스윙암은 일반적으로 휠과 차체 사이에 위치하며, 운전자와 관련된 안전 부품으로, 힘을 전달하고 진동 전달을 약화시키며 방향을 제어하는 역할을 합니다.
스윙암은 일반적으로 휠과 차체 사이에 위치하며, 운전자의 조작에 중요한 역할을 하는 안전 부품으로, 동력을 전달하고 진동 전달을 줄이며 방향을 제어합니다. 본 논문에서는 시중에 판매되는 스윙암의 일반적인 구조 설계 방식을 소개하고, 다양한 구조가 제조 공정, 품질 및 가격에 미치는 영향을 비교 분석합니다.
자동차 섀시 서스펜션은 크게 전륜 서스펜션과 후륜 서스펜션으로 나뉩니다. 전륜과 후륜 서스펜션 모두 바퀴와 차체를 연결하는 스윙암을 가지고 있습니다. 스윙암은 보통 바퀴와 차체 사이에 위치합니다.
가이드 스윙암은 바퀴와 차체를 연결하고, 힘을 전달하며, 진동 전달을 줄이고, 방향을 제어하는 역할을 합니다. 이는 운전자의 안전과 관련된 중요한 부품입니다. 서스펜션 시스템에는 힘을 전달하는 구조 부품들이 있어 바퀴가 차체에 대해 일정한 궤적을 따라 움직이도록 합니다. 이러한 구조 부품들이 하중을 전달하며, 전체 서스펜션 시스템이 차량의 핸들링 성능을 담당합니다.
자동차 스윙암의 일반적인 기능 및 구조 설계
1. 하중 전달 요구 사항을 충족하기 위한 스윙 암 구조 설계 및 기술
대부분의 현대 자동차는 독립 서스펜션 시스템을 사용합니다. 독립 서스펜션 시스템은 구조 형태에 따라 위시본형, 트레일링 암형, 멀티링크형, 캔들형, 맥퍼슨형으로 나눌 수 있습니다. 멀티링크형은 크로스 암과 트레일링 암이 하나의 암에 두 개의 힘을 전달하는 구조로, 두 개의 연결점을 가집니다. 두 개의 힘 전달 로드가 유니버설 조인트에 특정 각도로 조립되며, 연결점들의 연결선은 삼각형 구조를 이룹니다. 맥퍼슨형 전륜 서스펜션의 하부 암은 세 개의 연결점을 가진 전형적인 3점식 스윙 암입니다. 세 연결점을 연결하는 선은 여러 방향의 하중을 견딜 수 있는 안정적인 삼각형 구조를 형성합니다.
2축 스윙암의 구조는 단순하며, 구조 설계는 각 회사의 전문성과 가공 편의성에 따라 결정되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 스탬핑 판금 구조(그림 1 참조)는 용접 없이 단일 강판으로 설계되며, 구조 내부 공간은 주로 "I"자형입니다. 용접 판금 구조(그림 2 참조)는 용접된 강판으로 설계되며, 구조 내부 공간은 대부분 "口"자형입니다. 또는 위험 부위에 국부적으로 보강판을 용접하여 강화하기도 합니다. 강철 단조 가공 구조는 구조 내부 공간이 속이 차 있으며, 형상은 주로 섀시 배치 요구 사항에 따라 조정됩니다. 알루미늄 단조 가공 구조(그림 3 참조)는 구조 내부 공간이 속이 차 있으며, 형상 요구 사항은 강철 단조 구조와 유사합니다. 강관 구조는 구조가 단순하며, 구조 내부 공간은 원형입니다.
3점식 스윙암의 구조는 복잡하며, 구조 설계는 대개 OEM의 요구 사항에 따라 결정됩니다. 동작 시뮬레이션 분석에서 스윙암은 다른 부품과 간섭해서는 안 되며, 대부분 최소 거리 요구 사항을 충족해야 합니다. 예를 들어, 스탬핑 판금 구조와 판금 용접 구조가 주로 사용되는데, 센서 하네스 홀이나 스태빌라이저 바 연결 로드 연결 브래킷 등의 위치에 따라 스윙암의 구조 설계가 변경될 수 있습니다. 구조 내부 공간은 여전히 "입구" 형태를 띠고 있으며, 스윙암 내부 공간은 개방형 구조보다 폐쇄형 구조가 더 바람직합니다. 단조 가공 구조의 경우, 구조 내부 공간은 대부분 "I"자형으로, 비틀림 및 굽힘 저항이라는 전통적인 특성을 지닙니다. 주조 가공 구조의 경우, 형상 및 구조 내부 공간에는 주조 특성에 따라 보강 리브와 경량화 홀이 주로 장착됩니다. 판금 용접과 단조를 결합한 구조는 차량 섀시의 배치 공간 요구 사항으로 인해 볼 조인트가 단조품에 통합되고 단조품과 판금 부품이 연결됩니다. 주조-단조 알루미늄 가공 구조는 단조보다 재료 활용도와 생산성이 우수하며, 주조품보다 재료 강도가 뛰어나다는 점에서 새로운 기술의 적용 사례입니다.
2. 진동이 신체로 전달되는 것을 줄이고, 스윙암 연결 지점의 탄성 요소 구조 설계를 개선합니다.
자동차가 주행하는 노면은 완벽하게 평평할 수 없기 때문에, 특히 노면 상태가 좋지 않은 곳에서 고속으로 주행할 때 바퀴에 작용하는 노면의 수직 반력은 상당한 충격을 유발하며, 이는 운전자에게 불편함을 초래합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 서스펜션 시스템에는 탄성 요소가 설치되어 강성 연결을 탄성 연결로 변환합니다. 탄성 요소가 충격을 받으면 진동이 발생하고, 이러한 지속적인 진동은 운전자에게 불편함을 주기 때문에 서스펜션 시스템에는 진동의 진폭을 빠르게 줄여주는 댐핑 요소가 필요합니다.
스윙암 구조 설계의 연결 부위는 탄성 요소 연결과 볼 조인트 연결로 구성됩니다. 탄성 요소는 진동 감쇠 기능을 제공하며 회전 및 진동 자유도를 최소화합니다. 자동차에서는 고무 부싱이 탄성 부품으로 흔히 사용되며, 유압 부싱과 크로스 힌지도 사용됩니다.
그림 2 판금 용접 스윙 암
고무 부싱의 구조는 주로 강관 내부에 고무를 씌운 형태이거나, 강관-고무-강관 샌드위치 구조입니다. 내부 강관은 내압 및 직경 요건을 충족해야 하며, 양 끝단에는 미끄럼 방지 톱니 모양이 있는 것이 일반적입니다. 고무층은 다양한 강성 요구 사항에 따라 재질 배합 및 구조 설계가 조정됩니다.
가장 바깥쪽의 강철 링에는 종종 인입 각도가 요구되는데, 이는 압입에 유리합니다.
유압 부싱은 복잡한 구조를 가지고 있으며, 부싱 제품군 중에서도 제조 공정이 복잡하고 부가가치가 높은 제품입니다. 부싱 내부에는 고무와 오일이 채워진 공동이 있습니다. 이 공동 구조는 부싱의 성능 요구 사항에 따라 설계됩니다. 오일이 누출되면 부싱이 손상될 수 있습니다. 유압 부싱은 우수한 강성 곡선을 제공하여 차량의 전반적인 주행 성능에 영향을 미칩니다.
크로스 힌지는 복잡한 구조를 가지고 있으며 고무와 볼 힌지가 결합된 복합 부품입니다. 부싱보다 뛰어난 내구성, 스윙 각도 및 회전 각도, 특수한 강성 곡선을 제공하여 차량 전체의 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 크로스 힌지가 손상되면 차량 주행 시 실내로 소음이 발생합니다.
3. 바퀴의 움직임에 따라 스윙암 연결 지점의 스윙 요소 구조 설계가 변경됩니다.
고르지 않은 노면으로 인해 바퀴가 차체(프레임)에 대해 위아래로 흔들리게 되며, 동시에 바퀴는 회전, 직진 등의 움직임을 보이는데, 이때 바퀴의 궤적이 특정 조건을 충족해야 합니다. 스윙암과 유니버설 조인트는 대부분 볼 힌지로 연결됩니다.
스윙암 볼 힌지는 ±18° 이상의 스윙 각도를 제공하며 360° 회전 각도를 지원하여 휠 런아웃 및 조향 요구 사항을 완벽하게 충족합니다. 또한, 볼 힌지는 차량 전체에 대해 2년 또는 60,000km, 또는 3년 또는 80,000km의 보증 조건을 충족합니다.
스윙암과 볼 힌지(볼 조인트)의 연결 방식에 따라 볼트 또는 리벳 연결(볼 힌지에 플랜지 있음), 프레스핏 간섭 연결(볼 힌지에 플랜지 없음), 일체형 연결(스윙암과 볼 힌지가 하나로 통합됨)으로 나눌 수 있다. 단일 판금 구조 및 다중 판금 용접 구조의 경우, 앞의 두 가지 연결 방식이 더 널리 사용되고, 강철 단조, 알루미늄 단조 및 주철과 같은 다중 판금 용접 구조에서는 후자의 연결 방식이 더 널리 사용된다.
볼 힌지는 부싱보다 작동 각도가 크고 수명 요구 사항이 높기 때문에 하중 조건에서 내마모성을 충족해야 합니다. 따라서 볼 힌지는 스윙 윤활 및 방진/방수 윤활 시스템을 포함하는 복합 구조로 설계되어야 합니다.
그림 3 알루미늄 단조 스윙암
스윙암 설계가 품질과 가격에 미치는 영향
1. 품질 요소: 가벼울수록 좋습니다
서스펜션 강성과 서스펜션 스프링에 의해 지지되는 질량(스프링 질량)에 의해 결정되는 인체 고유 진동수(진동 시스템의 자유 진동수)는 차량의 승차감에 영향을 미치는 서스펜션 시스템의 중요한 성능 지표 중 하나입니다. 인체가 사용하는 수직 진동 주파수는 보행 시 상하 운동 시 발생하는 진동 주파수로, 약 1~1.6Hz입니다. 인체 고유 진동수는 이 주파수 범위에 최대한 가까워야 합니다. 서스펜션 시스템의 강성이 일정할 때, 스프링 질량이 작을수록 서스펜션의 수직 변형이 작아지고 고유 진동수는 높아집니다.
수직 하중이 일정할 때, 서스펜션 강성이 작을수록 차량의 고유 진동수가 낮아지고, 바퀴가 위아래로 움직이는 데 필요한 공간이 커집니다.
도로 조건과 차량 속도가 동일할 때, 비스프링 질량이 작을수록 서스펜션 시스템에 가해지는 충격 하중이 작아집니다. 비스프링 질량에는 휠 질량, 유니버설 조인트 및 가이드 암 질량 등이 포함됩니다.
일반적으로 알루미늄 스윙암은 가장 가볍고 주철 스윙암은 가장 무겁습니다. 나머지는 그 중간 정도의 무게를 가집니다.
스윙암 세트의 질량은 대부분 10kg 미만인 반면, 차량의 질량은 1000kg이 넘기 때문에 스윙암의 질량이 연료 소비에 미치는 영향은 미미합니다.
2. 가격 요인: 설계 계획에 따라 다릅니다.
요구사항이 많을수록 비용은 높아집니다. 스윙암의 구조적 강도와 강성이 요구사항을 충족한다는 전제 하에, 제조 공차 요구사항, 제조 공정 난이도, 재료 종류 및 가용성, 표면 부식 방지 요구사항 모두 가격에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 부식 방지 요인으로는 전기 아연 도금이 있으며, 표면 부동태화 처리 등을 통해 약 144시간의 내식성을 달성할 수 있습니다. 표면 보호는 음극 전기영동 도장으로 코팅 두께 및 처리 방법을 조정하여 240시간의 내식성을 확보할 수 있으며, 아연-철 또는 아연-니켈 코팅은 500시간 이상의 내식성 시험 요구사항을 충족할 수 있습니다. 부식 시험 요구사항이 높아질수록 부품 비용도 증가합니다.
스윙암의 설계 및 구조 방식을 비교함으로써 비용을 절감할 수 있습니다.
잘 알려진 바와 같이, 하드 포인트 배치 방식에 따라 주행 성능이 달라집니다. 특히, 동일한 하드 포인트 배치 방식이라도 연결 지점 설계가 다르면 비용이 크게 증가할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
구조 부품과 볼 조인트의 연결 방식에는 표준 부품(볼트, 너트 또는 리벳)을 이용한 연결, 끼워맞춤 연결, 일체형 연결의 세 가지 유형이 있습니다. 표준 연결 구조와 비교했을 때, 끼워맞춤 연결 구조는 볼트, 너트, 리벳 등의 부품 종류를 줄여줍니다. 일체형 연결 방식은 끼워맞춤 연결 방식보다 볼 조인트 쉘의 부품 수를 더욱 줄여줍니다.
구조 부재와 탄성 요소 사이의 연결 방식에는 두 가지가 있습니다. 앞쪽과 뒤쪽 탄성 요소가 축 방향으로 평행한 경우와 축 방향으로 수직한 경우입니다. 연결 방식에 따라 조립 공정이 달라집니다. 예를 들어, 부싱의 압입 방향이 스윙암 본체와 동일하고 수직인 경우, 단일 스테이션 더블헤드 프레스를 사용하여 앞쪽과 뒤쪽 부싱을 동시에 압입할 수 있어 인력, 장비 및 시간을 절약할 수 있습니다. 설치 방향이 수직이 아닌 경우(수직 방향), 단일 스테이션 더블헤드 프레스를 사용하여 부싱을 순차적으로 압입 및 설치할 수 있어 인력과 장비를 절약할 수 있습니다. 부싱을 안쪽에서 압입하도록 설계된 경우에는 두 개의 스테이션과 두 대의 프레스가 필요하며, 이들을 순차적으로 압입해야 합니다.
