너무 강해도, 너무 약해도 안되는 자동차의 다리 서스펜션
자동차에서 서스펜션은 차량의 움직임을 제어하는 일종의 관절과도 같습니다. 링크로 연결된 구조물에 스프링과 댐퍼 (댐퍼와 쇽업쇼버는 같은 단어입니다)가 노면의 충격을 제어해 줍니다.
따라서 서스펜션이 얼마나 잘 설계되느냐에 따라 자동차가 잘 달릴 수 있느냐 없느냐가 결정됩니다. 많은 매니아들이 가장 먼저 개조하는 부품이 바로 엔진과 서스펜션입니다.
‘다운 스프링’이라 불리우는 튜닝을 하면, 차의 무게 중심이 낮아지고 차가 코너에서 기울어지지 않아 빠르게 달릴 수 있습니다. 롤링을 제어한다는 의미로 안티롤링이라는 용어를 쓰기도 합니다.
롤링을 제어한다고요? 그게 뭐지요?
롤링이란 이를테면 차가 커브에서 기울어지는 현상을 말합니다. 덩치가 큰 버스가 교차로에서 회전할 때를 떠올려 보시면 쉽습니다. 속도를 줄이지 않고 회전하면 안의 승객들이 바깥으로 내동댕이 쳐지는데요. 이걸 공학용어로 롤링이라고 합니다.
꾸불꾸불한 길을 재빠르게 헤쳐나가기 위해서는 롤링을 최대한 억제해야 하는데 그러기 위해서는 잘 설계된 최적화된 서스펜션이 필요한 것이지요.
그러면 튜닝은 간단하군요. 위에서 말한대로 작고 딱딱한 스프링을 쓰면 되겠네요.
근데 서스펜션의 튜닝이 좀 오묘합니다. 만약 안티롤링을 위해 무조건 서스펜션을 딱딱하게 해 준다면 차가 통통 튀면서 오히려 성능이 떨어집니다. 차가 충격을 흡수하지 못하는 바람에 타이어가 일순간 공중에 뜨는 일이 발생합니다.
달리는 자동차의 바퀴가 공중에 뜬다니요. 자동차가 제어 불가능한 상황에 놓이면 슈마허 할아버지가 와도 뾰죡한 수가 없습니다. (너무 곧으면 부러진다는 격언이 생각나는군요.) 때문에 서스펜션 개조에서는 ‘최적화’란 말이 유독 자주 들립니다.
‘적당한’ 이라는 수준은 대체 어느 정도란 말인가요.
일반 차량의 롤링을 10이라고 놓은 후, 자신이 제로의 영역을 보았다! 라고 한다면 1에, 자신이 슈마허 싸다구 정도는 때릴 수 있다! 라고 한다면 3에, 좀 잘나가는 매니아다 라면 5 정도로 안티 롤링값을 셋팅해야 겠지요.
롤링 자체가 자동차 전복의 전조와 같은 현상인데, 3 정도의 수준으로도 차의 상태를 파악할 수 있다면 대단히 뛰어난 자질을 가졌다고 봐야 합니다. 조금만 더 차가 기울어지면 바로 뒤집어 지거나 스핀에 빠질 테니까요.
(수치는 재미를 위한 예 입니다만, 사실은 ‘롤링 자체를 없애는 딱딱한 튜닝은 무의미 하다’란 소리가 하고 싶었습니다.)
5의 수준으로 튜닝 하려면 중간 정도로 딱딱한 스프링과 댐퍼를 쓰면 되는 것이로군요.
글쎄요. 5라는 수치는 이해를 위한 비유였을 뿐, 서스펜션 튜닝을 위해서는 몇 가지 이론을 이해하고 있어야 합니다. 차량마다 다른 롤링 특성을 보이기 때문입니다.
우선 스프렁 매스라 불리우는 상현가질량과 언스프렁 매스라 불리우는 하현가질량에 대해 살펴보시지요. 차량의 중량은 서스펜션 자체 질량과 서스펜션을 뺀 차체 질량만으로 분리해 나누어 놓습니다.
왜 그래야 하는지는 아래 푸조 106 리어 서스펜션의 동영상을 보시면 이해가 가실 겁니다.
https://www.youtube.com/watch?v=Q3woJQBxtps
영상을 보면 차체와 바퀴가 다른 거동을 보이고 있음을 알 수 있습니다. 때문에 성능도 좋으면서 최적의 서스펜션을 만들기 위해서는 두 부분을 따로 떼어 튜닝을 해야 합니다.
일반적으로는 차체부분(상현가질량)이 무거울수록, 서스펜션(하현가질량)이 가벼울수록 노면 추종성이 뛰어난 편입니다. 울퉁불퉁한 길에서 차가 더 부드럽게 달릴 수 있다는 이야기지요
(기계제어시간에 유도해 본 적이 있는데 도무지 기억이 나질 않는군요 ㅜ_ㅜ)
이때까지 이야기한 롤링과는 상관 없는 것 아닌가요?
위에서 차가 너무 튀면 컨트롤 불능이 될 수 있다고 말씀 드렸었죠? 롤링을 억제하면서도 차가 최대한 노면에 붙어있게 하기 위해서는 ‘어느 정도 말랑한’ 서스펜션이 고려되어야 합니다.
다만 이를 위해 차의 중량을 키울 순 없으니 스프링과 댐퍼을 잘 조합해야 한다는 소리인데…. 그래서 똭하고 등장한게 바로 액티브 서스펜션입니다. 서스펜션이 노면의 상태, 차량의 상태에 따라 다른 감쇄력을 가지게 되는 겁니다.
F1의 액티브 서스펜션
https://www.youtube.com/watch?v=QA_nbn8WifI
댐퍼에 액츄에이터를 달아 롤링의 역방향으로 힘을 주는 방식이 가장 많이 사용되고, 이외에 에어스프링의 공기압을 조절하는 방식, 혹은 댐퍼 내부의 홀 크기를 조절해 주는 방식 등, 다양한 형태의 액티브 서스펜션이 존재합니다. 모두 스프링과 댐퍼의 딱딱함을 조정해주는 장치들이지요.
외부 센서의 시그널을 받아 적당한 크기의 감쇄력을 조절해 주는 관계로, 서스펜션 동네에서는 거의 사기캐릭터에 가깝습니다.
1993년 윌리엄스의 알란 프로스트가 액티스 서스펜션이 장착된 머신을 타고 다니면서 시즌을 쑥대밭으로 만든 일화는 유명하지요. 액티브 서스펜션을 처음 적용한 1993년 시즌에서 총 16경기중 단 3회를 제외하고 모두 포디엄(3위내) 오르는 위엄을 달성했습니다.
잠시 이야기가 샜네요. 스프렁매스 이야기로 돌아가 보지요.
같은 차량이라도 하현가 질량에 따라 차량 거동이 달라진다고 말씀드렸습니다. 당연한 소리이지만, 감쇄력 뿐만 아니라 서스펜션의 형태에 따라서 룰링 특성이 달라지는데요. 이를 이해하기 위해서는 차량의 질량 중심과, 롤 센터 (모멘트 센터) 을 살펴보아야 합니다.
롤센터는 롤링의 축이되는 점으로, 로워암과 어퍼암의 형상에 따라 결정되는 중심축입니다. 차량의 질량 중심점과는 같은 축선상에 있으면서도 일반적으로 중심의 아래쪽에 존재하지요. 이 두 점 사이의거리가 멀수록 롤링이 커지고, 작아질수록 롤링이 줄어듭니다.
롤링이 일종의 회전이므로 축이 길어질 수록 토크가 커진다는 점을 상기하시면 이해가 쉽습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=K8YJJv97TNw
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