동 방식을 채택하고 있습니다.
( 요즘은 다시 FR 차량들이 각광받기 시작했습니다만... )
FF가 처음 소개되던 시절에는 FF가 마치 FR보다 '모든 면에서 우수한 것처럼' 광고를 했습니다만...
( 당연하게도 ) 각각의 방식엔 장단점이 있을 뿐, 왕도는 없지요. ^^;
FF의 가장 큰 단점은 '전반적인 언더-스티어' 경향입니다.
FF 방식 차량의 뒷바퀴는 FR처럼 원심력의 방향으로 힘을 주지 않고, 차량이 가는대로 '똑바로' 따라오기 때문에,
고속, 고출력 주행시에는 조향이 점점 어려워지게 됩니다.
따라서, 'FF 구동 방식을 가진 차량은 언더-스티어 성향을 가진다'라고 이해할 수 있습니다.

FF의 또다른 단점은,
차량의 앞부분에 거의 모든 기계부를 설치해야 하기 때문에,
상대적으로 엔진이 작아지고... 일반적으로 저출력 엔진이 된다는 점입니다.
대신 불필요한 동력의 손실은 적으니... 저출력 경차에는 더 없이 어울리는 조합이 되겠습니다.
FF 차량 역시 모터스포츠에 참가하여 속도를 겨루는 경우가 많이 있습니다만,
보다 고성능, 고출력의 모터스포츠로 눈을 높이면, FF 구동 방식의 차량은 찾아보기 힘들어집니다.



3. MR : Midship engine Rear drive

앞서, FR은 오버-스티어, FF는 언더-스티어 경향이 있다고 말했지만,
사실, 가장 안정적인 것은 오버-스티어도, 언더-스티어도 아닌 '원하는 만큼의 스티어링'입니다.
이런 '안정적인' 스티어링에 가장 적합한 구동 방식이
바로 대부분의 고성능 스포츠카와 레이싱 전용 차량이 채택하는 MR입니다.
말 그대로, 차량의 중간... 즉, 앞 바퀴와 뒷 바퀴 사이에 엔진을 배치시키는 방식이죠.

MR 차량을 만든다는 것이 FR 차량의 엔진만 떼어내서 중간으로 옮긴다고 해결되는 간단한 문제는 아닙니다.
MR의 핵심은 하중의 균형 배분...즉, 무게가 고루 배분되어 앞/뒤 바퀴 모두 일정한 그립을 갖게 되는 것입니다.
'그립( grip )'이란 단어의 원래 의미인 '움켜쥐다'의 뜻처럼,
차량의 타이어와 바닥이 일으킨 마찰력이 마치 타이어가 바닥을 움켜쥐는 것 같다는데서 나온 말입니다.
앞 바퀴의 그립이 좋다면 조향이 원하는 만큼 스티어링 될 것이고,
앞 바퀴의 그립이 나쁠 경우 언더-스티어가 생기거나 차량이 미끄러지며 가속, 감속 모두 문제가 될 것입니다.
뒷 바퀴 굴림 차량에서 뒷 바퀴의 그립이 나쁘다면 바퀴가 헛도는 모습을 구경할 수 있겠죠.
그 외에 대부분의 모터스포츠에 대한 설명은 '그립'이라는 단어와 함께 이루어집니다.

MR은 고른 하중 분배로 조향과 구동 모두에서 안정적인 움직임을 보입니다.
특히, 코너를 공략할 때 가장 안정적인 운동이 가능합니다.
또한, 하중의 이동에 따라서는 FR 또는 ( 네 번째 구동 방식인 ) RR의 성격도 나타나게 할 수 있습니다.
F1 차량을 비롯한 초고성능 레이싱 전용 차량 역시 대부분 이런 MR 방식을 채택해서,
안정적인 운행과 더불어 하중 이동에 따른 다양한 성격 구현을 노립니다.
단점이라면... 위 그림에서 보듯이... 대부분의 MR 차량이 실내 공간 구성이 쉽지 않으며,
( 뒷 좌석을 배치하기가 매우 어렵습니다. )
편의성과는 거리가 먼 기계적 배치 덕분에 여러 가지 불편함이 뒤따른다는 점이 단점이 되겠네요.
한 마디로, MR은 상당히 '레이싱 지향적' 인 구동 방식이라고 할 수 있습니다.



4. RR : Rear engine Rear drive

RR은 상당히 독특한 구동 방식으로,
포르쉐( Porsche )의 스포츠카들이 전통적으로 채택하는 구동 방식입니다.
( 현재 제작 생산되는 상용차 중에서 포르쉐 이외의 차량에서 RR을 채택한 경우는 많지 않습니다. )

RR의 움직임은 어느 정도는 MR과 비슷한 성격을 갖지만,
이런 차량을 몰아본 적 없은 모터스포츠 입문자에게는 결코 권하고 싶지 않은...
어떤 면에서 굉장히 운전하기 어려운 구동 방식입니다.
하중이 뒷바퀴에 몰리는 데서 짐작 할 수 있는 것처럼... 상당히 불안정한 움직임을 보입니다.
고속으로 코너를 공략할 때... '차량을 회전시키는 힘'이 FR보다 훨씬 크게 작용해 오버-스티어가 생기거나,
반대로, 앞 바퀴가 그립을 잃어 극심한 언더-스티어가 생길 가능성도 있습니다.

하지만, 위와 같은 불안정성은 운전자의 능력에 따라서는 장점의 요소도 갖고 있습니다.
미세한 그립과 하중의 변화만으로도 차량의 자세를 쉽게 바꿀 수 있기 때문인데요...
그럼에도 불구하고... 일반인들이 고속 주행을 하기엔 어느 정도 위험성이 따르는 건 변함 없습니다.

사실, 그림을 그려놓고 보면, MR과 RR의 메카니즘은 거의 비슷합니다.
두 가지 모두 스포츠카들에서 채택되는 방식이라는 점도 비슷하죠.
기본적인 성향이 '오버-스티어'나 '언더-스티어'에 한정되지 않는다는 점도 비슷해서,
종종 'MR/RR' 이런 식으로 두 가지 구동 방식을 묶어서 설명하기도 합니다.
어쨌든... MR이 안정성을 추구하는 반면, RR이 기본적으로 불안정성을 안고 있다는 대비만큼은 어쩔 수 없겠죠.



이상 자동차의 구동 방식에 대해서 알아봤습니다.
이제 기본적인 개념에 대해선 어느 정도 정의를 했으니...
얼마간 쉰 뒤에( 이론은 계속 공부하면 머리가 아프죠... ^^a ... 또, 다이어그램 그리는 것도 일입니다... ㅎㅎ )
한 단계 더 응용을 해서... 하중의 이동이니, 코너 공략의 실전이니, 추월이니 하는 이야기들을
다음에 다뤄볼까 합니다.( 언제쯤? )
궁금하신 분들은 많이 기대해 주세요. ^^;