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서스펜션
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. 차축식과 독립 현가장치로 대별되고, 또한 스프링의 조율에 따라 기계 스프링식, 유체 스프링식(공기식, 유압·공기식) 등으로 분류된다.
목차
개요
자동차의 서스펜션은 자동차가 도로에서 주행하는 과정에 노면에서 발생하는 충격이 차체나 탑승자에게 직접적으로 전해지지 않게 충격을 흡수하고 타이어를 확실하게 접지시킨다. 서스펜션은 자동차의 승차감 및 안전성에 큰 영향을 주기 때문에 중요한 역할을 한다.
서스펜션은 구조에 따라 여러 방식으로 나눈다. 가장 일반적인 것은 스트럿 방식이고 그밖에 더블 위시본 방식, 멀티식 따위가 있다. 보통 금속판과 쇼크업소버로 충격을 흡수한다. 쇼크업소버는 흡수 특성을 전자적으로 제어하는 '전자제어 서스펜션'이 개발되어 쓰이고 있고, 금속판 대신 공기판을 이용하는 '전자제어 에어서스펜션'도 쓰인다. 또 판과 쇼크업소버 대신 응답성이 뛰어난 유압 시스템을 채용하고, 컴퓨터로 주행 상태에 맞게 차체의 진동을 제어함으로써 주행 안정성과 조종 안정성을 꾀하는 '액티브 서스펜션'도 있다.
휠 서스펜션
휠 서스펜션은 휠과 차체를 연결한다. 이들은 큰 정적 하중(부하)을 감당해야 하고 동시에 동적으로 작용하는 여러 가지 힘들(구동력, 제동력, 측력)을 흡수할 수 있어야 한다. 휠 서스펜션은 주행 중 기하학적인 변화가 적어 또는 원하는 방향으로 변화하여, 높은 주행안전성과 안락성을 확보하고 동시에 타이어의 마멸을 최소화할 수 있도록 설계되어야 한다. 주로 많이 사용하는 현가방식으로는 일체차축(rigid axle), 세미-일체차축(semi-rigid axle) 및 독립현가(independent suspension) 방식이 있다.[1]
일체차축 서스펜션
일체 차축(rigid axle)에서 좌/우 차륜은 하나의 강체 축 양단에 설치된다. 그리고 차축은 스프링을 사이에 두고 차대에 설치된다. 따라서 일체 차축에서는 휠이 튀어 오르는(bouncing) 경우에도 토(toe)값과 캐스터(caster)값의 변화가 없다. 그러나 한쪽 차륜만이 장애물을 넘어갈 때는 차축이 경사되므로 캠버(camber)값이 변한다.[2]
일체식 구동차축
일체식 구동차축에서 액슬 하우징(axle housing)은 종감속/차동장치 하우징 및 구동축의 하우징으로 기능한다. 따라서 스프링 아래질량(unsprung mass)이 비교적 크다.
- 밴조 액슬(banjo axle) : 종감속/차동장치 하우징의 양단에 강관의 구동축 하우징을 용접한 형식, 그리고 종감속/차동장치 하우징과 구동축 하우징을 일체로 주조한 형식이 있다. 대형 상용자동차에서는 일체식 차축에 판 스프링을 이용한 가장 간단한 현가방식을 사용한다. 판 스프링은 스프링 요소와 현가요소로서 기능한다. 그러나 경자동차에서 일체식 차축에 토션-바(torsion bar)스프링, 코일 스프링 또는 공기 스프링을 이용할 경우에는 토크-암(torque arm)(＝트레일링 암 또는 현가 암)을 통해 차륜의 구동력을, 그리고 트랜스버스 빔(transverse beam)(예 : 피나아르롯드(Panhard rod))을 통해 측력을 차체에 전달하게 된다. 다수의 트레일링 암을 사용하여 다이브(dive)현상 및 스쿼트(squat)현상을 감소시킬 수 있다.
- 드 디옹 액슬(De Dion axle) : 이 형식은 구동차축의 스프링 아래질량이 커지는 것을 피하기 위하여 종감속/차동장치를 구동축으로부터 분리하여 차체에 고정한다. 구동력은 차동장치로부터 등속자재이음, 구동축, 슬립 조인트(slip joint)가 부가된 등속자재이음을 거쳐 구동차륜에 전달된다. 후차축의 측력은 일체 차축(rigid axle)의 중앙부에 설치된 2개의 트랜스버스(transverse)암에 의해 이루어지는 데, 이 트랜스버스 암은 선회할 때 차륜을 노면에 대해 수직으로 유지하는 역할도 한다.[2]
일체식 조향차축
일체식 조향차축은 주로 대형 상용자동차나 버스 등에 이용된다. 차축은 T형 단면의 단조품이 대부분이며, 조향 너클(steering knuckle)이 설치되는 양단은 요크(yoke) 형상이거나 또는 요크를 설치할 수 있는 구조로 되어 있다. 차축의 양단에 요크를 설치할 수 있도록 되어있는 형식을 역 엘리오트 액슬(reversed Elliot axle 또는 stub axle), 그리고 차축의 양단이 요크 형으로 제작된 형식을 엘리오트 액슬(Elliot axle 또는 fork axle)이라고 한다. 오늘날은 주로 역 엘리오트 액슬을 많이 사용한다. 일체식 조향차축에서는 좌/우 차륜이 각각 독립적으로 운동할 수 없기 때문에 1개의 일체식 타이롯드(tie-rod)를 사용한다. 그리고 앞차축도 구동차축으로 할 경우에는 종감속/차동장치를 앞차축에도 설치한다. 일체식 조향차축의 현가방식은 대부분 판 스프링 방식이다.[2]
세미
세미-일체차축에서 차륜은 각각 액슬 서포트(support)에 의해 서로 하나의 일체차축에 설치된다. 액슬 서포트가 탄성을 가지고 있기 때문에 차륜들은 각각 제한된 범위 안에서 독립적으로 운동할 수 있다. FF-구동방식의 차량에서 후차축으로 사용할 경우에는 스프링 아래 질량을 가볍게 제작할 수 있다. 세미-일체차축은 양쪽 차륜이 동시에 눌릴 때는 일체차축처럼 작동하고, 양쪽 차륜이 서로 다른 시점에 눌릴 때는 독립현가방식처럼 작동한다.
- 토션-빔 형식(torsion beam suspension : Verbundlenkerachse) : 스프링 강을 소재로 한 U자형 크로스멤버(cross member)의 양단에 트레일링 암을 일체로 용접한 형식이다. 후륜은 트레일링 암에 설치된다. 그리고 토션-빔은 고무/금속 부싱을 사이에 두고 차체에 볼트로 체결된다. 좌/우 차륜이 동시에 파상(波狀)의 노면을 주행할 때는 차축 전체가 설치부싱을 회전점으로 요동한다. 그러나 한쪽 바퀴만 스프링작용을 할 경우엔 토션-빔은 비틀림작용을 하여, 스태빌라이저와 같은 기능도 한다. 스프링작용을 할 때는 토션-빔이 기울어져 토(toe)와 캠버(camber)가 변화하지만 변화량은 그리 크지 않다.
- 트레일링 암 형식(trailing arm : Verbundlenkerachse) : 트레일링 암과 스프링 강을 소재로 한 크로스 멤버(cross member)를 일체로 용접한 형식이다. 후륜은 트레일링 암에 설치된다. 크로스 멤버는 고무부싱을 사이에 두고 차체에 볼트조립된다. 좌/우 차륜이 동시에 파상의 노면을 주행할 때는 차축 전체가 설치부싱을 회전점으로 요동한다. 그러나 한쪽 바퀴만 스프링작용을 할 경우엔 크로스멤버는 비틀림작용을 하여, 스태빌라이저와 같은 기능도 한다.[2]
독립 서스펜션
독립 서스펜션에서는 스프링 아래질량을 가볍게 할 수 있다. 그리고 한쪽 차륜의 상하 진동이 반대편 차륜에 영향을 미치지 않는다. 앞바퀴용 독립 서스펜션으로는 위시본(Wishbone)식, 맥퍼슨(Mcpherson)식 및 맥퍼슨식의 변형이, 그리고 뒷바퀴용 독립 서스펜션으로는 트레일링 암(trailing arm), 세미 트레일링 암(semi-trailing arm) 및 멀티-링크 암(multi-link arm) 형식이 대부분이다.[3]
위시본
위시본(Wishbone) 형식의 상/하 컨트롤 암(upper-and lower control arm)은 주행방향에 대한 강성을 증가시키기 위해서 대부분 삼각형으로 제작한다. 삼각형의 정점에 해당되는 부분은 볼 조인트(ball joint)를 매개로 조향 너클(steering knuckle)과 연결되고, 삼각형의 밑변 양단에 해당하는 부분은 각각 부싱을 사이에 두고 차체 또는 차대에 고정된다. 또 상/하 컨트롤 암 사이에는 코일 스프링이 설치된다. 상/하 컨트롤 암의 길이에 따라 평행사변형식과 SLA식으로 분류한다. 주로 FR-구동방식의 대형 승용자동차 및 소형승합차 등의 앞 피동차축 서스펜션으로 많이 사용한다.
- 평행사변형식(parallelogram type) : 위 컨트롤 암과 아래 컨트롤 암의 길이가 같다. 차륜이 상/하로 진동할 때 캠버는 변화하지 않으나, 토(toe)는 약간 변화한다.
- SLA 형식(short/long arm type) : 위 컨트롤 암의 길이가 아래 컨트롤 암의 길이 보다 더 짧다. 차륜이 상/하로 진동할 때는 캠버와 토(toe), 모두 약간씩 변화한다. SLA 형식에서는 순간중심의 위치에 따라서 캠버가 변하는 방향이 결정된다. 안전상의 이유 때문에 순간중심이 안쪽에 위치하여 (－)캠버 특성을 나타내는 형식을 주로 이용한다. 이 경우에 타이어의 접지면 안쪽이 더 많이 마모되는 현상이 발생할 수 있다.[3]
맥퍼슨스트럿/댐퍼스트럿
- 맥퍼슨 스트럿(Mcpherson strut : Mcpherson-Achse) : 위시본식의 위 컨트롤 암이 조향 너클에 고정된 충격흡수기의 튜브로 대체된 형식이다. 충격흡수기의 플런저롯드는 탄성체의 마운트에 의해 차체에 설치된다. 또 마운트와 스트럿의 스프링 시트 사이에는 코일 스프링이 설치되어 있다. 맥퍼슨 스트럿은 제동력, 가속력, 선회력 등 차체에 작용하는 큰 외력들을 흡수해야 한다. 따라서 충격흡수기의 플런저롯드와 플런저 실린더는 충분한 강성을 가지고 있어야 한다. 또 충격흡수기 플런저롯드의 상단을 차체에 고정하는 마운트(고무 부싱)는 축방향의 큰 힘을 흡수해야 하며, 조향차축일 경우에는 비틀림각이 아주 커야한다. 이러한 이유에서 마운트가 설치되는 위치의 차체(휠 하우스) 영역은 보강한다. 맥퍼슨식 서스펜션의 장점으로는 구조가 간단하고 부품수가 적기 때문에 경제적이고, 설치공간을 적게 차지하므로 기관실의 유효 공간체적을 크게 할 수 있다는 점 등이다. 이와 같은 이유에서 FF-구동방식의 앞바퀴 서스펜션으로도 많이 이용되고 있다. 그러나 맥퍼슨식은 충격흡수기에서 발생하는 마찰력이 크고, 설치높이가 높고, 측력에 대한 저항력이 약하기 때문에 조향안정성에 영향을 미친다는 결점이 있다. 그리고 통상적으로 안티-다이브 작용(anti-dive action)도 제한된다.
- 댐퍼 스트럿트(damper strut) : 맥퍼슨 스트럿과 비교할 때 코일 스프링이 충격흡수기와는 별도로 설치된다. 맥퍼슨 스트럿에 비해, 기관실의 공간체적을 크게 할 수 있고, 설치높이도 낮게 할 수 있다. 그리고 안티-다이브 작용은 약 20% 정도이다. 다른 특성들은 맥퍼슨 스트럿과 같다.[3]
트레일링 암
트레일링 암(wheel suspension on trailing arm) 형식은 적재함 바닥의 높이를 크게 낮출 수 있기 때문에 특히 앞바퀴 구동방식에서 후륜 서스펜션으로서 아주 적합하다. 트레일링 암의 힌지-핀(hinge-pin)이 수평으로 가로로 설치될 경우에는, 차륜이 상/하로 진동할 때 윤거(track), 토(toe) 및 캠버(camber)가 변화하지 않는다. 서브-프레임에 설치된 트레일링 암은 진동과 소음을 차체로부터 보다 더 멀리 격리하기위해, 트레일링 암을 직접 차체에 고정하지 않고, 서브-프레임(sub-frame)에 고정한 방식이다. 서브-프레임은 수평 튜브에 연결된 2개의 리테이너 암(retainer arm)으로 구성되어 있다. 서브-프레임은 4개의 고무부싱에 의해 차체에 볼트로 체결되어 있다. 앞쪽 고무 부싱은 유압식 부싱이다. 2개의 트레일링 암은 테이퍼 롤러 베어링을 매개로 서브-프레임에 설치된다. 커브를 선회할 때 발생하는 측력에 의한 토(toe)의 변화를 최소화하기 위해, 트레일링 암에 텐션-바(tension bar)를 용접하였다. 따라서 트레일링 암과 텐션-바가 4각형 링키지를 형성한다.[3]
세미 트레일링 암
세미 트레일링 암(semi-trailing arm : Schräglenker)은 3각형의 암(arm)으로서, 설치 부싱과의 체결각도는 위에서 보았을 때 차체의 가로축에 대해 약 α＝10~20° 정도이다. 그리고 차체의 뒤에서 보았을 때는, 차체와의 수평면에 대해서 거의 수평이거나 차체의 중앙 쪽으로 약간 기울어져 설치되어 있다. 따라서 토(toe)나 캠버는 세미-트레일링 암의 기울기나 설치위치에 따라 변화한다. 각 α와 각 β를 크게 하면, 스프링이 압축될 경우에 부(－)의 캠버 특성이 나타난다. 이 특성은 커브를 주행할 때 선회력(cornering force)을 증대시키는 효과가 있다. 구동차축에 이 형식을 이용하기 위해서는 구동축은 2개의 자재이음과 1개의 슬립이음을 필요로 한다.[3]
멀티링크 액슬
기존의 모든 서스펜션들은 차체, 서브-프레임 또는 휠 캐리어에 탄성적으로 설치되어 있기 때문에 주행하는 동안에 원하지 않은 조향운동을 유발하게 된다. 따라서 차륜에 외력이 작용하면 차륜은 주행방향으로부터 일정한 각도만큼 토-인(toe-in) 또는 토-아웃(toe-out) 방향으로 조향된다. 이와 같은 이유 때문에, 예를 들면 옆바람의 영향을 받을 경우에, 자동차는 원래의 궤적으로부터 크게 이탈하게 된다.
- 멀티-링크 액슬(후륜용) : 이 형식은 독립 서스펜션의 탄성 조향 오류(elastic steering errors)의 보상을 목표로 한다. 탄성 조향 오류란 예를 들면 하나의 차륜에 2개의 링크를 탄성적으로 연결하였을 경우에, 구동력이 작용하는 뒤쪽의 링크에서는 인장현상이 발생하고, 그 반대편인 앞쪽 링크에서는 압축현상이 발생되어 원하지 않은 조향각이 발생하는 현상을 말한다. 멀티 링크 액슬은 스태빌라이저를 포함한 트윈-컨트롤-암(twin-control-arm)으로부터 개발되었다. 1개의 차륜에 다수의 링크(link)가 설치된 형식으로서 후륜용 서스펜션으로 사용된다. 링크(link)는 각각 고무부싱을 사이에 두고 차대(또는 차체)에 설치되며, 인장력과 압축력을 받는다. 링크의 길이, 위치, 방향 등을 종합적으로 고려하여, 가로방향의 힘이나 세로방향의 힘에 의한 차륜의 고유조향특성이나, 캠버, 축거, 윤거 등의 변화를 최소화한다. 링크들의 중심을 지나는 직선들의 교점이 차륜 중심 평면의 바깥쪽에 위치한다. 따라서 구동력에 의해서는 차륜은 바깥쪽으로 조향되고(M2), 탄성조향 오류에 의해서는 안쪽으로 조향되게 된다.
- 멀티-링크 액슬의 운동 : 주행거동에 결정적인 영향을 미치는 요소는 주로 토(toe)와 캠버의 변화이다. 이유는 이들에 의해 자동차의 고유조향특성이 결정되기 때문이다. 울퉁불퉁한 도로에서 토(toe) 각이 변했다면, 횡력이 발생하고, 이 횡력은 직진성에 부정적인 영향을 미치게 된다. 멀티-링크가 상/하 운동을 반복할 경우에 토(toe) 값의 변화는 거의 제로(0)다. 큰 횡력이 발생되는 것을 방지하기 위해서는, 곡선의 중심영역(직진 주행)에서 캠버의 변화가 가능한 한 적어야 한다. 커브를 선회할 때는 링크가 아래로 내려눌려 부(－)의 캠버가 됨을 알 수 있다. 부(－)의 캠버는 차륜의 커브 선회능력을 개선시킨다.
- 롤 센터(roll center) : 스프링을 통해 서스펜션과 연결된 차체가 횡력에 의해 기울어질 때의 중심점으로서 자동차의 앞에서 보았을 때 자동차의 x축 선상에 위치한다. 여기서 순간중심이란 이 롤-센터가 그 순간에만 그 위치에 존재한다는 것을 의미한다. 즉 롤-센터는 언제나 x축 선상에 존재하지만 서스펜션의 운동에 의해 시시각각으로 수직(z축)방향으로의 위치(높이)는 바뀐다. 롤-센터의 위치가 높으면 높을수록, 자동차의 무게중심과의 거리는 가까워진다. 즉, 원심력이 작용하는 레버 암이 짧아져 측면으로 기우는 경향성이 감소되지만, 토(toe) 값의 변화가 커서 직진 안정성은 저해된다. 앞/뒤 차축의 롤-센터를 연결한 직선을 롤-축(roll axle)이라고 한다. 무게중심과 롤-축과의 간격이 차체의 횡방향 기울기의 크기를 결정한다.[3]
에어 서스펜션
에어 서스펜션은 기계·제조 분야에 속하는 기술로, 주행 중 차량의 충격 자극을 완화하도록 설계된 장치이다. 에어스프링, 쇼크업소버, 공기압축기, 전자제어유닛(ECU), 공기저장기, 솔레노이드 밸브, 하이트 센서, 압력센서 등의 구성요소를 포함한다. 자동차 에어 서스펜션은 센서와 제어 유닛을 이용해 충격 흡수를 조정하는 첨단 시스템으로, 스트럿 기반 리프 스프링 서스펜션과 비교하여 탁월한 충격 흡수 기능을 제공한다.[4]
각주
- ↑ 김재휘, 〈최신자동차공학시리즈 4 - 첨단자동차섀시 - 휠 현가장치〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 김재휘, 〈최신자동차공학시리즈 4 - 첨단자동차섀시 - 일체 차축의 현가장치〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 김재휘, 〈최신자동차공학시리즈 4 - 첨단자동차섀시 - 독립현가장치〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
- ↑ 〈에어 서스펜션 시장 (출처: Marketsandmarkets, Air Suspension Market, 2019)〉, 《연구개발특구진흥재단》, 2020-03-17
참고자료
- 〈서스펜션〉, 《두산백과》
- 〈최근 10년간 개발된 현가장치 기술〉, 《사이언스온》, 2010-06-01
- 이슬, 〈자동차 부품 이야기〉, 《타고》, 2020-12-07
- Kartik Rangam, "Automobile Suspension (Car Suspension) Explained", GoMechanic, 2020-03-31
- "Car suspension", Wikipedia
- "Automotive Suspension Systems", CED Engineering
같이 보기
