완충기
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1. 개요
완충기는 스프링의 진동을 감쇠시켜 승차감과 차량 조종성을 향상시키는 장치로, 초기에는 마찰이나 기체의 저항을 이용했지만, 현재는 액체의 점성 저항을 이용하는 오일식 쇼크 업소버가 널리 사용된다. 구조에 따라 복통식과 단통식으로 나뉘며, 차량, 오토바이, 철도 등 다양한 분야에서 사용된다. 차량용 완충기는 트윈 튜브와 모노 튜브 타입이 있으며, 스티어링 댐퍼, 퍼포먼스 댐퍼 등 특수한 기능을 가진 완충기도 있다. 가스 스프링은 완충기와 유사한 구조로, 고압 가스를 이용하여 문이나 덮개 등을 들어 올리는 데 사용된다.
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| 완충기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 기계 요소 |
| 용도 | 충격 및 진동 감쇠 |
| 다른 이름 | 댐퍼 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 운동 에너지를 열 에너지로 변환 |
| 감쇠력 발생 방식 | 유압식: 오리피스 통과 시 저항 이용 마찰식: 마찰력 이용 공압식: 공기 압축 이용 전자 제어식: 전기적 신호로 감쇠력 조절 |
| 구조 및 종류 | |
| 주요 구성 요소 | 피스톤 실린더 오일 또는 가스 밸브 |
| 종류 | 텔레스코픽 쇼크 업소버 레버 쇼크 업소버 스트럿 타입 쇼크 업소버 에어 쇼크 업소버 전자 제어 쇼크 업소버 |
| 응용 분야 | |
| 자동차 | 서스펜션 시스템의 필수 부품 |
| 철도 차량 | 차체 진동 감소 |
| 항공기 | 착륙 장치, 기체 진동 제어 |
| 산업 기계 | 기계 진동 감소 및 안정성 확보 |
| 건축 | 지진 대비 건물 내진 설계 |
| 추가 정보 | |
| 주의 사항 | 쇼크 업소버의 성능 저하는 승차감 저하 및 안전 문제 발생 가능 |
| 관련 용어 | 서스펜션, 스프링, 댐핑 |
2. 역사
초기 자동차는 마차나 철도 기관차처럼 대부분 판 스프링을 사용했다. 판 스프링은 여러 개의 얇은 금속판(잎)을 겹쳐 만든 것으로, 이 잎들이 서로 마찰하면서 어느 정도 충격을 흡수하는 감쇠 효과를 냈다. 하지만 이러한 마찰 감쇠는 양이 제한적이었고, 스프링이 건조한지 젖어 있는지 같은 상태에 따라 달라졌으며, 압축될 때와 복원될 때 모두 작동하는 한계가 있었다. 1912년의 한 차량 서스펜션 검토에서는 이러한 마찰 감쇠 특성이 코일 스프링에는 없다는 점을 들어, 코일 스프링을 주 스프링으로 사용하는 것이 어렵다고 보기도 했다.[2]
오토바이의 앞쪽 서스펜션에는 1906년경부터 코일 스프링 방식의 드루이드 포크가 채택되었고, 이후에는 양방향으로 감쇠가 가능한 마찰 디스크 충격 흡수 장치(회전식 마찰 댐퍼)가 추가된 비슷한 디자인(예: 1924년 웹 포크)이 등장했다. 이러한 마찰 디스크 방식은 많은 자동차에도 적용되었다.
자동차 서스펜션의 문제 중 하나는, 특히 뒷바퀴 쪽 스프링의 경우, 짐을 적게 실었을 때와 가득 실었을 때의 하중 차이가 크다는 점이었다. 짐이 무거울 때는 스프링이 바닥에 닿는 것을 막기 위해 고무 '범프 스톱'을 장착하기도 했고, 가볍게 실었을 때 승차감을 부드럽게 하기 위해 무거운 주 스프링에 보조 스프링을 추가하는 시도도 있었다. 이를 종종 '충격 흡수 장치'라고 불렀다. 스프링과 차체가 결합되어 특정 주파수로 계속 튀는 현상(주기 진동)이 발생한다는 것이 알려지면서, 보조 스프링을 주 스프링과 다른 주기를 갖도록 설계하기도 했지만, 울퉁불퉁한 길을 지난 후 스프링이 반동하며 사람이 좌석에서 튕겨 나가는 근본적인 문제를 해결하지는 못했다. 필요한 것은 스프링이 원래 상태로 돌아가려는 반동을 억제하는 감쇠였다.
1901년 C.L. 호록이 유압을 이용한 감쇠 장치를 설계했지만, 이는 한쪽 방향(압축 또는 반동 중 하나)으로만 작동했다. 이 설계가 바로 생산으로 이어지지는 않은 것으로 보이며, 대신 1900년대 후반부터 가브리엘 스너버나 스트롬버그 안티-쇼크스와 같은 기계식 댐퍼가 장착되기 시작했다. 이 장치들은 내부에 감긴 벨트를 사용했는데, 코일 스프링의 힘으로 벨트가 자유롭게 감기다가 당겨질 때는 마찰 저항이 발생하여 감쇠 효과를 내는 방식이었다. 가브리엘 스너버는 1912년 말 브룩랜즈 자동차 경주장에서 6시간 클래스 B 기록을 세운 11.9마력 Arrol-Johnston 차량에 장착되었으며, 당시 자동차 저널 'Automator'는 이 장치가 가볍고 장착이 쉬워 경주용 차량에 유망할 것이라고 평가했다.[3]
생산에 들어간 최초의 유압 댐퍼 중 하나는 1912년 런던 올림피아 모터 쇼에 전시된 텔레스코 쇼크 흡수 장치였다. 이 장치는 앞서 언급된 스프링 타입 '충격 흡수 장치'처럼 신축성 있는(텔레스코픽) 유닛 내부에 스프링이 있었지만, 오일과 내부 밸브를 추가하여 스프링이 되돌아오는 반동 방향으로 유압 감쇠가 이루어지도록 했다.[3] 이 텔레스코 유닛은 기존의 판 스프링을 차체에 직접 연결하는 대신, 판 스프링의 끝단과 차체 사이에 장착되어 스프링 시스템의 일부를 형성했다. 이는 기존 차량에 쉽게 장착하기 위한 방식이었지만, 결과적으로 유압 감쇠는 주 판 스프링의 움직임이 아닌 유닛 내부의 보조 스프링에만 적용되는 한계가 있었다.[4]
주 판 스프링의 움직임에 직접 작용하는 최초의 생산형 유압 댐퍼는 모리스 후다일이 1908년과 1909년에 특허를 낸 설계를 기반으로 한 레버 암 쇼크 흡수 장치로 여겨진다. 이 방식은 장치 내부에서 유압 저항을 받으며 움직이는 날개(베인)를 사용했다. 마찰 디스크 댐퍼와 비교했을 때 가장 큰 장점은, 갑작스러운 움직임에는 강하게 저항하면서도 느린 움직임은 비교적 자유롭게 허용한다는 점이었다. 반면 회전식 마찰 댐퍼는 움직임 속도와 관계없이 거의 일정한 저항을 발생시키는 경향이 있었다. 제1차 세계 대전 이후에야 레버 암 쇼크 흡수 장치가 본격적으로 상용화되었으며, 1927년 포드 모델 A에 표준 장비로 널리 채택되면서 대중화되었다. 이 모델 A용 쇼크 업소버는 미국 뉴욕주 버팔로에 위치한 Houde Engineering Corporation에서 제조되었다.
3. 구조
쇼크 업소버는 외부에서 힘이 가해지면 신축(스트로크)하면서 저항을 발생시킨다. 이 저항을 감쇠력이라고 하며, 쇼크 업소버는 이 감쇠력을 이용해 스프링 등이 충격을 흡수한 후 발생하는 주기 진동을 빠르게 잠재우는 역할을 한다. 즉, 진동의 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 소멸시키는 장치이다. 감쇠력이 없으면 진동이 오래 지속되어 기계의 동작이 불안정해지거나 심하면 공진으로 인해 파손될 수도 있다.
초기에는 고체 간의 마찰 저항, 기체 저항, 고무의 물성 등을 이용한 방식들이 시도되었으나, 내구성이나 감쇠력 제어 등에 문제가 있어 현재는 액체의 점성 저항을 이용하는 오일식(액체식) 쇼크 업소버가 가장 널리 사용된다.
오일식 쇼크 업소버는 기본적으로 오일(점성 저항을 발생시키는 유체)을 채운 통(실린더) 안에 피스톤이 달린 피스톤 로드를 넣어 구성된다. 쇼크 업소버가 신축하면 피스톤이 통 내부의 오일 속을 이동하게 된다. 이때 피스톤에는 오일이 통과할 수 있는 작은 통로나 밸브가 있어, 오일이 이 통로를 지나면서 점성 저항이 발생한다. 이 저항의 크기를 조절하여 쇼크 업소버의 감쇠력을 설정한다.
오일식 쇼크 업소버는 통의 구조에 따라 크게 복통식과 단통식 두 종류로 나뉜다. 이 분류는 쇼크 업소버가 압축될 때 피스톤 로드가 통 안으로 들어오면서 늘어나는 부피만큼의 오일을 어떻게 처리하는지에 따른 구조적 차이이다. 자세한 구조와 작동 방식은 각 하위 섹션에서 다룬다.
3. 1. 복통식 쇼크 업소버
복통식 쇼크 업소버는 '이중 튜브(Twin-tube)' 방식이라고도 불리며, 이름처럼 업소버 본체가 외통과 내통의 이중 구조로 되어있는 것이 특징이다.[5] 피스톤 로드가 신축함에 따라 오일은 내통 바닥에 설치된 베이스 밸브를 통해 내통을 출입한다. 피스톤 로드가 들어간 부피만큼의 오일은 내통에서 밀려나와 내통과 외통 사이의 공간으로 이동하게 된다.
복통식의 주요 특징 중 하나는 압축(수축) 방향의 감쇠력과 신장(팽창) 방향의 감쇠력을 서로 다른 밸브로 제어한다는 점이다. 압축 시에는 오일이 베이스 밸브를 통해 내통 밖으로 밀려나오며, 이때 감쇠력은 주로 베이스 밸브가 제어한다. 반대로 신장 시에는 피스톤에 설치된 피스톤 밸브가 감쇠력을 제어한다.
이러한 이중 구조 덕분에 단통식 쇼크 업소버에 비해 전체 길이를 짧게 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한, 압축과 신장 시의 밸브 기구가 독립되어 있어 각 구조를 단순화할 수 있으며, 특히 감쇠력을 외부에서 조절하는 방식으로 만들 때 유리하다.
하지만 단점도 존재한다. 외통과 내통 사이의 공간(주로 가스나 공기가 채워짐)이 단열층 역할을 하여 방열성이 떨어질 수 있다. 또한, 오일실과 가스실 사이에 별도의 격벽이 없는 구조가 많아 오일에 기포가 섞여(공기 혼입 현상) 감쇠력이 불안정해질 우려가 있다. 베이스 밸브가 항상 오일 액면보다 아래에 위치해야 하므로, 포뮬러 카처럼 수평 방향으로 장착하기 어렵다는 제약도 있다.
오일 쇼크 업소버는 작동 속도가 매우 빠를 경우, 오일이 밸브를 통과할 때 국소적으로 압력이 낮아져 캐비테이션(오일 내 기포 발생) 현상이 발생할 수 있다. 이를 억제하기 위해 외통과 내통 사이에 저압의 질소 가스를 봉입하여 오일을 가압하는 방식이 등장했는데, 이를 '저압 가스 쇼크 업소버'라고 부른다. 이 방식은 오일의 기포 발생을 줄여 감쇠력의 안정성을 높이며, 현대 자동차의 순정 서스펜션에 널리 사용되고 있다.
3. 2. 단통식 쇼크 업소버
단통식 쇼크 업소버는 본체인 통이 단순한 홑겹 구조로 되어 있다. 통 내부는 오일이 채워진 오일실과 고압의 가스가 충전된 가스실로 나뉘며, 그 사이는 자유롭게 움직일 수 있는 프리 피스톤으로 분리된다.[6][7] 오일 리저버 탱크를 별도로 두어 탱크 내에 프리 피스톤과 가스실을 설치하는 경우도 있다.
A: 피스톤 로드
B: 피스톤 (피스톤 밸브)
C: 외통
D: 오일
E: 프리 피스톤
F: 가스실
1) 저속 주행 또는 조정 열림
2) "1"과 유사하지만 압축 직후 확장
3) 고속 주행 조정 또는 닫힘, 캐비테이션 현상을 일으킬 수 있는 감압 기포 관찰 가능
4) "3"과 유사하지만 압축 직후 확장
참고: 피스톤 로드에 의해 발생하는 체적 변화를 고려함.
설명:
1) 덮개 및 가스 탱크
2) 피스톤 로드
3) 스냅 링
4) 플레이트 베어링 스프링
5) 스프링
6) 엔드 캡 및 프리로드 조정
7) 가스 캡, 가스 밸브 유무에 관계없이 존재 (반전 프로파일)
8) 이동식 다이어프램
9) 패드 스위치 (압축)
10) 와이퍼
11) 오일 씰 어셈블리 및 쇼크 씰
12) 네거티브 버퍼 패드 또는 리미트 스위치 (확장)
13) 슬라이딩 블레이드 및 씰이 있는 피스톤
피스톤 로드가 통 내부로 진입하면, 로드의 체적만큼 오일이 프리 피스톤을 밀어 가스실을 압축시킨다. 이를 통해 오일실의 용적이 증가하며 피스톤 로드가 들어갈 공간을 확보한다. 쇼크 업소버의 감쇠력은 늘어나는 쪽과 줄어드는 쪽 모두, 오일 내를 이동하는 피스톤(피스톤 밸브)에 의해 제어된다.
단통식은 1950년대에 등장했으며, 트윈 튜브 방식의 주요 대안으로 여겨졌다.[6] 구조가 단순하여 같은 외경의 복통식에 비해 통의 두께를 늘리거나 피스톤 로드 지름을 크게 만드는 등 강도를 확보하기 쉽다. 또한, 고압의 가스실 덕분에 오일이 항상 가압 상태를 유지하여 캐비테이션 발생이 억제되고 감쇠력이 안정적이다. 프리 피스톤으로 오일실과 가스실이 완전히 분리되어 있어 설치 방향에 제약을 받지 않는다는 장점도 있다.[6]
그러나 고압 가스를 완벽하게 밀폐해야 하는 프리 피스톤이나, 팽창과 수축 양방향의 감쇠력을 제어하는 피스톤 밸브 등 높은 정밀도의 부품이 필요하여 비용 측면에서는 복통식보다 불리하다. 또한, 엄격한 오일 씰 성능 요구로 인해 초기 작동 시 다소 뻑뻑한 움직임을 보일 수 있다. 가스실 때문에 댐퍼 전체 길이가 길어지는 경향이 있어, 별도의 가스 리저버 탱크를 갖춘 형태도 존재한다.
단통식 쇼크 업소버는 고압 가스(약 260-360 psi)를 사용하기 때문에 '가스 쇼크 업소버' 또는 저압 가스 방식과 구별하여 '고압 가스 쇼크 업소버'라고도 불린다.[7] 이 고압 가스는 차량의 무게를 일부 지탱하는 데 도움을 줄 수 있는데, 이는 다른 방식의 쇼크 업소버에서는 찾아보기 힘든 특징이다.[7] 개발자의 이름을 따 '드 카르본(De Carbon)식'이라고 부르기도 한다.
메르세데스-벤츠는 1958년부터 일부 차량에 단통식 쇼크를 표준 장비로 장착한 최초의 자동차 제조사였다. 이 쇼크 업소버는 빌스타인(Bilstein)에서 제조되었으며, 빌스타인은 1954년에 이 설계에 대한 특허를 받았다.[8] 이 특허 때문에 다른 제조사들은 특허가 만료된 1971년까지 단통식 설계를 사용할 수 없었다.[7]
단통식 쇼크 업소버의 공기실을 확대하여 공기 스프링 역할을 부여하고 코일 스프링을 생략한 형태는 주로 항공기에 널리 사용되며, 'Oleo Strut|올레오 스트럿영어'이라고 불린다. 일본에서는 KYB(구 가야바 제작소)의 제품이 영식 함상 전투기 등의 착륙 장치에 사용되었다.[15] 제2차 세계 대전 이후, 올레오 스트럿 기술은[16] 미쓰비시 미즈시마와 같은 삼륜차나 리쿠오 등 오토바이에 '올레오식 포크'라는 이름으로 적용되기도 했다.
단통식 쇼크 업소버를 차체에 부착하는 방식은 오일 실린더가 위쪽(피스톤 로드가 아래쪽)에 배치되는 정립식과 그 반대인 도립식으로 나뉜다. 도립식은 무거운 오일 실린더 부분이 차체에 고정되므로 불소 무게를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 스트럿식 서스펜션에 도립식을 사용하면, 피스톤 로드 주변에 실린더보다 굵은 커버가 설치되어 정립식보다 서스펜션 부착 강성을 높일 수 있고 스트럿 전체의 휨에 대한 강성도 향상된다. 하지만 피스톤 로드와 실린더의 마찰 외에도 커버 안쪽과 실린더 바깥쪽 사이의 마찰이 추가되고, 먼지나 물의 침입을 막기 위한 구조가 더 복잡해져 무게와 비용이 증가하는 단점이 있다.
3. 3. 제어 기구
쇼크 업소버의 피스톤 밸브와 베이스 밸브에는 감쇠력(저항)을 제어하기 위한 기구가 내장되어 있다. 이 제어는 피스톤이 이동할 때 피스톤 밸브 혹은 베이스 밸브를 통과하는 오일 경로의 크기를 조정하는 방식으로 이루어진다. 기본적으로 오일은 거의 압축되거나 팽창하지 않으므로, 오일 경로가 작을수록 피스톤 이동 시 저항이 커져 감쇠력이 높아지고, 반대로 경로가 크면 저항이 작아져 감쇠력이 낮아진다.
피스톤 밸브 및 베이스 밸브에는 오일 경로를 제어하는 주요 요소로 '오리피스', '밸브', '포트'라고 불리는 세 가지 기구가 있다. 이 요소들은 피스톤의 이동 속도에 따라 개별적으로 또는 함께 작동하여, 해당 속도에 맞는 최적의 감쇠력을 생성하도록 오일 경로의 크기를 조절한다.
3. 3. 1. 오리피스
쇼크 업소버의 피스톤 밸브나 베이스 밸브에는 오일이 통과하는 경로로 '오리피스'라고 불리는 작은 틈새가 설치되어 있다. 이 틈새는 항상 일정한 크기로 열려 있으며, 피스톤이 정지해 있거나 매우 느린 속도(저속 영역, 약 0 ~ 0.1m/s)로 움직일 때 오일은 주로 이 오리피스를 통해 이동한다.
이 저속 영역에서는 오일 경로의 크기가 일정하지만, 피스톤의 속도가 빨라질수록 오일의 유속에 대한 저항이 커져 감쇠력은 높아진다. 이렇게 오리피스만으로 감쇠력이 결정되는 특성을 '오리피스 특성'이라고 부른다. 자동차나 오토바이의 경우, 오리피스 특성은 완만한 노면의 기복을 지나거나 곡률이 큰 커브를 돌 때의 승차감이나 조종 안정성과 같은 성능에 영향을 미친다.
또한, 밸브는 일반적으로 한쪽 방향으로만 작동하도록 설계되는데, 피스톤이 반대 방향으로 움직여 밸브가 포트를 완전히 막는 경우(예: 복통식 쇼크 업소버가 압축될 때 피스톤 밸브가 닫히는 경우)에는 오일이 통과할 수 있는 경로는 오리피스뿐이게 된다.
3. 3. 2. 밸브
밸브는 피스톤 밸브나 베이스 밸브에 있는 포트(오일 경로)를 막도록 설치된 판 모양의 스프링이다. 피스톤이 정지해 있거나 저속으로 움직일 때는 밸브가 포트를 완전히 막아 오일이 통과할 수 없다.
그러나 피스톤 속도가 일정 수준을 넘어서면, 오일의 압력에 의해 밸브가 밀려 열리면서 오일이 포트를 통과하기 시작한다. 피스톤 속도가 더 증가하면 밸브는 더 크게 변형되어 오일이 지나가는 경로가 점차 넓어진다. 이처럼 밸브가 열리기 시작하여 완전히 열리기 전까지의 과도기적인 피스톤 속도 구간을 중속 영역(약 0.10 ~ 0.30 m/s)이라고 부른다. 이 영역에서의 감쇠력 변화 특성을 밸브 특성(또는 밸브+포트 특성)이라고 한다. 밸브 특성은 곡률이 높은 선회 시 차량의 성능에 깊은 영향을 미친다.
일반적으로 밸브는 한쪽 방향으로만 움직이도록 설계된다. 따라서 피스톤이 반대 방향으로 움직일 때(예를 들어, 복통식 쇼크 업소버가 압축될 때의 피스톤 밸브)는 밸브가 포트를 계속 막고 있게 된다. 이 경우 오일은 오리피스만을 통해 이동하게 된다.
3. 3. 3. 포트
피스톤 밸브와 베이스 밸브에는 오일이 통과하는 경로로서 포트(port)라고 불리는 구멍이 있다. 피스톤 속도가 일정 수준 이상으로 빨라지면(고속 영역), 앞서 설명한 밸브가 완전히 열리게 된다. 이때부터는 오일 경로의 크기가 포트의 크기에 의해 결정된다. 이처럼 포트 크기만으로 감쇠력이 결정되는 피스톤 속도 영역을 고속 영역이라고 하며, 이때의 감쇠력 특성을 포트 특성이라고 부른다. 포트 특성은 도로의 요철을 넘는 경우와 같이 노면이 급격하게 변할 때의 차량 성능과 깊은 관련이 있다.
쇼크 업소버가 부드럽게 움직이기 위해서는 오리피스 특성, 밸브 특성, 포트 특성 사이의 전환점에서 감쇠력이 연속적으로 변화해야 한다. 특히 밸브 특성과 포트 특성은 서로 밀접하게 연관되어 있어, 세 가지 특성 중 하나만 극단적으로 조절하기는 어렵다. 따라서 쇼크 업소버 전체의 특성은 오리피스, 밸브, 포트 세 요소의 특성을 종합적으로 조율(튜닝)하여 결정된다.
주행 조건에 따라 감쇠력 특성을 변화시킬 수 있는 어댑티브 쇼크 업소버가 개발되어 실용화되고 있는데, 이는 전자 제어를 통해 포트를 열거나 닫는 방식으로 감쇠력을 조절한다. 예를 들어 토요타 자동차의 TEMS가 있다. 또한, 자성 유체를 사용하여 자기력으로 포트 특성을 조절하는 MagneRide영어와 같은 기술도 사용되고 있다.
4. 종류 (차량용)
완충기는 자동차 서스펜션의 중요한 부품으로, 승차감, 주행 안정성, 전반적인 안전성을 높이는 역할을 한다. 정밀한 공학 기술로 제작되어 여러 중요한 기능을 수행한다. 가장 일반적인 방식은 유압식 완충기로, 보통 피스톤, 실린더, 그리고 오일이 채워진 챔버로 구성된다. 피스톤은 피스톤 로드에 연결되어 실린더 내부를 두 부분으로 나누며, 한쪽에는 유압 오일이, 다른 쪽에는 압축 공기나 질소 가스가 들어있다. 차량이 요철을 지나거나 진동하면 피스톤이 실린더 내부에서 움직여 유압 유체가 작은 구멍(오리피스)을 통과하게 된다. 이때 발생하는 저항이 운동 에너지를 열에너지로 변환하여 소산시키고, 이는 차량의 불필요한 상하 움직임이나 흔들림을 억제하는 감쇠(減衰) 작용을 한다. 완충기 제작에는 피스톤 설계, 유체 점도, 장치 크기 등 여러 요소의 균형이 중요하며, 기술 발전에 따라 가스식 및 전자 제어식 완충기처럼 향상된 제어력과 유연성을 제공하는 새로운 유형이 등장하고 있다.
초기 자동차는 마차나 철도 기관차처럼 주로 판 스프링을 사용했다. 판 스프링은 여러 겹의 강철판 사이의 마찰을 통해 어느 정도의 감쇠 효과를 제공했다. 이러한 마찰 감쇠는 스프링의 건조 상태나 습한 상태에 따라 달라지며, 압축과 신장 양방향으로 작용한다는 한계가 있었다. 1906년경부터 오토바이 전면 서스펜션에는 코일 스프링 방식의 드루이드 포크(Druid fork)가 채택되었고, 이후 양방향 감쇠가 가능한 마찰 디스크 충격 흡수 장치 (회전식 마찰 댐퍼)가 추가되었다. 이러한 마찰식 댐퍼는 많은 자동차에도 적용되었다.
자동차 서스펜션의 과제 중 하나는 가벼울 때와 무거운 짐을 실었을 때의 하중 변화에 대응하는 것이었다. 무거운 하중에서 스프링이 바닥에 닿는 것을 막기 위해 고무 범프 스톱 외에도, 보조 스프링을 추가하여 가벼운 하중에서의 승차감을 개선하려는 시도가 있었다. 그러나 이 방식은 요철을 통과한 후 차체가 계속 튀는 반동 현상을 해결하지 못했고, 반동을 효과적으로 제어하는 감쇠 장치의 필요성이 커졌다.
1901년 C.L. 호록(Horrocks)이 한 방향으로만 작동하는 유압 감쇠 장치를 설계했지만, 바로 생산되지는 않았다. 1900년대 후반부터 가브리엘 스너버(Gabriel Snubber)와 같은 기계식 댐퍼가 장착되기 시작했다. 이 장치는 코일 스프링의 작용으로 벨트를 감았다가 당겨질 때 마찰력을 발생시키는 방식이었다. 1912년에는 텔레스코(Telesco) 쇼크 업소버가 등장했는데, 이는 내부에 스프링과 함께 오일 및 밸브를 사용하여 반동 방향으로 유압 감쇠를 제공하는 초기 유압식 댐퍼 중 하나였다.[3] 하지만 이 장치는 메인 스프링이 아닌 보조 스프링의 움직임에만 감쇠를 적용한다는 한계가 있었다.[4]
메인 판 스프링의 움직임에 직접 작용하는 최초의 양산형 유압 댐퍼는 모리스 후다일(Maurice Houdaille)이 1908년과 1909년에 특허를 낸 설계를 기반으로 한 레버 암 쇼크 흡수 장치였다. 이 방식은 유압으로 감쇠되는 베인(vane)을 사용하여 갑작스러운 움직임에는 강한 저항을 제공하고 느린 움직임은 허용하는 특징이 있었다. 제1차 세계 대전 이후 1927년 포드 모델 A에 표준 장비로 채택되면서 널리 보급되었다.
현대 차량용 완충기는 구조에 따라 크게 트윈 튜브(Twin-tube, 복통식)와 모노 튜브(Monotube, 단통식) 방식으로 나뉜다. 각 방식은 고유한 작동 원리와 장단점을 가지며, 차량 종류와 용도에 맞게 선택되어 사용된다. (각 방식의 자세한 설명은 하위 섹션에서 다룬다.)
완충기의 감쇠력은 주로 피스톤 밸브나 베이스 밸브 내 오일 통로 면적에 의해 결정된다. 통로 면적이 작으면 유체 저항이 커져 감쇠력이 높아지고, 면적이 크면 감쇠력은 낮아진다. 오일 통로는 일반적으로 '오리피스', '밸브', '포트' 세 가지 요소로 구성된다. 피스톤의 움직임 속도에 따라 이 요소들이 독립적으로 또는 조합되어 작동하며 최적의 감쇠력을 발생시킨다.
- 오리피스: 항상 일정한 크기로 열려 있는 좁은 통로이다. 피스톤이 움직이기 시작하거나 매우 느린 속도(저속 영역, 약 0 ~ 0.10 m/s)로 움직일 때 주로 작동하며, 속도가 증가할수록 저항이 커져 감쇠력이 높아진다. 완만한 노면 기복이나 완만한 코너링 시의 특성과 관련이 깊다.
- 밸브: 판 스프링 형태의 부품이다. 평소에는 포트를 막고 있다가 피스톤 속도가 일정 수준(중속 영역, 약 0.10 ~ 0.30 m/s) 이상이 되면 오일 압력에 의해 밀려 열리면서 오일 통로를 형성한다. 속도가 증가할수록 밸브가 더 많이 열려 통로 면적이 점차 넓어진다. 비교적 급격한 코너링 시의 특성과 관련된다.
- 포트: 피스톤 밸브나 베이스 밸브에 뚫린 구멍이다. 피스톤 속도가 매우 빨라져(고속 영역) 밸브가 완전히 열리면 포트의 크기가 오일 통로 면적을 결정한다. 도로의 단차를 넘는 등 급격한 충격 시의 성능과 관련된다.
이상적인 완충기는 아주 작은 움직임에도 부드럽게 반응하며 적절한 감쇠력을 제공하고, 속도가 증가함에 따라 감쇠력이 점진적으로 증가하다가 급격한 충격 시에는 이를 효과적으로 흡수해야 하지만, 일반적인 기구로는 완벽하게 구현하기 어렵다. 이를 보완하기 위해 실린더 내벽에 홈을 파거나(몬로 센서 트랙 등), 주행 조건에 따라 감쇠력을 자동으로 조절하는 전자 제어 어댑티브 쇼크 업소버(토요타 자동차의 TEMS 등)나 자성유체(MR 유체)를 이용해 감쇠력을 조절하는 마그네라이드 같은 기술이 개발되어 실용화되고 있다.
4. 1. 트윈 튜브
트윈 튜브(Twin-tube) 또는 복통식 쇼크 업소버는 내부에 있는 "작동 튜브"(압력 튜브)와 외부에 있는 "보조 튜브"라는 두 개의 원통형 튜브로 구성된다. 이 때문에 "이중 튜브" 쇼크 업소버라고도 불린다. 장치 하단 내부에는 압축 밸브 또는 베이스 밸브가 위치한다.
피스톤 로드가 신축하면 유압 유체는 피스톤 내의 작은 구멍("오리피스")과 밸브를 통해 서로 다른 챔버 사이를 이동하며, 충격 에너지를 열로 변환시켜 발산한다. 압축 시에는 오일이 내통 하부의 베이스 밸브를 통해 내통 밖(외통과 내통 사이의 공간)으로 밀려나오며, 이때의 감쇠력은 주로 베이스 밸브로 제어된다. 반면 신장 시에는 피스톤에 설치된 피스톤 밸브로 감쇠력이 제어된다. 피스톤 로드가 들어간 부피만큼의 오일은 내통에서 밀려나와 내통과 외통 사이의 공간으로 이동한다.
이 구조는 단통식 쇼크 업소버에 비해 전체 길이를 짧게 만들 수 있고, 압축과 신장 시의 감쇠력 제어를 별도의 밸브(베이스 밸브, 피스톤 밸브)로 나누어 밸브 구조를 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 특히 감쇠력을 외부에서 조절하는 기능을 추가할 때 유리하다.
하지만 단점도 존재한다. 외통과 내통 사이의 공간이 단열 역할을 해 방열성이 떨어지며, 오일실과 가스실 사이에 격벽이 없어 오일에 기포가 섞여 감쇠력이 저하(캐비테이션 또는 거품 발생)될 수 있다. 또한, 베이스 밸브가 오일 액면보다 아래에 위치해야 하므로 포뮬러 카와 같이 수평 방향 설치가 어렵다.
트윈 튜브 쇼크 업소버에는 여러 종류가 있다.
- 기본 트윈 튜브: 단순히 오일만을 사용하는 방식으로, "오일 쇼크 업소버"라고도 불린다.
- 트윈 튜브 가스 충전식: 기본 트윈 튜브 구조에서 보조 튜브(외통과 내통 사이)에 저압의 질소 가스를 봉입한 형태이다.[5] 이 방식은 오일의 거품 발생(공기 혼입)을 크게 줄여 감쇠력 저하를 막아준다. 비교적 낮은 압력의 가스를 사용하기 때문에 "저압 가스 쇼크 업소버"라고도 불리며, 현재 많은 현대 차량의 순정 서스펜션으로 사용된다.
- 위치 감응형 댐핑 (PSD): Position Sensitive Damping의 약자. 압력 튜브(내통) 내부에 특수한 홈을 가공한 형태이다. 이 홈 덕분에 피스톤이 일반적인 주행 상황(엔지니어들이 "컴포트 존"이라 부르는 영역)에서는 비교적 자유롭게 움직여 부드러운 승차감을 제공하고, 급격한 움직임(도로의 요철 통과 등 "컨트롤 존" 영역)에서는 저항이 커져 차량 제어력을 높인다. 이를 통해 차량의 특성(크기, 무게, 성능 등)에 맞춰 쇼크 업소버를 세밀하게 조정할 수 있다.
- 가속도 감응형 댐핑 (ASD): Acceleration Sensitive Damping의 약자. 압축 밸브 설계를 개선하여 도로 상태 변화나 개별적인 요철에 거의 즉각적으로 반응하도록 만든 방식이다. 이를 통해 승차감과 제어력 사이의 상충 관계를 줄이고, 제동 시 차량 앞부분이 숙여지는 현상(피칭)이나 코너링 시 차체가 기울어지는 현상(롤링)을 효과적으로 억제한다. 다만, ASD 쇼크 업소버는 주로 애프터마켓 부품으로 제공되며, 생산하는 제조사가 제한적이다.
- 코일오버: 코일 스프링과 쇼크 업소버가 결합된 형태. 여기에 사용되는 쇼크 업소버는 주로 트윈 튜브 가스 충전식 방식이다. 오토바이나 스쿠터의 후방 서스펜션, 자동차의 전방 및 후방 서스펜션에 널리 사용된다.
4. 2. 모노 튜브
A: 피스톤 로드B: 피스톤 (피스톤 밸브)
C: 외통
D: 오일
E: 부동 피스톤 (프리 피스톤)
F: 가스실]]
모노튜브(Monotube) 쇼크 업소버는 트윈 튜브 방식의 주요 대안 설계로, 1950년대에 처음 등장했을 때 혁신적인 기술로 평가받았다. 이름처럼 압력 튜브가 하나뿐이지만, 내부에는 작동 피스톤과 분할 피스톤(부동 피스톤 또는 프리 피스톤이라고도 함)이라는 두 개의 피스톤이 있다. 가스 가압식 쇼크 업소버이며 코일오버 형태로도 제공된다.
내부 구조는 오일이 채워진 오일실과 고압 질소 가스가 충전된 가스실로 나뉘며, 이 두 공간 사이를 부동 피스톤이 자유롭게 움직이며 분리한다. 피스톤 로드가 쇼크 업소버 안으로 들어가면, 로드가 차지하는 부피만큼의 오일이 부동 피스톤을 밀어내 가스실을 압축시킨다. 감쇠력은 오일 속을 이동하는 작동 피스톤에 설치된 밸브를 통해 발생한다. 이 구조는 쇼크 업소버 내부의 오일과 가스를 완전히 분리하는 특징이 있다. 오일 리저버 탱크를 별도로 두어 탱크 내에 부동 피스톤과 가스실을 설치하는 형태도 있다.
모노튜브 방식은 구조가 단순하여 같은 외경의 트윈 튜브 방식보다 통의 두께를 늘리거나 피스톤 로드를 더 굵게 만드는 등 강도 확보에 유리하다. 또한, 오일이 항상 고압 가스에 의해 가압 상태이므로 캐비테이션 현상이 발생하기 어렵고 감쇠력이 안정적이라는 장점이 있다. 트윈 튜브 방식과 달리 설치 방향에 제약이 없어 거꾸로 장착하는 등 자유롭게 설치할 수 있다.[6] 모노튜브 쇼크의 가스는 약 260~360 psi의 고압 상태이며, 이 압력은 차량의 무게를 지탱하는 데 일부 도움을 줄 수도 있다.[7] 고압 가스를 사용하기 때문에 '고압 가스 쇼크 업소버'라고 불리기도 하며, 개발자의 이름을 따 '드 카르봉(De Carbon)식'이라고도 한다.
반면, 고압 가스를 완벽하게 밀폐해야 하는 부동 피스톤이나 양방향 감쇠력 제어 기구를 갖춘 작동 피스톤 등 높은 정밀도의 부품이 요구되어 비용 측면에서는 트윈 튜브 방식보다 불리하다. 엄격한 오일 씰 성능이 필요하여 초기 작동 시 다소 뻑뻑한 느낌을 줄 수 있다. 또한, 가스실 공간 때문에 쇼크 업소버 전체 길이가 트윈 튜브 방식보다 길어져, 트윈 튜브용으로 설계된 승용차에는 장착이 어려울 수 있다.
역사적으로는 독일의 빌스타인이 1954년에 이 설계에 대한 특허를 획득했으며[8], 메르세데스-벤츠가 1958년부터 일부 차량 모델에 모노튜브 쇼크 업소버를 표준 장비로 채택하면서 처음으로 양산차에 적용되었다. 빌스타인이 보유했던 특허는 1971년에 만료되어 다른 제조사들도 이 방식을 사용할 수 있게 되었다.[7]
차체에 장착하는 방식에 따라 피스톤 로드가 위쪽으로 향하는 정립식과 그 반대인 도립식으로 나뉜다. 도립식은 오일 실린더 쪽이 차체에 고정되므로 현가하질량을 줄이는 데 유리하다. 특히 스트럿 방식 서스펜션에 도립식을 사용하면, 피스톤 로드 주변을 감싸는 굵은 외부 커버 덕분에 정립식보다 서스펜션 부착부의 강성을 높일 수 있고 스트럿 자체의 휨에 대한 저항력도 커진다. 다만, 이 구조는 외부 커버와 실린더 사이의 밀폐 및 활주 구조가 추가되어 무게와 비용이 증가하는 단점이 있다.
4. 3. 기타
- '''스풀 밸브 댐퍼''' (Spool Valve Damper): 기존의 유연한 심(shim) 대신, 가공된 오일 통로를 가진 속이 빈 원통형 슬리브를 사용하여 감쇠력을 조절하는 방식이다.[9] 이 방식은 모노튜브, 트윈 튜브, 위치 감지형 댐퍼에 모두 적용 가능하며, 전자 제어 시스템과도 호환된다.[10] Multimatic은 2010년 특허 출원에서 스풀 밸브 방식의 장점으로 유연한 심 사용 시 발생하는 성능의 불확실성을 제거하고, 수학적으로 예측 가능하며 반복적이고 안정적인 압력-유량 특성을 얻을 수 있다는 점을 언급했다.[11]
- '''원격 저장소 / 피기백 쇼크''' (Remote Reservoir / Piggyback Shock): 완충기 본체 외부에 추가적인 오일 저장 공간(리저버)을 연결하여 오일 용량을 늘린 형태이다. 리저버가 유연한 호스로 연결된 경우 '원격 저장소', 완충기 몸체에 직접 단단하게 부착된 경우 '피기백'이라고 부른다. 이 방식은 완충기의 전체 길이나 두께를 늘리지 않으면서 오일 용량을 증가시켜 냉각 성능을 향상시키고, 격렬한 주행 중 오일 과열로 인한 성능 저하를 방지하는 데 효과적이다.
5. 이론적 접근
완충 작용에는 일반적으로 다음과 같은 여러 가지 원리가 사용된다.
- 이력 현상: 구조 재료의 탄성 변형과 복원 과정에서 에너지 손실이 발생하는 현상을 이용한다. 예를 들어 고무 디스크의 압축, 고무 밴드와 끈의 늘이기, 강철 스프링의 굽힘, 또는 토션 바의 비틀림 등이 있다. 이력 현상은 탄성 재료가 변형될 때 필요한 힘보다 복원될 때 더 적은 힘으로 반발하는 경향을 의미한다. 별도의 완충기가 없는 단순한 차량은 스프링과 프레임 자체의 이력 현상으로 어느 정도의 감쇠 효과를 얻는다.
- 건식 마찰: 휠 브레이크처럼 고체 간의 마찰 저항을 이용한다. 초기 자동차에서는 레버의 회전축에 가죽 등으로 만든 디스크를 사용하고 스프링으로 압력을 가해 마찰력을 발생시키는 방식을 사용했다. 포드 모델 T, 1940년대 일부 영국 자동차, 1950년대 프랑스 시트로엥 2CV 등이 대표적이다. 이 방식은 기계적으로 단순하고 감쇠력 조절이 쉬우며 수리가 용이하다는 장점이 있지만, 현재는 거의 사용되지 않는다. 단점으로는 수직 운동 속도가 증가해도 감쇠력이 일정하게 유지되는 경향이 있다는 점이다.
- 고체 상태 테이퍼 체인 완충기: 입자 구체의 하나 이상의 테이퍼진 축 방향 정렬을 사용하며, 주로 니티놀과 같은 형상기억합금으로 만들어진다.
- 유체 마찰: 좁은 구멍(오리피스)을 통과하는 유체(유압유)의 저항을 이용하는 방식으로, 현재 자동차 완충기의 대부분을 차지한다. 이 방식은 1902년 모르스 레이싱카에 처음 등장했다.[13] 내부 밸브 구조를 통해 압축 시에는 비교적 부드럽게 작동하여 충격 흡수를 원활하게 하고, 반대로 복원(리바운드) 시에는 강한 저항을 발생시켜 스프링의 반동을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 스프링으로 제어되는 밸브를 사용하여 충격이나 리바운드의 속도에 따라 감쇠력(강성)을 조절할 수도 있다. 예를 들어, 드래그스터의 경우, 가속 시 앞부분이 최소한의 저항으로 들리도록 하고, 이후에는 강하게 저항하여 차체 뒤쪽으로 무게를 배분함으로써 견인력을 높이는 데 활용될 수 있다.
- 가스 압축: 공압 완충기는 공기나 다른 가스의 압축성을 이용하여 스프링과 같은 역할을 한다. 가해지는 힘에 저항하여 내부 가스 압력이 증가하며, 밀폐된 가스는 압축 가능하므로 충격 손상에 덜 취약하다. 이 방식은 1954년 시트로엥 자동차에 처음으로 양산 적용되었다. 오늘날 많은 유압식 완충기에는 압축된 질소 가스가 함께 사용되는데, 이는 격렬한 사용 시 오일 내부에 기포가 발생하는 캐비테이션 현상을 줄여 감쇠 성능 저하를 막기 위함이다. 고성능 레이싱이나 오프로드용 완충기에는 오일과 가압 가스를 저장하는 보조 실린더(리저버 탱크)가 연결되기도 한다. 항공기의 착륙 장치에 사용되는 공기 완충기는 유압 감쇠와 결합하여 착륙 시 튀어 오름(바운스)을 줄이는데, 이를 올레오 스트럿이라고 한다.
- 관성: 물체가 가속에 저항하는 성질을 이용한다. 시트로엥 2CV에는 외부 움직이는 부품 없이 휠의 상하 운동(바운스)을 감쇠시키는 독특한 방식의 완충기가 장착되기도 했다. 이는 수직 실린더 내부에 스프링으로 지지된 3.5kg의 철제 추를 이용한 것으로, 고층 건물에 사용되는 튜닝된 질량 댐퍼와 유사한 원리이다.
- 복합 유공압 서스펜션: 스프링 작용, 충격 흡수, 승차 높이 제어, 자동 레벨링 등 여러 서스펜션 기능을 하나의 장치에 통합한 방식이다. 가스 압축성의 장점과 유압 기계의 힘 증폭 능력을 결합했다.
- 에어 서스펜션과의 결합: 기존의 완충기를 에어 서스펜션 스프링과 함께 사용하여 승차 높이 제어 및 자동 레벨링 기능을 구현하기도 한다.
- 전기유변 유체 댐퍼: 전기장을 이용하여 특수 유체(전기유변유체)의 점도를 변화시켜 감쇠력을 조절하는 방식이다. 이를 통해 자동차 및 다양한 산업 분야에서 반 능동형 댐퍼를 구현할 수 있다.
- 자기유변유체 댐퍼: 자기장을 이용하여 유체(자기유변유체)의 특성을 변화시켜 감쇠력을 조절하는 방식이다. 전자석을 통해 자기장을 제어한다.
- 고주파 진동(소음) 제어: 완충기가 고주파 진동(소음)에 미치는 영향은 일반적으로 작동 유체로 가압 가스를 사용하거나, 고무 부싱으로 장착하여 제한한다.
6. 특별 기능
- 일부 완충기는 완충기에 부착된 수동 조절 장치를 통해 밸브를 제어하여 승차감을 조절할 수 있다.
- 고급 차량에서는 밸브를 원격으로 조절할 수 있어, 운전자가 차량 운행 중에도 원하는 대로 승차감을 제어할 수 있다.
- 센서에 반응하여 컴퓨터를 통해 동적으로 밸브를 제어하는 방식으로 추가적인 제어가 가능하다. 이를 통해 평소에는 부드러운 승차감을 제공하고, 필요할 때는 단단한 서스펜션으로 전환하여 주행 안정성을 높인다. 또한 차고 조절 또는 차고 제어 기능까지 구현할 수 있다.
- 차고 제어 기능은 때때로 비포장 도로를 주행해야 하는 고속도로 차량에서 핸들링 성능을 개선하고, 고속도로 주행 시 차체를 낮춰 공기 저항을 줄이는 데 유용하다.
- 완충기의 과열로 인한 성능 저하 및 고장(오일 누출 등)을 방지하거나 지연시키기 위해 방열판, 팬 또는 액체 냉각 시스템을 사용하기도 한다.
7. 쇼크 업소버와 스트럿 비교
8. 자동차에서의 이용
차량에서 완충기는 울퉁불퉁한 지면을 주행할 때의 충격을 줄여 승차감과 차량 조종성을 향상시킨다. 완충기의 주된 목적은 스프링의 진동을 빠르게 흡수하는 것이며, 과도한 서스펜션 움직임을 제한하는 역할도 한다. 이를 위해 완충기는 내부에 채워진 오일과 가스가 밸브를 통과할 때 발생하는 저항을 이용하여 스프링이 저장한 운동 에너지를 열에너지로 변환하여 소멸시킨다. 스프링의 강성은 차량 무게를 고려하여 제조사가 결정하며, 완충기를 이용해 스프링 강성을 바꾸려는 시도는 올바른 사용법이 아니다. 완충기는 타이어 자체의 이력 현상과 함께, 바퀴와 같이 스프링 아래 부품(현가하 질량)의 상하 운동 에너지를 효과적으로 흡수한다. 최적의 승차감과 조종성을 위해서는 차량 특성에 맞게 완충기의 저항값(감쇠력)을 조정하는 것이 중요하다.
스프링을 사용하는 완충기는 보통 코일 스프링이나 판 스프링을 쓰지만, 토션 바를 이용한 토션 바 방식도 있다. 하지만 스프링 자체는 에너지를 저장할 뿐 흡수하거나 소멸시키지 못하므로, 차량에는 일반적으로 유압식 완충기와 스프링(코일, 판, 토션 바 등)이 함께 사용된다. 이 조합에서 '완충기'는 주로 진동을 흡수하고 소멸시키는 유압 피스톤 장치를 가리킨다. 현재는 복합 재료를 이용한 서스펜션 부품도 사용되며, 주로 이륜차에 적용되거나 사륜차의 판 스프링에 쓰이기도 한다.
가장 일반적인 완충기는 유압식으로, 보통 피스톤, 실린더, 그리고 오일로 채워진 공간으로 구성된다. 피스톤은 피스톤 로드에 연결되어 실린더 내부를 두 부분으로 나눈다. 한쪽 공간은 유압 오일로 채워지고, 다른 쪽은 압축된 질소 가스나 공기가 들어가는 경우(가스식 완충기)도 있다. 차량이 충격이나 진동을 받으면 피스톤이 실린더 안에서 움직이며 유압 오일이 피스톤의 작은 구멍(오리피스)이나 밸브를 통과하게 된다. 이때 발생하는 유체 저항이 운동 에너지를 열에너지로 바꾸어 소멸시키면서 진동을 억제하고, 차량이 계속 튀거나 흔들리는 것을 줄여준다. 완충기 제작 시에는 피스톤 설계, 오일 점도, 내부 가스 압력, 장치 크기 등을 종합적으로 고려하여 최적의 성능을 내도록 한다. 기술 발전에 따라 감쇠력을 전자적으로 제어하는 전자 제어 서스펜션(ECS) 완충기도 등장하여 더 정교한 제어와 상황에 맞는 감쇠력 조절 기능을 제공한다.
자동차나 오토바이에서는 신축식(텔레스코픽) 오일 댐퍼가 널리 사용된다. 특히 승용차에서는 쇼크 업소버에 스프링을 지지하는 스프링 시트를 함께 설치한 구조가 많다. 이 경우 스프링과 쇼크 업소버는 하나의 묶음(Assembly)인 서스펜션 스트럿 형태로 차체에 조립된다. 이런 구조는 해외에서 Coil over|코일 오버영어라고도 불린다.
많은 완충기는 감쇠력(진동 흡수력) 조절 기능을 제공하며, 충격 시 압축될 때(범프)와 다시 늘어날 때(리바운드)의 감쇠력을 각각 독립적으로 조절할 수 있는 제품도 있다. 또한, 일반적으로 고무 부싱이 사용되는 어퍼 마운트(완충기 위쪽 고정 부품)를 경질 나일론이나 필로 볼 베어링으로 교체하여 더 민감하고 직접적인 노면 정보를 얻으려는 경우도 있는데, 이는 주로 스포츠카 튜닝 등에서 볼 수 있다. 애프터마켓에서 판매되는 제품이나, 애프터마켓 제조사의 제품을 순정 부품으로 채택한 경우에는 오버홀(분해 수리)이 가능한 경우가 많다. 오버홀을 통해 소모된 부품을 교체하거나 개선된 부품으로 성능을 향상시킬 수 있다.
8. 1. 차고 조정식 쇼크 업소버
차고 조정식 쇼크 업소버(車高調整式ショックアブソーバー일본어)는 스프링 시트의 위치를 위아래로 변경할 수 있는 구조나 쇼크 업소버 자체의 전체 길이를 조절할 수 있는 구조를 가지고 있다. 이를 통해 차고(자동차 높이)와 스프링의 초기 하중(프리로드)을 조정할 수 있는 쇼크 업소버이다. 줄여서 '차고조'(車高調|샤코초일본어)라고 부르기도 한다.주로 모터스포츠 등에서 스프링의 프리로드를 조정하거나, 앞뒤 차고 밸런스를 미세하게 조정하기 위해 사용되는 장치이다. 하지만 일반 운전자들 사이에서는 외형적인 자동차 튜닝의 일환으로 단순히 차고를 낮추는 것만을 목적으로 장착하는 경우도 있다.
스프링 프리로드를 변화시키는 조정 방식에는 크게 두 가지가 있다. 첫 번째는 쇼크 업소버의 바깥 부분과 스프링 시트에 나사산을 만들어, 스프링 시트를 회전시켜 위아래로 이동시키는 방법이다. 두 번째는 스프링과 스프링 시트 사이에 C자 형태의 스페이서를 삽입하는 방식이다. 어떤 방식을 사용하든 차고를 극단적으로 변경하면 프리로드가 크게 변하여 서스펜션의 초기 움직임 특성에 큰 영향을 미친다. 또한, 차체가 정지한 상태(1G)에서의 쇼크 업소버 길이(스트로크 센터)가 변하게 되어, 쇼크 업소버가 늘어나는 쪽과 줄어드는 쪽의 움직임(스트로크) 양의 비율이 달라진다. 예를 들어 차고를 낮추면 줄어드는 쪽 스트로크가 감소하고, 심한 경우에는 '바닥 접촉'(bottoming out) 현상이 발생할 수 있다. 반대로 차고를 높이면 늘어나는 쪽 스트로크가 감소하여, 극단적인 경우에는 '최대 신장'(topping out) 상태가 될 수 있다. 바닥 접촉이나 최대 신장 모두 스프링이 제 기능을 하지 못하게 만들어 차량의 거동에 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라, 차체나 쇼크 업소버에 강한 충격 하중을 가하게 된다.
쇼크 업소버의 전체 길이를 변화시켜 차고를 조정하는 방식도 있다. 이 방식은 쇼크 업소버의 바깥쪽에 원통형 브래킷이 씌워져 있고, 이 둘이 서로 나사산으로 결합되어 있는 구조이다. 이 경우, 스프링 프리로드와 차고를 각각 독립적으로 조정할 수 있다는 장점이 있지만, 무게가 더 무겁고 비용이 더 들며, 쇼크 업소버의 바깥 지름이 비교적 커지는 단점이 있다. 또한, 쇼크 업소버의 스트로크 센터 변화로 인한 바닥 접촉이나 최대 신장 문제는 해소될 수 있지만, 서스펜션 암의 가동 범위 제한이나 타이어와의 간섭 등 차체 자체의 구조적 한계 때문에 차고를 지나치게 조정하면 여전히 문제를 일으킬 가능성이 있다.
9. 오토바이에서의 이용
오토바이에서 완충기는 주행 중 노면의 충격을 흡수하여 승차감과 조종 안정성을 높이는 핵심 부품이다. 오토바이의 구조적 특성상 전륜과 후륜에 각기 다른 형태의 완충 시스템이 적용된다. 전륜에는 주로 포크 자체가 완충 기능을 수행하는 텔레스코픽 포크 방식이 사용되며, 후륜에는 스윙 암과 차체를 연결하는 별도의 쇼크 업소버가 장착되는 경우가 일반적이다. 이들은 오토바이의 종류와 성능에 따라 다양한 구조와 방식을 가진다.
9. 1. 전륜
오토바이의 프런트 서스펜션으로 널리 사용되는 텔레스코픽 포크 방식은, 전륜을 지지하는 포크 전체가 복통식 쇼크 업소버 구조를 가진다.
일반적인 쇼크 업소버의 통 부분에 해당하는 부품은 아우터 튜브, 피스톤 로드에 해당하는 부품은 이너 튜브라고 불린다. 스프링은 보통 이너 튜브 내에 삽입된다. 텔레스코픽 포크는 통상 이너 튜브가 위, 아우터 튜브가 아래인 정립식 구조가 많이 채용되지만, 이너 튜브를 아래, 아우터 튜브를 위에 배치하는 도립식 구조는 용수철 아래 하중을 줄일 수 있어 일부 고성능 오토바이에서 사용되고 있다.
텔레스코픽 포크 내부에는 전용 포크 오일 혹은 자동변속기 오일(ATF)이 봉입되어 있다. 포크 상단의 너트와 하단의 드레인 볼트를 제거하면 비교적 간단하게 오일을 교환할 수 있다. 이 구조에서는 포크 상부의 공기층이 탄성 요소(공기 스프링)로 작용하므로, 밸브나 포크 오일의 점도뿐만 아니라 포크 오일의 주입량을 조절하여 스프링 상수를 변화시킬 수 있다.
9. 2. 후륜
대부분의 오토바이 후륜은 스윙 암 또는 리어 암이라고 불리는 암 모양(팔 모양)의 부품에 액슬 샤프트로 고정되어 있다. 스윙 암과 차체는 크고 견고한 샤프트로 연결되며, 이 샤프트를 지점축으로 하여 상하로 스윙(흔들림)하는 구조로 되어 있으며[18], 이 스윙 암과 차체 사이에도 쇼크 업소버가 배치된다. 주행 중 후륜이 노면으로부터 받는 충격은 타이어가 흡수하는 외에도, 스윙 암을 통해 쇼크 업소버에 의해서도 흡수된다[18].후륜의 쇼크 업소버는 좌우에 1개씩 배치되는 트윈 쇼크 외에, 스윙 암의 근본 부근에 1개만 배치되는 모노 쇼크가 있다[19]. 트윈 쇼크는 예전부터 오토바이에서 채용되어 온 방식으로, 정비하기 쉬운 위치에 있다는 특징이 있다. 반대로 모노 쇼크는 1개이므로 차량 중량을 경량화할 수 있고, 트윈 쇼크와 같은 좌우 조절을 하지 않아도 된다는 특징이 있어[19], 각각 장단점이 있다.
10. 스티어링 댐퍼
스티어링 댐퍼는 쇼크 업소버의 일종으로 스티어링 휠의 움직임에 감쇠력이 작용하도록 사용된다. 오토바이의 경우, 고속 주행 시 스티어링 휠이 좌우로 진동하는 '''핸들 시미''' 현상을 방지하기 위해 프레임과 프론트 서스펜션 사이에 장착되는 경우가 있다. 4륜 자동차에서는, 노면의 기복이 심한 길을 주행하는 4륜 구동차 등에서, 노면으로부터 스티어링 휠에 가해지는 급격한 반력(킥백)을 완화할 목적으로 장착되는 경우가 있다.
11. 퍼포먼스 댐퍼
4륜 자동차나 이륜차에서 프레임에 발생하는 1mm도 안 되는 미세한 진동을 빠르게 감쇠시켜 승차감과 조작성을 향상시키기 위해 장착된다. 주요 제조사로는 다음과 같은 기업들이 있다.
12. 철도에서의 이용
철도 차량은 고속으로 운행하며 다양한 진동과 충격에 노출되기 때문에, 승차감 향상과 차량의 안정성 확보를 위해 완충기가 필수적으로 사용된다. 완충기는 주로 차량의 무게를 지지하고 주행 중 발생하는 진동을 흡수하는 대차 부분과, 차량 연결부 등에서 발생하는 충격을 완화하기 위해 차체 곳곳에 설치된다. 철도 차량에 사용되는 완충기의 구체적인 종류와 위치는 하위 문서를 참고할 수 있다.
12. 1. 대차와 그 주변
철도 차량의 대차에 사용되는 주요 댐퍼에 대한 자세한 내용은 철도 차량의 대차#댐퍼 문서를 참고할 수 있다. 대차와 주변에 사용되는 대표적인 댐퍼 종류는 다음과 같다.- 차축 댐퍼
- 베개 스프링 댐퍼
- 요 댐퍼
- 좌우동 댐퍼
12. 2. 차체
- 차단 댐퍼
- 차체 간 요 댐퍼
- 정면 전망차(메이테츠 7000계 전동차 등)의 충돌 피해 경감용 댐퍼
13. 주요 메이커
14. 가스 스프링
가스 스프링은 쇼크 업소버와 구조가 거의 비슷하지만, 스프링의 감쇠 장치는 아니다. 내부에 고압 가스를 채워 넣은 공기 스프링의 한 종류로, 기체가 팽창하는 힘을 이용해 기계 구조를 움직이는 동력원으로 사용된다. 가스 스트럿 또는 가스 실린더라고도 불린다[20].
주로 위로 들어 올리는 방식의 덮개나 문 등을 여는 장치에 사용된다. 가스압만으로는 움직이는 속도가 너무 빠르기 때문에, 공기가 드나드는 통로(포트)의 저항을 이용해 움직이는 속도를 늦추고 거의 일정하게 유지한다.
봉입된 기체의 압력 덕분에 본체 크기에 비해 큰 힘을 낼 수 있으며, 승합차나 해치백 차량처럼 위로 열리는 자동차 뒷문에 널리 쓰인다. 고급차에서는 본네트를 열어 지지하는 '본네트 댐퍼'로도 사용된다. 걸윙 도어나 토요타 세라 등에 채용된 들어 올리는 방식의 문에도 개폐를 보조하는 가스 스프링이 사용되고 있다. 또한, 의자 좌면의 높낮이를 조절하는 기구에도 사용된다.
다만, 시간이 지남에 따라 점차 가스 압력이 낮아져 문이나 본네트를 제대로 지지하는 능력을 잃을 수도 있다.
참조
[1]
서적
Automotive Handbook 4th Edition
Robert Bosch GmbH
1996
[2]
간행물
Springs - A simple study of car suspension
The Automotor Journal
1912-08-10
[3]
간행물
Some accessories to see at Olympia
The Automator Journal
1912-11-02
[4]
간행물
What a Chauffeur Expects to see at Olympia
The Automator Journal
1912-11-09
[5]
웹사이트
Nitrogen - Element information, properties and uses ! Periodic Table
https://www.rsc.org/[...]
2024-11-18
[6]
웹사이트
thyssenkrupp Bilstein - Entwicklung / Produkte - Konventionelle Dämpfer - 1-Rohr-Dämpfer (deCarbon-Prinzip)
http://www.thyssenkr[...]
2017-07-13
[7]
뉴스
Monotube shocks-- don't absorb shocks, but...
http://millingtoncen[...]
2014-01-01
[8]
문서
Shelton
[9]
뉴스
From F1 to Baja: Multimatic's Clever Spool-Valve Dampers Explained
http://blog.caranddr[...]
2017-07-19
[10]
뉴스
Damper and Awe: 6 Types of Automotive Dampers Explained - Feature
http://www.caranddri[...]
2017-07-19
[11]
특허
Hydraulic damper spool valve
http://www.google.co[...]
2014-08-12
[12]
웹사이트
Byass Shocks Part 1 – AccuTune Off-Road
https://accutuneoffr[...]
2024-06-14
[13]
서적
Dampers: Smoothing Out the Bumps
https://gallica.bnf.[...]
Orbis
1974
[14]
웹사이트
Understanding Car Shock Absorbers ! PartsHawk
https://partshawk.co[...]
2023-05-21
[15]
웹사이트
零戦の構造上級篇
http://www5d.biglobe[...]
2011-03-22
[16]
웹사이트
オートギャラリー - ショールームのご案内 - 三菱自動車の概要 - 企業情報 - MITSUBISHI MOTORS JAPAN
http://www.mitsubish[...]
2011-03-22
[17]
웹사이트
プジョー長崎 - ショックアブソーバー
https://nagasaki.peu[...]
2011-02-07
[18]
웹사이트
バイクのスイングアーム（リアアーム）の仕組みや清掃方法
https://www.goobike.[...]
グー
2024-11-30
[19]
웹사이트
バイクのサスペンション調整とは？ 基本のキ！
https://www.8190.jp/[...]
Bike Life
2024-11-30
[20]
웹사이트
ガススプリング
https://www.showa1.c[...]
쇼와
2019-05-10
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