현가장치 관련질문

 

쇽업소버의 역할

액체가 작은 구멍을 통과하려고 할 때 발생하는 저항력이 감쇠력(減衰力)이다. 쇽업소버는 이 현상을 이용하여 스프링이 늘어나거나 줄어드는 속도를 제어하는 장치이다.

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쇽업소버는 직역하면「충격을 흡수하는 것」이라는 뜻이다. 그러나 스프링에서 설명한 것처럼 서스펜션에서 충격을 흡수하는 것은 스프링이다. 스프링은 수축할 때 충격을 일시적으로 흡수하고 다시 늘어날 때 흡수한 에너지를 방출한다.

쇽업소버의 역할은 스프링이 충격(Shock)을 멈추게 할 때에 한 번에 멈추도록 하는 것이 아니고 지긋이 멈추게 하는 것으로 바꾸어 말하면 스프링의 움직임을 컨트롤하는 것이 쇽업소버이며, 댐퍼(Damper)라고도 불린다.

쇽업소버의 기능스프링은 진동을 완화시키는 작용을 하는데 스프링만으로는 진동이 계속된다. 따라서 쇽업소버를 장착하여 진동을 감쇠시켜 자동차의 진동을 빠르게 억제한다.

쇽업소버의 작동 속도와 감쇠력의 관계타이어가 돌기를 지날 때 스프링이 재빠르게 수축되어 충격을 흡수할 수 있도록 수축하는 쪽의 감쇠력을 늘어나는 쪽의 감쇠력보다도 작게 하고 있다.

댐퍼는 넓은 의미에서 기계적인 또는 전기적인 진동을 감쇠시키는 구조를 총칭하는 것으로, 서스펜션에서는 스프링이 늘어나거나 수축에 의해 발생되는 진동을 제어(Control)하는 역할을 한다.

쇽업소버는 초기의 자동차로부터 스프링과 함께 사용되었다. 아마도 서스펜션의 일부로서 쇽업소버와 스프링의 역할을 잘 알지 못했을 당시 ‘충격을 흡수하는 어떤 것’이라고 하여 쇽업소버라는 명칭이 붙여졌을 것이다. 사실 판 스프링(Leaf Spring)은 몇 장이 겹쳐진 판과 판 사이의 마찰에 의해 쇽업소버의 기능이 발생되어 어느 정도의 진동을 감쇠시킨다.

주사기를 이용하여 액체를 주입하려고 피스톤을 밀어보면 액체가 바늘 구멍을 통과할 때 저항에 의해 피스톤이 잘 움직이지 않는다. 쇽업소버에서 스프링의 진동을 감쇠하는 것은 이 유체가 작은 구멍을 통과하려고 할 때 발생되는 저항력을 이용한다. 실제 쇽업소버는 피스톤이 내장(內裝)된 실린더에 오일을 가득 채우고, 피스톤과 실린더에 구멍과 밸브를 설치하여 이것을 통과하는 오일의 저항력에 의해 스프링의 진동을 억제한다.

이 저항력을 감쇠력(減衰力：Damping Force)이라고 부르며, kg-f로 표현한다. kg-f는 킬로그램 포스라고 부르며, kg은 중량이 아닌 힘을 표현할 때에 사용되는데 간단하게 kg으로 표기하는 경우가 많다. 감쇠력은 스프링이 작동하고 있을 때 그 움직임을 억제하려고 하는 힘으로, 스프링이 신장되든지 수축되든지 어떤 상태에서 멈춰있다면 제로(Zero)이다.

피스톤이 움직이면 감쇠력이 발생하는데 그 힘은 피스톤이 천천히 움직일 때는 감쇠력이 작아지고, 빠르게 움직일 때는 커진다. 따라서 쇽업소버의 특성을 나타낼 때 가로축을 작동속도(Piston Speed)로 세로축을 감쇠력으로 하여 그래프로 나타낸다. 작동속도의 단위는 1초에 피스톤이 몇 m를 움직이는가, 즉 m/s를 사용한다.

그래프는 상하로 나누어져 있으며, 위쪽이 쇽업소버가 늘어날 때의 감쇠력을, 아래쪽이 수축할 때의 감쇠력을 나타낸다. 동일한 피스톤 스피드라도 수축하는 측의 감쇠력이 늘어나는 측의 감쇠력보다 작은 것은 바퀴가 돌기를 만났을 때 매우 빠르게 스프링이 변형되어 충격을 흡수할 수 있도록 하기 위함이다. 코너링 할 때의 롤 속도 컨트롤은 주로 외측 쇽업소버의 늘어나는 쪽의 감쇠력을 사용한다.

쇽업소버의 작동속도는 도로조건과 주행상태에 따라 다르며, 보통 고속도로를 주행하고 있을 때 쇽업소버의 작동속도는 0.03~0.05m/s 정도이며, 일반적으로 작동속도는 0.3m/s를 초과하는 경우는 드물다. 여기서 쇽업소버의 특성을 수치로 표현하는 경우에는 작동속도를 0.3m/s로 표현하며, 이것은 1초에 30cm의 속도로 늘어나거나 수축할 때의 수치를 뜻한다.

그러나 레이스(Race)와 랠리(Rally) 등 스포츠 주행에서는 상당히 넓은 범위의 작동속도에서 사용되고 있기 때문에 자동차 메이커의 서비스 엔지니어가 사용조건에 알맞은 쇽업소버를 선택할 때는 우선 적당하다고 생각되는 쇽업소버로 실제 주행하여 휠링(Whirling)을 체크하여, 감쇠력 특성 그래프와 비교하여 적당한 것을 추천하는 방법이 쓰인다.

감쇠력을 발생할 때는 오일은 오리피스(Orifice)와 감쇠력 발생 밸브 등 작은 구멍을 무리하게 오일이 통과되기 때문에 마찰에 의한 열이 발생한다. 쇽업소버는 상하 진동이라는 기계적인 에너지를 열에너지로 바꾸어 진동을 제어한다

[ 지식백과] 쇽업소버의 역할 (섀시는 이렇게 되어 있다, 2010.2.10, 도서출판 골든벨)

 

안티 롤 바(Anti-roll Bar)라고도 불리는 스태빌라이저(Stabilizer)는 자동차가 코너링 할 때에 외측 스프링을 강하게 하는 작용을 하며, 자동차의 롤을 억제하여 코너링 스피드를 높이는 역할을 한다.

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자동차의 조종성 · 안정성이라는 관점에서 볼 때 스프링은 딱딱한 편이 좋다. 그러나 스프링 정수가 큰 스프링을 사용하면 승차감은 나빠질 수밖에 없다.

자동차 메이커는 차량을 개발함에 있어 자동차의 컨셉에 비추어 신중하게 검토를 거듭하여 조종성과 승차감의 균형이 가장 잘 이루어진 정수(定數)의 스프링을 선택하고 있다. 차량 주행성능을 위한 튜닝은 스프링과 쇽업소버(Shock Absorber)의 특성의 매칭(Matching)을 어떻게 맞출 것인가를 중심으로 이루어진다.

스태빌라이저의 작동자동차의 좌우 타이어가 동시에 돌기 위에 올라탔을 때 등 좌우 서스펜션이 동시에 행정(Stroke)을 한 경우(그림 좌)에는 스태빌라이저는 움직이기만 한다. 한 쪽 타이어만 행정을 한 경우(그림 우)에는 스태빌라이저가 비틀려 스프링으로서 작동한다.

프런트 스태빌라이저스태빌라이저 암을 필요 최소한의 길이로 억제하고, 바를 중공(中空)으로 하여 경량화 시킨 것도 있다.

그러나 잘 생각해보면「조종성과 안정성이 주로 문제가 되는 경우는 자동차가 코너링 할 때이고, 승차감이 중요시 되는 경우는 자동차가 직진 주행하고 있을 때가 아닐까. 그렇다면 자동차가 직진하고 있을 때는 스프링 정수가 작고, 코너링할 때는 스프링 정수가 커지는 스프링이 있다면 이상적인 서스펜션이 될 것」이라는 것을 스프링만으로 실현하는 것은 무리다. 실제로 이와 같은 서스펜션의 스프링 정수를 바꾸는 역할을 하는 것이 스태빌라이저이다.

스태빌라이저는 스태빌라이저 바(Stabilizer Bar)라고도 부르는 것과 같이 스프링 강으로 이루어진 봉의 끝부분을 구부려 『ㄷ자』형으로 만든 것으로 그 양끝을 좌우 서스펜션의 상하로 움직이는 어느 부분에 장착하여 사용한다. 중간 부분에는 2개의 고무 부시(Bush)를 사이에 두고 바디에 장착되어 있으며, 봉은 어느 정도 부시 사이에서 회전할 수 있도록 되어 있다.

이러한 방법으로 스태빌라이저가 장착되기 때문에 자동차가 직진주행을 하거나, 좌우 두 개의 바퀴가 동시에 돌기를 넘거나, 높이 차(段差)가 생겨도 스태빌라이저는 부시를 통해 지탱되면서 조금 회전할 뿐 아무런 기능도 하지 않는다. 즉, 직진상태에서의 서스펜션의 스프링 정수는 스태빌라이저가 있어도 원래 장착되어 있는 스프링의 스프링 정수와 같다.

다음으로 이 자동차가 코너링 할 때는 스태빌라이저가 어떻게 되는가를 살펴보자.

선회중인 자동차는 원심력에 의해 바깥쪽(外側)으로 밀리는데 자동차의 중심(中心)에 있는 무게 중심(重心)이 바깥쪽으로 이동한 것과 마찬가지의 효과가 발생한다. 이 현상을 하중 이동(荷重移動)이라고 부른다. 하중의 이동으로 인해 외측의 서스펜션에 가해지는 하중이 증가되어 스프링의 변형은 커지고, 내측의 서스펜션에 가해지는 하중이 감소되어 변형은 작아진다. 심할 경우에는 외측의 서스펜션이 완전히 수축되거나, 내측의 서스펜션이 완전히 늘어나 타이어가 허공에 뜨는 경우도 있다.

이 때 스태빌라이저의 양끝은 어떻게 될까. 외측의 서스펜션에 장착되어 있는 스태빌라이저 끝부분은 스프링의 변형이 커지기 때문에 노면에 가까워지는 방향으로 움직이려고 하며, 내측의 스태빌라이저 끝은 반대로 노면에서 멀어지려는 것을 알 수 있다. 『ㄷ자』모양의 한쪽 끝은 아래로, 또 한쪽 끝은 위로 움직이려고 하기 때문에 스태빌라이저는 비틀리게 된다. 봉은 비틀리면 스프링으로서 역할을 한다. 즉 서스펜션에 토션 바 스프링(Torsion Bar Spring)이 장착되어 있는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

결과적으로 스태빌라이저가 장착되어 있으면 코너링 중에는 원래 장착되어 있는 스프링에 토션바 스프링을 더하는 것이 되어 서스펜션의 스프링 정수가 커지게 되기 때문에 변형은 작아진다. 즉 외측 서스펜션의 수축량과 내측 서스펜션의 늘어나는 양이 함께 작아진다. 자동차가 코너링 중에 외측으로 기울어지는 현상을 롤링(Rolling) 또는 롤(Roll)이라 부르며, 변형이 작아지기 때문에 롤이 작아져 자동차의 안정성이 좋아지게 된다.

스태빌라이저 바는 영어로 자동차를 안정시키는 봉을 뜻하는데, 이처럼 롤을 작게 하는 기능이 있기 때문에 영어로 반대를 의미하는 안티(Anti)를 사용해 안티 롤 바(Anti-roll Bar)라고도 불린다.

스태빌라이저가 장착되어 있으면 직진 중에 좌우 한쪽 타이어가 돌기 위를 통과할 때 발생하는 롤을 억제하기 때문에 적용하고 있는 자동차가 많다. 또한 스태빌라이저의 한쪽 끝에 유압으로 작동하는 실린더를 설치하여 스태빌라이저의 스프링 정수를 바꿀 수 있도록 하는 시스템도 실용화되었다.

[ 지식백과] 스태빌라이저의 기능 (섀시는 이렇게 되어 있다, 2010.2.10, 도서출판 골든벨)