쇽업쇼버의 역활

 쇽업쇼버의 역활

자동차가 정지상태일 때는 서스펜션에 장착된 스프링은 차체의 하중을 받아 조금 수축된 상태로 안정되어 있다. 하지만 차체 움직이기 시작하면 하중 이동이나 노면의 굴곡을 타이어가 1차적으로 받고 스프링은 2차적인 충격을 받아 축에 연결되어 늘어나고 줄어드는 현상을 되풀이 해 승차감을 조정하고자 한다.

다시 말해 한번 충격을 받은 스프링은 그대로 장시간 신축을 되풀이하고 좀처럼 움직임을 멈추려고 하지 않는다. 이것은 스프링의 특성으로서 이때 쇽업쇼버가 작용해야만 안정적으로 차체를 유지하는 것이다.



쇽업쇼버는 움직임을 멈추려하지 않는 스프링에 대하여 역방향으로 힘을 발생시켜 진동의 수속을 앞당긴다.

다시 말해 스프링이 수축하려고 하면 쇽업쇼버는 수축하지 않도록 하는 힘인 반발력을 발생시키고 반대로 스프링이 늘어나려고 하면 늘어나지 않게 하는 힘인 감쇄력을 발생시킨다.

이러한 움직임에 의해 스프링의 특성이 원활하게 컨트롤되어 승차감과 조정 안정성이 확보돠도록 해 테크니컬한 드라이빙에서도 정확한 포지션을 유지하면서 달릴 수 있도록 한다는 것이다.



조종안정성

자동차에 있어서의 물리적인 힘은 다음과 같은 움직임을 동시에 갖고 있다. 정지상태에서 발진할 때 Squat라는 상태가 발생하게 되는데 이 현상은 차체의 앞쪽은 뜨고 뒤쪽은 내려앉는 상태로 정속주행에서 가속 체제로 바뀔 때에도 나타나게 된다.

또한 정지시에는 노즈 다이브(nose dive) 현상이 발생하게 된다. 즉 이 현상은 브레이크를 밟는 정도에 따라 앞은 내려앉고 뒤는 뜨게 되는 상태를 말하며, 이는 자동차의 전반적인 하중이 앞으로 쏠리게 되어 발생하는 현상으로 볼 수 있다.



자동차가 불규칙한 노면을 지나게 될 때 차체가 처음에는 올라가고 그후 내려가는 현상을 관찰할 수 있는데 이같은 상태를 바운싱(Bouncing)이라고 한다.



또한 작은 돌기를 통과할 때는 앞뒤가 시간차를 두고 쳐 올라서 앞과 뒤가 역방향으로 진동하는 것을 느낄 수 있고 이것은 피칭(Pitching)이라고 한다.



이처럼 자동차는 무수한 진동을 받으며 달리고 있다고 해도 과언이 아닐 것이다. 쇽업쇼버는 이러한 진동을 감소시켜 주고 이미 발생한 진동에 대하여 빨리 제자리를 찾아주는 역할을 한다. 한가지 알 수 없는 부분은 스프링과 마찬가지로 쇽업쇼버도 모순과 싸우고 있다는 점이다.



그것은 일반적으로 말할 수 있는 조종 안정성과 승차감은 상반된 요소로 되어 있기 때문이다.



이를테면 조종 안정성을 우선으로 생각하면 감쇄력을 하드하게 설정하게 되는데 마치 쇽업쇼버가 없는 것만큼 승차감은 필연적으로 나빠지게 된다.



레이싱카를 생각하면 쉽게 이해가 될 것이다.

레이싱 카의 경우 드라이빙 안정성을 위해 승차감을 무시하고 차체의 복원력만을 우선으로 생각하고 있다.



반대로 승차감을 우선으로 할 경우 감쇄력이 무르게 설정하게 되고 승차감은 확보되지만 조종 안정성은 떨어지게 된다.







감쇠력의 원리

감쇄력이란 쉽게 말해 어떤 진동에 대하여 진동한 힘에 저항하려는 힘을 말한다.

즉 스프링이 늘어나려고 하면 늘어나지 않는 방향으로, 줄어들려 하면 줄어지지 않는 방향으로 힘이 작용하는 것을 말한다. 이 힘을 직접적으로 느끼고 싶다면 쇽업쇼버를 손으로 누르거나 빼보면 된다.

감쇄력의 원리는 주사기로도 설명할 수 있다. 액체를 넣은 주사기를 누르면 저항감이 있는데 이 저항감은 주사기의 피스톤 부분을 누르는 스피드에 의해 변화한다.



빠르게 누르려 하면 저항감이 커지고 천천히 누르면 저항감이 적어진다. 또 같은 스피드로 눌렀다 하더라도 출구의 구경이 크면 저항감이 적어진다. 이때 누르는 속도나 힘에 대하여 저항하는 힘을 감쇄력이라 말한다. 이 피스톤의 스피드에 따라서 변화하는 감쇄력의 특성을 감쇄력 속도 특성이라고 부른다

쇽업쇼버의 내부에는 밸브가 있는데 이 밸브의 편성에 의해 피스톤 스피드가 동일해도 감쇄력은 변할 수 있는 구조로 되어 있다. 일본 자동차 규격은 쇽업쇼버의 특성을 나타내는 기준으로서 피스톤의 속도가 0.3m/s의 감쇄력을 규정 감쇄력으로 하고 있다



밸브의 작동원리

일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 복동식 밸브 구조의 신(인장)행정과 압(압축)행정으로 어떻게 오일이 흘러서 감쇄력이 생겨나는지 알아보자.

먼저 신행정의 저속시(피스톤 스피드가 0.1m/s 이하)는 피스톤 로드가 천천히 퍼져간다. 이 경우 오일은 피스톤 상실에서 피스톤 상부에 설치된 오리피스(오일 통과량을 컨트롤하는 구멍)를 통하여 피스톤 하실로 흐른다. 오리피스 구멍의 사이즈에 따라서 감쇄력이 변하며 피스톤 하실로 흘러나온 실린더 내의 오일 부족분은 리저버 실의 오일이 베이스 밸브를 통하는 것으로 보충되도록 되어 있다.



다음으로 중·고속시 피스톤 스피드가 0.3m/s 이상일 때는 피스톤이 퍼지는 속도가 빨라 저속시에 비하여 대량의 오일이 흐른다. 이때 오일은 리프 밸브와 스프링을 눌러 내려서 흐르는데 이 스프링의 정수 차이에 따라 감쇄력이 변한다. 더구나 피스톤 스피드가 빨라지면 피스톤에 설치된 포트(구멍)에 오일이 통과하는 것에 따라 감쇄력이 변하며 실린더 내의 오일 부족분은 저속시와 같이 리저버실에서 보충된다.



압축행정의 저속시는 피스톤 하실의 오일 일부가 피스톤 상실측으로 부족분만 흐르고 나머지는 베이스 밸브에 설치된 오리피스를 통하여 리저버실로 흐른다.



중·고속시에는 피스톤 로드가 눌러지는 속도가 빠르기 때문에 오일의 유량이 많아지고 베이스 밸브에 흐르는 양도 많아져서 베이스 밸브의 리프밸브를 눌러 내리며 흐르고 이때 리프밸브의 판 두께나 매수에 의해 감쇄력이 변하게 된다. 게다가 피스톤 밸브의 속도가 빨라지면 베이스 밸브의 포트를 오일이 통과하는 것에 따라 감쇄력이 변한다.







쇽업쇼버의 종류



현재 가장 많이 쓰이고 있는 쇽업쇼버는 통형으로 크게 단동식과 복동식으로 나눌 수 있다. 복동식은 실린더와 외부의 형태를 이루는 2개의 통으로 구성되어 있고 단동식은 실린더만으로 구성되어 있다. 복동식의 경우 오일은 실린더내의 전부와 외부통의 실린더 사이(리저버 실)에 반정도 들어 있다. 남은 부분에는 공기 또는 질소가스가 봉입되어 있다. 공기만 봉입된 쇽업쇼버는 유압식이라 하고 질소가스가 봉입되어 있는 것은 가스식 쇽업쇼버라 한다. 최근 스트리트 튜닝카에는 대부분 가스식을 이용한 제품이 사용되고 있을 정도로 활성화되어 있다.



가스 봉입식 쇽업쇼버



가스 봉입식 쇽업쇼버의 장점

일반 오일 쇽업쇼버는 압축 행정시의 고속 피스톤 운동시에는 감쇄력이 일정하지 않은 때가 있는데 그 원인은 신행정시 피스톤 하실측에 리저버실에서 보충된 오이량이 충분하지 않고 피스톤 하실이 부압상태가 되어 압행정시에 부압만큼 감쇄력이 발생하지 않는 상태가 일어나기 때문이다.

이를 방지하기 위해서는 리저버실의 오일을 강제적으로 실린더 내로 흐르게 할 필요가 있는데 가스식에서는 가스압에 의해 오일을 강제적으로 실린더 내로 흘려보낼 수가 있기 때문에 실린더 내의 부압을 방지할 수 있고 감쇄력을 안정되게 발생시킬 수 있다. 또 복동식은 오일과 공기가 리저버실에서 맞닿아 있기 때문에 쇽업쇼버가 빠르게 움직이면 오일과 공기가 서로 혼합하여 기포상태가 되는 경우가 발생한다. 이 현상을 에어레이션(Aeration)이라고 부르며 오일이 실린더 내로 들어가면 감쇄력 발생을 저지하게 된다.가스를 봉입하면 오일내의 기포 발생을 억제하고 감쇄력을 일정하게 발생시키기 때문에 오일 쇽업쇼버보다 우수하고 안정된 감쇄력을 발휘할 수 있는 것이다.



스트럿타입과 카트리지타입의 장.단점



스트럿 타입은 최근 자동차 서스펜션의 주류를 이루고 있다. 스트럿 타입의 쇽업쇼버는 서스펜션 멤버의 일부로서 차륜의 위치 결정을 행하는 구조부재로서의 역할도 담당하고 있다. 내부구조는 기본적으로 복동식과 동일하지만 강도를 확보하기 위해서 피스톤 로드나 아웃 셀이 굵고 튼튼하게 되어 있다. 따라서 개개의 쇽업쇼버는 감쇄력 특성을 토대로 사이즈가 결정된다고 말할 수 있지만 스트럿 타입은 강도를 토대로 사이즈가 설정된다고 해도 과언이 아니다.



특히 랠리나 더티 트라이얼 등의 경기용 스트럿 타입쇽업쇼버는 일반 스트럿 타입 쇽업쇼버보다 고하중을 받기 때문에 일반용보다 로드나 아우터 셀의 사이즈가 큰폭으로 설정된 것이 많다. 카트리지 타입은 스트럿 타입에 비해서 교환 비용이 저렴하게 든다. 단점은 스트럿 내부 부속품의 교환이기 때문에 스트럿과 동일 사이즈의 로드경이 필요하다. 또 카트리지는 스트럿의 아웃 셀 내에 넣어지기 때문에 사이즈가 제약되어 오일량이 규제되므로 열에 대하여 내구성이 약한 결점이 있다. 주의할 점으로는 카트리지는 스트럿의 아웃 셀에 편입되고 링, 너트, 부시에 의해서 고정하지만 그 단단한 토크 관리를 엄격하게 실시할 필요가 있다.







감쇠력조정식 쇽업쇼버

스프링과 마찬가지로 쇽업쇼버도 어느 한종류로 조종 안정성과 승차감을 양립시키는 것은 대단히 어렵다. 따라서 상반하는 요소의 양립이 어렵다는 것은 한종류의 스프링과 쇽업쇼버를 장착하고 있는 시판차의 서스펜션은 어떤 부분에서는 조정을 통해 밸런스를 맞추고 있다고 할 것이다

능동적으로 운전상황이나 노면상황에 맞추어 감쇄력을 변동시킬 수 있는 쇽업쇼버가 있다면 아마도 가장 근접한 쇽업쇼버가 아닐까 한다. 이러한 생각에 가장 근접한 쇽업쇼버가 바로 전자제어적 요소를 가미한 것과 감쇄력 조정식 쇽업쇼버이다.



수동식은 암스트롱 타입 조절식 쇽업쇼버와(다이얼식) 로드 조정식의 2가지 종류가 있다. 암스트롱 타입의 구조는 통상의 복동식 쇽업쇼버에 대하여 아웃 셀이 하우징에 용접되어 있다. 그리고 하우징 내에는 로터리 밸브라는 감쇄력을 가변할 수 있는 부품이 조립되어 있다.



또 리저버 실에는 오일을 흐르게 하기 위한 밸브가 쇽업쇼버의 상부에서 하우징까지 통해 있다. 통상의 쇽업쇼버는 실린더 상부가 밀봉되어 있지만 암스트롱 타입 조정식은 오일을 통하게 하는 구멍이 열려있고 이 구멍은 파이프의 상단에 연결되어 있다.



신축, 압축의 감쇄력 기구는 복동식과 동일하지만 상부의 구멍에도 오일이 흐르도록 밸브를 설정하고 있다. 신행정과 압축력은 상부의 구멍을 통하여 오일이 흐르고 밸브를 통하여 하우징 내의 로터리 밸브에 설치된 오리피스를 통과해서 리저버실에 흘러나온다. 이 로터리 밸브에 설치되어 있는 오리피스 구멍의 크기에 따라 유량을 제어하고 감쇄력의 변화가 가능하다.



로드 조정식 쇽업쇼버의 구조는 통상의 복동식에 대하여 피스톤 로드내의 로터리 밸브를 가지고 피스톤부에서 신·압 양방향의 감쇄력 가변 기구를 갖는 것이다. 피스톤 로드 상단의 다이얼과 로터리 밸브는 컨트롤 모드라고 불리는 부품으로 연결되어 있다.



또 피스톤 로드에는 로터리 밸브의 오리피스 구멍 위치에 맞도록 구멍이 열려 있다. 감쇄력이 가장 높은 하드 모드는 오일이 통상의 쇽업쇼버와 흐르는 방향이 같다.



다만 피스톤 상부의 밸브는 통상의 쇽업쇼버가 자유롭게 오일이 흐르는 구조로 되어 있지만 로드 조정식은 압축의 감쇄력도 발생 가능한 구조로 되어 있다.







감쇄력 조정식의 특성

암스트롱, 로드 타입 둘다 로터리 밸브의 오리피스 구멍에 위해서 오일의 유량이 제어되고 감쇄력이 변화하도록 되어 있다. 이것은 저속시의 감쇄력을 제어하고 있는 오리피스 특성의 변화에 영향을 받는 중속시의 감쇄력도 변화하도록 한다.



일반도로에서는 통상 피스톤 스피드 0.3m/s 이하의 범위에서 쇽업쇼버는 움직이고 있다. 따라서 자동차의 승차감이나 조종 안정성은 오리피스 특성에 따라 결정된다고 말할 수 있다. 짐카나와 같이 코스에 맞춘 롤 특성을 필요로 하는 경기에서는 오리피스 가변식 쇽업쇼버는 빠뜨릴 수 없다.



실제 짐카나에 사용되고 있는 경기용 차량의 대부분이 조정식 쇽업쇼버가 장착되고 있는 것으로도 그 필요성은 명백하기 때문이다