[스터디] 현가장치 개요

[목차]
현가장치
- 승차감과 조정 안정성의 관계
- 현가장치의 구조
     스프링 / 쇽업쇼버 / 스테빌라이저바 / 인슐레이터 / 부시 / 서스펜션 암
- 현가장치의 분류
     설치 위치에 따른 분류 / 형식에 따른 분류
- 현가장치의 종류
     McPherson Strut / Double Wishbone / Multi-Link / Trailing Arm / Torsion Beam
- 현가장치의 특성
     캠퍼 / 킹핀 각 / 토 / 캐스터

 

현가장치(Suspension System)

현가장치의 목적은 차체와 차축을 연결하며 주행 중 발생하는 노면의 충격을 흡수하며, 구동/조향/제동 시에 발생하는 외력에 대해서 바퀴를 차체에 바르게 지지하는 장치

 

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승차감과 조정 안정성의 관계

조종 안정성과 승차감을 위해 각종 링크류, 스프링, 감쇠장치 등으로 서스펜션을 구성하며 차량 성능의 향상을 추구한다.

승차감을 좋게 하기 위해 강성이 낮은 스프링을 설계	→	롤과 피치 운동이 커져 조종 안정성이 나빠진다
조정 안정성을 좋게 하기 위해 강성이 높은 스프링을 설계	→	차량의 상하 운동에 큰 힘을 받아 승차감이 나빠진다

 

* 서스펜션의 과제는 상반되는 두 특성의 밸런스를 어떻게 유지할 것인지?

 

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현가장치의 구조

현가장치 종류에 따라 다르지만, 기본적으로 스프링, 쇽업쇼바, 스테빌라이저바, 부시, 서스펜션암,  인슐레이터 등으로 구성되어있다.

 

1. 스프링(Spring)

: 차체와 차축 사이에 설치되어 주행 중 노면으로부터 충격이나 진동을 흡수

예) 판스프링, 코일스프링, 공기스프링, 토션바스프링

 

1) 판 스프링 : 스프링강을 구부린 띠 모양을 겹쳐 놓은 상태

  - 코일스프링 대비 탄성에너지 흡수율이 떨어진다

  - 큰하중지지에 유리하다

  - 주로 버스나 트럭에 사용

 

2) 코일 스프링 : 스프링 강을 코일 모양으로 만들어 비틀림 강성을 이용한 방식

  - 주로 승용차 앞/뒤 차축에 사용

 

3) 공기 스프링 : 공기의 탄성을 이용한 방식

  - 하중이 변해도 차고를 일정하게 유지

  - 주로 트럭, 버스, 고급승용차에 사용

 

4) 토션바 스프링 : 비틀림 탄성을 이용한 방식

  - 비교적 가볍고 구조가 간단

  - 진동의 감쇠작용이 없어 속업쇼버 병행이 필요

  - 주로 승합차에 사용

 

2. 쇽업쇼버(Shock Absober)

: 자동차 주행 시 스프링이 받는 충격에 의해 발생하는 고유진동을 흡수하여 자동차의 안정성과 승차감을 향상시킨다.

 

3. 스테빌라이저바(Stabilizer bar)

: 차체의 기울기를 작게하기 위한 막대 스프링이며 선회할 때 롤링을 감소하고 차체의 평형을 유지하는 장치

 

4. 인슐레이터(Insulator)

: 스프링, 쇽업쇼버로부터 들어오는 충격과 진동을 직접 차체에 전달되지 않도록 절연 작용

 

5. 부시(Bush)

: 차체와 서스펜션 연결부에 사용되며 노면으로부터의 충격과 진동을 완화시켜 승차감 향상

 

6. 서스펜션 암(Suspension Arm)

: 주행 중 타이어를 통하여 들어오는 횡력, 전후력, 상하력을 지지하여 타이어의 이상 거동을 방지하며, Suspension Link로서 Suspension Geometry 변화를 결정

예시) McPherson Strut

 

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현가장치의 분류

현가장치는 설치 위치와 형식에 따라서 분류될 수 있다.

 

1. 설치 위치에 따른 분류

차량 앞뒤 부착위치에 따른 분류이다.

 

1) 프론트 서스펜션 : 전륜에 설치되는 서스펜션

- 예) McPherson Strut, Double Wishbone, Multi-Link, ...

 

2) 리어 서스펜션 : 후륜에 설치되는 서스펜션

- 예) Multi-Link, Strut Type, Full Trailing Arm, Double Wishbone, Torsion Beam Axle,  ...

 

 

 

2. 형식에 따른 분류

휠 좌우의 서스펜션이 독립되어 있는지 또는 연결되어 있는지에 따른 분류이다.

 

1) 독립현가식

: 좌우 바퀴가 독립되게 설치되어 현가 장치가 서로 조합되어서 차체에 설치된 형식

- 예) McPherson Strut, Double Wishbone, Multi-link, Swing Arm, ...

 

a. 독립현가식 장점

- 조종 안정성 및 승차감 등 기본 성능이 우수함
- 설계 자유도가 높다
- 차량의 성격에 따라 현가장치의 특성을 맞추기 쉽다
- 부품을 낮게 설계할 수 있어 차량의 무게 중심을 낮출 수 있다

 

b. 독립현가식 단점

 - 구조가 복잡하다
- 가격이 비싸다
- 강도와 내구성이 독립현가식 대비하여 상대적으로 불리하다

<독립현가식>

 

2) 일체차축식

: 좌우의 바퀴가 하나의 차축으로 연결되어 그 차축을 스프링을 매개로 차체에 장착하는 형식

- Leaf Spring, Link type, de Dion Type

 

a. 일체차축식 장점

- 구조가 간단하여 가격이 저렴하다

- 강도가 크고 보수가 쉬워 대형 트럭이나 버스에 많이 사용된다

- 선회 시 롤 중심이 현가장치 지점 부근으로 비교적 높은 위치에 있으며, 차체의 경사가 완만하다

 

b. 일체차축식 단점

- 스프링 하중량이 커서 승차감이 좋지않다

- 좌우 현가장치의 압축상태 차이로 액슬 스티어링이 발생하기 쉽다 → 조향 장치의 진동인 시미(Shimmy)현상 발생 원인

<일체차축식>

 

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현가장치의 종류

아래는 대표적인 현가장치 종류에 대한 설명이다

 

1. 맥퍼슨 스트럿(McPherson Strut)

쇽업쇼버를 내장하고 있으며 스프링이 부착된 스트럿(Struts)과 스트럿 상단을 차체에 부착한 다음, 하단을 로어 암(Lower Control Arm)으로 지지하는 구조

 

1) 맥퍼슨 스트럿 타입 장점

- 생산원가가 낮음

- 어퍼암이 없어 구조가 간단함

- 얼라인먼트 조절 장치가 없어 구조가 단순

- 공간을 적게 지지하여 설계에 유리

- 현가하질량이 상대적으로 가벼움

 

2) 맥퍼슨 스트럿 타입 단점

- 더블위시본에 비해 운동학적 특성이 떨어짐

- 횡력에 대한 저항력이 약해 조종안정성이 떨어짐

- 노면의 진동이 탑 마운트를 통해 바디에 직접전달

- 캠버 조절이 어려움

 

 

 

2. 더블 위시본(Double Wishbone, Double A arm)

상하 한 쌍의 컨트롤 암을 조향중심축에 연결하고 스프링은 수직방향 하중을 지지

 

1) 더블 위시본 타입 장점

- 운동학적으로 컨트롤 용이

- 다양한 변화에 맞춰 최적의 토 인, 캠버의 조질이 가능

- Geometry의 설계가 매우 자유로움

- 승차감이 뛰어남

- Pitching에 대해 밸런스 유지가 용이

- 뛰어난 핸들링이 가능한 서스펜션 구조

 

2) 더블 위시본 타입 단점

- 생산원가가 비쌈

- 지속적으로 얼라인먼트를 체크해야 함

- 맥퍼슨스트럿에 비해 구조가 복잡하고, 구성부품이 많음

- 공간을 많이 차지하여 설계에 불리함

- 현가하 질량이 상대적으로 무거움

 

Double Wishbone 구조와 명칭

 

 

 

3. 멀티 링크(Multi-link)

여러개의 링크로 이루어진 서스펜션으로 더블 위시본을 기본으로 하며, A형 암을 분리하여 여러 개의 링크로 독립화시켜 더욱 세밀한 서스펜션 세팅이 가능하다. 제조사별 차종별로 다양한 종류의 Multi-link가 있다.

예시) 5-link, 어퍼암 + 3-Link, 트레일링암 + 3-Link, H형 로워암 + 2-Link

 

1) 멀티 링크 타입 장점

- 설계자유도가 높아 승차감과 조종안정성 양립이 가능

- 휠 얼라인먼트를 이상적으로 설정할 수 있음

 

2) 멀티 링크 타입 단점

- 다른 방식에 비해 구조가 복잡해 가격이 비쌈

- 링크가 많을수록 수리 및 관리하기가 어렵다

Multi-Link 예시 (Benz E-class 2009 / Lexus LFA 2012 / BMW 5 2011)

 

 

 

4. 트레일링 암(Trailing Arm)

차체와 액슬 사이에 트레일링 암이 위치하는 구조로 진행방향 전방에 피봇점이 있고 이를 중심으로 트레일링 암이 회전운동을 하는 방식이다. 차체 뒤쪽을 향해 배치된 스윙 암으로 휠축을 끌어당기는 형태이며 롤 강성이 약한 편으로 언더스티어가 나타나기 쉽다. 일반적으로 FF차량의 후륜서스펜션으로 주로 사용된다.

 

1) 트레일링 암 타입 장점

- 구조가 간단하여 공간 확보에 유리하다

- Tread 변화, 캠버, 토우 변화가 없다

 

2) 트레일링 암 타입 단점

- 횡강성에 취약하다

- 롤 중심이 노면에 있어 언더스티어 현상이 쉽게 발생한다

Trailing arm의 구조와 명칭

 

 

 

5. 토션 빔(Torsion Beam)

트레일링 암 방식과 유사하며, 양쪽의 트레일링 암이 크로스 빔에 용접으로 연결된 형태이다. 양쪽 트레일링 암과 중간에 비틀림을 받는 토션빔으로 구성되어 있다. 일반적으로 가격이 저렴하고 공간이용 효율이 높지만, 소음이 크고 지지점 강성 확보가 어렵다

 

토션 빔의 종류에는 액슬 빔(Axle Beam)/피봇 빔(Pivot Beam)/커플드 링크 액슬(Coupled Link Axle)이 있다

 

1) 액슬 빔

- 안정적인 핸들링이 가능한 구조

- 스테빌라이저 효과가 적다

- 횡강성에 강하다

- 차체가 솟아오른느 잭업(Jack-Up)현상이 발생할 수 있다

 

2) 피봇 빔

- ㄷ자 형의 부재에 타이어가 부착되는 구조

- 스테빌라이저 효과가 크다

- 횡강성에 약하다

 

3) 커플드 링크 액슬

- 컴파운드 링크라고도 부른다

- 액슬빔과 피봇빔의 중간 형태

- 표준화된 토션 빔 방식

- 피봇 부싱에 과도한 부하가 집중되어 오버스티어 현상이 발생할 수 있다.

 

Torsion Beam 구조 (액슬빔/피봇빔/커플드 링크 액슬)

 

 

 

현가장치의 특성

차량의 하중을 지지하는 바퀴는 어떤 각도를 두고 차축에 설계되어 있으며, 바퀴의 대표적인 기하학적인 각도 특성은 캠버/킹핀 각/토/캐스터가 있다.

 

1. 캠버(Camber)

자동차의 앞바퀴를 정면에서 보았을 때 타이어 중심선과 노면에 대한 수직선이 이루는 각도이다. (일반적으로 0.5 ~ 2˚)

 

1) Positive Camber 특징

- 대부분의 승용차의 전륜 캠버이다

- 직진성이 증대되며 킹핀 오프셋이 감소한다

- Positive Camber가 클 수록 커브 주행 시 선회력이 감소한다

 

2) Neutral Camber(Zero Camber) 특징

- 바퀴의 중심선이 지면과 수직일 때의 캠버이다

 

3) Negative Camber 특징

- 대부분 승용차의 후륜 캠버이다

- 고속자동차의 전륜도 부의 캠버를 사용한다

- 커브 주행 시 선회력이 증가한다

- 타이어 트레드의 내측 마모가 촉진된다

 

4) 캠버의 영향

- 앞바퀴가 하중을 받았을 때 아래로 벌어지는 것을 방지한다

- 주행할 때 바퀴가 탈출하는 것을 방지한다

- 킹핀 오프셋량을 적게 하여 핸들조작을 가볍게 한다

- 바퀴의 트레드 중심이 안쪽으로 들어가기 때문에 하중이 가해지는 점이 너클 스핀들의 안부분에 가까워져 스핀들 또는 너클의 굽힘력이 적어진다

 

 

 

2. 킹핀 각 (King Pin angle)

조향 바퀴의 윗 볼 조인트와 아랫볼 조인트의 중심을 잇는 직선과 수직선이 이루는 각도 (일반적으로 승용차 10 ~ 15˚, 트럭 0 ~ 5 ˚ )

 

1) 킹핀 경사각의 영향

- 조향 핸들의 조향력 경감이 경감된다.

- 캠버와 함께 킹핀 옵셋량을 적게하여 조작력 경감

- 차량 전후방향에서 충격이 발생하면 오프셋 암 길이로 하는 조향축 둘레에 회전 충격이 가해져 핸들에 전달될 수 있다

- 앞바퀴에 직진 위치로 쉽게 돌아가도록 복원성을 부여한다

- 조향 차륜에 시미(shimmy) 현상 방지한다

 

 

 

3. 토(Toe)

차량을 위에서 보았을 때 타이어가 안쪽(Toe in) 또는 바깥쪽(Toe out)으로 기울어진 각도

 

1) Toe in의 특징

- 차량은 주행 시 캠버에 의해 비스듬히 굴러가는 경향이 있으며, 이것을 직진시키기 위하여 토인이 필요하다

- 타이어의 횡방향 슬립이 감소하고 타이어의 마멸을 방지한다

- 조향 링키지의 마멸에 의한 Toe out을 방지한다

 

 

 

 

4. 캐스터(Caster)

차량의 측면에서 보았을 때 스티어링 축이 기울어진 각도 (일반적으로 0~5˚)

 

1) Positvie Caster의 특징 

- 직진성이 좋아진다

- 조향 시 직진 방향으로 되돌아오는 복원력을 부여한다

 

2) Negative Caster의 특징

- 커브 선회 시 복원력 감소한다

- 옆바람에 대한 민감성이 감소한다

 

3) Caster의 역할

- 조향 안정성과 제어 유지를 할 수 있다

- 조향 바퀴의 복원성이 증대된다

- 조향 조작력이 감소한다