현가 시스템 [1] 현가장치의 원리
원리를 알자
오늘날 자동차는 `모든 과학의 집합체'라고들 한다. 그만큼 자동차는 운전자가 편리하고 편안하게 이용할 수 있도록 해주는 움직이는 주거공간이 되어가고 있다. 이에 따라 자동차 기술도 나날이 어렵고 복잡해지고 있다.
첨단 기술들이 속속 등장함에 따라 자동차의 고출력, 고성능화로 이젠 손쉬운 고속주행이 가능해졌다. 이에 따라 각 메이커에서는 저속 때 운전이 용이하면서도 고속 때 안정감을 주는 현가장치(하체)의 개발에 적극 나서고 있다. 그렇다면 각 메이커에서는 어떻게 그러한 성능을 만들어가는가? 지금부터 그 시스템에 대해 1가지씩 소개한다.
얼라인먼트라는 단어를 떠올릴 때는 단순히 바퀴의 각도만을 생각해서는 안된다. 얼라인먼트는 자동차를 받혀주고 주행하도록 하는 모든 부품들이 제대로 조립되어 있는가를 보여주는 것일 뿐만 아니라 그 성능이 제대로 발휘할 수 있도록 중심을 잡아 주는 것이라고 생각해야 하기 때문이다.
얼라인먼트의 요소 중 1가지라도 잘못되어 있다면 운전자가 바로 느끼지는 못한다 하더라도 어디엔가 결정적으로 취약한 부분이 생기기 마련이다.
얼라인먼트의 원리를 제대로 이해한다면 운전자가 어떤 문제가 있다고 고쳐달라고 요구할 때 수월하게 문제를 해결할 수 있을 것이다. 그 뿐만 아니라 `이런 이런 부적절한 현상도 있을 것이다'라고 미리 진단도 할 수 있게 된다. 이번에는 코너링 때 하체의 러버 부시의 역할에 대해 설명한다.
코너링 때 자동차의 상태를 파악하려면 우선 선회 때 자동차가 어떻게 움직이는지를 알아야 한다. 선회특성의 종류를 설명하면 다음과 같다.
언더 스티어(Under Steer)
일정한 코너를 돌 때 속도를 높이면 회전 반경이 커지는 선회로 통상 90년 초까지 승용차 대부분이 이 특성을 보였다. 이러한 선회특성은 고속에서 차체의 요동이 적어 고속 직진성이 좋지만 차체의 방향 전환이 늦어 운전이 둔하다는 것이 일반적인 견해이다. 즉 조종성보다는 안정성을 강조한다고 보면 된다.
뉴트럴 스티어(Neutral Steer)
속도를 높여도 회전 반경이 일정한 특성으로 자동차의 방향 전환 응답성이 빠르고 코너링 특성이 우수해 차가 마치 내 맘 같이 움직여 준다는 느낌이 들게 해 최근 신차에 많이 적용되고 있다. 즉 안정성보다는 조종성을 강조한다고 보면 된다.
오버 스티어(Over Steer)
속도를 높이면 오히려 반경이 적어지는 선회특성이다. 반경이 작은 코너를 속도를 줄이지 않고 달릴 수 있어 전부터 스포츠카나 경주용차에 주로 적용되고 있다. 즉 극단적으로 조종성을 강조했다고 할 수 있다.
리버스 스티어(Reverse steer)
속도를 높이는 도중 언더가 나오다가 오버가 나오는 특성으로 가능한 있어서는 안되는 특성이다.
휠 얼라인먼트를 말할 때 일정한 값으로만 생각을 해 '단순히 정지 상태에서만 맞추면 된다'라는 생각은 크게 잘못된 것이다. 위의 롤 스티어처럼 코너링 때 차체의 기울어짐에 의해서도 얼라인먼트가 변화되기 때문이다. 참고로 컴플라이언스 스티어는 코너링 때 원심력에 의해 하체의 링키지의 연결부 러버 부시에 인장과 압축을 주는데 이 인장, 압축에 얼라인먼트를 변하게 한다. 즉 이렇게 자동차가 선회하면서 얼라인먼트를 변화시키는 요인도 있다는 것을 알고 나면 동적인 상태에서의 얼라인먼트를 이해할 수 있어 새로운 응용의 단계로 접어들 수 있을 것이다.
코너링 때 자동차가 뉴트럴 스티어(Neutral Steer : 코너링 때 속도를 높여도 반경이 일정한 선회특성) 경향을 보이거나, 언더 스티어(Under Steer : 코너링 때 속도를 높이면 반경이 거지는 선회특성) 경향이 작게 나타나는 차라면 이는 조향 때 자동차의 방향전환 응답성이 빠르게 되어 조종성이 용이해진다.
반면에 언더 스티어가 크게 나타나는 차는 반대로 조종성이 둔해지는 반면에 고속에서 차체의 움직임이 적어져 고속 직진성이 좋아진다.
실제 메이커에서는 이러한 선회특성(조종의 용이성과 고속에서의 안전성이 상반되는 것)을 적당한 수준에서 균형을 이룰 수 있도록 최대한 노력하고 있다. 하지만 여기에는 한계가 있기 때문에 자동차 등급이나 소비자의 취향에 따라 어느 한 쪽에 비중을 더 두고 개발하고 있다.
컴플라이언스(러버 부시류)에 의한 선회 특성
지금까지 선회특성에 대해 설명했다. 지금부터 하체의 러버 부시(고무 부시)가 어떤 역할을 하는지에 대해 설명한다.
그동안은 안정성 위주의 언더 스티어를 많이 강조했다. 최근의 신차는 스포츠카나 경기용 차처럼 특수한 용도의 자동차가 아니라면 대부분 코너링 때 회전 반경이 일정(뉴트럴 스티어)하거나 약간 증가(약한 언더 스티어)하는 조종성 위주의 선회특성을 보인다.
이는(기아 엘란의 경우 약한 오버 스티어임) 안정감보다는 조종성을 향상시킨다는 점도 있지만 실제는 기술의 증가에 힘입어 2가지 다 추구하고 있기 때문이다.
즉 최근에는 메이커마다 약간의 차이는 있지만 타이어나 하체의 부품의 성능을 높이고 차체의 공기저항을 줄여 안정감을 유지시킴으로써 선회특성을 뉴트럴에 가깝게 만들어 조종성을 높이고 있다.
그렇다면 이러한 것들을 어떻게 만드는 것일까? 만들다 보니 그렇게 된 것은 절대 아니다. 다만 자동차 메이커에서 고객의 취향을 검토해 이렇게 한 것이라는 것을 미리 알리고 싶다.
이를 정리하면 하체를 지지하는 링키지의 지지 위치와 길이 등을 검토해 코너링 때 차체 기울어짐에 따라 타이어의 조향각(슬립각)을 변화시키는 롤 스티어(Roll Steer)와 이러한 링키지의 체결 부위나 연결 부위의 러버 부시가 코너링 때 횡력을 받아 발생하는 변형량에 따라 타이어가 조향(슬립각이 변화)되는 컴플라이언스 스티어(Compliance steer)의 2가지로 분류할 수 있다.
이 가운데 일반 정비사가 정비하는데 많이 사용할 수 있는 컴플라이언스 스티어를 먼저 설명한다.
자동차에서는 각각의 연결 부위마다 부시가 있는 것을 보았을 것이다. 그리고 이러한 부시들을 눌러 보면 딱딱함이 다르고, 분해해 빼보면 모양이 틀리다는 것도 이를 유심히 본 정비사라면 다 알 수 있을 것이다. 여기에 코너링 때 자동차의 선회 특성을 발휘하게 하는 이유가 있다. 하체의 각 링키지의 연결부위에 있는 부시가 선회 때 인장과 수축을 하면서 나타나는 토의 변화를 컴플라이언스 스티어라고 한다.
다시 설명한다면 차체는 선회 때 원심력에 의해 코너 밖으로 나갈려는 관성이 생긴다. 이와는 반대로 타어어는 지면과의 마찰력(코너링 포스)이 있어 이 힘이 균형을 이루어 코너를 돌게 된다. 이때 하체를 지지하는 각 링키지에 힘을 받게 된다. 즉 코너링 때 안쪽의 앞·뒤 바퀴의 링키지는 압축을 받고, 바깥쪽의 앞·뒤 바퀴와 연결된 링키지는 인장을 받는다.(위의 그림2 참조)
이 때 링키지의 연결부에 있는 러버 부시는 압축(코너링 때 내측에 있는 앞·뒤 바퀴측에 연결된 링키지)과 인장(코너링 때 외측의 앞·뒤 바퀴측)을 받게 된다. 여기서 부시의 강성(딱딱함과 부드러움) 차이 때문에 각 바퀴의 링키지에 있는 부시가 변형이 많거나 적게되어 토 변화를 일으키게 되는 것이다.
<그림 2>에서 각 바퀴에 연결된 링키지의 앞쪽에 강한 부시가 있고 뒤에 연한 부시가 있다면, 선회 중 뒤에 있는 연한 부시의 변형량이 많을 것이다. 즉 뒷바퀴의 연한 부시가 앞쪽에 위치한다면 바퀴가 선회 때 외측은 토인으로 내측은 토아웃으로 변화를 일으켜 언더 스티어의 경향이 나타나게 될 것이다.
연한 부시가 뒤쪽에 위치한다면 바퀴 선회 때 외측은 토아웃으로 내측은 토인으로 변화를 일으켜 오버 스티어의 경향이 나타나게 될 것이다.
앞바퀴굴림방식(FF)은 뒷바퀴굴림방식(FR) 자동차와는 반대로 스티어 현상이 일어날 것이다. 이것을 확인하고 싶다면 각 링키지의 부시를 손톱으로 눌러보아 어느 쪽이 단단한지 구별해서 오버인지 언더인지 예상을 해보고 방해받지 않을 만큼 넓은 운동장에서 일정한 원을 돌아보면서 가속을 해보면 될 것이다.
시험을 할 때는 핸들을 일정한 각도로 돌린 상태에서 속도를 높이면서 실행해야 한다. 이때 예상과 틀린다면 이는 롤 스티어의 영향과 자동차의 제원에 영향이 별도로 있어 이것과 연관되어 나타나기 때문이며, 실제 자동차의 선회특성은 콤프라이언스 스티어와 정확한 경향을 보인다고 결론짓기는 힘들다. 이처럼 사소하게 생각되던 부시에서 선회 때 토 변화를 주어 자동차의 주행상태를 결정하게 되리라고는 생각하지 못했을 것이다. 이것이 앞에서 말한 원리를 알면 정비를 쉽고 빠르게 할 수 있다는 의미이다.
공차체결을 합시다
위에서 각종 링키지의 연결부에 있는 러버 부시의 역할을 설명했다. 그런데 이 러버 부시가 손상되어 있거나 적당하게 조여져 있다면 어떻게 될 것인가. 즉 콤프라이언스 스티어가 자동차메이커에서 개발 때 의도했던 성능을 보이지 않게된다면 어떻게 할 것인가?
얼라인먼트를 맞출 때는 공차체결을 해야한다. 공차체결이라는 것은 러버 부시 체결부의 볼트나 너트를 전부 느슨하게 푼 다음 차체를 눌렀다 놓았다하면서 상하 움직임을 주고 전후로 이동시키면서 러버 부시가 자리를 잡게 한 다음 그 상태에서 각 체결부를 엔진헤드 조립과 같이 대각선 방향으로 골고루 조여주는 작업을 말한다.
일본에서는 러버 부시뿐만 아니라 하체를 지지하는 모든 부품의 체결부는 공차체결을 하라고 권고하고 있다.
이 때 조이는 것이 편하다고 2점지지 리프트로 차체만 들고 타이어는 축 늘어진 상태로 조이면 절대 안된다. 타이어가 축 늘어진 상태로 러버 부시부를 조이면 주행 중 항상 비틀림을 받고 회복하려는 힘 때문에 차는 흔들거리는 현상이 발생하게 된다.
공차체결은 새차를 산 후 6개월 정도 지나면 해주는 것이 좋다. 특히 사고 이후 하체 정비를 한 다음에는 반드시 해야하며, 그런 다음에 얼라인먼트를 맞추어야 한다.
참고로 가끔 얼라인먼트를 맞추어도 금새 틀어지는 차가 있으면 공차체결이 제대로 안 되어 있는 경우라 할 수 있다. 특히 고속에서 휘청대는 차가 있어 얼라인먼트를 맞추어도 개선이 안되는 경우는 공차체결을 한 후 얼라인먼트를 맞추면 개선되는 경우가 많다는 것을 아울러 알려주고 싶다.