[오토저널] 빗길 사고 사례로 살펴본 빗길 과속의 위험성

2019.12.11. 13:55:51

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차량 및 Tire에서 요구되는 성능은 조종안정성, 제동성, 내구성, 내마모성, NVH 성능, 저연비 성능 등 매우 다양하다. 이러한 요구 성능 중 운전자의 안전과 가장 밀접한 관계가 있는 차량성능은 조종안정성과 제동성능이라 할 수 있다. 특히 빗길에서의 차량의 제동성능은 운전자의 생명과 직결되는 매우 중요한 차량/타이어 성능이라 할 수 있을 것이다. 빗길 사고로는 걸 그룹인 레이디스코드가 탄 차량이 빗길에서 전복한 끔직한 교통사고로 우리에게도 잘 알려진 매우 불행한 사례로 언급되어진다.

당시 보도에 따르면 2014년 9월 대구에서 열린 행사에 출연한 후 귀경하다, 3일 새벽 1시 30분경 영동고속도로에서 인천방면으로 이동 중 신갈 분기점에서 타고 있던 승합차가 빗길에 미끄러지며 전복한 사고가 발생하였다. 이로 인하여 한창 활동 중이던 걸 그룹 2명이 사망하고, 다수의 인원이 중경상을 입은 교통사고가 발생하였다.

최근에는 대부분의 차량에 운전자의 안전과 관계되는 ABS System의 장착 이후에도 Air Bag의 설치 및 ECS(전자 제어 시스템)와 같은 차량 거동에 대한 안정성을 확보하려는 시스템의 개발 등, 고객 안전을 중시하는 방향으로 기술개발이 이루어지고 있다. 또한 빗길에서의 주행 안전은 운전자의 각별한 노력도 요구되어진다. 이 사건의 경우 빗길에서의 과속 주행이 사고 원인의 전부라 할 수 없지만, 사고원인의 일부임을 부인하기는 어려울 것이다.

일반적으로 단순히 노면이 젖어있는 정도의 빗길에서는 최고 주행속도의 20%를 감속하여야하고, 폭우로 가시거리가 10m 이내인 경우에는 50%를 감속하도록 교통 법규에도 정해놓고 있다. 그러나 이번 사고의 경우 사고 지점의 최고 제한 속도가 100km/h이고, 당시 야간인데다 비가 내리고 있어 시야 확보가 어려운 운전 조건임에도 불구하고, 운전자는 제한 속도(20% 감속을 감안)를 약 55.7km/h 이상을 초과한 135.7km/h로 과속 운전을 하다가 사고가 난 것으로 경찰 조사 결과 밝혀졌다.

일반적으로 빗길에서는 주간에도 전조등을 켜고 빗길 상황에 따라 20%~50%의 감속 운행이 필수적이다. 특히 물이 많이 고여 있는 도로에서는 수막현상Hydroplaning)이 발생하기 쉬우므로 급제동 또는 급가속을 피해야 하고, 일단 Hydroplaning 현상이 발생하면 핸들 조작이 의미가 없어지므로, 수심이 깊은 도로에서는 Hydroplaning 발생하지 않도록 감속 운전이 반드시 필요하다.

타이어 공기압 사용 실태 조사 결과

타이어 공기압은 차량 대부분의 성능뿐만 아니라 조종안정성, 제동성능 그리고 수막현상으로 인한 Hydroplaning 특성 등 차량 안전에 직·간접적으로 영향을 줄 수 있는 요소임에도 불구하고 적정 공기압 관리가 잘 이루어지는 경우는 약 50%에 불과하다. European Automobile Manufactures’ Association에 따르면 실제 주행 중인 승용차 타이어 공기압을 모니터링한 결과 <그림 1>과 같이 적정 공기압을 사용하는 차량은 53%에 불과하고, 과다 공기압 차량이 12%, 그리고 저공기압 사용 차량이 35%, 즉 약 47%의 차량들이 부적절한 공기압을 사용하고 있는 것으로 조사되었다.

본론에서도 언급하겠지만 타이어의 적정 공기압 관리는 젖은 노면에서의 제동 성능이나 수막현상 발생 예방에 도움을 줄 수 있다. 실제로 젖은 노면 주행에 대한 위험성은 주로 저공기압에서 발생한다. 그럼에도 불구하고 통계 결과에 따르면 저공기압을 사용하는 차량은 35%나 되는 것으로 조사되었다.

젖은 노면에서의 마찰 특성

고무와 같은 점탄성 물질들의 마찰 특성은 <그림 2>과 식 1)에 표현된 것처럼 Adhesion, Hysteresis 그리고 Cohesion 마찰로 표현할 수 있다. Adhesion friction은 노면과 고무간의 Molecular Interaction에 의한 반데르발스 힘에 의하여 자동차 성능과 타이어 특성의 최적화 발생하고, 고무의 반복 변형으로 인하여 발생하는 Energy Loss를 의미하는 Hysteresis 그리고 거친 노면에서 주로 발생하는 Wear나 Tear에 의한 Cohesion Term으로 설명할 수 있다. 일반적으로 총 마찰 특성에 대한 Cohesion의 기여도는 2~3% 수준에 불과하여, 제외하여 생각하기로 한다.

Dry 노면에서의 마찰계수는 Adhesion Friction과 Hysteresis Friction의 합에 의하여 결정되는 반면에, 빗길에서의 마찰계수는 Hysteresis Friction에 의하여 결정되므로 상대적으로 작은 값을 가질 수밖에 없다. 따라서 빗길에서의 제동 성능을 결정하는 마찰력은 고무의 Hysteresis Friction과 타이어 트레드의 Pattern 형상의 배수 능력에 의하여 결정된다.

<그림 3>은 케코 도마뱀과 스파이더맨이 Adhesion Friction을 이용하여 벽을 오르는 모습을 보여주고 있다. 그리고 <그림 4> a)는 개코 도마뱀의 발바닥에 있는 무수히 많은 융털을 이용하여 벽을 오를 수 있는 있는 원리를 설명하고 있다. 그리고 <그림 4>의 b)는 게코 도마뱀의 Adhesion friction 원리를 이용하여 벽을 오르도록 개발한 로봇을 소개하였다.

차량의 제동거리에 대한 속도의 영향도

일반적으로 차량의 제동거리는 식 2)와 같이 속도 제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이는 마찰계수가 속도에 무관한 Constant Value라고 가정하는 경우이다. 마른 노면의 경우에는 마찰 계수가 속도의 영향이 미미하여 제동거리가 식 2)와 같이 속도 제곱에 비례하는 것으로 표현할 수 있다. 그러나 젖은 노면은 수막현상으로 인하여 타이어와 노면간의 마찰 계수가 속도에 의존하게 된다.

따라서 젖은 노면에서는 식 3)과 같이 마찰계수가 속도의 지수함수 형태로 감소하게 된다. 이를 확인하기 위하여 속도별로 6mm 수막 위를 통과하는 차량의 타이어 접지형상을 고속 카메라를 이용하여 촬영한 결과를 분석하였다. 두 종의 타이어에 대하여 실제로 수막이 형성된 젖은 노면에서 제동시 측정한 접지 형상을 <그림 5>에 표현하였다. <그림 5>에서 파란색으로 표현된 부분이 노면에 접지하고 있는 접지면을 의미하며, 타이어 종류에 관계없이 속도가 증가함에 따라 접지면적이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이렇게 감소한 접지 면적이 젖은 노면에서의 타이어 제동 성능을 감소시키는 요인이 된다.

<그림 6>에 표현된 것처럼 차량의 속도 증가에 따라 매우 민감하게 접지 면적이 감소함을 알 수 있다. 여기서 Y축의 값은 실제 타이어 접지율을 의미한다. 젖은 노면에서의 제동거리는 식 4)와 같이 다소 복잡한 모양의 형태를 보인다. 식 4)를 Taylor 시리즈 전개를 통하여 실제 제동 거리를 속도만의 함수로 표현하면 식 5)와 같이 표현할 수 있다.

따라서 젖은 노면에서의 제동거리는 속도가 높아질수록 우리가 생각하는 것보다 제동거리가 훨씬 더 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 앞에서 언급한 마찰 Mechanism을 감안하면 실제로 마른 노면에서의 제동거리와 젖은 노면에서의 제동 거리 차이는 Adhesion Friction에 해당하는 약 15% 정도의 차이에 불과할 것으로 생각되나, 실제는 젖은 노면에서는 수막현상으로 인하여 제동거리는 보다 길어진다. 이에 대한 이해를 보다 명확히 하기위하여 마찰 계수가 속도에 무관한 경우의 제동거리와 속도에 대하여 지수 함수 형태인 경우의 제동거리, 즉 두 경우로 분류하여 분석한 제동시 속도에 대한 제동거리 변화 추이를 <그림 7>에 표현하였다.

타이어 공기압과 수막현상(Hydroplaning)

일반적으로 자동차가 고속으로 주행하는 경우, <그림 8>에서처럼 타이어와 노면 사이에 배수 되지 못한 물로 인하여 타이어가 일부 접지면적을 손실하고 수막 위를 활주하는 현상을 보이거나, 고속 주행하는 차량이 급제동을 하게 되면 우리가 알고 있던 제동거리 보다 훨씬 길어지는 수막현상(Hydroplaning)이 발생하게 된다. 일단 수막현상이 발생하게 되면 차량의 Steering 및 Traction 성능의 급격한 저하로 차량의 조종 안전성이나 제동 성능이 감소하여 차량의 안전성이 크게 위협받게 된다.

<그림 9>에서 푸른색의 타이어 접지형상 부분은 실제로 타이어가 노면에 접지하고 있는 부위를, 붉은색 부분은 수막현상으로 인하여 타이어가 노면에서 이탈하여 접지력을 상실한 부위를 의미한다. 속도와 공기압 변화에 따른 접지율 변화를 보다 정량적으로 이해하기위하여, 실제 측정한 접지 면적을 <그림 10>에 표현하였다. 차량 속도가 증가하면 접지면적이 감소하는 현상을 보였고, 공기압의 경우에는 적정 공기압(33psi)에서 감소하면 접지면적은 크게 감소하나, 공기압을 증가시키면 접지면적이 증가하는 경향을 보인다.
수막을 형성하고 있는 젖은 노면에서 주행속도/타이어 공기압별 접지형상을 표시한 <그림 9>와 이를 정량적으로 분석한 <그림 10>에 따르면 주행속도가 빨라질수록, 공기압이 감소할수록, 타이어가 수막을 뚫고 노면과 접지하는 접지율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 속도가 증가할수록 공기압이 낮을수록 수막이 형성된 젖은 노면에서의 타이어와 노면의 Grip력은 감소하고 차량의 안전성은 저하된다.

고속 주행시 급제동에 따른 충격량의 이해

젖은 노면에서의 과속 위험성을 가장 쉽게 이해하기 위해서는 차량의 속도 증가에 따른 제동거리 증가와 이에 따른 충격량을 해석하는 것이 가장 좋은 방법이다.
<그림 11>은 젖은 노면에서 속도 변화에 대한 차량의 제동거리 변화 추이를 표현한 것이다. 이 차량이 젖은 노면에서 80km/h 속도로 주행하다, 급제동을 하면 57m의 제동 거리를 보인다고 가정하자. 그리고 차량의 제동 시점으로부터 57m 떨어져 보행하던 사람이 있다면, 이 사람은 차량과의 충돌을 피할 수 있을 것이다. 그러나 이 차량이 속도를 증가하여 90km/h에서 급제동을 하게 되면, 앞에서 언급한 식 5)를 이용할 경우, 제동 거리는 76m로 증가한다. 그리고 같은 위치를 보행하던 사람은 51km/h의 속도의 주행차량과 충돌하는 결과를 보일 것이다. 좀 더 과속을 하여 100km/h로 주행하다 급제동을 하게 되면, 이 차량의 제동 거리는 100m가 될 것이다. 또한 같은 위치를 보행하던 사람은 약 71km/h 속도의 차량과 충돌하게 된다.

90km/h 속도의 차량 급제동시 언급했던 51km/h 속도서 충돌하는 충격 정도는 <그림 12>와 같이 10.2m 높이에서 자유낙하 충돌시 느끼는 충격량과 동일할 것이다. 실제로 젖은 노면에서 10Km/h 이상의 과속 여부에 따른 차량과 보행자와의 충격량은 비교할 수 없을 정도의 큰 차이를 유발하게 된다.

타이어 공기압이 제동 성능에 주는 영향

이번에는 젖은 노면 제동거리에 대한 타이어 공기압(Inflation Pressure)의 영향에 대하여 살펴보자. 타이어 공기압을 변경하며 마른노면과 젖은 노면에서 100km/h 속도로 실차 제동평가를 실시하였다.

<그림 13>과 같이 표준 공기압(30psi)을 기준으로 공기압 10% 증가시 제동 성능의 변화를 살펴보았다. 마른 노면에서는 거의 변화가 없었으나, 젖은 노면에서는 약 5.6%의 제동 성능 향상을 볼 수 있었다. 5~6%의 제동성능 차이는 운전자 또는 보행자의 생명을 위협할 수 있는 충분한 수준이다. 공기압 저하가 제동 성능 저하를 유발하는 것은 타이어가 노면과 접지하는 형상에 기인한다. 공기압이 증가하면 타이어 강성증가로 수막을 깨고 타이어가 노면과의 접지면적을 확보하는데 유리하기 때문이다.

타이어 마모도가 제동 성능에 주는 영향

타이어의 마모 정도는 차량의 여러 가지 성능에 민감한 영향을 준다. 특히 빗길에서의 제동과 조종안정성 그리고 깊은 수심에서의 수막현상 발생 여부 등에 대해서는 마모 정도에 따라 성능변화에 지대한 영향을 주게 된다. 그래서 타이어 제조사들은 타이어 마모 한계를 관리하고 있고, 소비자들이 쉽게 마모 정도를 파악할 수 있도록 <그림 14>의 a와 같이 타이어 옆면(Sidewall 부)에 삼각형 표시를 하고, 이 옆면을 따라 노면과 접촉하는 트레드에 그림 b, c)와 같이 트레드 홈(Groove)에 마모 한계선을 표시하여 트레드가 이 한계선보다 마모가 더 진행되면 타이어를 반드시 교체하도록 하고 있다. 마모 한계선보다 마모가 더 진행되면 심각한 수막현상의 발생 및 제동거리 증가 그리고 조종안정성 성능 저하로 빗길에서 차량 주행은 매우 어려워진다.

실제로 신품 타이어와 마모 한계선 근처까지 마모가 진행된 타이어에 대한 제동 성능 평가를 진행하여 그 결과를 <그림 15>에 표현하였다. 마모품 타이어의 경우 마른 노면에서는 제동 성능 차이가 거의 없으나 젖은 노면에서의 제동성능 차이는 약 20% 수준에 도달한다.

빗길 운전시의 올바른 운전 자세

비가 내려 노면이 젖어 있는 빗길의 경우에는 주행 중인 도로에 정해진 최고 제한 속도의 20% 이상 감속 주행을 하여야 하고 폭우로 인하여 가시거리가 10m 미만인 경우에는 50% 이상 감속 주행을 하여야 한다.

과속의 위험성을 고려한 빗길에서의 운전 요령은 우천 시에는 낮에도 전조등 켠 채로 운전을 하고 수막현상이 발생하지 않도록 무조건 감속 운행을 해야 한다. 특히 수심이 깊은 도로의 주행시는 급제동 또는 급가속을 삼가해야 할 뿐만 아니라 급격한 핸들 조작을 피해, 수막현상으로 인한 타이어의 급격한 Grip력 감소를 예방해야 할 것이다.

빗길 운전시 마모 타이어의 사용 제한

심하게 마모된 타이어 특히 TWI(마모 한계선) 밑으로 마모된 타이어는 즉시 교체하여야한다. 마모 한계선보다 심하게 마모된 타이어는 트레드의 배수 능력의 급격한 저하로 제동거리가 30% 이상 길어지기 때문이다.

빗길 운전시 타이어의 적정 공기압 조절

비가 자주 오는 여름철에 수막현상(Hydroplaning)을 감소시킬 수 있는 유용한 방법이 타이어 공기압을 약 10% 정도 증가시키는 것이다. 물론 공기압을 너무 증가시키면 승차감의 저하를 유발할 수 있다. 이를 감안하여 적절한 범위에서 공기압을 조절하여야 한다.