자동차공학)현가장치의 구성요소 중 현가 스프링

현가장치를 구성하는 요소는 주로 에너지를 흡수하고 차체를 지지하는 현가 스프링(섀시 스프링, chassis spring)과 현가 스프링의 자유진동을 억제하여 승차감을 좋게 하는 쇽 옵서버 및 자동차가 회전할 때 크게 기울어지는 것을 방지하는 스태빌라이저와 그 외 차체와 바퀴를 서로 연결하는 컨트롤 암, 링크, 로드로 분류할 수 있다. 각각 요소의 구체적인 기능 및 구조, 종류에 대하여 알아보자.

현가 스프링

 

현가스프링은 탄선을 이용하는 방법에 따라 다르다. 판 스프링은 주로 굽힘 탄성을 코일 스프링은 주로 비틀림 탄성을 토션 바 스프링은 비틀림 탄성만을 고무 스프링은 고무의 압축, 전단 및 합성 탄성을 공기 스프링은 압축할 때의 체적 탄성을 이용하고 있다.

 

1. 현가 스프링의 특성

현가 스프링은 차축에서 오는 외력을 에너지로 흡수하고, 외력이 제거되면 복원엵으로 흡수된 에너지를 방출하여 진동을 반복하면서 충격을 완화시키는 움직임을 한다. 따라서 외력이 제거된 후에도 차축은 스프링에 의하여 자유진동을 계속하고 감쇠성에 의하여 멈추게 된다.

현가 스프링의 본래의 목적인 승차감을 좋게 하기 위해서는 차체의 상하 진동을 인체에 가장 민감한 70~75cpm(cylcle per minite : 분당 진동수)으로 유지하면 좋다. 진동수가 120cpm을 넘으면 딱딱하게 느껴지고 45cpm 이하면 흔들린다는 느낌을 갖게 된다. 따라서 스프링에 어떤 하중 특성을 주어야 하는지가 문제가 된다.

차체의 고유진동수f(cpm)는 현가 스프링 상수 k(kgf/mm)와 스프링에 걸리는 하중 W(kfg)에 따라 아래와 같다.

g는 중력가속도(9.8mm/s^2) 이다.

또 스프링 상수 k는 훅의 법칙(Hook;s law)에 따라 스프링에 걸리는 하중 W와 하중에 의한 변형δ(mm)로서 나눈 값은 항상 일정하며 k=w/δ의 관계과 있으므로 위의 식은 다음과 같이 된다.

위 식에서 g와 π는 일정하므로 진동수 f는 스프링 상수 k에 비례하고 하중(W)에 반비례하는 것을 알 수 있다. 또 식에서 진동수는 하중에 따른 스프링의 변형 δ에 반비례하는 것도 알 수 있다. 즉, 스프링 상수가 일정한 경우에는 하중을 크게 하든지 혹은 스프링 변형을 크게 하면 진동수는 감소한다. 하중이 일정한 경우에 진동수를 작게 하기 위해서는 스프링 상수가 작은 유연한 스프링을 사용하여 변형을 크게 하면 마찬가지로 진동수는 감소한다.

이것은 스프링의 변형 크기에 따라 체차의 고유진동수가 결정됨을 의미한다. 승차감을 위해서 f=70~75가 바람직하다고 하면 δ=160~180mm가 된다. 즉, 스프링의 변형을 160~180mm로 하여 주행하면 승차감이 좋아진다.

그러나 일반적으로 금속 스프링은 스프링 상수가 일정하기 때문에 승차 인원, 적재하중에 따라 하중이 변하면 진동수가 변화되어 승차감도 달라진다.

이것은 스프링 상수가 일정하기 때문이므로 하중 증가와 더불어 스프링 상수도 변할 수 있으며 항상 일정한 진동수를 얻는다는 것을 의마한다 이를 위한 스프링 특성은 대수곡선이어야 한다. 따라서 스프링 상수를 2단으로 변화하든지, 고무 스프링과 조합이든지 혹은 고무나 공기 스프링을 사용하여 전범위에 걸쳐 연속적으로 스프링 상수가 변화는 등 소위 비선형 스프링 특성이 개발되고 있다.