서스펜션의 역할과 종류, 정답이 없는 세팅(더블위시본/멀티링크)

차체와 타이어를 연결하는 서스펜션에는 다양한 방식이 있습니다. 모든 방식은 각각의 장점과 단점이 존재하고 세팅에 따라 성능과 승차감도 판이하게 달라지지만. 기술의 발전으로 각 방식의 장점만을 조합해 사용하는 경우도 흔한경우인데요

 

서스펜션은 승차감과 조종 안정성을 두루 만족하는 것이 이상적이지만, 그 타협점을 맞추기가 어렵기에 정답이 없다는 말을 하기도 합니다

다임러벤츠 사가 5링크 구성의 리어 서스펜션을 개발하여 멀티링크 서스펜션이라 이름붙힌건데요. 세미 트레일링 암 서스펜션의 한계를 극복하기 위해 개발되어 1982년 발표된 메르세데스 벤츠 190E(W201)에 처음으로 탑재된 후 지금까지 그 구성이 크게 바뀌지 않은 채 벤츠를 포함하여 여러 자동차 메이커에 의해 사용되고 있습니다

최근 더블위시본 /멀티링크에대해 문의가 있어 포스팅 해봅니다

 

                                                              Double wishbone suspension

 

더블 위시본 식 서스펜션(Double wishbone suspension)은 자동차의 독립 현가 방식 중 하나다. 어원은 Double(2개의) Wishbone(차골叉骨; 조류의 Y자형 가슴뼈)으로, 상하로 놓인 암(arm)의 모양으로부터 붙여진 이름이다.

이 방식은 노면에 대해서 거의 수평으로 장착된 상하(어퍼 암, 로워 암) 2개의 암이 업 라이트(차축이나 허브를 포함)를 사이에 두고 지지하는 구조로 되어 있다. 구조상 강성 확보에 용이하며, 서스펜션이 범프(튐) 할 때 캠버 변화를 최소한으로 억제하는 것이 가능하여, 타이어와 노면의 사이의 마찰력(그립력)의 변화가 적은 것이 이점이 된다.

비슷한 구조의 것으로 록킹암 식 서스펜션이 있지만, 록킹암 식의 경우 상하 중 어느 한 쪽 암을 지렛대로 하여 스프링을 작동시키므로 암 자체에 상당한 강도(强度)가 필요하다. 또 스프링을 작동시키는 측의 암에는 피봇이 필요하고, 그 안쪽에 댐퍼나 스프링을 넣어야 하는 등 설계에는 그만큼 제약이 있다.

더블 위시본은 상하 로드 길이나 암의 설치 각도 등을 바꾸는 것을 통해 비교적 자유롭고 용이하게 기하학적 변경을 가할 수 있다. 서스펜션 설계에 비교적 제약이 적고, 조종 특성 등을 임의로 바꿀 수 있기 때문에 포뮬러 카 등의 레이싱 카에 알맞다.

주로 전륜(前輪)에 이용되지만, 후륜이나 4륜 모두에 사용되는 경우도 있다

서스펜션의 기본 역할은 도로에서 오는 충격을 흡수해 자세를 안정시키고 좋은 승차감을 제공하는 것이다. 만약 서스펜션이 없다면 승차감은 물론 조종 안정성도 형편없어 질 것이다. 자동차와 운전자를 위해 반드시 있어야 하는 것이고 잘 만들어진 서스펜션의 존재는 더 없이 고마운 존재라고 할 수 있다.

서스펜션은 기본 현가장치 이외에도 충격을 흡수해주는 스프링과 쇽 업소버까지 포괄하는 개념이다. 자동차 주행 시 스프링은 충격을 흡수해 압축이 되고 쇽 업소버라 불리는 댐퍼는 이 에너지를 저장했다가 바운싱 될 때 배출한다. 댐퍼의 이런 움직임을 흔히 댐핑이라고 부른다. 이 스프링과 댐퍼의 압축과 바운싱 세팅에 따라서도 차의 승차감과 운동 성능이 달라진다. 스프링만 바꿔도 승차감이나 핸들링 성능이 큰 차이를 보이는 경우가 흔하다.

이렇게 댐퍼와 스프링은 승차감과 밀접한 관련을 맺고 있다. 한 조사에 따르면 사람이 가장 좋은 승차감을 느낄 때의 댐퍼 바운싱 주파수는 1~1.5Hz 사이이다. 2Hz를 넘어갈 경우 승차감이 나쁘다고 느끼게 된다. 따라서 승차감의 상당 부분은 스프링과 댐퍼의 조합이 차지하는 경우가 많다. 물론 승차감과 운동 성능은 댐퍼와 스프링, 서스펜션 뿐 아니라 섀시의 강성까지도 포괄적으로 포함하기에 어느 한 부분만 좋아서는 개선이 힘든 것은 사실이다. 한 예로 섀시의 강성이 높으면 댐퍼를 부드럽게 해도 운동 성능에 손해를 보지 않게 된다.

현대적인 좋은 서스펜션의 조건으로는 각기 휠을 제어하는 독립 현가장치와 적절한 보디 롤의 허용, 경량 소재, 좋은 지오메트리 등이다. 서스펜션은 형식 뿐 아니라 차의 성격에 맞는 최적의 지오메트리도 매우 중요하다. 서스펜션은 크게 독립식과 일체식으로 나뉘지만 오늘날의 승용차에 쓰이는 프런트 액슬에는 모두 독립식이 채용되고 일부 차종에만 리어 액슬에 일체식을 사용하고 있다.


솔리드 액슬
70년대 말까지 대다수의 자동차들은 리어 서스펜션이 일체형이었다. 좌우 휠이 리지드 액슬로 연결된 형태로 액슬에 달린 리프 스프링 또는 코일 스프링이 차체를 받드는 구조이다. 요즘 나오는 거의 대부분의 승용차는 리어 서스펜션이 독립식이고 전통적인 SUV 중에서는 아직도 많은 차종이 일체형을 사용한다

 

미국에서는 솔리드 액슬이 구동을 하게 될 경우 이를 라이브 액슬이라 부른다. 라이브 액슬은 디퍼렌셜과 드라이브 샤프트 등이 묶여 있기 때문에 무게도 많이 나가고 따라서 스프링 밑 하중도 매우 높다. 따라서 충격에 대해 유연하지 못하고 승차감도 떨어지게 된다. 구동을 맡지 않는, 즉 앞바퀴굴림에 일체형 리어 서스펜션은 데드 액슬로 불리기도 한다.

일체형 서스펜션의 또 다른 단점으로는 보디 롤을 효과적으로 흡수하지 못하는 것이다. 스프링이 보디 롤을 주로 맡다보니 승차감도 떨어질뿐더러 핸들링 성능도 떨어지게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로는 액슬과 차체 사이에 팬하드 로드 같은 별도의 컨트롤 암을 집어넣는다. 대부분의 승용차들은 독립식을 사용하지만 포드 머스탱 같은 모델은 여전히 일체형을 고수하고 있다.


드디옹 액슬
독립식 서스펜션이 개발된지 10년이 넘었지만 일체식은 70년대 말까지도 높은 점유율을 차지했다. 가장 큰 이유는 코스트가 낮은 편이지만 세팅에 따라 좋은 핸들링을 구현할 수 있었기 때문이다. 이런 이유로 일체식 중 드디옹 액슬은 아직까지도 몇몇 스포츠카 또는 소형차의 리어 액슬에 채용되고 있다

 

 

드디옹 액슬은 디퍼렌셜과 드라이브 샤프트 등이 휠과 직접적으로 연결되지 않아 스프링 밑 하중이 적게 나가는 편이다. 휠은 드디옹 튜브로 연결되고 이 튜브는 항상 직각을 이뤄 보디 롤을 효과적으로 조절한다. 드디옹 액슬은 독립식 보다 싸면서도 보디 롤이 휠 캠버에 영향을 미치지 않는 장점이 있지만 승차감이 떨어진다는 단점이 있다. 현재 케이터햄과 스마트, 미쓰비시 i 같은 일부 차종에 쓰이고 있다.


스윙 액슬
지금은 사라진지 오래됐지만 한때 유행했던 방식이 스윙 액슬이다. 스윙 액슬은 폭스바겐 비틀과 포르쉐 356에 쓰였고 전설적인 메르세데스의 300SL에도 사용됐었다. 스윙 액슬은 역사가 깊지만 충격에 약하다는 단점 때문에 잠시의 전성기를 보냈을 뿐이다.

 

 

 

 

스윙 액슬은 캠버의 앵글이 바운싱 또는 차의 무게에 따라 쉽게 변했고 코너에서는 심각한 오버스티어가 일어났다. 따라서 네거티브 캠버로 오버스티어를 줄이는 해법이 나왔지만 이럴 경우 직진안정성이 떨어지는 문제가 발생했다. 비틀처럼 출력이 높지 않으면 큰 문제가 되지는 않았지만 고성능 지향의 모델에게는 큰 약점으로 작용했다. 포르쉐의 경우 1963년 911을 런칭할 때 스윙 액슬을 버리고 트레일링 암을 채용했다.


더블 위시본
스포츠카 서스펜션의 교과서라고 불리는 방식이 바로 더블 위시본이다. 더블 위시본은 서스펜션 설계에 있어서도 가장 이상적이라고 평가되는데, 가장 큰 이유는 휠 캠버를 완벽에 가깝게 세팅할 수 있기 때문이다. 오늘날까지도 더블 위시본은 스포츠카와 레이싱카 서스펜션의 첫 번째 선택이며 혼다 어코드 같은 패밀리 세단에도 즐겨 사용되고 있다.

 

전통적인 더블 위시본은 2개의 평행된 위시본 암이 겹쳐있는 디자인이며 그 모습이 새의 가슴뼈를 닮았다는데서 이름이 유래됐다. 근래에 나온 더블 위시본은 길이가 다른 두 개의 A 암으로 이뤄지고 어퍼 암의 조절에 따라 노즈 다이브 현상도 효과적으로 줄일 수 있다. 또 보닛을 낮게 설정할 수 있어 날렵한 스타일링의 스포츠카에도 안성맞춤이다. 더블 위시본은 기본적으로 노면에 상관없이 언제나 휠이 수직을 유지해 운동 성능에 유리하다.

더블 위시본은 공간의 제약이 따르기 때문에 차체가 큰 미국차의 적용이 쉬웠지만 유럽은 그렇지 못했다. 이런 이유 때문에 유럽의 소형차는 맥퍼슨 스트럿과 토션 빔이 각광 받았다. 더블 위시본은 코스트가 비싸다는 단점도 있어 스포츠카와 고급 세단에 주로 사용되고 드물게는 혼다 시빅 같은 소형차의 리어 액슬에도 적용되고 있다.


맥퍼슨 스트럿
더블 위시본이 스포츠카의 교과서라면 소형차의 프런트 서스펜션에는 맥퍼슨 스트럿이 정답으로 받아들여지고 있다. 맥퍼슨 스트럿 방식이 개발된 때는 1940년대로, 첫 적용된 예는 1950년대의 유럽 포드였다. 이후 맥퍼슨 스트럿은 급속하게 서스펜션의 주류로 떠올랐고 결정적인 이유는 당연히 싸고 공간을 많이 차지하지 않아서이다.

 

 

 

다른 서스펜션과는 달리 맥퍼슨 스트럿은 텔레스코픽 쇽 업소버가 휠 포지션을 컨트롤하는 링크까지 관여한다. 이렇기 때문에 별도의 어퍼 암이 필요 없어지고 자리를 많이 차지하지 않는다. 앞바퀴굴림 차의 경우 차폭이 넓어지는 문제도 줄어든다. 맥퍼슨 스트럿이 소형차에 가장 각광받는 이유이다. 대신 전고를 비롯해 후드와 펜더의 위치가 올라오는 문제가 발생해 스포츠카의 날렵한 스타일링에는 맞지 않는다.

더블 위시본처럼 맥퍼슨 스트럿도 앞뒤 액슬 모두에 적용이 가능하다. 80년대만 해도 많은 패밀리카들이 앞뒤 모두 맥퍼슨 스트럿을 채용했다. 피아트 티포, 란치아 테마, 사브 9000 등이 모두 맥퍼슨 스트럿이었다. 알파로메오의 GTV, 스파이더의 경우 나중에는 리어 액슬을 값비싼 멀티 링크로 대체했다.


트레일링 암
트레일링 암 방식은 1990년대 멀티 링크가 나타나기 전까지는 리어 서스펜션의 주류였다. 상당히 많은 수의 세단이 트레일링 암을 채용했고 80년대의 BMW 3시리즈를 비롯해 메르세데스 560SEC, 포르쉐 911 같은 스포츠카도 적용했었다. 80년대까지 리어 서스펜션의 절반 이상이 트레일링 암 방식이었다.

 

 

 

트레일링 암은 자동차가 코너에 진입해 롤이 발생할 경우 상대적으로 강성이 약한 편이어서 언더스티어가 쉽게 발생한다. 이런 이유 때문에 전통적인 트레일링 암은 조기에 사라졌고 그 대안으로 나온 것이 세미 트레일링 암이다. 1970년 중반 포르쉐는 세미 트레일링 암을 개조한 바이삭 액슬을 928에 적용한 예도 있다. 바이삭 액슬은 오버스티어를 효과적으로 제거해 리어 휠 스티어링이라는 별명까지 얻기도 했다.

풀 트레일링 암과는 달리 세미 트레일링은 피봇의 회전축이 차체 중심 대비 50~70도 기울어져 있다. 사용되는 암은 반은 트레일링, 나머지 반은 가로 축으로 이루어져 세미 트레일링으로 불린다. 가로축 암은 실질적으로 스윙 액슬의 형태로 언더스티어를 상쇄해 준다. 단점으로는 휠의 상하 운동에 따라 캠버 각이 변하는 것이다. 또 휠과 직접적으로 견고하게 연결되다보니 충격과 소음이 차체로 많이 전해지고 노면이 좋지 않거나 급격한 코너링에서는 그런 점이 더 부각된다. 이렇기 때문에 근래에 나온 중형급 이상의 세단들은 멀티 링크 또는 더블 위시본을 채용하고 있다.


토션 빔
토션 빔은 소형 앞바퀴굴림 차의 리어 서스펜션에 가장 많이 채용되는 방식이다. 유럽 C 세그먼트 이하에서는 거의 대부분의 모델이 토션 빔을 사용하고 있다. 가장 큰 이유는 구조와 가격이다. 더블 위시본이나 멀티 링크와 비교 시 토션 빔은 구조가 간단해 차폭이 좁은 차에도 사용할 수 있고 특히 트렁크와 2열 공간과도 직결된다. 가격이 싼 것은 물론이다.

 

정확히 말해 토션 빔은 절반만 독립식이다. 토션 빔은 리어 휠 양쪽에 모두 연결되어 있어 아무래도 세팅에 제약을 받는다. 더블 위시본이나 멀티 링크와 비교 시 승차감과 핸들링 성능이 떨어진다는 단점이 있지만 메이커의 세팅 능력에 따라서 결과는 크게 달라진다. 일예로 토션 빔 방식이었던 과거의 골프 GTI는 최고 수준의 핸들링 실력을 자랑했다.


멀티 링크
멀티 링크는 80년대 말부터 리어 서스펜션의 주류로 떠오르기 시작해 지금은 다수의 고급차와 스포츠 쿠페에 쓰이고 있다. 멀티 링크를 가장 먼저 도입한 차종은 벤츠 S 클래스, BMW 3시리즈, 닛산 등이었다.

 

멀티 링크는 그 이름처럼 여러 개의 링크를 사용한 방식을 뜻한다. 따라서 다른 서스펜션처럼 구조를 정의하기가 힘든 부분이 있다. 멀티 링크는 메이커에 따라 디자인이 사뭇 달라지기 때문이다. 예를 들어 3개 또는 그 이상의 컨트롤 암을 사용할 경우 보통 멀티 링크로 불린다. 많은 디자인을 갖고 있는 만큼 지오메트리나 성격도 천양지차로 달라진다.

예를 들어 BMW의 멀티 링크는 ‘Z-액슬’로 불린다. BMW의 Z-액슬은 상대적으로 공간을 많이 차지하지만 빼어난 핸들링 실력을 자랑하고 혼다 어코드에 쓰인 멀티 링크는 더블 위시본에 5번째 암을 더한 방식이다. 많은 고급 세단들은 공간과 핸들링 성능을 위해 더블 위시본 보다는 멀티 링크를 선호하고 있는 실정이다. 멀티 링크는 서스펜션이 상하 운동할 때 얼라이먼트의 변화에 유연하게 대처하며 접지력이 높다는 장점이 있다. 반면 구조가 복잡한 만큼 코스트가 높다는 단점이 발생한다.


서브 프레임
정숙성을 비롯한 승차감이 중요해지면서 도입된 것이 서스펜션의 서브 프레임이다. 초기의 서브 프레임은 럭셔리카에 국한되었지만 지금은 거의 모든 종류의 차에 쓰이고 있다. 그만큼 자동차 메이커들이 NVH(Noise, Vibration and Harshness)를 줄이기 위해 안간힘을 쓰고 있다는 뜻도 된다.

 

 

 

서스펜션은 일반적으로 고무 부싱으로 섀시에 연결돼 진동과 소음이 실내 공간을 침투하기가 쉽다. 이런 문제 해결을 위해 개발된 것이 서브 프레임이다. 서스펜션 마운트 위에 서브 프레임을 끼워 넣어 소음과 진동을 상쇄하고 강성을 이유로 섀시에 직접 연결되기도 한다. 무게를 줄이기 위해 알루미늄 합금 또는 하이드로포밍으로 제작된다. 서브 프레임은 그 자체만으로도 NVH를 줄이는 효과가 있다.


액티브 댐핑
자동차의 다른 부분처럼 스프링과 댐퍼 역시 점점 전자 제어가 많아지고 있다. 에어 스프링과 댐핑 압력이 가변하는 쇽 업소버는 대형차부터 스포츠카, 일반 패밀리 세단까지 영역이 넓어지고 있다. 잘 알려진 것처럼 최초의 액티브 서스펜션은 1948년의 시트로엥 2CV이다. 리어에만 한정적으로 쓰였지만 상황에 따라 댐핑을 달리해 당시로서는 놀라운 승차감을 구현해 냈다.

 

전자식 댐퍼는 시간이 갈수록 쓰임새가 늘어나고 있으며 여기에는 부품 회사의 역할이 지대적이다. 전자식 댐퍼를 생산하는 대표적인 부품 회사는 델파이(아우디와 GM)와 CES(Computerised Electronic Suspension)의 테네코(볼보, 벤츠 포드, 아우디), CDC(Continuous Damping Control)의 ZF 샥스(아우디, 오펠 포르쉐, 벤틀리, BMW) 등이 있다.

전자식 댐퍼의 핵심은 컴퓨터이다. 컴퓨터가 댐퍼 밸브의 개폐를 컨트롤해 상황에 맞게 적당한 압력을 유지해 준다. 예를 들어 모든 밸브가 닫히면 댐퍼는 가장 단단한 상태가 된다. ECU가 각종 센서와 ABS, ESP, 스티어링 앵글, 엔진 토크, 브레이크 압력 등의 정보를 종합해 지속적으로 댐핑을 바꾼다. 대부분의 액티브 댐핑 시스템은 스포트와 컴포트, 오토 3가지 모드를 제공해 운전자 취향에 맞게 세팅을 변경할 수도 있다. 전자식 서스펜션은 아직 유럽 내 점유율이 10%에도 미치지 못하지만 적용 차종이 계속 늘어날 것은 자명하다.