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액티브 서스펜션
액티브 서스펜션(active suspension)은 스프링이나 댐퍼 등의 수동적인 요소로 구성되는 보통의 서스펜션에 대해서, 유압이나 공기압 액추에이터 등으로 제어력을 가하여 능동적으로 진동을 억제하는 서스펜션을 말한다. 보통의 현가장치는 노면에서의 충격을 흡수 또는 작게 하여 승차감을 향상시킴과 동시에 타이어가 노면에 추종하는 구조로 되어 있지만, 액티브 서스펜션은 공기압이나 유압으로 작동하는 액추에이터를 사용하여 쇼크업소버나 스프링을 제어하여 온로드(on road)에서 오프로드(off road)까지 여러 가지 주행 상황에 대응하여 안정된 자세나 승차감을 얻을 수 있으며 동시에 타이어를 노면에 정확하게 접지시킨다.
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상세
액티브 서스펜션은 네 바퀴에 설치되어 있는 스프링의 스프링 정수를 유압을 이용하여 자유롭게 바꾸어 자동차의 자세를 가능한 한 일정한 상태로 유지하면서 조종 안정성과 승차감의 균형을 유지한다는 의미에서는 궁극의 서스펜션이다.[1] 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.[2] 그리고 실제 조종 안정성을 문제 삼는 것은 코너링이나 차선 변경 등 스티어링휠을 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 서스펜션이다. 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.[3]
원리
서스펜션 시스템은 작동 범위에 따라 컨벤셔널, 세미액티브, 액티브시스템으로 나뉜다. 컨벤셔널 및 세미액티브 서스펜션 시스템은 차량의 움직임이 발생할 때에는 일정하거나 적정 감쇠력을 구현하지만 움직임이 없을 때는 힘을 구현할 수 없다. 반면 액티브 서스펜션 시스템은 어떠한 상황에서도 작동력을 구현할 수 있어, 차량의 모션을 제어하여 승차감 및 핸들링 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 이유로 액티브 서스펜션은 오래 전부터 다양한 형태로 연구되고 있다. 액티브 서스펜션 시스템은 일반적인 노면 주행 시에는 노면의 진동에 의한 댐퍼 상하 운동을 펌프를 통해 모터의 역기전력으로 감쇠력으로 승차감 제어를 하고, 험로나 코너링을 주행 시에는 모터 제어를 통해 댐퍼 상하 운동으로 차체를 능동 제어하는 시스템이다. 액티브 서스펜션은 세미액티브 서스펜션보다 넓은 영역에서 제어가 가능한 시스템이다. 댐퍼 상대속도가 인장 방향일 때는 압축력, 압축 방향일 때는 인장력, 즉 댐퍼가 움직이는 방향의 반대방향으로만 힘이 작용하는 것이 세미액티브의 특징이다. 반면 액티브 서스펜션은 댐퍼의 움직이는 방향과 관계 없이 인장력과 압축력을 능동적으로 구현할 수 있다. 코너링이나 험로 주행 시에 모터를 회전시켜 펌프를 통해 댐퍼를 상하운동 시킨다. 모터 및 펌프가 시계방향으로 회전하면서 유체가 피스톤 상단으로 모이게 되고 고압을 형성하게 된다. 이때 피스톤 상·하단의 압력차에 의해 댐퍼는 압축력을 가지게 된다. 그와 반대로 모터 및 펌프가 시계 반대방향으로 회전하여 댐퍼는 인장력을 가지게 된다. 댐퍼의 움직이는 방향과 독립적으로 모터 제어를 통해 능동적으로 댐퍼의 인장 및 압축력을 제어할 수 있어 제어영역이 확장된다. 넓어진 제어영역에서 능동 제어를 통해 차체 거동이 감소하고 승차감 및 핸들링 성능을 개선할 수 있다.[4]
진화
밸브 조절식 세미 액티브 서스펜션을 최초로 도입한 차량은 일본 미쓰비시자동차(Mitsubishi Motors)의 1987년형 갤랑이었으며 마그네틱 라이드는 2006년 아우디(Audi) TT가 최초로 선보였다. 다음 단계로는 댐퍼는 물론 스프링까지 함께 능동 제어하는 더욱 발전된 전자제어 서스펜션이 출현한다. 높이 조절식 스프링은 처음에는 오프로드 차량을 중심으로 험로의 주파 능력을 높이기 위한 것이었다. 차량의 높이를 일정하게 유지할 수 있다면 조종 성능에도 도움이 된다는 아이디어를 거쳐 사람이나 짐을 많이 싣더라도 일정한 높이를 유지하는 셀프 레벨링 서스펜션으로 발전했다. 최종 단계로 본격적인 액티브 서스펜션으로 진화하는데 이는 코너에서의 롤링, 가속시의 스쿼트, 제동시의 다이브 등 차체의 움직임을 능동적으로 상쇄하거나 오히려 반대 방향으로 일으켜서 어떤 상황에서도 차량의 주행 안정성이 비약적으로 향상된다는 점에 주목하게 된다. 또한 길 앞의 요철을 미리 확인하고 서스펜션을 이에 맞춰 능동적으로 조절하면 승차감은 물론 접지력도 최고의 상태를 유지할 수 있다. 액티브 서스펜션의 성능은 상상을 초월했다. 그 예로 안전하지만 조종 성능은 좋지 못하다고 평가되던 구형 볼보(Volvo) 760에 액티브 서스펜션의 시제품을 탑재했더니 마치 비행기처럼 코너 안쪽으로 기울어진 채 엄청난 속도로 코너를 주파했다. 당대 최고의 스포츠카인 포르쉐 911에게 결코 밀리지 않는 코너링 성능을 보였던 것이다.
기술적으로는 이미 완성 단계에 가까웠음에도 이런 극단적인 설정을 액티브 서스펜션에 사용한 모델은 없었다. 그 이유는 바로 인간의 본능이었다. 인간은 본능적으로 코너에서 원심력에 버틸 준비를 한다. 그런데 액티브 서스펜션이 만드는 전혀 다른 움직임에 맞닥뜨리면 아무리 물리학적으로 이상적이라고 할 지라도 인간은 거부감을 느끼게 되는 것이다. 이와 같은 이유로 지금까지는 액티브 서스펜션이 적용된 차량이라도 코너링 시 바깥으로 아주 약간의 롤링을 보이는 정도로 타협하고 있었던 것이다. 하지만 이 자율 제한이 무너졌다. 2021년 발표된 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)의 S클래스는 기존의 액티브 서스펜션인 액티브 바디 컨트롤에 스테레오 카메라를 이용한 로드 스캔 기능을 접목하여 노면의 요철에 미리 대응하는 매직 바디 컨트롤로 진화했다. 그리고 마침내 커브 기능은 S클래스의 차체를 최대 2.65도까지 코너 안쪽으로 기울여서 원심력을 상쇄하기에 이르렀다. 액티브 서스펜션의 활용 예는 여기에서 멈추지 않는다. 충돌 사고의 충격을 완화하는 데에도 일조하기 시작한 것이다. 측면 충돌을 피할 수 없다고 판단되는 즉시 아우디 A8의 프리 센스 사이드 기능은 충돌이 예상되는 쪽의 차체를 최대 80mm 들어올려 도어나 B 필러보다 충격에 강한 사이드실과 바닥 골격이 충격을 받아내도록 유도한다. 이를 위하여 아우디 A8은 지금까지의 에어서스펜션보다 훨씬 민첩한 48볼트 구동 전기모터식 액티브 서스펜션을 사용한다.[5]
회사별 특징
메르세데스-벤츠
메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 자사의 차세대 서스펜션 시스템인 E-액티브 바디 컨트롤(E-Active Body Control)을 선택사양으로 제공한다. 벤츠 E-ABC 시스템은 지난 2014년 6세대 S클래스(W222)에서 첫 선보였던 매직 바디 컨트롤(MBC)에서 한층 진보된 시스템으로 네트워크화된 48V 기반 유압식 액티브 서스펜션과 에어 서스펜션을 결합했다. 특히, 전방 카메라의 노면 스캔 기능(Road Surface Scan)을 통해 각 바퀴 스프링과 댐핑 압력을 개별적으로 제어해 최상의 승차감을 제공한다. 아울러 코너링 시 차체 바깥 서스펜션은 위로 들어올리고, 안쪽 서스펜션은 낮게 눌러주는 커브 틸팅 기능을 제공하고, 여기에 오프로드 엔지니어링 패키지를 더하면 운전모드에 따라 0-100까지 힘을 배분, 오프로드 등 험로 주행에서 바퀴가 모래에 빠졌을 때도 탈출을 도와준다. 다만, 일부 벤츠 커뮤니티에선 E-ABC 시스템의 단점도 지적되고 있다. 기본적으로 E-ABC 시스템은 전방 카메라를 통해 노면 상황을 미리 읽고 각 댐퍼 감쇠력을 조절해주는 기능인데, 주간에선 작동이 잘 되지만 야간 또는 눈, 비가 오거나 전방에 차량이 가까이 붙어 있으면 로드 스캔이 작동되지 않는 것으로 알려졌다.[6]
아우디
아우디(Audi)의 A8은 세계 최초의 시판용 레벨3 자율주행차라는 타이틀을 가지고 있다. 하지만 레벨 3보다 사람들의 관심을 더 받은 A8의 기능은 충돌 직전에 충돌하는 쪽의 차체를 들어 올려 승객을 지키는 풀 액티브 서스펜션이다. 아우디는 기함인 A8에 인공지능(AI) 풀 액티브 서스펜션을 적용해 최고의 조종 성능과 주행 안정성, 그리고 최상의 승차감까지 동시에 제공하고 있다. 높이를 66mm나 조절할 수 있었던 4 레벨 에어 서스펜션은 오프로드 주파용 하이 레벨 2 모드에서는 최저지상고가 208mm로 어지간한 SUV와 거의 비슷했고 고속주행용 로우 레벨 모드에서는 142mm로 일반 세단보다 약 2cm 높은 수준에 불과했다. 높이를 버튼으로 수동 조절할 수도 있었지만 속도에 따라 자동적으로 에어스프링의 높이와 쇼크업소버의 감쇄력을 자동적으로 조절하는 기능이 적용되어 편리함과 적응력을 함께 갖춘 대응력이 장점이었다. 이렇게 시작된 아우디의 능동 제어 서스펜션이 A8의 풀 액티브 서스펜션으로 발전한 것이다. A8의 풀 액티브 서스펜션은 센서부와 작동부 모두에서 기술적, 사상적으로 진일보한 특징을 보여준다. 가속도 및 서스펜션 스트로크 센서들을 사용하는 종래의 액티브 서스펜션에 더하여 A8은 반자율주행 시스템용 모빌아이 사의 카메라를 이용하여 전방 5~20미터의 노면 요철을 읽는다. 에어 서스펜션으로는 대응하기 힘든 민첩한 서스펜션 높이 조절을 위하여 유압에 의존하던 종래의 시스템에 비하여 A8은 48볼트 시스템을 이용하는 전기모터로 유압으로는 불가능한 매우 강력하면서도 민첩한 동작을 실현한다.[7]
테슬라
테슬라(Tesla)는 2023년 신규 특허를 통해 미래의 액티브 서스펜션 기술을 공개했다. 테슬라의 신규 시스템은 일반적인 차고 조절 에어서스펜션 및 어댑티브 댐핑을 넘어 휠의 움직임을 직접 제어하는 액추에이터를 포함한다. 다수의 고급차 제조사들은 능동형 휠 위치 제어가 포함된 어댑티브 서스펜션 시스템을 지속적으로 발전시켰다. 이러한 차세대 액티브 서스펜션 시스템은 단순히 사전 설정된 값에 따라 서스펜션의 높낮이 또는 스프링 상수 및 댐퍼 상수를 변경하는 것에 그치지 않고, 휠을 지속적으로 움직여 고르지 못한 노면을 보상하기에 가장 유리한 위치로 설정할 수 있다. 테슬라의 신규 특허는 현재 및 예상되는 노면 조건에 따라 서스펜션 스트럿 길이를 동적으로 변경하는 방식으로 이와 같은 기능을 제공하고자 한다. 액추에이터 모터는 상단 스트럿 마운트 어셈블리에 위치하며, 벨트 드라이브 어셈블리를 이용하여 스트럿 축에 연결된 나사를 돌린다. 이를 통해 스트렛의 상단 마운트 지점을 위쪽 또는 아래쪽으로 이동시키면서 스트럿 축 길이를 효과적으로 변경하여 결과적으로 휠 위치를 능동적으로 제어할 수 있다.
이렇게 전기로 구동되는 휠 위치 제어 시스템에 관한 아이디어는 수십 년 동안 제기되었으나, 해당 기능을 제공하려면 전력이 많이 필요하다는 한계에 항상 부딪혔다. 하지만 테슬라의 배터리가 동 시스템을 작동하기에 충분한 전력을 보유한 한편, 연속적으로 장착된 패시브 스프링 및 댐퍼가 동 시스템이 유발하는 부하 및 마찰 손실을 일부 완화하여 조절 가능한 스트럿에 동력을 제공하는 전기모터를 지원한다. 모든 신규 기술 발전이 그렇듯, 제어 시스템이 새로운 서스펜션 설계의 핵심 요소이다. 이 경우 시스템 입력에 진동 센서와 가속도계, 휠 위치 센서, 피치 및 롤 센서가 포함되는 한편, 테슬라의 영리한 익명화된 플릿 데이터 수집 시스템을 통해서도 도로 상태에 관한 정보를 일부 얻을 수 있을 것이다. 테슬라가 이미 많이 보유한 카메라 시스템을 통해서도 노면을 미리 스캔하여 도로를 이동하는 동안 최적의 휠 위치와 기타 서스펜션 설정을 예측할 수 있을 것이다. 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz) S클래스서 제공하는 선제적인 E-액티브 차체 제어 시스템과 유사한 방식으로 작동할 가능성이 있다.
신규 서스펜션 제어시스템은 지상고 관리 및 서스펜션 자동 조절 기능과 함께 도로의 패인 곳, 솟아 있는 곳, 바퀴 자국 등을 미리 감지하여 영향을 받는 휠을 하우징으로 넣어 불규칙한 노면이 휠에 미치는 영향의 강도를 줄인다. 동적으로 조절 가능한 스트럿 축 길이를 통해 스프링 상수나 댐퍼 상수의 변화 없이 차체 롤에 대응하고 가속이나 제동 중 피치나 차량의 뒤쪽은 낮아지고 앞쪽은 들리는 스쿼트 현상을 방지한다. 테슬라 모델S와 모델X는 꽤 전통적인 높이 조절 에어 서스펜션 시스템과 어댑티브 스프링 상수 및 댐퍼 상수를 사용한다. 이를 통해 가장 고가이며 오래된 테슬라 모델 2종에 가변적인 지상고 및 서스펜션 강성을 제공하며, 두 모델이 각각 2012년 및 2015년에 출시되었을 때 타사 모델과 동등한 수준으로 경쟁할 수 있었다.[8]
각주
- ↑ 지리산불곰, 〈자동차 현가장치, (suspension system, 懸架裝置, けんかそうち)〉, 《네이버 블로그》, 2015-06-23
- ↑ 555, 〈#1 궁극의 서스펜션 액티브 서스펜션〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-22
- ↑ 사와타리 쇼지 , GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 액티브 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- ↑ 정장훈, 서인석, 이상호, 〈액티브 서스펜션을 활용한 주행 성능 향상 제어 연구〉, 《현대자동차 샤시제어리서치랩》, 2020-05-15
- ↑ 나윤석 자동차 전문 칼럼니스트 & 컨설턴트, 〈안전한 주행을 위한 필수요소 서스펜션(suspension)〉, 《삼성화재》, 2021-08
- ↑ 최태인 기자, 〈‘차가 춤을 춘다?’ 옵션가 무려 1,330만원. 벤츠 ‘E-액티브 바디 컨트롤‘ 특징은?〉, 《엠투데이》, 2020-09-02
- ↑ 자동차 칼럼니스트 나윤석, 〈세계 최초 자율주행차 보러 온 사람들 감탄사 쏟아낸 이 기능〉, 《아우디》
- ↑ 〈Tesla, 신규 특허 통해 미래의 액티브 서스펜션 기술 공개〉, 《현대엔지비》, 2023-04-14
참고자료
- 〈액티브 서스펜션 ( active suspension )〉, 《자동차용어사전》
- 〈액티브 서스펜션 ( active suspension )〉, 《철도관련큰사전》
- 자동차 칼럼니스트 나윤석, 〈세계 최초 자율주행차 보러 온 사람들 감탄사 쏟아낸 이 기능〉, 《아우디》
- 사와타리 쇼지 , GP기획센터, 〈섀시는 이렇게 되어 있다 - 액티브 서스펜션〉, 《도서출판 골든벨》, 2010-02-10
- 지리산불곰, 〈자동차 현가장치, (suspension system, 懸架裝置, けんかそうち)〉, 《네이버 블로그》, 2015-06-23
- 555, 〈#1 궁극의 서스펜션 액티브 서스펜션〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-22
- 정장훈, 서인석, 이상호, 〈액티브 서스펜션을 활용한 주행 성능 향상 제어 연구〉, 《현대자동차 샤시제어리서치랩》, 2020-05-15
- 최태인 기자, 〈‘차가 춤을 춘다?’ 옵션가 무려 1,330만원. 벤츠 ‘E-액티브 바디 컨트롤‘ 특징은?〉, 《엠투데이》, 2020-09-02
- 나윤석 자동차 전문 칼럼니스트 & 컨설턴트, 〈안전한 주행을 위한 필수요소 서스펜션(suspension)〉, 《삼성화재》, 2021-08
- 〈Tesla, 신규 특허 통해 미래의 액티브 서스펜션 기술 공개〉, 《현대엔지비》, 2023-04-14
같이 보기
