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액티브 서스펜션

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목차

1. 개요

액티브 서스펜션은 차량의 움직임을 센서로 감지하여 제어 장치가 서스펜션의 강성, 감쇠력, 높이 등을 조절함으로써 승차감과 안정성을 향상시키는 기술이다. 1950년대 시트로엥의 유압식 서스펜션 개발을 시작으로, 1980년대 F1 경주에서 컴퓨터 제어 기술이 적용되며 발전했다. 현재는 풀 액티브와 세미 액티브 방식으로 나뉘며, 승용차, 철도 차량, 군용 차량 등 다양한 분야에 적용된다. 풀 액티브 서스펜션은 높은 진동 억제 효과를 보이지만, 높은 비용과 에너지 소비, 복잡한 구조로 인해 고급 차종에 주로 사용된다. 세미 액티브 서스펜션은 감쇠력을 조절하는 방식으로 설계 비용이 저렴하고 에너지 소비가 적다.

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액티브 서스펜션
개요
종류자동차 서스펜션
기술적 특징
제어 방식전자 제어
핵심 기능차체 자세 제어
작동 방식유압 또는 공압
주요 효과승차감 향상 및 조종 안정성 증대
작동 원리
센서다양한 센서로부터 정보 수집
ECUECU(Electronic Control Unit)에서 정보 분석 및 판단
액추에이터액추에이터를 통해 서스펜션 감쇠력 및 차고 조절
구성 요소
센서 종류가속도 센서
차고 센서
휠 속도 센서
조향각 센서
ECU제어 로직 및 알고리즘 포함
액추에이터 종류유압 액추에이터
공압 액추에이터
전자 제어 댐퍼
장점
승차감노면 상태에 따른 최적의 승차감 제공
조종 안정성급격한 조작 시 차체 자세 제어
차고 조절필요에 따라 차고 높이 조절 가능
단점
복잡성기존 서스펜션에 비해 구조 복잡
비용높은 부품 가격 및 유지 보수 비용
신뢰성전자 장비 고장 가능성
응용 분야
고급 승용차고급 승용차의 승차감 향상
스포츠카스포츠카의 코너링 성능 향상
상용차상용차의 화물 적재 안정성 향상

2. 역사

시트로엥이 1950년대에 유압식 액티브 서스펜션을 개발하면서 액티브 서스펜션의 역사가 시작되었다.


  • 1954년: 시트로엥 트락시옹 아방 15-6H: 후륜에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1955년: 시트로엥 DS는 4륜 모두에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1957년: 캐딜락 엘도라도 브로엄은 GM 에어 서스펜션의 자동 수평 조절 기능을 처음으로 선보였다.
  • 1967년: 롤스로이스 실버 섀도우는 4륜 모두 부분 부하 지지 유압식 서스펜션을 장착했다. 1969년에 전면 시스템은 삭제되었다.
  • 1970년: 시트로엥 SM은 4륜 모두에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1970년: 시트로엥 GS는 4륜 모두에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1974년: 시트로엥 CX는 4륜 모두에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1975년: 메르세데스 벤츠 450 SEL 6.9는 4륜 모두 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1982년: 시트로엥 BX는 4륜 모두에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1979년: 메르세데스 벤츠 W126 LWB V8 모델 옵션으로 4륜 모두 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1983년: 토요타 소아러는 세계 최초의 전자 제어 방식 (TEMS)으로 충격 흡수 제어 액추에이터 (스프링 상수, 가변 감쇠력)를 장착했다.[26]
  • 1985년: 메르세데스 벤츠 190E 2.3-16 16v 모델 옵션으로 4륜 모두 부분 부하 지지 유압식 서스펜션을 장착했다. Evo 1 및 Evo 2 모델에는 표준으로 장착되었다.
  • 1985년: 닛산은 초음파 세미 액티브 서스펜션 감지 "슈퍼 소닉 서스펜션"을 세드릭, 글로리아 및 닛산 로렐에 옵션으로 도입하여 전방 및 후방 서스펜션의 맥퍼슨 스트럿 내부에 액추에이터를 통합했다.[27]
  • 1986년: 재규어 XJ40은 자동 수평 조절 서스펜션을 장착했다.[28]
  • 1986년: 메르세데스 벤츠 W126 LWB V8 모델 옵션으로 전자 제어식 어댑티브 댐핑이 장착된 4륜 유압식 서스펜션을 장착했다.
  • 1987년: 미쓰비시 갤랑 (6세대) - 액티브 컨트롤 서스펜션 (Dynamic ECS)을 탑재했다. 이 시스템은 차량 높이와 댐핑력을 자동 조절하여 편안한 승차감과 핸들링 안정성을 제공한다.
  • 1989년: 시트로엥 XM은 자동 수평 조절, 세미 액티브 Hydractive을 4륜 모두에 적용하여 스프링 레이트와 댐퍼를 자동 조절했다.
  • 1989년: 메르세데스 벤츠 R129는 부분 부하 지지 유압식 서스펜션으로 스프링 레이트와 댐퍼를 자동 조절했다 (ADS).
  • 1990년: 인피니티 Q45 및 닛산 대통령은 "풀 액티브 서스펜션 (FAS)", 액티브 서스펜션 시스템을 장착했다.
  • 1990년: 토요타 셀리카 (ST183) 액티브 스포츠는 완전 유압식 액티브 서스펜션을, 4WS GT-R은 토요타 전자 제어 서스펜션 (TEMS) 세미 액티브 서스펜션을 탑재했다.
  • 1992년: 시트로엥 크산티아 VSX는 자동 수평 조절, 세미 액티브 Hydractive 2를 4륜 모두에 적용하여 스프링 레이트와 댐퍼를 자동 조절했다.
  • 1993년: 캐딜락은 RSS 로드 센싱 서스펜션을 탑재한 여러 모델을 출시했다. RSS는 표준 및 CVRSS (연속 가변 로드 센싱 서스펜션) 시스템으로 모두 사용 가능했다. 충격 흡수 장치의 댐핑율을 15 밀리초마다 모니터링하여 두 가지 설정 중 하나를 선택했다.
  • 1994년: 토요타 셀시오는 최초로 스카이훅 에어 서스펜션을 도입했다.[29]
  • 1994년: 시트로엥 크산티아 액티바는 자동 수평 조절, 완전 액티브 Hydractive을 4륜 모두에 적용, 유압식 안티롤 바, 스프링 레이트 및 댐퍼를 자동 조절했다.
  • 1998년: 랜드로버 디스커버리 2 시리즈는 액티브 코너링 강화를 적용했다. 전자 제어식 유압식 안티롤 바 시스템이 일부 버전에 장착되어 코너링 시 롤링을 줄였다.
  • 1999년: 메르세데스 벤츠 C215는 자동 수평 조절 완전 액티브 유압식 액티브 보디 컨트롤을 도입했다. S, CL 및 SL 모델에서 사용 가능했다.
  • 2000년: 시트로엥 C5 Hydractive 3 또는 Hydractive 3+를 적용했다.
  • 2002년: 캐딜락 세빌 STS는 최초의 MagneRide를 적용했다.[30]
  • 2004년: 볼보 S60 R 및 V70 R (Four-C, "Continuously Controlled Chassis Concept"의 약자, 세미 액티브)을 적용했다.
  • 2006년: 시트로엥 C6는 Hydractive 3+를 적용했다.
  • 2010년: 알파 로메오 미토 클로버리프 (마세라티의 스카이훅 기술을 기반으로 한 DNA 시스템)를 적용했다.
  • 2012년: 재규어 XF 스포츠브레이크는 자동 수평 조절 에어 서스펜션을 적용했다.[31]
  • 2013년: 메르세데스 벤츠 W222는 옵션 매직 보디 컨트롤을 적용했다. 노면 스캔 전자 장치가 장착된 자동 수평 조절 완전 액티브 유압식 시스템이다.
  • 2013년: 폭스바겐 Mk7 골프 R은 사용자가 선택 가능한 전자 제어식 쇽 댐핑 (다이내믹 섀시 컨트롤 (DCC))을 적용했다.
  • 2019년: 토요타 아발론 투어링 모델 (어댑티브 가변 서스펜션 (AVS))을 적용했다.
  • 2025년: 니오 ET9 (SkyRide 완전 액티브 서스펜션)을 적용할 예정이다.[32]

2. 1. 초기 개발

콜린 채프먼은 1980년대에 레이싱카의 코너링 성능을 향상시키기 위해 유압 서스펜션의 컴퓨터 제어에 대한 초기 개념을 개발했다.[6] 로터스 자동차는 1985년형 엑셀에 전자 유압 액티브 서스펜션 프로토타입 시스템을 장착하고 개발했지만, 일반 판매는 하지 않았고, 다른 제조사를 위해 많은 시연 차량을 제작했다.

센서는 차체의 움직임과 차량의 승차 높이를 지속적으로 모니터링하여 컴퓨터에 새로운 데이터를 끊임없이 제공한다. 컴퓨터가 데이터를 수신하고 처리하면 각 바퀴 옆에 장착된 유압 서보를 작동시킨다. 서보 제어 서스펜션은 주행 시 차체의 기울어짐, 다이브(dive), 스쿼트(squat)에 대한 반력을 거의 즉시 생성한다.

1990년, 닛산 자동차는 유압식 맥퍼슨 스트럿 기반의 '풀 액티브 서스펜션'을 장착했는데, 이는 닛산 Q45 및 닛산 프레지던트에 사용되었다.[6] 이 시스템은 유압 오일 펌프, 유압 실린더, 어큐뮬레이터 및 댐핑 밸브를 사용하여 전방 및 후방 스트럿 어셈블리에 대한 두 개의 독립적인 회로를 연결했다. 그런 다음 시스템은 운동 에너지를 회수하여 차량의 균형을 지속적으로 유지했다. 이 시스템은 개정되었으며 현재 유압 차체 모션 제어 시스템이라고 불리며, 닛산 패트롤 및 인피니티 QX80에 장착되어 있다.

윌리엄스 그랑프리 엔지니어링은 1992년 디자이너이자 공기역학 전문가인 프랭크 더니가 고안한 액티브 서스펜션을 팀의 포뮬러 1 차량에 적용하여 매우 성공적인 차량을 만들었고, 이로 인해 국제 자동차 연맹은 윌리엄스 F1 팀과 경쟁업체 간의 격차를 줄이기 위해 해당 기술을 금지하기로 결정했다.[7]

컴퓨터 액티브 기술 서스펜션(CATS)은 도로 상태를 분석하고 전자 제어 충격 흡수 장치를 통해 서스펜션 설정을 초당 최대 3,000번 조절하여 승차감과 핸들링 사이의 최상의 균형을 조정한다.

1999년 메르세데스-벤츠 CL-클래스(C215)는 전자 컴퓨터에 의해 고압 유압 서보가 제어되는 ''액티브 바디 컨트롤''을 도입했으며, 이 기능은 현재도 사용 가능하다.[8][9] 차량은 탑승자의 편안함을 향상시키기 위해 능동적으로 커브 안쪽으로 기울어지도록 설계될 수 있다.

2. 2. F1 경주와 액티브 서스펜션

1980년대에 콜린 채프먼이 레이싱카의 코너링 성능 향상을 위해 유압 서스펜션의 컴퓨터 제어에 대한 초기 개념을 개발하면서 F1 경주에서 액티브 서스펜션이 주목받기 시작했다.[6] 팀 로터스는 1981년부터 액티브 서스펜션 개발을 시작했다.[7]

F1에서 액티브 서스펜션이 요구된 이유는, 1960년대 말 윙으로 다운포스를 발생시키는 것이 랩타임을 빠르게 하고 코너링 시 머신을 안정시키는 데 기여한다는 사실이 알려지면서 "레이싱카는 다운포스가 승리의 열쇠"라는 인식이 생겨 공력이 연구 분야로 확립되었기 때문이다. 그러나 윙 각도를 세우면 공기 저항도 증가하여 직선 속도가 저하되기 때문에, "저항은 줄이고 다운포스만 높이려면 어떻게 해야 할까"가 과제가 되었다.

1976년 로터스 77에서 차체 좌우 사이드 폰툰 하부에 브러시 형태의 사이드 스커트를 설치하여 차체 하부의 공기를 외부에서 차단하고, 다운포스를 노면에 흡착할 수 있는 지면 효과를 얻는 시도가 주목받았다. 로터스 78은 사이드 폰툰 바닥면을 차체 후부로 향해 노면에서 떨어져 올라간 형태로 하여, 머신 전체를 옆에서 보면 단면 형상이 윙 형상이 되는 그라운드 이펙트 카로 데뷔했다. 로터스 79에서는 머신 바닥면의 기류 통로를 막고 있던 서스펜션 암과 기어 박스, 데프 등이 깔끔한 디자인으로 변경되어, 더욱 강력한 다운포스를 발생시킬 수 있게 되었다.

그러나 이러한 그라운드 이펙트는 사이드 스커트의 작용으로 외부로부터의 기류 침입을 막아야 하며, 노면의 요철로 사이드 스커트의 기밀성이 상실되면 갑자기 다운포스를 잃고, 스핀하거나 충돌할 위험성이 따랐다. 또한 사이드 스커트가 다시 기밀성을 되찾고 잃는 것이 단속적으로 반복되는 포포이징 현상이 발생하여, 차체가 불안정해지거나 심한 상하 운동이 일어나, 드라이버에게 매우 큰 부담이 가해지는 경향이 있었다.

1970년대 후반부터 1980년대에 걸쳐, F1계의 디자인 주류는, 사이드 폰툰의 하면 형상을 날개 형상으로 하여 지면 효과(그래운드 에펙트)에 의해 강력한 다운 포스를 얻고 있던 그라운드 에펙트 카였다. 그라운드 에펙트 카는 사이드 폰툰 저면의 윙 형상부의 공기 흐름을 교란시키지 않기 위해, 또한 그 측면에서의 공기 유출입을 방지하는 브러시 혹은 사이드 스커트를 지면과 접촉시키기 위해, 지상고를 일정 범위로 유지할 필요가 있었다. 서스펜션 스프링은 매우 단단하게 설정되어, 드라이버나 차체에게는 부담이 컸으며, 또한 범프(돌기 넘기) 시에 차체와 지면의 거리가 커지면 갑자기 다운 포스가 사라지는 등, 매우 위험한 탈 것이었다. 그래서 안정된 지상고와 드라이버의 부담 경감의 관점에서, 로터스 88이 인정되지 않았던 로터스에서 액티브 서스펜션의 개발이 시작되었다. 액티브 서스펜션이 그 효력을 발휘하기 시작하기 전에, 안전성의 문제로부터 차체 하면은 평면이어야 한다고 하는, 통칭 「플랫 보텀 규정」이 시행되게 되어, 사이드 폰툰에 의해 발생하고 있던 다운 포스는 잃어버렸다.

플랫 보텀 규정 속에서, 컨스트럭터들이 풍동에 의한 다양한 실험으로 새로운 구조를 모색한 결과, 플랫 보텀의 규제 이외의 부분에 적절한 방법을 취함으로써 잃어버린 다운 포스를 획득하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 지면과의 거리를 일정하게 유지하는 것이 가능하다면, 그라운드 에펙트 카와 같은 효과가 기대되는 것이다. 이 효과는 속도와 차고의 변화에 매우 민감하며, 밀리미터 단위의 세팅 차이에 의해 차체 성능이 크게 변화한다.

당시 레귤레이션에서는 레이스 중의 급유가 인정되지 않아, 레이스 초반과 연료가 적어지는 레이스 후반에 차체 중량이 크게 변화하고, 더욱이 가감속 시, 코너링 시의 차체의 자세 변화에 의해, 끊임없이 차체 하면과 지면과의 거리가 바뀌고 있었다. 이것을 해소하기 위해, 당초에는 서스펜션의 세팅을 단단하게 함으로써 이 변화를 최소한으로 억제하고 있었지만, 노면으로부터의 충격을 흡수한다는 본래의 기능이 사라져 버려, 연석 등에서 차체가 튀어 오르는 문제를 안고 있었다 (다만, 이와 같은 일은 그라운드 에펙트 카 시대에서도 존재하고 있었고, 더욱 절실했으며, 전술한 포포이징이라는 현상이 일어나고 있었다).

그래서 차체 자세 및 노면과 차체 하면과의 틈새를 항상 일정하게 유지함으로써 항상 강력한 지면 효과를 얻으면서 서스펜션에 의한 충격 흡수력은 희생시키지 않도록 한다는 요구로부터 연구가 시작되었다.

1983년에 로터스 92에 처음으로 실전 투입되었지만, 이후 한동안 액티브 서스펜션을 사용하는 팀은 없었고, 로터스 자체도 머신 탑재를 한 번 단념했다.

그 후, 1987년에 로터스 99T로 다시 실전 채용되었다. 윌리엄스가 시즌 중반의 이탈리아 GP부터 FW11B에 탑재했다. 로터스의 시스템은 F1 부문이 아닌 로터스 자동차 본체의 관리에 있으며, 레이스에 특화된 것이 아니라, 승용차용으로 개발된 복잡한 것이었다. 윌리엄스의 시스템은 로터스의 것에 비해 레이스용으로 특화된 단순한 설계였으며, 당초에는 상표 문제로 '리어 액티브 라이드'라고 불렀다.

로터스 방식의 액티브 서스펜션은 당시 컴퓨터의 연산 속도나 액추에이터 능력으로는 끊임없는 자세 변화에 대응할 수 없었다. 또한, 중량 증가와 시스템을 구동하는 것으로 인한 엔진 출력 손실을 극복할 정도의 메리트도 없었고, 주행 중 유압이 제로가 되어 머신이 바닥에 닿아, 컨트롤 불능에 빠지는 등의 치명적인 트러블도 자주 발생했기 때문에, 1년 만에 중단되었다.

하지만, 당시 로터스의 시스템 개발 책임자였던 피터 라이트에 따르면, 로터스식 액티브 서스펜션이 큰 성공을 거두지 못한 이유는 시스템의 복잡성에 있었던 것이 아니라, 컨벤셔널한 서스펜션에 맞춰 제작된 F1 타이어의 스프링 특성이나 댐핑 특성이 액티브 서스펜션 제어에 적합하지 않았던 점을 들었다. 당시 F1 타이어 공급업체였던 굿이어에 액티브 서스펜션에 맞춘 전용 타이어의 개발을 의뢰했지만 거절당했다고 회고했다.

윌리엄스 방식의 시스템의 기본은, 서킷의 주행 라인상의 요철이나 연석을 모두 사전에 조사하고, 그것을 따라가는 서스펜션의 움직임을 미리 프로그래밍해 놓고, 정해진 장소에서 정해진 대로 움직이는 것뿐이었다. 당시에는 GPS를 사용한 위치 검출을 할 수 없었기 때문에, 주행 거리로 코스상의 위치를 추정했다. 매 랩 스타트/피니시 라인에서 추정 오차의 누적은 리셋된다. 코스 아웃 등으로 거리와 위치의 관계가 어긋난 경우에 대비하여, 다음 랩까지 일시적으로 액티브 작동을 취소할 수도 있었다.

즉, '노면은 항상 변화한다'는 공도가 아닌 '랩의 라인 잡기가 동일하다면 거동은 변하지 않는다'라는 서킷을 주행하는 레이스에 특화된 것이었다. 노면 입력을 감지한 후 고속 연산 고속 작동으로 서스펜션을 움직인다는 로터스식의 본래의 액티브 서스펜션과는 전혀 발상을 달리하는 심플하면서도 개발이 용이한 시스템이었으며, F1에서의 액티브 서스펜션 보급의 기초를 만들었다. 차고를 코너와 스트레이트에서 변화시키는 것으로 공기 저항과 다운포스를 양립시키는 세팅의 폭이 넓어질 가능성은 있었지만, 레귤레이션 위반인 '가동식 공력 장치'로 간주될 위험이 높았기 때문에, 연료 적재량이나 노면 요철에 의한 영향을 상쇄하는 차고 일정 유지 장치로 사용되었다.

로터스와 마찬가지로, 당초에는 시스템 중량이나 액추에이터의 신뢰성에 시달렸기 때문에, 1987년 한 해 동안 일단 채용을 중단했지만, 1991년에 이것들을 해결하고 최종전에서 다시 투입하여, 이듬해 1992년에 FW14B에서 본격 채용되자, 압도적인 속도로 더블 타이틀을 획득했다.

윌리엄스의 성공으로, 1993년에는 대부분의 머신이 윌리엄스 방식을 기반으로 한 액티브 서스펜션이나 라이드 하이트 컨트롤(최저 지상고 제어) 등 어떠한 자세 제어 장치를 채용했다. 코스상의 위치 추정 정밀도를 향상시키기 위해 4륜 모든 차륜 속도를 검출하는 한편, 정밀도 악화의 요인이 되는 주행 라인의 불균일, 가속 시 후륜 공회전 및 제동 시 전륜 록을 배제하는 것이 필요불가결했기 때문에, 파워 스티어링, 트랙션 컨트롤 및 안티록 브레이크도 함께 장착되었다. 단, 당시에는 이것들을 드라이버 지원 시스템, 혹은 타이어 수명 향상책으로 간주하는 시각이 많았다.

또한, 드라이버의 스위치 조작이라면 스트레이트나 코너에서 차고를 변화시켜도 레귤레이션 위반이 아니라는 해석에 의해, 1993년에는 베네통 팀이 4륜 조향 시스템과 함께 채용했다.

풍부한 자금력으로 개발을 진행하는 상위 팀과 자금력이 없는 하위 팀의 랩타임 격차가 너무 커진 상황에서, "가동식 공력 장치" 금지 규정에 위반된다는 해석으로 변경되어 1993년을 마지막으로 금지되었다. 이와 함께, 액티브 서스펜션이 없으면 필수적이지 않게 되는 트랙션 컨트롤과 안티록 브레이크의 금지도 합의되었다. 팀 간 격차를 줄이고 레이스의 스펙터클성을 높이는 것을 목적으로 하면서도, 표면적인 이유는 코너링 속도를 낮춰 안전성을 확보하는 것이었다. 그러나 다음 1994년 시즌 시작과 동시에 잇따라 비참한 사고가 발생한 것은 아이러니한 결과였다.

2. 3. WRC와 액티브 서스펜션

WRC에서도 액티브 서스펜션 또는 유사한 기구가 사용되었다. 1980년대에 도입될 예정이었으나 폐지된 그룹 S 규정의 머신에 시도된 흔적이 있지만, 실제 투입된 것은 2000년대의 월드 랠리 카 규정 시대였다.

스바루는 "롤 컨트롤 시스템"이라고 부르는 전자 제어식 서스펜션을 프로드라이브가 개발했다. 피치, 요, 스티어링 각도를 자동 계산하여 차량 자세를 제어하는 한편, 무게 증가와 엔진 출력의 비용도 요구되는 단점이 있었다. 2003년 산레모 랠리에서 임프레자 WRC에 투입되었으나, 이후 타이틀 획득에 집중하기 위해 취소되었다[36]. 2003년 말, 비용 상승의 원인이 된다는 이유로 액티브 서스펜션 자체가 금지되었다.

푸조는 2002년 206 WRC부터 307 WRC까지 전자 제어 하에 유압을 사용하여 디퍼렌셜 기어 및 기어 박스와 연동하여 능동적으로 안티롤바를 움직이는 "액티브 안티롤바" 시스템을 개발했다. 이는 고속 랠리에서의 성능 향상을 꾀한 것이었으나, 깨끗한 노면에서 진가를 발휘했지만, 험한 노면에서는 시스템을 취소하고 출전했다. 이 시스템은 2005년 이후 금지되어, 수동형 스태빌라이저로 전환하여 참전을 계속했다[37].

시트로엥은 전자 제어가 아닌 기계식 제어를 사용하여 세미 액티브 서스펜션과 같은 기구를 실현했다. 2003년 풀 참전 첫해부터 투입한 오스트리아의 키네틱 서스펜션 시스템 사가 개발한 "리버스 펑션 스태빌라이저 (RFS)"는 "유압식 안티롤바", "수동형 스태빌라이저" 등으로도 불렸다. 이 시스템은 휠의 높이가 급격하게 변화하면 대응하는 실린더 내의 압력이 상승하고, 유압 시스템이 압력을 평형화하여 응답하며, 압력의 일부를 반대쪽 휠로 전송하여 머신의 자세를 유지하는 방식이었다. 험한 노면 대책으로 개발되었지만, 실제로는 모든 노면에서 유효하게 작용하여 크세라 WRC의 타이틀 3연패의 원동력이 되었다. 이 시스템은 비교적 저비용으로 실현 가능했기 때문에 2005년까지 사용이 허가되었다[38].

2. 4. 대한민국 철도 차량의 액티브 서스펜션

대한민국에서는 고속철도 차량의 진동을 줄이고 승차감을 개선하기 위해 액티브 서스펜션이 도입되었다. 액티브 서스펜션은 외부의 진동을 차체에 설치된 센서로 감지하여 제어기로 신호를 수신, 필요한 힘의 크기와 방향을 산출하여 진동을 억제한다. 신칸센 500계 전동차는 세계 최초로 고속 열차에 풀 액티브 서스펜션을 적용한 사례이며, 신칸센 E2계 전동차, 신칸센 E5계 전동차, 신칸센 E6계 전동차, 신칸센 E7계·W7계 전동차 등에도 액티브 서스펜션이 탑재되어 운행 중이다.

3. 원리

액티브 서스펜션은 차량의 움직임을 감지하는 센서, 제어 장치(ECU), 그리고 서스펜션을 조절하는 액추에이터로 구성된다.

센서는 차량의 움직임(상하좌우 가속도, 차고 변화 등)을 실시간으로 감지한다. 제어 장치는 센서에서 받은 정보를 바탕으로 최적의 서스펜션 설정을 계산한다. 액추에이터는 제어 장치의 지시에 따라 서스펜션의 강성, 감쇠력, 높이 등을 조절한다. 이를 통해 차량은 노면의 변화에 능동적으로 대응하여 안정적인 자세를 유지하고, 승차감을 향상시킨다.

동력을 이용해 외부의 진동을 차체에 설치된 상하·좌우 가속도 센서로 감지하고, 그 신호를 제어기로 수신하여 필요한 힘의 크기와 방향을 산출한다. 이를 바탕으로 지령을 내어 좌우 방향은 액추에이터로 진동과는 반대의 힘을 발생시키고, 상하 방향은 공기 용수철의 공기압을 조정하여 높이를 조절함으로써 보다 효과적으로 진동을 억제한다. 동력원은 공기식과 전기식이 있지만, 외부 동력을 이용하지 않는 간이형 세미 액티브 서스펜션의 등장에 따라 대비해 "'''풀 액티브 서스펜션'''"이라고 불리기도 한다. 진동 억제 효과는 매우 높지만, 서스펜션 구동에 전용 동력원을 필요로 하기 때문에 소비 에너지가 크고 시스템의 크기도 커진다. 또 구조가 복잡해 서스펜션 자체나 유지 비용도 고가이기 때문에, 채용 사례는 많지 않다.

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스카이훅 이론은 이상적인 서스펜션이 마치 하늘에 있는 가상의 갈고리에 매달린 것처럼, 차량의 무게 이동이나 노면의 요철에 영향을 받지 않고 해수면 위에서 일정한 고도를 유지하며 안정된 자세를 유지하도록 하는 것이다.

물론 실제 스카이훅은 비현실적이므로, 실제 액티브 서스펜션 시스템은 액추에이터의 작동을 기반으로 한다. 가상의 선(수직 가속도가 0인)은 차량 차체에 설치된 가속도 센서에서 제공하는 값을 기반으로 계산된다(그림 3 참조). 동적 요소는 선형 스프링과 선형 댐퍼만으로 구성되므로 복잡한 계산이 필요하지 않다.

일반적인 스프링 댐퍼 서스펜션에서 차량은 그림 1과 같이 스프링과 댐퍼를 통해 지면과 접촉한다. 스카이훅 이론과 동일한 수준의 안정성을 달성하려면, 차량은 그림 2와 같이 스프링을 통해 지면과 접촉하고, 댐퍼를 통해 가상의 선과 접촉해야 한다.

이론적으로 감쇠 계수가 무한대에 도달하는 경우, 차량은 가상의 선에 완전히 고정된 상태가 되어 흔들리지 않는다.

3. 1. 스카이훅 이론

스카이훅 이론은 액티브 서스펜션의 이상적인 제어 목표를 설명하는 이론이다. 차량이 가상의 갈고리에 매달린 것처럼, 노면의 요철이나 차량의 무게 이동에 영향을 받지 않고 일정한 자세를 유지하는 것을 목표로 한다.

일반적인 스프링 댐퍼 서스펜션에서 차량은 스프링과 댐퍼를 통해 지면과 접촉한다. 스카이훅 이론과 동일한 수준의 안정성을 달성하려면, 차량은 스프링을 통해 지면과 접촉하고, 댐퍼를 통해 가상의 선과 접촉해야 한다. 이론적으로 감쇠 계수가 무한대에 도달하는 경우, 차량은 가상의 선에 완전히 고정된 상태가 되어 흔들리지 않는다.

물론 실제 스카이훅은 비현실적이므로, 실제 액티브 서스펜션 시스템은 액추에이터의 작동을 기반으로 한다. 가상의 선(수직 가속도가 0인)은 차량 차체에 설치된 가속도 센서에서 제공하는 값을 기반으로 계산된다. 동적 요소는 선형 스프링과 선형 댐퍼만으로 구성되므로 복잡한 계산이 필요하지 않다.

3. 2. 작동 방식

센서는 차량의 움직임(상하좌우 가속도, 차고 변화 등)을 실시간으로 감지한다. 제어 장치는 센서에서 받은 정보를 바탕으로 최적의 서스펜션 설정을 계산한다. 액추에이터는 제어 장치의 지시에 따라 서스펜션의 강성, 감쇠력, 높이 등을 조절한다. 이를 통해 차량은 노면의 변화에 능동적으로 대응하여 안정적인 자세를 유지하고, 승차감을 향상시킨다.

동력을 이용해 외부의 진동을 차체에 설치된 상하·좌우 가속도 센서로 감지하고, 그 신호를 제어기로 수신하여 필요한 힘의 크기와 방향을 산출한다. 이를 바탕으로 지령을 내어 좌우 방향은 액추에이터로 진동과는 반대의 힘을 발생시키고, 상하 방향은 공기 용수철의 공기압을 조정하여 높이를 조절함으로써 보다 효과적으로 진동을 억제한다. 동력원은 공기식과 전기식이 있지만, 외부 동력을 이용하지 않는 간이형 세미 액티브 서스펜션의 등장에 따라 대비해 "'''풀 액티브 서스펜션'''"이라고 불리기도 한다. 진동 억제 효과는 매우 높지만, 서스펜션 구동에 전용 동력원을 필요로 하기 때문에 소비 에너지가 크고 시스템의 크기도 커진다. 또 구조가 복잡해 서스펜션 자체나 유지 비용도 고가이기 때문에, 채용 사례는 많지 않다.

4. 유형

4. 1. 풀 액티브 서스펜션

풀 액티브 서스펜션은 외부 동력을 사용하여 서스펜션에 직접 힘을 가하는 방식이다. 외부의 진동을 차체에 설치된 센서로 감지하여 제어기로 수신하고, 필요한 힘의 크기와 방향을 산출하여 액추에이터로 진동과 반대의 힘을 발생시키거나 공기 용수철의 공기압을 조정하여 진동을 억제한다.[4] 동력원은 공기식과 전기식이 있지만, 외부 동력을 이용하지 않는 세미 액티브 서스펜션의 등장으로 "풀 액티브 서스펜션"으로 불리기도 한다.

유압식 액추에이션 서스펜션은 유압을 사용하여 제어되며, 1954년 폴 마제스가 시트로엥에서 개발한 하이드로뉴매틱 서스펜션이 최초의 사례이다.[4] 센서가 차체의 움직임과 차량의 주행 레벨을 지속적으로 모니터링하여 유압 높이 보정기에 데이터를 제공하고, 서스펜션은 수 밀리초 만에 차체를 올리거나 내리는 반력을 생성한다. 내장된 질소는 즉시 압축되어 강철 스프링의 6배에 달하는 압축성을 제공한다.[4] 이 시스템은 자동 레벨링 서스펜션과 높이 조절 서스펜션 기능을 통합하여 고속에서 차량이 낮아짐에 따라 공기역학 성능을 개선한다. 그러나 롤 강성 제어는 거의 이루어지지 않았다.[5]

완전 전자 제어 방식은 전기 서보와 모터를 전자 계산 장치에 결합하여 코너링 시 차체의 수평 유지를 가능하게 하고, 노면 상태에 즉각적으로 반응할 수 있게 한다. 보스사(Bose Corporation)는 아마르 보스(Amar Bose)의 MIT 교수 시절 연구를 바탕으로 개념 증명 모델을 개발했다.[10]

전자석 능동형 서스펜션은 각 바퀴에 선형 전자석 모터를 사용하여 빠른 응답 속도를 제공하고, 소비된 전력을 회생할 수 있게 한다. 이는 유압 시스템의 문제점을 극복한 것이다. 전자 제어 능동형 서스펜션 시스템(ECASS) 기술은 1990년대에 특허를 받았으며[11], 험비에 장착되어 성능 평가를 통과했다.[12]

풀 액티브 서스펜션은 진동 억제 효과가 매우 높지만, 전용 동력원이 필요하여 소비 에너지가 크고 시스템 크기가 커진다. 또한 구조가 복잡하고 유지 비용이 높아 채용 사례가 많지 않다.

4. 2. 세미 액티브 서스펜션

세미 액티브 서스펜션은 서스펜션의 감쇠력을 조절하는 방식이다.[22][23][24] 솔레노이드 밸브나 자기유변 댐퍼(MR 댐퍼) 등을 사용하여 감쇠력을 조절한다. 세미 액티브 서스펜션은 제한된 제어를 하지만, 설계 비용이 저렴하고 에너지 소비가 적다는 장점이 있다.[25]

솔레노이드 밸브를 사용하는 세미 액티브 서스펜션은 쇼크 업소버 내부 유압 매체의 흐름을 변화시키는 솔레노이드 밸브를 통해 감쇠력을 조절한다. 솔레노이드는 제어 컴퓨터에 연결되어 제어 알고리즘에 따라 작동한다. 이러한 방식은 캐딜락의 컴퓨터 커맨드 라이드(CCR) 서스펜션 시스템과 1983년 토요타 소어러에 탑재된 토요타 전자 제어 서스펜션에 사용되었다. 1985년 닛산은 "수퍼 소닉 서스펜션"을 도입하여 초음파 센서와 마이크로 컴퓨터를 통해 쇼크 업소버를 조정했다. 이 기술은 현재 테네코(몬로 쇼크 업소버)가 CVSAe라는 이름으로 제공하고 있다. 2008년 닛산 GT-R에는 닛산과 빌스테인이 공동 개발한 "댐프트로닉"이 적용되었는데, 이는 차체 자세 제어 장치와 연동하여 작동한다.

자기유변 댐퍼를 사용하는 세미 액티브 서스펜션(MagneRide)은 댐퍼 유체에 포함된 금속 입자의 정렬을 전자기석으로 제어하여 감쇠력을 조절한다. 이 기술은 델파이에서 개발하여 캐딜락 STS 등 일부 GM 모델에 적용되었다. 휠 센서, 조향, 가속 센서 등의 정보를 바탕으로 최적의 강성을 계산하며, 빠른 반응 속도를 통해 노면의 요철에 즉각적으로 대응할 수 있다.

5. 적용 분야

5. 1. 철도 차량

액티브 서스펜션은 진동 억제 장치가 달린 서스펜션으로, 외부 진동을 차체에 설치된 센서로 감지하여 제어기가 필요한 힘의 크기와 방향을 산출, 액추에이터나 공기 용수철을 통해 진동을 억제한다. 동력원은 공기식과 전기식이 있으며, 외부 동력을 사용하지 않는 세미 액티브 서스펜션과 대비하여 "풀 액티브 서스펜션"이라고도 불린다. 진동 억제 효과는 높지만, 소비 에너지가 크고 시스템이 복잡하며 비용이 높아 채용 사례는 많지 않다.

신칸센 500계 전동차의 W1 편성 양쪽 선두차(1·16호차)에 세계 최초로 적용되었으며, 신칸센 E2계 전동차, 신칸센 E5계 전동차, 신칸센 E6계 전동차, 신칸센 E7계·W7계 전동차 등 일본의 고속철도 차량에 적용되어 승차감 향상과 안전 운행에 기여하고 있다.

대한민국의 경우, 일부 KTX 열차에 액티브 서스펜션이 적용되어 운행되고 있다.

일본에서는 신칸센 외에도 다음과 같은 철도 차량에 액티브 서스펜션이 적용되고 있다.

  • 게이세이 AE형 전동차(2대) (스카이라이너): 양쪽 선두차 (주요 사철 최초)
  • JR 동일본 E259계 전동차 (나리타 익스프레스): 양쪽 선두차
  • JR 동일본 E353계 전동차: 선행 양산차는 선두 차량과 그린샤, 양산차는 전 차량
  • JR 동일본 E261계 전동차 (사파이어 오도리코): 전 차량
  • JR 동일본 E657계 전동차: 양쪽 선두차와 그린샤
  • 긴테츠 50000계 전동차 "시마카제"]: 전 차량
  • 도부 500계 전동차 "Revaty"]: 전 차량
  • JR 큐슈 77계 "나나츠보시 in 규슈"]: 편성 양단 (1호차: 라운지 카 겸 전원차·7호차: 디럭스 스위트)[34]
  • 신칸센 N700S계 전동차: 그린샤 (8 - 10호차), 양산차는 추가로 양쪽 선두차와 팬터그래프 탑재차
  • 긴테츠 80000계 전동차 (히노토리): 프리미엄 시트차(양쪽 끝의 선두차)

5. 2. 승용차

고급 승용차는 승차감과 핸들링 성능 향상을 위해 액티브 서스펜션을 적용한다. 메르세데스-벤츠는 액티브 보디 컨트롤 및 매직 보디 컨트롤[39], 아우디는 2017년에 능동형 전기 기계식 서스펜션 시스템[15][16][17][18][19][20][21], 캐딜락은 MagneRide[30]를 적용했다.

미쉐린(Michelin)은 2004년형 액티브 휠(Active Wheel)을 공개했다.[13][14] 1954년 시트로엥 트락시옹 아방 15-6H는 후륜에 자동 수평 조절 유압식 서스펜션을 적용했고, 1955년 시트로엥 DS는 4륜 모두에 자동 수평 조절 시트로엥 유압식 서스펜션을 장착했다. 1957년 캐딜락 엘도라도 브로엄은 GM 에어 서스펜션의 자동 수평 조절 기능을 처음으로 선보였다.

메르세데스-벤츠는 현재에도 액티브 서스펜션을 채용하고 있으며, Magic Body Control, E Active Body Control 시스템은 에어 서스펜션에 장착된 유압 댐퍼를 오일 펌프와 어큐뮬레이터로 구성된 유압 회로를 사용하여 제어한다.[39] 이 시스템은 전방 노면 상황을 카메라로 감시하고, 노면 상황에 따라 댐퍼 내 유압을 변경하여 감쇠력을 수시로 조정하며, 차체 경사 기능과 측면 충돌 시 차고를 높이는 Pre-Safe 임펄스 사이드 기능도 갖추고 있다.[39]

과거 닛산 자동차, 토요타 자동차, 미쓰비시 자동차 공업 등이 액티브 서스펜션을 탑재한 차량을 판매했지만, 높은 가격, 무게 증가, 짧은 유지보수 주기 등의 문제로 현재는 일부 고급 차종에서만 사용된다.

5. 3. 군용 차량

군용 차량의 경우, 험지 주행 성능과 안정성을 높이기 위해 액티브 서스펜션이 연구 및 적용되고 있다.[32] 특히 장륜 장갑차와 같이 험지 주행이 잦은 차량은 액티브 서스펜션을 통해 차체의 안정성을 확보하고, 승차감을 개선하여 전투 효율을 높일 수 있다. 피라냐 IV[26] 등 극히 일부 장륜 장갑차에는 세미 액티브 서스펜션이 적용되기도 했다.[27]

6. 한계와 미래 전망

참조

[1] 논문 On Active Suspension in Rail Vehicles http://www.diva-port[...] KTH Royal Institute of Technology
[2] 학술지 Cost-Effective Skyhook Control for Semiactive Vehicle Suspension Applications
[3] 학술지 Fundamental Performance of a Hydraulically Actuated Friction Damper for Seismic Isolation System Based on the Skyhook Theory http://ci.nii.ac.jp/[...]
[4] 보고서 Analysis of Hydropneumatic Suspension https://www.scribd.c[...] Amal Jyoti College of Engineering 2017-05-07
[5] 학술지 The Amazing Citroen DS One of the most significant cars ever http://www.autospeed[...] 2016-07-05
[6] 웹사이트 A Comprehensive Review on Regenerative Shock Absorber System https://www.research[...] ResearchGate GmbH 2024-05-06
[7] 학술지 Active suspension http://www.motorspor[...] 2001-12
[8] 학술지 Automobile active tilt control based on active suspension 2018-10
[9] 웹사이트 How the Active Curve Tilting Feature of the S-Class Coupe Works http://www.benzinsid[...] 2014-02-16
[10] 학술지 Bose Redefines Automobile Suspension Systems http://newatlas.com/[...] 2004-09-30
[11] 특허
[12] 학술지 Benefits of Electronically Controlled Active Electromechanical Suspension Systems (EMS) for Mast Mounted Sensor Packages on Large Off-Road Vehicles
[13] 웹사이트 Michelin to Commercialize Active Wheel; Technology to Appear in 2010 Cars http://blogs.edmunds[...] Edmunds.com 2009-09-15
[14] 웹사이트 MICHELIN ACTIVE WHEEL Press Kit http://www.michelin.[...] Michelin 2009-09-15
[15] 간행물 Looking ahead to the new Audi A8: Fully active suspension offers tailor-made flexibility https://www.audi-med[...] Audi 2017-06-22
[16] 학술지 New Audi A8's robot suspension explained http://www.carmagazi[...] 2017-06-17
[17] 뉴스 The New Audi A8 Will Spot Potholes And Adjust The Suspension https://uk.motor1.co[...] 2017-06-23
[18] 뉴스 Audi's active suspension prepares for the road ahead http://newatlas.com/[...] 2017-06-22
[19] 뉴스 Audi reveals new A8's chassis technology http://www.motorauth[...] 2017-06-22
[20] 간행물 The innovative shock absorber system from Audi: New technology saves fuel and enhances comfort https://www.audi-med[...] Audi 2016-08-10
[21] 학술지 2019 Audi A8: Flagship Floats on Active Suspension - Official Photos and Info http://www.caranddri[...] 2017-07
[22] 웹사이트 Technical Development – Chassis http://www.toyota-gl[...] Toyota Motor Corporation 2012
[23] 학회자료 SAE Technical Paper Series Society Automotive Engineers International 1985-10-01
[24] 웹사이트 The 1988-1994 Nissan Maximas had a shockingly ahead-of-its time adaptive suspension https://www.autoblog[...] Yahoo Inc 2024-05-06
[25] 웹사이트 2021 Nissan GT-R Press Kit https://usa.nissanne[...] Nissan Motor Corporation 2024-05-14
[26] 학회자료 Toyota Electronic Modulated Suspension (TEMS) System for the 1983 Soarer http://papers.sae.or[...] Society Automotive Engineers International 1984-02-01
[27] 학회자료 SAE Technical Paper Series Society Automotive Engineers International 1985-10-01
[28] 웹사이트 The history of the amazing Jaguar XJ https://www.coventry[...] 2019-06-30
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[33] 서적 自動車技術ハンドブック 改訂版 第１分冊 基礎・理論編 自動車技術会
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[37] 서적 WRC PLUS 2005 YEAR BOOK
[38] 서적 WRC PLUS 2005 YEAR BOOK
[39] 웹사이트 第628回：安全性と快適性の両方に寄与 新型「メルセデス・ベンツSクラス」の革新技術を紹介 【エディターから一言】 https://www.webcg.ne[...] 2024-06-17
[40] 간행물 防衛技術ジャーナル 2013年10月号 防衛技術基礎講座 陸上装備技術 第2講 車体技術 2013-10
[41] 서적 技術研究本部60年史


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