현가 시스템(Suspension)이 자동차에서 하는 역할
현가장치란 자동차에서 바퀴와 차체를 연결하여 자동차를 주행하게 만드는 장치입니다. 이 현가장치의 역할은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있습니다. 첫 번째는 노면에서 오는 충격에 대한 흡수와 두 번째는 타이어를 바닥 쪽으로 밀어주어 접지력을 확보하여 충분한 마찰력을 낼 수 있게 합니다. 이런 두 역할을 수행하는 시스템이기에 자동차에서 아주 중요한 역할을 한다고 볼 수 있습니다. 그렇다면 이런 역할들을 어떻게 현가 시스템이 수행할 수 있는지 알아보겠습니다.
1. 노면에서 오는 충격 흡수
현가 시스템에서 노면에서 오는 충격을 흡수하는 것은 쇽업소버(Shock-absorber), 스프링(Spring) 그리고 현가장치가 지지하는 타이어(Tire)가 역할을 수행합니다.
(1) 타이어(Tire)
공기 주입식 고무 타이어는 무게가 가벼워 잘 튀어 오르지 않고, 고무의 특성으로 인해 노면에서 오는 진동을 감쇠시켜 줍니다. 이러한 특성을 가지고 있는 고무 타이어를 지지하는 것이 현가장치이기 때문에 서로 아주 중요한 역할을 합니다.
(2) 쇽업소버(Shock-absorver)와 스프링(Spring)
먼저 쇽업소버의 작동원리에 대해 간단히 설명드리겠습니다. 쇽업소버에 느리게 압축력이 가해지면 쇽업소버 내에 있는 오일이 오리피스(Orifice)라는 좁은 구멍을 통과하면서 감쇠력을 만들어 냅니다. 하지만 쇽업소버가 빠르게 움직이고 있을 때는 오일이 오리피스와 감쇠력 발생 밸브도 통과하여 감쇠력이 커집니다. 이러한 감쇠력은 오리피스의 구멍의 크기와 감쇠력 발생 밸브를 닫고 있는 원판의 강성으로 결정 나게 됩니다. 반대로 쇽업소버가 인장력이 가해질 때도 마찬가지입니다. 이때 오일이 통과되면서 열을 발생시키게 됩니다. 결론적으로 쇽업소버는 기계적인 에너지를 열에너지로 바꾸어 진동을 제어하는 장치입니다.
스프링은 차량의 진동을 억제시키는 장치입니다. 다양하 종류의 스프링이 있지만, 일반적인 나선형 형태의 스프링으로 설명드리겠습니다. 자동차가 요철을 만나면 스프링이 수축하게 되면서 차체로 가는 진동을 억제해 줍니다. 그리고 다시 스프링이 팽창하면서 진동을 발산합니다. 하지만, 자동차에 그대로 진동을 발산하게 되면 차체도 매우 흔들리고, 운전자에게 멀미를 유발할 것입니다. 그렇기 때문에 위에서 설명드린 쇽업소버와 함께 장착되어 스프링의 진동을 빠르게 억제하고 천천히 인장 시킴으로써 차체에 갈 수 있는 진동을 최대한 억제시킵니다. 쉽게 말하여 쇽업소버가 스프링의 인장과 수축 속도를 제어하는 역할을 수행하는 것입니다.
위와 같은 원리로 인해 노면에서 오는 진동을 억제시켜 운전자가 편히 자동차를 운전할 수 있도록 하는 것입니다.
2. 타이어의 접지력 확보
사실 현가 시스템의 가장 큰 목적은 타이어를 바닥면에 접촉시켜 엔진이나 모터의 힘을 효율적으로 전달하는 것입니다. 그렇다면 현가 시스템이 어떻게 타이어를 바닥면에 붙어있게 하여 자동차를 굴러가게 하는지 알아보겠습니다.
(1) 타이어(Tire)와 현가 시스템
타이어는 고무로 이루어져 변형이 크기 때문에 바닥과의 접촉면적을 넓혀 큰 마찰력을 발생시킵니다. 바닥과의 접촉면접을 넓힐 수 있는 원리는 카메라의 삼각대를 생각하시면 쉽게 이해할 수 있습니다. 어떤 물체든 원리적으로 세 개의 점으로 평탄한 면에서 위치가 결정되는데, 카메라의 삼각대는 그러한 원리를 이용해 어떤 지형에서도 바닥에 평면을 만들어 내어 안정적으로 카메라를 지지합니다. 고무로 이루어진 타이어의 경우도 마찬가지입니다. 고무 타이어가 바닥에 닿았을 때, 세 개의 점을 만들어 내어 바닥을 지지합니다. 이때 자동차의 무게와 고무의 특성으로 인해 점의 크기가 커져 바닥면에 큰 마찰력을 발생시킬 수 있는 것입니다.
또한, 자동차는 4개의 바퀴를 가지고 있기 때문에 위의 원리를 대입해 보면 노면에 따라서 하나의 바퀴는 바닥면에 닿지 못하게 됩니다.
따라서 위와 같은 타이어의 효율적인 접지력 향상 측면과 자동차의 모든 바퀴가 항상 바닥면에 닿기 만들기 위해 현가 시스템이 큰 역할을 하는 것입니다. 현가장치에서 스프링이 자동차의 무게에 의해 수축돼 있는데 이때, 스프링이 원래대로 돌아가려는 성질로 인하여 타이어를 노면에 밀착시켜 접지력을 확보합니다. 요철을 만나 자동차가 떠오르거나, 코너를 돌아 자동차의 내측 바퀴가 떠오를 때 스프링이 늘어나 타이어를 바닥면에 접지시키고 마찰력을 발생시켜 효율적이고 안정적으로 자동차를 주행하게 하는 것입니다.
마무리
위와 같은 역할의 특성을 고려하여 스프링의 세기와 쇽업소버의 감쇠력을 자동차가 제어하게 됩니다. 이 글에서는 자동차의 현가 시스템의 역할과 원리를 간단하게 알아보았습니다. 지속적으로 글을 업로드하면서 후에 심화적인 내용도 다뤄보도록 하겠습니다.
감사합니다.
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