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"서스펜션"의 두 판 사이의 차이
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[[파일:Conventional Suspension.jpg|썸네일|'''현가장치'''(懸架裝置, suspension)]] | [[파일:Conventional Suspension.jpg|썸네일|'''현가장치'''(懸架裝置, suspension)]] | ||
| − | '''서스펜션'''(suspension) 또는 '''현가장치'''<!--현가 장치-->(懸架裝置)는 차량 운전 시 [[노면]]의 충격이 [[차체]]나 [[탑승자]]에게 전달되지 않게 [[충격]]을 [[흡수]]하는 역할을 하는 [[장치]]이다. 서스펜션은 [[스프링]] 작용에 의해 차체의 중량을 지지함과 동시에 차륜의 상하 진동을 완화함으로써 [[승차감]]을 좋게 하고, 화물의 충격으로 인한 파손을 방지하며 각 부분에 과도한 [[부하]]가 가해지지 않도록 해주는 역할이 있다 | + | '''서스펜션'''(suspension) 또는 '''현가장치'''<!--현가 장치-->(懸架裝置)는 차량 운전 시 [[노면]]의 충격이 [[차체]]나 [[탑승자]]에게 전달되지 않게 [[충격]]을 [[흡수]]하는 역할을 하는 [[장치]]이다. 서스펜션은 [[스프링]] 작용에 의해 차체의 중량을 지지함과 동시에 차륜의 상하 진동을 완화함으로써 [[승차감]]을 좋게 하고, 화물의 충격으로 인한 파손을 방지하며 각 부분에 과도한 [[부하]]가 가해지지 않도록 해주는 역할이 있다. |
== 개요 == | == 개요 == | ||
| − | + | 서스펜션은 [[바퀴]]를 [[차체]]와 연결하는 역할을 한다. 서스펜션은 어떤 충격이 있을 시 차체나 탑승자에게 피해가 가지 않게 충격을 흡수해주는 장치로, [[자동차]]의 [[승차감]] 및 안전성에 큰 영향을 주기 때문에 중요한 역할을 한다. 방식은 구조에 따라 스트럿 방식, 위시본 방식, 멀티식 등 여러 가지 방식이 있다. 스트럿(strut) 방식은 대한민국 자동차에 많이 쓰는 방식이며, 엔지니어인 얼 맥퍼슨(Earl MacPherson)의 이름을 따서 맥퍼슨 스트럿이라고 말한다. 구조적으로 간결하며 정비성이 좋아 자주 사용하는 방식 중 하나다. 스트럿 방식은 로워암의 L자 모양의 형태에 하나의 활대가 서스펜션 스트럿을 지지해줘서 간단해 보이는 구조다. 위시본(wishbone) 방식은 조류의 목과 가슴 사이에 있는 뼈 모양을 본따서 V자 모양의 형태를 띠고 있다. 노면에 대해서 거의 수평으로 장착된 상하(어퍼 암, 로워 암) 2개의 암이 업라이트를 사이에 두고 지지하는 구조로 되어 있다. 구조상 강성 확보에 용이하며, 서스펜션이 범프 할 때 캠버 변화를 최소한으로 억제하는 것이 가능하여, 타이어와 노면의 사이의 마찰력 변화가 적은 것이 이점이다. 멀티식 방식은 이런 위시본 방식을 기본으로 개발된 방법 중 하나다. 독립된 몇 개의 암으로 구성되어 모든 암이 물리적으로 떨어져 있으므로 배치의 자유도가 커, 보다 세세한 세팅을 할 수 있다. [[메르세데스-벤츠]](Mercedes-Benz)를 포함하여 여러 자동차 브랜드에 사용되고 있습니다.<ref>이슬, 〈[http://tago.kr/story/parts.htm 자동차 부품 이야기]〉, 《타고》, 2020-12-07</ref> | |
| − | + | ==구성 요소== | |
| + | ===스프링=== | ||
| + | [[스프링]]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. 현가 스프링, 타이어, 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.<ref>김재휘 교수, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1981742&cid=42331&categoryId=42335 스프링 시스템의 기능]〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2009-09-07</ref> | ||
| − | == | + | ===쇼크업소버=== |
| − | + | [[쇼크업소버]]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 [[완충기]]라면 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.<ref>김재휘 교수, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1981381&cid=42331&categoryId=42335 충격흡수기]〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2009-09-07</ref> | |
| − | == | + | ==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(Stroke) 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 [[타이어]]의 마모 또한 적다는 장점이 있어 [[트럭]]과 [[버스]] 등의 [[상용차]]에는 현재도 사용되고 있다. 리지드 액슬의 단점 중 하나로 스프링 아래 중량이 무겁고 [[승차감]]이 나쁘다는 것을 들 수 있지만 [[대형차]]의 경우 차량 자체의 중량이 무겁기 때문에 스프링 아래 중량은 [[승용차]]만큼 문제가 되지 않을뿐더러 버스는 [[에어 서스펜션]]으로, 대형 트럭은 [[시트]]의 개량으로 승차감의 개선을 도모하고 있다. 초기의 리지드 액슬 서스펜션을 적용한 승용차에서 특히 곤란했던 문제는 [[핸들링]]이 좋지 않다는 것이었다. 앞바퀴가 차축으로 연결되어 있기 때문에 편평한 [[도로]]를 [[주행]]할 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 [[더블 위시본 서스펜션]](Double Wishbone Suspension)이었다. 이 방식을 최초로 [[양산차]]에 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]] [[자동차]]의 [[리어 서스펜션]]에 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 서스펜션]]은 그 후 미국의 얼 맥퍼슨(Earle MacPherson)이 발명하여 1951년에 미국 [[포드]](Ford)에서 양산차로서 처음 적용되었던 스트럿 서스펜션이 [[소형차]]에서는 주류를 이루게 되었다. 이 서스펜션은 스프링과 [[쇼크업소버]]를 일체화한 스트럿의 상단을 바디에 장착하고, 하단은 [[액슬]]을 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 더블 위시본식과 스트럿식의 장점을 잘 혼합하여 많은 암과 링크를 복잡하게 배치한 멀티 링크(Multi-link) 서스펜션을 앞뒤에 적용하는 자동차가 많아졌다.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431641&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 서스펜션의 형식]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | |
| − | === | + | ===후륜구동=== |
| − | + | 일반적으로 [[후륜구동]] [[자동차]]라고 하면 [[고급세단]]과 스포츠 타입 자동차만 떠올리게 된다. 뒤 [[차축]]에 [[세미 트레일링 암]](Semi-trailing Arm) 형식이 적용된 시기도 있었으나 오늘날에는 [[더블 위시본]](Double Wishbone) 서스펜션이 대부분이며, [[멀티링크]](Multi-link) 형식도 있다. 오늘날 자동차에 적용되어 있는 서스펜션은 더블 위시본, 스트럿, 멀티 링크 등 3가지 형식이 대부분을 차지하며, 이 외에 [[전륜구동]] [[자동차]]의 뒤 차축에 [[토션 빔]](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.<ref name='후륜'>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431642&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 FR 자동차의 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | |
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| − | ==== | + | ====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 [[바퀴]]에 가까운 바깥쪽에 배치하는 것이 이상적이다. 그러나 앞바퀴를 좌우로 [[조향]]하기 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 [[코일 스프링]](Coil Spring)이 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 더블 위시본이다. 다만 후륜구동 자동차라고 하면 고급세단과 [[스포츠카]] 정도만을 떠올리게 되는 현재는 [[더블 위시본]](Double Wishbone) 서스펜션이 주류로, 스트럿 서스펜션의 서스펜션을 적용하는 후륜구동 타입의 자동차는 없으며, 아울러 고성능화를 도모하여 [[멀티링크]](Multi-link) 형식을 적용하고 있는 자동차도 있다.<ref name='후륜'/> | |
| − | ==== | + | ====리어 서스펜션==== |
| − | + | 후륜구동 자동차의 뒷바퀴는 앞바퀴와 같이 조향되지는 않지만 서스펜션에 [[타이어]]를 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 부시(Rubber Bush)를 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 더블 위시본과 멀티 링크 서스펜션은 타이어의 움직임을 컨트롤할 수 있는 구조를 하고 있다.<ref name='후륜'/> | |
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| − | === | + | ===전륜구동=== |
| − | + | [[전륜구동]] [[자동차]]의 프런트 서스펜션에는 구동계통을 포함한 엔진을 장착할 수 있는 공간을 확보하기 쉬운 스트럿 서스펜션이 많이 적용되어 메이커는 리어 서스펜션의 [[튜닝]]에 의해 특징을 내고 있다. 프런트에 엔진을 장착하고 앞바퀴를 구동하는 전륜구동 자동차는 중·소형차의 대부분에 적용되어 있다.<ref name='전륜'>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431643&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 FF 자동차의 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | |
| − | ==== | + | ====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 [[조향]]도 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 암]]이 상하로 떨어진 점에서 바디에 설치되어 있어 힘이 가해지는 점이 분산되어 [[캠버]]와 [[캐스터]]가 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 더블 위시본 서스펜션과 멀티 링크 서스펜션을 적용하고 있는 자동차도 있다.<ref name='전륜'/> | |
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| − | ==== | + | ====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 [[차종]]에 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 [[토션 빔 서스펜션]](Torsion Beam Suspension)이다.<ref name='전륜'/> | |
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| − | === | + | ===더블 위시본 서스펜션=== |
| − | + | [[파일:더블 위시본 서스펜션.png|썸네일|280픽셀|'''[[더블 위시본 서스펜션]]'''(Double wishbone suspension)]] | |
| − | + | [[더블 위시본 서스펜션]](Double wishbone suspension)은 어퍼 암이 낮은 위치에 있는 로우 마운트(Low Mount) 타입이 일반적이었으나 이것을 높은 위치로 옮기고 볼 조인트의 간격을 길게 한 하이 마운트(High Mount) 타입이 증가되고 있다. 인디펜던트 서스펜션 중에서 가장 빠르게 보급된 것이 더블 위시본 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 더블 위시본 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 암(Upper Arm)의 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 [[후드]]를 낮게 할 수 있지만 이 때문에 상하의 볼 조인트 간격이 좁아져 조인트에 가해지는 힘이 집중되는 어려운 점이 있다. 도어의 상하에 힌지(Hinge)를 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 [[캠버]]와 [[캐스터]]가 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 더블 위시본 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.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431644&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 더블 위시본 타입 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | |
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| − | === | + | ===스트럿 서스펜션=== |
| − | + | [[파일:맥퍼슨스트럿.png|썸네일|280픽셀|'''[[스트럿 서스펜션]]'''(strut suspension)]] | |
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| − | + | [[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. 더블 위시본 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, 더블 위시본 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 [[엔진룸]]과 [[휠하우스]]를 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 [[코일스프링]]을 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.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431645&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 스트럿 타입 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | |
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| + | ===멀티링크 서스펜션=== | ||
| + | [[파일:멀티링크 서스펜션.jpg|썸네일|300픽셀|'''[[멀티링크 서스펜션]]'''(Multi-link suspension)]] | ||
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| + | [[멀티링크 서스펜션]](Multi-link suspension)은 더블 위시본 서스펜션의 삼각형 컨트롤 암을 링크로 분해하는 등 서스펜션의 지오메트리 변화를 활용하여 자동차의 조종 안정성을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 더블 위시본(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 러버 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 더블 위시본 서스펜션에도 컨트롤 암을 삼각형이 아닌 L자형이거나 2개의 링크를 연결하여 컨트롤 암으로 만든 것이 있기 때문에 더블 위시본과 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 더블 위시본 서스펜션처럼 보인다. 그러나 자세히 살펴보면 더블 위시본 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, 더블 위시본 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 더블 위시본 서스펜션에서는 제한을 받는 어퍼 링크의 길이와 스크러브 반경을 자유롭게 설정할 수 있어 자동차의 조종 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 더블 위시본식은 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 더블 위시본 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.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431646&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 멀티링크 타입 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | ||
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| + | ===토션 빔 서스펜션=== | ||
| + | [[파일:토션 빔 서스펜션.png|썸네일|300픽셀|'''[[토션 빔 서스펜션]]'''(Torsion beam suspension)]] | ||
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| + | 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. 더블 위시본과 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. [[토션 빔 서스펜션]](Torsion beam suspension)을 적용한 자동차도 있다. 토션 빔 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 러버 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 더블 위시본 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.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431647&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 토션 빔 타입 리어 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | ||
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| + | ===전자제어 서스펜션=== | ||
| + | 쇼크업소버의 감쇠력은 컨트롤 [[밸브]]를 개폐만으로 필요한 크기로 조정할 수 있다. 노면의 입력에 대응하여 감쇠력을 순간적으로 변화시키면 자동차의 자세를 수평으로 유지하면서 주행할 수 있다. [[전자제어 서스펜션]](Electronic modulated suspension)은 4바퀴에 설치되어 있는 쇼크업소버의 감쇠력을 [[컴퓨터]]에 의해서 연속적으로 제어하여 자동차를 항상 수평에 가까운 자세로 유지하면서 주행할 수 있도록 하는 시스템을 말한다. 이상적인 서스펜션 중의 하나로, 노면의 형태가 어떻게 변하든 타이어가 이에 따라 상하 운동을 하여도 바디가 노면으로부터 일정한 높이를 유지하면서 수평으로 이동하는 것이 가능하다. 이것이 실현된다면 노면의 요철에 관계없이 안정된 [[승차감]]을 얻을 수 있는 것은 물론 접지성을 살려 타이어의 성능을 충분히 이끌어낼 수 있다. 이와 같은 서스펜션의 기초가 되는 이론은 마치 자동차가 공중에 매달려 있는 것과 같이 노면의 영향을 받지 않고 주행할 수 있다는 뜻으로 스카이 훅(Sky-hook) 이론이라고 이름 붙여져 있다. 일반적인 서스펜션처럼 스프링과 쇼크업소버를 병렬로 배치하고 있는 것에 대해 양자를 직렬로 배치하여 스프링 위에 장착되어 있는 바디가 스프링의 움직임에 관계없이 일정한 위치로 유지되도록 한다. 전자제어 에어 서스펜션은 바디의 상하운동을 앞뒤에 배치된 2개의 가속도센서에 의해 각 쇼크업소버의 높낮이 변화를 하이트 센서(Height Sensor)로 검출하여 이들의 [[데이터]]에 의해 컴퓨터가 4바퀴에 설치되어 있는 쇼크업소버의 감쇠력을 개별적으로 컨트롤하는 구조로 되어있다. 예를 들면 쇼크업소버가 수축하여 바디가 위로 움직이는 순간을 타이어가 튀어 올라간 상태라고 판단하여 감쇠력을 부드럽게 하고 바디가 위로 움직이고 있는 상태에서 쇼크업소버도 늘어나고 있다면 감쇠력을 강하게 하여 이 움직임을 멈추는 상태로 감쇠력을 제어하여 안정적인 승차감을 확보하는 것이다. 또한 [[스티어링 휠]]의 회전을 검출하는 [[조향각 센서]], [[브레이크]] 신호를 검출하는 스톱 램프 스위치, 차속을 검출하는 차속 센서 등을 설치하여 발진시 감쇠력을 높여 자동차의 뒤가 내려가는 것을 억제하고, 브레이크가 작동될 때에도 감쇠력을 높여 앞이 낮아지는 것을 최소화하며, 스티어링 휠을 회전시키면 똑같이 감쇠력을 높여 롤을 억제하는 등의 기능도 한다. [[에어 스프링]]을 적용하여 코일 스프링으로 흡수할 수 없는 미세한 진동을 흡수하여 승차감을 한 층 높이는 것도 이 서스펜션의 큰 특징이다. 액티브 댐퍼 서스펜션은 바디의 움직임을 앞에 1개, 뒤에 2개가 설치된 가속도 센서로 검출하고, 여기에 차속 센서와 조향각 센서로부터의 신호를 받아 4바퀴에 설치되어 있는 쇼크업소버의 감쇠력을 전자적으로 제어하고 있다. 구체적으로, 편평한 노면을 주행하고 있는 상태에서는 쇼크업소버의 감쇠력을 약하게 하고 노면의 요철을 통과하면 즉시 바디의 움직임이 최소가 되도록 감쇠력이 조정되어 코너링과 차선의 변경에 의해 자동차가 기울면 감쇠력을 높여 롤링을 억제하는 작용을 한다. 안티 다이브(Anti-dive)와 안티 스쿼트(Anti-squat)의 작용을 하는 것도 전자제어 에어 서스펜션과 같다. 이러한 제어의 결과로 보면 바디의 상하진동과 롤 등의 움직임이 작고 하중의 변동과 캠버의 변화가 작으며, 타이어의 자세를 언제나 양호한 상태로 유지하는 것이 가능하여 그 성능을 충분히 발휘할 수 있다는 장점이 있다. 운전자 입장에서 보면 노면의 요철에 의한 영향을 받지 않고 자동차가 안정적으로 주행하기 때문에 장시간 주행 후에도 피로가 적다. 또한, 자동차의 롤과 다이브 등이 적기 때문에 시선의 변화가 적어 위험한 상황이 발생하지 않도록 하는 예방 안전의 의미에서도 뛰어난 서스펜션 시스템이라고 말할 수 있다. 이 서스펜션은 쇼크업소버를 감쇠력 가변방식으로 하여 전자적으로 제어하기 위한 시스템을 갖추기만 하면 되기 때문에 [[고급차]]에 보편화되어 있다.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431648&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 감쇠력 전자제어 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | ||
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| + | ===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 [[스프링]]이다. 스프링을 부드럽게 하여 승차감을 좋게 하면 [[가속]] 및 [[감속]]시나 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 [[실린더]]의 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.<ref>사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2431649&cid=51390&categoryId=51390&expCategoryId=51390 액티브 서스펜션]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10</ref> | ||
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{{각주}} | {{각주}} | ||
==참고자료== | ==참고자료== | ||
* 〈[https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1163041&cid=40942&categoryId=32359 서스펜션]〉, 《두산백과》 | * 〈[https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1163041&cid=40942&categoryId=32359 서스펜션]〉, 《두산백과》 | ||
| + | * 김재휘 교수, 〈[https://terms.naver.com/list.naver?cid=42331&categoryId=42335 최신자동차공학시리즈 4 - 첨단자동차섀시]〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07 | ||
| + | * 사와타리 쇼지 외 1인, 〈[https://terms.naver.com/list.naver?cid=51390&categoryId=51390 섀시는 이렇게 되어 있다]〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10 | ||
* 〈[https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchReport.do?cn=KAR2010042233 최근 10년간 개발된 현가장치 기술]〉, 《사이언스온》, 2010-06-01 | * 〈[https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchReport.do?cn=KAR2010042233 최근 10년간 개발된 현가장치 기술]〉, 《사이언스온》, 2010-06-01 | ||
* 이슬, 〈[http://tago.kr/story/parts.htm 자동차 부품 이야기]〉, 《타고》, 2020-12-07 | * 이슬, 〈[http://tago.kr/story/parts.htm 자동차 부품 이야기]〉, 《타고》, 2020-12-07 | ||
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| + | * [[액슬]] | ||
| + | * [[타이어]] | ||
| + | * [[스프링]] | ||
| + | * [[쇼크업소버]] | ||
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2021년 11월 16일 (화) 18:26 판
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.
목차
개요
서스펜션은 바퀴를 차체와 연결하는 역할을 한다. 서스펜션은 어떤 충격이 있을 시 차체나 탑승자에게 피해가 가지 않게 충격을 흡수해주는 장치로, 자동차의 승차감 및 안전성에 큰 영향을 주기 때문에 중요한 역할을 한다. 방식은 구조에 따라 스트럿 방식, 위시본 방식, 멀티식 등 여러 가지 방식이 있다. 스트럿(strut) 방식은 대한민국 자동차에 많이 쓰는 방식이며, 엔지니어인 얼 맥퍼슨(Earl MacPherson)의 이름을 따서 맥퍼슨 스트럿이라고 말한다. 구조적으로 간결하며 정비성이 좋아 자주 사용하는 방식 중 하나다. 스트럿 방식은 로워암의 L자 모양의 형태에 하나의 활대가 서스펜션 스트럿을 지지해줘서 간단해 보이는 구조다. 위시본(wishbone) 방식은 조류의 목과 가슴 사이에 있는 뼈 모양을 본따서 V자 모양의 형태를 띠고 있다. 노면에 대해서 거의 수평으로 장착된 상하(어퍼 암, 로워 암) 2개의 암이 업라이트를 사이에 두고 지지하는 구조로 되어 있다. 구조상 강성 확보에 용이하며, 서스펜션이 범프 할 때 캠버 변화를 최소한으로 억제하는 것이 가능하여, 타이어와 노면의 사이의 마찰력 변화가 적은 것이 이점이다. 멀티식 방식은 이런 위시본 방식을 기본으로 개발된 방법 중 하나다. 독립된 몇 개의 암으로 구성되어 모든 암이 물리적으로 떨어져 있으므로 배치의 자유도가 커, 보다 세세한 세팅을 할 수 있다. 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)를 포함하여 여러 자동차 브랜드에 사용되고 있습니다.[1]
구성 요소
스프링
스프링은 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. 현가 스프링, 타이어, 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.[2]
쇼크업소버
쇼크업소버는 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 완충기라면 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.[3]
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(Stroke) 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 더블 위시본 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 더블 위시본식과 스트럿식의 장점을 잘 혼합하여 많은 암과 링크를 복잡하게 배치한 멀티 링크(Multi-link) 서스펜션을 앞뒤에 적용하는 자동차가 많아졌다.[4]
후륜구동
일반적으로 후륜구동 자동차라고 하면 고급세단과 스포츠 타입 자동차만 떠올리게 된다. 뒤 차축에 세미 트레일링 암(Semi-trailing Arm) 형식이 적용된 시기도 있었으나 오늘날에는 더블 위시본(Double Wishbone) 서스펜션이 대부분이며, 멀티링크(Multi-link) 형식도 있다. 오늘날 자동차에 적용되어 있는 서스펜션은 더블 위시본, 스트럿, 멀티 링크 등 3가지 형식이 대부분을 차지하며, 이 외에 전륜구동 자동차의 뒤 차축에 토션 빔(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.[5]
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 코일 스프링(Coil Spring)이 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 더블 위시본이다. 다만 후륜구동 자동차라고 하면 고급세단과 스포츠카 정도만을 떠올리게 되는 현재는 더블 위시본(Double Wishbone) 서스펜션이 주류로, 스트럿 서스펜션의 서스펜션을 적용하는 후륜구동 타입의 자동차는 없으며, 아울러 고성능화를 도모하여 멀티링크(Multi-link) 형식을 적용하고 있는 자동차도 있다.[5]
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 부시(Rubber Bush)를 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 더블 위시본과 멀티 링크 서스펜션은 타이어의 움직임을 컨트롤할 수 있는 구조를 하고 있다.[5]
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.[6]
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 더블 위시본 서스펜션과 멀티 링크 서스펜션을 적용하고 있는 자동차도 있다.[6]
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 토션 빔 서스펜션(Torsion Beam Suspension)이다.[6]
더블 위시본 서스펜션
더블 위시본 서스펜션(Double wishbone suspension)은 어퍼 암이 낮은 위치에 있는 로우 마운트(Low Mount) 타입이 일반적이었으나 이것을 높은 위치로 옮기고 볼 조인트의 간격을 길게 한 하이 마운트(High Mount) 타입이 증가되고 있다. 인디펜던트 서스펜션 중에서 가장 빠르게 보급된 것이 더블 위시본 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 더블 위시본 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 암(Upper Arm)의 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 힌지(Hinge)를 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 더블 위시본 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.[7]
스트럿 서스펜션
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. 더블 위시본 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, 더블 위시본 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.[8]
멀티링크 서스펜션
멀티링크 서스펜션(Multi-link suspension)은 더블 위시본 서스펜션의 삼각형 컨트롤 암을 링크로 분해하는 등 서스펜션의 지오메트리 변화를 활용하여 자동차의 조종 안정성을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 더블 위시본(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 러버 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 더블 위시본 서스펜션에도 컨트롤 암을 삼각형이 아닌 L자형이거나 2개의 링크를 연결하여 컨트롤 암으로 만든 것이 있기 때문에 더블 위시본과 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 더블 위시본 서스펜션처럼 보인다. 그러나 자세히 살펴보면 더블 위시본 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, 더블 위시본 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 더블 위시본 서스펜션에서는 제한을 받는 어퍼 링크의 길이와 스크러브 반경을 자유롭게 설정할 수 있어 자동차의 조종 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 더블 위시본식은 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 더블 위시본 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.[9]
토션 빔 서스펜션
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. 더블 위시본과 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. 토션 빔 서스펜션(Torsion beam suspension)을 적용한 자동차도 있다. 토션 빔 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 러버 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 더블 위시본 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.[10]
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.[11]
각주
- ↑ 이슬, 〈자동차 부품 이야기〉, 《타고》, 2020-12-07
- ↑ 김재휘 교수, 〈스프링 시스템의 기능〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2009-09-07
- ↑ 김재휘 교수, 〈충격흡수기〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2009-09-07
- ↑ 사와타리 쇼지 외 1인, 〈서스펜션의 형식〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 5.0 5.1 5.2 사와타리 쇼지 외 1인, 〈FR 자동차의 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 6.0 6.1 6.2 사와타리 쇼지 외 1인, 〈FF 자동차의 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 사와타리 쇼지 외 1인, 〈더블 위시본 타입 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 사와타리 쇼지 외 1인, 〈스트럿 타입 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 사와타리 쇼지 외 1인, 〈멀티링크 타입 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 사와타리 쇼지 외 1인, 〈토션 빔 타입 리어 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 사와타리 쇼지 외 1인, 〈액티브 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
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
- 이슬, 〈자동차 부품 이야기〉, 《타고》, 2020-12-07
같이 보기
