사람들은 자동차 성능을 생각할 때 일반적으로 마력, 토크 및 0에서 60까지의 가속을 생각합니다. 그러나 운전자가 차를 제어할 수 없다면 피스톤 엔진에서 생성된 모든 동력은 쓸모가 없습니다. 이것이 바로 자동차 엔지니어들이 4행정 내연기관을 마스터하자마자 서스펜션 시스템에 관심을 돌린 이유입니다.
자동차 서스펜션의 역할은 타이어와 노면 사이의 마찰을 최대화하고 핸들링이 좋은 조향 안정성을 제공하며 승객의 편안함을 보장하는 것입니다. 이 기사에서 우리는 자동차 서스펜션이 어떻게 작동하는지, 수년에 걸쳐 어떻게 진화했는지, 서스펜션 디자인이 미래에 어디로 향하고 있는지 알아볼 것입니다.
도로가 완벽하게 평평하고 요철이 없다면 서스펜션이 필요하지 않을 것입니다. 그러나 도로는 평탄한 것과는 거리가 멀다. 갓 포장된 고속도로라도 자동차 바퀴와 상호 작용할 수 있는 미묘한 결함이 있습니다. 바퀴에 힘을 가하는 것은 이러한 결함입니다. 뉴턴의 운동 법칙에 따르면 모든 힘에는 크기가 있습니다. 및 방향 . 노면의 충돌로 인해 바퀴가 노면에 수직으로 위아래로 움직입니다. 물론 그 크기는 바퀴가 큰 돌기와 작은 반점을 치는지 여부에 따라 다릅니다. 어느 쪽이든 자동차 바퀴는 수직 가속을 경험합니다. 불완전함을 넘어갈 때.
중간 구조가 없으면 바퀴의 모든 수직 에너지가 동일한 방향으로 움직이는 프레임으로 전달됩니다. 이러한 상황에서는 타이어가 도로와 완전히 접촉하지 않을 수 있습니다. 그러면 중력의 아래쪽 힘으로 타이어가 노면에 다시 부딪힐 수 있습니다. 필요한 것은 수직 가속 휠의 에너지를 흡수하여 타이어가 도로의 요철을 따라가는 동안 프레임과 차체가 방해받지 않고 주행할 수 있도록 하는 시스템입니다.
움직이는 자동차에 작용하는 힘에 대한 연구를 차량 역학이라고 합니다. , 우선 정지가 필요한 이유를 이해하려면 이러한 개념 중 일부를 이해해야 합니다. 대부분의 자동차 엔지니어는 움직이는 자동차의 역학을 두 가지 관점에서 고려합니다.
이 두 가지 특성은 세 가지 중요한 원칙인 도로 격리로 더 자세히 설명할 수 있습니다. , 도로 지주 및 코너링 . 아래 표는 이러한 원칙과 엔지니어가 각각의 고유한 과제를 해결하기 위해 시도하는 방법을 설명합니다.
다양한 구성 요소가 포함된 자동차 서스펜션은 설명된 모든 솔루션을 제공합니다.
섀시의 더 큰 그림부터 적절한 서스펜션을 구성하는 개별 구성 요소에 이르기까지 일반적인 서스펜션의 부품을 살펴보겠습니다.
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자동차의 서스펜션은 실제로 차체 아래에 있는 모든 중요한 시스템으로 구성된 섀시의 일부입니다. 이러한 시스템에는 다음이 포함됩니다.
따라서 서스펜션은 모든 차량의 주요 시스템 중 하나일 뿐입니다.
이 큰 그림의 개요를 염두에 두고 모든 서스펜션의 세 가지 기본 구성요소인 스프링, 댐퍼 및 스웨이 바를 살펴볼 차례입니다.
오늘날의 스프링 시스템은 다음 네 가지 기본 설계 중 하나를 기반으로 합니다.
자동차에서 스프링이 있는 위치(즉, 바퀴와 프레임 사이)를 기준으로 엔지니어는 종종 스프링 질량에 대해 이야기하는 것이 편리하다는 것을 알게 됩니다. 및 스프링되지 않은 질량 .
스프링 매스 는 스프링에서 지지되는 차량의 질량이고, 스프링되지 않은 질량 도로와 서스펜션 스프링 사이의 질량으로 느슨하게 정의됩니다. 스프링의 강성은 자동차가 운전되는 동안 스프링 매스가 반응하는 방식에 영향을 줍니다. 고급 자동차(Mercedes-Benz C-Class)와 같이 느슨하게 튀어나온 자동차는 범프를 삼키고 매우 부드러운 승차감을 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 차는 제동 및 가속 중에 급강하하고 쪼그리고 앉는 경향이 있으며 코너링 중에 몸이 흔들리거나 롤링되는 경향이 있습니다. 스포츠카(Mazda Miata MX-5를 생각하면)와 같이 단단한 스프링 자동차는 울퉁불퉁한 도로에서 덜 관대하지만 몸의 움직임을 잘 최소화하므로 코너를 돌 때도 공격적으로 운전할 수 있습니다.
따라서 스프링 자체는 단순한 장치처럼 보이지만 승객의 편안함과 핸들링의 균형을 맞추기 위해 스프링을 자동차에 설계하고 구현하는 것은 복잡한 작업입니다. 그리고 문제를 더 복잡하게 만드는 것은 스프링만으로는 완벽하게 부드러운 승차감을 제공할 수 없다는 것입니다. 왜요? 스프링은 에너지를 흡수하는 데는 뛰어나지만 소산에는 좋지 않기 때문입니다. 그것. 댐퍼로 알려진 기타 구조물 , 이 작업을 수행하는 데 필요합니다.
댐핑 구조가 아닌 경우 존재하는 경우 자동차 스프링이 확장되어 제어할 수 없는 속도로 범프에서 흡수하는 에너지를 방출합니다. 스프링은 원래 가해진 모든 에너지가 소진될 때까지 고유 주파수로 계속 튕깁니다. 스프링만으로 제작된 서스펜션은 매우 탄력 있는 승차감을 제공하며 지형에 따라 제어할 수 없는 자동차가 될 수 있습니다.
충격 흡수 장치를 입력하세요. 또는 스너버, 댐핑이라고 하는 프로세스를 통해 원치 않는 스프링 동작을 제어하는 장치 . 쇼크 업소버는 서스펜션 운동의 운동 에너지를 유압 유체를 통해 소산될 수 있는 열 에너지로 전환하여 진동 운동의 크기를 늦추고 감소시킵니다. 이것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 충격 흡수 장치의 구조와 기능을 확인하는 것이 가장 좋습니다.
완충 장치는 기본적으로 오일 펌프입니다. 자동차의 프레임과 바퀴 사이에 위치합니다. 쇽의 상부 마운트는 프레임(즉, 스프링 웨이트)에 연결되고 하부 마운트는 휠 근처의 액슬(즉, 스프링 웨이트)에 연결됩니다. 쌍관 디자인에서 , 가장 일반적인 유형의 완충기 중 하나인 상부 마운트는 피스톤 로드에 연결되고, 피스톤 로드는 차례로 피스톤에 연결되며, 피스톤 로드는 차례로 유압 유체로 채워진 튜브에 안착됩니다. 내부 튜브는 압력 튜브로 알려져 있고 외부 튜브는 예비 튜브로 알려져 있습니다. 예비 튜브는 초과 작동유를 저장합니다.
자동차 바퀴가 도로에서 충돌을 만나 스프링이 감겨 풀리면 스프링의 에너지가 상부 마운트를 통해 쇽 업소버로 전달되고 피스톤 로드를 통해 아래로 피스톤으로 전달됩니다. 구멍은 피스톤에 구멍을 뚫고 피스톤이 압력 튜브에서 위아래로 움직일 때 유체가 누출되도록 합니다. 구멍이 상대적으로 작기 때문에 큰 압력을 받는 상태에서 소량의 유체만 통과합니다. 이렇게 하면 피스톤이 느려지고 스프링이 느려집니다.
충격 흡수 장치는 압축 주기의 두 사이클로 작동합니다. 및 연장 주기 . 압축 사이클은 피스톤이 아래쪽으로 이동할 때 발생하여 피스톤 아래 챔버의 작동유를 압축합니다. 확장 사이클은 피스톤이 압력 튜브의 상단을 향해 이동하여 피스톤 위의 챔버에 있는 유체를 압축할 때 발생합니다. 일반적인 자동차나 경트럭은 압축 주기보다 확장 주기 동안 더 많은 저항을 받습니다. 이를 염두에 두고 압축 사이클은 차량의 스프링 없는 무게의 움직임을 제어하는 반면 익스텐션은 더 무거운 스프링 무게를 제어합니다.
모든 최신 충격 흡수 장치는 속도에 민감합니다. — 서스펜션이 더 빨리 움직일수록 쇼크 업소버가 더 많은 저항을 제공합니다. 이를 통해 충격을 도로 조건에 맞게 조정하고 바운스, 스웨이, 브레이크 급강하 및 가속 스쿼트를 포함하여 움직이는 차량에서 발생할 수 있는 모든 원치 않는 동작을 제어할 수 있습니다.
또 다른 일반적인 감쇠 구조는 스트럿입니다. - 기본적으로 코일 스프링 내부에 장착된 완충기. 스트럿은 두 가지 작업을 수행합니다. 감쇠를 제공합니다. 완충기와 같은 기능을 하며 구조적 지지를 제공합니다. 차량 서스펜션용. 즉, 스트럿은 차량 무게를 지지하지 않는 완충 장치보다 약간 더 많은 힘을 전달합니다. 무게 자체가 아니라 차량에서 무게가 전달되는 속도만 제어합니다.
쇽과 스트럿은 자동차 핸들링과 많은 관련이 있기 때문에 중요한 안전 기능으로 간주될 수 있습니다. 마모된 쇽과 버팀대는 차량의 무게를 좌우 및 앞뒤로 과도하게 전달할 수 있습니다. 이는 타이어의 노면 접지력과 핸들링 및 제동 성능을 감소시킵니다.
스웨이 바(앤티롤 바라고도 함)는 충격 흡수 장치 또는 스트럿과 함께 사용되어 움직이는 자동차에 추가적인 안정성을 제공합니다. 스웨이 바는 전체 액슬에 걸쳐 있고 서스펜션의 각 측면을 효과적으로 연결하는 금속 막대입니다.
한 바퀴의 서스펜션이 위아래로 움직이면 스웨이 바가 움직임을 다른 바퀴로 전달합니다. 이렇게 하면 보다 평탄한 승차감과 차량 흔들림이 감소됩니다. . 특히, 코너링할 때 서스펜션에서 자동차의 롤링을 방지합니다. 이러한 이유로 오늘날 거의 모든 자동차에는 스웨이 바가 표준 장비로 장착되어 있지만 그렇지 않은 경우 키트를 통해 언제든지 바를 쉽게 설치할 수 있습니다.
지금까지 우리의 논의는 주어진 바퀴에서 스프링과 댐퍼가 어떻게 기능하는지에 초점을 맞추었습니다. 그러나 자동차의 네 바퀴는 두 개의 독립적인 시스템에서 함께 작동합니다. 두 바퀴는 앞 차축으로 연결되고 두 바퀴는 뒤 차축으로 연결됩니다. 즉, 자동차에는 앞뒤에 다른 유형의 서스펜션이 있을 수 있고 일반적으로 있습니다.
단단한 차축이 바퀴를 묶는지 또는 바퀴가 독립적으로 움직일 수 있는지에 따라 많은 것이 결정됩니다. 전자의 배열은 종속 시스템으로 알려져 있습니다. , 후자의 배열은 독립 시스템으로 알려져 있습니다. . 다음 섹션에서는 일반 차량에 일반적으로 사용되는 전면 및 후면 서스펜션의 몇 가지 일반적인 유형을 살펴보겠습니다.
종속 프론트 서스펜션에는 프론트 휠을 연결하는 견고한 프론트 액슬이 있습니다. 기본적으로 이것은 판 스프링과 충격 흡수 장치에 의해 제자리에 유지되는 자동차 전면 아래의 단단한 막대처럼 보입니다. 트럭에서 흔히 볼 수 있는 의존형 프론트 서스펜션은 수년간 주류 자동차에 사용되지 않았습니다.
이 설정에서는 앞바퀴가 독립적으로 움직일 수 있습니다. 맥퍼슨 스트럿 1947년 General Motors의 Earle S. MacPherson이 개발한 프론트 서스펜션 시스템은 특히 유럽산 자동차에서 가장 널리 사용되는 프론트 서스펜션 시스템입니다.
MacPherson 스트럿은 완충 장치와 코일 스프링을 단일 장치로 결합합니다. 이는 전륜구동 차량에 사용할 수 있는 보다 작고 가벼운 서스펜션 시스템을 제공합니다.
더블 위시본 서스펜션 , A-암 서스펜션 또는 컨트롤-암 서스펜션이라고도 하는 또 다른 일반적인 유형의 전면 독립 서스펜션입니다.
여러 가지 가능한 구성이 있지만 이 디자인은 일반적으로 두 개의 위시본 모양의 암을 사용하여 바퀴를 찾습니다. 프레임에 2개의 장착 위치와 휠에 1개의 장착 위치가 있는 각 위시본에는 충격 흡수 장치와 진동을 흡수하는 코일 스프링이 있습니다. 더블 위시본 서스펜션을 사용하면 휠이 안팎으로 기울어지는 정도를 나타내는 휠의 캠버 각도를 더 잘 제어할 수 있습니다. 또한 롤링이나 흔들림을 최소화하고 보다 일관된 스티어링 감각을 제공합니다. 이러한 특성 때문에 대형차의 앞바퀴에는 더블 위시본 서스펜션이 일반적입니다.
이제 몇 가지 일반적인 리어 서스펜션을 살펴보겠습니다.
솔리드 액슬이 자동차의 뒷바퀴를 연결하는 경우 서스펜션은 일반적으로 판 스프링이나 코일 스프링을 기반으로 하는 매우 간단합니다. 전자의 디자인에서 판 스프링은 드라이브 액슬에 직접 고정됩니다. 판 스프링의 끝은 프레임에 직접 부착되고 완충 장치는 스프링을 차축에 고정하는 클램프에 부착됩니다. 수년 동안 미국 자동차 제조업체는 단순성 때문에 이 디자인을 선호했습니다.
잎을 교체하는 코일 스프링으로 동일한 기본 설계를 달성할 수 있습니다. 이 경우 스프링과 쇽 업소버를 단일 유닛으로 장착하거나 별도의 부품으로 장착할 수 있습니다. 분리된 경우 스프링이 훨씬 작아서 서스펜션이 차지하는 공간이 줄어듭니다.
프론트 및 리어 서스펜션이 모두 독립적인 경우 모든 바퀴가 개별적으로 장착되고 튀어나와 자동차 광고에서 "4륜 독립 서스펜션"이라고 선전합니다. 자동차 전면에 사용할 수 있는 모든 서스펜션은 후면에 사용할 수 있으며 이전 섹션에서 설명한 전면 독립 시스템 버전은 후면 차축에서 찾을 수 있습니다. 물론 차 뒤쪽에는 피니언 기어 휠을 포함하고 휠이 좌우로 회전할 수 있는 어셈블리인 스티어링 랙이 없습니다. 즉, 기본 원칙은 동일하게 유지되지만 리어 독립 서스펜션은 프론트 서스펜션의 단순화된 버전이 될 수 있습니다.
다음으로 특수 차량의 정지에 대해 살펴보겠습니다.
역사적 정지16세기 마차와 마차는 거꾸로 된 탁자처럼 보이는 섀시의 기둥 4개에 부착된 가죽 끈으로 마차 본체를 묶음으로써 "도로의 모든 충돌을 느끼는" 문제를 해결하려고 했습니다. 차체가 섀시에 매달려 있었기 때문에 이 시스템은 "서스펜션"으로 알려지게 되었습니다. 이 용어는 오늘날에도 여전히 전체 솔루션 클래스를 설명하는 데 사용됩니다. 슬러그 바디 서스펜션은 진정한 스프링 시스템은 아니었지만 차체와 캐리지의 바퀴가 독립적으로 움직일 수 있게 했습니다. 카트 스프링이라고도 하는 반 타원형 스프링 디자인은 가죽 스트랩 서스펜션을 빠르게 대체했습니다. 마차, 버기 및 마차에서 인기 있는 반타원 스프링은 종종 앞 차축과 뒤 차축 모두에 사용되었습니다. 그러나 그들은 앞뒤로 흔들리는 경향이 있었고 무게 중심이 높았습니다. 동력 차량이 도로에 부딪힐 즈음에는 승객의 승차감을 부드럽게 하기 위해 보다 효율적인 다른 스프링 시스템이 개발되고 있었습니다.
대부분의 경우 이 기사는 일반 주행 조건에서 일반 도로를 주행하는 주류 전륜 및 후륜 구동 자동차의 서스펜션에 중점을 두었습니다. 그러나 핫로드, 레이서 또는 익스트림 오프로드 차량과 같은 특수 차량의 서스펜션은 어떻습니까? 특수 자동차의 서스펜션은 동일한 기본 원칙을 준수하지만 탐색해야 하는 운전 조건에 고유한 추가 이점을 제공합니다. 다음은 Baja Bugs, Formula One 레이서 및 미국식 핫 로드의 세 가지 유형의 특수 차량용 서스펜션이 어떻게 설계되었는지에 대한 간략한 개요입니다.
Volkswagen Beetle 또는 Bug는 오프로드 애호가들 사이에서 인기 있는 차량이 될 운명이었습니다. 무게 중심이 낮고 리어 액슬 위에 엔진이 배치된 2륜 구동 버그는 오프로드 조건과 일부 4륜 구동 차량을 처리합니다. 물론, VW Bug는 그 공장 장비와 함께 오프로드 조건에 대해 준비가 되어 있지 않습니다. 대부분의 버그는 바하 칼리포르니아의 사막과 같은 혹독한 조건에서 경주할 준비를 하기 위해 약간의 수정 또는 변환이 필요합니다.
가장 중요한 수정 중 하나는 서스펜션에서 발생합니다. 1936년과 1977년 사이에 대부분의 Bugs의 전면과 후면에 표준 장비로 장착된 토션 바 서스펜션을 들어 올려서 중부하용 오프로드 휠과 타이어를 위한 공간을 만들 수 있습니다. 더 긴 쇽 업소버는 표준 쇽을 대체하여 차체를 더 높이 들어 올리고 최대 바퀴 이동 거리를 제공합니다. 어떤 경우에는 Baja Bug 변환기가 토션 바를 완전히 제거하고 여러 코일 오버 시스템으로 교체합니다. , 스프링과 쇼크 업소버를 하나의 조정 가능한 장치에 결합한 애프터마켓 품목. 이러한 수정의 결과 바퀴가 각 끝에서 수직으로 20인치(50센티미터) 이상 이동할 수 있는 차량이 탄생했습니다. 이러한 자동차는 거친 지형을 쉽게 탐색할 수 있으며 물 위의 돌처럼 사막 빨래판을 "건너뛰는" 것처럼 보입니다.
Formula One 레이싱 카는 자동차 혁신과 진화의 정점을 나타냅니다. 경량의 복합 소재 차체, 강력한 V10 엔진 및 첨단 공기역학 덕분에 더 빠르고 안전하며 안정적인 자동차가 탄생했습니다.
레이스에서 드라이버 기술을 차별화하는 핵심 요소로 높이려면 엄격한 규칙과 요구 사항이 Formula One 레이스카 디자인에 적용됩니다. 예를 들어 서스펜션 설계를 규제하는 규칙에 따르면 모든 포뮬러 원 레이서는 일반적으로 스프링을 장착해야 하지만 컴퓨터로 제어되는 능동 서스펜션은 허용하지 않습니다. 이를 수용하기 위해 자동차에는 멀티 링크 서스펜션이 있습니다. , 더블 위시본 시스템과 동일한 멀티 로드 메커니즘을 사용합니다.
더블 위시본 디자인은 두 개의 위시본 모양의 컨트롤 암을 사용하여 각 휠의 상하 동작을 안내합니다. 각 암에는 3개의 장착 위치(프레임에 2개, 휠 허브에 1개)가 있으며 각 조인트는 경첩으로 연결되어 휠의 움직임을 안내합니다. 모든 자동차에서 더블 위시본 서스펜션의 주요 이점은 제어입니다. . 팔의 기하학적 구조와 조인트의 탄성은 엔지니어가 휠의 각도와 리프트, 스쿼트 및 다이빙과 같은 기타 차량 역학을 궁극적으로 제어할 수 있도록 합니다.
그러나 로드카와 달리 포뮬러 원 경주용 자동차의 쇼크 업소버와 코일 스프링은 컨트롤 암에 직접 장착되지 않습니다. 대신, 그들은 자동차의 길이를 따라 방향을 잡고 일련의 푸시 및 풀 로드를 통해 원격으로 제어됩니다. 바퀴의 상하 운동을 스프링 및 댐퍼 장치의 전후 운동으로 변환합니다.
고전적인 미국 핫로드 시대는 1945년에서 약 1965년까지 지속되었습니다. Baja Bugs와 마찬가지로 클래식 핫로드는 소유자의 상당한 수정이 필요했습니다. 그러나 Volkswagen 섀시를 기반으로 하는 Bugs와 달리 핫로드는 다양한 구형 자동차 모델을 기반으로 제작되었습니다. 1945년 이전에 제조된 자동차는 차체와 프레임이 종종 양호한 상태였기 때문에 핫로드 변형에 이상적인 사료로 간주되었습니다. , 엔진과 변속기를 완전히 교체해야 했습니다. 핫 로드 애호가에게는 이것이 바로 그들이 원하던 것이었습니다. 플랫헤드 Ford V8 또는 Chevrolet V8과 같은 더 안정적이고 강력한 엔진을 설치할 수 있었기 때문입니다.
하나의 인기 있는 핫로드는 T-버킷으로 알려졌습니다. Ford Model T를 기반으로 했기 때문입니다. Model T의 전면에 있는 스톡 Ford 서스펜션은 솔리드 I형 프론트 액슬(종속 서스펜션), U자형 버기 스프링(리프 스프링) 및 위시본으로 구성되어 있습니다. 변속기에 부착된 컵에서 회전하는 뒤쪽 끝에 볼이 있는 모양의 반경 막대.
포드의 엔지니어들은 1930년대의 거칠고 원시적인 도로에 이상적인 설계인 서스펜션 움직임이 많은 모델 T를 제작했습니다. 그러나 제2차 세계 대전 이후 핫 로더는 더 큰 캐딜락 또는 링컨 엔진을 실험하기 시작했으며, 이는 위시본 모양의 반경 로드를 더 이상 적용할 수 없음을 의미했습니다. 대신 센터 볼을 제거하고 위시본의 끝 부분을 프레임레일에 볼트로 고정했습니다. 이 "스플릿 위시본 " 디자인은 프론트 액슬을 약 1인치(2.5센티미터) 낮추고 차량 핸들링을 개선했습니다.
액슬을 1인치 이상 낮추려면 Bell Auto라는 회사에서 제공한 완전히 새로운 디자인이 필요했습니다. 1940년대와 1950년대에 Bell Auto는 드롭 튜브 액슬을 제공했습니다. 그것은 차를 완전히 5인치(13센티미터) 낮추었습니다. 튜브 액슬은 매끄러운 강철 튜브와 균형 잡힌 강도와 뛰어난 공기 역학으로 제작되었습니다. 강철 표면은 또한 단조 I-빔 액슬보다 크롬 도금을 더 잘 수용했기 때문에 핫 로더는 종종 미적 품질도 선호했습니다.
그러나 일부 핫로드 애호가는 튜브 액슬의 강성과 구부러지지 않는 능력이 운전 스트레스를 처리하는 방법을 손상시켰다고 주장했습니다. 이를 수용하기 위해 핫 로더는 4바 서스펜션을 도입했습니다. , 액슬에 2개의 장착 지점과 프레임에 2개의 장착 지점 사용. 각 장착 지점에서 항공기 스타일의 로드 엔드는 모든 각도에서 충분한 움직임을 제공했습니다. 결과? 4바 시스템은 모든 종류의 운전 조건에서 서스펜션이 작동하는 방식을 개선했습니다.
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최초 발행일:2005년 5월 11일
