멀티링크 식 서스펜션
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1. 개요
멀티링크 서스펜션은 여러 개의 독립적인 링크를 사용하여 휠의 움직임을 제어하는 자동차 서스펜션 형식이다. 다임러-벤츠가 5링크 구성의 리어 서스펜션을 개발한 것이 시초이며, 더블 위시본 서스펜션의 한계를 극복하기 위해 개발되었다. 여러 개의 암을 통해 휠의 기하학적 변화를 정밀하게 제어하여 타이어의 노면 접지력을 향상시키며, 고성능 차량의 리어 서스펜션에 주로 사용된다. 탑 뷰, 정면 뷰, 측면 뷰에서 각 암의 기능을 고려하여 토/조향, 캠버, 트랙션 및 제동 부하 등을 제어한다. 설계가 복잡하지만 승차감과 핸들링 성능을 향상시키지만, 부시 관리의 어려움, 높은 유지 보수 비용 등의 단점도 존재한다.
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| 멀티링크 식 서스펜션 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| 유형 | 차량 현가 장치 |
| 설명 | 멀티링크 서스펜션은 독립식 서스펜션 설계의 일종으로, 다섯 개 이상의 링크로 한 휠(바퀴)을 차체에 연결한다. 링크는 설계 매개변수를 최적화할 수 있기 때문에 서스펜션 엔지니어에게 추가적인 제어 능력을 제공한다. |
| 특징 | |
| 장점 | 향상된 승차감 개선된 핸들링 더 나은 안티 롤(anti-roll) 특성 |
| 단점 | 더 복잡한 설계 더 높은 비용 더 많은 공간 필요 |
| 응용 분야 | |
| 일반적인 용도 | 승용차 및 스포츠 유틸리티 차량(SUV)의 후륜 서스펜션 |
| 사용 예시 | 다양한 고급 차량 및 고성능 차량 |
2. 역사
멀티링크 서스펜션의 역사는 크게 두 가지 흐름으로 나눌 수 있다.
- 다임러-벤츠의 5링크 서스펜션 개발: 다임러 벤츠는 세미 트레일링 암 서스펜션의 한계를 극복하기 위해 5링크 구성의 리어 서스펜션을 개발, 메르세데스-벤츠 190E(W201)에 처음 탑재했다. 이 방식은 이후 벤츠를 포함한 여러 자동차 제조사에서 사용되고 있다.
- 멀티링크의 특징: 더블 위시본과 달리 독립된 여러 개의 암으로 구성되어, 정밀한 세팅과 뛰어난 노면 접지력을 제공한다. 고성능 FF 차량이나 후륜구동 차량에 주로 사용된다.
- 설계 및 관리의 어려움: 각 암의 길이와 각도가 달라 설계가 복잡하고, 고무 부시의 변형에 민감하여 정기적인 관리가 필요하다. 이로 인해 휠 얼라인먼트 조정 및 유지보수 비용이 높은 편이다.
- 정의 및 관련 자료: 멀티링크 서스펜션은 가상 전타축을 가진 구조로 인식되지만, 명확한 정의는 없다. 일부 자료에서는 "더블 위시본의 연장선상에 있는 형식"으로 설명하기도 한다. 996형 포르쉐 911처럼 I 암과 세미 트레일링 암을 조합한 경우도 있어, 4개 이상의 암으로 구성된 서스펜션의 총칭이라고 단정하기는 어렵다.
- 일반적인 개념: 5개의 링크를 사용하여 휠의 6자유도 운동 중 5자유도를 구속하고, 1자유도(휠 스트로크)를 남긴 것이라는 설이 있다.[9] 실제로는 A형 암 등으로 링크를 치환한 변형도 존재한다.
- NVH와 얼라인먼트 제어: 일반 자동차에서는 NVH 차단을 위해 고무 부시를 사용하는데, 이로 인해 얼라인먼트 변화와 거동 불안정 문제가 발생할 수 있다. 현대의 멀티링크는 이러한 문제를 해결하고 조종 안정성과 NVH 차단을 양립시키는 것을 목표로 한다.
- 설계의 어려움과 장점: 원하는 운동을 구현하기 위한 설계가 어렵지만, 제대로 설계되면 캠버를 적절히 유지하고 코너링 시 바깥쪽 휠을 토인으로 만들어 뛰어난 승차감을 제공한다.
- 최근의 멀티링크: 메르세데스-벤츠가 190 시리즈에서 도입한 형식을 따르는 경우가 많다. 텐션 스트럿, 캠버 스트럿, 컴프레션 스트럿, 타이로드, 스프링 링크로 구성되며, 안티 노즈 다이브 특성 및 안티 스쿼트 특성을 갖도록 설계되었다.[10]
- 유지보수: 부시류 점검 및 관리가 필요하며, 베어링 조임 시 주의가 필요하다. 분해, 조립, 휠 얼라인먼트 조정에 시간이 소요되고, 부시 수명이 짧아 보수 비용이 높은 경향이 있다.
2. 1. 초기: 레이싱카 및 스포츠카의 4링크
1960년대부터 1970년대에 걸쳐 레이싱카[6]와 스포츠카에 '''4링크''' 구성의 리어 서스펜션(구동륜의 현가)이 많이 사용되었다. 이는 상부 I 암과 하부 리버스 A 암으로 지지되는 업라이트를 상하로 배치한 2개의 긴 트레일링 링크로 전후 위치를 결정하는 방식이었다. 당시 포드 자동차(Ford Motor)는 이를 '''멀티 링크 서스펜션'''이라고 칭했다[7].
2. 2. 발전: 다임러-벤츠의 5링크
1982년, 다임러-벤츠는 세미 트레일링 암 서스펜션의 한계를 극복하기 위해 5링크 구성의 리어 서스펜션을 개발하여 메르세데스-벤츠 190E에 처음 채용했다. 다임러-벤츠는 이 서스펜션을 '''라움렌커아하제'''(Raumlenkerachse|라움렌커악세de, 공간 연결 차축 ≒ 스페이스 링크 방식 서스펜션)라고 칭했으며, 이후 이 방식은 메르세데스-벤츠 승용차의 리어 서스펜션에 널리 채용되었다.[8]3. 구조 및 작동 원리
다임러 벤츠사가 5링크 구성의 리어 서스펜션을 개발하여 멀티링크 서스펜션이라 이름붙였다. 세미 트레일링 암 서스펜션의 한계를 극복하기 위해 개발되어 1982년 발표된 메르세데스 벤츠 190E(W201)에 처음으로 탑재된 후, 벤츠를 포함하여 여러 자동차 제조사에서 사용되고 있다.
더블 위시본이 상하 두 개의 서스펜션 암으로 구성되는 반면, 멀티링크는 독립된 여러 개의 암으로 구성되어 배치 자유도가 크고, 세밀한 설정이 가능하다. 여러 개의 암으로 지지하므로 기하학 변화를 엄밀하게 관리할 수 있어 타이어를 노면에 접지시키는 능력이 뛰어나다. 때문에 고성능 FF(전륜구동 방식) 차량이나, 고출력 후륜 구동 차량의 트랙션을 확보하려는 목적으로 리어 서스펜션으로 채용되는 경우가 많다.
멀티링크 식 서스펜션은 가상 전타(轉舵)축을 가진 구조로 인식되지만, 엄밀한 정의가 없어 "더블 위시본의 연장선상에 있는 형식"이라고 쓰여진 자료도 있다.
1960년대부터 1970년대에 걸쳐 레이싱카[6]와 스포츠카에 '''4링크''' 구성의 리어 서스펜션(구동륜 현가)이 많이 사용되었다. 이는 상부 I 암과 하부 리버스 A 암으로 지지되는 업라이트를 상하로 배치한 2개의 긴 트레일링 링크로 전후 위치를 결정하는 것으로, 당시 포드 자동차(Ford Motor)는 이를 '''멀티 링크 서스펜션'''이라고 칭했다[7].
일반적으로 멀티 링크 방식은 5개의 링크를 사용하여 휠이 갖는 6자유도의 운동(직교 3축 방향의 직선 운동 + 직교 3축 회전 운동) 중 1 자유도(1방향의 직선 운동 또는 1축 회전 운동, 즉 휠 스트로크)를 남기고 5자유도를 구속한 것이라고[9] 알려져 있다. 실제로는 2개 또는 3개의 링크를 강결한 A형 암에 의해 링크를 치환한 것(1암 + 3링크, 2암 + 1링크)과 같은 변형도 존재한다.
일반 자동차에서는 NVH 차단을 위해 고무 부시를 가진 조인트를 사용한다. 그러나 이 경우 부시의 변형으로 인해 얼라인먼트가 변화하여 코너링 중 자동차의 거동이 불안정해지는 경우가 있다. 특히 코너링 시 리어 외측 휠이 토아웃이 되면 위험한 오버 스티어에서 스핀으로 이어질 수 있다. 현대의 멀티 링크는 다양한 거동에 의한 부시의 변형에도 얼라인먼트를 제어하여 조종 안정성을 유지하고 NVH 차단을 양립시키는 것을 목표로 한다.
설계가 어렵지만, 제대로 설계하면 캠버를 항상 적절하게 유지하여 타이어를 노면에 잘 접지시키는 동시에 코너링에서 바깥쪽 휠을 토인으로 하여 브레이크를 방지하고 뛰어난 승차감을 실현할 수 있다.
성능을 유지하기 위해서는 부시류를 엄밀하게 관리해야 하며 부시의 교환 주기가 짧다. 또한 암류의 베어링 조임은 차체에 무게가 가해진 상태에서 부시에 불필요한 프리로드가 걸리지 않도록 해야 한다(통칭 원 G 조임). 작업 공정과 조정 개소가 많아 분해, 조립, 휠 얼라인먼트 조정에 시간이 많이 걸린다.
3. 1. 구성 요소
멀티링크 서스펜션은 여러 개의 암(arm)과 링크(link)로 구성된다. 다임러 벤츠가 개발한 5링크 구성의 리어 서스펜션이 멀티링크 서스펜션의 시초이며, 메르세데스 벤츠 190E(W201)에 처음 탑재된 이후 여러 자동차 제조사에서 사용되고 있다.더블 위시본 서스펜션이 상하 두 개의 암으로 구성된 반면, 멀티링크 서스펜션은 독립된 여러 개의 암으로 구성되어 배치 자유도가 높고, 세밀한 설정이 가능하다. 여러 개의 암으로 바퀴를 지지하므로 타이어의 노면 접지력이 우수하여 고성능 전륜구동(FF) 차량이나 고출력 후륜구동 차량의 뒷바퀴 쪽에 주로 사용된다.
멀티링크 서스펜션의 각 암은 다음과 같은 기능을 담당한다.
- 탑 뷰: 암은 토/조향 및 측면 유연성을 제어한다. 이를 위해 종 방향으로 분리된 한 쌍의 암이 필요하다.
- 정면 뷰: 암은 캠버를 제어한다. 특히 바퀴가 위아래로 움직일 때 캠버가 변하는 방식을 제어한다.
- 측면 뷰: 암은 트랙션 및 제동 부하를 전달하며, 일반적으로 종 방향 링크를 통해 수행된다. 또한 캐스터를 제어하고 브레이크 토크에도 대응해야 한다.
메르세데스-벤츠가 190 시리즈에 도입한 멀티링크 서스펜션은 다음과 같은 5개의 링크로 구성된다.[10]
1. 텐션 스트럿 (프론트 어퍼 스트럿)
2. 캠버 스트럿 (리어 어퍼 스트럿)
3. 컴프레션 스트럿 (트레일링 스트럿)
4. 타이로드
5. 스프링 링크 (로어 암)
이 방식은 1, 2번을 어퍼 암, 5번을 로어 암으로 하는 더블 위시본 서스펜션에 전후 방향을 제어하는 3번 링크와 코너링 또는 급가속/제동 시 바퀴를 토인 쪽으로 제어하는 4번 링크를 추가한 형태이다. 또한, 암 배치를 통해 안티 노즈 다이브 특성과 안티 스쿼트 특성을 갖도록 설계되었다.[10]
하지만 각 암의 길이와 각도가 모두 다르기 때문에 설계가 잘못되면 스캐핑(타이어가 노면에 가로 방향으로 끌리는 현상)이 발생하고 움직임이 부자연스러워질 수 있다. 또한, 부품 비용이 비싸고 유지 보수에 더 많은 비용과 시간이 소요된다.
3. 2. 작동 방식
멀티링크 서스펜션은 각 암의 기능을 세 개의 직교 평면(탑 뷰, 정면 뷰, 측면 뷰)에서 고려하여 바퀴의 움직임을 제어한다.- 탑 뷰 (Top View): 암은 토/조향 및 측면 유연성을 제어한다. 이를 위해 종 방향으로 분리된 한 쌍의 암이 필요하다.
- 정면 뷰 (Front View): 암은 캠버를 제어하며, 특히 바퀴가 위아래로 움직일 때 캠버가 변하는 방식을 제어한다.
- 측면 뷰 (Side View): 암은 트랙션 및 제동 부하를 전달하며, 일반적으로 종 방향 링크를 통해 수행된다. 또한 캐스터를 제어하고 브레이크 토크에도 대응해야 한다. 이를 위해 두 번째 종 방향 링크를 사용하거나, 허브를 회전시켜 측면 암이 평면 밖으로 나오도록 하여 '스핀'력을 반응하게 하거나, 종 방향 링크를 허브에 단단히 고정하는 방식을 사용한다.
3. 3. 종류
리어 서스펜션의 멀티 링크에서 가장 많은 형식은 2개의 로어 암(혹은 1개의 A형 암), 2개의 어퍼 암(혹은 1개의 A형 암)으로 기본적으로 허브를 지지하고, 여기에 허브의 전후 방향을 구속하는 트레일링 암과 허브의 토인을 규제하는 암을 더한 6개의 구성이다.[10] 이를 통해, 고마력이 가해지는 코너링 중에 타이어의 대지 캠버를 네거티브 방향으로 유지함과 동시에 토 아웃 방향으로 변화하기 쉬운 바깥쪽 타이어를 토 인 방향으로 규제함으로써 예상치 못한 오버스티어 및 스핀을 방지한다. 또한, 로어 암의 지점축과 어퍼 암의 지점축에 각도를 줌으로써, 안티 노즈 다이브 특성 및 안티 스쿼트 특성을 갖게 하는 경우도 많다.
전륜에서는 전륜을 조향하기 위해 휠 내에 많은 암을 설치하는 것이 어렵다. 이 때문에 차륜의 허브에서 타이어를 피하면서 상방으로 뻗는 긴 암(너클)을 설치하고, 그 상단을 볼 조인트를 거쳐 짧은 어퍼 암에 연결하는 아웃 휠형 멀티 링크 설정을 많이 사용한다. 또한 가상 킹핀 축을 최대한 차륜 바깥쪽에 가깝게 하기 위해, 허브와 로어 암 사이 및 허브와 어퍼 암 사이의 볼 조인트를 2개 설정하는 예가 있다.
고출력 FF차 등에서는 토요타의 슈퍼 스트럿 서스펜션, 혼다의 듀얼 액시스 스트럿 서스펜션 등과 같이 스트럿식 서스펜션의 변형으로서 스트럿 하단과 허브 상단 사이에 조인트를 설치함과 동시에 허브 상단을 구속하는 암을 추가함으로써 멀티 링크에 가까운 캐스터와 캠버의 제어성을 갖게 한 변형 스트럿을 사용하기도 한다. 이 경우 같은 차종의 저출력 버전에서는 일반적인 스트럿식으로, 고출력 버전만 변형 스트럿으로 하는 등급을 차별화하는 경우가 많다.
4. 장점
멀티링크 서스펜션은 자동차 설계자가 동일한 차량에서 우수한 승차감과 우수한 자동차 핸들링을 모두 구현할 수 있도록 해준다.[1]
가장 단순한 형태의 멀티링크 서스펜션은 직교적이다. 즉, 다른 사항에 영향을 미치지 않고 서스펜션의 한 매개변수를 한 번에 변경하는 것이 가능하다. 이는 하드포인트를 이동하거나 부싱의 유연성을 변경하면 두 개 이상의 매개변수에 영향을 미치는 더블 위시본 서스펜션과는 정반대이다.[1]
삼각 및 이중 삼각 배열의 장점은 파나드 로드가 필요하지 않다는 것이다. 이로 인해 관절 운동이 증가하고 설치가 용이해질 수 있다.[1]
5. 단점
멀티링크 서스펜션은 구조가 복잡하고 비용이 많이 든다. 또한, 완전한 3D 컴퓨터 지원 설계(CAD) 분석 없이는 지오메트리(기하학적 구조)를 조정하기 어렵다. 하중을 받을 때의 컴플라이언스(compliance, 탄성)는 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 다물체 동역학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 확인해야 한다.[6]
성능 유지를 위해서는 부시(bushing)류를 엄밀하게 관리해야 하며, 부시의 교환 주기도 짧은 편이다. 작업 공정과 조정할 곳이 많기 때문에 분해, 조립, 휠 얼라인먼트 조정에 시간이 많이 걸린다. 시간 단축을 위해 부시를 교환하지 않고 암 어셈블리(arm assembly) 교환을 추천하는 판매점도 있지만, 부품 비용이 비싸다. 다른 서스펜션 방식에 비해 유지 보수 비용(running cost)이 올라가며,[9] 부시의 수명이 짧아지는 경향 때문에 유지 보수 비용이 상대적으로 높다.[10]
6. 갤러리
참조
[1]
웹사이트
Rear Multi-link
https://help.altair.[...]
[2]
간행물
Suspension ad Steering
Automobile Engineer
1970-05-08
[3]
특허
Independent Wheel Suspension
1981-12-23
[4]
논문
Front and Rear Suspension of the New Model W201
SAE technical Paper
1983
[5]
서적
Computer Aided Graphing and Simulation Tools for AutoCAD Users
CRC Press
[6]
문서
フォーミュラカー
[7]
논문
The Ford GT sports car
Society of Automotive Engineers
1967
[8]
웹사이트
Technik der Raumlenkerachse, Revolution an der Hinterachse
https://www.auto-mot[...]
2019-10-14
[9]
서적
福野礼一郎のクルマ論評5
株式会社三栄
[10]
특허
INDEPENDENT WHEEL SUSPENSION FOR MOTOR VEHICLES
https://patentimages[...]
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