스프링 (부품)

스프링(spring)

스프링(spring)은 물체의 탄성변형을 이용해서 에너지를 흡수·축적시켜 완충 등의 작용을 하게 하는 기계요소이다. 용수철이라고도 한다. 저울, 소파, 안전밸브, 자동차 등 매우 광범위하게 이용된다. 자동차에서는 차량의 노면으로부터 받는 충격을 완화해 주는 현가장치로, 차체의 고장을 방지하고 승차감을 향상시키는 효과가 있다.

개요

서스펜션의 주요 기능은 엔진의 구동력을 노면에 전달하기 위해 차축과 차체를 연결하여 타이어의 위치를 결정해 노면에 바른 자세로 밀착시키고 노면에서 발생되는 진동을 완화하는 것이다. 하지만 실제로 이러한 역할을 하는 것은 서스펜션에 장착되어 있는 스프링이다. 스프링은 힘을 가하면 변하고 힘을 제거하면 원형으로 되돌아가는 탄성을 지닌 기계장치이다. 서스펜션용 스프링은 충격을 흡수하고 선회 때 균형을 유지해 주면서 쇼크업소버와 함께 차량의 주행성능과 승차감을 좌우한다. 충격을 흡수하기 위해 설치되어 있는 자동차 스프링은 자전거처럼 자동차 바퀴와 차체 사이에 고정되어 있다. 고속 주행 시 노면에 설치된 요철이나 고르지 못한 노면상태의 충격으로 인해 타이어가 공중에서 잠시 떠 있는 상황에서는 그립력을 잃게 된다. 이때 노면으로부터 오는 충격은 차체를 타고 그대로 운전자나 승객에게 전달돼 승차감을 현저하게 떨어뜨리고, 차에 전달되는 충력에너지로 인해 차의 노화현상이 빨리 오게 된다. 따라서 요철이나 패인 노면에서 타이어가 계속 노면에 접지될 수 있게 스프링을 사용하는 것이다. 차량에 설치되는 스프링은 차량의 무게를 지탱하기에 충분한 반발력을 필요로 하고 있다.

기능

스프링의 주요 기능은 세 가지가 있다. 첫 번째는 승차감을 향상시키는 것이다. 노면으로부터의 충격은 승객에게 불쾌감을 주며 멀미 등의 부작용을 발생시킬 수 있다. 또 부서지기 쉬운 화물은 파손되고, 자동차의 각 부분에는 과도한 부하가 걸리게 된다. 스프링은 노면으로부터의 충격을 흡수하여 진동으로 변환시키는 역할을 한다. 두 번째는 주행안정성이 높아진다는 것이다. 요철이 아주 심한 노면을 주행할 때 차륜은 순간적으로 노면과 접촉하지 못하고, 노면으로부터 분리되는 현상이 발생할 수도 있다. 과거에는 자동차가 속도를 줄이지 않은 채로 과속 방지턱을 넘으면 붕 뜨는 동시에 차체는 올라가고 바퀴가 먼저 착지한 후 차체가 바퀴 위로 쿵 떨어지는 상황이 발생했다. 이렇듯 스프링이 없으면 차륜이 공중에 떠있는 동안에는 구동력, 제동력 및 횡력을 노면에 전달할 수 없다. 마지막으로 스프링을 통해 선회 능력을 높일 수 있다. 커브를 고속으로 선회할 때는 특히 커브 안쪽 바퀴와 노면 간의 접지성이 불량해져, 커브 안쪽 바퀴의 선회력이 감소한다. 스프링은 충격흡수기, 스태빌라이저(stabilizer) 등과 함께 노면과 차륜 간의 접촉이 계속 유지되도록 할 수 있어야 한다. 스프링은 현가장치와 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 승객에게만 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 작용을 해야 한다. 가로 스프링 기능의 일부는 타이어에 의해서, 나머지는 현가요소를 고정하거나 지지하는 고무 부싱들에 의해서 수행된다. 한편 스프링이 제 기능을 하기 위한 필요조건이 있다. 먼저 스프링은 가벼워야 한다. 스프링 중량의 절반은 스프링 아래 중량으로 취급한다. 또한 설치공간을 적게 차지해야 하며 정비할 필요가 없어야 한다는 것도 스프링 시스템의 필요조건이다. 적차 또는 공차상태를 막론하고 가능한 한 차체의 고유진동수가 같도록 기능해야 하며 차체의 최저 지상고는 가능한 한 변화가 적어야 한다는 것도 스프링 시스템을 위한 필요조건이다.

작용

진동

같은 시간간격을 두고 같은 운동을 반복하는 운동을 주기운동 또는 조화운동이라고 하고, 주기운동에서 입자 또는 물체가 동일경로를 앞/뒤로 또는 상/하로 반복 운동하는 것을 진동이라 한다. 진동운동의 대표적인 예로는, 시계추, 용수철에 매달린 물체, 음파가 지나갈 때의 공기분자 등이다. 차륜이 장애물을 지나갈 때, 차륜은 물론이고 차체도 진동한다. 차륜이 위쪽으로 운동할 때, 스프링은 차체와 차륜 사이에서 눌려지게 된다. 그러면 눌려진 스프링의 잠재에너지(potential energy)에 의해 차체는 수직방향으로 상향 및 가속된다. 차체는 스프링이 늘어날 때 생성되는 스프링의 잠재에너지에 의해 다시 감속되어 위 사점(dead point)에 도달한다. 이제 차체는 자신의 무게에 의해 다시 수직 아래 방향으로 가속되어 초기위치보다 더 아래로 내려간다. 이때 스프링은 다시 눌려지면서 잠재에너지를 생성한다. 스프링이 눌려질 때 생성된 잠재에너지는 다시 차체를 감속시켜 아래 사점(dead point)에 도달하게 한다. 이 과정에서 위 사점(dead point)과 아래 사점 사이를 진폭(ℓ)이라 한다. 이 운동과정은 운동에너지가 공기와 스프링 간의 마찰에 의해 모두 열에너지로 변환될 때까지 계속 반복된다.

발생 요소

• 공진 : 차체가 강제 진동의 리듬과 충돌하면, 진동은 증폭된다. 이때 강제 진동수가 계의 고유진동수와 일치하면 진폭은 무한대가 된다. 이를 공진이라 한다. 진동은 기진력에 의해서 증폭된다. 예를 들면 자동차가 요철 노면을 주행할 때, 요철이 일정한 간격으로 계속, 반복되면 공진이 발생한다.
• 주파수 : 진동의 사이클을 주기라 하고, 1초당 진동수를 주파수라 한다. 주파수는 진동하는 물체의 무게와 스프링의 특성에 의해서 결정된다. 주파수 f의 단위는 1초당 주기수(1/s), 또는 헤르츠(Hz)로 표시한다. 물체의 무게가 무겁고 스프링이 약하면, 주파수는 적고 진폭은 크며 물체의 무게가 가볍고 스프링이 강하면, 주파수는 많고 진폭은 작다.
• 스프링 상수 : 스프링 상수와 자동차 중량은 승차감과 스프링작용에 영향을 미친다. 자동차 중량과 사용된 스프링 시스템의 스프링 상수에 의해 차체의 진동주파수가 결정된다. 아주 강한 스프링 시스템이나 아주 약한 스프링 시스템도 조화를 이루는 감쇠작용에 의해 승차감이 좋은 스프링 시스템으로 변환시킬 수 있다.
• 중량 : 자동차의 중량을 스프링 위 중량과 스프링 아래 중량으로 나눈다. 스프링 위 중량은 스프링의 위쪽에 위치한 부분 즉, 차체와 차체에 적재된 부하의 중량을 말한다. 스프링 아래 중량은 스프링 아래에 위치한 휠과 타이어, 브레이크 드럼(디스크), 현가장치 일부의 중량을 말한다. 이들 두 중량 그룹은 스프링에 의해 서로 연결되며, 각각 독립적으로 서로 다른 주파수 영역에서 진동하면서도, 결과적으로는 서로에게 반작용을 미친다. 두 중량 그룹 사이에 충격흡수기를 설치하면, 진폭은 작아지고, 진동은 급속히 감쇠, 소멸된다.

운동과정

자동차가 파상의 노면을 고속으로 주행할 때, 차체는 자신의 큰 중량에서 발생하는 관성 때문에 처음에는 초기 높이를 그대로 유지한다. 그러나 차륜은 차체에 비해 중량이 가볍기 때문에 이때 아주 급속히 위쪽으로 가속된다. 따라서 스프링은 차체와 차륜 사이에서 눌려지게 된다. 결과적으로 차체에는 스프링의 변형에 해당하는 아주 작은 힘이 작용하게 된다. 차륜이 파상의 정점을 지난 다음, 또는 움푹한 부분에 진입할 때는 앞에서와는 반대로 차체중량에 의해 눌려져 생성된 스프링의 초기장력에 의해 차륜은 아래 방향으로 가속된다. 차체에는 노면의 요철에 대응하여 스프링이 방출한 에너지에 해당하는 힘이 작용한다. 실제로 차체는 초기높이를 그대로 유지하고, 차륜은 노면과의 접촉상태를 계속 유지한다. 이 현상은 차륜에 의해 생성된 힘이 스프링의 초기장력보다 작을 때만 가능하다. 차륜에 의해 생성된 힘이 크면 클수록, 차륜은 더 높이 튀어 오르게 된다. 이렇게 되면 차체에 대한 반작용도 더욱 더 강력해진다. 이때 스프링의 초기장력이 차륜을 급속하게 하향 운동시킬 만큼 충분하지 못하면, 차륜은 순간적으로 노면으로부터 분리되어, 구동력을 전달할 수 없게 된다. 따라서 스프링 아래 중량은 가능한 한 가벼워야 한다.

롤링 및 피칭

엔지니어들은 모든 자동차에 가능하면 유연한 스프링 시스템을 사용하려고 노력한다. 그러나 유연한 스프링 시스템의 경우, 적재하중에 의해 자동차 중량이 조금만 달라져도 스프링의 변형량이 커진다. 즉, 스프링이 압착된다. 스프링의 변형량이 크면 특히, 화물차와 같이 중량변화가 심한 자동차에서는 문제가 된다. 스프링 상수가 일정한 선형 스프링을 사용하면, 스프링의 변형량은 부하된 하중에 비례한다. 스프링 상수가 2차 곡선으로 나타나는 비선형 스프링은 하중이 증가해도 스프링의 변형량은 크게 변화하지 않는다. 그러나 차대 높이 또는 차고를 일정하게 유지하기 위해서는 차고제어 시스템을 장착해야 한다. 자동차 스프링이 변형될 때 발생하는 또 하나의 불만족스러운 현상은 옆방향으로 작용하는 힘에 의해 차체가 기울어지는 롤링 현상이 발생한다는 점이다. 커브를 선회할 때가 이에 해당된다. 이때는 원심력에 의해 차체가 커브 바깥쪽으로 기울어지게 된다. 롤링은 스태빌라이저를 장착하고 차량의 중심을 낮게 하여 최소화시킨다. 급발진할 때, 또는 급가속할 때는 구동력에 의해 차체의 앞부분은 들리고 뒷부분은 낮아지는 스쿼트(squat) 현상이 발생한다. 반대로 제동할 때는 제동력에 의해 차체의 앞부분이 낮아지고 뒷부분이 들리는 다이브(dive) 또는 노즈-다운(nose down) 현상이 발생한다. 스쿼트와 다이브가 교대적으로 반복되는 현상을 피칭(pitching)이라 한다.

차체 진동수

차체 진동수는 차륜을 지지하고 있는 스프링의 특성에 대한 자료를 제공한다. 차체진동수는 차축별로 구할 수 있다. 차체의 앞부분 또는 뒷부분을 계속 몇 번 눌렀다 놓아, 차체가 진동하도록 하여 측정한다. 차체 진동수는 분당 진동수로 표시한다. 충격흡수기는 진동수에는 영향을 미치지 않는다. 다만 진폭을 작게 할 뿐이다. 그러나 차체의 무게가 무거우면 무거울수록 즉, 적재부하가 증가하면 증가할수록 진동수는 감소한다. 차체 진동수가 분당 60(＝1Hz) 이하이면, 아주 유연한 섀시스프링 시스템이라고 말할 수 있다. 그러나 이 진동수에서는 대부분의 사람들은 멀미를 느끼게 된다. 강한 감쇠작용으로 스프링의 완전진동을 방지하는 이유는 멀미를 방지하기 위해서이다. 진동수가 분당 90(＝1.5Hz) 정도의 강한 스프링은 척추에 충격을 가하므로, 상황에 따라서는 차량에 짐을 많이 적재할 필요가 있다. 적당히 조화를 이루는 감쇠작용을 이용하여 승차감이 좋은 스프링을 만들 수 있다. 소형차는 최대 적재하중과 공차중량 간의 불합리한 관계 때문에 적당한 승차감을 느끼도록 하기 위해 분당 진동수 100 이상이 강한 스프링을 사용하는 경향이 있다. 낮은 진동수는 대형이면서도 무거운 자동차에서 가장 쉽게 얻을 수 있다. 한편 차체 진동수는 배기량 1600cc 이상의 승용차는 대략 1분당 70 이하, 배기량 1600cc 이하의 승용차는 1분당 약 85~95 정도가 대부분이다.

종류

강 스프링

코일 스프링

코일 스프링(coil spring)

코일 스프링(coil Spring)은 스프링 강으로 된 봉을 코일처럼 나선형으로 감아 만든 스프링이다. 이를 압축했을 때의 반발력을 이용하여 스프링으로서의 역할을 하게 한다. 코일 스프링이 어떠한 형태로 작동되는가를 잘 살펴보면 압축이 될 때마다 코일이 비틀리는 것을 알 수 있다. 이 봉이 비틀려 있을 때 원래의 형태로 되돌아오려고 하는 탄성을 스프링으로서 이용하는 것이다. 코일 스프링의 스프링 정수는 봉 외경의 4제곱에 비례하고, 감는 수와 코일 지름의 3제곱에 반비례하여 커진다. 따라서 장착되어 있는 부분의 공간에 맞추어 외경, 권수, 코일의 지름 3가지를 적절하게 선정하면 비교적 간단하게 설계할 수 있다는 것이 장점이다. 또한 가볍고 설치 공간을 적게 차지하여 지금까지 사용되어 온 판 스프링을 대신하여 거의 대부분의 승용차에 널리 채택되고 있다. 그러나 소재인 강봉의 지름이 같고 스프링 피치가 같을 경우에는 변형특성이 직선적이며 진동감쇠작용을 하지 못하고, 측력에 대한 저항력도 없다. 따라서 소재인 강봉의 지름을 양단에서는 작게 하고 중간부분에서는 크게 한다든가, 부등피치로 한다든가, 또는 코일의 지름을 다르게 하는 방법으로 비선형 특성을 나타내도록 한다. 코일스프링은 차륜에 작용하는 힘을 전달할 수 없어 코일 스프링을 사용하는 현가 시스템에서는 맥퍼슨 스트럿(mcpherson strut), 트레일링 암(trailing arm) 또는 트랜스버스 암(transverse arm) 등을 함께 사용한다. 한편 스프링 정수를 크게 하여 코너링 시 자동차의 롤(roll)을 감소시키기 위해 튠업(tune-up)을 원하는 사람들을 위해 스포츠 키트(sports kit)로서 많은 스프링이 판매되고 있는데, 이 때 문제가 되는 것이 바로 차고이다. 동일한 치수의 딱딱한 스프링을 장착하면, 당연하지만 변형이 작아져 차고가 높아지게 된다. 스프링의 교환을 빈번하게 하는 경주용차 등에서는 차고의 조정이 가능한 서스펜션도 시판되고 있다.

토션 바 스프링

토션 바 스프링(torsion bar spring)

토션 바 스프링(torsion bar spring)은 프런트 서스펜션(front suspension)에 주로 사용되는 스프링으로 상용차, 트럭, 버스 등에 사용되고 있는 스프링이다. 긴양단의 스플라인 부분을 차륜에 연결된 스프링 레버에 끼워 차체와 차륜 사이의 스프링 기능을 보완하는 부품이다. 봉을 휠과 평행하게 배치하고, 휠이 장착되어 있는 허브(hub)로부터 암(arm)을 연장하여 이 봉을 고정한다. 휠의 상하 운동을 봉의 비틀림으로 바꾸어 스프링으로 이용하는 것으로 원리는 코일 스프링과 동일하다. 토션-바는 설치공간을 작게 차지하고 설치가 용이하며 특별히 정비할 필요가 없다. 하나의 봉을 배치할 수 있는 공간만 있으면 되기 때문에 이 이상의 간단한 스프링은 생각하기 어렵다. 토션 바의 스프링 정수는 봉 지름의 4제곱에 비례하고 길이에 반비례하여 커진다. 즉 직경이 작을수록, 길이가 길어질수록 스프링 정수는 작아지기 때문에 설계하기도 쉽다. 한편 토션-바는 주로 강봉이 사용되나 가끔은 중공, 사각형, 또는 겹판 형식도 사용된다.

판 스프링

판 스프링(leaf spring)

판 스프링이 장착된 모습

고무 스프링(우측, rubber spring)

현재는 일부 밴(van)의 리어 서스펜션(rear suspension)에서 밖에 볼 수 없게 되었지만, 예전에는 스프링이라고 하면 이 판 스프링(leaf spring)이 주류였다. 판 스프링은 스프링이 서스펜션의 일부가 되기 때문에 서스펜션의 구조를 간단하게 할 수 있다는 점 때문에 아직도 트럭이나 버스에 사용되고 있다. 그러나 이것은 서스펜션의 움직임과 스프링의 움직임이 분리될 수 있는 코일 스프링과 비교하여 서스펜션의 제어 자유도가 작아지는 단점으로 작용한다. 스프링 작용은 스프링 강(spring steel)의 항복점(yielding point) 이하에서의 탄성변형특성을 이용한다. 스프링 강의 변형특성은 직선적이지만, 비선형으로도 제작할 수 있다.

• 반 타원형 스프링 : 띠 모양의 스프링 강을 여러 장 겹쳐서 만든 반 타원형 판 스프링이다. 판 스프링은 구동력과 제동력은 물론이고 측력도 스프링 자신이 차체에 전달할 수 있으며, 큰 하중을 감당할 수 있기 때문에 주로 대형상용차에 많이 사용된다. 여러 장의 스프링 판의 중심에 구멍을 뚫어 센터볼트(center bolt)로 조여, 개개의 스프링 판이 길이방향으로 움직이는 것을 방지한다. 그리고 상단의 제 1 판의 양단을 원형, 소위 스프링 아이(spring eye)로 가공하여 핀으로 차대에 설치한다. 대형상용차에서는 제 1의 스프링 판이 파손될 경우에도 차축 하우징이 차대로부터 이완되는 것을 방지하기 위해 제 2의 판에도 스프링 아이(eye)를 가공하기도 한다. 스프링의 중간부분을 U-볼트를 이용하여 차축에 고정한다. 일반적으로 뒤쪽 스프링 아이는 스팬(span)의 변화가 가능하도록 하기 위하여 새클(shackle)을 사이에 두고 차대에 설치한다. 판 스프링은 판끼리의 마찰에 의해 스프링의 특성이 결정된다. 이 특성 때문에 판 사이에 이물질이 끼거나, 녹이 슬면 좋지 않다. 그 이유는 판 사이의 마찰이 증대되기 때문이다. 대형상용차에서는 대부분 스프링 판 사이에 윤활층을 둔 형식을 사용한다. 경량 자동차에서는 판 사이에 사일런트 패드(silent pad)를 설치하기도 한다.
• 포물선형 판 스프링 : 개개의 스프링 판이 중심부에서 시작해서 양단으로 갈수록 좁아지는 포물선형이다. 스프링 판이 강하기 때문에 판의 수가 적고, 판 중간에는 플라스틱 층이 삽입되어 있어 판끼리의 직접적인 접촉이 없다. 반타원형 판 스프링에 비해 스프링 행정이 더 길고, 판끼리의 내부마찰이 적기 때문에 더 부드럽게 작용한다. 따라서 안락성을 더 개선시킬 수 있다.

고무 스프링

천연/합성 고무는 탄성이 크기 때문에 완충특성이 크다. 고무 스프링(rubber spring)은 여러 가지 종류가 생산되고 있으나, 단독으로 자동차용 스프링으로서의 기능을 수행할 수는 없다. 그러나 소음을 감소시키고, 높은 주파수로 진동하는 부분을 탄성적으로 연결하기 위해 고무의 완충특성을 이용한다. 즉, 차체 스프링이나 현가장치에는 고무 부싱이나 댐퍼 형태로, 기관에는 마운트(engine mount) 등으로 이용된다. 고무와 유압을 함께 이용하는 유압식 엔진 마운트는 엔진으로부터 차체에 전달되는 다양한 주파수의 진동을 크게 감쇄시킨다.

공기 스프링

공기 스프링(air spring)

공기 스프링(air spring)은 압축공기 공급장치를 필요로 하므로, 트럭이나 버스 등 비교적 설치공간을 확보하기 쉬운 자동차에 주로 이용된다. 공기압력을 변화시켜 부하의 증감에 관계없이 스프링의 행정을 일정하게 유지할 수 있는 특징이 있다. 고무 풍선에 많은 공기를 넣을수록 부드럽고 또한 같은 풍선의 경우 공기의 압력이 낮을수록 부드러워진다. 즉 스프링 정수가 작아지는 원리를 이용하는 것이다. 실제로는 상하를 분할한 스트럿(strut)에 가이드를 설치하여 에어챔버가 옆으로 빠져나가지 않도록 하고, 상하의 스트럿 사이에 접어서 수축이 되도록 고무로 만든 에어 챔버를 두고 공기를 주입하여 스프링으로 사용한다. 소리가 공기 중에 전달되는 것에서 알 수 있듯이 공기는 진동하는 성질을 가지고 있으며, 서스펜션에 전달된 주파수가 높은 진동을 흡수한다는 장점이 있다. 이러한 특성을 잘 살리면 승차감이 우수한 서스펜션을 얻을 수 있다. 승용차에서는 주행속도에 따라 차고를 높이거나 낮출 수도 있다. 또 커브를 선회할 때는 차체가 바깥쪽으로 기우는 현상을 크게 개선시킬 수 있다. 그러나 공기 스프링도 차륜에 작용하는 제동력, 구동력, 측력을 차체에 직접 전달할 수 없다. 따라서 서스펜션 암 사이에, 또는 토션-빔 액슬이나 차체 사이에 설치한다.

공/유압 스프링

공/유압 스프링(hydro-pneumatic spring)의 원리도 에어 스프링과 마찬가지이다. 다만 이 형식에서는 작동유를 공급하거나 배출시켜 밀폐상태의 일정한 양의 가스, 주로 질소가스의 압력을 변화시킨다. 가스와 작동유는 막(diaphragm)에 의해 분리되어 있다. 가스의 압력과 작동유의 압력은 항상 같으며, 통상 100~200bar 정도이다. 모든 스프링 엘리먼트는 유압으로 연결되어 있기 때문에 충격흡수기로서도 기능한다. 유압장치는 스프링 엘리먼트에 공급되는 작동유의 양을 하중에 따라 가감시키므로 차고조절기(level controller)의 역할도 수행한다. 또 유압 스프링의 장력을 주행상황 또는 필요에 따라 전자적으로 제어하는 시스템들이 일반화 되었다.

관련 장치

스태빌라이저

스태빌라이저(stabilizer)

자동차의 조종성·안정성이라는 관점에서 볼 때 스프링은 딱딱한 편이 좋다. 그러나 스프링 정수가 큰 스프링을 사용하면 승차감은 나빠질 수밖에 없다. 자동차 메이커는 차량을 개발함에 있어 자동차의 콘셉트에 비추어 신중하게 검토를 거듭하여 조종성과 승차감의 균형이 가장 잘 이루어진 정수의 스프링을 선택하고 있다. 차량 주행성능을 위한 튜닝은 스프링과 쇼크업소버의 특성의 매칭을 어떻게 맞출 것인가를 중심으로 이루어진다. 그러나 조종성과 안정성이 주로 문제가 되는 경우는 자동차가 코너링 할 때이고, 승차감이 중요시 되는 경우는 자동차가 직진 주행하고 있을 때이다. 그렇다면 자동차가 직진하고 있을 때는 스프링 정수가 작고, 코너링할 때는 스프링 정수가 커지는 스프링이 있다면 이상적인 서스펜션이 될 것이라는 것을 스프링만으로 실현하는 것은 무리다. 실제로 이와 같은 서스펜션의 스프링 정수를 바꾸는 역할을 하는 것이 스태빌라이저(stabilizer)이다. 스태빌라이저는 스태빌라이저 바(stabilizer bar)라고도 부르는 것과 같이 스프링 강으로 이루어진 봉의 끝부분을 구부려 ㄷ자 형으로 만든 것으로 그 양끝을 좌우 서스펜션의 상하로 움직이는 어느 부분에 장착하여 사용한다. 중간 부분에는 2개의 고무 부시(bush)를 사이에 두고 바디에 장착되어 있으며, 봉은 어느 정도 부시 사이에서 회전할 수 있도록 되어 있다. 이러한 방법으로 스태빌라이저가 장착되기 때문에 자동차가 직진주행을 하거나, 좌우 두 개의 바퀴가 동시에 돌기를 넘거나, 높이 차가 생겨도 스태빌라이저는 부시를 통해 지탱되면서 조금 회전할 뿐 아무런 기능도 하지 않는다. 즉, 직진상태에서의 서스펜션의 스프링 정수는 스태빌라이저가 있어도 원래 장착되어 있는 스프링의 스프링 정수와 같다. 선회중인 자동차는 원심력에 의해 바깥쪽으로 밀리는데 자동차의 중심에 있는 무게 중심이 바깥쪽으로 이동한 것과 마찬가지의 효과가 발생한다. 이 현상을 하중 이동이라고 부른다. 하중의 이동으로 인해 외측의 서스펜션에 가해지는 하중이 증가되어 스프링의 변형은 커지고, 내측의 서스펜션에 가해지는 하중이 감소되어 변형은 작아진다. 심할 경우에는 외측의 서스펜션이 완전히 수축되거나, 내측의 서스펜션이 완전히 늘어나 타이어가 허공에 뜨는 경우도 있다. 이 때 스태빌라이저의 외측의 서스펜션에 장착되어 있는 스태빌라이저 끝부분은 스프링의 변형이 커지기 때문에 노면에 가까워지는 방향으로 움직이려고 하며, 내측의 스태빌라이저 끝은 반대로 노면에서 멀어지려는 것을 알 수 있다. ㄷ자 모양의 한쪽 끝은 아래로, 또 한쪽 끝은 위로 움직이려고 하기 때문에 스태빌라이저는 비틀리게 된다. 봉은 비틀리면 스프링으로서 역할을 한다. 즉 서스펜션에 토션 바 스프링이 장착되어 있는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 결과적으로 스태빌라이저가 장착되어 있으면 코너링 중에는 원래 장착되어 있는 스프링에 토션바 스프링을 더하는 것이 되어 서스펜션의 스프링 정수가 커지게 되기 때문에 변형은 작아진다. 즉 외측 서스펜션의 수축량과 내측 서스펜션의 늘어나는 양이 함께 작아진다. 자동차가 코너링 중에 외측으로 기울어지는 현상을 롤링(rolling) 또는 롤(roll)이라 부르며, 변형이 작아지기 때문에 롤이 작아져 자동차의 안정성이 좋아지게 된다. 스태빌라이저 바는 영어로 자동차를 안정시키는 봉을 뜻하는데, 이처럼 롤을 작게 하는 기능이 있기 때문에 영어로 반대를 의미하는 안티(anti)를 사용해 안티 롤 바(anti-roll bar)라고도 불린다. 스태빌라이저가 장착되어 있으면 직진 중에 좌우 한쪽 타이어가 돌기 위를 통과할 때 발생하는 롤을 억제하기 때문에 적용하고 있는 자동차가 많다. 또한 스태빌라이저의 한쪽 끝에 유압으로 작동하는 실린더를 설치하여 스태빌라이저의 스프링 정수를 바꿀 수 있도록 하는 시스템도 실용화되었다.

쇼크업소버

쇼크업소버(shock absorber)

자동차가 요철이 있는 노면을 주행하거나 코너링에 의해 타이어에 가해지는 하중이 변화할 때 스프링이 그 변화를 흡수하고 변화의 속도를 쇼크업소버(shock absorber)가 컨트롤 한다. 자동차는 가속할 때 뒤쪽이 내려가고 브레이크를 밟으면 앞쪽이 내려가며, 코너링 중에는 안쪽으로 기울어진다. 자동차에 가속력, 제동력, 원심력이 가해지면 이들의 힘은 모두 중심으로 가해지며, 힘이 가해지는 방향으로 밀게 되어 결과적으로는 그 힘의 방향으로 중심이 엇갈리는 것과 같은 효과가 발생되는데 이 현상을 하중 이동이라고 한다. 예를 들어 브레이크가 작동되어 무게 중심쪽으로 제동력이 가해졌을 때 하중은 앞으로 이동하고 코너링 중에는 원심력이 작용하여 바깥쪽으로 하중의 이동이 발생된다. 코너링하면서 제동력이 가해지거나 가속되거나 하는 경우가 많은데 이때는 앞뒤, 좌우 동시에 하중의 이동이 발생되는 것이다. 운전자가 스티어링 휠을 회전시키면 타이어가 방향을 바꾸어 비틀림에 의해 코너링 포스가 발생하고 동시에 중심으로 원심력이 가해져 하중의 이동이 일어난다. 이렇게 되면 좌우 타이어에 동일한 힘으로 가해져 있던 하중이 바깥쪽 타이어에는 크게 되고 스프링은 수축되고, 내측 타이어에서는 하중이 작게 되어 스프링이 늘어난다. 어느 정도 인장되고 수축하는가는 스프링의 스프링 정수에 의해서 결정되며, 딱딱한 스프링은 롤링이 적고 부드러운 스프링은 롤링이 크다. 이때 스프링의 인장과 수축의 속도를 결정하는 것이 쇼크업소버이다. 바깥쪽의 쇼크업소버는 수축되면서, 안쪽의 쇼크업소버는 인장되면서 감쇠력을 발생시키는데, 쇼크업소버가 수축될 때와 인장될 때는 오일이 별도의 밸브를 통과하면서 각각 감쇠력의 특성을 다르게 할 수 있다. 수축하는 측과 인장되는 측의 감쇠력 특성이 같으면 안쪽과 바깥쪽 스프링의 인장과 수축하는 속도는 동일한데 보통은 수축하는 측은 감쇠력이 작고, 인장되는 측은 감쇠력이 커지기 때문에 상대적으로 바깥쪽의 스프링이 빠르게 수축되고, 안쪽의 스프링이 느리게 인장된다. 이렇게 하면 바깥쪽의 스프링이 부상하려는 타이어를 노면에 밀고 있는 시간이 조금 길어지고 그만큼 타이어와 노면의 마찰력이 커진다. 그 차이는 작지만 스티어링 휠을 꺾은 직후 자동차의 움직임이 빠를 때에는 효과는 유효하게 작용하며, 운전자는 원하는 코너링을 할 수 있다. 이렇게 하여 스프링이 수축될 때의 속도는 쇼크업소버로 결정하게 되는데 자동차가 커브를 접어들면서 선회하기 시작할 단계의 운전 감각은 쇼크업소버의 감쇠력 특성이 특히 큰 영향을 준다. 스프링을 딱딱하게 해도 쇽업소버의 감쇠력을 크게 하면 스티어링 휠의 응답성이 좋은 자동차로 완성할 수 있는 것은 이 때문이다. 서스펜션의 변형은 스프링의 스프링 정수와 하중에 의해 결정된다. 자동차의 자세가 결정된 상태에서 코너링 도중에 자동차가 어느 정도의 롤링을 하는가는 스프링의 작용에 달려 있으며, 쇼크업소버는 자동차가 롤링을 시작하여 자동차의 자세가 결정될 때까지 약간의 시간만 기능을 한다. 따라서 쇼크업소버에 의해 조종 안정성을 개선하려고 해도 한계가 있는 것이다. 서스펜션의 튠업시 스프링을 노멀 상태에서 감쇠력이 큰 쇼크업소버를 장착해도 스티어링 휠을 처음 꺾을 때는 효력이 있지만 코너링 중에 자동차의 자세는 원리적으로는 변하지 않기 때문에 코너링 스피드가 높아지지 않는다. 반대로 스프링 정수가 큰 스프링으로 교환한 경우 쇼크업소버의 감쇠력이 작아도 자동차의 기울어짐이 작아지면서 롤링의 속도가 높아져 컨트롤이 어려워진다. 스프링과 매칭한 쇼크업쇼버가 필요한 것이다.

참고자료

• 이형석 기자, 〈초보자를 위한 튜닝 길라잡이, 스프링 편〉, 《엠오토데일리》, 2005-10-07
• 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈 4 - 첨단자동차섀시〉, 《도서출판 골든벨》, 2009-09-07
• 사와타리 쇼지 , GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
• 쏜다, 〈2011.3.23 스프링정수 측정〉, 《네이버 블로그》, 2011-03-23
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• 사실요것만고치면돼요, 〈스프링 위 중량과 스프링 아래 중량〉, 《네이버 블로그》, 2013-02-22
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• 최기성 기자, 〈(최기성의 허브車) 당신의 차는 편안하십니까?〉, 《매경이코노미》, 2015-07-08
• 코팅찡, 〈롤링(rolling)과 피칭(pitching)〉, 《네이버 블로그》, 2017-03-04
• 555, 〈#1 자동차 스프링의 특성〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-16
• 저스트H, 〈ADS(Adaptive Damping System)〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-30

같이 보기

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