서스펜션은 왜 필요하며, 자동차에 있어 기본적인 정의는 무엇인가? / 자동차 서스펜션 전문가 박 언 > 인터뷰

 자동차 튜닝 서스펜션 전문가 - 박 언 

서스펜션은 왜 필요하며,자동차에 있어 기본적인 정의는 무엇인가? 

자동차는 일상 주행중 바퀴(타이어)를 통해 항상 노면으로부터 진동이나 충격을 끊임없이 받습니다.따라서 바디(차체)와 차축(끝단에는 휠,타이어가 되겠죠) 사이에 충격을 흡수해줄수 있는  완충장치가 필요하고, 그것을 설치함으로써 충격이나 진동이 직접 차체에 전달되는것을 방지할수 있고 승차감을 향상시키며, 과도한 흔들림을 막아주고 차량에 실어져있는 적재물을 보호하며 , 주행중 충격으로 인하여 차체 각부가 파손되는 것을 방지할 필요가 있습니다.

그래서 이러한 완충장치를 포함하여 차체와 차축사이를 연결하는 일련의 기구를 필요로 하게 되었으며, 이것들을 통칭하여 '서스펜션' (현가장치)이라고 부릅니다. 앞으로 다루게될 주된 내용은 쇽업소버와 스프링이 되겠지만, 전체적인 개념의 이해가 필요하기에 전반적인 서스펜션의 형식들을 짚고 가겠습니다^^. 

자동차는 긴역사 속에서 다양한 써스펜션들이 실용화되고 개선, 발전되어져 왔습니다. 서스펜션의 기본적인 형식에는 리지드 액슬 써스펜션(Rigid Axle Suspension)과 인디펜던트 써스펜션(Independent Suspension)이 있습니다.

풀어서 설명하면 좌우가 일체형으로 붙어있는 "일체 차축식 현가장치" 와 독립적으로 분리되어 있는"독립 현가 장치로 나눌수 있다는 얘기입니다.단순한 내용이지만,, 역사적으로 발전 과정 속에서 바라보면 흥미로운 점들이 많이 있습니다.

먼저,리지드 액슬 서스펜션은 좌우의 바퀴가 1개의 차축(Axle)으로 연결되어있는 마차에서 계승된 형식으로 '차축식 현가장치' 라고도 불립니다.. 이방식은 구조가 간단하고 ,가격도 저렴하고 얼라이먼트 변화가 적어 타이어의 마모도 적다는 장점이 있어, 트럭과 버스 등의 상용차에 현재도 사용중입니다.

하지만 현재 승용차에선 사용을 하진않습니다. 스프링 아래 중량(Spring Down Weight)이 무겁고, 승차감이 떨어지며, 핸들링이좋지 못해 승용차에선 외면을 받고 있습니다. 이후에 변형된 형태로 현재에 이르기까지  FF 차량의 리어 서스펜션으로 사용중인 토션 빔 타입 서스펜션(Torsion Beam Type Suspension) 이 있습니다. 대 부부의 현대 기아 1.6L차량 리어서스펜션이 이 방식을 사용합니다. 

다음은 인디펜던트 서스펜션(독립 현가장치)에는 더블 위시본(Double Wishbone Suspension), 스트럿 (Strut ension), 멀티링크(Multi-link Suspension) 방식이 있습니다.

 인디펜던트 서스펜션을 설명에 앞서 역사적으로 기존 방식을 개선하는 과정에서 새로운 방식이 도입이 되고, 출현하는 형태의 흐름을 가지고 있다는 설명을 미리 드립니다.위에서 간략하게 설명드린  리지드 액슬 방식의 단점인 핸들링 문제의 해결과 스프링 아래 중량의 경감을 동시에 달성하기위해 좌우 타이어가 독립적으로 움직이는 인디펜던트 서스펜션이 수없이 고안되었으나 가장 빠르게 보급 된 것이 더블 위시본 서스펜션이었습니다.

이 방식을 최초로 양산자동차에 적용한 것은 1934년 캐딜락(Cadillac)으로 다른 이름으론 니액션(Knee Action) 이라고도 불렸습니다.이 서스펜션은 타이어가 빨리 마모된다는 단점이 있었지만 좋은 평가를 받으며 여러나라의 승용자동차에 경쟁적으로 적용 되었습니다.구조는 상하로 배치된 삼각형의 암과 한 개의 링크로 구성되어 있으며, 후에 개량을 거쳐 앞바퀴뿐만 아니라 뒷바퀴에도 사용을 하게 되었습니다. 현재도 중형이상의 고급 승용차인 제네시스 세단,TG그랜져,인피니티,벤츠등에 많이 사용 하고 있습니다.

리지드 액슬 서스펜션은 좌우 타이어가 한 개의 차축에 연결 되어 있다는게 특징인데, 인디펜던트 써스펜션은 스테빌라이져(Stabilizer)를 이용하여 비교적 느슨하게 연결하는 것에 의해 조종 안정성이 좋아지는 것으로 알 수 있듯이  특징을 살려 잘 사용하면 심플하고 효율이 좋은 서스펜션 입니다.이 때문에 조향이 되지 않는 FR 자동차의 리어 써스펜션에 길이가 긴 리지드 액슬이 사용되어 왔습니다.그러나 FR 자동차의 리어 서스펜션도 보다 고성능을 추구하여 세미 트레일링 암 타입 등의 인디펜던트 서스펜션 대신 현재는 프런트와 같은 타입의 인디펜던트 서스펜션이 많이 적용되게 되었습니다. 

그 후, 미국의 맥퍼슨(Macpherson)이라고 하는 사람이 발명하여 1951년 포드(Ford)에 처음 적용되었고, 이후에 소형차에 주로 사용되어 온 스트럿(Strut) 방식이 있습니다.이 서스펜션은 스프링과 쇽업소버를 일체화한 스트럿의 상단을 바디에 장착하고 , 하단은 액슬을 설치한 삼각형의 암이 2점으로 바디에 지지되어 있습니다.

간단한 구성으로 스프링아래 중량은 더욱 가벼워졌고, 서스펜션의 공간도 적게 차지하기 때문에 많은 자동차에 적용을 했습니다.이후 프런트 뿐만 아니라 리어에도 사용되어 왔습니다.

그리고 자동차의 고성능화에는 엔진의 동력 성능 향상과 그동력을 효과적으로 활용할수 있는 타이어와 이것을 바르게 접지시키는 서스펜션이 필요합니다.현재의 고성능 자동차 중에는 더블위시본 타입과 스트럿의 장점을 잘 혼합하여 많은 암과 링크를 복잡하게 배치한 멀티링크 타입을 앞,뒤로 적용하는 자동차도 많아 졌습니다. 

현재 자동차에 적용되어 있는 서스펜션은 더블 위시본 ,스트럿, 멀티 링크 등 3가지 형식이 대부분을 차지하고 있으며, 이외의 FF 자동차의 뒤차축에 토션 빔(Torsion Beam)타입 등 몇가지 서스펜션이 사용되고 있습니다.

그리고 실제로 어떤 써스펜션이 적용되는가는 이 두가지 조건에 따라 거의 결정되고 있습니다.

첫째.. 타이어의 조향 여부 즉 , 앞 차축 서스펜션인가 뒤 차축 서스펜션 인가…

둘째 .. 타이어가 구동되는지 안되는지…

이것을 같은 맥락으로  분류 설명할수 있는데, 전륜구동의 서스펜션 타입과  후륜구동의 서스펜션 타입으로 나눌 수 있습니다.

1) FR 타입(앞에 엔진을 장착하고 뒤의 타이어를 구동하는 방식) 자동차 에 주로 사용되고 있는 프런트 서스펜션은 대표적으로 더블 위시본 타입이 있습니다. 제네시스 세단, TG그랜져,엘란, 등 대부분의 고급세단과 스포츠카에 적용되고 있으며, 앞쪽에 스트럿 타입의 서스펜션을 적용하고 있는 FR차량은 많지 않지만, 대표적인 국산 차량으로 제네시스 쿠페가 있습니다..

멀티링크를 사용하는 차량은 닛산의 구형 "스카이라인 GT" 라는 차량이 있었습니다.FR 자동차의 리어 써스펜션은 뒷바퀴가 앞바퀴처럼  조향이 되진않지만 써스펜션에 바퀴를 달아 구동을 하기위한 액슬(구동축)을 설치 하여야 합니다. 일반적으로 '뒷 데후'라고 합니다만 '리어 디퍼렌셜'의 잘못된 표현 입니다.여기에는 종감속 장치를 갖추고" 액슬 하우징" 으로 지지를 하는 리지드 액슬(Rigid Axle) 방식이 가장 합리적이라고 여겨져 오랫동안 사용되어져 왔습니다.

 이 타입은 좌우 바퀴가 하나의 차축으로 연결되어 있기 때문에 강성이 높고 캠버의 변화가 작다는 장점을 가지고 있으나, 종감속 장치가 장착되어 있어 스프링 아래 중량이 무겁다는 문제를 안고 있습니다.자동차의 고성능화면에서 보면 종감속장치는 바디에 설치되어 스프링 아래 중량을 가볍게 하는 것이 바람직하며 그것을 위해서 독립현가(인디펜던트 서스펜션)화가 어떻게든 필요하게 되었었습니다.

그리하여 여러가지의 서스펜션이 연구되어지긴 했었지만,결과적으로 세미 트레일링암 타입(Semi-trailing Arm Type)이 남겨져 1980년경까지 개량되었던 리지드 액슬과 함께 이 서스펜션의 주류를 이루었습니다.모든 자동차가 그러하겠지만, 특히 FR 자동차의 리어 서스펜션에서 포인트가 되는것은 구동력이 가해졌을때  타이어의 자세변화가 어떻게 처리되고 있는가 하는 것 입니다. 결국 모든것이 타이어에 하중을 걸어 노면에 밀착시켜 구동력을 노면에 전달하기 위함이니까요.

서스펜션은 고무 부시(Rubber Bush)를 사이에 두고 바디에 설치되어 있기 때문에 타이어의 접지면에 구동력이 가해지면 고무가 변형되어 조금씩 타이어의 방향이 바뀌게 됩니다. 실제 고무의 변형은 미세하다고 할수있겠지만 암과 로드가 설치 되어있는 접합부분의 움직임은 작아도 앞쪽에 장착되어 있는 타이어는 상당히 많은 움직임을 가지게 됩니다.

그리고 이움직임에 따라 타이어의 방향이 바뀌는 것을 컴플라이언스 스티어(Compliance Steer) 라 부릅니다.

오늘날에는 이 컴플라이언스 스티어를 잘 이용해서 자동차의 운동성능을 높이려는 노력을 하고 있어 더블 위시본과 멀티링크 타입은 타이어의 움직임을 컨트롤할 수 있는 구조를 하고 있습니다.^^

FF타입(앞에 엔진을 장착하고 앞 바퀴를 구동하는 방식) 자동차의 서스펜션

프론트에 엔진을 장착하고 앞바퀴를 구동하는 FF 자동차는 중,소형 승용차에 대부분에 적용되어 있는데, 먼저 프론트 서스펜션의 대표주자라 할 수 있는 스트럿 타입(Strut Type)이 있습니다. 이 방식은 구조가 간단하고 서스펜션이 스트럿 상단과 로어암이 상하로 떨어진 점에서 바디에 설치되어 있어 힘이 가해지는 점이 분산되어 캠버와 캐스터가 변하기 어려운 특징을 가지고 있습니다.

 또한 FF 자동차는 급 선회하였을때 앞 내측의 타이어가 들려 공회전 하기 쉬운 경향이 있기 때문에 하중의 이동이 가능한 작게 되도록 서스펜션의 레이아웃이 연구되고 있습니다.더욱이 드라이브 샤프트의 길이와 설치 각도가 다른 점등, 좌우에 차이가 있으면 타이어의 구동력에 차이가 생기기 때문에 스티어링을 빼앗기는 토크 스티어(Torque Steer) 현상이 발생되는 경우 등도 있어 얼라이먼트 변화를 최적으로 하고 더욱 고성능화를 도모하기 위해 더블 위시본 타입 과 멀티링크 타입을 적용하고 있는 자동차도 있습니다.그리고 빼 놓을수 없는 특징 중 하나는 구동을 하면서 조향을 하는 시스템이라 타이어 마모가 크다는 점입니다.

다음은 리어 서스펜션 입니다.

FF 자동차의 뒷바퀴는 조향도 되지않고 구동도 되지않아 뒤차축의 서스팬션은 적당히 뒷바퀴를 지지하기만 하면 될것이라 생각 할 수 있습니다. 하지만 정말 어려운 일 중 하나가 리어 서스펜션 입니다. 그 증거로 다른 구동방식에는 주류를 이루는 서스펜션이 있지만 FF 자동차의 리어에는 주류라는게 없습니다. 각 메이커의 각 차종에 따라 여러가지의 타입이 개발되어 그 자동차에 매칭한 공간효율이 좋고 비용도 낮은 서스펜션이 적용되고 있습니다.

FF 자동차는 엔진과 구동계가 집중되어 있는 앞쪽이 무겁고 뒤쪽은 가볍습니다. 앞 뒤 바퀴의 하중차이가 크기 때문에 자동차가 구불구불한 도로를 주행하거나 커브를 선회하면서 타이어에 가해지는 하중과 슬립각이 변하거나 가감속이 될때 앞바퀴와 뒷바퀴에 각각 발생하는 코너링 포스의 균형이 무너지기 쉽기 때문입니다.

이와 같이 사용조건이 크게 다름에도 불구하고 타이어는 앞,뒤 동일한 사이즈이며 사양도 크게 다르지 않습니다.경 하중이나 고 하중에 이르기 까지 필요에 따라 특성을 발휘할수 있는 타이어를 서스펜션과의 매칭을 살펴가며 개발하는 것도 메이커의 중요한 일중 하나입니다.

또, 무거운 앞 부분에서 큰 충격이 들어오거나 가벼운 리어가 살짝살짝 움직이면 승차감도 좋지는 않습니다. 암과 로드의 레이아웃과 러버부시의 특성을 검토하여 이러한 문제가 없도록 각 메이커가 프런트와 균형이 잡힌 리어 써스펜션으로 하기 위한 연구를 한 결과 현재 주류를 이루고 있는 것은 스트럿 타입과  토션 빔 타입 서스펜션(Torsion Beam Type Suspension) 입니다.

기사에 사용된 이미지에 대한 출처는 각 자동차 메이커사 홈페이지에서 사용되었습니다.