통상 런플랫 타이어를 말할 때 ‘펑크가 나도 달릴 수 있다’는 데 주안점을 두지만, 사실 근본적인 이유는 갑작스럽게 타이어에 가해지는 외력이나 하중 변동 등 어떤 상황이 도래하더라도 타이어의 눌림을 최대한 줄여 ‘원주거리 변화를 최소화’하는데 있다. 즉 위험을 최소화하는 것이다. BMW의 런플랫 타이어와 독특한 휠 구조, 공기압 모니터링 시스템이 포함된 RSC는 분명 안전한 고급 옵션 중 하나다. BMW 고객은 프리미엄 자동차에 어울리는 든든한 보험 하나를 더 든 셈이다. BMW는 M 시리즈를 제외한 모든 모델에 런플랫 타이어를 적용하고 있다.

타이어와 차의 하모니 
 
자동차에는 동력을 만들어 효과적으로 전달하는 파워트레인과 동력을 제어하는 시스템, 그리고 승차감과 핸들링을 좌우하는 서스펜션 등 여러 가지 구성요소가 있지만, 동력과 안전을 비롯한 자동차의 모든 주행성능을 도로에 전달하는 마지막 주자이자 유일하게 노면과 만나는 부분은 타이어다.
차의 타이어는 종종 사람의 신발에 비유한다. 신발도 그 용도에 따라 육상 선수에게는 런닝화, 축구선수에게는 축구화, 갯벌에서는 갯벌화용 장화, 겨울철 눈보라와 혹한이 동반되는 곳에서는 미끄러지지 않으면서 따뜻한 털신이 요구되듯 자동차에서도 차의 성격과 도로 환경에 어울리는 타이어가 필요하다.
타이어에도 종류가 많은데, 그 많은 타이어들이 어느 차에서나 혹은 어떤 상황에서나 다 좋은 것은 아니다. 아주 좋은 가죽으로 만든 구두라도 그 용도와 능력 혹은 규격이 맞지 않으면 결코 좋다고 할 수 없는 것과 같은 이치다. 예를 들어 아버지 구두를 어린 아이가 신을 수 없는 것은 말할 필요도 없고, 하이힐을 신은 멋진 여성이 뒤꿈치에 밴드를 붙이고 다니는 경우도 어떻게 보면 발 크기나 생활환경 등에서 무언가 맞지 않는 부분이 있기 때문이다.
이처럼 자동차에서도 타이어와 차의 하모니는 매우 중요하다. 즉 차와 타이어가 조화를 못 이루면 차의 움직임에 관련된 다른 많은 부분에 악영향을 미치게 된다. 이런 배경에서 타이어를 살펴보면, 어떤 자동차든 그 차에 가장 잘 맞는 타이어 사이즈가 정해져 있는 셈입니다.
기본적으로 타이어는 사이즈를 표기하는 규정된 숫자와 기호가 있다. 예를 들어 어떤 타이어에 ‘225/50R 17’이라고 적혀 있다. ‘225’는 타이어의 폭(mm), ‘50’은 타이어의 높이가 225 mm의 50%라는 의미이다. ‘R 17’은 휠 직경이 17인치라는 뜻이다. 그리고 이 표시의 뒤쪽에 추가적으로 ‘속도 한계’를 나타내는 문자 표시가 들어간다. 하이힐을 신고 빨리 달릴 수 없듯이 타이어도 그 차의 속도 한계에 맞는 것을 찾아 끼울 것을 권장하는 것이다.

지름의 변화와 대책

자동차에서 기계적인 정밀성이 높아지고, 전자화 측면에서의 발전을 제외하면 구동에 관련된 하드웨어적인 장치들의 대부분은 이미 오랜 전부터(2차대전 무렵) 그 구조적 근간이 완성됐다. 그에 비해 타이어의 경우엔 최근에도 여전히 끊임없는 논의와 연구가 이어지고 있다. 이것은 결정적으로 타이어가 가진 유연한 물리적인 구조 때문이라고 말할 수 있다. 장착 방법에 있어서도 차를 구동하는 하드웨어 중에서는 거의 유일하게 볼트나 너트가 없는 게 타이어다. 바퀴의 중심축에서 림의 끝까지는 알루미늄(또는 스틸)으로 돼 있지만, 타이어부터는 고무로 돼 있어 차가 서 있을 때부터 움직이는 내내 외형은 물론 내부에도 변동이 생긴다.
우리는 보통 타이어의 크기에 대해 고정된 시각에서 인식한다. 하지만 공기압이 정상인 것을 전제로 했을 때도 타이어의 실제 지름은 상황에 따라 달라진다. 이는 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 먼저 휠에 타이어만 장착한 상태 또는 차를 리프트에 띄워 타이어가 원래의 형태를 유지하고 있는 무하중 상태의 경우 타이어 지름이 가장 크다. 다음으로 차에 장착되어 차의 하중을 타이어가 고스란히 받고 노면 위에 서 있는 상태에서의 타이어 지름(Static Diameter)이 가장 작다. 마지막으로 달리고 있을 때의 타이어 지름(Dynamic Diameter)은 그 중간 정도다. 언뜻 보기엔 달리면서 받는 하중에 의해 지름이 작아질 것이라 생각할 수도 있지만, 실질적으로 타이어가 회전하면서 생기는 원심력과 열팽창 등에 의해 정차해 있을 때보다는 움직이고 있을 때 타이어 지름이 크다.
아마 우리가 차를 타고 달리는 동안 타이어의 동적 지름이 그대로 유지되고 있다면 매우 이상적이고, 별다른 문제도 없을 것이다. 그러나 앞서 언급한 것처럼 타이어의 태생 자체가 유연하다는 것은 곧 어떤 움직임에 대해 유동적이라는 얘기다. 무엇보다 타이어의 높이(%)가 크면 클수록 그 변화는 더 심해진다. 따라서 가능하면 타이어의 높이를 낮추면 좋은데, 대신 낮을수록 승차감에서 완충효과에 의한 부드러움이 줄어들게 된다. 그러다보니 부드러운 측면을 고려해 승차감의 저하를 보완하기 위해 다양한 방법들이 함께 동원되기도 한다. 유압·가스봉입식이나 댐핑 압력의 단계별로 조절할 수 있는 쇼크 업소버, 마그네틱 혹은 전자식 댐퍼, 에어 서스펜션 등의 기능을 이용해 승차감을 조절하는 것도 그런 맥락에서 접근할 수 있는 부분이다.



서스펜션 측면에서 이러한 접근방법이 아니라면 타이어의 높이(%)를 올려야 완충효과에 대한 만족도를 높일 수 있는데, 그럴 경우 불규칙한 노면이나 각이 심하게 꺾이는 코너를 달릴 때 외력에 의한 타이어 눌림이 커지면, 그만큼 차의 움직임은 불안정해지거나 휘청거릴 수 있다. 가령 80 km/h 정도로 달리다가 갑작스레 전방에 있는 장애물을 피하기 위해 스티어링 휠을 왼쪽으로 돌리며 강하게 브레이크까지 밟는다면, 오른쪽 앞바퀴 쪽으로 순간적으로 걸리는 하중은 차 전체 중량의 3.5배까지 늘어날 수도 있다. 물론 그 큰 하중의 많은 부분을 서스펜션과 휠, 타이어가 나눠 받기는 하지만, 그래도 평상시 차 중량의 1/4만 지탱하던 수준에 비하면 엄청나게 많은 힘을 받는 셈이다. 특히 이때는 노면에 어떤 요철이 없는 상태에서도 타이어는 크게 눌리게 된다.
어떤 형태로든 타이어가 많이 눌릴수록 차의 움직임은 여러모로 불리해진다. 타이어가 눌린다는 것은 그 만큼 전체 원주거리(타이어가 한 바퀴 굴렀을 때의 거리)가 줄어들게 되는 것과 마찬가지다. 만약 심하게 굽은 길에서 한쪽 타이어만 많이 눌리게 된다면 좌우 바퀴의 이동거리가 달라지는 셈이므로 자칫 차는 중심을 잃게 될 수도 있다. 이럴 때 잘 버티려면 일반적인 60시리즈가 아닌 45시리즈나 35시리즈 등 타이어의 높이(%)를 가리키는 숫자가 낮은 것이 유리하다. 즉 같은 지름의 타이어라도 높이의 비율이 낮을수록 무게 중심이동이나 하중의 변화에 잘 버티며 타이어가 덜 눌리게 된다.

스탠딩 웨이브의 제거 

차가 달리면서 타이어가 노면과 만나 타이어가 눌린다는 것은 타이어 외적인 변형뿐만 아니라 내적인 변화도 야기한다. 그런 변화를 단적으로 잘 설명할 수 있는 표현이 ‘RFV(Radial Force Variation) 또는 RFF (Radial Force Fluctuation)’라는 개념이다. RFV는 휠의 중심축을 기준으로 했을 때 타이어가 노면과 만나는 접지면에서 휠의 중심을 향해 하중 변동이 생긴다는 것을 의미한다. 이때 타이어 내부의 압력은 노면과 접지된 지점에서는 휠의 중심부로 향하는 하중이 눌림이 큰 만큼 강해지고, 그 축의 반대편은 그에 상응해 압력이 약해진다. 타이어가 회피 동작이나 코너링 등의 이유로 눌리는 순간, 지면에서부터 휠의 중심부로 향하는 하중 변동의 폭은 커지고, 이때 타이어 내부는 그 눌리는 힘에 대한 반작용이 일어나게 되는데, 휠의 중심부(축)를 위로 들어 올리려는 힘도 여기서 생긴다. 이것을 스프링과 댐퍼, 그리고 각종 링크들의 복합체인 서스펜션에서 걸러낸다. 완충의 정도를 비롯해 핸들링 특성 등을 조절하는 것이다.
중요한 것은 타이어의 눌림과 하중 변동이 달리는 동안 지속적으로 이뤄지고, 그런 과정에서 앞서 언급한 원주거리에 변화가 생긴다. 더욱이 이 과정에서 타이어에 공기압마저 약한 상태로 고속으로 달리게 된다면 타이어에서 가장 치명적인 스탠딩 웨이브(Standing Wave) 현상이 일어날 수도 있다.
지금까지 열거한 내용들이 타이어를 덜 눌리게 하는데 있어 기본이 되는 구조적인 방법들이다. 그리고 이것만으로는 부족해 ‘사람과 자동차의 안전’을 위해 더 완벽한 방향을 찾고자 BMW는 런플랫 타이어를 적극적으로 사용하게 됐다. 달리는 동안 갑작스럽게 가해지는 외력으로 인한 타이어의 눌림과 하중 변동에 의한 원주거리 변화가 클수록 차의 안정성과 안전은 저하되기 마련이다. 런플랫 타이어를 적용하는 99%의 목적은 바로 여기에 있다.

런플랫의 편의

통상 런플랫 타이어를 말할 때 ‘펑크가 나도 달릴 수 있다’는 데 주안점을 두지만, 사실 근본적인 이유는 갑작스럽게 타이어에 가해지는 외력이나 하중 변동 등 어떤 상황이 도래하더라도 타이어의 눌림을 최대한 줄여 ‘원주거리 변화를 최소화’하는 데 있다. 이는 달리는 동안 차체 움직임에서의 안정성과 예기치 못한 여러 상황에서의 안전 확보 등 동적인 환경변화에 보다 적극적으로 대응하기 위한 조치다.
당연히 런플랫 타이어의 내부 구조는 일반 타이어와 다르다. 통상적인 런플랫 타이어는 사이드 월에 큰 힘이 가해지더라도 심하게 눌리지 않고 복원력도 강한 고무 스트립을 타이어의 안쪽 양측면에 보강해 넣은 형태로 자기-지지(Self-Supporting)가 가능하다는 특징을 갖는다. 또 내열 성능이 우수하고 일반 타이어보다 응력과 열에 대한 저항성이 뛰어나다.
그런 맥락에서 볼 때, 런플랫 타이어는 안전에 대한 부분이 90% 이상 고려된 것이며, 그 나머지는 편의적인 측면에서 이점을 제공한다. 런플랫 타이어를 장착하면 기본적으로 공기압이 ‘0’, 즉 펑크가 나도 운행이 가능하기 때문에 차를 들어 올릴 때 사용하는 잭이나 스페어 타이어가 필요 없다. 가령 비가 내리는 날에도 견인차를 기다릴 필요 없이 80 km/h 속도로 150 km 정도 주행이 가능해 타이어 정비에 필요한 시간도 절약할 수 있다.
비록 타이어의 무게 증가로 인해 일반 타이어 대비 언스프렁 매스(Unsprung Mass: 스프링 아래 중량)이 크지만 BMW처럼 알루미늄 서스펜션을 비롯한 다른 부분에서 감량 효과를 키우면 타이어 무게 증가에 대한 부분을 충분히 상쇄시켜 차의 전체 무게를 줄일 수 있으며, 스페어 타이어를 넣는 공간에 추가적 수납공간을 마련할 수 있는 이점도 생긴다.
BMW는 1999년 로드스터 Z8부터 런플랫 타이어를 사용했다. 이 차는 4.9리터 V8 엔진, 최고 출력 400마력, 최대 토크 500 Nm을 자랑했고, 알루미늄 섀시와 바디로 설계됐다. 뛰어난 성능과 가장 안전한 타이어가 처음으로 만난 시기다. 비교적 작은 체구에 지붕을 여닫는 장치와 지붕을 수납할 공간을 고려했을 때 트렁크 공간의 부족을 보완할 수 있었다. 런플랫 타이어 덕분에 스페어 타이어가 없어도 된다는 부가적인 이점도 활용됐다.

RSC: 섀시 컨트롤을 고려

BMW가 인증한 런플랫 타이어는 사이드 월 바깥쪽에 스타(☆) 마크와 함께 지름 20 mm의 원 안에 ‘RSC(Runflat System Component)’라는 글자가 새겨진다. BMW는 2001년부터 RSC를 사용했는데, 그 이름에 내포된 의미처럼 BMW는 런플랫 타이어를 적용하면서 타이어의 역할을 단순히 노면에 동력을 전달하는데 한정치 않고, 휠 내부의 독특한 림과 타이어 압력 모니터링 시스템을 포함한 차의 전반적인 안전 콘셉트에 포함되는 하나의 시스템 구성요소로 여겼다. 이는 BMW 자동차와 조화를 이뤄 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 시스템적으로 설계했다는 뜻이다.
타이어는 그 브랜드의 성향과 자동차가 갖는 특성까지 잘 담아내야 한다. BMW는 런플랫 타이어와 함께 RSC를 구성하면서 다른 타이어들에 비해 구름저항, 마모 특성 측면에서는 다소 손해를 보더라도 스포티한 핸들링, 편안함, 제동거리, 젖은 노면에서의 성능, 제어 시스템과의 호환성, 소음 특성 등을 더욱 강화한다는 콘셉트를 지향했다.
이런 콘셉트에 기반한 BMW RSC는 휠의 림 구조도 다르다. 일반적인 림에는 타이어가 휠에서 이탈하는 것을 방지하는 기능과 영역이 비드 부분에만 존재하지만, BMW는 림의 안쪽에 2개의 확장된 험프 림(Hump rims)을 마련해 타이어 압력이 완전히 상실된 경우에도 타이어가 림에서 벗겨지지 않는다. 이런 상태에서 최고 80 km/h의 속도로 달릴 경우 중량이 가벼운 차는 최대 250 km, 그보다 무거운 차는 150 km, 매우 무거운 헤비급 차는 50 km까지 안전한 주행을 할 수 있다. 무엇보다 타이어 공기압이 전혀 없는 상태에서도 ABS, ASC, DSC와 같은 섀시 컨트롤 시스템이 기능적으로 완벽한 상태로 유지된다는 장점이 있다. 일반적인 차에서는 찾아보기 힘든 제어 시스템과의 호환성이 고려된 덕이다.

RPA, RDC: 공기압 측정과 활용

차의 미묘한 운동 특성에 덜 민감한 운전자의 차에 런플랫 타이어가 적용돼 있다면, 공기압이 낮은지 높은지를 분간하지 못한다. 그런 이유에서 타이어 공기압의 상태를 알려주고 경고하는 시스템이 필요했다. 각 바퀴의 공기압이 없거나 서로 다를 경우 외력에 의한 손상이 없어도 하중 변동에 의해 원주거리에 변화가 생길 수 있고, 이로 인해 사고가 유발될 수 있다는 전제하에 BMW는 ‘RPA(Run Flat Indicator)와 RDC(Tyre Pressure Control)’라는 두 가지 타입의 타이어 공기압 모니터링 시스템을 마련했다.
우선 전자식 타이어 모니터링 시스템이라고 할 수 있는 RPA는 BMW의 모든 차에 기본적으로 적용돼 있으며, DSC(Dynamic Stability Control)의 하위 기능으로 ABS와 함께 달리는 동안 지속적으로 네 바퀴의 스피드(움직이는 각 바퀴의 원주거리)를 비교·측정한다. 네 바퀴 중 어느 한 바퀴라도 원주거리가 짧게 측정되면 타이어의 압력이 낮아졌다는 것을 즉시 파악할 수 있는 원리다. 물론 DSC 모듈에는 스티어링 앵글 센서의 값을 공유하고 있어 커브 구간에서 좌우 바퀴의 회전 차이에 대한 부분은 이미 감안돼 있다.
RPA에서는 타이어 공기압이 30% 이상 저하된 경우 25 km/h부터 운전자에게 공기압 부족을 경고한다. 이를 통해 운전자는 최소 1초 정도의 시간을 벌 수 있다. 가령 앞 차와 추돌을 피하기 위해 급제동할 상황을 가정했을 때 1초는 상당히 긴 시간이 될 수 있다.
RPA가 타이어 공기압의 간접 측정 방식이라면, 전자식 타이어 압력 모니터링 시스템인 RDC는 직접 측정 방식에 해당되며 7시리즈 중에서도 최상위 모델에 적용되는 최고급 옵션이다.
컨트롤 유닛이 포함된 RDC 타입의 경우 각 휠의 공기 주입구 안쪽에 ‘공기의 압력과 온도 변화’ 두 가지를 감지하는 센서가 내장돼 있고, 이 센서들이 측정한 공기 압력과 온도 변화에 대한 정보를 다시 휠 아치의 안쪽에 배치된 센서 리시버를 통해 RDC 컨트롤 유닛으로 보낸다. 역시 차가 달리는 동안 각 바퀴에서 정보를 계속 측정하는데, 그 정보들은 온보드 컴퓨터를 통해 중앙 모니터로 전달해 운전자가 직접 각 바퀴의 공기압 수치를 볼 수 있다. 예를 들어 RDC에서 측정한 타이어 공기압이 25% 정도 떨어지게 되면 (약 0.5 bar) 즉시 경고 메시지를 띄워 운전자에게 알려주기 때문에 충분한 대비시간을 두고 안전한 주행을 하도록 유도한다.
결국 런플랫 타이어, 특히 BMW의 자동차의 시스템 구성요소인 RSC와 만나는 순간부터 고속으로 달리는 자동차에서, 최소한 타이어에서 가장 위험하다는 스탠딩 웨이브 현상 자체가 있을 수 없게 되는 것이다.
서스펜션 성능이 뛰어난 자동차에 기존보다 타이어의 그립이 더 좋은 타이어를 적용한 것과 서스펜션 성능이 형편없는 차에 동일한 타이어를 적용한다면 어떤 결과가 나올까. 아마 핸들링 측면에서 효과의 향상 폭은 후자가 좋을 것이다. 하지만 총체적인 성능 향상 효과는 전자의 경우가 된다. BMW에 런플랫 타이어를 적용한 것도 비슷한 결과를 가져온다고 할 수 있다. 이미 우수한 성능을 가진 BMW 자동차에 더 안정적이고 안전한 런플랫 타이어라는 아이템이 만난 것이다. 
자동차가 달릴 때 노면과 만나는 것은 오직 타이어뿐이다. 그리고 실제로 각각의 타이어들이 노면과 접촉하는 면적은 고작 우편엽서 한 장 정도에 불과하다. 차를 타고 달리는 동안 어느 누구라도, 또 언제라도, 우리는 예상치 못한 외력에 의한 타이어의 눌림을 비롯해 펑크라는 위험 요인과 맞닥뜨릴 수 있다. 이런 위기에서 사고를 피할 수 있는 주행 가능성을 고려한다면, 당신의 몸과 자동차를 가장 안전하게 보호해 줄 아이템은 런플랫 타이어 밖에는 없는 셈이다. 더욱이 BMW의 런플랫 타이어와 독특한 휠 구조, 공기압 모니터링 시스템이 포함된 RSC는 분명 안전한 고급 옵션 가운데 하나다. 즉, BMW 고객은 프리미엄 자동차에 어울리는 든든한 보험 하나를 더 들었다고 생각하면 된다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine