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  1. 2017.11.10 마법의 양탄자, 서스펜션 [AUTO & LIFE]


‘서스펜션’은 자동차에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람들이라면 빠뜨리지 않고 언급하는 부분입니다. 대화 요소로 많이 언급되고는 있지만 그 목적과 기능에 대해서는 정확하게 설명하지 못하는 것이 대다수입니다.


그래서 오늘은 서스펜션에 대해 조금 더 자세히 알아보려고 합니다.



서스펜션(suspension)이란?



자동차 차대의 받침 장치를 이르는 말로, 현가(懸架)장치라고도 불립니다.


서스펜션의 기능은 노면으로부터의 충격이 차량과 운전자, 승객에게 직접 전달되지 않도록 보호하는 것으로, 승차감을 좋게 하고 급브레이크 때나 급회전 때 바퀴가 충분히 접지하도록 차체와 바퀴 사이에서 완충 작용을 합니다. 엔진 성능처럼 쉽게 알아볼 수 있는 것은 아니지만, 성능을 말해 주는 요소로 그 중요성은 점점 커지고, 메커니즘에서도 여러 종류가 시도되고 있습니다.


*출처 : 자동차 용어사전



서스펜션의 역할



옛날 마차는 좌우 바퀴의 중심을 통과하는 회전축이 차체에 직접 고정되는 방식이었습니다. 그렇다면 마차에는 요즘 자동차처럼 복잡한 링크 구조는 물론이고 스프링이나 쇼크 업소버 조차도 없다는 뜻이 됩니다. 과연 마차에는 서스펜션이 존재하지 않을까요?


정답은 ‘있다’입니다. 차체를 땅에서 띄워서 떠받치는 서스펜션의 기본적 기능을 충실하게 수행하고 있기 때문이죠. 마차의 바퀴와 바퀴 축, 그리고 그 축을 차체에 고정한 부분까지가 모두 서스펜션이라고 할 수 있습니다. 조금 더 확장해서 생각한다면 바퀴가 없는 옛날 가마에서는 가마를 들어올리는 가마꾼이 서스펜션이고 아이를 업은 아빠도 아이 입장에서는 서스펜션인 셈입니다. 


바퀴 축이 차체에 직접 고정된 마차는 울퉁불퉁한 길바닥의 충격이 그대로 전달되어 승객이 쉽게 피곤해졌습니다. 하지만 가마는 달랐습니다. 가마꾼이 발목이나 무릎, 허리, 팔 관절과 근육을 이용하여 충격을 흡수하기 때문입니다. 아이를 업은 아빠도 마찬가지입니다. 가마에 탄 마님이나 등에 업힌 아이가 불편하지 않도록 조심하는 것이지요. 


그런데 초기의 바퀴 달린 수레에는 이런 충격 흡수 기구가 없었기 때문에 승차감이 아쉬웠습니다. 기껏해야 나중에 타이어의 기원이 되는 바퀴에 입힌 가죽이나 방진 부싱의 조상이 되는 차축 고정부에 끼운 가죽이나 부드러운 나무가 전부였습니다. 그러다가 탄성이 있는 나무 또는 쇠판을 차축과 차체 사이에 탄성으로 놓아서 충격을 흡수하게 했는데 이것이 오늘날 트럭 등 대형차에 많이 사용되는 판 스프링(leaf spring)의 시작입니다. 



▲ 볼보 SPA 플랫폼의 후륜 서스펜션에 사용된 리프 스프링


최근 볼보는 판 스프링을 새롭게 적용하고 있습니다. 대형차인 90 시리즈와 중형차인 60시리즈에 사용되는 SPA 플랫폼은 후륜 서스펜션에 가로로 놓인 합성수지 리프 스프링을 사용합니다. 이를 통하여 볼보는 서스펜션의 경량화와 넓은 트렁크를 얻을 수 있었습니다. 


그런데, 차체를 스프링에 올려 놓으니 꼭 좋기만 한 것은 아니었습니다. 차체가 울렁거려서 오히려 멀미가 나는 경우도 있었던 것입니다. 스프링이 흡수한 충격을 반대로 내뱉는 반작용이 차체를 계속 뒤흔들었기 때문입니다. 그래서 이 진동의 크기와 반복 횟수를 줄이기 위하여 고안된 부품이 쇼크 업소버, 즉 댐퍼(damper)입니다. 


댐퍼는 초창기에는 마찰을 이용한 마찰 댐퍼(friction damper)가 대부분이었는데, 작동이 부드럽지 못하고 마찰열의 발생으로 인해 화재의 위험이 늘 도사리고 있었습니다. 이런 문제를 해결하기 위해 마찰 댐퍼의 마찰면에 윤활유를 바르기 시작하다가 아예 오일을 실린더에 채워서 저항체로 사용하기 시작했는데 이것이 오일 봉입식 댐퍼, 즉 유압식 쇼크 업소버의 시작입니다. 


서스펜션의 중요한 역할 중 하나가 ‘바퀴를 땅에 잘 붙어있게 하는 것’, 즉 접지력을 최대한 일정하게 유지하여 주행 안정성을 확보하는 것입니다. 


노면에서 바퀴가 떨어지는 순간, 자동차의 주행 안정성도 완전히 사라지게 됩니다. 자동차와 노면이 맞닿는 곳은 오로지 바퀴밖에 없기 때문이죠. 접지력이 0가 되는 그 순간, 지금까지 달리던 방향으로 ‘날아갈’ 뿐 방향을 바꿀 수도, 가속이나 제동도 불가능해집니다. 


안전한 주행을 위해서는 서스펜션의 역할이 매우 크며, 그 중요성 또한 해가 거듭될수록 커지고 있습니다.



과거의 서스펜션 발전사



1980년대까지의 서스펜션의 발전은 기계적인 구조의 진화에 집중되었습니다. 자동차의 고성능화에 따라 보다 정교하고 안정적인 주행 성능이 필요했기 때문입니다. 즉 노면의 요철을 만나거나 코너링을 하는 경우, 혹은 가속과 감속으로 바퀴가 상하로 움직이더라도 자동차의 주행 안정성이 흐트러지지 않도록 정교한 설계가 필요했던 것입니다. 이 과정에서 서스펜션은 단순한 차축식 구조에서 복잡한 멀티 링크로 발전하게 됩니다.


서스펜션의 구조만큼이나 집중적으로 발전한 부분은 댐퍼, 즉 쇼크 업소버입니다. 처음에는 상하 운동시 오일이 좁은 통로를 통과하면서 생기는 저항을 이용하여 스프링의 반동을 억제하는 오일 봉입식 댐퍼가 주종이었지만 가혹한 상황에서는 내부에 기포가 발생하거나 과열로 오일의 점도가 변하여 성능이 저하되는 등의 몇 가지 단점이 드러나게 됩니다. 이를 방지하기 위하여 댐퍼 안에 고압의 질소 가스를 함께 충전하여 안정성과 응답성을 높인 가스식 쇼크 업소버로 발전합니다. 


그리고 전자 제어가 적용되면서 쇼크 업소버의 능력은 비약적으로 진화합니다. 이전의 서스펜션이 외부로부터 바퀴에 가해지는 힘에 수동적으로 대응했다면 전자 제어 기술이 적용되면서 이제는 서스펜션이 적극적, 능동적으로 대처하기 시작합니다. 즉 이전에는 서스펜션을 아무리 정교하게 설계하더라도 최적의 성능을 발휘하는 노면이나 운전 방법은 한 가지였다면 전자 제어가 개입한 순간부터 서스펜션이 대응할 수 있는 상황의 범위가 급격하게 넓어진 것입니다


전자 제어 서스펜션의 출발은 댐퍼의 감쇄력을 능동적으로 조절하는 방식입니다. 네 바퀴의 감쇄력을 함께 조절하여 승차감을 변화시기가 큰 초보적인 단계부터, 코너링 시 부하에 알맞게 네 바퀴의 댐퍼 감쇄력을 개별적으로 제어하는 방식까지 그 수준은 다양합니다. 초기에는 댐퍼 오일이 통과하는 밸브의 넓이를 조절하는 방식을 사용하였으나, 21세기 들어서는 댐퍼에 전도성 유체를 사용하여 전기 신호에 따라 오일 자체의 감쇄력을 변화시기는 마그네틱 라이드 방식이 소개되었습니다. 기존의 밸브 조절식은 저렴하다는 이점은 있지만 반응 속도가 느리며 가혹한 상황에서는 오일이 과열되어 제어 능력이 저하되는 문제가 있었는데 마그네틱 라이드는 거의 즉각적이라 할 수 있는 반응이 가장 큰 장점이었습니다. 예를 들어 하나의 코너를 통과하는 도중에도 연속적으로 감쇄력을 조절하여 매끄럽게, 그러나 정교하게 대응할 수 있는 것처럼 말입니다. 


밸브 조절식 세미 액티브 서스펜션을 최초로 도입한 차량은 일본 미쓰비시의 1987년형 갤랑이었으며 마그네틱 라이드는 2006년 아우디 TT가 최초로 선보였습니다.




▲ 제네시스 G70의 전자 제어 스포츠 서스펜션


다음 단계로는 댐퍼는 물론 스프링까지 함께 능동 제어하는 더욱 발전된 전자 제어 서스펜션이 출현합니다. 높이 조절식 스프링은 처음에는 오프로드 차량을 중심으로 험로의 주파 능력을 높이기 위한 것이었습니다.  차량의 높이를 일정하게 유지할 수 있다면 조종 성능에도 도움이 된다는 아이디어를 거쳐 사람이나 짐을 많이 싣더라도 일정한 높이를 유지하는 셀프 레벨링 서스펜션으로 발전하였습니다. 최종 단계로 본격적인 액티브 서스펜션으로 진화하는데 이는 코너에서의 롤링, 가속시의 스쿼트, 제동시의 다이브 등 차체의 움직임을 능동적으로 상쇄하거나 오히려 반대 방향으로 일으켜서 어떤 상황에서도 차량의 주행 안정성이 비약적으로 향상된다는 점에 주목하게 됩니다. 또한 길 앞의 요철을 미리 확인하고 서스펜션을 이에 맞추어 능동적으로 조절하면 승차감은 물론 접지력도 최고의 상태를 유지할 수 있습니다.


액티브 서스펜션의 성능은 상상을 초월했습니다. 그 예로 안전하지만 조종 성능은 좋지 못하다고 평가되던 구형 볼보 760에 액티브 서스펜션의 시제품을 탑재했더니 마치 비행기처럼 코너 안쪽으로 기울어진 채 엄청난 속도로 코너를 주파했습니다. 당대 최고의 스포츠카인 포르쉐 911에게 결코 밀리지 않는 코너링 성능을 보였던 것입니다. 


기술적으로는 이미 완성 단계에 가까웠음에도 하지만 지금까지 이런 극단적인 설정을 액티브 서스펜션에 사용한 모델은 없었습니다. 그 이유는 바로 인간의 본능이었습니다. 인간은 본능적으로 코너에서 원심력에 버틸 준비를 합니다. 그런데 액티브 서스펜션이 만드는 전혀 다른 움직임에 맞닥뜨리면 – 아무리 물리학적으로는 이상적이라고 할 지라도 – 인간은 거부감을 느끼게 되는 것입니다. 이와 같은 이유로 지금까지는 액티브 서스펜션이 적용된 차량이라도 코너링 시 바깥쪽으로 아주 약간의 롤링을 보이는 정도로 타협하고 있었던 것입니다.


하지만 이 자율 제한이 이제 무너졌습니다. 금년에 발표된 메르세데스 벤츠의 신형 S 클래스는 기존의 액티브 서스펜션인 액티브 바디 컨트롤에 스테레오 카메라를 이용한 로드 스캔 기능을 접목하여 노면의 요철에 미리 대응하는 ‘매직 바디 컨트롤’로 진화하였습니다. 그리고 마침내 커브 기능은 신형 S 클래스의 차체를 최대 2.65도까지 코너 안쪽으로 기울여서 원심력을 상쇄하기에 이르렀습니다.


액티브 서스펜션의 활용 예는 여기에서 멈추지 않습니다. 충돌 사고의 충격을 완화하는 데에도 일조하기 시작한 것입니다. 측면 충돌을 피할 수 없다고 판단되는 즉시 아우디 A8의 프리 센스 사이드 기능은 충돌이 예상되는 쪽의 차체를 최대 80mm들어올려 도어나 B 필라보다 충격에 강한 사이드 실과 바닥 골격이 충격을 받아내도록 유도합니다. 이를 위하여 아우디 A8은 지금까지의 에어 서스펜션보다 훨씬 민첩한 48볼트 구동 전기 모터식 액티브 서스펜션을 사용합니다.


▲ 아우디 A8의 프레 센스 사이드


이처럼 서스펜션은 전자 기술과 만나서 급격한 발전을 이룩하고 있습니다. 노면의 충격은 말끔하게 흡수하고 차체의 움직임까지 마음대로 제어하는 서스펜션은 진정한 마법의 양탄자로 진화하고 있는 것입니다.





※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 



 


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