현가시스템

현가장치(서스펜션)의 필요성, 기본 원리, 종류별 특성, 전자제어 현가장치(ECS)의 기능과 원리

1. 현가장치의 필요성과 기본 원리

바퀴가 공중에 뜨면 정상적인 구동이 불가능하고 전복의 위험이 있습니다.

따라서 4개의 바퀴를 항상 노면에 접지시키는 장치가 필요합니다.

• 현가장치의 역할: 이 역할을 하는 것이 현가장치(서스펜션)입니다. 현가장치는 노면의 충격을 흡수하고 타이어를 지면에 항상 접지시키는 역할을 합니다. 이는 기본적으로 스프링의 원래대로 돌아가려는 성질을 이용합니다.

 

2. 스프링의 특성과 딜레마

• 부드러운 스프링: 승차감은 좋으나, 울퉁불퉁한 노면에서 차체가 해먹처럼 흔들려 멀미를 유발할 수 있습니다. 또한 코너링 시 차체가 많이 기울어지고 , 제동 시 차가 앞으로 크게 고꾸라지는(노즈 다이브) 불편함이 있습니다.
• 단단한 스프링: 초기 자동차(마차)에 사용되었습니다. 하지만 고속 코너링 시 원심력에 의해 하중이 외측 바퀴로 이동할 때 , 단단한 스프링은 압축/인장 변이가 크지 않아 내측 바퀴가 허공으로 떠오르는 문제가 발생했습니다.
• 결론: 자동차에는 적당히 부드럽고 적당히 단단한, 즉 중간 정도의 스프링이 필요합니다.
  
   
  타이어: 타이어는 지면과 소통하는 유일한 요소로 , 공기압에 따라 승차감이 크게 달라지므로 적정 공기압 유지가 중요합니다.

 

3. 현가장치의 주요 종류

현가장치는 크게 '리지드 액슬 서스펜션'과 '인디펜던트 서스펜션' 두 가지로 나뉩니다.

 

• 리지드 액슬 서스펜션 (차축식):좌우 바퀴가 하나의 차축으로 연결된 마차에서 계승된 형식입니다.

     - > 장점: 구조가 간단하고 저렴하며, 휠 얼라이먼트 변화가 적어 타이어 마모가 적습니다.

    - > 단점: 현가 하질량(스프링 아래 구조물 무게)이 무겁고 승차감이 나쁩니다.

                    한쪽 바퀴의 움직임이 반대쪽 바퀴에도 영향을 주어, 고속 주행 시 핸들링 문제를 유발할 수 있습니다.

    용도: 현재 트럭, 버스 등 상용차에 주로 사용되며 , 승차감 개선을 위해 에어 서스펜션 등을 활용합니다.

• 인디펜던트 서스펜션 (독립 현가 장치): 좌우 바퀴가 독립적으로 움직여 고속 주행에 용이하게 개발되었습니다.

(더블 위시본): V자(또는 A자) 형태의 암(Arm)을 위아래 한 쌍으로 배치한 구조입니다

     - >  장점: 얼라이먼트 변화를 자유롭게 설정할 수 있습니다.

     - >  단점: 구조가 복잡하고 부품이 많아 가격이 비쌉니다.

     용도: 중형 이상 승용차에 적용됩니다.

 

(맥퍼슨 스트럿): 더블 위시본의 어퍼암(위쪽 팔)을 제거하고, 스프링과 일체화된 쇼크 업소버(스트럿)가 그 역할을 겸하는 형태

     - >  장점: 설치 공간을 적게 차지하고 현가 하질량이 가볍습니다.

     용도: 중형 이하 승용차, 특히 FF(전륜구동) 구조 차량의 앞 차축에 많이 사용됩니다.

 

(멀티링크): 더블 위시본의 A암을 여러 개의 링크로 분해하여 타이어의 자세를 더욱 자유롭게 컨트롤할 수 있도록 한 방식입니다.

 

4. 전자제어 현가장치 (ECS)

정의: 컴퓨터, 센서, 액추에이터를 이용해 노면 상태나 주행 조건에 따라 자동차 높이와 현가 특성을 자동으로 조절하는 장치입니다.

작동: 센서 데이터를 ECU(컴퓨터)가 분석하여 액추에이터를 제어합니다.

예를 들어 비포장도로에서는 차체를 높이고 , 포장도로에서는 낮추며 , 현가장치의 단단함(감쇄력)을 조절합니다.

 

[ECS의 3대 기능]

자세 제어: 선회 시 좌우 흔들림(롤)이나 가감속 시 앞뒤 흔들림(피치)을 제어합니다.

높이 제어: 하중 변화에 상관없이 공기 스프링 압력을 조절해 목표 차고를 유지합니다.

감쇄력 제어: 쇼크 업소버의 감쇄력을 연속 제어하여 차체를 수평에 가깝게 유지합니다.

 

• 스카이훅(Skyhook) 이론: 현가장치의 기초 이론으로, 차체가 마치 하늘에 매달린 것처럼 노면의 영향을 받지 않고 주행한다는 개념입니다.
• 전자제어 에어 서스펜션: 스카이훅 이론을 바탕으로, G센서(가속도)와 하이트 센서(높이)의 데이터를 이용해 컴퓨터가 각 바퀴의 감쇄력을 개별 제어합니다.
• 액티브 댐퍼 서스펜션: G센서, 차속 센서, 조향각 센서 신호를 받아 4바퀴의 감쇄력을 전자적으로 제어합니다. 평탄한 노면에서는 감쇄력을 약하게(부드럽게) 하고, 코너링 시에는 강하게 하여 롤링을 억제합니다.
• 장점: 안정적인 주행, 장시간 운전 피로도 감소, 운전자 시선 변화 감소로 위험 상황 방지 등의 장점이 있습니다. 고급차에 주로 사용됩니다.