3륜차는 안전한가? by 달콤한인삼

같이 블로그 글을 쓰는 '달콤한점화'녀석이 3륜차에 대한 포스팅을 했었습니다.

2011/02/16 - [Design] - 바퀴가 네개여야 자동차인가요? -3륜차의 세계-
3륜차는 말 그대로 바퀴가 3개인 자동차이죠.(혹은 오토바이라고 분류되는 종류도 있습니다.) 역사적으로 그 시작을 생각해 보면 퀴뇨가 만들었던 증기자동차까지 거슬러 올라가는군요. 1차세계 대전때에는 일면 사이드카라고 불리는 녀석들도 많이 있었습니다. 아무튼 지금은 그런 얘기를 하려는 것이 아니구요. 조금 기술적인 부분에 대해서 글을 적으려고 합니다.

3륜차는 아래 보시는 것 처럼 종류와 형태가 다양합니다.

그런데 바퀴가 3개이기 때문에 발생하는 논란거리가 있습니다.

바로,

두바퀴를 앞으로 해야 하는지, 뒤로 해야 하는지에 대한 문제입니다.

물론, 

 이거처럼 어중간하게 바퀴를 해버린 차들도 있습니다. 당연히 이건 개조를 했기에 이런 형태인 거구요.

태생적으로 3륜차로 나온 자동차들은 3개의 바퀴를 어떻게 배치해야 하는지에 대한 문제를 갖습니다.

왜냐하면, 바퀴 3개가 가지는 불안정성 때문입니다. 2바퀴인 자전거나 오토바이는 주행하지 않는 한 서 있기가 힘이 들죠. 물론 운전자가 가만히 서서 중심을 잘 잡아 주면 생각보다 오래 서 있는 인위적인 경우는 있습니다. 하지만 자연스러운 상태에서 2바퀴 탈것들은 혼자서 서있질 못합니다. 지지점이 2개 뿐이기 때문이죠. 하지만 지지점이 3개가 되면 상황이 달라집니다. 혼자서도 서 있을 수 있습니다. 마치 삼각대 처럼요.

3각형을 생각 해 보면 조금 이해가 쉽습니다. 중학교 때 삼각형의 무게중심에 대해서 배웁니다. 도형이 삼각형이 되면서 부터는 면적을 가지기 때문에 그 형태에 따라서 무게중심이 정해집니다.(꼭지점이 2개인 선분은 길이의 절반이 무게중심이죠.)  3륜차 뿐만 아니라 4륜이나 6륜 혹은 그 이상의 모든 움직이는 자동차들은 무게중심이 중요합니다. 무게 중심에 따라서 달리는 차체가 안정적인 정도에 차이가 나고 급박한 상황에서도 차체를 안정적으로 컨트롤 할 수 있기 때문입니다. 대형 트럭들이 바퀴 수가 많은 이유는, 하중을 분산 시켜서 무게가 한곳으로 집중되는 것을 방지하기 위함입니다. 

4륜을 가진 일반적인 자동차는 주행 상황에 따라서 1바퀴의 접지가 되지 않더라도 나머지 3바퀴로 접지를 하여 안정성을 찾을 수 있습니다. 그런데 3륜차는 1바퀴의 접지가 제대로 되지 않으면 바로 균형이 깨져버립니다. 그래서 넘어지는 경우가 발생합니다. 과거에 우리나라에 있던 삼륜차들은 앞바퀴가 외륜이었는데 내리막길을 내려오다가 넘어지는 현상이 많았다고 어르신들이 말씀 하시는 걸 종종 들을 수 있습니다. 무게중심이 무너지는 상황이 되면 내재되어 있던 불안정성이 증폭되어 무너져 내리는 것이죠.

이 포스팅을 위해서 몇몇 논문들을 열람 했습니다. 막연하게는 알고 있지만 구체적으로 설명을 하려고 하니까 한계에 부딪히는 것을 느꼈기 때문입니다. 가장 참고가 되었던 논문은 태양광 자동차의 3륜에 대한 안정성을 분석한 논문입니다. 하단에 제목과 저자를 적어 놓았습니다.

일단 3륜차의 어느 쪽을 외륜으로 구성하는가는 그 자동차의 용도에 따라 결정 해야 할 사항입니다. 다음은 뒷바퀴를 구동바퀴로, 앞바퀴를 조향으로 했을 경우 앞/뒤 외륜의 차이에 따른 상대적인 비교입니다.

외륜 축	앞	뒤
직진성	좋음	나쁨
코너링 성능	나쁨	좋음
디퍼렌셜	있음	없음
브레이킹성능	나쁨	좋음

비교표에 따르면, 상대적으로 고속위주의 주행을 하는 경우라면 앞바퀴가 외륜인 경우가 유리하지만 브레이킹 시 하중이 앞으로 쏠리는 관계로 불안정할 수 있습니다. 반대로 뒷바퀴를 외륜으로 구성하면 코너링성능이라 브레이킹이 좋지만 직진성에서는 약간의 손해를 봅니다.(하지만 직진성은 조향기구 세팅에 따라서 얼마든지 커버 가능하다고 생각합니다.)

위에 비교표에 나온 것 말고도 생각 해야 할 것이 짐을 싣는지에 대한 것과 승객의 위치입니다. 일반적인 승용차에서는 사람의 무게가 무시할 수 없는 하중 요소이기 때문에 사람이 어느 위치에 승차하느냐에 따라서 차량 전체의 무게중심이 바뀌게 됩니다. 

제가 참고 했던 문서에서는 앞바퀴를 2륜으로 하고 뒷바퀴를 외륜으로 구성하는 경우에 대한 안정성을 검증했습니다. 이럴 경우에 앞/뒤에 걸리는 무게 배분은 66/33% 로 해야 가장 안정적이라는 결론을 얻었다고 합니다. 외륜인 쪽에는 하중을 상대적으로 적게 걸리도록 하는 것이 안정적이라는 것으로 볼 수 있습니다. 따라서 앞바퀴를 외륜으로 하고 뒷바퀴를 두개로 구성하는 차량의 경우에는 바퀴가 2개인 후륜쪽에 무게를 더 많이 배분하도록 하는 것이 안정적일 것이라는 추측을 해 볼 수 있겠습니다. 

물론,

  옆의 사진과 같이 기술은 많이 진보해서 어디가 외륜이던간에 무게중심을동적으로 컨트롤 해서 안정성을 확보해 주는 차량들이 이미 많이 나왔습니다. 

제가 글을 쓴 내용들은 전적으로 3륜차의 특성에 대해서 이해하고자 한 목적이지 어떤 형태가 좋다는 편향적인 생각을 가지지 않았음을 밝혀 두고 싶습니다. 기술은 발전하고 과거의 단점이었던 것들은 이제는 더이상 눈에 띄지 않는 자동차들이 나오는 시대입니다. 하지만 과거에 있던 문제점들을 분석하고 그것을 해결하고자 노력해 온 공학자들이 있었기에 가능한 일이었겠죠. 하지만 이미 해결 된 문제라고 해서 그 근본이 되었던 문제들이나 원리들을 잊어서는 안되겠습니다. 

쓰다보니 좀 내용이 엉망이긴 한데, 어디가서 이글 인용하는 건 자제해 주세요. 추후에 조금 더 지식이 쌓이면 보충해서 쓰도록 하겠습니다. 

디퍼렌셜에 대한 설명을 빼 버렸는데, 안써도 아실만한 분들은 다 아시리라 봅니다.

잘못된 점이나 추가로 궁금하신 점 있으시면 밑에 댓글로 남겨주세요.

참고문헌:

Designing Stable Three Wheeled Vehicles, With Application to Solar Powered Racing Cars November 8, 2006 Revision, Prof. Patrick J. Starr