현가 시스템 [11] 승용차에 적합한 독립 현가장치
이번에는 서스펜션의 구조와 특성 중 독립식 현가장치라 불리우는 인디펜던트 서스펜션(Independent Suspension)에 대해서 알아보자. 차륜의 장착되는 방식에 따라서 전륜의 경우는 스트러트형 현가장치, 위시본형 현가장치로 나눌 수 있고 후륜의 경우는 스윙 액슬형, 트레일링 암형, 세미 트레일링 암형, 다이어고널 링크형으로 나누어진다.
독립식 현가장치는 설치 면적이 작고 스프링 하중을 작게 할 수 있으므로 승차감 및 노면 접지성(road holding)이 향상되어 보디의 바닥을 낮출 수 있으므로 실내의 공간을 넓힐 수 있는 등의 효과가 있으며, 승용차의 일부나 스포츠카 등에 이 형식의 현가장치가 사용되고 있다. 그러나 차륜이 상하로 움직임에 따라서 차륜거리(축거:track)나 캠버(Camber)가 변화하는 특징이 있다.
구동 바퀴로의 동력전달은 차체하부에 고정된 종감속 기어로부터 유니버설 조인트를 가진 차축에 의해 전달되고 차축은 바퀴의 상하움직임에 의해 종감속 기어를 중심으로 원호운동을 하는 형식으로 이루어지는데 이러한 형식을 스윙 액슬이라고 한다. 차륜에 장착되는 방식에 따라서 전륜의 경우는 스트러트형 현가장치, 위시본형 현가장치로 나눌 수 있고 후륜의 경우는 스윙 액슬형, 트레일링 암형, 세미 트레일링 암형, 다이어고널 링크형으로 나누어 진다.
▶ 스트러트(strut) 형식의 현가장치
맥퍼슨(Mcpherson) 형식으로도 불리운다. 조향 너클(Steering Kunckle)과 일체로 되어 쇽업쇼바가 설치된 스트럿과 현가 암, 현가 암과 아랫부분을 연결하는 볼 조인트(Ball Joint) 및 스프링 등으로 구성되어 있다. 스트러트의 상부는 서포트(insulator)를 통해 차체에 결합되고 서포트는 스러스트 베어링이 삽입되어 있으며 자유로이 회전할 수 있도록 되어 있다.
<그림 1> 스트러트식 현가장치
단점으로는 스트러트 축과 조향축각(S.A.I)이 서로 타이어 중심의 접지점과 어긋나 있기 때문에 스트러트에 구부림 힘이 가해지게 된다. 이것을 보완하기 위해서 코일스프링을 스트러트 축과 오프셋 시켜 어느 정도 구부림 힘을 상쇄시키기는 했지만 상쇄시키지 못한 구부림 힘은 쇽업쇼바의 상태를 나빠지게 할 수 있다.
▶ 위시본 형식의 현가장치
상하 2개의 현가 암이 축에 의해 프레임에 장치되며 로어 현가암과 프레임 사이에 장치되어 완충작용을 하는 코일 스프링 및 볼 조인트에 의해 상하운동과 조향을 위한 회전운동을 할 수 있는 조향 너클 등으로 구성되어 있다. 바퀴에 발생하는 제동력이나 코너링 포스(cornering force)는 모두 서스펜션 암이 지지하고 스프링은 수직방향의 하중만을 지지하는 구조로 되어 있다. 위시본 형식은 스프링의 배치나 사용하는 스프링의 종류에 따라 여러 가지가 있다.
<그림 2> 위시본 형식의 현가장치
또한 위시본 형식은 상하 현가암의 길이에 따라 캠버(Camber)나 트레드(Tread)가 변화하는데 모두 변하지 않도록 하는 것은 불가능하므로 일반적으로 타이어 마모를 줄이기 위해서 로어 암을 어퍼 암보다 길게 하여 캠버의 변화가 다소 커지더라도 트레드의 변화가 적도록 하고 있는 것이다.
<그림 3> 캠버와 트레드의 변화
위시본 현가장치의 장단점을 보면 설계 자유도가 크고 스트러트(strut)에 비해서 쇽업쇼바에 가해지는 구부림 힘이 아주 작으며 서스펜션의 강성과 진동 절연을 양립하기가 쉽다. 그러나 부품이 많아지게 되어 중량도 무거워지고 정밀도도 요구되어 비용면에서도 불리하다는 단점을 가지고 있다.
▶ 스윙 액슬형 현가장치
차축을 양쪽으로 결합하여 결합점을 중심으로 상하운동을 하는 것으로 차축 위에 스프링과 쇽업쇼바를 설치하는 단순한 구조이다. 또한 이 형식은 차축을 결합하고 있는 결합점이 상승하거나 하강하게 되면 타이어의 캠버 변화가 나타나게 된다. 스윙 액슬형 현가장치의 장단점을 보면 구조가 단순하여 경량 및 저비용이고 floor를 낮고 넓게 할 수가 있다. 그러나 이 형식을 리어 서스펜션에 적용했을 경우에는 저속주행에서는 차체의 롤링의 중심점이 높아지게 되어 선회시에 차체 기울기가 작아져 언더스티어 경향을 보이면서 안정성이 좋아지는 이점이 있으나 고속주행에서는 선회시에 차축의 결합점이 상승하여 타이어의 캠버 변화가 일어나게 되고 오버스티어 경향을 보이게 된다. 이는 선회시 주행 속도에 따라 스티어가 변화되어 조정안정성 면에서 불리한 단점이 있다.
<그림 4> 스윙 액슬식 현가장치
<그림 5> 언더스티어와 오버스티어
▶ 트레일링 암형 현가장치
앞바퀴 구동차의 뒷 현가에 대부분 사용되고 있으나, 뒷바퀴 구동차에는 그다지 사용되고 있지 않다. 이것은 차축 전방에 있는 피봇(pivot) 회전축이 차체 중심선에 대해서 직각으로 결합되어 차축을 암(arm)으로 결합한 형식을 말한다. 트레일링 암형의 장단점을 보면 캠버 및 토우 변화가 없고 쇽업쇼바에 구부림 힘을 받지 않기 때문에 승차감이 좋고 공간적으로도 유리하지만 횡방향의 강성 관계 때문에 암의 길이가 제한되므로 토션바 스프링에서는 변형이 커지기 쉬우며 코일 스프링에서는 굽힘 변형을 받기 쉽다.
<그림 6> 트레일링 암형 현가장치
▶ 세미 트레일링 암형 현가장치
트레일링 암형과 스윙 액슬형의 중간적인 성격을 가진 현가 시스템이며, 독립식의 뒷 현가에 많이 사용되고 있다. 이것은 트레일링 암형과 비슷하지만 차축 전방에 있는 피봇 회전축이 비스듬하게 결합되어 있는 형식을 말한다. 세미 트레일링 암형의 장단점을 보면 차량이 기울어짐(rolling)에 따라 기하학적 변화가 나타나게 되어 토우의 변화가 나타나는데, 타이어가 압축을 받는 쪽은 토우인 방향으로 변화되고 인장을 받는 쪽은 토우아웃 방향으로 변화되어 언더스티어 현상이 나타나게 되며 양륜의 움직임이 안정된다. 그러나 타이어에 횡력이나 제동력을 받을 경우에는 서스펜션 멤버와 암(arm)이 결합되는 부위에 힘(moment)이 작용하게 되어 차량의 움직임(steer)을 불안정하게 한다.
<그림 7> 세미 트레일링 암형 현가장치
▶ 다이어코널 링크형 현가장치
다이어코널 링크를 사용하여 그 선단에 차축을 지지하고 있는 방식이며, 세미 트레일링 암형에 비해서 프레임과 2점으로 결합되어 차축과 이루고 있는 각도가 크게 나타난다. 다이어코널 링크형의 장단점을 보면 링크와 축은 일치하여 상하운동 하므로 축은 길이의 변화가 나타나지 않는다. 그러나 세미 트레일링 암형에서도 나타나는 현상(바퀴가 상하운동 시 캠버, 드레드, 토우 각도변화)이 더욱 크게 나타난다.
<그림 8> 다이어코널 링크형 현가장치
