서스펜션 (SUSPENSION) 서스펜션의 구성요소 서스펜션의 분류 더블 위시본•double wishbone 멀티링크•multi-link 스윙 암•swing arm 토션빔•torsion beam 세미 트레일링 암•semi trailing arm 서스펜션 지오메트리•suspension geometry 서스펜션 스트로크•suspension stroke 쇼크 업소버/스프링•shock absorber/spring 스태빌라이저 바•stabilizer bar 서스펜션 부시/마운트•suspension bush/mount 스프링 아래 질량/위 질량•unsprung mass/sprung mass
서스펜션은 차체와 바퀴를 연결하는 구조로 충격흡수,
차체무게 지탱, 바퀴의 접지력 유지, 바퀴의 위치조절 등의 역할을 한다. 암 또는 링크, 스프링과 쇼크 업소버로 구성되고, 구성요소들의 물리적인 배치에 따라 다양한 종류로 나뉜다.
서스펜션이란?
서스펜션(suspension)은 차체와 바퀴를 연결하는 구조를 말한다. 현가장치(懸架裝置)라고도 하는데, 서스펜션의 역할은 크게 다음의 네 가지로 볼 수 있다.
● 노면에서 차체로 전해지는 충격을 흡수한다.
● 차의 무게를 지탱한다.
● 바퀴를 노면과 밀착시켜 접지력을 유지한다.
● 안정된 주행을 할 수 있도록 바퀴의 위치를 조절한다.
서스펜션의 구성요소는 바퀴의 움직임을 제어하는 암(arm) 또는 링크(link), 충격을 흡수하고 조절하는 스프링(spring)과 쇼크 업소버(shock absorber)가 있다. 암 또는 링크의 길이와 각도에 따라 바퀴의 움직임이 결정되기 때문에 컨트롤 암 또는 컨트롤 링크라고도 한다. 암 또는 링크의 물리적인 배치를 서스펜션 지오메트리(suspension geometry)라고 한다.
스프링과 쇼크 업소버는 상호보완적인 역할을 한다. 스프링은 차의 무게를 지탱하고 노면에서 전해진 충격을 흡수하는 역할을 한다. 반면 쇼크 업소버는 스프링에 전해지는 충격을 흡수함으로써 스프링이 계속 압축/신장하려는 성질을 억제한다. 쇼크 업소버가 없다면 울퉁불퉁한 곳을 지날 때 차체가 계속해서 위아래로 출렁이게 된다.
스프링은 형태에 따라 판(리프; leaf) 스프링, 코일(coil) 스프링, 토션 바(torsion bar) 등으로 나뉜다. 판 스프링은 탄성이 있는 판을 구부려 놓은 것이고, 코일 스프링은 단면이 원형인 봉을 코일 형태로 감은 것이다. 토션 바는 직선으로 된 봉의 비틀림 탄성을 활용한다.
최근에는 스프링의 역할을 기체가 대신하는 에어 서스펜션(air suspension)을 쓰는 차들도 늘어나고 있다. 압축된 기체가 충격을 흡수하기 때문에 반응이 부드럽고, 기체의 압력을 조절해 차체 높이와 승차감을 조절할 수 있는 등 장점이 많다. 그러나 구조가 복잡하고 생산비용이 비싸 고급차를 중심으로 쓰이고 있다.
스트럿•strut
앞에서 보았을 때 L자 모양을 이루는 구조로 세로방향에는 어퍼암 없이 쇼크 업소버가 직접 연결되고, 가로방향에는 암(링크)이 연결된다. 이 같은 구조를 고안한 엔지니어 얼 맥퍼슨의 이름을 따 맥퍼슨(McPherson) 스트럿 방식이라고도 한다. 독립 서스펜션의 일종으로, 바퀴의 이동에 따른 휠 얼라인먼트의 변화가 적어 움직임이 정확하다. 부품수가 많지 않아 생산비용이 보다 적게 들고 무게도 가볍다. 주로 앞 서스펜션에 많이 쓰이는 구조다. 스트럿 서스펜션의 로어 암을 앞뒤 링크로 나누어 놓은 형태를 듀얼 링크 방식이라고 한다.
위 아래 한 쌍의 암으로 구성된 형태다. V자 모양의 암이 새의 가슴뼈(wishbone)와 닮았다고 해서 위시본이라고 하며 A암으로도 불린다. 과거에는 위와 아래의 암 모양이 모두 V자 모양인 것이 대부분이었지만, 요즘에는 모양에 관계없이 위 아래 2개의 암을 가진 서스펜션을 이렇게 부른다. V자 모양의 암을 나누어 놓은 형태를 멀티링크(multi-link)로 분류하기도 한다. 휠 얼라인먼트 변화가 적고 튼튼해 경주용차나 스포츠카 등 핸들링과 주행안정성을 중요시하는 차에 많이 쓰인다. 다만 구조가 복잡하고 공간을 많이 차지하는 것이 단점이다. 엔진에서 나온 회전력을 어느 바퀴에 전달하느냐에 따라 구동계, 즉 굴림방식은 앞바퀴굴림, 뒷바퀴굴림, 네바퀴굴림으로 나뉜다. 엔진의 위치와 굴림바퀴를 한데 묶어 표기한 영어를 줄여 부르기도 하는데 앞 엔진 앞바퀴굴림(front engine front drive) 방식을 FF, 앞 엔진 뒷바퀴굴림(front engine rear drive) 방식을 FR, 뒤 엔진 뒷바퀴굴림(rear engine rear drive) 방식을 RR이라고 한다. 그리고 엔진을 앞뒤 차축 사이에 둔 것을 미드십(midship) 엔진 배치라고 부르고, 미드십 엔진 뒷바퀴굴림 방식을 줄여 MR이라고 한다. 네바퀴 모두에 동력이 전달되는 방식은 4WD(4-wheel drive) 또는 AWD(all-wheel drive)라고 한다.
바퀴의 위치를 결정하기 위해 여러 개의 링크 또는 암을 이용하는 형태의 서스펜션. 일반적으로 3∼5개의 링크가 쓰인다. 다양한 각도와 길이를 가진 각각의 링크로 힘과 운동방향이 분산되어 움직임이 정교하고 충격흡수 효과가 크다. 뒷바퀴에 쓰이는 것은 지오메트리를 잡기 위해 별도의 서브 프레임을 이용해 차체에 결합하기도 한다. 차지하는 공간이 크고 무거운 것이 단점이며, 설계가 복잡하기 때문에 더블 위시본을 변형한 것이 많이 쓰이는 추세다.
리지드 액슬•rigid axle
양끝에 바퀴를 단 일체형 차축을 차체에 다는 형태의 서스펜션. 과거에는 승용차에도 쓰였지만 요즘은 거의 사라졌고, 구조적으로 튼튼하기 때문에 트럭이나 버스의 뒤차축에 많이 쓰인다. 구조가 간단하며 바퀴가 위 아래로 움직일 때 바퀴 사이의 거리가 유지되어 어느 정도 안정성이 있는 것이 장점이다. 그러나 연결된 차축 때문에 한쪽 바퀴의 움직임이 다른 쪽에 영향을 미치고, 차축이 무거우므로 승차감이나 조향안정성이 떨어지는 것이 단점이다. 스프링은 일반적으로 판 스프링을 많이 쓰지만 코일이나 에어 스프링을 쓰는 것도 있다.
한쪽이 차체에, 다른 한쪽이 차축에 연결된 암이 차축의 움직임을 제어하는 형태의 서스펜션으로 가장 대표적인 것이 트레일링 암(trailing arm) 방식이다. 트레일링 암 방식은 앞바퀴굴림차의 뒤 서스펜션에 많이 쓰이는 방식으로 차축 앞쪽으로 뻗어 있는 암에 바퀴가 끌려가는 구조로 되어 있으며, 차체에 연결된 부분을 축으로 위아래로 움직이는 암에 의해 바퀴의 움직임이 제어된다.
트레일링 암 방식 서스펜션의 좌우 트레일링 암을 크로스빔(crossbeam)에 연결한 형태다. 크로스빔은 비틀림을 이용해 좌우 바퀴 움직임의 균형을 조절하고 충격을 흡수하는 역할을 한다. 크로스빔의 위치에 따라 다양한 방식이 있다. 구조가 간단하고 공간을 많이 차지하지 않기 때문에 소형 앞바퀴굴림차의 뒤 서스펜션에 흔히 쓰인다.
V자 모양의 스윙 암이 차체에 연결된 축이 차축을 중심으로 기울어져 있는 형식의 서스펜션. 연결축이 기울어진 각도가 작을수록 트레일링 암에 가까운 특성이 나타난다. 스윙 암 방식보다 움직임이 정교하고, 보조 링크를 달아 전후좌우 움직임을 조절하는 것도 있다. 뒤 서스펜션에 많이 쓰인다.
독립 서스펜션•independent suspension
리지드 액슬 서스펜션의 반대 개념으로 한쪽 바퀴의 움직임이 반대편 바퀴의 움직임에 영향을 미치지 않는, 좌우의 움직임이 독립적인 서스펜션을 뜻한다. 리지드 액슬과 비슷한 특성을 보이는 토션빔 방식을 제외하고, 일반적인 스윙암 방식과 스트럿, 더블 위시본 서스펜션 등이 이에 해당한다. 움직임이 정교하고 힘이 분산되어 핸들링과 주행안정성이 우수하고 접지력과 승차감이 좋다. 그러나 구조가 복잡해 리지드 액슬이나 토션빔 방식보다 정비가 어렵고 생산비용이 많이 드는 단점이 있다.
서스펜션은 여러 구성요소들이 입체적으로 어우러져 움직인다. 이런 입체적인 구조는 서로 물리적인 상관관계를 가져 복합적인 운동을 하게 되며 서스펜션의 운동을 결정하는 입체적 구조를 가리켜 서스펜션 지오메트리(suspension geometry)라고 한다. 지오메트리는 기하학, 기하학적인 배열을 뜻한다. 앞서 설명한 서스펜션 형식은 지오메트리의 구조적 특징을 기준으로 구분한다. 서스펜션은 링크 또는 암, 쇼크 업소버 등 다양한 구성요소들이 얽혀 있고 각각의 구성요소들은 다른 요소의 움직임에 영향을 미친다. 이런 구성요소들이 어떻게 배치 또는 배열되느냐에 따라 바퀴의 움직임이 달라지고, 차의 조종성과 주행안정성 및 승차감에 영향을 미친다.
일반적으로 단순한 구조의 서스펜션보다 복잡한 서스펜션이 승차감과 주행안정성이 뛰어난 편이지만, 서스펜션 지오메트리의 구성요소가 많고 복잡할수록 설계할 때 감안해야 할 요소가 늘어나고 생산비용도 높아진다. 그렇기 때문에 자동차 메이커들은 비교적 단순한 구조로도 승차감과 주행안정성을 높일 수 있도록 설계하는 데 노력을 기울인다.
서스펜션의 가장 기본적인 움직임은 위 아래 방향으로 바퀴의 움직임을 제한하는 것이다. 서스펜션의 움직임으로 바퀴가 위 아래로 움직이는 거리, 즉 바퀴가 차체 쪽으로 밀어올려져 서스펜션이 최대로 줄어든 때부터 바퀴가 차체에서 멀어져 서스펜션이 최대로 늘어난 때까지의 거리를 서스펜션 스트로크(suspension stroke)라고 한다. 일반적으로 서스펜션 스트로크는 쇼크 업소버(댐퍼)의 스트로크로 제한되기 때문에 댐퍼 스트로크와 거의 같다.
서스펜션이 최대로 줄어든 상태를 풀 범프(full bump), 최대로 늘어난 상태를 풀 리바운드(full rebound)라고 한다. 서스펜션 스트로크가 너무 작으면 풀 범프나 풀 리바운드하기가 쉽다. 풀 범프 상태에서는 스프링이 충격을 흡수하지 못해 노면의 충격과 진동이 차체로 그대로 전달되고 차체 움직임이 부자연스러워진다. 또한 풀 리바운드 상태에서는 서스펜션이 바퀴를 충분히 지지하지 못해 타이어의 접지력이 떨어지고 차의 움직임을 통제하기가 어렵다. 한편 스트로크가 크면 서스펜션의 움직임이 커지는 만큼 휠하우스 공간도 커져야 하는데, 휠하우스가 커지면 실내공간이 좁아져 거주성이 떨어진다. 이러한 여러 가지 상황을 고려해 승용차의 서스펜션 스트로크는 일반적으로 150∼200mm 정도로 정해진다. 또한 앞바퀴보다 뒷바퀴의 서스펜션 스트로크를, 줄어드는 스트로크보다 늘어나는 스트로크를 크게 설계한다.
스프링은 차체의 하중을 지지하면서 서스펜션이 위아래로 자유롭게 움직일 수 있도록 해 준다. 하지만 스프링만 있으면 충격을 흡수하지 못해 차체가 계속 출렁거리는 문제가 생긴다. 쇼크 업소버는 이런 진동이나 충격을 흡수해 승차감을 개선하는 장치. 감쇠능력을 낮추면 승차감이 부드럽고, 반대로 높이면 노면 충격을 그대로 전하는 단단한 서스펜션이 된다. 감쇠력은 차체 반응성과 안정성에도 큰 영향을 미치므로 승차감과 주행성능 사이에 적당한 타협점을 찾아야 한다. 쇼크 업소버는 신축하는 실린더 방식이 일반적이며 안에 가스와 오일을 넣어 충격을 흡수하는 구조다.
오일이 통과하는 피스턴 구멍(오리피스)에 따라 충격을 흡수하는 감쇠력이 달라지는데, 충격의 입력속도에 따라 오일 통로를 바꾸어 상황에 따라 감쇠력을 조절하는 가변식 댐퍼도 등장했다. 전자제어하는 방식 중에서는 아우디 R8의 마그네틱 라이드(Magnetic Ride)와 캐딜락의 마그나라이드(Magnaride)가 대표적. 자성체를 섞은 오일과 전자석을 사용하는 이 시스템은 전자석에 전기를 흘리는 정도에 따라 오일 속의 자성체가 저항을 일으키기 때문에 감쇠력을 마음대로 조절할 수 있다.
에어 서스펜션은 스프링과 오일 대신 압축공기만 이용하는 방식으로 높낮이 조절이 가능하다. 승차감이 뛰어나기 때문에 롤스로이스, 마이바흐 같은 최고급차에 사용되며 버스, 트럭 등 대형 운송수단에도 자주 쓰인다.
스태빌라이저 바(stabilizer bar)는 줄여서 스태빌라이저, 혹은 안티롤 바(anti-roll bar), 스웨이바(sway bar)라고도 한다. 이것은 좌우 서스펜션 사이를 스프링강으로 만든 봉을 굽혀 연결하는 것으로, 일반적으로 독립현가장치에 많이 쓰인다. 좌우 서스펜션을 스태빌라이저 바로 연결하는 이유는 차체의 옆방향 기울어짐, 즉 롤(roll)을 억제하기 위해서다. 급커브를 돌 때와 같이 차가 선회할 때에는 원심력 때문에 회전하는 반대쪽으로 차체가 기울어지는데, 기울어짐이 심해지면 차체가 불안정해지고 때론 전복되기도 한다. 이러한 현상을 막기 위해 스태빌라이저 바를 단다. 스태빌라이저 바는 일반적으로 ㄷ자 모양으로 굽힌 봉의 양쪽 끝을 좌우 서스펜션에 직접 또는 링크를 이용해 연결된다.
좌우 바퀴가 같은 방향으로 움직일 때에는 비틀림이 일어나지 않지만, 서로 다른 방향으로 움직일 때에는 스태빌라이저 바의 양쪽 끝부분이 다른 방향으로 움직이게 된다. 이때 스태빌라이저 바는 비틀림 탄성이 있어 원래 모양을 유지하려고 하고, 이런 성질이 서스펜션의 움직임을 억제해 차체의 기울어짐을 줄인다.
일반적으로 앞바퀴의 스태빌라이저 바를 강화하면 언더스티어 경향이 되고, 뒷바퀴의 스태빌라이저를 강화하면 오버스티어 경향이 커진다. 요즘에는 롤바 중간에 유압기구를 삽입해 인위적으로 비틀어 롤링을 적극적으로 없애는 기구도 등장해 랜드로버와 BMW에서 사용 중이다.
래터럴 로드•lateral rod
래터럴 로드(lateral rod)는 좌우 바퀴가 일체형 차축으로 연결되어 있는(예: 리지드 액슬) 서스펜션의 구성요소다. 프랑스의 자동차 메이커 파나르에서 처음 쓰기 시작해 파나르 로드(Panhard rod)라고도 한다. 차축이 좌우로 흔들리는 것을 막기 위해 막대의 한쪽 끝은 차체에, 반대쪽 끝은 차축에 연결되어 좌우방향의 힘을 분담하도록 한 것이다.
차축이 위아래로 움직일 때 래터럴 로드는 차체 쪽 연결부를 중심으로 차축이 원호를 그리며 움직이도록 한다. 이러한 움직임 때문에 차축은 좌우 방향으로도 미세하게 움직이는데, 이를 막기 위해 막대의 길이를 최대한 길게 한다. 차축의 좌우 방향 움직임을 없애기 위해 변형된 래터럴 로드인 와트 링크(Watt link)를 쓰기도 하며 이는 래터럴 로드를 좌우로 나누고 디퍼렌셜 중앙에 연결부를 더해 차체와 차축, 차축과 차체를 연결함으로써 횡방향 움직임을 억제하는 역할을 한다.
서스펜션 부시(suspension bush)는 노면에서 생기는 진동이 차체로 전달되는 것을 줄이기 위해 서스펜션의 구성요소를 보디나 서브 프레임(서스펜션 멤버)에 결합하는 부분에 쓰는 부품이다. 일반적으로는 금속제 링에 방진고무를 감싸거나 겹쳐진 링 사이에 고무를 넣은 것이 많이 쓰인다. 모양과 결합방식, 쓰이는 위치에 따라 종류가 있고 크기도 다양하다. 서스펜션 마운트(suspension mount)는 스트럿 서스펜션에서 차체와 스트럿 부분이 결합되는 부분이나 서스펜션 지오메트리가 결합된 서브 프레임이 차체와 결합되는 부분에 쓰이는 고무 부품을 말하는 것으로 부시와 비슷하지만 크기와 모양, 기능에서 차이가 있다.
서스펜션 부시는 단순히 진동을 흡수하는 역할만 하는 것은 아니다. 서스펜션의 각 연결부에 전해지는 압력에 따라 어느 정도 변형이 이루어지면서 서스펜션 지오메트리가 하지 못하는 세부적인 바퀴 움직임을 조절하는 역할도 한다. 즉 상황에 따라 주행안정성과 핸들링 특성에도 영향을 미친다. 이를 위해 설계시에 부시가 변형되는 정도와 재질의 특성도 정해진다.
서스펜션에 걸리는 부하는 서스펜션이 지지하는 스프링 위 질량(sprung mass)과 서스펜션을 지지하는 스프링 아래 질량(unsprung mass)으로 나뉜다. 스프링 위 질량은 서스펜션에 연결된 차체를 비롯해 구동계, 차에 탄 사람과 짐 등 차체구조 안에 담긴 모든 물체들의 질량을 말한다.
또한 서스펜션 아래 질량은 타이어와 휠, 차축, 서스펜션 구조가 갖는 질량을 말한다. 스프링 아래 질량이 가볍고 스프링 위 질량이 무거울수록 바퀴는 노면의 요철에 따라 자연스럽게 움직이고 차체로 진동을 적게 전달하기 때문에 승차감이 좋다. 그러나 차체가 지나치게 무거우면 전반적인 차의 성능이 떨어지므로 스프링 아래 질량을 줄이는 것이 효율적이다. 주철 휠보다 가벼운 알로이 휠을 쓰는 이유 중에는 스프링 아래 질량을 줄여 주행안정성과 승차감, 노면 추종성을 높이기 위한 목적도 있다.
'자동차 이야기' 카테고리의 다른 글
| 엔진 오일의 점성 기호 "5W30 ,5W40 , 0W30 (0) | 2012.08.18 |
|---|---|
| 쓰바루 수평 대향형 엔진 2 (0) | 2012.08.18 |
| 2013` 혼다 신형 어코드 (0) | 2012.08.14 |
| { 8월 LA 자동차 시장 분석및 시장 동향 } (0) | 2012.08.03 |
| 자동차 하체 소음 진단 방법 (0) | 2012.07.26 |