공기 현가장치

3. 용도

공기 현가장치는 객차, 화차, 내연동차, 전동차뿐만 아니라 노면전차, 모노레일, 고속철도에 이르기까지 널리 채용된다. 대부분 대차에 사용되며, 빌로우즈식이나 다이어프램식 등의 구조가 있다. 차고 조절은 물론, 다이어프램식 용수철은 횡강성이 높아 대차의 사행동 방지에도 일조한다. 공기 현가장치의 구조는 풍선과 비슷하다.

3. 1. 철도차량

3. 1. 1. 공기 현가장치 펑크

3. 2. 자동차

• 각 바퀴에 장착된 가황 고무 에어 스프링
• 공기 압축기
• 압축 공기 저장 탱크
• 밸브 블록
• ECAS 컴퓨터
• 6mm 공기 파이프
• 건조제가 들어있는 에어 드라이어 캐니스터
• 높이 센서

3. 2. 1. 현대 자동차

3. 2. 2. 맞춤형 애플리케이션

4. 역사

아치볼드 샤프는 1901년 1월 7일에 "롤링 미튼 씰"이라고 묘사된 공압 또는 유압 장치를 만드는 방법을 특허냈고,^[1] 같은 해 1월 11일에는 자전거에 공기 현가장치를 사용하기 위한 특허를 신청했다.^[2] 1909년, Air Springs Ltd라는 회사는 A.S.L. 오토바이를 생산했는데, 이 오토바이는 앞뒤에 공압 서스펜션이 장착되어 당시로서는 특이한 경우였다.^[5]

1901년 1월 22일, 윌리엄 W. 험프리스는 '차량을 위한 공압 스프링' 아이디어를 특허냈다.^[6] 이 설계는 차량 길이의 거의 전체에 걸쳐 종 방향으로 채널링된 좌우 에어 스프링으로 구성되었다.^[7]

1920년, 프랑스인 조지 메시어는 애프터마켓 공압 서스펜션 시스템을 제공했다.^[8] 그의 1922-1930 메시어 자동차는 "네 개의 가스 거품 위에 차를 띄우는" 서스펜션을 특징으로 했다.^[9]

제2차 세계 대전 동안 미국은 대형 항공기에 공기 현가장치를 개발하여 무게를 줄이고 콤팩트한 구조를 확보했다. 또한, 자동 수평 조절 서스펜션을 달성하기 위해 대형 트럭 및 항공기에 공기 시스템을 사용했다.^[10]

1950년, [https://www.airliftcompany.com/about/ Air Lift Company]는 자동차의 코일 스프링에 삽입되는 고무 에어 스프링을 특허냈다. 에어 스프링은 코일 스프링의 공간으로 팽창하여 차량이 처지는 것을 방지했다.^[12]

1954년, 프랑스인 폴 마제는 공기 대신 유압 유체를 사용한 유압 공압 서스펜션을 개발했다.^[13] 시트로엥은 이 기술을 트락시옹 아방 15 이드롤릭의 뒷 차축에 적용했고,^[14] 1955년 시트로엥 DS는 네 바퀴 모두에 유압 공압 서스펜션을 채택했다.^[15]

1956년, EMD의 실험적인 에어로트레인에 공기 현가장치가 사용되었다.

미국 제너럴 모터스는 1957년 캐딜락 엘도라도 브로엄에 공기 현가장치를 표준 장비로 도입했다.^[16] 각 바퀴의 "에어 돔"에는 센서가 포함되어 노면 상태를 보정하고 차량 높이를 자동으로 유지했다.^[17]

1958년, 뷰익은 자동 수평 조절 기능과 함께 네 개의 공기 실린더를 갖춘 "에어-포이즈 서스펜션"을 선택 사양으로 도입했다.^[20] 1959년에는 전면에 강철 코일 스프링, 후면에 에어 스프링을 결합한 "에어 라이드" 시스템을 제공했다.^[21]

1958년과 1959년, 램블러 앰배서더 및 아메리칸 모터스 "크로스 컨트리" 스테이션 왜건 모델에 "에어-코일 라이드"라는 선택적 공기 현가장치 시스템이 제공되었으나, 1960년에 중단되었다.^[22]

1960년, 보르그바르트 P 100은 자동 수평 조절 공기 현가장치를 갖춘 최초의 독일 자동차였다.^[26]

1962년, 메르세데스-벤츠 W112 플랫폼의 300SE 모델에 공기 현가장치가 탑재되었다.^[10] 1964년, 메르세데스-벤츠 600은 더 큰 에어 스프링을 사용했으며, 압축 공기 시스템은 브레이크 서보에도 동력을 공급했다.

롤스로이스는 1965년 롤스로이스 실버 섀도우에 시트로엥의 라이선스 하에 제작된 자동 수평 조절 서스펜션을 통합했다.

1975년, 메르세데스-벤츠 450SEL 6.9는 유압 공압 서스펜션을 통합했다.^[10]

1984년, 포드 모터 컴퍼니는 링컨 컨티넨탈 마크 VII에 새로운 공기 현가장치 설계를 도입했다.

1986년, 닛산은 세드릭과 글로리아에 맥퍼슨 스트럿에 에어백 개조를 설치했다.

1993년, 랜드로버 레인지로버에 전자 제어 공기 현가장치(ECAS)가 처음 장착되었다.

2005년, GM 험머 H2는 오프로드 애플리케이션을 위한 타이어 팽창을 지원하는 후방 공기 현가장치 시스템을 선택 사양으로 제공했다.

5. 전자 제어식 공기 현가장치 (ECAS)

전자 제어식 공기 현가장치(ECAS)는 1993년 레인지로버 클래식에 처음 장착되었고,^[35] 이후 레인지로버 P38A에도 장착된 시스템이다. 1990년대 초 영국 코번트리에 위치한 던롭 시스템 앤 컴포넌트에서 개발하였다.

ECAS는 온로드 및 오프로드 환경에서 차량의 높이를 조절할 수 있는 가변 높이 서스펜션을 제공한다. 일반적으로 "적재", "고속도로", "표준", "오프로드", "오프로드 확장"의 5가지 높이를 제공한다. 높이는 속도 및 차체 하부 센서에 따라 자동으로 조절되지만, 수동 조절 스위치를 통해 운전자가 직접 제어할 수도 있다. "적재" 및 "오프로드" 높이는 일반적으로 56km/h 미만의 속도에서만 사용할 수 있다. "고속도로" 설정은 수동으로 선택할 수 없으며, 차량이 80km/h 이상의 속도로 30초 이상 주행하면 자동으로 설정된다.

ECAS는 가황 고무 에어 스프링을 사용하여 부드러운 승차감을 제공하며, 오프로드 주행 시에는 차체를 높여 지상고를 확보하고, 고속 주행 시에는 차체를 낮추는 기능을 제공한다. 기존의 기계식 스프링은 하중에 따라 높이가 변하지만, ECAS는 에어 스프링의 압력을 조절하여 하중과 관계없이 일정한 높이를 유지할 수 있다. ECAS 개발자들은 에어 스프링이 장착된 경상용차(LCV)의 하중을 파악하고 하중 변화를 감지하는 LoadSafe 시스템도 설계했다.

5. 0. 1. 구성 요소

6. 멀티 챔버 공기 현가장치

멀티 챔버 에어 서스펜션은 에어 서스펜션의 스프링 특성을 단계별로 제어할 수 있는 서스펜션이다. 비선형 특성을 가지며, 스프링 상수는 가변적이고, 공진이 잘 일어나지 않는다.

기체의 성질에는 보일의 법칙이 있다. "일정 온도에서 기체의 압력과 부피는 반비례 관계에 있다"는 것으로, 기체를 1/2 부피로 압축하면 압력은 2배가 된다. 즉, 반발력도 2배가 된다. 이러한 성질을 이용한 것이 에어 서스펜션으로, 사람이나 짐을 실으면 압축되어 반발력이 높아지고, 이를 내리면 원래의 반발력으로 돌아간다. 따라서 평상시에는 매우 부드러운 스프링 레이트를 설정할 수 있으며, 적재 시에는 아무리 압축해도 기체가 없어지지 않고 더 강한 반발력을 얻을 수 있으므로 승차감은 나빠져도 쉽게 바닥을 칠 일이 없다. 또한, 금속의 탄성을 이용하는 금속 스프링으로는 흡수할 수 없는 미세한 진동까지 감쇠할 수 있으며, 내용적이나 공기압 등의 조절을 통해 스프링으로서의 강도를 적절하게 설정할 수 있다. 공기량을 변화시켜 임의로 스프링 레이트나 차고를 설정할 수 있지만, 공기원이나 밸브 장치, 차고 센싱이 필요하며, 시스템이 복잡해진다.

7. 일반적인 문제점

에어백 또는 에어 스트럿은 주로 노후화로 인한 녹이나 공기 시스템 내부 수분으로 인해 손상되어 고장날 수 있다. 에어 서스펜션 부품은 고무가 마르면서 고장나기도 하며, 도로의 파편으로 인해 에어백에 펑크가 발생할 수도 있다. 맞춤형으로 설치하는 경우에는 잘못 설치하면 에어백이 차량 프레임이나 주변 부품에 마찰되어 손상될 수 있다. 또한, 에어 스프링이 과도하게 늘어나면 유연한 층이 찢어져 조기에 고장날 수 있다.^[36]

에어 라인은 에어백과 나머지 에어 시스템을 연결하는 튜브인데, 보통 DOT 승인 나일론 에어 브레이크 라인을 사용한다. 이 라인이 차량 섀시 부재나 움직이는 서스펜션 부품의 날카로운 모서리에 마찰되면 구멍이 생겨 고장날 수 있다. 이러한 고장은 대개 시스템 설치 후 시간이 지나면서 발생한다. 도로 파편이 에어 라인을 쳐서 펑크를 내거나 찢는 경우도 있지만, 일반적인 도로에서는 흔하지 않다.

에어 피팅은 에어백, 밸브, 솔레노이드와 같은 부품을 에어 라인에 연결하는 데 사용된다. 저렴한 저품질 부품은 신뢰성이 떨어지는 경향이 있으며, 처음 장착할 때나 사용 중에 고장날 수 있다.

압축기는 주로 에어 스프링이나 에어 스트럿의 누출로 인해 고장난다. 압축기가 누출되는 공기를 보충하려고 계속 작동하다가 고장나는 것이다. 또한, 공기 시스템 내부의 수분이 전자 부품에 닿아 압축기가 고장날 수도 있다. 듀티 사이클이 낮은 저사양 압축기를 사용하면 이런 문제가 더 잘 발생한다. 시스템의 안정성을 위해 두 개의 압축기를 사용하는 것이 좋다.^[36]

드라이어는 공기 시스템에서 수분을 제거하는 역할을 하는데, 시간이 지나면 포화되어 제 기능을 못하게 된다. 이로 인해 시스템에 수분이 쌓여 에어 스프링이 손상되거나 압축기가 고장날 수 있다.

전자 제어식 에어 서스펜션(ECAS)의 경우, 시스템 누출, 센서 오류, ECU 문제 등이 발생할 수 있다. ECAS 컴퓨터는 미리 설정된 기준을 통해 결함을 감지하고, 시스템을 "하드 폴트 모드"로 비활성화하여 차량을 서스펜션 범프 스톱까지 낮춘다. 이렇게 하면 수리 전까지 성능이 떨어진 상태로 차량을 사용할 수 있다. 일부 운전자들은 진단 장치를 사용해 잘못된 결함을 제거하거나, 센서를 조작하거나 보조 ECU를 사용해 차고를 조절하기도 한다. 과도한 사용으로 인해 주 씰이 마모되면 시스템 누출이 발생하고, 이는 압축기 고장으로 이어질 수 있다.

8. 코치 및 버스에서의 사용

에어 스프링은 기계식 스프링에 비해 여러 장점을 가지고 있어 버스 서스펜션에 널리 사용된다.^[38] 에어 서스펜션은 에어백의 압력을 조절하여 차량의 무게 변화에 맞춰 차량 높이를 일정하게 유지할 수 있다. 표준 코치에는 브레이크오버 앵글을 높이는 페리 리프트(Ferry Lift) 시스템이 있다.^[37] 이 시스템은 가파른 경사로와 접지 위험이 있는 페리에서 코치를 싣고 내릴 때 유용하며, 거친 지면이나 가파른 언덕에서도 사용할 수 있다. 페리 리프트는 일부 버스에 설치되지만, 닐 다운(Kneel Down) 기능은 대중교통 버스에서 더 일반적이다. 닐 다운은 승객의 승하차를 돕기 위해 발판 높이를 낮추는 기능으로, 내장된 휠체어 경사로를 사용할 때도 활용된다.

주로 버스나 트럭에 사용되며, 승차감을 중요하게 생각하는 관광 버스나 고속 버스에서는 표준 장비로 자리 잡았다.

노선 버스와 트럭에서는 구조가 간단하고 저렴한 겹판 스프링(리프 스프링)이 주류였지만, 1990년대부터 노선 버스에서 배리어 프리화가 진행됨에 따라 승하차성 개선을 위해 차고 조정 기능이 필요해졌고, 논스텝 버스를 중심으로 에어 서스펜션 채택 차종이 늘고 있다. 버스는 승하차 시 공기 스프링의 공기를 빼 차고를 낮추는 기능을 갖추고 있으며, 노선 버스는 문이 여러 개인 경우가 많아 앞바퀴와 뒷바퀴 모두 문 쪽의 공기 스프링을 펑크시키는 방식을 사용한다. 이는 사람이 한쪽 무릎을 꿇는 자세와 비슷하여 "닐링 기능"이라고 불린다. 관광 버스나 고속 버스는 승하차구가 앞문만 있는 경우가 많아 앞바퀴의 공기 스프링을 좌우 모두 펑크시켜 차체 전방이 내려가는 "크라우칭 기능"을 사용한다. 물론 차고를 낮추는 것뿐만 아니라, 단차를 넘거나 도로 조건이 나쁠 때 차고를 올려 접지를 방지하는 기능도 있지만, 이 경우에는 주행 속도가 제한된다. 또한, 모든 공기 스프링을 펑크시키는 것도 가능하며, 이는 페리에 실을 때 사용하지만 통상적으로는 사용하지 않으며, 이 상태에서는 정상적인 주행이 불가능하다.

9. 제조업체

참조

_[1] 특허 An Improved Packing Tube suitable for Pneumatic and Hydraulic Apparatus
_[2] 특허 Improvements in Cycles
_[3] 특허 Improvements in Telescopic Air Springs
_[4] 특허 Improvements in or relating to Compressed Air Springs.
_[5] 간행물 The A.S.L. Spring-Frame Motor Bicycle The Motor Cycle 1909-07-07
_[6] 특허
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_[39] 문서 保安基準第4条の2 https://www.mlit.go.[...]
_[40] 문서 保安基準細目第7条の3 https://www.mlit.go.[...]
_[41] 문서 保安基準細目告示別途114 https://www.mlit.go.[...]
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