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코일스프링
코일스프링(coil spring)은 스프링강의 둥근 막대를 감아서 만든 완충기를 말한다. 코일 스프링은 링크 연결 기구나 쇼크업소버를 필요로 하고 구조가 복잡하나 에너지 흡수율이 판스프링보다 크고 유연하여 널리 사용되고 있다.[1]
목차
개요
코일스프링은 가느다란 봉재(棒材)를 식물의 덩굴처럼 감아 만든 스프링이다. 승용차의 서스펜션으로 가장 많이 쓰이는 스프링이다. 스프링의 강도는 주로 두께로 정해지며 굵을수록 딱딱해지고 감는 횟수가 많을수록 부드러워지며 코일의 지름이 클수록 부드러워진다. 스프링의 굵기를 차츰 변화시키거나 코일의 지름을 다르게 하여 하중이나 노면의 충격 정도에 따라 스프링의 강도가 달라지는 유형도 있는데 이를 비선형스프링 또는 프로그레시브 스프링이라 한다. 자동차 서스펜션은 대부분 코일스프링으로 차의 무게를 지지한다. 코일스프링의 모양이 배럴형이나 코니컬이라고 해서 프로그레시브 스프링이라고 착각할 수 있다. 코일스프링은 대부분 리니어 스프링이다. 압축량이 커질 때 스프링이 부분적으로만 바인드가 되는 과정이 있다.[2]
스프링 바인드
스프링 바인드는 스프링이 완전히 눌려 코일 권선끼리 서로 맞닿을 때를 말한다. 리니어 스프링에서는 코일 전체가 동시에 맞닿아서 최대로 눌렸을 때 갑자기 돌덩이가 된다. 프로그레시브 스프링에서는 코일이 점진적으로 바인드되기 때문에 갑자기 돌덩이가 되지 않고 점진적으로 딱딱해진다. 주로 스프링의 피치가 일정하지 않게 만들어 프로그레시브 특성을 만들어낸다. 피치는 코일 간 간격을 의미한다. 코일 간격이 짧을수록 스프링이 말랑하며, 멀수록 단단하다. 코일 간격이 짧은 상단부위가 먼저 바인드된다. 바인드가 된 코일은 돌덩이가 되므로 스프링의 역할을 더 이상 하지 않는다. 스프링의 남은 구간 혼자서 스프링 역할을 하게 되는데 스프링의 길이가 짧을수록 단단해지기 때문에 남은 구간 혼자서 하중을 지지할 때는 단단한 스프링이 되는 것이다. 스프링 바인드를 줄이려면 가변 피치 이외에도 가변 권선두께, 가변 코일직경(원통 외형의 변화), 각기 다른 스프링을 2단 이상 쌓아올리는 등 다양한 방법들이 있다. 하지만 모두 원리는 스프링 일부가 먼저 바인드되고 남은 부분이 스프링 역할을 짊어지는 방식이다.
반응에 의한 분류
리니어 스프링
리니어 스프링(Linear Springs)은 강성(stiffness)이 일정한 선형스프링이다. 하중과 변형을 그래프로 표현하면 직선으로 표현이 된다. 하중과 변형이 정비례하며, 스프링이 많이 눌려있든 적게 눌려있든, 운전자가 느끼는 스프링 특성(차가 단단하다, 무르다)은 똑같다. 조율하기가 쉽고, 스프링의 반응이 일정하기 때문에 튜닝이나 레이싱에 많이 쓰인다.
프로그레시브 스프링
프로그레시브 스프링(Progressive Spring)은 점진적으로 스프링이 변한다는 의미인데, 다른 말로 비선형(non-linear) 스프링이라고도 한다. 스프링이 많이 눌릴수록 더욱 딱딱해지는 특성을 가졌다. 눌리면서 계단식으로 스프링레이트가 변하는 경우도 있고, 연속적으로 변하는 경우도 있다. 이런 특성을 가질 수 있는 이유는 스프링 바인드가 점차적으로 오도록 설계되었기 때문이다. 프로그레시브 스프링을 쓰는 이유는 여러가지 있을 수 있는데, 대체로 평상시 주행의 적은 눌림에는 말랑말랑하게 반응하여 승차감을 좋게 하고, 큰 충격을 받을 때는 스프링이 바인드되지 않고 충격을 흡수할 수 있게 한다. 다른 이유로는 휠의 처짐양(드룹, droop)을 인위적으로 늘려 로드홀딩을 유지하는 용도도 있다. 험로 오프로드 차량은 가능한 한 지면에 네 바퀴가 닿아있어야 하므로 드룹이 최대한 커야한다. 반면에 짧고 단단한 스프링을 쓴 경기차는 드룹이 짧아서 코너링 중에 뒷바퀴 하나가 뜨는 것을 볼 수 있다.[3]
모양에 의한 분류
원통형 코일스프링
원통형 코일스프링은 코일이 원통형으로 감겨 있어 원통형이라 부른다. 스프링의 외곽 형태가 직선형이다. 두꺼운 원형 철사를 봉에다가 억지로 칭칭 감아서 만든다. 코일 직경이 일정하기 때문에 만들기가 쉽고, 스프링이 눌리기 시작하면서 완전히 선들끼리 맞닿을 때까지 스프링강성이 일정하다. 코일 스프링의 강성은 공통적으로 코일 직경(원통 직경)이 클수록 무르고, 선(경)이 두꺼울수록 단단하며, 길이가 길 수록/권수(몇 바퀴 감기었냐)가 많을수록 무르다. 코일 직경과 선경이 일정하므로 원통형 스프링은 강성이 일정한 것이다. 모양이 단순하여 소량 생산하기에 저렴하고 강성이 일정하여 차량 세팅을 맞추기 쉽다. 다만 스프링 바인드(완전 압축, 저번 글 참고)까지 압축량이 적은 편이다. 이런 이유들로 순정 차량보다 단단한 세팅을 요하는 튜닝 서스펜션에 주로 쓰인다. 이런 스프링은 바인드가 자주 되면 서로 접촉면적이 너무 작고 모든 권선이 거의 동시에 부딪히기 때문에 파손되기 쉬운 편이기 때문에 서스펜션 설계를 할 때 항상 댐퍼가 먼저 한계를 치도록 한다.
플랫와이어 스프링(Flat wire spring)은 원통형 코일스프링의 특수한 종류이다. 이 형태의 스프링은 선의 단면이 원형이 아닌 직사각형이며, 스프링 바인드가 자주 일어나는 상황에 쓴다. 선 간 접촉면적이 크기 때문에 힘이 집중되지 않아 파손 가능성이 적다. 이런 이유로 차량을 지탱하는 메인 스프링이 아닌 보조 스프링으로 쓰이는 텐더스프링이나 헬퍼스프링에 쓰인다.
배럴형 스프링
배럴형 스프링(barrel spring)은 외형이 배럴(barrel, 예: 옛날st 맥주 술통)처럼 생겼다고 해서 배럴형 스프링이다. 항아리형이라고도 할 수 있겠다. 양 끝단보다 중앙이 훨씬 뚱뚱하다. 두 가지 이유로 인해 순정 차량에 아주 많이 쓰인다. 기본적으로 반응이 리니어 하지만 상황에 따라 프로그레시브인 경우도 있다. 모양이 원통이 아니기에 약간 더 제조비용이 들긴 하지만 순정 차량용은 어차피 대량생산을 하기 때문에 큰 걸림돌은 아니다. 튜닝용으로도 물론 쓰이기는 한다.
특징
- 스프링 좌굴(buckling) 걱정이 없다. 좌굴이란 길이가 압축되면서 옆으로 확 꺾이는 것을 말한다. 쉽게 말해 뚱뚱한 형상이 홀쭉한 형상보다 좌굴에 강하다. 안에 막대기가 버티고 있는 코일 오버 형태에서 좌굴 걱정은 없으나, 대부분의 순정 후륜 서스펜션처럼 댐퍼와 스프링이 분리형일 때, 게다가 스프링이 일직선으로 압축되는 것이 아니라 가위 사이에 누르듯이 곡선을 그리며 압축될 때 길쭉하고 홀쭉한 원통형 스프링은 충분히 좌굴의 위험을 갖는다.
- 배럴형 스프링은 매우 납작하게까지 압축시킬 수 있다. 원통형 스프링과 다르게 양 끝단의 권선 폭이 더 좁으므로 중앙 쪽의 권선 속으로 숨어들어갈 수 있다. 말랑말랑하면서 서스펜션 스트로크(움직임)이 굉장히 큰 순정 차량에 딱 적합한 이유이다.
코니컬 스프링
코니컬 스프링(conical spring)은 꼬깔콘/원뿔 (cone, conical) 모양의 외형을 가졌다. 원칙적으로 특성은 원통형과 배럴형의 중간이다. 원통형 대비 좌굴에 조금 더 강하고 압축량이 약간 더 크다. 차량용으로 쓰이는 코니컬 스프링은 콘 경사가 크지 않아서 사실 원통형에 가깝다고 보면 된다. 스프링을 위아래에서 잡아주는 스프링 시트 크기가 어쩔 수 없이 달라서 쓰일 수도 있다. 순정 차량은 거의 배럴형이므로 코니컬 스프링도 원통형처럼 튜닝 서스펜션에서 종종 볼 수 있다. 역시 반응은 기본적으로는 리니어 하다.[4]
동영상
각주
- ↑ 〈코일 스프링(자동차 용어사전)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈코일스프링(두산백과)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 찰스, 〈리니어와 프로그레시브 스프링이란?〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-10
- ↑ 찰스, 〈차량용 스프링의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2019-06-20
참고자료
- 〈코일 스프링(자동차 용어사전)〉, 《네이버 지식백과》
- 〈코일스프링(두산백과)〉, 《네이버 지식백과》
- 찰스, 〈리니어와 프로그레시브 스프링이란?〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-10
- 찰스, 〈차량용 스프링의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2019-06-20
같이 보기
