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판스프링
판스프링 또는 리프스프링(leaf spring)은 탄성있는 금속판을 휘어서 만드는 단순한 모양의 스프링이다. 주로 자동차의 서스펜션에 활용되며 겹판스프링(lamella spring)이라고도 한다.[1]
목차
개요
판스프링은 스프링 강재로 만든 널빤지 모양의 평판(平板)을 7∼8매 또는 10여 매를 포갠 스프링이다. 철도차량이나 자동차의 차체를 지지하는 부분에 사용된다. 가장 긴 금속판을 모판(母板)이라 하고, 양쪽 끝에 스프링귀를 만들어 여기서 지지하게 한다. 이 스프링은 길이가 다른 금속판을 몇 겹으로 겹쳐 만든 완충장치로서 구조는 간단하지만 승차감과 안정성이 뛰어났다. 겹판스프링은 길이가 서로 다른 하나 또는 그 이상의 납작하거나 포물선 형태의 스트립으로 만든 스프링으로 스트립을 따라 작용하는 굽힘 모멘트의 변화를 고려하여 적층으로 하고 있다. 비교적 큰 진동을 흡수하는 판스프링은 스프링 판 사이에서 발생되는 마찰음을 줄이기 위해 고무 밴드를 넣거나 스프링 판의 수량을 조정하는데 단판과 다판 스프링이 있다. 판스프링은 코일스프링이 개발되기 전까지 자동차용 최고의 서스펜션이었으나 오늘날에는 화물차에서만 주로 쓰인다. 진동에 대한 억제 작용은 크지만, 작은 진동은 흡수하지 못하여 무겁고 소음이 많아 점차 코일스프링으로 대체되고 있다.[2][3]
리프 스프링 서스펜션
리프 스프링 서스펜션은 리프 스프링을 사용하는 리지드 액슬 서스펜션이다. 마차와 자동차를 통틀어 가장 오래된 서스펜션 방식이고. 가장 오래된 독립 현가인 더블위시본 이전에는 대세였으며 현재도 상용차는 많이 쓰고 있다. 구조는 매우 심플한 것으로 충격을 받으면 활처럼 휘어져 있는 스프링이 펴지고 탄성의 한계점 이전에 다시 되돌아오는 방식이다. 스프링의 길이를 스팬(Span)이라고 하며, 스팬이 길수록 서스펜션의 상하 스트로크가 길고 탄성계수가 낮다. 리프스프링의 가운데에 액슬(Axle=차축)을 한축을 위/아래에 U볼트로 묶는 방식이 가장 일반적이며, 이 경우 노면 충격이 들어오면 스프링이 펴지면서 양 끝단 고정부가 길이방향으로 힘을 받게 되기 때문에 적어도 한쪽 끝은 자유롭게 놀도록 섀클(Shackle)을 장착해야 한다. 좀 더 큰 규모의 다축 대형 트럭은 리프스프링의 양 끝에 액슬이 장착된다. 마차는 무게가 무겁지 않아 단판 스프링을 썼는데 자동차에 사용되면서 점점 축하중이 늘어남에 따라 길다란 판때기를 여러 장 붙인 겹판구조가 나와 현재 가장 많이 쓰인다. 여기에 스프링 형상을 가운데를 두껍게 하고 가장자리로 갈수록 얇게 개량하여 사용되는 스프링 장 수를 줄인 것이 테이퍼(Taper-사다리꼴) 리프스프링 서스펜션이다. 대형버스들 중에 승차감을 높히고 서스펜션 트래블을 늘리려고 스프링 길이를 길게 한 롱-스팬 테이퍼 스프링도 있다. 또한 겹쳐놓은 스프링들의 두께를 다르게 하여 탄성계수가 선형적인 게 아니라 특정한 곡선을 띄도록 한 것이 프로그래시브 리프 스프링이다. 어떤 경우는 겹판 스프링 뭉치를 두 개 또 겹쳐 쓰기도 하고, 드물게는 리프스프링을 절반 자른 형태도 보인다.
장점
- 싸고 간단하다. 복잡한 컨트롤암이나 링크 없이 스프링과 액슬만으로 이뤄져 있다. 게다가 겹판 스프링은 겹쳐진 스프링 끼리의 마찰을 통해 스스로 댐핑(감쇄)이 되는 효과가 있어 오일압이 약한 댐퍼를 쓸 수 있거나 어떤 경우는 아에 댐퍼를 장착하지 않아도 주행성에서 큰 문제가 없는 경우도 있어서 1930년대 이전 자동차들은 리프 스프링 단독으로만 사용하는 경우도 많았다. 물론 리프 스프링만 단독으로 썼다가는 통통 튀는 지옥같은 승차감때문에 40년대 부터는 무조건 댐퍼를 장착하기 시작했다.
- 고하중을 잘 견딘다. 그래서 대형트럭뿐만 아니라 20세기 중반까지 철도차량, 전차와 같은 고중량 차량에 많이 썼다. 다만 전차 및 기갑장비의 경우 제2차 세계 대전을 거치면서 상당히 중장갑화 된 결과 무게가 무거워지면서 리프스프링 방식으로는 버티기 어려워졌고, 이로 인해 토션바 서스펜션 및 유기압 현가장치로 전환되는 과정에서 전차용 리프 스프링 서스펜션은 도태되었다. 트럭이나 여객열차의 경우에도 중량 및 승차감 문제로 에어 서스펜션으로 대체되었다.
단점
- 충격을 제대로 흡수하지 못해 승차감이 낮다. 스프링 스팬을 늘리면 낫긴 하지만 무작정 승차감만 개선하려고 길게 만드는건 불가능하다. 그래서 그런지 몰라도 쇼크 업쇼버와 코일스프링이 나오자마자, 승용차 용도로는 쫓겨나고 상용차 부문으로 밀려버린다. 요즘 차량도 리프만 달리는 차량은 없고, 쇼바와 함께 달려 나온다.
- 서스펜션의 스트로크가 짧다. 리프 스프링의 탄성 변형량에 한계가 있기 때문에 딱 그만큼의 거리밖에 작동하지 못한다. 물론 섀클 길이를 조절하거나 스프링 스팬을 늘려 스트로크를 늘릴 수 있지만 이것도 한계가 있고, 섀클을 쓰지 않는 다축 차량은 조금도 늘릴 방법이 없다.
- 섀클을 써야 하는 구조 특징 때문에 작동 중에 휠베이스가 수시로 변한다. 많은 짐을 실으면 스프링이 펴지면서 거기에 묶인 액슬 역시 수평방향으로 움직일 수밖에 없다. 결국 얼라인먼트가 자꾸 틀어지기 쉽고 타이어의 소모가 많고 코너링 성능 등 전반적인 주행성능에서 손해를 본다.
- 겹판 구조 스프링은 겹쳐놓은 스프링끼리 마찰로 인해 삐그덕 거리는 소음이 발생한다. 소음만 나면 차라리 다행이지만 이 사이로 수분이 고여 녹이 발생하고, 오래 사용하면 금속피로까지 합쳐져 절단되는 경우가 있다.[4]
리프스프링을 사용한 독립 서스펜션
쉐보레 콜벳은 특이하게도 차축 중앙에 더블 위시본 서스펜션에 스프링 하나를 가로배치하고 있다. 기술력의 부족으로 인한 설계가 아니라 차고를 낮추려는 아이디어에서 시작된 것으로 이렇게 리프 스프링을 가로로 설치하면 세로로 똑바로 선 코일 스프링+댐퍼 형식의 현가장치와 달리 차체를 원하는 만큼 낮출 수 있고, 차량 내부 바닥이 낮아져 공간 확보에 유리하다. 리프 스프링을 가로로 쓰면 조향에 문제가 있을것 같지만. 1세대부터 링크와 스프링은 분리가 되어있어서, 리지드 액슬인 머스탱과 다르게 독립현가처럼 자유롭게 조향이 가능하다. 코일 스프링을 대신해 리프 스프링을 장착한 것이지, 댐퍼를 대신하는 것이 아니기에 따로 댐퍼를 장착하여 승차감에도 문제가 없다. 애초에 겹판 스프링이 아니라 위에 언급한 소음 및 부식 문제도 없다. 스프링 스트로크가 짧다는 문제도 애초에 포장도로를 고속으로 달리는 콜벳의 특성상 문제되지 않는다. 볼보의 SPA 플랫폼을 사용하는 S60, S90, XC60, XC90 등은 독일 헨켈사가 제조한 폴리우레탄 계 매트릭스 레진인 록타이트 MAX 2를 이용하여 수지 이동 성형(RTM)방식으로 유리, 탄소섬유를 신속하게 경화시킨 리프 스프링을 사용했다. 상기한 복합소재(FRP)로 리프 스프링을 가로배치했고, 일반 강철 스프링보다 가벼워 현가하 질량 감소에 따른 접지력 증대 및 승차감 향상 효과를 거두었다. 볼보는 추가적으로 이 구조를 통해 공간을 확보한 덕분에 실내공간을 손해보지 않고 플러그인 하이브리드 모델의 배터리 탑재 공간을 확보할 수 있다고 강조한다. 상용차에서도 쓰이는데 소형 밴인 이베코 데일리의 전륜 서스펜션이 이 모양이다. 조향을 위한 스티어링 기어박스와 타이 로드가 추가되었다. 이로 인해 축중량이 2톤 가깝게 설계되어 적재량을 늘리면서도 승차감과 조향 성능도 가져갈 수 있었다.
화물차 판스프링 불법개조 문제
도로에 판스프링 낙하물이 급증하기 시작하면서부터 주목을 받기 시작한 불법개조다. 판스프링 낙하물은 노후화된 화물차량의 서스펜션에서 떨어진 것이 아니라, 실은 화물차 불법개조를 통해 판스프링을 다른 용도로 쓰다가 낙하해서 도로에 굴러다니게 된다. 소위 현장에서 하시라라고 불리는 이것은 노후된 판 스프링을 분리하고 절단한 물건이다. 원래는 탑차의 빗장으로 쓰려고 만든 것인데, 이후 트레일러 등 대형 화물차의 적재화물을 고정하는 용도로도 전용되었다. 문제는 화물차에 판스프링을 고정할 때 차체 옆에 작은 포켓을 불법개조해서 만들고 거기에 살짝 끼우는 것이 그만이라 조금만 덜컹거려도 판스프링이 그대로 튕겨나와 도로에 굴러다니게 되는 점이다. 이런 폐 판스프링은 원래 목적인 탄력이 더해져 낙하하거나 낙하 후 지나가던 차량이 밟으면서 튀어올라 후행 차량에 충돌하면서 도로상의 중대형사고를 일으키고 있다. 낙하물 추락 사고이므로 12대 중과실에 해당하나 문제는 화물차에서 그대로 떨어져서 뒷 차에 박히는게 아닌 이상, 어디서 만들어지는 지도 알 수 없는 무거운 철덩어리에 불과하다보니 잘 보이지도 않아 밟은 사람도 책임을 지지 않고 떨어뜨린 차량을 찾지도 못해 일방적으로 피해차량이 모든 피해를 감수하고, 심한 경우 사망 사고로 이어지기도 한다. 애초에 하시라를 꽂는 것 자체가 탑차나 트레일러가 과적을 하고도 그 무게를 버티게 만들기 위해 지지대로 꽂은 것이기 때문에 존재 자체가 불법을 저지르기 위한 개조고, 지속적으로 사망 및 중상해가 이어지며 본격적으로 언론을 타기 시작하자 결국 정부에서도 용접을 해서 접이식으로 완전히 차량에 부착된 물건이 아닌 꽂기만 하는 구조의 거치대는 강제로 제거하기로 결정했다. 불법 판스프링 개조는 사진을 찍어서 신고하면 되며, 다만 도로교통법 위반이 아니기 때문에 경찰 민원앱이 아닌 지방자치단체에 신고해야 제대로 먹힌다. 2022년 8월 7일, 국토교통부는 '화물자동차 운수사업법'을 개정해 운송사업자와 운전자에게 화물적재 고정도구의 이탈방지 필요조치 의무를 부여할 방침이라고 밝혔다. 이를 위반하면 운송사업자는 사업정지를, 운전자는 2년 이상 업계 종사를 금지시킨다. 다만 법령 개정에 시간이 걸리는 만큼, 개정 전까지 경찰과 협조해 현장 단속하여, 운송사업자에겐 300만원 과태료를, 운전자에겐 1년 이하 징역 또는 1천만원 이하 벌금을 부과하기로 했다.
동영상
각주
- ↑ 〈리프 스프링〉, 《나무위키》
- ↑ 〈리프스프링(두산백과)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈겹판 스프링(국방과학기술용어사전)〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈리프 스프링 서스펜션〉, 《나무위키》
참고자료
- 〈리프 스프링〉, 《나무위키》
- 〈리프 스프링 서스펜션〉, 《나무위키》
- 〈리프스프링(두산백과)〉, 《네이버 지식백과》
- 〈겹판 스프링(국방과학기술용어사전)〉, 《네이버 지식백과》
같이 보기
