자동차 현가장치란(서스펜션)

 

현가장치의 정의 및 역할

현가장치의 필요성

보통 책상을 생각하면 4개의 다리 중 하나가 떠서 덜컹거리는 경우가 많다.
카메라 삼각대가 3개의 다리를 가진 이유기도 한데, 하지만 자동차는 4개의 바퀴를 가지고 있다. 

자동차 4개의 바퀴를 모두 지면에 접촉되도록 해 안정성을 높이는 역할을 하는 것이 바로 현가장치이다.

역사

최초의 현가장치는 1670년경 마차의 바퀴에 강철 스프링이 달리면서 시작됐다.  

초기의 자동차는 단단한 스프링을 사용했지만 곧바로 문제가 발생했다.
바로 코너를 돌 때 내측 바퀴가 떠오르는 것이다.

이러한 현상이 발생한 이유는 원심력으로,
코너를 돌 때 하중이 외측으로 쏠려 외측 스프링은 압축되고 내측은 늘어나야 한다.

때문에 고속으로 주행할 때는 단단한 스프링이,
코너를 돌 때에는 부드러운 스프링처럼 상황에 따라 변화하는 현가장치가 개발되었따. 

• 정의: 차체와 노면 사이에 위치하여 바퀴를 지면에 밀착시키고 충격을 흡수하는 장치.
• 주요 역할
  • 노면 접지력 유지: 4개의 바퀴가 항상 지면에 닿게 하여 구동과 제동 가능하게 함.
  • 충격 흡수: 스프링과 쇼크 업소버를 통해 노면의 진동을 차단.
  • 자세 제어: 코너링 시 원심력에 의한 기울어짐(롤링)이나 급제동 시 쏠림(다이브) 억제.
• 승차감과 안정성: 부드러운 설정은 승차감을 높이지만 차체가 흔들릴 수 있고, 단단한 설정은 주행 안정성을 높이지만 노면 충격이 전달됨 → 적절한 조율이 핵심.

또한 현가장치는 휠, 타이어, 너클, 쇼크업소버, 링크 등으로 구성되어있따. 

---

현가장치의 기본 분류

현가장치에 대해 알아보기 전에 차축(Axle Shaft)에 대해 알아야한다.
차축은 엔진에서 발생하는 동력을 바퀴에 전달하는 역할을 한다.

차축과의 결합 형태에 따라 "차축식"과 "독립식" 으로 구분한다. 

차축식 vs 독립식

• 차축식
  • 하나의 긴 차축에 바퀴가 연결된 형태
  • 차축이 현가장치를 거쳐 차체와 연결되어 있음
  • 주로 오프로드 차량에서 볼 수 있는 형태
  • 튼튼하고 큰 힘을 내기 좋음
  • 구조가 간단하고 저렴
  • 스프링 연결부가 무거움
  • 한쪽만 충격받아도 전체 진동(승차감 떨어짐
• 독립식
  • 바퀴와 차대가 링크 구조로 연결
  • 차축과 현가장치 구분이 명확하지 않음
  • 양쪽 바퀴 독립적
  • 차량의 높이가 낮고 안정성 향상
  • 좋은 승차감
  • 비싸고 어려운 정비
  • 휠 얼라인먼트가 틀어지기 쉬움 

현가장치는 기본적으로 리지드 액슬과 인디펜던트 서스펜션으로 나눌 수 있다. 

리지드 액슬 서스펜션 (일체차축식)

리지드 액슬 서스펜션은 자우 바퀴가 하나의 축으로 연결된 마차에서 계승되어 차축식 현가 장치라고도 불린다. 

• 특징: 좌우 바퀴가 하나의 축으로 연결된 방식.
• 장점: 구조가 단순하고 튼튼하여 타이어 마모가 적음
• 단점: 현가하질량이 무겁고 한쪽 바퀴의 충격이 반대쪽으로 전달되어 승차감이 나쁨.
• 용도: 주로 트럭, 버스 등 상용차에 사용.

상용차와 달리 리지드 액슬 서스펜션을 적용한 승용차의 경우 노면의 상황이 좋지 않은 경우 운전자가 의도하지 않은 방향으로 차량이 움직이는 상황이 발생했다. 이를 해결하고 경량화를 위해 다음 방식이 나타났다.

인디펜던트 서스펜션 (독립현가식)

• 특징: 좌우 바퀴가 독립적으로 움직임.
• 장단점: 노면 대응력이 뛰어나고 승차감이 우수하며 경량화에 유리함.

- 더블 위시본 서스펜션

그 중에서도 가장 보편적인 서스펜션은 더블 위시본 서스펜션이다.

여기서 위시본이란 새 가슴에 있는 v자 형태의 뼈로, 현재는 위시본이 A자 형태를 가지고 있어 A암이라고 부른다.
이 A자 암을 상하 한쌍이 되도록 평평하게 세워두고 A자형의 뾰족한 끝에 너클을 설치한 구조로 되어있다.

이는 바퀴가 상하로 움직일 때 얼라인먼트 변화를 자유롭게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 구조가 복잡하고 부품이 많아 비싸다는 단점이 있다. 

여기서는 A암의 6개 정점을 적절히 배치해 롤 센터 높이, 얼라인먼트 변화, 안티 다이브(Anti-dive), 안티 리프트(Anti-lift)효과 등을 자유롭게 설정할 수 있따. 

- 맥퍼슨 스트럿 서스펜션

다음으로는 미국의 맥퍼슨이라는 엔지니어가 양산차에 처음 적용한 서스펜션이 있다.

스트럿 서스펜션은 어퍼암을 제거하고 스트럿이라는 쇽업소버(Shock absorber)가 어퍼암 역할을 겸하는 구조이다.
때문에 스트럿은 타이어의 위치 결정과 하중 부담이라는 두 역할을 한다.

덕분에 더블 위시본보다 더 적은 공간을 사용하고 가볍기에 중형 이하 차량에 적용된다.
특히 FF(Front engine, Front wheel drive) 차량 대부분에 적용된다. 

또 횡방향 힘이 가해졌을 때 암과 링크 장착 위치에 따라 앞바퀴의 앞이 넓어지는 toe out 경향이 있다. 

- 다양한 서스펜션

하지만 컨트롤 암이 항상 삼각형인 것은 아니다. 
서스펜션 지오메트리에서 링크로 분해하여 생각하고 필요시 링크를 추가해 자세를 더 자유롭게 컨트롤할 수 있다. 
이렇게 탄생한 서스펜션이 멀티링크 서스펜션이다.

더블 위시본 타입과 멀티링크 서스펜션의 명확한 구분은 힘들다.
멀티링크라 부르지만 어퍼링크는 위시본 형태로 외형이 비슷한 경우도 많다.

이 외에도 좌우에 트레일링 암을 설치하고 이를 빔으로 연결해 구조를 간단하게 한 토션빔 서스펜션 등 다양한 서스펜션이 있다. 

이를 다음과 같이 간단히 정리할 수 있다.

• 주요 종류
  • 더블 위시본: 상하 한 쌍의 A자형 암(Arm) 사용. 정밀한 설정이 가능하나 비싸고 공간을 많이 차지함 (고급 세단/스포츠카).
  • 맥퍼슨 스트럿: 어퍼암을 없애고 쇽업소버가 지지대 역할을 겸함. 구조가 간단하고 공간 효율이 좋아 대부분의 승용차 앞바퀴에 사용.
  • 멀티링크: 여러 개의 링크로 타이어 자세를 더 자유롭게 조절. 가장 진보된 형태.
  • 토션 빔: 좌우 암을 빔으로 연결. 구조가 간단하여 소형차 뒷바퀴에 주로 사용.

---

전자 제어 현가장치 (ECS)

컴퓨터와 센서를 통해 주행 상황에 따라 서스펜션 특성을 실시간으로 조절하는 시스템이다.
컴퓨터를 자동차에 적용해 승차감을 높였다 할 수 있다. 

각종 센서와 액추에이터를 이용해 노면의 상태나 주행조건에 따라 자동차 높이와 현가 특성을 컴퓨터로 조절한다. 

예를 들어 비포장 도로를 주행할 때에는 차체를 높이고, 포장 도로에서는 차체를 낮춰 안정성을 높인다.

또 현가장치를 Hard 하게 할 것인지 soft하게 할 것인지도 제어한다.

• 주요 제어 기능
  1. 자세 제어: 코너링이나 가감속 시 차체의 롤링과 피칭을 억제.
  2. 차고 제어: 노면 상태나 속도에 따라 차체 높이를 자동 조절 (고속 시 낮춤, 험로 시 높임).
  3. 감쇠력 제어: 쇼크 업소버의 딱딱한 정도를 조절하여 진동 최소화.

자세 제어에서는 쇽업소버 내 오일이나 공기 압력을 제어하여 선회 중 롤, 가감속에 따른 피치를 제어한다. 

차고 제어에서는 공기 스프링 내 압력을 조절해 차고를 자동으로 조절한다. 
앞뒤 차고 센서에 의해 높이를 검출할 수 있다.

감쇠력 제어에서는 네 바퀴에 설치되어 있는 쇽업소버의 감쇠력을 컴퓨터로 조절하여 자동차가 항상 수평 상태로 주행될 수 있도록 한다. 전자제어 에어 서스펜션, 액티브 댐퍼 서스펜션, 액티브 프리뷰 서스펜션 등이 있다. 

---

서스펜션 제어 이론과 원리

• 스카이훅(Sky-hook) 이론:
  • 차체가 공중에 매달려 노면과 관계없이 수평을 유지하며 가는 것처럼 제어하는 이상적인 모델.
  • 일반적인 서스펜션은 스프링과 쇽업소버가 병렬, 스카이훅에서는 직렬(스프링-바디-쇽업소버)
  • 스프링 위의 body가 스프링과 상관없이 일정하게 유지되도록 함. 
• 전자제어 에어 서스펜션:
  • 공기 스프링 내 압력을 조절하여 부드러운 승차감과 정밀한 차고 유지 제공.
  • G센서를 앞뒤에 배치해 가속도나 감속도 감지
  • height 센서로 높낮이 변화 감지 
  • 검출된 데이터로 각 쇽업소버를 컨트롤 
    • 예를 들어 쇽업소버가 수축하면 타이어가 튀어오른다 생각해 감쇠력을 부드럽게
    • 바디가 위로 올라가는 상황에서 쇽업소버가 늘어나면 감쇠력 강하게 

• 액티브 댐퍼 서스펜션:
  • 지 센서(G-sensor)와 조향각 센서 정보를 바탕으로 댐퍼의 감쇄력을 개별 조절하여 주행 피로도 감소.
  • 앞쪽 1개, 뒤쪽 2개 G 센서로 검출 
  • 차속 센서와 조향각 센서로 제어 
    • 편평한 노면에서는 감쇠력을 약하게
    • 코너링, 차선 변경 등 기울면 감쇠력 강하게 
• 액티브 프리뷰 서스펜션:
  • 전방 카메라로 노면 정보를 미리 읽어 방지턱 등을 넘기 전 미리 서스펜션을 최적화하는 기술.

 

---

내가 요즘 보고 있는 저렴한 차량들에는 다 토션빔이 들어간 것 같다. 
그런데 뭐 토션빔도 토션빔 나름인 것 같기도

그런데 전기차에는 경차 제외하고는 다 멀티링크가 들어가는 듯?
전기차는 무거워서 의외인 부분이었다. 
이유가 있는걸까 아니면 어차피 비싼거 차별화 전략을 한걸까 

다음으로는 현가시스템의 기계적 모델, 제어 기술에 대해 살펴보겠다.

 

 

자동차 현가장치 제어 개론