현가 장치 1(Suspension System)

※ 현가 장치 (Suspension System)

현가 장치는 차축과 차체를 연결하고, 주행중 노면에서 받는 충격을 완화하는 스프링과, 스프링의 자유 진동을 흡수하는 쇽업소버, 자동차가 좌 우로 흔들리는 것을 방지하는 스테빌라이저 등으로 구성되어 자동차의 승차감을 좋게 하는 장치로 구성되어 있다.

이러한 현가장치에는 차축 현가식과 독립 현가식이 있으며, 차축 현가식은 좌우의 바퀴가 1개의 차축으로 연결된 형식으로, 강도가 크고 구조가 간단하여 소형 트럭이나 대형차량에 많이 사용된다, 독립현가식은 차축 현가식처럼 차축과 현가장치의 구별이 명확하지 않으며, 차량의 높이를 낮게 할 수 있고 스프링 아래 무게가 가벼워 승차감이 좋고, 진동이 잘 일어나지 않고 타이어 접지성이 좋아져 승용차에 많이 사용되고 있다.

◎ 현가 장치의 목적

1. 차량의 무게를 지지   
                                                    
2. 도로면으로 부터의 충격 차단 
→  승차감 향상 : 노면 충격 흡수      
                                            
3. 타이어와 도로 사이의 견인력 유지   
→  주행안정성 향상 : 요철 도로의 접지 유지

4. 바퀴 정렬 유지
→  선회 능력 확보 : 고속 선회시 바퀴 접지력 유지 및 선회력 확보

 

 

※  스프링(Spring)

바퀴를 제외한 차량의 무게를 지지하며 주행중 노면의 충격을 흡수한다. 도로상의 요철(오목함과 볼록함) 통과시 차륜이 위아래로 따라서 움직이도록 만든다. 스프링 아래 질량(차축, 휠, 타이어)의 질량이 가능한 작아야 타이어와 도로의 접지를 유지하는데 유리하고 충격 감소에 유리하다.

 

◎ 스프링 시스템의 필요 조건

1. 설치 공간을 작게 차지해야 한다.

2. 정비의 필요성이 적어야 한다.

3. 사람이 탑승하거나 짐을 실은 적차상태나 공차 상태에서 가능한 차체의 고유 진동수가 같도록 기능해야 한다.
 
4. 적차 또는 공차 상태에서도 차체의 높이 변화는 가능한 한 변화가 적어야 한다.

 

◎ 고유 진동수

각 물체가 가지는 고유한 진동 특성 일반적으로 물체의 강성이 증가할수록 고유진동수는 커지게 된다.

◎ 차체 고유 진동수

승차감을 좋게 하기 위해서는 차체의 상하 고유진동을 1.2 Hz 근처로 유지하면 좋다. 만약 진동수가 1Hz 이면, 유연한 스프링 시스템으로 대부분의 사람이 구토증을 느끼고 진동수가 1.5Hz 이상이면 강한 스프링으로 사람이 노면의 충격을 크게 느낀다. 자동차의 공차 상태와 적차 상태 간의 고유진동수 차이가 크게 생기며 이에 따라서 배기량 1600cc 이하의 소형 승용차들은 약 1.5Hz의 차체 고유진동수로 설계하고, 배기량 1600cc 이상의 중대형 승용차는 약 1.15Hz 이하의 차체 고유진동수를 갖도록 설계한다. 스포츠카라고 불리는 스포츠 차량의 경우는 승차감을 손해보더라도 조향성능과 타이와 노면의 접지력을 향상시키기 위하여 강한 스프링을 사용하여 고유진동수를 2~2.5Hz 영역에 두고 있다.

◎ 질량의 증가에 따라 스프링의 강성을 나타내는 스프링 계수도 증가하는 비선형 스프링

일반적인 스프링은 특정 영역까지 강성이 일정하게 유지되는 선형 스프링이라고 볼 수 있다. 하지만 이는 자동차가 적차 상태와 공차 상태의 질량이 달라 고유 진동수가 달라지므로 승차감에 안좋은 영향을 미치게 된다. 따라서 질량이 증가함에 따라 스프링의 강성 또한 증가하고 질량이 낮아짐에 따라서 강성도 줄어드는 비선형 스프링을 사용한다면 적차 와 공차 상태의 차체 고유 진동수 변화가 적게되고, 스프링 위 질량의 변화에 따른 차체의 최저 지상고 차이가 상대적으로 줄어들게 된다.

※ 스프링의 종류

1. 코일 스프링(Coil Spring)

코일 스프링은 스프링 소재인 강봉을 코일처럼 감아서 만든 스프링이다. 가볍고, 스프링 내부에 댐퍼(쇽 업쇼버)를 설치 가능해 차체 내부의 설치공간을 작게 차지하는 장점이 있어 널리 쓰이고 있다.

● 비선형 스프링 상수가 얻어지도록 여러 가지 방식이 고려 되고 있다.
→ 코일을 2개 사용하거나 스프링 지름을 변경시키거나 부등 피치 코일 스프링을 사용한다.

 ● 코일 스프링은 진동의 감쇠작용이 없다.
→ 쇽업소버가 필요

 ● 차륜에 작용하는 횡방향 힘(Horizontal Force)(구동력, 제동력, 측력)을 전달할 수 없다.
→ 차축을 지지하기 위한 링크기구 필요
→ 현가 장치의 구조가 복잡해지는 단점을 갖는다.

2. 판 스프링(Leaf Spring)

판 스프링은 강판을 여러장 겹쳐서 만든 것이다. 구동력과 제동력같은 차륜에 작용하는 횡 방향 힘을 차체에 전달 할 수 있으며, 큰 하중을 감당 할 수 있기 때문에 주로 대형 상용차에 많이 사용된다.

● 스프링이 변형 할 때에는 판이 서로 접촉하여 그 마찰에 의하여 스프링의 진동을 빠르게 감쇠시킨다. 이 판 사이에 마찰이 존재하는 판간 마찰(Inter Leaf Friction)은 판 스프링의 큰 특징이다.

3. 토션 바 스프링(Torsion Bar Spring)

토션 바 스프링은 스프링 강봉의 한쪽 끝은 차체에 고정하고 다른 쪽 끝은 링크기구에 부착하여 비틀림 탄성을 이용하는 스프링이다.

● 토션 바 스프링은 단위 중량 당 흡수 에너지가 크기 때문에 다른 스프링의 비해 가장 가볍고 구조도 간단하여 넓은 공간을 차지하지 않는 장점이 있다.

● 코일 스프링과 같이 진동의 감쇠작용이 없어 쇽 업소버를 사용해야 한다.

4. 공기 스프링(Air Spring)

공기 스프링은 공기를 압축할 때 체적 탄성을 이용한 스프링이다.

● 공기로 이루어져 있어 외력의 변화에 따라 스프링 상수가 변하는 가변 스프링의 특성을 가지고 있고, 고주파 진동의 절연 능력이 뛰어나 우수한 승차감을 가지고 있다.

● 용기 안의 공기량을 조정하는 장치를 장착하면 스프링의 길이를 외력에 관계없이 일정하게 유지할 수 있어 차고 유지와 이를 조절하는데 좋은 특성을 가지고 있다.
→ 전자 제어 현가 장치

● 구조가 복잡하여 공기압 라인과 압축기등의 추가 및 부품의 정비가 어렵고, 에어 호스와 용기 바깥쪽이 고무로 이루어져 있어 경화로 인한 내구성이 떨어지고 가격이 비싸다.

● 차륜에 작용하는 횡방향 힘(Horizontal Force)(구동력, 제동력, 측력)을 전달할 수 없다.
→ 차축을 지지하기 위한 링크기구 필요

 

※ 쇽 업소버(Shock Absorber)

자동차가 주행할 때 도로면 등에서 오는 충격은 현가 스프링의 진동으로 나타내는데 스프링의 진동을 신속히 흡수하여 부드럽게 감쇠시키는 장치가 쇽 업소버 이다. 자동차가 도로의 요철을 통과한 후 계속 진동하는 오버라이드(Overide) 현상을 방지하여 자동차의 안전성과 승차감을 크게 향상시킨다. 쇽 업소버는 차량의 중량을 지탱하지 않으며 차량의 높이에 영향을 주지 않는다.

 

◎ 쇽  업소버의 작동

쇽 업소버는 상하 운동에너지를 내부에 채워진 유체의 유동 저항에 의해 열에너지로 바꾸는 작용을 하는 유압식이 널리 사용된다.

◎ 가스 주입식 쇽 업소버

• 질소를 가압하여 주입
- 단동식 : 20~30bar
- 복동식 : 3~8bar 

• 캐비테이션과 에어레이션에 의한 기포 생성 방지
→ 일정한 댐핑으로 안정된 성능 유지

※ 쇽 업소버의 종류

1. 맥퍼슨 쇽 업소버(Mcpherson shock Absorber)

현가의 일부루서 하중을 지지하는 스트럿 내에 쇽업소버와 스프링을 함께 설치한다. 이는 적은 공간으로 스프링 작용과 쇽 업소버 작용을 겸한다. 주로 승용차에 많이 사용된다.

2. 조정 가능 쇽 업소버(Adjustable Shock Absorber)

쇽 업소버 작용의 강도를 변화시킬 수 있다. 수동 또는 전자식으로 조정이 가능하다.

3. 공기 쇽 업소버

기존의 쇽 업소버에 공기 스프링을 부가한 방식ㄷ이다. 공기를 얼마나 주입하느냐에 따라서 차고의 높이를 조절 할 수 있다.