자동차, 현가 시스템(Suspension)과 조종성과 안정성(Part.3)

조종성과 안정성 그리고 승차감

 차량의 성능은 크게 주행 성능, 조향 성능, 제동 성능으로 구분합니다. 이때 조향 성능에는 조종성과 안정성과 크게 관련 있습니다. 자동차의 다양한 부분이 조종성과 안정성을 결정합니다. 차량의 특성과 방향성에 따라 그 성능이 결정되고, 차량 요소들이 달라집니다. 그렇다면 조종성과 안정성 그리고 승차감과의 관계를 알아보고 그것들을 결정하는 대표적인 요소들을 알아보겠습니다.

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조종성과 안정성이란 무엇인가요?

 조종성과 안정성의 정의를 알아보겠습니다. 조종성(Maneuverability)이란 자동차에 조향에 의한 힘이 작용했을 때 이 힘에 반응하여 빠르게 움직이는 성질을 뜻합니다. 그리고 안정성 (Stability)은 자동차가 주행하고 있을 때 외부 환경이나 차량에서 발생하는 힘에 대해서 크게 반응하지 않고 안정적으로 주행하려고 하는 성질을 의미합니다. 그렇기 때문에 이 두 가지 성능은 어느 한쪽이 좋으면 어느 한쪽은 나빠지는 반비례 관계라고 할 수 있습니다.

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현가 시스템의 지오메트리와 조종 안정성

 현가 시스템의 지오메트리(Geometry)는 서스펜션 암, 링크 등의 길이와 체결 포인트에 따라 타이어가 움직이는 변화를 말합니다. 보통 가속, 제동, 조향 등에 의해 차량 하중의 이동이 발생하여 타이어와 노면사이에 변화가 일어나고 이것을 올바르게 변화시키는 것입니다.

 

 보통 서스펜션의 움직임을 스트로크(Stroke)라고 하는데 이 중 대표적인 예시로 Scuff변화와 Toe변화가 있습니다. Scuff변화는 타이어가 노면에 평행하게 움직이는 변화를 말하고, Toe변화는 차량이 Bump시 발생하는 타이어의 방향의 변화를 의미합니다. Scuff변화가 크다면 타이어가 좌우로 흔들리는 느낌이 운전자에게 전달되어 안정성이 불안하게 되고 직진성이 안 좋아지는 결과를 만들어 냅니다. 또, Toe변화가 크다면 타이어의 방향성이 노면의 작은 굴곡에도 크게 달라져 자동차의 안정성이 안 좋아지는 결과를 만들어 냅니다. 

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승차감과의 관계

 이번엔 조종성과 안정성이 승차감에 어떻게 영향을 끼치는지 알아보겠습니다. 먼저 승차감의 정의를 말씀드리겠습니다. 승차감은 운전자가 차량 내부에서 느끼는 모든 환경요소들을 말합니다. 시트, 공조장치의 쾌적성, 조향, 거주성 등 여러 가지 조건이 있고 각 운전자가 원하는 바가 다르기 때문에 승차감은 각 운전자에 따라 평가가 달라질 수밖에 없습니다. 하지만 자동차에 올라오는 진동은 객관적으로 평가할 수 있는 요소 중 하나이기도 합니다.

 

 조종성이 좋아지게 하려면 현가 시스템을 단단하게 세팅하여 핸들링 성능을 좋게 만들면 되지만, 진동이 너무 커져 승차감이 떨어집니다. 승차감을 좋게 하고자 서스펜션을 부드럽게 세팅하면 진동을 잘 흡수하게 되지만, 이럴 경우 핸들링 성능을 떨어지게 됩니다. 그렇기 때문에 3가지 요소를 잘 고려하여 차량의 콘셉트와 방향성에 따라 운전자가 차량에 기대하는 성능을 중점으로 세팅하는 것이 중요합니다.

 

 보통 차랑의 승차감을 결정하는 진동 주파수는 사람이 느끼기 쉬운 진동 주파수와 관련 있습니다. 사람이 위아래 방향으로 느끼기 쉬운 진동수는 5~7Hz 정도입니다. 다시 말해 차량 현가 시스템에 의해 5~7Hz의 진동을 만들어내면 승차감이 매우 떨어진다고 할 수 있습니다. 

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조종성, 안정성 그리고 승차감을 결정하는 대표적인 요소

 그렇다면 현가 시스템에서 자동차의 위와 같은 특성들을 결정하는 몇 가지 대표적인 요소의 역할을 알아보겠습니다.

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스프링

 스프링은 차량의 타이어를 노면에 밀착시키고 노면에서 발생되는 진동을 완화시켜 자동차가 올바르게 주행할 수 있도록 합니다. 스프링의 특성은 보통 스프링 레이트(Spring rate)라는 수치로 나타냅니다. 일반적으로 '스프링 레이트=하중/변수'입니다. 이것은 하중 일정하다면 변형이 적으면 스프링 레이트가 커지고, 변형이 크면 스프링 레이트가 작은 것을 의미합니다. 보통 단위로 kgf/mm가 사용되고, 타이어를 제외한 서스펜션의 강성인 라이드 레이트(Ride rate)를 구할 때 사용되기도 합니다. 

 

 결론적으로 스프링은 조종성과 안정성에 모두 영향을 미칩니다. 일반적으로 스프링 레이트가 높다면 조종성이 뛰어나지만 승차감이 떨어지고, 스프링 레이트가 적당하다면 승차감은 좋아지지만, 조종성이 살짝 떨어질 수 있습니다.

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부시

 부시는 자동차와 서스펜션의 이음매를 담당하는 부분입니다. 타이어에서 올라오는 진동과 충격을 감쇠해 줘 승차감을 좋게 만드는 역할을 합니다. 부드러운 부시를 사용할 경우 앞에서의 설명과 같이 승차감은 좋지만 고무의 움직임이 커지기 때문에 Toe변화가 커져 조종성과 안정성은 나빠질 수 있습니다. 이것을 부시의 컴플라이언스(Compliance)가 커진다고 합니다. 이것의 영향을 작게 만들기 위해 단단한 부시를 사용할 경우 서스펜션의 강성이 높아져 진동을 흡수하지 못해 승차감이 떨어집니다.

 

 결론적으로 부시의 튜닝 상태에 따라 조종성, 안정성, 승차감 모두 무난한 차량이 될 수 도 있고, 극단적으로 한 가지의 성능만 좋은 차량이 될 수 있습니다. 참고로 Fomula Car는 빠르기 달리고 조종성을 극대화시켜 부시를 사용하지 않는 경우도 있습니다. 

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자동차 중량

 진동으로 인한 승차감은 스프링 정수와 자동차 중량과의 관계가 중요합니다. 위에서 말했듯이 가벼운 자동차에서 딱딱하다고 느껴지는 스프링을 무거운 차량에 장착하면 부드럽다고 느낄 수 있습니다. 보통 이것에 관한 데이터를 얻기 위해 차량을 가진대에 올려 다양한 진동에서 일어나는 상하 진동이 차량에 어떻게 전달되는지 확인합니다. 이때 스프링이 가장 진동되기 쉬운 고유 진동수 (Natural Frequency)라고 하며, 고유 진동수로 인해 차량이 크게 흔들리는 현상을 공진 (Resonance)이라고 합니다. 

 

 실제 차량에서 스프링 레이트 1.5 ~ 3.0 kgf/mm 정도의 스프링이 사용되고, 승차감을 중시한다면 1Hz의 고유진동수를 가지고, 고성능 차량의 경우에는 약 1.5 Hz을 고유진동수를 가집니다. 승차감을 고려하지 않은 레이싱 자동차의 경우 10~25 kgf/mm의 스프링이 사용되고, 2.5~3.5Hz의 고유진동수를 가집니다. 이 값들은 고유진동수가 낮을수록 넓은 범위의 주파수의 진동을 흡수하여 승차감이 좋아진다는 것을 알 수 있는 지표이기도 합니다. 

 

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스태빌라이저

 스태빌라이저는 자동차가 회전 시 외측 스프링 레이트를 강하게 만드는 장치로 차량이 롤(Roll)하는 현상을 억제하여 코너링을 더욱 자유롭게 하는 역할을 합니다. 이것이 탄생한 이유는 승차감을 좋게 하고 조종성 안정성 측면에서도 좋게 하기 위해 탄생되었습니다. 스태빌라이저는 직진할 때는 작동하진 않지만 자동차가 코너링 시 작동하여 조종성을 좋게 만듭니다. 그리고 직진 주행 시 외부 환경에 의한 요소에 차량이 흔들릴 때도 조금씩 작동하여 차량을 안정적으로 유지되게 합니다. 다시 말해서 직진 시 승차감을 좋게 만들면서 안정성 또한 좋고, 코너링 시에는 승차감을 조금 포기하지만, 조종성이란 성능을 좋게 만드는 요소입니다.

 

 스태빌라이저가 코너링 시 스프링 레이트를 조종성이 좋은 쪽으로 바꿔준다고 생각하면 더욱 잘 이해할 수 있을 것입니다.

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 이렇게 현가 시스템에서 다양한 부품과 요소들이 조종성, 안정성, 승차감에 어떤 영향을 미치는지 알아보았습니다.

 

감사합니다.