개념
일반적인 서스펜션 구조는 탄성 요소, 가이드 메커니즘, 충격 흡수 장치 등으로 구성되며, 일부 구조에는 완충 블록, 스태빌라이저 바 등이 추가되기도 합니다. 탄성 요소에는 판 스프링, 에어 스프링, 코일 스프링, 토션 바 스프링 등이 있습니다. 현대 자동차 서스펜션은 대부분 코일 스프링과 토션 바 스프링을 사용하며, 일부 고급 차량에는 에어 스프링이 사용됩니다.
부품 기능:
충격 흡수 장치
기능: 쇼크 업소버는 감쇠력을 발생시키는 주요 부품이다. 쇼크 업소버의 기능은 자동차의 진동을 빠르게 감쇠시켜 승차감을 향상시키고, 휠과 지면 사이의 접지력을 강화하는 것이다. 또한, 쇼크 업소버는 차체 부품의 동적 하중을 줄여 자동차의 수명을 연장할 수 있다. 자동차에 널리 사용되는 쇼크 업소버는 주로 실린더형 유압 쇼크 업소버이며, 그 구조는 이중 실린더형, 단일 실린더 팽창형, 이중 실린더 팽창형의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다. [2]
작동 원리: 바퀴가 위아래로 움직일 때, 충격 흡수 장치의 피스톤이 작동실 내에서 왕복 운동을 합니다. 이때 충격 흡수 장치 내부의 액체가 피스톤의 구멍을 통과하는데, 액체는 일정한 점성을 가지고 있어 구멍을 통과할 때 구멍 벽면과 마찰을 일으킵니다. 이 마찰로 인해 운동 에너지가 열 에너지로 변환되어 공기 중으로 방출되므로 진동을 감쇠시키는 기능을 수행합니다.
(2) 탄성 요소
기능: 수직 하중을 지지하고, 고르지 않은 노면으로 인한 진동과 충격을 완화 및 억제합니다. 탄성 요소에는 주로 판 스프링, 코일 스프링, 토션 바 스프링, 에어 스프링, 고무 스프링 등이 있습니다.
원리: 탄성이 높은 재질로 만들어진 부품은 바퀴가 큰 충격을 받으면 운동 에너지가 탄성 위치 에너지로 변환되어 저장되고, 바퀴가 튕겨 오르거나 원래의 주행 상태로 돌아올 때 방출됩니다.
(3) 가이드 메커니즘
조향 장치의 역할은 힘과 모멘트를 전달하고, 또한 조향 기능을 수행하는 것입니다. 자동차 주행 과정에서 바퀴의 궤적을 제어할 수 있습니다.
효과
서스펜션은 자동차에서 차체와 바퀴를 탄성적으로 연결하는 중요한 부품으로, 자동차의 다양한 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 겉보기에는 단순히 몇 개의 막대, 튜브, 스프링으로 구성된 것처럼 보이지만, 결코 단순해 보이지 않습니다. 오히려 자동차 서스펜션은 완벽한 성능을 구현하기 어려운 부품입니다. 승차감과 핸들링 안정성이라는 두 가지 요구 사항을 모두 충족해야 하는데, 이 두 가지는 서로 상충되는 요소이기 때문입니다. 예를 들어, 편안한 승차감을 위해서는 차량의 진동을 최대한 흡수해야 하므로 스프링을 부드럽게 설계해야 합니다. 하지만 스프링이 너무 부드러우면 제동 시 차체가 한쪽으로 쏠리거나, 가속 시 차체가 들리면서 좌우로 심하게 롤링하는 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 조향에 악영향을 미치고 차량의 불안정성을 초래합니다.
비독립적 현탁
일체형 차축으로 양쪽 바퀴가 연결되어 차축과 함께 프레임 또는 차체 아래에 탄성 서스펜션으로 지지되는 구조적 특징을 가지고 있습니다. 일체형 차축 서스펜션은 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 강도가 높고 유지 보수가 용이하며 주행 중 앞바퀴 정렬 변화가 적다는 장점이 있습니다. 그러나 승차감과 핸들링 안정성이 떨어지기 때문에 현대 승용차에서는 거의 사용되지 않고 주로 트럭과 버스에 사용됩니다.
판 스프링 비독립식 서스펜션
판스프링은 독립식 서스펜션의 탄성 요소로 사용됩니다. 또한 가이드 메커니즘의 역할도 하기 때문에 서스펜션 시스템이 크게 단순화됩니다.
종방향 판스프링 비독립식 서스펜션은 판스프링을 탄성 요소로 사용하며, 차량의 종축과 평행하게 차량에 배치됩니다.
작동 원리: 자동차가 불규칙한 도로를 주행하다가 충격 하중을 받으면, 바퀴가 차축을 위로 튕겨 올리게 되고, 판 스프링과 쇼크 업소버 하단부도 동시에 위로 움직인다. 판 스프링의 상승 운동 중 길이 증가는 후방 러그의 연장과 간섭 없이 조화를 이룰 수 있다. 쇼크 업소버의 상단부는 고정되어 있고 하단부가 위로 움직이기 때문에 압축된 상태로 작동하는 것과 같으며, 감쇠력이 증가하여 진동을 감쇠시킨다. 차축의 튕겨 올린 양이 완충 블록과 리미트 블록 사이의 거리를 초과하면 완충 블록이 리미트 블록에 접촉하여 압축된다. [2]
분류: 종방향 판 스프링 비독립식 서스펜션은 비대칭 종방향 판 스프링 비독립식 서스펜션, 균형식 서스펜션 및 대칭 종방향 판 스프링 비독립식 서스펜션으로 나눌 수 있습니다. 이는 종방향 판 스프링을 사용하는 비독립식 서스펜션입니다.
1. 비대칭 세로 판 스프링 비독립형 현가장치
비대칭 종방향 판스프링 비독립식 서스펜션은 종방향 판스프링을 차축(브릿지)에 고정할 때 U자형 볼트의 중심과 양 끝단 러그의 중심 사이의 거리가 서로 다른 서스펜션을 말합니다.
2. 균형 서스펜션
균형 서스펜션이란 연결된 차축(액슬)에 있는 바퀴에 작용하는 수직 하중이 항상 동일하도록 하는 서스펜션입니다. 균형 서스펜션을 사용하는 목적은 바퀴와 지면 사이의 양호한 접촉을 확보하고, 하중을 균등하게 분산시키며, 운전자가 차량의 방향을 제어할 수 있도록 하고, 차량에 충분한 구동력을 제공하는 것입니다.
구조에 따라 밸런스 서스펜션은 스러스트 로드형과 스윙 암형의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.
① 스러스트 로드 밸런스 서스펜션. 수직으로 배치된 판 스프링으로 구성되며, 양 끝단은 후륜 차축 슬리브 상단의 슬라이드 플레이트형 지지대에 위치합니다. 중간 부분은 U자형 볼트를 통해 밸런스 베어링 쉘에 고정되어 밸런스 샤프트를 중심으로 회전할 수 있으며, 밸런스 샤프트는 브래킷을 통해 차체 프레임에 고정됩니다. 스러스트 로드의 한쪽 끝은 차체 프레임에 고정되고, 다른 쪽 끝은 차축에 연결됩니다. 스러스트 로드는 구동력, 제동력 및 이에 상응하는 반력을 전달하는 데 사용됩니다.
스러스트 로드 밸런스 서스펜션의 작동 원리는 다축 차량이 고르지 않은 노면을 주행할 때, 각 바퀴에 일반적인 강판 구조의 서스펜션을 적용하면 모든 바퀴가 지면과 완전히 접촉하는 것을 보장할 수 없다는 점에 있습니다. 즉, 일부 바퀴는 수직 하중을 적게 받거나 아예 받지 않게 되는데, 조향 바퀴에 이러한 현상이 발생하면 운전자가 주행 방향을 제어하기 어려워지고, 구동 바퀴에 발생하면 구동력의 일부 또는 전부가 손실될 수 있습니다. 3축 차량의 중간 차축과 후방 차축을 밸런스 바의 양 끝에 설치하고, 밸런스 바의 중간 부분을 차체 프레임에 힌지 연결하면, 양쪽 바퀴가 독립적으로 위아래로 움직일 수 없게 됩니다. 어느 한쪽 바퀴가 움푹 패인 곳에 빠지면, 밸런스 바의 영향으로 다른 쪽 바퀴가 위로 올라갑니다. 스러스트 바의 양쪽 팔의 길이가 같기 때문에 양쪽 바퀴에 작용하는 수직 하중은 항상 동일합니다.
스러스트 로드 밸런스 서스펜션은 6×6 3축 오프로드 차량과 6×4 3축 트럭의 후륜에 사용됩니다.
② 스윙암 밸런스 서스펜션. 미드 액슬 서스펜션은 세로 방향 판 스프링 구조를 채택합니다. 리어 러그는 스윙암의 앞쪽 끝에 부착되고, 스윙암 액슬 브래킷은 프레임에 부착됩니다. 스윙암의 뒤쪽 끝은 차량의 리어 액슬에 연결됩니다.
스윙암 밸런스 서스펜션의 작동 원리는 차량이 고르지 않은 노면을 주행할 때, 중간 차축이 움푹 패인 곳에 빠지면 스윙암이 후방 러그를 통해 아래로 당겨지면서 스윙암 축을 중심으로 반시계 방향으로 회전한다는 것입니다. 이로 인해 차축 바퀴가 위로 올라갑니다. 스윙암은 지렛대 역할을 하며, 중간 차축과 후방 차축에 가해지는 수직 하중의 분배 비율은 스윙암의 지렛대 효과 비율과 앞뒤 판스프링 길이의 비율에 따라 달라집니다.
코일 스프링 비독립식 서스펜션
코일 스프링은 탄성 요소로서 수직 하중만 견딜 수 있기 때문에 서스펜션 시스템에 가이드 메커니즘과 충격 흡수 장치를 추가해야 합니다.
이 시스템은 코일 스프링, 충격 흡수 장치, 종방향 스러스트 로드, 횡방향 스러스트 로드, 보강 로드 및 기타 구성 요소로 이루어져 있습니다. 구조적 특징은 좌우 바퀴가 하나의 축으로 일체로 연결되어 있다는 것입니다. 충격 흡수 장치의 하단은 뒷 차축 지지대에 고정되고 상단은 차체에 경첩으로 연결됩니다. 코일 스프링은 충격 흡수 장치 외부의 상단 스프링과 하단 시트 사이에 설치됩니다. 종방향 스러스트 로드의 후단은 차축에 용접되고 전단은 차체 프레임에 경첩으로 연결됩니다. 횡방향 스러스트 로드의 한쪽 끝은 차체에 경첩으로 연결되고 다른 쪽 끝은 차축에 경첩으로 연결됩니다. 작동 시 스프링은 수직 하중을 지지하고, 종방향 하중과 횡방향 하중은 각각 종방향 및 횡방향 스러스트 로드가 지지합니다. 바퀴가 튀어 오를 때, 차축 전체가 차체에 있는 세로 방향 스러스트 로드와 가로 방향 스러스트 로드의 힌지점을 중심으로 회전합니다. 관절점에 있는 고무 부싱은 차축이 회전할 때 발생하는 움직임 간섭을 제거합니다. 코일 스프링 방식의 비독립식 서스펜션은 승용차의 후륜 서스펜션에 적합합니다.
에어 스프링 비독립식 서스펜션
차량 주행 중에는 하중과 노면 상태가 변하기 때문에 서스펜션의 강성도 그에 맞춰 변화해야 합니다. 차량은 양호한 도로에서는 차체 높이를 낮춰 속도를 높여야 하고, 험한 도로에서는 차체 높이를 높여 추월 능력을 향상시켜야 하므로, 사용 목적에 따라 차체 높이를 조절할 수 있어야 합니다. 에어 스프링 방식의 독립식 서스펜션은 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
이 시스템은 압축기, 공기 저장 탱크, 높이 조절 밸브, 에어 스프링, 컨트롤 로드 등으로 구성됩니다. 또한, 충격 흡수 장치, 가이드 암, 횡방향 안정 장치도 포함됩니다. 에어 스프링은 프레임(차체)과 차축 사이에 고정되고, 높이 조절 밸브는 차체에 고정됩니다. 피스톤 로드의 끝부분은 컨트롤 로드의 가로대에 경첩으로 연결되고, 가로대의 다른 끝부분은 컨트롤 로드에 경첩으로 연결됩니다. 중간 부분은 에어 스프링의 상부에 지지되고, 컨트롤 로드의 하단은 차축에 고정됩니다. 에어 스프링을 구성하는 부품들은 파이프라인으로 연결됩니다. 압축기에서 생성된 고압 가스는 오일-수분리기와 압력 조절기를 거쳐 공기 저장 탱크로 들어가고, 가스 저장 탱크에서 나온 후 공기 필터를 통해 높이 조절 밸브로 들어갑니다. 공기 저장 탱크는 각 바퀴의 에어 스프링과 연결되어 있어, 공기가 주입될수록 각 에어 스프링 내부의 가스 압력이 증가하고, 동시에 차체가 들어 올려집니다. 차체 높이 조절 밸브의 피스톤이 공기 저장 탱크의 내부 공기 주입구를 막을 때까지 공기가 계속 주입됩니다. 에어 스프링은 탄성 요소로서, 노면에서 차축을 통해 차체로 전달되는 충격 하중을 완화하는 역할을 합니다. 또한, 에어 서스펜션은 차체 높이를 자동으로 조절할 수 있습니다. 높이 조절 밸브의 주입구와 배출구 사이에 피스톤이 위치하면, 공기 저장 탱크의 가스가 공기 저장 탱크와 에어 스프링을 팽창시켜 차체 높이를 높입니다. 피스톤이 높이 조절 밸브의 주입구 상단에 위치하면, 에어 스프링 내부의 가스가 주입구를 통해 배출구로 빠져나가 대기 중으로 배출되고, 에어 스프링 내부의 공기 압력이 낮아져 차체 높이도 낮아집니다. 높이 조절 밸브에서 피스톤의 위치는 제어봉과 그 위에 있는 가로대에 의해 결정됩니다.
에어 서스펜션은 승차감을 향상시키고, 필요에 따라 단축 또는 다축 리프팅을 구현하여 차체 높이를 조절하고 노면 손상을 최소화하는 등 여러 장점을 가지고 있지만, 구조가 복잡하고 밀폐에 대한 요구 조건이 엄격하다는 단점도 있습니다. 에어 서스펜션은 상용 승용차, 트럭, 트레일러 및 일부 승용차에 사용됩니다.
석유 및 가스 스프링 비독립식 서스펜션
유압식 스프링 비독립형 서스펜션은 탄성 요소에 유압식 스프링을 사용하는 경우의 비독립형 서스펜션을 의미합니다.
이 시스템은 유압 스프링, 가스 스프링, 횡방향 스러스트 로드, 완충 블록, 종방향 스러스트 로드 및 기타 구성 요소로 이루어져 있습니다. 유압 스프링의 상단은 차체 프레임에 고정되고 하단은 앞 차축에 고정됩니다. 좌우측에는 각각 앞 차축과 종방향 빔 사이에 하부 종방향 스러스트 로드가 설치됩니다. 상부 종방향 스러스트 로드는 앞 차축과 종방향 빔의 내부 브래킷에 장착됩니다. 상부 및 하부 종방향 스러스트 로드는 평행사변형을 이루어 바퀴가 위아래로 흔들릴 때 킹핀의 캐스터 각도가 일정하게 유지되도록 합니다. 횡방향 스러스트 로드는 좌측 종방향 빔과 앞 차축 우측 브래킷에 장착됩니다. 완충 블록은 두 개의 종방향 빔 아래에 설치됩니다. 유압식 스프링은 프레임과 차축 사이에 탄성 요소로 설치되어 노면의 충격력이 프레임으로 전달될 때 충격을 완화하고 동시에 진동을 줄여줍니다. 상하 종방향 스러스트 로드는 종방향 힘을 전달하고 제동력에 의한 반력 모멘트를 견디는 역할을 합니다. 횡방향 스러스트 로드는 횡방향 힘을 전달합니다.
대형 화물을 운반하는 상용 트럭에 오일-가스 스프링을 사용할 경우, 판 스프링보다 부피와 질량이 작고 강성 조절이 용이하다는 장점이 있지만, 밀폐성이 매우 중요하고 유지보수가 어렵다는 단점이 있습니다. 오일-공압 서스펜션은 고하중 상용 트럭에 적합합니다.
독립적인 정지 편집 방송
독립 서스펜션이란 차체 또는 프레임에 각 바퀴가 탄성 서스펜션으로 독립적으로 지지되는 방식을 말합니다. 독립 서스펜션의 장점은 다음과 같습니다. 차체 경량화로 차체에 가해지는 충격을 줄이고 바퀴의 접지력을 향상시킵니다. 강성이 낮은 부드러운 스프링을 사용하여 승차감을 개선할 수 있습니다. 엔진 위치를 낮출 수 있어 차량의 무게중심을 낮춰 주행 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 좌우 바퀴가 독립적으로 움직이므로 차체의 기울어짐과 진동을 줄일 수 있습니다. 그러나 독립 서스펜션은 구조가 복잡하고 비용이 높으며 유지 보수가 불편하다는 단점이 있습니다. 현대 자동차의 대부분은 독립 서스펜션을 사용합니다. 독립 서스펜션은 구조 형태에 따라 위시본 서스펜션, 트레일링 암 서스펜션, 멀티링크 서스펜션, 캔들 서스펜션, 맥퍼슨 서스펜션 등으로 나눌 수 있습니다.
위시본
크로스암 서스펜션은 자동차의 횡단면에서 바퀴가 회전하는 독립 서스펜션 방식을 말합니다. 크로스암의 개수에 따라 더블암 서스펜션과 싱글암 서스펜션으로 나뉩니다.
싱글 위시본 타입은 구조가 단순하고 롤 센터가 높아 롤링 방지 성능이 우수하다는 장점이 있습니다. 그러나 현대 자동차의 속도가 증가함에 따라, 지나치게 높은 롤 센터는 코너링 시 휠 트랙의 급격한 변화를 초래하여 타이어 마모를 증가시킵니다. 또한, 급회전 시 좌우 휠 간의 수직력 전달이 과도해져 뒷바퀴의 캠버가 증가하고, 뒷바퀴의 코너링 강성이 저하되어 고속 주행 시 테일 드리프트 현상이 심화될 수 있습니다. 싱글 위시본 독립 서스펜션은 주로 후륜 서스펜션에 사용되지만, 고속 주행 시 요구 사항을 충족하지 못하기 때문에 현재는 널리 사용되지 않습니다.
더블 위시본 독립 서스펜션은 상부 및 하부 크로스 암의 길이에 따라 등길이 더블 위시본 서스펜션과 이길이 더블 위시본 서스펜션으로 나뉩니다. 등길이 더블 위시본 서스펜션은 차축의 상하 운동 시 킹핀 경사각을 일정하게 유지할 수 있지만, 싱글 위시본 서스펜션과 유사하게 휠베이스가 크게 변하여 타이어 마모가 심각하기 때문에 현재는 거의 사용되지 않습니다. 이길이 더블 위시본 서스펜션은 상부 및 하부 위시본의 길이를 적절히 선택하고 최적화하고, 합리적인 배치를 통해 휠베이스 변화 및 전륜 정렬 매개변수를 허용 가능한 범위 내로 유지할 수 있어 차량의 주행 안정성을 확보할 수 있습니다. 현재 이길이 더블 위시본 서스펜션은 승용차의 전륜 및 후륜 서스펜션에 널리 사용되고 있으며, 일부 스포츠카 및 경주용 차량의 후륜에도 적용되고 있습니다.
