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R&H

(Ride & Handling)
승차감과 조종 안정성 사이 최적의 밸런스

자동차 주행 성능을 좌우하는 승차감(Ride)과 조종 안정성(Handling)은 시소처럼 어느 한쪽에만 초점을 맞추면 다른 한쪽이 불편해지는 관계입니다. 이에 둘 사이의 균형을 잘 잡는 것이 R&H 성능 개발의 중요한 목표입니다. 또한 R&H 성능은 쉽게 수치화할 수 없는 감각의 영역으로 운전자의 수만큼 평가도 갈리는, 개발하기 어려운 분야이기도 합니다.
현대자동차그룹은 이렇게 미묘한 차이에서 갈리는 운전자의 만족감을 높이기 위해 ‘펀 투 드라이브(Fun to Drive)’라는 전제를 두고 차종별 운전자 성향에 맞춘 R&H 성능 개발에 집중하고 있습니다.

TECHNOLOGY R&H 핵심 기술 알아보기

사람과 차, 도로의 완벽한 밸런스

최근 R&H 성능 개발에 있어 중요한 척도는 운전자가 의도한 대로 자동차가 민첩하게 움직이느냐에 있습니다. 경우에 따라 노면을 부드럽게 넘어갈 수 있어야 하지만, 고속 주행이나 코너링 시 거친 노면이 다소 느껴지더라도 안정적으로 단단하게 주행할 수 있는지가 중요합니다.

자동차의 조종 안정성과 승차감에 대해 관심이 있다면 ‘조향’ 및 ‘현가장치’라는 단어가 익숙할 것입니다. 자동차의 조종 안정성과 연관 깊은 스티어링 휠의 개발사는 조향장치의 발전사라고 해도 과언이 아닙니다. 초기에는 기계식에서 ‘파워 스티어링’이라 불리는 유압식으로 변화의 과정을 거쳤고, 2000년대 들어 스티어링 칼럼에 모터를 장착해 힘을 더 키운 C-MDPS 타입과 자동차 앞바퀴 사이를 잇는 랙에 전동 모터를 탑재한 R-MDPS 타입이 개발돼 운전자 성향과 차량 목표에 따라 각기 적용됐습니다.

승차감을 좌우하는 현가장치는 조종 안정성과 균형을 꾀하고 다양한 노면에 대응하면서 기술 진화를 이뤄왔습니다. 기계식으로 가변 감쇠력 제어 장치를 적용해 서스펜션 강도를 조절한 이후, 전자 제어 기술이 진보하면서 전자제어 서스펜션(ECS: Electronic Control Suspension) 등을 통해 승차감을 보다 정밀하게 제어할 수 있게 됐습니다.

현재 R&H 성능 개발은 조향 및 현가장치를 동시에 개선하면서 운전자의 의지가 속도감 있게 차량에 전달되도록 하는 데 주력하고 있습니다. 그 일환으로 고성능차 R&H 특성을 개발하며 쌓은 노하우를 일반 차량에 확대 적용하면서 개발 차량의 전반적인 R&H 성능을 향상하고 있습니다.

KEY TECH
1. Riding
보다 치밀하게 설계하라, 서스펜션

승차감∙조향감 동시 개선 향한 노력

R&H 성능의 한 축을 담당하는 현가장치는 우리가 흔히 알고 있는 ‘서스펜션 시스템’을 의미합니다. 서스펜션은 운전자가 자동차에서 느낄 수 있는 물리적 자극을 최소화하고, 차체의 균형을 잡는 역할을 합니다. 여기에 쇽업소버, 코일(또는 에어) 스프링, 스테빌라이저 바, 로어 암 등의 다양한 부품들이 서스펜션 성능에 영향을 미치고 있습니다. 이 때문에 현가 부문의 성능 개선을 위해서는 시스템 전체 특성뿐만 아니라 각 요소 부품들의 구조 및 특성까지 최적화하는 데 초점을 맞춰야 합니다.

최근에는 서스펜션 구조를 변경하는 아이디어가 R&H 성능 개발에 적극 이용되고 있습니다. 특히 각양각색 운전자의 취향을 고려해 차종별로 세부적인 개선 전략을 취했습니다.

대형 후륜차의 경우 고급스러운 승차감과 정숙성을 높이기 위해 서스펜션 구조 및 소재를 변경했습니다. 전륜의 어퍼 암을 기존 듀얼에서 간결한 싱글 방식으로 바꾸면서 승차감뿐만 아니라 조향 응답성을 개선했고, 후륜의 어시스트 암을 주행 방향 앞쪽에서 뒤쪽으로 옮기면서 코너링 중에 뒷바퀴가 바깥쪽으로 쏠리지 않고 직진으로 나아갈 수 있게 설계했습니다. 또한 대부분의 소재는 알루미늄을 적용해 차량 전체 중량 감소에 기여하면서 경쾌하고 민첩한 주행 감성을 갖췄습니다.

어퍼 암을 듀얼에서 싱글로 개선
어시스트 암을 주행 방향 뒤로 이동

중대형 전륜차는 특성상 승차감 조율이 까다롭습니다. 서스펜션을 단단하게 조율하면 통통 튀고, 부드럽게 만들면 고속 주행 시 후륜 접지력이 부족해지기 때문인데 이를 완화하고자 후륜 서스펜션에 HRS(Hydraulic Rebound Stopper)와 MVS(Modular Valve System)를 적용했고, 뒷좌석의 리바운드 충격 감소와 롤 제어 및 댐핑감을 개선했습니다.

운전의 즐거움을 높이는 스포츠 세단은 전륜에 2개의 알루미늄 링크로 이루어진 로어 암을 채택하고 브라켓에 스트럿을 직접 삽입해 고속 주행이나 코너링 중에도 타이어의 접지력을 높였습니다. 이와 더불어 댐퍼 내부에는 리바운드 스프링을 넣어 과속방지턱 통과 시 과도한 출렁거림과 코너링 중 차체가 들리는 것을 방지했습니다. 후륜은 어시스트 암 구조 변경으로 코너링에서의 안정감을 확보했습니다.

전륜 맥퍼슨 멀티링크 서스펜션 구조

승차감 성능은 곡선로를 지나갈 때 드러나게 됩니다. 과거 차량 플랫폼에서는 곡선로 코너링 시 후륜의 반응이 늦고, 전륜의 언더스티어(차량의 회전 반경이 커지는 현상)가 응답성을 떨어뜨리는 요인이었습니다.

이를 해결하고자 전륜의 경우 캐스터의 트레일과 각도를 조절했습니다. 캐스터는 회전중심축이 되는 킹핀이 차량의 안쪽 및 뒤쪽으로 기울어져 있는 정도를 나타내는데, 캐스터 트레일과 각도를 예전보다 크게 설정해 고속 주행 시 안정성을 높였습니다. 그리고 후륜에서는 쇽업소버의 장착 각도를 변경했습니다. 기존 앞으로 기울어져 있던 쇽업소버를 수직에 가깝게 세워 차량이 돌출된 노면을 통과할 때 흡수하는 충격을 줄였습니다.

서스펜션 구조 변경 외 제어 부분에서 주목할 기술은 ECS입니다. 차량 전후방에 장착된 수직 가속도 센서가 차량의 움직임을 측정해 ECU(Engine Control Unit)에 전달하고, ECU는 이 정보를 분석해 최적의 감쇠력을 결정한 후 전자제어 쇽업소버를 통해 차량을 제어합니다. 이와 같은 역할이 가능한 것은 댐퍼 내부에 있는 리바운드 스프링도 한몫합니다. 리바운드 스프링은 과속방지턱을 통과할 때 과도한 출렁거림을 방지하는 장치로 코너링 중 차체가 바깥쪽으로 기우는 롤이 발생했다 제자리로 돌아올 때 차체가 들리는 것을 막아줍니다.  

서스펜션의 진화

프리뷰 에어 서스펜션 – 차량 스스로 차체 높이 제어

노면 정보를 미리 인지해 서스펜션 감쇠력 조절

자동차 스스로 카메라와 내비게이션 정보를 이용해 전방의 노면 정보를 미리 인지하고 해당 노면에 적합하게 서스펜션 감쇠력을 제어하는 기술 입니다.

KEY TECH
2. Handling
정교하게 더욱 섬세하게, 핸들링

보다 민첩한 조향

자동차의 조향을 담당하는 스티어링 휠이 MDPS(Motor Driven Power Steering)로 변화한 이유는 연료소비 효율 개선이라는 당면과제가 있었기 때문입니다. 유압식은 운전자의 힘을 크게 덜어주면서 조종안정성을 좋게 했지만, 각 장치를 작동하는데 엔진의 동력을 사용해야 했기 때문에 연비 저하의 원인이 됐습니다. 

이에 탄생한 파워 스티어링은 전동 모터의 장착 부위에 따라 C-MDPS(Column)나 R-MDPS(Rack) 등으로 불렸고, 용량이나 단가, 중량 등에 맞춰 차량별로 적용 범위를 나눴습니다. 

C-MDPS 방식은 스티어링 칼럼에 모터를 장착하는 구조로 운전자 입장에서 가볍게 조작할 수 있는 것이 장점입니다. 또한 일상 주행용 차량이라면 조향에 큰 무리가 없습니다. R-MDPS 방식은 랙 기어 쪽에 모터를 장착하는 구조로 전동 모터가 조향 기어를 직접 구동해 조종안정성이 뛰어납니다. 최근에는 MDPS가 모터와 ECU의 정교화를 통해 자율주행 시스템의 단초를 마련하고 있어 더욱 주목받고 있습니다.

조종 안정성 개발에서 주목할 기술은 고정 기어비에서 최근 가변 기어비(VGR) 기술까지 적용한 것입니다. VGR은 조향을 위해 스티어링 휠을 돌렸을 때 스티어링 랙바가 이동하는 비율인 기어비를 구간별로 다르게 조정하는 장치입니다. 고속 직진 주행에서는 기어비를 낮춰 고속 직진 주행 시 정교한 조향을 구현하고, 회전이 필요한 대조타 구간에서는 기어비를 높여 민첩성을 높여줍니다. VGR은 R-MDPS, 다이내믹 토크 벡터링 컨트롤(DTVC: Dynamic Torque Vectoring Control), 기계식 차동 제한 장치(M-LSD: Mechanical Limited Slip Differential) 등과 함께 핸들링 향상에 기여하고 있습니다 .  

VGR 적용된 R-MDPS

조향감을 보다 정교하게 만드는 또 다른 기술은  DTVC입니다. 토크 벡터링은 코너링 중 안쪽 바퀴에 제동을 걸어 코너를 매끄럽게 돌 수 있도록 도와주지만, DTVC는 여기서 한발 더 나아갑니다. 즉 코너를 탈출할 때만 작동하는 토크 벡터링과 달리, DTVC는 스티어링 휠을 돌릴 때마다 코너 안쪽 바퀴에 미세한 수준의 제동 압력을 가하는데, 이는 가속과 정속 주행 등 거의 모든 상황에서 작동합니다. 이로써 언더스티어를 막는 것은 물론, 랩타임도 단축합니다. 심지어 눈길처럼 마찰력이 낮은 길에서도 작동해 차의 선회력을 도와줍니다.

M-LSD 또한 빼놓을 수 없는 조향감 향상에 필요한 장비입니다. 급격한 코너를 돌 때처럼 횡 가속도가 높은 상황에서는 바깥쪽 바퀴에 무게가 실려 접지력이 높아지지만, 안쪽 바퀴는 반대로 무게가 빠지며 접지력이 낮아집니다. 이때 DTVC는 안쪽 바퀴에 제동을 걸어 접지력을 회복하고 차를 선회 방향으로 돌려주지만, M-LSD는 안쪽 바퀴의 슬립을 억제하기 위해 사용한 토크를 동시에 바깥쪽 바퀴로 전달해 전체 구동력을 손실 없이 동일하게 유지한 상태에서 차량의 코너 가속 성능을 높여 줍니다.  

날카로운 코너링과 선회 안정성을 돕는 M-LSD

KEY TECH
3. Control system
어떤 노면에서도 안정적으로

구동력 제어와 배분이 자유로운 HTRAC (H트랙)

안전을 중요하게 생각하는 운전자라면 차량에 부착된 ‘사륜구동’ 로고에 눈길이 갑니다. 특히 겨울철 눈길에서 마음고생 해본 경험이 있다면 더욱 안정감 있는 주행을 원하게 될 것입니다. 사륜구동 방식은 이런 고객의 니즈를 고려해 개발된 것으로 차량 속도 및 노면 상태를 전자적으로 감지하고 좌우 바퀴의 제동력과 전∙후륜에 모두 동력을 배분해 미끄러운 도로나 코너링 시 안정적으로 주행할 수 있도록 합니다. 

하지만 사륜구동 시스템은 2WD 대비 구동계 시스템이 추가돼 소음∙진동 부분이 발생하거나 구동 저항이 높아져 조종 안정성과 연비가 다소 약하기도 합니다. 이에 현대자동차그룹은 이런 취약점을 보완한 첨단 4WD 시스템 ‘HTRAC(H트랙)’을 선보였습니다. 회사명의 영문 이니셜 ‘H’와 4륜구동 시스템의 기술적 특징을 상징하는 ‘Traction’(구동∙선회)의 합성어의 조합으로 이뤄진 이 네임은 전∙후륜의 동력을 가변적으로 제어할 수 있는 것이 특징입니다.

제네시스에 최초로 탑재된 승용 HTRAC(H트랙)은 눈길, 빙판, 빗길 등에서 기본적인 트랙션 성능 확보는 물론 효율성과 정숙성, 온로드 핸들링 성능 측면도 고려됐습니다.

선회할 때의 경우 코너링이 급해지는 구간부터는 노멀 모드에서는 사륜구동화가 진행되지만, 스포츠 모드에서는 후륜구동에 가까운 구동력 배분을 가지게 됩니다. 차량이 아직 안정적인 영역에서는 보다 민첩성을 향상시키기 위해 선회제동시스템(ATCC), 즉 제동에 의한 토크 벡터링 기능이 HTRAC(H트랙)과 협조하면서 작동됩니다.

이보다 더 심한 선회와 차량이 안정성을 잃어버리기 시작하는 시점에는 차체자세제어장치(ESC : Electronic Stability Control)가 작동하며 차량의 불안정한 거동을 잡아줍니다. 차속이나 조향각, 횡가속도 및 요 레이트(Yaw Rate) 등을 센싱해서 차량의 목표 거동을 계산하고, 목표 거동과 차이가 적을 때는 모드별 배분비 제어를 하고 목표 거동과의 차이가 커지면 슬립 및 요 제어를 통해 차량의 거동을 개선하도록 설계됐습니다.

목표 거동과 차이가 적으면 모드별 제어, 차이가 크면 슬립 및 요 제어

HTRAC(H트랙)은 싼타페와 투싼과 같은 SUV에도 장착되어 드라이브 모드에 따라 후륜 구동력을 가변 제어하고 있습니다. 뿐만 아니라 험로주파성을 높인 ‘터레인 모드’가 적용되어 눈길(SNOW), 진흙(MUD), 모래(SAND)로 구성된 모드가 각 지형에 맞는 구동력 배분과 기어 단수, 가속 및 감속을 제어해 안정감을 높입니다.

HTRAC(H트랙)은 세계에서 가장 혹독한 독일 뉘르부르크링 서킷을 비롯해 스웨덴 아르예플로그(Arjeplog)에서 혹한지 시험을 거쳤고, 오스트리아 그로스글로크너(Grossglockner)에서 제동 성능을 테스트하면서 주행 성능과 내구성을 인정받았습니다.

드라이브 모드에 따른 주행 성능 차별화

HTRAC(H트랙)은 드라이브 모드(ECO, COMFORT, SPORT)별 구동력 배분을 최적화하여 모드에 적합한 전후 구동력 배분을 실시합니다. ECO 모드는 주구동륜에 우선 구동력을 배분하여 보조구동륜에 불필요한 구동력을 제어함으로써 연비 주행 모드를 제공합니다. COMFORT 모드는 전∙후륜에 최적화된 구동력 배분으로 안정감이 강조된 주행 모드를 제공합니다. SPORT 모드는 후륜 구동력 전달을 최대화하여 역동적인 주행감을 제공합니다. 또한, 클러스터를 통한 드라이브모드별 구동력 배분을 시각적으로 확인 가능합니다.

지형 조건에 따른 최적 주행 성능 구현

H트랙은 지형 조건(SNOW, MUD, SAND)별 AWD∙엔진∙변속기∙제동 통합 제어를 통한 최적의 주행성능을 구현하기 위해 중형 SUV 이상의 차량에 터레인 모드가 적용되었습니다.

AWD는 전∙후륜 타이어의 슬립 발생 시 적극적인 구동력 배분을 통해 탈출성능을 향상시킵니다. 파워트레인은 지형 조건에 적합한 엔진 토크 및 변속 패턴 최적화를 통한 동력성능을 구현합니다. ESC는 타이어 슬립을 빨리 억제시키기 위해 좌∙우 바퀴의 제동 제어를 통해 탈출성능을 향상시킵니다.