현가장치의 종류
차량의 승차감을 유지해주고 진동이나 충격을 흡수해주는 장치인 현가장치의 종류와 구조, 특징에 대해 정리했습니다.
목차
1. 현가 장치 (Suspension system)
현가장치란 불규칙한 노면으로 인한 진동과 충격을 감쇠시켜 편안한 승차감을 유지시켜주고 차량의 다른 부품들을 진동과 충격으로부터 보호해 주는 역할을 하는 자동차 부품이다.
넓은 의미의 현가장치는 차체와 노면사이에 있는 타이어, 스프링, 댐퍼, 기구학 적 링크를 의미하며, 차축과 노면 사이의 타이어를 1차 현가장치(Primary suspension), 차축과 차체 사이의 스프링과 댐퍼를 2차 현가장치(Secondary suspension)라고 한다. 일반적으로 현가장치란 차체와 차축을 연결하는 스프링과 댐퍼 등으로 이루어진 2차 현가장치를 의미한다.
현가장치는 충격을 흡수하는 기능 외에도 타이어를 노면에 확실하게 접지시키는 것이 주 역할이다. 탑승자의 승차감과 차량의 조종성 및 안정성에 큰 영향을 미친다.
현가장치는 기구학적 연결 형태, 스프링의 총류, 독립성 여부 등에 따라 여러 종류가 있다. 현가장치는 구조형상에 따라 차축식(Solid axle)과 같은 일체식 현가장치와 독립식 현가장치로 나눌 수 있다.
2. 독립 현가장치 (Independent Suspension system)
독립식 현가장치는 좌우의 차륜이 각각 독립하여 상하 움직일 수 있는 구조이며, 주로 승용차에 사용된다.
차륜 하나가 울퉁불퉁한 길을 지나도 다른 차륜에 영향을 주지 않고, 스프링 하부 중량이 가볍고 노면으로부터의 충격을 좌우 독립하여 완충하기 때문에 승차감이 좋다.
좌우바퀴를 연결하는 차축이 없기 때문에 고정차축에 비해 차량 바닥을 낮게 할 수 있으므로 타이어의 접지력이 뛰어나고, 엔진과 트렁크 플로어의 위치를 낮게 할 수있다.
특히 뒷바퀴 굴림 방식 차량의 경우에는 바퀴의 구동력을 효울적으로 노면에 전달하는데 효과적이다. 휠 얼라인먼트 설정도 비교적 자유로위 조종성과 안정성의 균형을 유지할 수 있으나 구조가 복잡하여 정비하기 어렵고 가격도 비싸다. 크게 스윙암식, 위시본식 및 스트러트식의 세가지로 나뉜다.
(1) 맥퍼슨 스트럿형(McPherson strut type)
구조가 단순하여 앞차륜 서스펜션에 많이 쓰인다. 속업소버를 내장하고 있고, 장착한 지주(스트러트)을 세로로 배치하여 위쪽 끝을 차체에 붙이고 아래쪽 끝을 로우암(Low arm)으로 지탱하는 구조다.
쇽업소버가 차체에 장착되는 지점이 높아 휠 얼라인먼트를 정확하게 설정할 수있고, 휠 얼라인먼트 수치의 변화가 적으며, 노면의 충격을 넓은 범위로 분산할 수 있다. 또한, 차륜을 로우암과 스프링이 일체로 된 쇽업소버 만으로 지탱하여 부품수가 적고 가벼워 제작비가 싸고 공간 활용도도 높다. 중형 이하 송용차의 서스펜션으로 많이 쓰인다.
(2) 더블 위시본형(Double wishbone type)
위 아래의 V나 Y 모양으로 갈라진 암과 컨트롤 링크, 댐퍼 및 스프링으로 차륜을 지지하는 방식이다. V나 Y 모양으로 갈라진 암의 모양이 새의 쇄골을 닮아서 위시본이라고 하고 이 위시본이 두 개 있으므로 더블 위시본이라 표현한다.
휠 얼라인먼트 변화의 폭이 넓고 조종 안정성이 매우 뛰어나지만 무겁고 공간을 많이 차지하며 비싸다. 공간을 많이 차지하므로 전륜에 사용될 경우 스티어링 타각이 부족하여 회전반경이 커질 수도 있다. 주로 중형 이상의 차량이나 스포츠카, SUV의 전륜에 많이 사용되나 주행성을 강조하는 경우 후륜에도 사용된다.
어퍼(Upper) 위시본과 컨트롤 링크를 없애고 댐퍼를 그대로 차체에 붙이면 맥퍼슨 스트럿 서스펜션이 된다. 위시본을 각각 두 개의 링크로 대체하여 멀티링크 서스펜션으로 진화했다.
(3) 멀티 링크형(Multi link type)
3~5개의 링크를 사용하여 차륜이 노면에 수직으로 접지되도록 설계된 독립식 서스펜션이다. 더블 위시본 서스펜션의 컨트롤 링크를 그대로 둔 채, 상하 두 개의 Y형 위시본 암을 두개의 링크로 대체한 구조이다.
구조가 복잡해서 제작비가 비싸고 무게도 많이 나가지만, 휠 얼라인먼트 변화를 항상 최적 상태로 제어하여 조종 안정성을 확보할 수 있다. 일부 고급차와 스포츠카에 한정적으로 쓰인다.
(4) 에어 스프링 독립현가
주로 브랜드의 최상위 기함급 승용차에 승차감을 향상시키거나 오프로드 SUV의 차고조절을 목적으로 적용한다. 맥퍼슨 스트럿 서스펜션, 더블 위시본 서스펜션, 멀티링크 서스펜션 거의 모든 승용차 서스펜션에 코일스프링을 대신해 들어간다.
3. 차축식 현가장치 / 리지드 액슬형(Rigid axle type)
일체 차축식 서스펜션은 가장 오래된 구조로, 라이브 액슬이나 솔리드 액슬, 또는 고정 차축식이라고 부른다. 좌우 차륜이 연결된 차축에 스프링과 속업소버를 장착한 서스펜션이다. 주로 버스나 트럭 등 상용차의 전후 바퀴 및 승용차의 후륜에 사용된다. 그 특징은 구조가 단순하기 때문에 값이 싸고 신뢰성이 높으며, 차륜의 상하운동에 대한 지면과의 접촉각 변화가 작아서 타이어의 마멸에 유리하다.
구조가 단순해서 값이 싸고 고장도 적다. 다만 좌우 차륜이 연결되어 있으므로 한쪽 차륜의 움직임이 그대로 반대쪽 차륜으로 전달되어 승차감과 주행 안정성이 타 서스펜션에 비해 떨어진다. 사용하는 스프링의 종류에 따라 평행 리프 스프링식, 토션빔 스프링식, 에어 스프링식으로 나뉜다.
(1) 리프 스프링형(Leaf spring type)
리프 스프링은 스프링 강재로 만든 널빠지 모양의 평판을 7~8매 또는 10여 매를 포갠 스프링으로, 겹판 스프링이라고도 한다. 철도 차량이나 자동차의 차체를 지지하는 부분에 사용된다.
가장 긴 금속판을 모판이라고 하고, 양쪽 끝에 스프링 귀를 만들어 지지하게 한다. 이 스프링은 길이가 다른 금속판을 몇 겹으로 겹쳐 만든 완충 장치로서, 구조는 간단하지만 승차감과 안정성이 뛰어나다. 이 스프링은 코일 스프링이 개발되기 전
까지 자동차용 최고의 서스펜션이었으나, 오늘날에는 주로 대형 상용차에만 주로 쓰인다.
(2) 토션 빔 스프링형(Torsion beam spring type)
세미 리지드 액슬식 서스펜션이라고도 불리는 형태로 전차나 트럭에서 많이 쓰였으나, 현재는 소형 승용차에 두루 쓰인다. 트레일링 암식 현가장치로서 좌우 트레일링 암을 크로스 빔에 연결한 형식이다.
스트로크에 따른 대지 캠버와 트레드 변화가 거의 없는 것, 간소한 구조에 따른 공간 절약성, 부품수와 가동 부분이 크게 줄기 때문에 비용이 저럼하다. 그러나 스프링 하질량이 무거워져 서스펜션 기하학적 형상의 자유도가 낮아지고, 타 서스펜
션 대비 접지성이 떨어지는 단점이 있다.
(3) 에어 스프링형(Air spring type)
공기 압력을 사용한 현가장치. 공기압이 현가상질량을 지지하면서 노면으로부터의 충격도 받아낸다. 이 공기압은 전기 혹은 엔진동력으로 에어컴프레서를 돌려 발생시키며, 서스펜션이 작동하다보면 수시로 누설될 수 있기 때문에 압력이 일정 이하로 떨어지거나 차량의 높이가 어느 정도 낮아지게 되면 수시로 컴프레서가 돌아 보충하게 된다.
에어 벨로우즈의 진동절연 능력이 매우 뛰어나서 작은 잔진동은 벨로우즈가 거의 걸러내주기 때문에 우수한 승차감을 제공하며 에어 서스펜션의 최대 장점이다. 공기압 조절을 통해 일정한 차고 유지 및 자유로운 차고 조절이 가능한 것도 장점이다. 반면에 비싼 가격과 내구성 부족은 단점으로 꼽힌다.
4. 기타
(1) 포털 액슬(Portal axle)
포털 액슬은 차축 튜브와 차동 장치 케이싱이 모두 차량 아래에 더 높게 위치하기 때문에 차량이 더 높은 지상고를 얻을 수 있도록 한다.
다른 모든 드라이브 트레인 구성 요소의 토크를 줄이는 휠의 기어 감속 으로 인해 차동장치 케이스의 크기를 줄여 지상고를 훨씬 더 높일 수 있다. 또한 모든 구동계 요소, 특히 트랜스퍼 기어박스(TC)와 구동축을 더 가볍게 만들 수 있다. 이는 주어진 지상고에 대해 무게 중심을 낮추는 데 유용할 수 있다 . 차량이 또한 감소된 최고 속도를 필요로 하는 경우, 최소 하나의 기어에서 이를 줄이기 위해 기어비를 선택할 수 있다.
그러나 더 무겁고 더 복잡한 허브 어셈블리가 필요하기 때문에 이러한 시스템은 현가 시스템의 중량을 증가시킬 수 있으며 예측 가능한 핸들링을 제공하기 위해 견고한 차축 제어 요소가 필요하다. 또한 고속에서는 허브 어셈블리가 과열될 수 있습니다.
(2) 하프 샤프트 (Half shaft)
하프 샤프트는 본질적으로 드라이브 액슬이며 트랜스 액슬 또는 디퍼렌셜에서 휠 중 하나로 확장되는 작업의 절반을 수행하기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 반대편에 있는 쌍둥이가 세트를 완성합니다. 샤프트는 단순한 샤프트이기 때문에 하프 샤프트는 오래 사용할 수 있지만 독립 서스펜션 차량의 양쪽 끝에서 샤프트를 연결하는 CV 조인트는 상당한 마모에 노출됩니다. 이러한 시스템에 대한 가장 신중한 유지 관리는 CV 조인트 주변의 고무 슬리브인 CV 조인트 부츠의 무결성을 유지하는 것입니다. 부츠는 그리스를 유지하고 이물질을 배출합니다. 찢어지거나 빠진 부츠는 마모를 가속화합니다.
(3) 인휠 시스템 (현대모비스)
인휠 시스템은 현대모비스가 개발한 신기술로, 자동차 바퀴에 전기모터를 넣어 브레이크, 기어 등을 통합하는 시스템이다.
차량 각 바퀴를 모터가 직접 제어하는 4륜 독립 구동 인휠 시스템으로, 자체 개발한 구동모터와 제어기 기술이 적용된다. 구동력이 바퀴에 곧바로 전달되기 때문에 별도의 동력 전달 부품이 필요하지 않으며, 구동 효율이 극대화된다. 엔진룸의 대형 모터도 없앨 수 있어 차량의 실내 공간이 더 넓어진다.
여유 공간을 활용해 추가 배터리를 채울 시에는 전동화 차량의 주행 거리를 늘리는 데 도움이 된다. 전후좌우 효율적인 토크 분배를 통해 약 20% 이상의 전비가 높아지는 효과가 있다. 최적의 선회 성능이나 차체 자세 제어 성능도 제공할 수 있다. 또한 주차장 회전 장치처럼 자동차가 제자리 회전을 하는 제로턴, 게처럼 옆으로 이동하는 크랩주행과 같은 특수 모션이 가능하다.
마무리
지금까지 현가장치의 종류와 구조별 특징에 대해 정리했습니다. 기본적인 개념을 파악하실 때 도움이 되시길 바랍니다.
끝까지 읽어주셔서 감사합니다.
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