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| 사진은 승용차용 맥퍼슨 스트럿 서스펜션이다. |
1. 개요
Suspension차량에서 차륜과 차체를 연결하는 장치. 노면충격의 흡수와 타이어 접지력을 확보하는 역할을 한다. 한자어로는 현가장치 또는 현수장치 라고도 부른다.
자동차에서 플랫폼이라 부르는 3요소 - 조향, 제동, 현가 - 중의 하나이다.
우마차 시절을 지나 근현대 자동차에 이르러서 현가 장치로 인한 승차감 개선은 장치의 부가효과일 뿐이며 현가 장치의 첫번째 목적은 타이어를 땅에 최대한 붙여놓는 것이다. 타이어가 땅에 잘 붙어있지 못하다면 조향 장치와 제동 장치 그 어떤 것도 제 역할을 하지 못한다.
2. 특징
| 기본 개념 이해 |
| 서스펜션이 중요한 이유 |
서스펜션이 그저 충격 흡수용이라고 생각할 수 있지만, 자동차의 엔진, 브레이크, 타이어 등과 더불어 가장 필수적이고 중요한 부품 중 하나로, 세팅이 제대로 되어있지 않기만 해도 운전을 하기 싫어질만큼 승차감이 대단히 나빠진다. 충격 흡수량을 바꾸는 것만으로도 차의 거동을 완전히 바꾸어버리는 물건. 서스펜션이 없다면 굴곡이 있는 길을 달리거나 방향을 꺾어서 차체에 조금이라도 충격이 가해질 때마다 바퀴 몇 개는 허공에 떠올라서 제구실을 못할 것이다.[1]
두번째 동영상을 참고해보자. 쇼크 업소버를 단순 쇠파이프로 바꾸고 용접해 차체에 고정한 후 시험 운행을 했는데, 과속방지턱을 느린 속도로 넘어도 차가 공중에 떴다 제멋대로 착지하며, 내부 탑승자들도 안전벨트를 했음에도 천장에 머리를 부딪힐 정도로 심하게 들썩인다. 저 상태로 공도에서 차량 운행을 한다면 당연히 정상적인 주행이 불가능할 뿐더러 교통사고를 유발할 것이다. 아무리 도로를 평탄하게 만든다 하여도 조금의 요철도 없는 환경을 만드는 것은 불가능하고, 공도에는 과속방지턱 말고도 포트홀이나 이물질, 맨홀, 도로 자체의 굴곡 등 차량의 흔들림을 유발하는 수많은 요소가 있기 때문.[2]
노면을 주행하며 생기는 충격이 차체나 탑승자에게 전달되기 전에 흡수하여 차량의 내구성을 보존하고 승차감을 개선하며 탑승객의 피로를 줄이는 역할을 한다. 초창기의 마차나 자동차 등에는 아예 존재하지 않아 승차감이 매우 나빴으나 기술 발전으로 인해 차량은 물론이고 자전거와 킥보드 등 작은 운송수단에도 장착하는 물건이 되었다.
보통 쇼크 업소버[3](Shock Absorber), 코일 스프링 등으로 충격을 흡수하는 역할이 제일 크지만, 스테빌라이저로 코너링 등의 상황에서 휠의 정렬(휠 얼라인먼트)를 일정하게 유지시켜 타이어의 접지면적을 최대한 확보하고, 롤링을 억제하는 역할도 맡는다. 서스펜션의 방식마다 상이하지만 최적의 역할을 통해 타이어의 효율적인 사용과 코너링 성능의 향상을 돕도록 설계하고 있다.
3. 설계
차량용 서스펜션의 최종적인 목적은 바퀴와 타이어(현가하질량)을 도로와 떨어지지 않도록 하되, 도로의 요철로부터 나오는 진동을 섀시 등 사람이 타는 곳(현가상질량)으로부터 분리하는 것이다. 이를 이루기 위해 스프링이나 스프링과 비슷한 역할을 하는 장치를 달고, 스프링만 달면 현가상질량과 스프링이 공진을 일으켜 진동을 전혀 제어하지 못하게 된다. 그러므로 도로의 요철로부터 나오는 진동을 열 에너지로 바꾸어 공진을 제거하는 쇼크 업소버를 같이 설치하게 된다. [4]또한, 일부 차량의 경우 좌우로 기우는 현상을 방지하기 위해 예를 들어 왼쪽 바퀴가 올라가면 오른쪽 바퀴도 비례하여 일부 올라가게 하는 장치인 안티 롤 바를 설치하는 경우가 있다. 반대편 바퀴를 똑같이 올리거나 내리면서 차체의 기움을 통제하는 것이다. 도로용 4륜차와 경주용 차량은 이런 장치가 필수적으로 장착되어 있으며, 언더스티어 및 오버스티어 특성을 튜닝하는게 굉장히 중요한 역할을 하게 된다.
4. 튜닝
서스펜션의 제일 중요한 목적은 울퉁불퉁한 도로에 바퀴를 안정적으로 붙여놓는 것이다. 반대로 서스펜션이 전혀 없는 카트등을 공도에서 타보면 차량이 엄청난 진동에 휩싸여 제어가 어렵다. 그런 의미로 서스펜션이 어느정도로 물렁하다면 타이어가 도로의 요철을 잘 따라가므로 그립이 향상된다.단, 서스펜션이 너무 물렁하면 운전자의 입력에 차량이 반응하는 속도가 느려진다. 예를 들어 차량을 왼쪽으로 조향하면, 차량의 질량이 관성에 의해 오른쪽으로 쏠리면서 오른쪽으로 차량이 기울게 되고, 그제서야 차량이 왼쪽으로 돌기 시작한다. 또한, 이렇게 차량이 기우는 일시적인 상황에서는 차량의 제어가 모호하게 느껴지고, 제어 입력에 반응속도가 느려지면 제어 안정성도 낮아진다.
요철이 거의 없는 트랙주행을 염두에 둔 차량이면 물렁한 서스펜션의 장점보다 단단한 서스펜션의 장점이 훨씬 중요하게 작용해서, 이런 차량은 보통 서스펜션이 단단하게 설계된다.[5]
스프링의 단단함은 스프링의 계수로 튜닝한다.
상술했듯이 안티 롤 바는 코너링 특성에서 굉장히 중요하다. 4륜 경주용 차를 기준으로, 앞쪽 안티 롤 바와 뒷쪽 안티 롤 바의 계수에 따라서 코너링시 차체의 무게가 앞쪽에서 더 쏠리는지, 뒷쪽에서 더 쏠리는지 튜닝을 할 수 있다. 예를 들어 뒷쪽 안티 롤 바가 더 단단하다면, 뒷쪽에서 무게중심이 덜 쏠리기 때문에 앞쪽에서 무게중심이 더 쏠려야 둘을 합할때 코너링시 생기는 무게중심 쏠림를 채우게 된다. 이 경우, 무게중심이 덜 쏠리는 뒷쪽이 더 많은 양의 차체 무게를 감당하게 되고, 이 경우 뒷쪽의 타이어의 그립 한계가 더 낮고, 이것이 곧 오버스티어다. 결론적으로 앞쪽이 단단하면 언더스티어성향이 나타나고, 뒷쪽이 단단하면 오버스티어성향이 나타난다. 취향에 맞게 적절히 조절하면 된다.
마지막으로 쇼크 업소버의 단단함 역시 튜닝이 가능한데, 일정한 속도로 코너링시 성향을 안티 롤 바로 튜닝한다면, 상술했던 코너링 시작과 종료시 일시적으로 차체가 기울고 있는 상황의 서스펜션의 단단함을 쇼크 업소버가 제어한다. 일정한 속도의 코너링시 언더스티어 성향을 원하지만, 코너링 시작과 종료시에는 반반정도의 튜닝이나 살짝 오버스티어 성향을 원한다면, 뒷쪽 쇼크 업소버를 단단하게 만들어서 코너링 시작 및 종료시에 오버스티어 성향을 띄게 만드는 식의 튜닝도 가능하다.
5. 종류
5.1. 사용하는 스프링에 따른 종류
보통 차량용 서스펜션은 차축의 구조에 따라서 독립식[6]과 일체차축[7]으로 나뉘는데 서스펜션의 방식과 사용하는 스프링의 종류는 별개로 봐야 한다. 리지드 액슬이라고 해서 모두 리프 스프링을 쓰는 것도 아니고, 독립현가장치라도 리프 스프링을 쓰는 사례도 있기 때문이다. 특히 토션빔과 토션바를 많이 혼동하는데, 맥퍼슨 방식이라도 토션바를 스프링으로 쓰기도 하며(포터, 갤로퍼, 구형 스타렉스) 토션빔은 빔 액슬 자체가 비틀리며 스태빌라이져 역할을 할 뿐 완충은 코일 스프링으로 한다.- 코일 스프링 - 선형적인 특성 때문에 승차감이 좋아 승용차량에 가장 많이 사용한다.
- 리프(판) 스프링 - 판 형태의 스프링. 아래 리프스프링 서스펜션 참고
- 토션바 - 봉 형태의 스프링으로, 비틀림(토션) 강성을 활용. 토션'빔'과 헷갈리면 안된다.
- 에어 스프링 - 공기압으로 지탱하는 스프링(밸로우즈)으로 공기압 유지를 위해 별도의 에어컴프레서가 필요하다. 대형 고급 승용차나 일부 오프로드 SUV, 초대형 상용차[8]에 쓰인다.
5.2. 방식에 따른 종류
5.2.1. 차륜식 차량
- 리지드 액슬 서스펜션
- 리프 스프링 서스펜션[9]
- 롱 테이퍼 서스펜션[10]
- 트레일링 암 서스펜션
- 세미-트레일링 암 서스펜션
- 토션빔 서스펜션
- 더블 위시본 서스펜션
- 맥퍼슨 스트럿 서스펜션
- 듀얼링크 서스펜션[11]
- 멀티링크 서스펜션
- 하이드로뉴매틱 서스펜션[12]
- 에어 서스펜션
- 전자제어 서스펜션
5.2.2. 이륜차량
- 오토바이의 현가장치 - 항목 참조
5.2.3. 궤도 차량
바퀴로 차륜 대신에 무한궤도를 사용하는 차량의 경우 일반 차륜식 차량과 비교해서 현가장치에 상당한 차이가 있다.일단 무한궤도식 차량은 땅에 닿는 바퀴(보기륜)가 일반 차량에 비해 훨씬 많다. 보통 승용차는 한쪽에 2개를 넘지 않고, 대형 화물차량이래도 4개 정도면 매우 많은 축에 드는 데 반해, 궤도차량의 경우는 지면에 닿는 바퀴가 한쪽에만 6~8개쯤 되는 경우가 흔하다. 때문에 이 바퀴마다 모두 현가장치를 달아주면 공간과 중량을 상당히 많이 잡아먹는 문제가 있다. 또한 궤도차량은 일반 차량보다 훨씬 무겁고 특히나 군용 궤도차량은 장갑과 무장의 무게로 매우 무거워지기 때문에, 현가장치의 설계도 이를 지지할 수 있게 좀 다른 더 튼튼한 구조로 만들어질 필요가 있어 역시 공간과 중량 문제가 더욱 심해지게 되어 일반 차량과는 다른 구조의 방식을 택하게 되었다.
- 리프 스프링 서스펜션
항목 참조. 일반 차륜형 상용차량에도 많이 쓰였던 방식이다. 비교적 단순하고 내부공간을 거의 잡아먹지 않고 정비가 쉬우며 저렴하지만, 2차 대전기를 기준으로 대형화되는 전차의 중량을 버티기 힘들어져서 이후 전차의 서스펜션으로는 거의 쓰이지 않게 된다. 전간기에 개발된 독일의 4호 전차가 대표적인 리프 스프링 서스펜션 장착 전차의 예로, 토션바 기술이 있음에도[13] 부품의 저렴함과 유지보수가 용이하다는 장점이 있는 리프 스프링을 사용하였다. 하지만 20톤 중후반을 넘긴 4호 돌격전차 이후로는 거의 쓰이지 않았다.
- 코일 스프링
단순하게 코일 스프링같은 스프링을 수직으로 장착하고, 보기륜이 위아래로 움직이면서 스프링의 탄성력을 받아서 다시 원위치로 돌아가도록 스프링 아래에 보기륜 축이나 로드암을 장착하는 방식. 전간기에 주로 쓰인 방식이며 대표적인 사용예는 영국의 처칠 전차다. 사용되는 부품이 적은 만큼 구조적으로 단순하지만, 고중량을 버티기 위해 스프링이 압축되는 범위가 작다보니 보기륜이 상하로 가동할 수 있는 범위도 좁아서 지형 적응성이 좋지 못하다. 따라서 가동 범위 문제를 해결하기 위해 지레의 원리를 이용해서 스프링에 막대나 크랭크를 장착하고, 그 막대 끝에 보기륜 암을 달아놓아서 보기륜이 움직이는 범위를 늘리는 방식이 등장하는데 아래의 크리스티식, 홀스트만식이 그 예시다.
- VVSS (Vertical Volute Spring Suspension), HVSS (Horizontal Volute Spring Suspension)
벌류트 스프링 서스펜션 항목 참조.
- 토션바 서스펜션
3호 전차 E형의 토션바 서스펜션
이 방식은 SUV나 일반 차량에도 쓰이긴 하나 무거운 궤도식 장갑차량에 특히 많이 쓰이는 방식이다. 20세기 중반 이후로는 승용차나 상용차에는 그리 잘 쓰이지는 않으나 여전히 군용으로는 인기가 많다. 항목 참조. - 유기압 현가장치
항목 참조.
[1] 그래서 과거 서스펜션이 없었던 시대의 전차는 목숨을 담보로 한 무기였다. 탑승자의.[2] 하다못해 흔들림을 유발할 상황을 없애는게 실질적으로 가능한 기차에도 서스펜션이 당연히 있다.[3] 겉을 감싸고 도는 코일 스프링과 안쪽의 유압 실린더인 댐퍼로 (한 통은 모노튜브, 두 통이 겹치게 해놓은 것은 트윈 튜브) 구성되어 있으며, 일부에서는 쇽 업쇼버 혹은 쇼바, 샥(주로 MTB에서)이라고 부른다.[4] 자세한 내용은 공진 항목 참조[5] 단, 그렇다고 무조건 서스펜션이 단단할 수록 더 좋다는 뜻이 아니다. 트랙용 차량은 그에 걸맞게 서킷에서 급가속, 급제동 및 격렬한 코너링을 감당해야 하기 때문에 일반 차량에 쓰이는 물렁한 서스펜션으로 했다가는 반응속도 및 안정성이 낮아지는 것은 물론이고 극단적으로 가면 서스펜션이 차체에 닿는 상황이 벌어진다.(통칭 바텀밍(Bottoming).) 에어로파츠를 장착한 차량의 경우, 여기에 발생되는 다운포스로 인해 짓눌려지는 무게도 함께 고려해야 하기 때문에 이에 맞추기 위해서 서스펜션을 단단하게 하는 것이지 필요이상으로 하면 타이어와 도로 사이의 접촉 성능이 오히려 떨어지기까지 하여 기대하는 것 만큼의 코너링 증가가 이루어지지 않는다. 만약 정말로 단단할 수록 좋다고 한다면 애프터마켓 부품의 상당수는 상단의 영상에 나와있는 것처럼 쇠파이프나, 혹은 그에 근접한 무엇(...)이 대부분을 차지했을 것이다. 그렇기 때문에 결국은 해당 차량이 격렬하게 움직이는 정도 및 다운포스와 그 차량의 서스펜션의 강도를 적절히 맞추어서 최적의 밸런스를 찾는 것이 중요하다고 할 수 있다.[6] 맥퍼슨, 더블 위시본, 트레일링 암, 멀티링크 등등[7] 리지드 액슬, 토션빔[8] 주로 버스와 무진동 차량.[9] 흔히 판스프링이라고 부르는 그것이다.[10] 스프링 갯수를 줄이고 스프링(스팬)을 길게 늘린 서스펜션이다. 주로 에어 스프링과 병행해 사용한다.[11] 맥퍼슨 스트럿의 로워 암을 2개의 링크로 나눠 만든 형태. 멀티링크랑 비슷하다.[12] 유기압 현가장치라고도 한다. 공압과 유압을 모두 사용하는 방식의 서스펜션으로, 대표적으로 시트로엥이 자사의 차량에 이 방식을 널리 사용했다.[13] 3호 전차에는 토션바가 적용되었다.