서스펜션

현가장치(懸架裝置, suspension)

서스펜션(suspension) 또는 현가장치(懸架裝置)는 차량 운전 시 노면의 충격이 차체나 탑승자에게 전달되지 않게 충격을 흡수하는 역할을 하는 장치이다. 서스펜션은 스프링 작용에 의해 차체의 중량을 지지함과 동시에 차륜의 상하 진동을 완화함으로써 승차감을 좋게 하고, 화물의 충격으로 인한 파손을 방지하며 각 부분에 과도한 부하가 가해지지 않도록 해주는 역할이 있다.

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개요

서스펜션은 차체와 바퀴를 연결시켜주는 장치다. 서스펜션은 차체 무게를 지지하고 타이어 접지면에서의 충격을 흡수해 승차감을 향상시키며, 바퀴와 노면 사이에서 생기는 구동력, 제동력, 횡력 등을 차체에 전달해 운전자의 의도대로 안정되게 달릴 수 있도록 조종안정성을 유지시키는 복합적인 기능도 갖고 있다. 주요 구성 요소로는 쇼크업소버, 스프링, 서스펜션암 등이 있다. 서스펜션은 종류가 다양하다. 이를 크게 분류하면 좌우 바퀴가 축으로 연결된 고정식과 좌우가 별개로 움직이는 독립식으로 나눌 수 있다. 고정식은 비용이 적게 들고 만들기 쉬운 편이다. 하지만 충격을 완화해 주는 성능은 독립식이 뛰어나다. 고정식은 소형차에 가장 많이 쓰이는 토션빔이 대표적이다. 토션빔은 좌우 바퀴가 비틀림 탄성을 가진 소재로 연결된 구조이다. 가격 대비 성능이 우수하고 공간 활용성이 높다. 독립식은 더블위시본과 멀티링크 방식이 대표적이다. 더블위시본은 새의 쇄골 형태를 한 서스펜션암 두 개가 위아래로 차체를 지탱하는 구조이다. 내구성과 안전성이 높지만 공간을 많이 차지하고 비싸기 때문에 중대형차에 많이 사용한다. 멀티링크는 더블위시본을 기반으로 한 서스펜션이다. 3~5개의 컨트롤 암을 연결해 차체를 지지한다. 성능이 뛰어나지만 가격이 비싸고 공간을 많이 차지하기 때문에 더블위시본과 마찬가지로 중대형차에 많이 사용하고 있다. 서스펜션은 앞바퀴외 뒷바퀴 중 어디에 적용하는가에 따라서 차이를 많이 보인다. 자동차들은 앞바퀴에 더블위시본이나 맥퍼슨 스트럿, 뒷바퀴에는 토션빔과 멀티링크 방식을 많이 사용한다.

역할 및 기능

차를 구매할 때 중요시 하는 것 중 하나가 바로 승차감이다. 승차감이 좋다는 것은 도로의 상태나 주행 환경과 관계없이 안정되고 쾌적한 느낌을 받는 것을 의미하는데, 이 때 승차감을 결정짓는 것이 바로 자동차의 서스펜션이다. 서스펜션의 역할이 스프링을 통해 주행 시 노면에서 받는 진동이나 충격을 완화시킨다고 알려져 있지만 이는 사실과 다르다. 서스펜션은 자동차가 받는 충격을 완화함은 물론 타이어의 접지력을 높여 동력장치의 힘을 노면에 온전히 전달해 안전한 주행을 돕는다. 1900년대 이전 원시적 형태의 자동차들이 등장했을 때만 해도 오늘날과 같이 잘 닦여진 포장도로는 찾아보기 힘들었다. 도로의 열악한 상태로 인해 당시 개발된 자동차의 시속이 10km/h 안팎에 지나지 않았음에도 자동차에 탑승한 사람들이 느끼는 진동은 엄청났다. 서스펜션은 이 진동을 효율적으로 줄이기 위해 탄생했다. 조금 더 구체적으로 서스펜션의 역할은 세 가지로 나뉜다. 첫 번째는 차가 뒤집히는 것을 방지하는 역할을 한다. 서스펜션은 차의 무게를 중앙으로 집중시켜 코너를 돌 때, 또는 방향을 급작스럽게 바꿀 때 스티어링을 안정시켜 차가 뒤집히는 것을 방지한다. 두 번째는 타이어의 그립력을 상승시킨다. 좋은 서스펜션은 타이어 대부분의 면적이 지면과 접촉될 수 있도록 유지한다. 따라서 더 효율적인 가속, 높은 마찰력으로 제동거리는 짧아진다. 또한 차 전체 무게를 고르게 유지해 도로에 있는 이물질로부터 접촉면을 최소화해 안정적인 주행을 도와준다. 마지막으로 서스펜션의 가장 중요한 역할인 편안한 주행 경험 제공, 즉 승차감이다. 서스펜션은 도로에 있는 요철의 충격을 흡수한다. 그리고 코너링을 돌 때 발생하는 힘을 분산시켜 차가 안정적으로 회전할 수 있게 한다.

구성

서스펜션은 스프링과 쇼크업소버를 중심으로 이것을 지지하는 컨트롤 암(control arm), 링크(link), 로드(rod)를 연결하는 볼 조인트와 부시 등이 주요 구성부품이다.

스프링

스프링(spring)은 현가와 차체 또는 차축과 차대 사이에 설치된다. 스프링 혼자만으로는 충격이나 진동을 모두 흡수할 수 없다. 타이어도 스프링 기능을 보완한다. 또 하나의 추가 스프링은 시트에 장착된 스프링이다. 그러나 시트 스프링은 승차자에게 도움을 줄 뿐이다. 타이어와 시트 스프링은 서로 조화를 이루어야 한다. 요철이 심한 노면에서 발생하는 충격은 수직방향으로만 작용하지 않고, 미약하지만 일부는 차체의 옆방향으로도 작용한다. 따라서 스프링 시스템은 차체의 옆방향으로도 스프링작용을 해야 한다. 가로 스프링 기능의 일부는 타이어에 의해서, 나머지는 현가요소를 고정하거나 지지하는 고무 부싱들에 의해서 수행된다. 따라서 좋은 스프링 시스템의 필요조건은 가볍고 설치공간을 적게 차지하며 정비할 필요가 없어야 한다. 또한 적차 또는 공차상태를 막론하고 가능한 한 차체의 고유진동수가 같도록 기능해야 한다. 아울러 적차 또는 공차상태에도 차체의 최저 지상고는 가능한 한 변화가 적어야 한다.

쇼크업소버

쇼크업소버(shock-absorber)는 휠과 차체로부터의 진동을 빠르게 흡수하는 기능을 하여 자동차의 안정성과 승차감을 크게 향상시킨다. 쇼크업소버는 현가장치와 차체 사이에 설치된다. 차륜의 진동과 차체의 진동은 서로 각기 주파수가 다르다. 이상적인 쇼크업소버라면 양쪽 진동에 모두 완충작용을 해야 한다. 쇼크업소버로는 대부분 유압식 텔레스코픽 쇼크업소버(telescopic shock-absorber)가 사용된다. 이 형식은 롯드에 고정된 피스톤이 밀폐된 실린더 내에서 상/하 직선 운동하고, 피스톤 운동 시 작은 구멍 또는 밸브를 통해서 작동유를 흡입하거나 토출한다. 즉, 작동 피스톤이 상/하 운동할 때, 오리피스 또는 밸브를 통과하는 유체의 유동저항을 변화시켜 차의 특성과 조화시킬 수 있다.

고무 부시

고무 부시(rubber bush)의 형상이나 재질은 서스펜션에 장착하는 방법에 따라 진동을 흡수하는 것과 동시에 서스펜션의 움직임을 컨트롤하여 조종 안정성을 향상시키는 역할을 한다. 타이어가 요철의 노면을 주행할 때 발생하는 큰 진동은 스프링과 쇼크업소버가 함께 작동하여 흡수하지만 거칠고 미세한 진동은 흡수되지 않고 그대로 바디로 전달되는 경우가 많다. 거친 노면에 의해서 타이어의 트레드가 노면과 부딪쳐 발생하는 진동을 흡수하거나 타이어가 돌기에 올라갔을 때 앞에서 들어오는 힘을 흡수하여 스티어링 휠에 전달되는 충격을 완화시켜 주는 것은 서스펜션과 조향 계통이 바디와 연결되는 부분에 장착되어 있는 고무 부시이다. 고무 부시는 바디 측에 설치되는 금속부분과 서스펜션 측에 설치되는 금속 부분의 사이에 고무가 있다는 것만이 공통될 뿐 그 형태는 사용되는 장소에 따라 천차만별이며, 자동차에는 2중으로 된 파이프 사이에 고무가 내장되어 있는 원통형 부시가 가장 많이 사용되고 있다.

컨트롤 암

컨트롤 암(control arm)은 스트럿 서스펜션과 더블위시본 서스펜션에서 사용되는 A자형과 L자형 부품이다. 강판을 프레스 성형하여 만들어진 것이 많으나 강판과 강관을 용접하여 만드는 경우도 있다. 가장 많이 사용되고 있는 것이 A형 컨트롤 암이라 불리는 거의 삼각형과 같은 형상의 컨트롤 암으로 바디 측 2점, 액슬 차축 측 1점으로 피봇(pivot)을 설치한 형태이다. 더블위시본식에서 상하로 2개의 컨트롤 암을 배치하는 경우 위의 컨트롤 암을 어퍼 컨트롤 암(upper control arm), 아래의 컨트롤 암을 로어 컨트롤 암(lower control arm)이라 부른다.

링크/로드

링크(link)는 부품을 연결하여 힘을 전달하는 것이고, 로드(rod)는 봉을 의미한다. 서스펜션에서는 양단에 부시와 볼 조인트를 갖춘 중실과 환봉과 강관이 많으나 강판을 프레스 성형하여 만든 것도 있어 한쪽 끝이 다른 부재에 용접되어 있어도 그 형태에 의해 링크라 불리는 경우도 있다. 이 두개의 용어는 확실히 구분하여 사용하는 기준이 없어 연결한다는 의미가 강할 때에는 링크, 힘을 전달하는 봉으로 보는 경우에는 로드라 부르는 경우가 많다. 컨트롤 암의 경우와 같이 서스펜션 위쪽에 사용되고 있을 때에는 어퍼 링크(upper link), 아래쪽에 있는 것은 로어 링크(lower link)라고 부른다.

볼 조인트

볼 조인트(ball joint)는 프런트 서스펜션의 앞에 있는 너클 암(Knuckle Arm)의 상하 양단에 설치되어 있는 조인트이다. 타이어의 방향을 자유롭게 변경하거나 상하로 움직일 수 있도록 볼 스터드(ball stud)라 불리는 합금강 종류의 구형태의 부품을 소켓(socket)이라는 커버로 감싼 모양으로 되어 있다. 볼 스터드와 소켓 사이에는 미끄러지기 쉽고, 내구성이 있는 표면 경화강과 소결합금, 나일론, 폴리우레탄 등으로 만들어진 볼 시트(ball seat)가 삽입되어 있다.

서스펜션 마운트 러버

서스펜션 마운트 러버(suspension mount rubber)는 쇼크업소버와 코일스프링을 바디에 설치하는 부분에 사용되며, 타이어로부터의 진동과 충격을 흡수하는 부품이다. 스트럿 타입 서스펜션의 스트럿 상단에 많이 사용되고 있기 때문에 스트럿 마운트(strut mount)라고도 불리고 있다. 부시와 같이 바디에 설치하는 부품과 쇼크업소버 및 코일스프링을 설치하기 위한 부품 사이에 고무를 끼워 둔 구조로 되어 있으며, 고무의 강성은 조종 안정성과 진동 승차감의 균형이 잡혀있는 것으로 되어 있다.

범프 스토퍼

스프링이 완전히 수축되었을 때 서스펜션이 직접 바디에 접촉되지 않도록 쇼크업소버의 로드와 서스펜션 암 등에 설치되어 있는 부품이다. 발포 우레탄과 고무로 만들어져 있으며, 서스펜션 스트로크(stroke)를 풀로 사용하는 경주용 자동차에서는 스프링이 완전히 수축되었을 때 스프링으로서의 기능이 이루어지도록 하는 경우도 있다.

서브프레임

서스펜션을 직접 바디에 설치하지 않고 별도의 프레임에 조립하여 이것을 바디에 결합시키는 방식을 서브프레임(subframe) 방식이라고 한다. 컨트롤 암과 링크 등을 바디에 직접 설치한 경우 바디의 강성이 서스펜션의 강성에 영향을 주지만, 서브프레임을 사이에 두는 것에 의해 이를 방지함과 동시에 진동을 차단하는 효과도 얻을 수 있다. 서브프레임을 설치함으로써 중량이 증가되고 비용도 소요되기 때문에 주로 고급차와 스포티한 자동차에 적용되고 있으나 바디의 강성이 낮은 소형차에서는 조종 안정성을 향상시키려는 목적으로 사용되는 경우도 있다. 서스펜션 멤버(suspension member)라고도 불리고 있다.

형식

서스펜션의 기본적인 형식에는 리지드 액슬 서스펜션(rigid axle suspension)과 인디펜던트 서스펜션(independent suspension)이 있다. 리지드 액슬 서스펜션은 좌우의 바퀴가 1개의 차축(axle)으로 연결되어 있는 마차에서 계승된 형식으로 차축식 현가장치라고도 불린다. 그리고 좌우의 바퀴가 독립적으로 스트로크 할 수 있도록 되어 자동차가 가장 빠르게 주행할 수 있도록 개량된 서스펜션이 독립 현가장치 즉, 인디펜던트 서스펜션이다. 좌우 바퀴가 강성이 높은 차축으로 연결되어 있는 리지드 액슬 서스펜션은 구조가 간단하고 가격도 저렴하며, 얼라인먼트(alignment)의 변화가 적어 타이어의 마모 또한 적다는 장점이 있어 트럭과 버스 등의 상용차에는 현재도 사용되고 있다. 리지드 액슬의 단점 중 하나로 스프링 아래 중량이 무겁고 승차감이 나쁘다는 것을 들 수 있지만 대형차의 경우 차량 자체의 중량이 무겁기 때문에 스프링 아래 중량은 승용차만큼 문제가 되지 않을뿐더러 버스는 에어 서스펜션으로, 대형 트럭은 시트의 개량으로 승차감의 개선을 도모하고 있다. 초기의 리지드 액슬 서스펜션을 적용한 승용차에서 특히 곤란했던 문제는 핸들링이 좋지 않다는 것이었다. 앞바퀴가 차축으로 연결되어 있기 때문에 편평한 도로를 주행할 경우에는 괜찮았지만 한쪽의 타이어가 노면의 굴곡과 돌기를 통과하거나 홈에 빠지는 등 스트로크가 발생하여 자세가 변화되면 반대쪽에 연결되어 있는 타이어의 자세도 변화되어 접지상태가 바뀐다. 이 때문에 심하게 울퉁불퉁한 도로에서 주행속도를 빠르게 하면 자동차는 운전자가 생각하지도 못한 엉뚱한 방향으로 향하게 된다. 이 핸들링의 문제의 해결과 스프링 아래 중량의 경감을 동시에 달성하기 위해 좌우 타이어가 독립적으로 움직이는 인디펜던트 서스펜션이 수 없이 고안되었으나 가장 많이 보급된 것은 더블위시본 서스펜션(double wishbone suspension)이었다. 이 방식을 최초로 양산차에 적용한 것은 1934년의 캐딜락(Cadillac)으로 니액션(knee action)이라고도 불리던 이 서스펜션은 타이어가 빨리 마모된다는 문제점이 있었으나 좋은 평가를 받으며 여러 나라의 승용차에 경쟁적으로 적용되었다. 이 서스펜션은 상하로 배치된 삼각형의 암과 1개의 링크로 구성되어 있으며, 후에 개량되어 앞바퀴뿐만 아니라 뒷바퀴에도 사용되게 되었다. 현재에도 중형 이상의 승용차에 적용되고 있다. 리지드 액슬 서스펜션은 좌우 타이어가 1개의 차축에 연결되어 있다는 것이 특징인데 인디펜던트 서스펜션은 스태빌라이저(stabilizer)를 이용하여 느슨하게 연결하는 것에 의해 조종 안정성이 좋아지는 것으로 알 수 있듯이 특징을 살려 잘 사용하면 심플하고 효율이 좋은 서스펜션이다. 이 때문에 조향이 되지 않는 후륜구동 자동차의 리어 서스펜션에 길이가 긴 리지드 액슬이 사용되어 왔다. 그러나 후륜구동 자동차의 리어 서스펜션도 보다 고성능을 추구하여 세미 트레일링 암 형식 등의 인디펜던트 서스펜션 대신 현재는 프런트와 같은 형식의 인디펜던트 서스펜션이 많이 적용되게 되었다. 그러나 후륜구동 자동차의 리어에는 리지드 액슬을 인디펜던트 방식으로 개량한 서스펜션을 적용한 자동차도 있다. 프런트 서스펜션은 그 후 미국의 얼 맥퍼슨(Earle MacPherson)이 발명하여 1951년에 미국 포드(Ford)에서 양산차로서 처음 적용되었던 스트럿 서스펜션이 소형차에서는 주류를 이루게 되었다. 이 서스펜션은 스프링과 쇼크업소버를 일체화한 스트럿의 상단을 바디에 장착하고, 하단은 액슬을 설치한 삼각형의 암이 2점으로 바디에 지지되어 있다. 간단한 구성으로 스프링 아래 중량은 더욱 가벼워져 서스펜션의 공간도 적게 차지하기 때문에 많은 자동차가 적용했다. 이 형식은 프런트뿐만 아니라 리어에도 사용되고 있다. 자동차의 고성능화에는 엔진의 동력성능 향상과 동시에 그 동력을 효과적으로 활용할 수 있는 타이어와 이것을 바르게 접지시키는 서스펜션이 필요하다. 현재의 고성능 자동차 중에는 더블위시본식과 스트럿식의 장점을 잘 혼합하여 많은 암과 링크를 복잡하게 배치한 멀티링크(multi-link) 서스펜션을 앞뒤에 적용하는 자동차가 많아졌다.

전륜과 후륜 서스펜션 종류별 비교

위치	종류	특징
전륜	스트럿 서스펜션	스프링과 완충기가 위쪽 지지대 역할 부품수가 적고 가벼워 가격과 공간배치에 이점, 중형 이하의 차량에 사용
	더블위시본 서스펜션	새의 쇄골 형태 컨트롤 암이 위아래에 2개인 구조 내구성 및 안전성이 높지만 비싸고 공간 차지가 큼, 중대형차에 주로 사용
후륜	토션빔 서스펜션	좌우 바퀴가 비틀림 탄성을 가진 소재로 연결된 구조 가격 대비 성능이 우수하고 공간 활용성이 높음, 소형차에 많이 적용
	멀티링크 서스펜션	더블위시본 기반, 3~5개의 컨트롤 암을 연결해 지지 성능이 뛰어나지만 가격이 비싸고 공간 차지, 중대형차에 많이 사용

후륜구동

일반적으로 후륜구동 자동차라고 하면 고급세단과 스포츠 타입 자동차만 떠올리게 된다. 뒤 차축에 세미 트레일링 암(semi-trailing arm) 형식이 적용된 시기도 있었으나 오늘날에는 더블위시본(double wishbone) 서스펜션이 대부분이며, 멀티링크(multi-link) 형식도 있다. 오늘날 자동차에 적용되어 있는 서스펜션은 더블위시본, 스트럿, 멀티링크 등 3가지 형식이 대부분을 차지하며, 이 외에 전륜구동 자동차의 뒤 차축에 토션빔(torsion beam) 서스펜션 등 몇 가지 서스펜션이 사용되고 있을 뿐이다. 그리고 실제 어떠한 서스펜션이 적용되는가는 첫째, 타이어의 조향 여부 즉, 앞 차축 서스펜션인가 뒤 차축 서스펜션인가, 둘째, 타이어가 구동되는지 안 되는지의 2가지 조건에 따라 거의 결정되고 있다.

프런트 서스펜션

자동차의 레이아웃으로 후륜구동 타입을 적용한 것은 1891년 파나르르바소(Panhard Levassor)가 최초라고 하나 그 프런트 서스펜션은 세로 배치 타입의 판 스프링(leaf spring)에 리지드 액슬을 설치한 것이었다. 이 서스펜션 타입에서 가장 문제시 되는 것은 판 스프링의 설치 위치이다. 세로로 배치되어 있는 판 스프링은 바디의 롤링을 작게 하고 안정성을 향상시키기 위해 가능한 한 바퀴에 가까운 바깥쪽에 배치하는 것이 이상적이다. 그러나 앞바퀴를 좌우로 조향하기 위한 공간이 필요하기 때문에 스프링은 안쪽으로 치우치도록 배치해야 한다는 제약이 있다. 인디펜던트 서스펜션이 개발된 것은 이 난점을 해결하여 바디를 가능한 한 넓은 공간에서 지지하는 것이 가능하도록 할 필요가 있기 때문이며, 후에 코일스프링이 발명된 것도 이 조향을 위한 공간을 확보하는 것이 주요 목적이었다. 인디펜던트 서스펜션은 판 스프링을 옆으로 배치하는 것을 시작으로 여러 가지가 개발되었으나 가장 보편화된 서스펜션은 스트럿과 더블위시본이다. 다만 후륜구동 자동차라고 하면 고급세단과 스포츠카 정도만을 떠올리게 되는 현재는 더블위시본(double wishbone) 서스펜션이 주류로, 스트럿 서스펜션의 서스펜션을 적용하는 후륜구동 타입의 자동차는 없으며, 아울러 고성능화를 도모하여 멀티링크(multi-link) 형식을 적용하고 있는 자동차도 있다.

리어 서스펜션

후륜구동 자동차의 뒷바퀴는 앞바퀴와 같이 조향되지는 않지만 서스펜션에 타이어를 장착하여 구동하기 위한 액슬을 설치하여야 한다. 여기에는 중앙에 종감속 장치를 갖추고 액슬 하우징으로 하중을 지지하는 리지드 액슬(rigid axle) 방식이 가장 합리적이라고 여겨져 오랫동안 사용되어 왔다. 리지드 액슬 서스펜션은 좌우 바퀴가 하나의 차축으로 연결되어 있기 때문에 강성이 높고 캠버 변화가 작다는 장점을 가지고 있으나 종감속 장치가 장착되어 있어 스프링 아래 중량이 무겁다는 문제를 안고 있다. 자동차의 고성능화면에서 종감속 장치는 바디에 설치되어 스프링 아래 중량을 가볍게 하는 것이 바람직하며 그것을 위해서 독립현가화가 어떻게든 필요했다. 몇 가지의 서스펜션이 연구되었으나 결과적으로 세미 트레일링 암(semi-trailing arm) 방식이 남겨져 1980년경까지 개량되었던 리지드 액슬과 함께 이 서스펜션이 주류를 이루었다. 어떤 자동차라도 그렇겠지만 특히 후륜구동 자동차의 리어 서스펜션에서 포인트가 되는 것은 구동력이 가해졌을 때 타이어의 자세변화가 어떻게 처리되고 있는가 하는 것이다. 서스펜션은 고무 부시를 사이에 두고 바디에 설치되어 있기 때문에 타이어의 접지면에 구동력이 가해지면 고무가 변형되어 타이어 방향이 바뀐다. 고무의 변형은 적지만 암과 로드가 설치되어 있는 접합부분의 움직임은 작아도 앞 쪽에 장착되어 있는 타이어는 상당히 크게 움직이는 것이다. 이 움직임에 따라 타이어의 방향이 변하는 것을 컴플라이언스 스티어(compliance Steer)라 부르고 있다. 오늘날에는 이 컴플라이언스 스티어를 잘 이용하여 자동차의 운동성능을 높이려는 노력을 하고 있어 더블위시본과 멀티링크 서스펜션은 타이어의 움직임을 컨트롤할 수 있는 구조를 하고 있다.

전륜구동

전륜구동 자동차의 프런트 서스펜션에는 구동계통을 포함한 엔진을 장착할 수 있는 공간을 확보하기 쉬운 스트럿 서스펜션이 많이 적용되어 메이커는 리어 서스펜션의 튜닝에 의해 특징을 내고 있다. 프런트에 엔진을 장착하고 앞바퀴를 구동하는 전륜구동 자동차는 중·소형차의 대부분에 적용되어 있다.

프런트 서스펜션

전륜구동 자동차의 약점 중 하나는 앞바퀴가 빨리 마모된다는 것이다. 래디얼 타이어(radial tire)로 바뀌어 수명은 늘어났으나 앞 타이어의 수명은 뒤 타이어의 1/2~1/3이 일반적이며, 후륜구동 자동차의 경우 앞 타이어는 바깥쪽이, 뒤 타이어는 정중앙이 빨리 마모되는 경향이 있지만 적당히 장착위치를 바꾸어 주면 4개의 타이어 수명을 동시에 연장할 수 있다는 것과 대조적이다. 마모가 빠른 것은 타이어가 그만큼 많이 활용되고 있다는 뜻으로 전륜구동 자동차의 프런트 서스펜션은 구동을 하면서 조향도 한다. 또한 가해지는 제동력도 뒤 타이어에 비해 크기 때문에 앞 타이어에 가해지는 부담이 크며, 프런트 서스펜션에는 조향을 위한 스티어링 계통과 구동을 위한 드라이브 샤프트가 설치되어 있기 때문에 스프링 아래 중량은 무거워질 수밖에 없다. 양산되었던 전륜구동 자동차의 원조로 알려진 미니(Mini)가 독특한 고무 스프링을 이용한 서스펜션을 적용하고 있는 것을 보아도 알 수 있듯이 전륜구동 자동차의 프런트 서스펜션을 어떻게 만드는가는 설계자에게 중요한 과제이다. 여러 가지 시행착오 결과 오늘날은 구조가 간단하고 서스펜션이 스트럿 상단과 로어 암이 상하로 떨어진 점에서 바디에 설치되어 있어 힘이 가해지는 점이 분산되어 캠버와 캐스터가 변화되기 어려운 스트럿(strut) 방식이 오로지 사용되게 되었다. 또한, 전륜구동 자동차는 급선회 하였을 때 앞 내측의 타이어가 부상하여 공회전하기 쉬운 경향이 있기 때문에 하중의 이동이 가능한 한 작게 되도록 서스펜션의 레이아웃이 연구되고 있다. 더욱이 드라이브 샤프트의 길이와 설치 각도가 다른 점 등 좌우에 차이가 있으면 타이어의 구동력에 차이가 생기기 때문에 스티어링을 빼앗기는 토크 스티어 현상이 발생되는 경우 등도 있어 얼라인먼트 변화를 최적으로 하고 더욱 고성능화를 도모하기 위해 더블위시본 서스펜션과 멀티링크 서스펜션을 적용하고 있는 자동차도 있다.

리어 서스펜션

전륜구동 자동차의 뒷바퀴는 조향되지도 않고 구동되는 것도 아니기 때문에 뒤 차축의 서스펜션은 적당히 뒷바퀴를 지지하기만 하면 될 것이라고 생각하지만 이는 매우 어려운 일이다. 그 증거로 다른 구동방식에는 주류를 이루는 서스펜션이 있지만 전륜구동 자동차의 리어에는 없다. 각 메이커의 각 차종에 따라 여러 가지 타입이 개발되어 그 자동차에 맞고 고성능이며 공간효율이 좋은, 동시에 비용도 낮은 서스펜션이 적용되고 있다. 타이어의 성능은 주로 하중에 크게 좌우된다. 예를 들면 코너링 힘도 동일한 슬립각이라면 하중이 클수록 크다. 또한, 타이어에 구동력과 제동력이 작용하면 코너링 힘은 작아지는 경향이 있다. 전륜구동 자동차는 엔진과 구동계가 집중되어 있는 앞쪽이 무겁고 뒤쪽은 가볍다. 앞·뒤 바퀴의 하중 차이가 크기 때문에 자동차가 구불구불한 도로를 주행하거나 커브를 선회하면서 타이어에 가해지는 하중과 슬립각이 변하거나 가감속이 될 때 앞바퀴와 뒷바퀴에 각각 발생하는 코너링 힘의 균형이 무너지기 쉽기 때문이다. 이와 같이 사용조건이 크게 다름에도 불구하고 타이어는 앞·뒤 동일한 사이즈이며, 사양도 크게 다르지 않다. 경하중에서 고하중에 이르기까지 필요에 따라 특성을 발휘할 수 있는 타이어를 서스펜션과의 매칭을 살펴가며 개발하는 것도 메이커의 중요한 일 중 하나이다. 또한, 무거운 앞부분에서 큰 충격이 들어오거나, 가벼운 리어가 살짝살짝 움직이면 승차감도 좋지는 않다. 암과 로드의 레이아웃과 고무 부시의 특성을 검토하여 이러한 문제가 없도록 각 메이커가 프런트와 균형이 잡힌 리어 서스펜션으로 하기 위한 연구를 한 결과 오늘날 주류를 이루고 있는 것은 스트럿 서스펜션과 리지드 액슬을 개량한 토션빔 서스펜션(torsion beam suspension)이다.

더블위시본 서스펜션

더블위시본 서스펜션(Double wishbone suspension)

더블위시본 서스펜션(double wishbone suspension)은 어퍼 암이 낮은 위치에 있는 로우 마운트 타입이 일반적이었으나 이것을 높은 위치로 옮기고 볼 조인트의 간격을 길게 한 하이 마운트 타입이 증가되고 있다. 인디펜던트 서스펜션 중에서 가장 빠르게 보급된 것이 더블위시본 서스펜션이다. 기본적으로는 A자형의 암을 상하 한 쌍이 되도록 평평하게 세워 두고 A자형의 끝에 허브 캐리어를 설치하고 두 개의 다리를 바디에 설치한 구조로 되어 있다. 앞 차축의 서스펜션으로 사용된 경우에는 상하 A형 암의 끝에 자유롭게 회전할 수 있는 볼 조인트가 장착되어 있고 이것을 스티어링 너클(steering knuckle)에 연결하였다. 이 상하의 볼 조인트를 잇는 직선을 중심으로 타이어의 방향이 변환되는 것이다. 스티어링 너클은 이 볼 조인트 주위에서 상하로도 움직일 수 있게 되어 있으며, 스프링과 쇼크업소버의 하단은 아래쪽의 A-암에 상단은 바디에 장착되어 있다. 이 서스펜션의 특징은 상하 암의 크기와 형태, 설치각도를 변화시키는 것에 의해 타이어가 상하로 움직였을 때의 얼라인먼트 변화를 자유롭게 설정할 수 있다. 이 때문에 구조가 복잡하고 부품이 많아 가격도 비싸지만 제작하기 쉬운 서스펜션으로서 오랫동안 사용되고 있다. 위시본(wishbone)이라는 것은 새의 가슴에 있는 ∧ 모양을 한 쇄골에서 온 명칭으로 초기의 더블위시본 서스펜션 암은 상하 모두 이 형태를 하고 있었다. 그러나 현재는 서스펜션 전체를 가능한 한 간단하고 적당한 얼라인먼트를 확보하며, 그 변화를 작게 하려는 목적으로 암의 형태와 설치방법이 상당히 변하고 있다. 그 변화 중 가장 큰 것은 어퍼 암의 배치로 어퍼 암이 이전과 같이 타이어의 높이보다 낮은 위치에 있는 것을 어퍼 암 로우 마운트 타입, 높은 위치에 있는 것을 어퍼 암 하이 마운트 타입이라고 하고 있다. 로우 마운트 타입의 특징은 서스펜션의 설치부분이 낮은 위치에 있기 때문에 앞 차축의 서스펜션에 적용한 경우 후드를 낮게 할 수 있지만 이 때문에 상하의 볼 조인트 간격이 좁아져 조인트에 가해지는 힘이 집중되는 어려운 점이 있다. 도어의 상하에 힌지를 장착할 때 도어 한 가운데 주변에 나란히 설치하는 경우와 양단에 설치하는 경우를 비교해보면 힌지의 간격이 적을수록 도어의 개폐 상태가 불안정해진다. 로우 마운트 타입에서는 이 원리로 암의 강성과 조인트 부시의 강성 등을 높게 하지 않으면 코너링 포스와 제동력이 작용했을 때 캠버와 캐스터가 크게 변화될 우려가 있다. 이에 대한 대책으로 조인트의 강성만 높이게 되면 승차감이 나빠지기 때문에 설계자는 이 부분에 대하여 연구를 집중하고 있다. 상하 암을 바디에 직접 장착하지 않고 서브프레임에 설치하여 이것을 부시 사이에 두고 바디에 설치하는 방법은 다른 차종에도 많이 적용되고 있다. 하이 마운트 타입의 더블위시본 서스펜션은 어퍼 암을 타이어보다 위에 배치한 구조로 볼 조인트의 간격이 커 스트럿 서스펜션과 같이 캠버와 캐스터가 변화되기 어려우므로 부시를 부드럽게 하여 조종 안정성과 승차감의 균형을 취하기 쉽다. 프런트 서스펜션으로 사용하면 후드가 높아지지만 중형 이상의 자동차라면 허용할 수 있는 범위로 되어 있다. 프런트 서스펜션에서는 너클 암이 타이어에 접촉되지 않도록 상하로 길게 되어 있는 것도 특징의 하나로 긴 너클 암에 설치되어 있는 상하 암 중 하나 또는 양방을 링크로 하면 멀티링크 서스펜션이 된다.

스트럿 서스펜션

스트럿 서스펜션(strut suspension)

스트럿 서스펜션(strut suspension)에서는 쇼크업소버를 내장한 스트럿이 타이어의 위치 결정과 하중 부담이라는 2가지 역할을 하고 있으며, 간단한 구조에 스프링 아래 중량이 작다는 이유로 중형급 이하의 승용차에 널리 적용되고 있다. 스트럿 서스펜션은 이것을 연구한 미국의 자동차 엔지니어의 이름을 붙여 맥퍼슨 스트럿 서스펜션(macpherson strut suspension)이라고도 불리고 있다. 스트럿 서스펜션의 스트럿은 지주를 뜻하는 것으로 기본적인 구조는 스프링과 함께 쇼크업소버를 기둥으로 하여 상단을 바디에, 하단을 허브 캐리어나 로어 암 끝에 장착한 것이다. 더블위시본 서스펜션은 타이어의 위치를 결정하는 어퍼 암과 로어 암이 상하로 배치되어 스프링과 쇼크업소버는 별개가 되어 있으나 스트럿 서스펜션은 스프링과 일체화된 쇼크업소버를 위로 인장시켜 어퍼 암의 작용도 이루어지도록 한다. 즉, 스트럿이 타이어의 위치결정과 하중부담이라는 2가지 역할을 하고 있는 것이다. 이 서스펜션이 앞 차축에 사용된 경우에는 조향을 위해 축이 회전할 수 있어야 한다. 따라서 스티어링 너클을 스트럿과 일체화하고 스트럿 상단에 베어링을, 하단에 볼 조인트를 설치하고 이 양 끝을 잇는 선이 킹핀 중심선(king-pin axis)이 된다. 이 축을 중심으로 바퀴를 장착하는 액슬 하우징을 설치된 스트럿 전체가 조향방향으로 회전하는 것이다. 즉, 더블위시본 서스펜션에서 어퍼 암을 제외한 형태의 간단한 구조이고, 서스펜션의 설치 공간이 작아도 되며, 스프링의 아래 중량도 가볍기 때문에 중형 이하의 승용차에 널리 적용되고 있다. 특히, 전륜구동 자동차의 앞 차축은 대부분이 이 서스펜션을 적용하고 있다고 해도 과언이 아닐 정도이다. 후륜구동 자동차에서는 비엠더블유(BMW) 3시리즈, 5시리즈, 7시리즈, 메르세데스-벤츠(M-Benz) E클래스(E class) 등이 스트럿 서스펜션 프런트 서스펜션에 적용하고 있다. 하중은 엔진룸과 휠하우스를 구획 짓는 바디의 후드리지(hood ridge)라 불리는 부분에서 지지되며, 이 점과 로어 암의 볼 조인트를 연결하는 큰 간격에 따라 캠버 각과 캐스터 각이 결정되기 때문에 바디쪽 장착부분의 고무 부시의 변형이 다소 있어도, 얼라인먼트가 변화되기는 어렵다. 즉, 서스펜션 컴플라이언스에 의한 지오메트리 변화가 작다는 것이 이 서스펜션의 특징이다. 이러한 점 때문에 승차감을 좋게 하기 위해 고무 부시를 부드럽게 하여도 서스펜션의 강성이 작아져 조종 안정성이 저하되는 경우는 적다. 다만, 이 서스펜션은 스트럿이 길어 서스펜션의 장착 위치가 높아지기 때문에 후드의 높이도 높아져 스마트한 바디 스타일을 만들기 어렵다는 문제점이 있다. 장착 위치가 높아지는 것은 타이어에 닿지 않도록 하기 위해 코일스프링을 높은 위치에 두어야 하기 때문이며, E클래스에서는 쇼크업소버만 남기고 코일스프링은 로어 암에 직접 설치하여 후드를 낮게 하였다. 스트럿 서스펜션을 뒤 차축에 적용할 경우 로어 암을 A-암으로 사용하고 있는 서스펜션과 평행하게 배치된 2개의 링크로 횡방향 힘을, 허브 캐리어에서 앞 방향으로 배치된 레디어스 로드(radius rod)로 전후 방향의 힘을 받아 흡수하도록 한 서스펜션이 있다. 이와 같이 로어 암과 링크에 횡방향의 힘과 뒤를 향하는 힘이 가해졌을 때 암과 링크의 장착 위치에 따라 좌우 타이어가 앞이 벌어지는 토아웃(toe-out)이 되는 경우가 있다. 예를 들면, 코너링 중에 하중이 가해진 바깥쪽 타이어가 토아웃이 되면 타이어의 슬립 각이 그만큼 작아지기 때문에 스티어 특성으로서 오버스티어(over steer) 경향이 되어 좋지 않다. 따라서 암과 로드를 잘 배치하여 앞뒤 부시의 경도를 바꾸어 토의 변화가 일어나지 않도록 하거나 토인(toe-in)이 되도록 하여 자동차의 스티어 특성을 컨트롤한다.

멀티링크 서스펜션

멀티링크 서스펜션(multi-link suspension)

멀티링크 서스펜션(multi-link suspension)은 더블위시본 서스펜션의 삼각형 컨트롤 암을 링크로 분해하는 등 서스펜션의 지오메트리 변화를 활용하여 자동차의 조종 안정성을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 더블위시본(double Wishbone) 서스펜션에서는 어퍼와 로어라는 삼각형으로 되어 있는 컨트롤 암의 6개 정점을 적당한 위치에 정하여 롤 센터의 높이와 얼라인먼트의 변화, 안티 다이브(anti-dive), 안티 리프트(anti-lift) 효과 등의 특성을 상당히 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 바디와의 연결부분인 고무 부시의 강성을 적당하게 선택하여 롤 스티어와 컴플라이언스 스티어를 발생시켜 조종 안정성을 더욱 좋게 하는 효과를 얻을 수도 있다. 그러나 서스펜션의 지오메트리 변화를 보다 적절하게 이루어지도록 하기 위해서는 컨트롤 암이 삼각형이라는 고정 관념을 버리고 링크로 분해하고, 필요하다면 링크를 더 추가하여 더욱 자유롭게 타이어의 자세를 컨트롤할 수 있도록 하여야 한다. 그래서 탄생한 것이 서스펜션을 많은(multi) 링크(link)로 구성한 멀티링크 서스펜션이다. 그러나 더블위시본 서스펜션에도 컨트롤 암을 삼각형이 아닌 L자형이거나 2개의 링크를 연결하여 컨트롤 암으로 만든 것이 있기 때문에 더블위시본과 멀티링크 서스펜션의 차이는 명확하게 규정되어 있는 것은 없다. 앞 차축에 적용되고 있는 멀티링크 서스펜션은 어퍼와 로어 2개의 암이 그대로 남겨져 있기 때문에 한눈에 봐도 어퍼 암이 타이어보다 위에 설치되어 있는 하이 마운트 타입의 더블위시본 서스펜션처럼 보인다. 그러나 자세히 살펴보면 더블위시본 형식의 경우 스티어링 너클의 상하 양 끝에 볼 조인트가 설치되어 있어야 하는데 이 서스펜션의 상단에는 원통형의 부시가 설치되어 있고 허브 캐리어의 가까운 부분에 타이어의 방향을 변환하기 쉽도록 조향 전용의 베어링이 설치되어 있으며, 그 아래에 볼 조인트가 설치되어 있다. 즉, 더블위시본 서스펜션의 경우 위쪽의 볼 조인트가 스트로크 방향과 조향방향의 양쪽으로 움직이는 것에 비해 이 서스펜션은 스트로크 방향으로는 상단의 부싱이 움직이고 조향방향으로는 조향 전용의 베어링이 움직이는 것이다. 이와 같은 배치를 함으로써 더블위시본 서스펜션에서는 제한을 받는 어퍼 링크의 길이와 스크러브 반경을 자유롭게 설정할 수 있어 자동차의 조종 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 더블위시본식은 어퍼 암과 로어 암 끝에 있는 볼 조인트를 연결하는 것이 킹핀 축이 되고 어퍼 암의 길이를 정하면 자동적으로 스크러브(scrub) 반경도 정해지지만 멀티링크 서스펜션은 조종 안정성을 향상시키기 위해 최적의 수치를 각각 설정할 수 있다. 뒤 차축 서스펜션에 최초로 멀티링크 서스펜션을 적용한 것은 메르세데스-벤츠(M-Benz)였으나 이 경우 옛날부터 더블위시본 서스펜션의 삼각형 어퍼 암과 로어 암은 흔적도 찾아 볼 수 없으며, 한쪽에 5개의 링크가 독자적인 위치에 배치되어 있다. 각각의 링크의 연계된 움직임에 의해 노면의 상황에 관계없이 타이어는 노면과 진행방향에 대해 올바르게 유지되며, 주행 안정성과 자연스러운 핸들링 특성을 얻을 수 있다. 일체화하는 경우가 많은 스프링과 쇼크업소버를 나누어 바디에의 장착 위치를 낮게 하여 차고를 낮추는 것도 이 서스펜션의 특징 중 하나이다.

토션빔 서스펜션

토션빔 서스펜션(torsion beam suspension)

소형 전륜구동차의 리어 서스펜션은 단순함이 중요한 조건인 동시에 타이어의 자세 변화가 적고 코너링 중에 확실하게 노면을 따라가야 한다. 패밀리카 등 일상생활의 교통수단으로 사용되는 경우가 많은 소형 전륜구동차의 리어 서스펜션은 무엇보다 우선시되는 것은 가능한 한 단순해야 한다. 앞바퀴 구동이기 때문에 프로펠러 샤프트(Propeller Shaft)가 없는 만큼 플로어는 넓으나 프런트 시트가 우선시되기 때문에 리어 시트가 좁아지는 경우가 많고, 가능하다면 화물도 많이 실을 수 있도록 하는 것이 좋기 때문이다. 더블위시본과 멀티링크 서스펜션의 서스펜션은 암과 링크의 적절한 강성과 배치를 확보하여야 조종 안정성과 승차감의 균형을 잡을 수 있다. 전륜구동차는 가볍고 앞에 엔진을 배치하여 앞바퀴를 구동하므로 어떻게 해도 노면과 횡풍의 영향을 받기 쉬워 조종 안정성면에서 불리하기 때문에, 가능하다면 이러한 서스펜션을 사용하려 하는 것이다. 그러나 이들 서스펜션은 암과 링크가 움직이기 위한 공간이 필요하여 구조의 간단함이 최우선인 전륜구동차에는 적용이 어렵다. 이러한 이유에 의해 전륜구동차의 뒤 차축용으로 여러 가지 서스펜션이 개발되어 있으며, 현재 주류를 이루고 있는 것은 뒷좌석 아래에 서브프레임을 배치하고 여기에 링크로 허브 캐리어를 설치한 멀티링크 서스펜션과 로어 암을 사용한 스트럿 서스펜션이다. 토션빔 서스펜션(torsion beam suspension)을 적용한 자동차도 있다. 토션빔 서스펜션은 몇 가지 종류가 있지만 공통된 것은 좌우에 트레일링 암(trailing Arm)이 배치되어 이것이 빔(beam)으로 연결되어 있다. 트레일링 암의 트레일링은 ‘끌다’라는 뜻으로 타이어가 바디에 장착되어 있는 암에 이끌려 진행하는 타입의 서스펜션을 트레일링 암 타입이라고 불리고 있다. 래터럴 로드는 액슬 빔과 거의 평행으로 배치되어 액슬 로드와 바디에 고무 부시를 사이에 두고 설치되어 있는 봉으로 서스펜션에 들어가는 가로방향의 힘을 받아 흡수하는 작용을 하며, 고안자의 이름을 따 파나드 로드(panhard rod)라고도 불린다. 앞뒤 방향의 힘은 트레일링 암이, 상하방향의 힘은 스트럿이 받아들이기 때문에 전륜구동 자동차의 리어용에 어울리는 심플한 구성이다. 타이어의 움직임을 규제하는 링크로서 역할을 하는 액슬 빔을 스트럿 서스펜션이나 더블위시본 서스펜션과 비교하면 매우 길이가 길 뿐만 아니라 빔 속에 스태빌라이저가 설치되어 있기 때문에 캠버의 변화가 작고 뒷바퀴를 확실하게 지지할 수 있다. 또한 멀티링크 서스펜션 등에 비해 조인트 수가 적기 때문에 서스펜션이 작동하였을 때의 마찰력이 작아 승차감도 좋다. 실용상 문제가 될 정도는 아니지만 이 타입의 단점은 래터럴 로드가 액슬 빔과 바디에 각각 1점으로 자동차의 중심선과 비대칭으로 장착되어 있기 때문에 좌·우회전시 코너링 특성이 다르다는 점과 스트로크가 클 때 바디와 액슬 빔이 상대적으로 옆으로 빗나가는 스커프(scuff) 변화가 발생된다는 점이다.

전자제어 서스펜션

전자제어 서스펜션(ECS; Electronic control suspension)은 차량이 달리는 노면 및 주행상태에 따라 서스펜션이 이에맞게 자동으로 제어되는 장치다. 자동차를 구성하는 중요 부분이며 주행 조건에 따라 승차감과 핸들링에 많은 변수를 가지고 있다. 현가 장치의 특성상 안락함과 주행 안정성을 동시에 만족시키기는 어려운 점이 있는데 현가장치를 부드럽게 하면 안락감은 확보할 수 있으나 주행 안전성은 나빠지게 되고 반대인 경우에는 안락감은 저하된다. 도로 사정이나 주행조건에서 이 두가지를 모두 만족시키기 위해서는 기계적인 시스템으로는 불가능하다. 도로 조건이나 주행 조건에 맞게 현가장치의 특성을 변화시켜 승차감과 안정된 핸들링을 확보하는데 목적이 있는 시스템이 바로 전자제어 서스펜션이다. 전자제어 서스펜션은 컴퓨터, 각종 센서, 액추에이터 등을 설치하고 노면의 상태, 주행조건, 운전자의 선택 등과 같은 요소에 따라서 자동차의 높이와 스프링정수 및 감쇠력 등의 현가특성이 컴퓨터에 의해 자동적으로 조절된다. 즉 비포장도로를 주행할 때에 차체가 노면에 긁히지 않토록 하기 위하여 높아져야 하고 포장된 도로를 주행할 때에는 안전성을 높이기 위해 차체가 낮아져야 한다. 그리고 현가 장치를 매 순간마다 강하게 또는 부드럽게 조절하여야 하는데 이러한 작동을 컴퓨터를 이용하여 조절한다. 전자장치를 응용하여 기계식 현가장치에서 발생되는 여러가지 문제점을 해소시키기 위해 스프링상수, 쇼크업쇼버의 감쇠력, 공기스프링의 압력을 변경시켜 자세제어, 차고조절, 주행안정성, 승차감을 향상시켜 운전자의 욕구를 만족시키는 장치가 전자제어 서스펜션이다. 전자제어 서스펜션은 노면상태와 주행상태에 따라서 서스펜션 특성이 자동으로 제어되는 장치로 노면 상태와 운전 조건에 따라 차체 높이를 변화시켜, 주행 안전성과 승차감을 동시에 확보한다. 자동차는 서스펜션이 부드러우면 승차감은 좋지만, 속도를 급하게 높이거나 급하게 제동하게 되면 차량의 자세가 심하게 뒤틀린다. 이에 반해 서스펜션이 견고하면 자세 변화는 심하지 않지만, 노면의 진동이 흡수되지 않아 주행 안정성이 떨어진다. 전자제어 서스펜션은 이 두 경우의 장점은 고루 살리되, 단점은 없앤 첨단 시스템이다. 즉 노면이 울퉁불퉁한 비포장 도로에서는 차 높이를 높여 차체를 보호하고, 고속도로와 같이 고속 주행이 가능한 도로에서는 차 높이를 낮추어 공기 저항을 줄여 줌으로써 주행 안정성을 높일 수 있도록 설계되어 있다. 종류로는 유압식과 공기압식 등이 있다.

액티브 서스펜션

4바퀴에 설치되어 있는 스프링의 스프링 정수를 유압을 이용하여 자유롭게 바꾸어 자동차의 자세를 가능한 한 일정한 상태로 유지하면서 조종 안정성과 승차감의 균형을 유지한다는 의미에서는 궁극의 서스펜션이다. 자동차의 주행성능과 선회성능을 기본적으로 결정하는 부품은 스프링이다. 스프링을 부드럽게 하여 승차감을 좋게 하면 가속 및 감속시나 코너링시 자동차의 자세변화가 크기 때문에 조종 안정성이 나빠지고, 반대로 스프링을 강하게 하여 코너를 빠른 속도로 선회하면 승차감이 나빠진다. 그리고 실제 조종 안정성을 문제 삼는 것은 코너링이나 차선 변경 등 스티어링 휠을 조작하여 자동차의 자세가 변할 때이며, 자동차가 요철이 있는 노면을 주행하고 있을 때에는 승차감에 신경이 쓰인다. 그러므로 우수한 조종 안정성과 높은 수준의 승차감을 양립시키기 위해서는 스프링의 딱딱함 정도를 자동차의 주행상태와 노면상태에 따라 바꾸어야 한다. 예를 들어 코너링 시 바깥쪽 바퀴의 스프링을 딱딱하게 하여 자동차의 기울임을 억제하고 돌기를 통과할 때는 스프링 정수를 작게 하여 타이어가 돌기를 올라갈 때 힘을 흡수할 수 있으면 된다. 이와 같이 본래부터 주행 중에 바꿀 수 없는 스프링의 딱딱함을 컴퓨터에 의해 제어된 유압을 이용하여 바꿔, 자동차의 종합적인 성능을 높이려는 것이 액티브 서스펜션(active suspension)이다. 일반적인 서스펜션은 외부에서 가해진 힘을 그대로 받아들이는 데에 비해 액티브 서스펜션은 큰 힘이 가해지면 서스펜션을 확실히 지지하여 충격이 전달되면 흡수하여 부드럽게 하는 등 필요에 따라 능동적으로 주행하기 쉬운 자동차의 자세를 만들어내는 것이다. 자동차의 주행상태는 바디에 가해진 전후방향의 가속도를 1개의 전후 가속도 센서, 횡방향의 가속도를 2개의 횡 가속도 센서, 상하방향의 가속도를 3개의 상하 가속도 센서로 검출하고 동시에 서스펜션 암의 각도 변화로 차고의 변화가 검출된다. 이와 같은 센서로부터의 신호는 2개의 마이크로 프로세서(micro Processor)에 의해 순식간에 연산되어 각 바퀴에 설치되어 있는 하이드로뉴매틱 실린더의 유압이 각각 작동하여 어떠한 주행상태에서도 자동차의 자세가 거의 수평을 유지하게 된다. 예를 들면, 타이어가 미끄러지기 시작하기 직전의 심한 코너링의 경우에도 자동차가 기울어지는 각도가 1도 이상 커지는 경우는 없다. 실제로 선회를 시작하면 자동차에 작용하는 원심력을 횡 가속도 센서가 감지하여 그 크기에 따라 바깥쪽 바퀴에 설치되어 있는 실린더의 유압을 상승시키고 동시에 안쪽 바퀴에 설치되어 있는 실린더의 압력을 낮추어 바디가 기울어지려는 힘을 상쇄시키는 것이다. 브레이크를 작동시켰을 때 앞쪽이 가라앉는 것도 전후 가속도 센서로 감속도를 감지하여 앞바퀴에 설치되어 있는 실린더의 유압을 상승시켜 억제한다. 노면의 요철은 상하 가속도 센서로 감지하여 유압을 조정함으로써 진동을 억제하고 동시에 자동차의 자세를 항상 일정하게 유지한다. 유압의 조작으로 흡수할 수 없는 미세한 진동은 실린더 내의 공기가 흡수한다. 또한, 차고 센서를 사용하여 타고 있는 사람의 수와 화물의 중량에 관계없이 차고를 일정하게 유지하고 고속주행 시에는 차고를 최대 15mm 정도 낮추어 안전성을 좋게 한다. 액티브 서스펜션은 기구적으로 쾌적한 승차감과 우수한 조종 안정성의 양립을 도모한 최상의 서스펜션이지만 시스템이 복잡한 구조이기 때문에 저가의 자동차에는 보급이 어렵다.

브랜드별 특성

마케팅 조사기관인 프로스트 앤 설리번이 발표한 자료에 따르면 완성차 제조사들은 서스펜션 기술개발과 관련해 대부분 승차감 및 조향 성능 개선에 중점을 두고 있으나 브랜드별로 추구하는 기술방향은 조금씩 차이를 보이고 있다.

자동차 제작사의 서스펜션 기술개발 우선순위

기준	포드	크라이슬러	닷지	BMW	폭스바겐	아우디	벤츠	토요타	혼다	현대	기아	평균
연비/온실가스 감축	낮다	중간	중간	낮다	낮다	매우 낮다	낮다	중간	낮다	매우 낮다	매우 낮다	낮다
성능 향상	높다	높다	높다	높다	중간	중간	높다	매우 높다	매우 높다	높다	높다	높다
핸들링 성능 향상	중간	높다	낮다	높다	중간	낮다	낮다	중간	매우 높다	중간	중간	중간
무게절감	낮다	낮다	낮다	낮다	낮다	낮다	낮다	낮다	중간	낮다	낮다	낮다
가격인하	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	낮다	낮다	중간	매우 낮다	낮다	중간	낮다	낮다
내구성 향상	중간	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	낮다	매우 낮다	매우 낮다	중간	낮다	중간	낮다	낮다
표준화/모듈화	매우 낮다	매우 낮다	낮다	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	중간	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다
포장	매우 낮다	매우 낮다	낮다	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	낮다	매우 낮다	중간	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다
안전성	매우 낮다	매우 낮다	매우 낮다	중간	중간	중간	낮다	중간	중간	매우 낮다	매우 낮다	낮다

메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 승차감을 가장 중시하면서도 생산원가 측면을 중점으로 기술개발이 이뤄지고 있다. 반면 비엠더블유(BMW)는 승차감과 조향성능 그리고 안전에 많은 관심을 기울이고 있다. 혼다(Honda)는 승차감과 조향성능 외에도 양산화와 안전, 패키징, 표준화 및 모듈화 등 광범위한 기술개발에 초점을 맞추고 있다. 현대자동차㈜는 승차감 개선을 가장 중시하면서 조향성능과 원가절감, 내구성 개선 등에 신경을 쓰고 있는 것으로 조사되었다. 대한민국의 대표적인 준중형 및 중형세단인 아반떼와 쏘나타를 살펴보면, 1995년 1세대 모델 아반떼는 당시 앞 서스펜션과 뒤 서스펜션에 각각 맥퍼슨 스트럿, 듀얼링크 방식을 적용했지만 2006년부터는 서스펜션을 멀티링크 방식으로 변경했다. 2011년 이후에는 원가절감 및 상품성 개선을 위해 토션빔 액슬 방식을 적용하고 있다. 쏘나타는 1988년 앞 맥퍼슨 스트럿, 뒤 3링크 방식을 적용했고 1994년 쏘나타2 모델부터 뒤 서스펜션에 멀티링크 방식을 적용했다. 2005년 NF 쏘나타부터는 앞 서스펜션에 더블위시본을 적용하고 뒤는 멀티링크와 코일스프링을 조합했다. 2010년 이후부터는 앞 서스펜션을 또 다시 맥퍼슨 스트럿 방식으로 변경하는 등 엔진 및 파워트레인으로 인해 구조적으로 제한받는 앞 서스펜션보다는 뒤 서스펜션의 구조변화가 주를 이루고 있다. 최근에는 전통적인 서스펜션 구조에서 벗어나 자동차 제작사 특유의 특화된 서스펜션을 개발해 적용하고 있다. 서스펜션의 기구학적인 시스템에 에어댐퍼 등 다양한 방식의 쇼크옵서버를 장착하고 전자제어 시스템까지 적용하는 추세다. 앞 서스펜션뿐만 아니라 뒤 서스펜션에도 서브프레임을 달고 구조용 접착제를 확대 적용하는 등 섀시 강성을 증가시켜 서스펜션의 조종안정성 및 주행성능을 극대화하고 있다.

멀티링크의 변형 방식인 르노(Renault)의 AM링크와 재규어랜드로버(Jaguar Land Rover)의 인테그럴 링크, 쉐보레(Chevrolet) Z 링크뿐 아니라 전자제어 방식의 에어댐퍼 등을 적용한 포르쉐(Porsche)의 액티브 서스펜션 매니지먼트(PASM), 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz) 액티브 바디 컨트롤(ABC), 비엠더블유(BMW) 어댑티브 다이내믹 댐퍼 컨트롤(DDC), 캐딜락(Cadillac) 및 아우디(Audi) 일부 차종에 적용된 마그네틱 라이드 컨트롤(MRC), 현대자동차그룹의 전기유압식 에어서스펜션 등이 대표적이다. 서스펜션은 안락한 승차감과 주행안정성을 기반으로 한 주행성능의 강화를 목적으로 하고 있지만 최근에는 배출가스 저감 및 연비 향상을 위한 경량 액슬과 최적화설계, 자율주행 및 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)과 관련한 첨단 서스펜션 시스템 개발 등이 새로운 화두로 떠오르고 있다. 최근에는 기존 경량화 기술 외에 알루미늄, 마그네슘 로어암을 적용한 모델이 증가하고 있다. 이는 서스펜션 관련부품 즉, 스프링 하부질량 경량화를 통해 배출가스저감 및 연비 향상은 물론 운동성능을 최적화하기 위해 중공 스프링 및 중공 안티롤 바 등을 활용하고 있다. 람보르기니(Lamborghini)는 알루미늄보다 30% 더 가벼운 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 서스펜션 암을 최초로 적용한 바 있고 아우디는 철보다 40% 가벼운 탄소섬유강화플라스틱 코일스프링을 개발해 R8 e-트론에 최초로 적용했다. 또한 플라스틱 서스펜션 관련부품의 적용사례가 확대되고 있다. 포드(Ford)와 크라이슬러(Chrysler), 닷지(Dodge), 비엠더블유(BMW), 아우디(Audi), 폭스바겐(Volkswagen), 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz), 토요타(Toyota) 등은 탄소섬유강화플라스틱 스프링을 적용하고 있고 토요타와 현대기아차 등은 탄소섬유강화플라스틱 등 복합소재를 어퍼암, 푸시로드 등에 사용하고 있다. 서스펜션의 경량화와 더불어 주행노면 및 주행상황에 따라 차체 높이를 자동으로 조절해 주는 승차높이 제어기술 또한 새로운 트렌드로 자리 잡고 있다. 승차높이 조절 제어 기술은 정차 중 스위치 조작 등을 통해 수동으로 차체 높이를 조절해 승하차 편의 및 오프로드 성능을 최적화시켜 주는 방식이다. 여기에서 한 단계 더 발전해 오프로드나 과속방지턱 등을 통과할 때 발생하는 차량의 큰 거동을 제어해 주는 유압 스토핑 댐퍼(HSD)와 차량에 짐을 많이 실어도 내부의 기계식 펌프의 작동을 통해 항상 일정한 차고를 유지해 주는 셀프 레벨링 조절장치, 노면 상황과 차량 움직임을 각종 센서로 판단해 쇼크옵서버의 감쇠력을 조절함으로써 주행상황에 맞는 진동 흡수성능을 전자적으로 제어하는 스마트 댐핑 제어시스템(SDC) 등이 일반화되고 있다. 액티브 바디 컨트롤과 마그네틱라이드, 전기유압식 에어 서스펜션 등 전자제어 서스펜션이 대표적이다. 또한 메르세데스-벤츠의 매직 바디 컨트롤, 롤스로이스(Rolls-Royce) 매직 카펫 라이드 등과 같이 윈드실드 상단의 카메라를 이용해 차량의 주행상태나 차량 전방의 노면상태를 실시간으로 모니터링해 미리 서스펜션의 높이나 쇼크옵서버의 감쇠력을 조절해 주는 프리스캔 서스펜션 기술도 적용되고 있다.

점검

다음과 같은 경우라면, 서스펜션을 점검해야 한다.

• 코너링을 할때, 바깥쪽으로 심하게 쏠리는 차
• 승차감이 나빠 승객이 멀미를 심하게 하는 차
• 비포장 도로나 지형이 험한 오프로드를 자주 운행하는 차
• 출발시나 급가속시 차 앞부분이 크게 들리는 차
• 급제동시 앞으로 심하게 쏠리고 뒤가 들리는 차
• 출고 후 2년 이상, 또는 4만 km 이상 주행하고 서스펜션 점검을 안 받은 차
• 저속으로 과속방지턱을 통과할 때 차체 하부가 닿는 차
• 급커브가 많은 도로를 많이 운행하는 차
• 댐퍼에서 오일이 새는 차
• 타이어의 편마모가 있는 차
• 측면 바람이나 대형차가 지나갈 때 차의 흔들림이 심한 차
• 장거리 및 장시간 운전을 많이 하는 운전자

튜닝

서스펜션 튜닝은 목적에 따라 튜닝 방향이 다르지만, 일반적으로 승차감에 중점을 둘 것인지, 아니면 조종 안정성에 중점을 둘 것인지 두가지로 나뉜다. 이 두 가지는 동전의 양면 같아서 동시에 두 가지를 만족시킬 수 없고 어느 것이 좋아지면 다른 한 쪽은 나빠질 수 밖에 없다. 예를 들면, 부드러운 승차감을 위해서는 부드러운 서스펜션 세팅을 하게 되는데 그럴 경우엔 조종 안정성은 나빠져서 코너를 돌 때 차체의 쏠림 현상과 출렁거림이 커지고 빠른 속도로 코너를 빠져 나오기 힘들게 된다. 반대로, 코너를 안정감 있고 빠르게 빠져 나오기 위해서 단단한 서스펜션 세팅을 하면 조종 안정성은 좋아지지만, 노면의 요철이 몸으로 직접 느껴져 차가 통통 튀고 승차감은 나빠진다. 서스펜션 튜닝을 할 때, 어느 정도의 강성과 어느 정도의 높이 조절이 적정하냐는 튜닝할 차의 상태와 성능에 따라, 그리고 운전자의 개인적 취향에 따라 다를 수 밖에 없다. 처음부터 고가의 일체형 서스펜션을 장착하기 보다는 단계적으로 업그레이드를 하는 것이 좋다. 어느 정도의 단단함을 원하는지 운전자의 취향을 찾아가는 것이 가장 적합한 세팅을 찾는 방법이기 때문이다. 또한, 전문가에게 조언을 구해 차 특성에 맞는 세팅을 찾아야 한다. 순정 차량은 출고 시 안전테스트를 거쳐 나온 차이므로, 튜닝을 하더라도 안전에 문제가 된다면 튜닝하지 않은 것보다 못하다.

참고자료

• 〈서스펜션〉, 《두산백과》
• 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈 4 - 첨단자동차섀시〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
• 사와타리 쇼지 외 1인, 〈섀시는 이렇게 되어 있다〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
• 〈최근 10년간 개발된 현가장치 기술〉, 《사이언스온》, 2010-06-01
• 김진아 기자, 〈승차감이냐? 조종안정성이냐? 서스펜션 튜닝〉, 《탑라이더》, 2013-09-02
• 〈(자동차공학) 『ECS(Electronic control suspension system)와 TCS(Traction Control System)』에 대하여〉, 《레포트월드》, 2014-11-10
• 김창훈 기자, 〈같은 듯 다른 서스펜션 '보이지 않는 대결’〉, 《한국일보》, 2016-08-29
• 박혜연 기자, 〈자동차의 하체, 서스펜션이란?〉, 《카이즈유》, 2016-01-22
• 산소통, 〈자동차의 허리, 서스펜션이란 무엇일까?〉, 《산업통상자원부 공식 블로그》, 2017-03-24
• 모토야편집부, 〈ECS(Electronic Control Suspension)〉, 《모토야》, 2017-04-11
• 박병하 기자, 〈(자동차 상식)승차감을 위해 태어나다! 서스펜션〉, 《모토야》, 2017-05-31
• 도주해 크리에이터, 〈서스펜션 도대체 왓? 자동차 서스펜션 쉽게 이해하기〉, 《브런치》, 2017-07-28
• 김아롱 부장, 〈브랜드와 차종별 서스펜션의 특성〉, 《한국자동차산업협회》, 2018
• 박태준 기자, 〈(카&테크)과속방지턱도 끄떡없는 '자동차 에어 서스펜션'〉, 《전자신문》, 2019-09-05
• 이슬, 〈자동차 부품 이야기〉, 《타고》, 2020-12-07

같이 보기

• 댐퍼
• 쇼크업소버
• 승차감
• 액슬
• 타이어
• 스프링

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