현가장치

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 초기 현가장치
- 2.2. 현대적인 현가장치
3. 전륜 현가장치와 후륜 현가장치의 차이
4. 현가장치의 특성
5. 스프링과 댐퍼
6. 현가장치 종류
7. 기타
참조

1. 개요

현가장치는 차량의 바퀴와 차체 사이에 위치하여 충격을 흡수하고 승차감을 향상시키는 장치이다. 초기에는 소가 끄는 수레에 철사슬이나 가죽 스트랩을 사용했으며, 1750년경부터 판 스프링이 등장했다. 헨리 포드의 포드 모델 T는 토크 튜브와 판 스프링을 사용했고, 핫치키스 구동 방식은 1930년대부터 1970년대까지 미국 자동차에 널리 사용되었다. 현대에는 독립 현가장치와 멀티링크 서스펜션이 발달했다. 현가장치는 스프링 강성, 휠 레이트, 롤 레이트 등 다양한 특성을 가지며, 종속형과 독립형, 준독립형으로 분류된다. 최근에는 틸팅 현가장치, 로커 보기 메커니즘, 궤도 차량, 장갑전투차량 등 다양한 형태의 현가장치가 개발되어 사용되고 있다.

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현가장치
개요
명칭	현가 장치
영어 명칭	Car suspension
일본어 명칭	サスペンション
주요 기능	차량을 지지하고 차체를 안정된 자세로 유지 노면으로부터의 진동 및 충격을 완화하여 승차감 향상 타이어와 노면 간의 접지력을 확보하여 주행 성능 향상
구성 요소
스프링	코일 스프링 리프 스프링 토션바 에어 스프링
댐퍼 (쇼크 업소버)	오일 댐퍼 가스 댐퍼
링크 및 암	컨트롤 암 트레일링 암 스태빌라이저
기타 부품	너클 부싱 볼 조인트 마운트
주요 유형
종속 현가 장치	리지 액슬 서스펜션 드 디옹 서스펜션
독립 현가 장치	맥퍼슨 스트럿 서스펜션 더블 위시본 서스펜션 멀티링크 서스펜션 트레일링 암 서스펜션 세미 트레일링 암 서스펜션
기능별 분류
능동형 현가 장치	전자 제어 서스펜션 에어 서스펜션 유압 서스펜션
수동형 현가 장치	일반적인 기계식 서스펜션
추가 정보
관련 기술	롤 제어 피치 제어 요 제어
현가 장치 설계 고려 사항	승차감 조종 안정성 내구성 비용
현가 장치 튜닝	스프링 교체 댐퍼 교체 스태빌라이저 교체 서스펜션 지오메트리 조정

2. 역사

초기의 소가 끄는 수레의 현가장치는 플랫폼이 마차의 바퀴 달린 프레임에 부착된 철사슬에 매달려 흔들리는 것이었다. 17세기에는 철사슬이 thoroughbraces라고 불리는 가죽 스트랩으로 대체되었다.^[3] 이 시스템은 19세기 초까지 대부분의 현가장치 시스템의 기반으로 남아 있었지만, 현대 자동차 중에는 thoroughbrace 현가장치 시스템을 사용한 것은 없다.

철저한 브레이스 서스펜션을 보여주는 미국의 마차—차체 측면을 가로지르는 검은색 스트랩에 유의하십시오

약 1750년경부터 랜도와 같은 특정 유형의 마차에 판 스프링이 등장하기 시작했다.^[3] 19세기 중반까지는 타원형 스프링이 마차에 추가적으로 사용되기 시작했을 수 있다.

헨리 포드의 포드 모델 T는 이 힘을 제한하기 위해 토크 튜브를 사용했는데, 그의 차동 장치는 측면 판 스프링과 두 개의 가는 막대로 섀시에 부착되었다. 토크 튜브는 실제 드라이브 샤프트를 감싸고 엔진에 부착된 변속기의 맨 뒤쪽에 있는 볼 조인트에 힘을 가했다. 이와 유사한 방식이 1930년대 후반 뷰익에서 사용되었고, 1948년 허드슨의 '욕조 자동차'에서도 앞뒤 추력을 받을 수 없는 나선형 스프링을 사용했다.

핫치키스 구동 방식은 알베르 핫치키스가 발명했으며, 1930년대부터 1970년대까지 미국 자동차에서 가장 많이 사용된 후륜 서스펜션 시스템이었다. 이 시스템은 라이브 액슬의 차동 장치 앞뒤에 장착된 세로형 판 스프링을 사용한다. 이 스프링은 토크를 프레임에 전달한다. 당시 많은 유럽 자동차 제조업체의 비웃음을 샀지만, 제조 비용이 저렴했기 때문에 미국 자동차 제조업체는 이를 받아들였다. 또한, 연비 규제(CAFE) 표준이 시행되기 전까지 미국 승용차의 엄청난 무게로 인해 이 설계의 동적 결함이 억제되었다.

또 다른 프랑스인이 발명한 드 디옹 튜브는 때때로 "반독립식"이라고 불린다. 진정한 독립식 후륜 서스펜션과 마찬가지로, 이것은 차동 장치 중앙에서 각 바퀴까지 두 개의 유니버설 조인트 또는 그에 상응하는 것을 사용한다. 하지만 바퀴는 서로 완전히 독립적으로 상하로 움직일 수 없다; 차동 장치 주위, 아래 및 뒤쪽으로 가는 요크에 의해 연결된다. 이 방식은 미국에서 거의 사용되지 않았다. 1900년경의 사용은 아마도 빨리 마모되는 타이어의 품질이 좋지 않았기 때문일 것이다. 독립식 후륜 서스펜션과 마찬가지로 상당한 스프링되지 않은 중량을 제거하여 타이어 수명을 연장했다.

오늘날 후륜 구동 차량은 종종 상당히 복잡한 완전 독립식 멀티링크 서스펜션을 사용하여 후륜을 안전하게 배치하면서 적절한 승차감을 제공한다.

2. 1. 초기 현가장치

초기의 소가 끄는 수레의 현가장치는 플랫폼이 마차의 바퀴 달린 프레임에 부착된 철사슬에 매달려 흔들리는 것이었다. 17세기에는 철사슬이 thoroughbraces라고 불리는 가죽 스트랩으로 대체되었다.^[3] 이 시스템은 19세기 초까지 대부분의 현가장치 시스템의 기반으로 남아 있었지만, 현대 자동차 중에는 thoroughbrace 현가장치 시스템을 사용한 것은 없다.

약 1750년경부터 랜도와 같은 특정 유형의 마차에 판 스프링이 등장하기 시작했다.^[3] 19세기 중반까지는 타원형 스프링이 마차에 추가적으로 사용되기 시작했을 수 있다.

헨리 포드의 포드 모델 T는 이 힘을 제한하기 위해 토크 튜브를 사용했는데, 그의 차동 장치는 측면 판 스프링과 두 개의 가는 막대로 섀시에 부착되었다. 토크 튜브는 실제 드라이브 샤프트를 감싸고 엔진에 부착된 변속기의 맨 뒤쪽에 있는 볼 조인트에 힘을 가했다. 이와 유사한 방식이 1930년대 후반 뷰익에서 사용되었고, 1948년 허드슨의 '욕조 자동차'에서도 앞뒤 추력을 받을 수 없는 나선형 스프링을 사용했다.

핫치키스 구동 방식은 알베르 핫치키스가 발명했으며, 1930년대부터 1970년대까지 미국 자동차에서 가장 많이 사용된 후륜 서스펜션 시스템이었다. 이 시스템은 라이브 액슬의 차동 장치 앞뒤에 장착된 세로형 판 스프링을 사용한다. 이 스프링은 토크를 프레임에 전달한다. 당시 많은 유럽 자동차 제조업체의 비웃음을 샀지만, 제조 비용이 저렴했기 때문에 미국 자동차 제조업체는 이를 받아들였다. 또한, 연비 규제(CAFE) 표준이 시행되기 전까지 미국 승용차의 엄청난 무게로 인해 이 설계의 동적 결함이 억제되었다.

또 다른 프랑스인이 발명한 드 디옹 튜브는 때때로 "반독립식"이라고 불린다. 진정한 독립식 후륜 서스펜션과 마찬가지로, 이것은 차동 장치 중앙에서 각 바퀴까지 두 개의 유니버설 조인트 또는 그에 상응하는 것을 사용한다. 하지만 바퀴는 서로 완전히 독립적으로 상하로 움직일 수 없다; 차동 장치 주위, 아래 및 뒤쪽으로 가는 요크에 의해 연결된다. 이 방식은 미국에서 거의 사용되지 않았다. 1900년경의 사용은 아마도 빨리 마모되는 타이어의 품질이 좋지 않았기 때문일 것이다. 독립식 후륜 서스펜션과 마찬가지로 상당한 스프링되지 않은 중량을 제거하여 타이어 수명을 연장했다.

오늘날 후륜 구동 차량은 종종 상당히 복잡한 완전 독립식 멀티링크 서스펜션을 사용하여 후륜을 안전하게 배치하면서 적절한 승차감을 제공한다.

2. 2. 현대적인 현가장치

자동차는 초기에는 말이 끄는 차량의 자가 추진식 버전으로 개발되었으나, 말이 끄는 차량의 현가장치는 내연 기관의 고속 주행에 적합하지 않았다.^[4] 최초의 실용적인 스프링 현가장치는 고급 야금학적 지식과 기술, 산업혁명으로 가능해졌다.^[4] 오바디아 엘리엇(Obadiah Elliott)은 스프링 현가장치 차량에 대한 최초의 특허를 등록했다.^[4] 초기에는 판 스프링이 주로 사용되었으며, 고대 이집트 시대부터 공성병기에 사용되었다.^[5]

1902년에 촬영된 사진, 독특하게 감쇠된 서스펜션으로 레이스에서 우승한 '모스 머신(Mors Machine)'에 탑승한 앙리 푸르니에(Henri Fournier).

1901년, 모스(Mors)는 자동차에 쇼크 업소버를 최초로 장착했다.^[7] 1906년, 브러시 런어바웃(Brush Runabout)은 코일 스프링을 최초로 양산차에 적용했다.^[7] 오늘날 대부분의 자동차에는 코일 스프링이 사용된다. 1920년, 레이랜드 모터스(Leyland Motors)는 현가장치 시스템에 토션 바를 사용했다.

1922년, 란치아 람다(Lancia Lambda)는 독립 현가장치를 처음으로 선보였고, 1932년부터 대중화되었다.^[8] 오늘날 대부분의 자동차는 네 바퀴 모두에 독립 현가장치를 가지고 있다.

일반적인 자동차의 현가장치는 차축의 위치를 결정하는 현가장치 암, 차체 중량을 지탱하고 충격을 흡수하는 스프링, 스프링의 진동을 감쇠하는 쇼크업쇼버(댐퍼)로 구성된다. 서구에서는 스프링과 쇼크업쇼버가 일체형으로 된 부품을 '''코일오버'''(Coilover^영어)라고 부르기도 한다.

승용차에서는 저렴한 스트럿식 현가장치(맥퍼슨 스트럿식)가 가장 많이 사용된다. 승차감 향상이나 타이어 접지 조건, 차량 자세를 제어하기 위해 기하학적 자유도가 큰 더블 위시본식이나, 멀티링크식도 많이 사용된다. 현가장치의 특성은 사용되는 부품의 강도와 치수에 크게 의존한다. 일반적으로 “현가장치가 단단하다”고 표현되는 것은 차체 중량에 비해 스프링 상수가 높거나 댐퍼의 감쇠력이 높은 경우가 많다.

3. 전륜 현가장치와 후륜 현가장치의 차이

전륜 구동 자동차의 경우, 후륜 현가장치에는 제약이 거의 없어 다양한 리지드 액슬과 독립 현가 장치가 사용된다. 반면 후륜 구동 자동차의 경우, 후륜 현가장치에는 많은 제약이 있으며, 우수하지만 더 비싼 독립 현가 장치 배치의 개발이 어려웠다.

4. 현가장치의 특성

; 스프링 강성 (Spring rate)

스프링 강성(또는 서스펜션 강성)은 차량의 차고 또는 현가장치 스트로크 내 위치를 설정하는 구성 요소이다. 스프링이 압축되거나 늘어날 때 작용하는 힘은 길이의 변화에 비례한다. 스프링의 ''스프링 강성'' 또는 ''스프링 상수''는 스프링이 작용하는 힘의 변화를 스프링의 변형 변화로 나눈 값이다.

무거운 짐을 운반하는 차량은 차량이 최대 하중까지 내려가는 것을 방지하기 위해 종종 더 무거운 스프링을 사용한다. 무거운 스프링은 하중 조건이 더 중요한 성능 응용 프로그램에도 사용된다.

너무 단단하거나 너무 부드러운 스프링은 현가장치를 비효율적으로 만들어 차량을 도로로부터 제대로 분리하지 못한다. 일반적으로 정상보다 무거운 현가장치 하중을 경험하는 차량은 차량 무게에 대한 상한선에 가까운 스프링 강성을 가진 무겁거나 단단한 스프링을 가지고 있다. 이를 통해 차량은 하중의 관성으로 제어가 제한될 때 무거운 하중에서도 제대로 작동할 수 있다. 하중 운반용으로 제작된 빈 트럭을 타면 차량 무게에 비해 스프링 강성이 높기 때문에 승객에게 불편할 수 있다. 경주용 자동차도 무거운 스프링을 사용한다고 할 수 있으며, 불편할 정도로 울퉁불퉁할 것이다. 그러나 둘 다 무거운 스프링을 사용한다고 해도 경주용 자동차와 트럭의 실제 스프링 강성은 매우 다르다. 고급 승용차, 택시 또는 승객 버스는 승객이나 운전자의 편안함을 위해 부드러운 스프링을 사용한다고 설명할 수 있다. 마모되거나 손상된 스프링이 장착된 차량은 지면에 더 가까이 낮게 주행하며, 이는 현가장치에 사용할 수 있는 전체 압축량을 줄이고 차체 기울기량을 증가시킨다. 고성능 차량은 때때로 차량 무게와 하중 이외의 스프링 강성 요구 사항을 가질 수 있다.

; 휠 레이트 (Wheel rate)

휠 레이트는 바퀴에서 측정했을 때의 유효 스프링 상수를 의미하며, 스프링 자체의 스프링 상수와는 다르다. 휠 레이트는 일반적으로 스프링 상수와 같거나 상당히 작다.

일반적으로 스프링은 컨트롤 암, 스윙 암 또는 기타 피벗식 서스펜션 부재에 장착된다. 예를 들어 스프링 상수가 87.5 N/mm이고, 바퀴를 2.54cm 움직였을 때 스프링이 19.05mm 압축된다면, 레버 암 비율은 0.75:1이 된다. 휠 레이트는 이 비율의 제곱(0.5625)에 스프링 상수를 곱하여 계산하므로, 49.25 N/mm가 된다. 비율이 제곱되는 이유는 힘과 이동 거리 모두에 영향을 미치기 때문이다.

독립 현가장치에서는 휠 레이트 계산이 간단하다. 그러나 스트레이트 액슬과 같은 일부 비독립 현가장치 설계에서는 특별한 고려가 필요하다. 스트레이트 액슬의 경우, 전면 또는 후면에서 볼 때 휠 레이트를 측정할 수 있지만, 가속 또는 제동 시 측면에서 보면 피벗 포인트가 무한대에 있고 스프링은 바퀴 접지면과 직선상에 있게 된다. 따라서 코너링 시 유효 휠 레이트는 가속 및 제동 시와 다를 수 있다. 이러한 휠 레이트 변화는 스프링을 바퀴에 최대한 가깝게 배치하여 최소화할 수 있다.

휠 레이트는 차량의 스프러그 질량(sprung mass)과 비교되어 "승차감 레이트(ride rate)"와 서스펜션 고유 진동수 (흔히 "상하 진동(heave)"이라고도 함)를 생성하는 데 사용된다. 이는 차량 서스펜션의 강성과 이동 요구 사항에 대한 척도를 만드는 데 유용하다.

; 롤 레이트 (Roll rate)

롤 레이트는 차량의 승차감 레이트와 유사하지만, 횡방향 가속도를 포함하는 동작으로 인해 차량의 스프렁 질량이 롤(roll, 롤링)하는 경우에 해당한다.^[9] 차량 스프렁 질량의 롤 각도당 토크로 표현된다.^[9] 차량의 롤 레이트는 차량의 총 중량 이동량을 변경하지 않지만, 차량 차체를 통해 특정 차축에서 다른 차축으로 이동하는 중량의 속도와 비율을 변경한다. 일반적으로 차량의 차축에서 롤 레이트가 높을수록 해당 차축의 중량 이동 속도와 비율이 빨라진다.

롤 레이트는 차량의 스프렁 질량, 트랙 너비, 무게중심 높이, 스프링 및 댐퍼 레이트, 전후 롤 센터 높이, 안티롤 바 강성, 타이어 공기압/구조 등의 요인들의 영향을 받는다.^[9] 차량의 롤 레이트는 전후가 다를 수 있으며, 일반적으로 다르다. 이를 통해 차량의 과도 상태 및 정상 상태 핸들링을 조정할 수 있다.

2021년까지 일부 차량은 차고 조절식 에어 서스펜션과 적응형 댐퍼를 사용하여 다이내믹 롤 컨트롤을 제공했다.^[9]

; 롤 커플 비율 (Roll couple percentage)

롤 커플 비율은 차량의 전후 방향 횡방향 하중 전달 분포와 균형을 나타내는 지표이다. 이는 차량의 총 롤 레이트에 대한 각 차축의 유효 롤 휠 레이트의 비율이다. 안티롤 바나 다른 스프링을 사용하여 롤 커플 비율을 조정할 수 있다.

; 중량 이동 (Weight transfer)

코너링, 가속 또는 제동 중 하중 이동은 일반적으로 각 바퀴별로 계산되어 동일한 바퀴의 정적 하중과 비교된다.

총 하중 이동량은 휠베이스/트랙 너비, 중심 높이, 차량 질량, 그리고 가속도에 영향을 받는다.

하중 이동이 발생하는 속도와 하중이 이동하는 구성 요소는 롤센터 높이, 스프링 및 댐퍼 속도, 안티롤 바 강성, 서스펜션 링크의 운동학적 설계등 여러 요소에 의해 결정된다.

대부분의 일반적인 응용 분야에서 스프링, 댐퍼 및 안티롤 바와 같이 의도적으로 유연한 요소를 통해 하중이 이동하는 경우 하중 이동은 "탄성적"이라고 하며, A-암 및 토 링크와 같이 더 강성이 높은 서스펜션 링크를 통해 하중이 이동하는 경우 "기하학적"이라고 한다.

스프링에 의해 지지되지 않는 차량 부품의 무게를 기준으로 계산된다. 여기에는 타이어, 휠, 브레이크, 스핀들, 컨트롤 암 무게의 절반, 그리고 기타 부품이 포함된다. 이러한 부품들은 (계산 목적으로) 스프링 질량이 0인 차량에 연결된 것으로 가정한다. 그런 다음 동일한 동적 하중을 가한다.

코너링 시 전륜의 무게 이동은 총 전륜 스프링 하중량에 G-힘 , 전륜 스프링 하중 중심 높이를 곱하고 전륜 트랙 너비로 나눈 값과 같다. 후륜도 마찬가지이다.

스프렁 중량 이동(Sprung weight transfer)은 차량의 전체 중량이 아닌, 스프링에 실린 차량의 무게만으로 이동되는 중량을 의미한다. 이를 계산하려면 차량의 스프렁 중량(전체 중량에서 언스프렁 중량을 뺀 값), 전후 롤 센터 높이, 그리고 스프렁 중심 높이(롤 모멘트 암 길이 계산에 사용)를 알아야 한다. 전후 스프렁 중량 이동을 계산하려면 롤 커플 비율도 알아야 한다.

롤 축은 코너링 중 차량이 회전하는 전후 롤 센터를 지나는 선이다. 이 축에서 스프렁 중심까지의 거리가 롤 모멘트 암 길이이다. 총 스프렁 중량 이동은 G-힘 × 스프렁 중량 × 롤 모멘트 암 길이 ÷ 유효 트랙 너비와 같다. 전륜 스프렁 중량 이동은 롤 커플 비율 × 총 스프렁 중량 이동을 곱하여 계산한다. 후륜은 총 중량 이동에서 전륜 이동량을 뺀 값이다.

; 잭킹 힘 (Jacking forces)

잭킹 힘은 현가장치 링크가 받는 수직 힘 성분의 합이다. 롤센터가 지면 위에 있으면 이 합력은 스프렁 질량(sprung mass)을 들어올리고, 지면 아래에 있으면 압축하는 작용을 한다. 일반적으로 롤센터가 높을수록 잭킹 힘이 더 크게 작용한다.

; 기타 특성

현가장치는 작동 범위, 감쇠, 캠버 제어, 롤 센터 높이, 인스턴트 센터, 앤티다이브 및 앤티스쿼트, 유연성 및 진동 모드, 하중 레벨링, 고주파 충격으로부터의 격리, 스프링 하중 및 총 중량에 대한 기여, 공간 점유, 힘 분배, 공기 저항, 비용 등 다양한 특성을 가진다.^[10]^[11]
작동 범위(Travel)는 현가장치가 움직일 수 있는 최대 거리를 의미한다. 바퀴가 최하점 또는 최상점에 도달하면 심각한 제어 문제가 발생하거나 차량이 손상될 수 있다. 오프로드 차량은 "제한 스트랩(limiting straps)"을 사용하여 서스펜션의 아래쪽 작동 범위를 제한하고, "범퍼 스톱(bump-stop)"을 사용하여 서스펜션의 격렬한 "최하점 도달(bottoming)"로부터 차량을 보호한다.
감쇠(Damping)는 운동이나 진동을 제어하는 것으로, 주로 쇼크 업소버의 유압 게이트와 밸브를 통해 이루어진다. 감쇠는 차량 서스펜션의 이동 속도와 저항을 제어하며, 적절한 감쇠 수준을 통해 차량은 최소한의 시간 내에 정상 상태로 돌아간다.
캠버 제어(Camber control)는 휠의 이동, 차체 롤, 현가장치 처짐 등에 따른 캠버 변화를 제어하는 것을 의미한다. 일반적으로 타이어는 수직에서 -1°~ -2°의 캠버 각도에서 가장 잘 마모되고 제동한다. 전후 캠버의 미세한 변화는 핸들링을 미세 조정하는 데 사용될 수 있다.
롤 센터 높이(Roll center height)는 현가장치 인스턴트 센터 높이의 산물이며, 중량 이동 효과, 차체 롤, 전후 롤 강성 분포 분석에 사용된다. 일반적으로 스웨이 바를 조정하여 롤 강성 분포를 조정한다.
인스턴트 센터(Instant center)는 차륜과 타이어의 움직임에 따라 결정되는 가상의 회전 중심점이다. 타이어 힘 벡터의 한 요소가 순간 중심을 향할수록 현가장치의 움직임이 적어진다.
앤티다이브(Anti-dive) 및 앤티스쿼트(Anti-squat)는 제동 시 앞쪽이 급격히 내려앉는 정도와 가속 시 뒤쪽이 급격히 숙여지는 정도를 백분율로 나타내는 지표이다. 이는 코너링에서의 재킹 힘(jacking forces)과 마찬가지로 제동과 가속에 대한 상반되는 개념으로 생각할 수 있다.
유연성 및 진동 모드(Flexibility and vibration modes)는 현가장치 부품의 유연성이 고주파 진동 감쇠에 기여할 수 있음을 의미한다. 일부 현대 자동차에서는 고무 부싱이 주로 사용되지만, 오프로드 차량과 같이 높은 스트레스를 받는 현가장치에는 폴리우레탄 부싱을 사용하기도 한다.
하중 레벨링(Load levelling)은 하중에 따라 차량의 높이를 조절하는 기능이다. 셀프 레벨링 서스펜션은 서스펜션의 실린더를 팽창시켜 차대를 더 높이 들어올림으로써 이를 해결한다.
고주파 충격으로부터의 격리(Isolation from high frequency shock)는 고무 부싱 등을 사용하여 소음과 진동을 억제하는 것을 의미한다. 현가 장치 부품의 무게는 중요하지 않지만, 고주파수에서는 고무 부싱으로 분리된 부품들이 소음과 진동을 억제하는 다단계 필터 역할을 한다.
스프링 하중 및 총 중량에 대한 기여(Contribution to unsprung weight and total weight)는 알루미늄 휠과 현가장치 부품은 경량화에 기여한다.
공간 점유(Space occupied)는 현가장치 설계에 따라 차지하는 공간이 달라진다. 일반적으로 맥퍼슨 스트럿은 전륜구동 차량에 가장 컴팩트한 배치 방식으로 받아들여진다.
힘 분배(Force distribution)는 현가장치 부착부는 프레임 설계와 일치해야 함을 의미한다.
공기 저항(Air resistance)은 유선형 튜브나 차체 내부에 배치된 스프링/댐퍼 유닛은 공기 저항을 줄일 수 있음을 의미한다. 일부 현대식 차량은 공기역학 성능과 연비를 개선하기 위해 높이 조절식 서스펜션을 사용한다.
비용(Cost)은 생산 방식 개선에도 불구하고 항상 중요한 요소이다.

4. 1. 스프링 강성 (Spring rate)

스프링 강성(또는 서스펜션 강성)은 차량의 차고 또는 현가장치 스트로크 내 위치를 설정하는 구성 요소이다. 스프링이 압축되거나 늘어날 때 작용하는 힘은 길이의 변화에 비례한다. 스프링의 ''스프링 강성'' 또는 ''스프링 상수''는 스프링이 작용하는 힘의 변화를 스프링의 변형 변화로 나눈 값이다.

무거운 짐을 운반하는 차량은 차량이 최대 하중까지 내려가는 것을 방지하기 위해 종종 더 무거운 스프링을 사용한다. 무거운 스프링은 하중 조건이 더 중요한 성능 응용 프로그램에도 사용된다.

너무 단단하거나 너무 부드러운 스프링은 현가장치를 비효율적으로 만들어 차량을 도로로부터 제대로 분리하지 못한다. 일반적으로 정상보다 무거운 현가장치 하중을 경험하는 차량은 차량 무게에 대한 상한선에 가까운 스프링 강성을 가진 무겁거나 단단한 스프링을 가지고 있다. 이를 통해 차량은 하중의 관성으로 제어가 제한될 때 무거운 하중에서도 제대로 작동할 수 있다. 하중 운반용으로 제작된 빈 트럭을 타면 차량 무게에 비해 스프링 강성이 높기 때문에 승객에게 불편할 수 있다. 경주용 자동차도 무거운 스프링을 사용한다고 할 수 있으며, 불편할 정도로 울퉁불퉁할 것이다. 그러나 둘 다 무거운 스프링을 사용한다고 해도 경주용 자동차와 트럭의 실제 스프링 강성은 매우 다르다. 고급 승용차, 택시 또는 승객 버스는 승객이나 운전자의 편안함을 위해 부드러운 스프링을 사용한다고 설명할 수 있다. 마모되거나 손상된 스프링이 장착된 차량은 지면에 더 가까이 낮게 주행하며, 이는 현가장치에 사용할 수 있는 전체 압축량을 줄이고 차체 기울기량을 증가시킨다. 고성능 차량은 때때로 차량 무게와 하중 이외의 스프링 강성 요구 사항을 가질 수 있다.

4. 2. 휠 레이트 (Wheel rate)

휠 레이트는 바퀴에서 측정했을 때의 유효 스프링 상수를 의미하며, 스프링 자체의 스프링 상수와는 다르다. 휠 레이트는 일반적으로 스프링 상수와 같거나 상당히 작다.

일반적으로 스프링은 컨트롤 암, 스윙 암 또는 기타 피벗식 서스펜션 부재에 장착된다. 예를 들어 스프링 상수가 87.5 N/mm (500 lbs/inch)이고, 바퀴를 2.54cm (1인치) 움직였을 때 스프링이 19.05mm (0.75인치) 압축된다면, 레버 암 비율은 0.75:1이 된다. 휠 레이트는 이 비율의 제곱(0.5625)에 스프링 상수를 곱하여 계산하므로, 49.25 N/mm (281.25 lbs/inch)가 된다. 비율이 제곱되는 이유는 힘과 이동 거리 모두에 영향을 미치기 때문이다.

독립 현가장치에서는 휠 레이트 계산이 간단하다. 그러나 스트레이트 액슬과 같은 일부 비독립 현가장치 설계에서는 특별한 고려가 필요하다. 스트레이트 액슬의 경우, 전면 또는 후면에서 볼 때 휠 레이트를 측정할 수 있지만, 가속 또는 제동 시 측면에서 보면 피벗 포인트가 무한대에 있고 스프링은 바퀴 접지면과 직선상에 있게 된다. 따라서 코너링 시 유효 휠 레이트는 가속 및 제동 시와 다를 수 있다. 이러한 휠 레이트 변화는 스프링을 바퀴에 최대한 가깝게 배치하여 최소화할 수 있다.

휠 레이트는 차량의 스프러그 질량(sprung mass)과 비교되어 "승차감 레이트(ride rate)"와 서스펜션 고유 진동수 (흔히 "상하 진동(heave)"이라고도 함)를 생성하는 데 사용된다. 이는 차량 서스펜션의 강성과 이동 요구 사항에 대한 척도를 만드는 데 유용하다.

4. 3. 롤 레이트 (Roll rate)

롤 레이트는 차량의 승차감 레이트와 유사하지만, 횡방향 가속도를 포함하는 동작으로 인해 차량의 스프렁 질량이 롤(roll, 롤링)하는 경우에 해당한다.^[9] 차량 스프렁 질량의 롤 각도당 토크로 표현된다.^[9] 차량의 롤 레이트는 차량의 총 중량 이동량을 변경하지 않지만, 차량 차체를 통해 특정 차축에서 다른 차축으로 이동하는 중량의 속도와 비율을 변경한다. 일반적으로 차량의 차축에서 롤 레이트가 높을수록 해당 차축의 중량 이동 속도와 비율이 빨라진다.

롤 레이트는 차량의 스프렁 질량, 트랙 너비, 무게중심 높이, 스프링 및 댐퍼 레이트, 전후 롤 센터 높이, 안티롤 바 강성, 타이어 공기압/구조 등의 요인들의 영향을 받는다.^[9] 차량의 롤 레이트는 전후가 다를 수 있으며, 일반적으로 다르다. 이를 통해 차량의 과도 상태 및 정상 상태 핸들링을 조정할 수 있다.

2021년까지 일부 차량은 차고 조절식 에어 서스펜션과 적응형 댐퍼를 사용하여 다이내믹 롤 컨트롤을 제공했다.^[9]

4. 4. 롤 커플 비율 (Roll couple percentage)

롤 커플 비율은 차량의 전후 방향 횡방향 하중 전달 분포와 균형을 나타내는 지표이다. 이는 차량의 총 롤 레이트에 대한 각 차축의 유효 롤 휠 레이트의 비율이다. 안티롤 바나 다른 스프링을 사용하여 롤 커플 비율을 조정할 수 있다.

4. 5. 중량 이동 (Weight transfer)

코너링, 가속 또는 제동 중 하중 이동은 일반적으로 각 바퀴별로 계산되어 동일한 바퀴의 정적 하중과 비교된다.

총 하중 이동량은 휠베이스/트랙 너비, 중심 높이, 차량 질량, 그리고 가속도에 영향을 받는다.

하중 이동이 발생하는 속도와 하중이 이동하는 구성 요소는 롤센터 높이, 스프링 및 댐퍼 속도, 안티롤 바 강성, 서스펜션 링크의 운동학적 설계등 여러 요소에 의해 결정된다.

대부분의 일반적인 응용 분야에서 스프링, 댐퍼 및 안티롤 바와 같이 의도적으로 유연한 요소를 통해 하중이 이동하는 경우 하중 이동은 "탄성적"이라고 하며, A-암 및 토 링크와 같이 더 강성이 높은 서스펜션 링크를 통해 하중이 이동하는 경우 "기하학적"이라고 한다.

스프링에 의해 지지되지 않는 차량 부품의 무게를 기준으로 계산된다. 여기에는 타이어, 휠, 브레이크, 스핀들, 컨트롤 암 무게의 절반, 그리고 기타 부품이 포함된다. 이러한 부품들은 (계산 목적으로) 스프링 질량이 0인 차량에 연결된 것으로 가정한다. 그런 다음 동일한 동적 하중을 가한다.

코너링 시 전륜의 무게 이동은 총 전륜 스프링 하중량에 G-힘 , 전륜 스프링 하중 중심 높이를 곱하고 전륜 트랙 너비로 나눈 값과 같다. 후륜도 마찬가지이다.

스프렁 중량 이동(Sprung weight transfer)은 차량의 전체 중량이 아닌, 스프링에 실린 차량의 무게만으로 이동되는 중량을 의미한다. 이를 계산하려면 차량의 스프렁 중량(전체 중량에서 언스프렁 중량을 뺀 값), 전후 롤 센터 높이, 그리고 스프렁 중심 높이(롤 모멘트 암 길이 계산에 사용)를 알아야 한다. 전후 스프렁 중량 이동을 계산하려면 롤 커플 비율도 알아야 한다.

롤 축은 코너링 중 차량이 회전하는 전후 롤 센터를 지나는 선이다. 이 축에서 스프렁 중심까지의 거리가 롤 모멘트 암 길이이다. 총 스프렁 중량 이동은 G-힘 × 스프렁 중량 × 롤 모멘트 암 길이 ÷ 유효 트랙 너비와 같다. 전륜 스프렁 중량 이동은 롤 커플 비율 × 총 스프렁 중량 이동을 곱하여 계산한다. 후륜은 총 중량 이동에서 전륜 이동량을 뺀 값이다.

4. 6. 잭킹 힘 (Jacking forces)

잭킹 힘은 현가장치 링크가 받는 수직 힘 성분의 합이다. 롤센터가 지면 위에 있으면 이 합력은 스프렁 질량(sprung mass)을 들어올리고, 지면 아래에 있으면 압축하는 작용을 한다. 일반적으로 롤센터가 높을수록 잭킹 힘이 더 크게 작용한다.

4. 7. 기타 특성

현가장치는 작동 범위, 감쇠, 캠버 제어, 롤 센터 높이, 인스턴트 센터, 앤티다이브 및 앤티스쿼트, 유연성 및 진동 모드, 하중 레벨링, 고주파 충격으로부터의 격리, 스프링 하중 및 총 중량에 대한 기여, 공간 점유, 힘 분배, 공기 저항, 비용 등 다양한 특성을 가진다.^[10]^[11]
작동 범위(Travel)는 현가장치가 움직일 수 있는 최대 거리를 의미한다. 바퀴가 최하점 또는 최상점에 도달하면 심각한 제어 문제가 발생하거나 차량이 손상될 수 있다. 오프로드 차량은 "제한 스트랩(limiting straps)"을 사용하여 서스펜션의 아래쪽 작동 범위를 제한하고, "범퍼 스톱(bump-stop)"을 사용하여 서스펜션의 격렬한 "최하점 도달(bottoming)"로부터 차량을 보호한다.
감쇠(Damping)는 운동이나 진동을 제어하는 것으로, 주로 쇼크 업소버의 유압 게이트와 밸브를 통해 이루어진다. 감쇠는 차량 서스펜션의 이동 속도와 저항을 제어하며, 적절한 감쇠 수준을 통해 차량은 최소한의 시간 내에 정상 상태로 돌아간다.
캠버 제어(Camber control)는 휠의 이동, 차체 롤, 현가장치 처짐 등에 따른 캠버 변화를 제어하는 것을 의미한다. 일반적으로 타이어는 수직에서 -1°~ -2°의 캠버 각도에서 가장 잘 마모되고 제동한다. 전후 캠버의 미세한 변화는 핸들링을 미세 조정하는 데 사용될 수 있다.
롤 센터 높이(Roll center height)는 현가장치 인스턴트 센터 높이의 산물이며, 중량 이동 효과, 차체 롤, 전후 롤 강성 분포 분석에 사용된다. 일반적으로 스웨이 바를 조정하여 롤 강성 분포를 조정한다.
인스턴트 센터(Instant center)는 차륜과 타이어의 움직임에 따라 결정되는 가상의 회전 중심점이다. 타이어 힘 벡터의 한 요소가 순간 중심을 향할수록 현가장치의 움직임이 적어진다.
앤티다이브(Anti-dive) 및 앤티스쿼트(Anti-squat)는 제동 시 앞쪽이 급격히 내려앉는 정도와 가속 시 뒤쪽이 급격히 숙여지는 정도를 백분율로 나타내는 지표이다. 이는 코너링에서의 재킹 힘(jacking forces)과 마찬가지로 제동과 가속에 대한 상반되는 개념으로 생각할 수 있다.
유연성 및 진동 모드(Flexibility and vibration modes)는 현가장치 부품의 유연성이 고주파 진동 감쇠에 기여할 수 있음을 의미한다. 일부 현대 자동차에서는 고무 부싱이 주로 사용되지만, 오프로드 차량과 같이 높은 스트레스를 받는 현가장치에는 폴리우레탄 부싱을 사용하기도 한다.
하중 레벨링(Load levelling)은 하중에 따라 차량의 높이를 조절하는 기능이다. 셀프 레벨링 서스펜션은 서스펜션의 실린더를 팽창시켜 차대를 더 높이 들어올림으로써 이를 해결한다.
고주파 충격으로부터의 격리(Isolation from high frequency shock)는 고무 부싱 등을 사용하여 소음과 진동을 억제하는 것을 의미한다. 현가 장치 부품의 무게는 중요하지 않지만, 고주파수에서는 고무 부싱으로 분리된 부품들이 소음과 진동을 억제하는 다단계 필터 역할을 한다.
스프링 하중 및 총 중량에 대한 기여(Contribution to unsprung weight and total weight)는 알루미늄 휠과 현가장치 부품은 경량화에 기여한다.
공간 점유(Space occupied)는 현가장치 설계에 따라 차지하는 공간이 달라진다. 일반적으로 맥퍼슨 스트럿은 전륜구동 차량에 가장 컴팩트한 배치 방식으로 받아들여진다.
힘 분배(Force distribution)는 현가장치 부착부는 프레임 설계와 일치해야 함을 의미한다.
공기 저항(Air resistance)은 유선형 튜브나 차체 내부에 배치된 스프링/댐퍼 유닛은 공기 저항을 줄일 수 있음을 의미한다. 일부 현대식 차량은 공기역학 성능과 연비를 개선하기 위해 높이 조절식 서스펜션을 사용한다.
비용(Cost)은 생산 방식 개선에도 불구하고 항상 중요한 요소이다.

5. 스프링과 댐퍼

대부분의 기존 현가장치는 충격을 흡수하기 위해 수동 스프링을 사용하고 스프링의 움직임을 제어하기 위해 감쇠기(또는 쇼크업쇼버)를 사용한다.

몇몇 주목할 만한 예외로는 프랑스 제조업체 시트로엥(Citroën)에서 사용하는 가스 스프링과 감쇠 부품의 통합 장치로 취급될 수 있는 유압식 시스템과, 특히 미니(Mini)에 사용된 브리티시 모터 코퍼레이션(British Motor Corporation)에서 사용하는 하이드롤라스틱(hydrolastic), 하이드라가스(hydragas), 고무 콘 시스템이 있다.

초기부터 다양한 방식의 현가장치가 고안되어 실용화되었지만, 일반적인 자동차의 현가장치는 기본 구성으로 차축의 위치를 결정하는 현가장치 암, 차체 중량을 지탱하고 충격을 흡수하는 스프링, 스프링의 진동을 감쇠하는 쇼크업쇼버(댐퍼)로 구성된다. 서구에서는 스프링과 쇼크업쇼버가 일체형으로 된 부품을 '''코일오버'''라고 부르기도 한다.

승용차(특히 프런트)에서는 저렴한 스트럿식 현가장치(맥퍼슨 스트럿식)가 가장 많이 사용된다. 승차감 향상이나 타이어 접지 조건, 차량 자세(롤센터와 안티다이브, 안티스크웟 등)를 세밀하게 제어하기 위해 기하학적 자유도가 큰 더블 위시본식이나, 더욱 안정성을 확보하기 위해 멀티링크식도 많이 사용된다.

현가장치의 특성은 같은 방식이라도 일률적이지 않고, 사용되는 부품의 강도와 치수에 크게 의존한다. 일반적으로 “현가장치가 단단하다”고 표현되는 것은 차체 중량에 비해 스프링 상수가 높거나 댐퍼의 감쇠력이 높은 경우가 많다. 현가장치가 부드러운 쪽이 노면의 요철로 인한 충격을 흡수하기 쉬워 승차감을 중시하는 승용차에서는 현가장치가 부드럽게 설정되는 경향이 있으며, 스포츠카나 레이싱카와 같은 자동차에서는 선회 시나 가감속 시의 차체 움직임을 억제하기 위해 현가장치가 단단하게 설정되는 경향이 있다. 속칭 “현가장치가 늘어난다”고 표현되는 현상은 대부분 쇼크업쇼버의 감쇠력이 저하되거나, 현가장치 암의 축부에 사용되는 부시의 탄성이 상실됨으로써 발생한다.

5. 1. 수동 현가장치 (Passive suspensions)

대부분의 차량은 수동 스프링과 댐퍼를 사용하여 현가장치가 구성되어 있으며, 이를 수동 현가장치(passive suspensions)라고 한다.^[5]

대부분의 육상 차량은 다음과 같은 종류의 강철 스프링으로 지지된다.

판스프링 – 핫치키스(Hotchkiss), 카트(Cart), 또는 반타원 스프링이라고도 한다.^[5]
토션 바 서스펜션^[12]
코일 스프링^[13]

자동차 제조업체들은 강철 스프링의 고유한 한계(원치 않는 진동 발생)를 인식하고, 성능 향상을 위해 다른 유형의 현가 장치 재료 및 메커니즘을 개발했다.

고무 부싱^[14]
가압 가스 - 에어 스프링^[15]
가압 가스 및 유압 유체 - 유압식 서스펜션^[16] 및 오일 스트럿

쇼크 업소버(댐퍼)는 차량 스프링에 의한 상하 운동을 감쇠시킨다. 또한 바퀴, 허브, 차축, 그리고 때로는 브레이크와 차동 장치의 스프링 없는 무게가 타이어의 스프링성으로 인해 상하로 튀어 오르는 현상도 상당 부분 감쇠시켜야 한다.

5. 2. 반능동 및 능동 현가장치 (Semi-active and active suspensions)

반능동 및 능동 현가장치는 외부적으로 제어되며, 전자 제어 장치의 신호에 반응한다.^[17]

반능동 현가장치에는 에어 스프링, 전환식 쇼크 업소버, 다양한 자동 레벨링 솔루션, 유압식 서스펜션, 하이드롤라스틱 서스펜션, 하이드라가스 서스펜션과 같은 시스템이 포함된다. 도요타는 1983년 소아러에 전환식 쇼크 업소버를 도입했다.^[17] 델파이는 마그네토리올로지 유체로 채워진 쇼크 업소버를 판매하여 밸브 전환 없이 가변 제어를 가능하게 한다.

완전한 능동형 서스펜션 시스템은 차량 상태를 전자적으로 모니터링하고, 현가장치의 동작을 실시간으로 변경하여 차량의 움직임을 직접 제어한다. 로터스는 1982년부터 여러 프로토타입을 개발하여 포뮬러 원에 도입했으나, 현재는 금지되었다. 닛산은 1990년경 저대역폭 능동형 서스펜션을 도입했고, 시트로엥은 하이드라액티브 등 여러 능동형 서스펜션 모델을 개발했다. 보스는 2009년에 선형 전기 모터를 사용하는 완전 능동형 시스템을 발표했다.^[18]^[19]^[20]^[21]^[22] 메르세데스는 1999년 메르세데스-벤츠 CL-클래스에 액티브 바디 컨트롤이라는 능동형 서스펜션 시스템을 도입했다.

보스, Laurentiu Encica 교수, 미쉐린 등에서 다양한 전자기 서스펜션을 개발했다.^[23]

제어 시스템의 도움으로 다양한 반능동형/능동형 서스펜션은 차량의 바운스, 롤, 피치 및 워프 모드 간의 설계 타협을 개선하지만, 비용, 패키징, 무게, 신뢰성 등의 문제로 응용이 제한된다.

5. 3. 상호 연결 현가장치 (Interconnected suspensions)

영국 자동차 공사(British Motor Corporation)는 상호 연결 서스펜션을 조기에 채택한 회사 중 하나이다.^[25] 상호 연결은 기계식, 유압식, 공압식과 같은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 안티롤 바는 기계식 상호 연결의 전형적인 예 중 하나이다.^[24]

1948년 시트로엥 2CV는 전후방 기계식 상호 연결 현가장치를 장착한 최초의 대량 생산 자동차였다. 2CV의 서스펜션은 매우 부드러웠으며, 리딩 암/트레일링 암 스윙 암, 전후 연결 서스펜션 시스템과 함께 차체 내부 전면 브레이크는 기존의 코일 스프링 또는 리프 디자인보다 훨씬 작은 스프링되지 않은 무게를 가졌다. 상호 연결은 범프 위로 앞바퀴를 편향시키는 힘의 일부를 전달하여 같은 쪽 뒷바퀴를 아래로 밀었다. 뒷바퀴가 잠시 후 그 범프를 만났을 때, 그것은 반대로 같은 동작을 하여 차량을 전후로 수평하게 유지했다.^[25]

영국 자동차 공사는 ''하이드롤라스틱'' 시스템을 1962년 모리스 1100에 도입했다. ''하이드롤라스틱''은 서스펜션 엔지니어 알렉스 몰턴이 개발했으며, 각 측면의 서스펜션 유닛은 유체로 채워진 파이프로 서로 연결되어, 도로 범프의 힘을 같은 쪽의 다른 바퀴로 전달했다. 몰턴은 영국 레이랜드를 위해 ''하이드롤라스틱''을 대체할 ''하이드라가스''를 개발했다. ''하이드라가스''는 1973년 오스틴 알레그로에 도입되어 여러 모델에 사용되었으며, 2002년 MG F가 마지막으로 사용한 차량이다.^[25]

호주 회사 Kinetic은 다양한 수동 또는 반능동 시스템으로 일부 성공을 거두었으며, 1999년 Tenneco에 인수되었다. 카탈루냐 회사 [http://www.creuat.com Creuat]는 단동 실린더를 기반으로 한 더 간단한 시스템 설계를 고안했다.^[24]

전후 전쟁 후 팩카드 모델 중 일부에도 상호 연결 서스펜션이 장착되었다.

6. 현가장치 종류

현가 장치 시스템은 크게 종속형과 독립형의 두 가지로 분류할 수 있다. 이 용어는 서로 반대쪽 바퀴가 서로 독립적으로 움직일 수 있는 능력을 나타낸다.^[26]

뒤에서 본 일반적인 유형; 순서대로: 와트 링크가 있는 리브 액슬, 슬라이딩 필러, 스윙 액슬, 더블 위시본 서스펜션, 맥퍼슨 스트럿. (트레일링 암 링크와 같은 요소와 유연한 요소는 생략됨.)

'''종속 현가장치'''는 일반적으로 바퀴를 서로 평행하게 그리고 액슬에 수직으로 유지하는 빔 액슬(단순한 '카트' 액슬) 또는 (구동) 리브 액슬을 가지고 있다. 한 바퀴의 캠버가 변하면 반대쪽 바퀴의 캠버도 같은 방식으로 변한다(관례적으로 한쪽에서는 캠버의 양의 변화이고, 다른 쪽에서는 음의 변화이다). 드 디옹 현가 장치도 바퀴를 단단히 연결하기 때문에 이 범주에 속한다.
'''독립 현가장치'''는 바퀴가 반대쪽 바퀴에 영향을 주지 않고 자체적으로 상승하고 하강할 수 있도록 한다. 스웨이 바와 같이 바퀴를 어떤 식으로든 연결하는 다른 장치가 있는 현가 장치도 여전히 독립형으로 분류된다.
'''준종속 현가장치'''는 세 번째 유형이다. 이 경우 한 바퀴의 움직임이 다른 바퀴의 위치에 영향을 주지만 서로 단단히 부착되어 있지는 않다. 트위스트 빔 후면 현가 장치가 그러한 시스템이다.

현가 방식은 크게 차축 현가(리지드 액슬(固定車軸)), 독립 현가(인디펜던트 서스펜션), 캔틸레버 방식(토션빔 방식)으로 분류된다. 단순한 완충 기능에 머무르지 않고, 외력에 대해 차량의 자세를 능동적으로 제어하고 안정시키는 시스템으로 능동 현가와 반능동 현가가 있다. 반대로, 기존의 현가 장치는 수동 현가(パッシブサスペンション)라고 불리게 되었다.

6. 1. 종속 현가장치 (Dependent suspensions)

종속 현가장치는 좌우 바퀴가 차축(액슬)으로 연결되어 서로 영향을 주는 방식이다. 마차 시대부터 이어져 내려오는 긴 역사를 가지고 있으며, 빔 액슬(beam axle) 또는 리브 액슬(live axle)을 사용한다.

링크 시스템에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.

새첼 링크(Satchell link)
판하르트 로드(Panhard rod)
왓트 링크(Watt's linkage)
WOBLink
머프먼드 링크(Mumford linkage)
판스프링(Leaf spring)(횡방향 또는 종방향)

전륜구동 후륜구동 차량에서 종속형 후륜 서스펜션은 차동 장치가 액슬에 장착되는지 여부에 따라 "라이브 액슬" 또는 드 디옹 액슬(deDion axle)로 구분된다. 라이브 액슬은 더 간단하지만 언스프렁 중량이 휠 바운스에 기여한다. 드 디옹식 서스펜션은 차축이 아닌 차체에 디퍼렌셜을 장착한 것이다.

종속형 서스펜션은 일정한 캠버를 보장하고, 차량 무게에 비해 많은 하중을 지탱하며, (비용 및 단순성을 위해) 능동형 서스펜션을 사용하지 않는 차량에서 가장 일반적이다. 대형 자동차, 상용차, 크로스컨트리 차량에서 채용 사례가 많으며, 특히 그 구동륜에 사용된다. 과거에는 일반적인 승용차에서도, 특히 후륜에 많이 사용되었지만, 대부분 후륜 구동에서 전륜 구동으로 바뀌면서 다른 방식으로 바뀌었고, 후륜 구동인 차종에서도 순차적으로 독립 현가방식으로 교체되고 있다.

차축 현가방식을 세분화하면 다음과 같이 분류된다.

링크식 서스펜션
리프식 서스펜션
드 드 디온식 서스펜션

6. 2. 독립 현가장치 (Independent suspensions)

독립 현가장치(Independent Suspension)는 좌우 바퀴가 독립적으로 움직이는 방식이다. 좌우 바퀴가 독립적으로 작동하기 때문에 스프링 하중이 가벼워 승차감과 노면 추종성이 뛰어나다. 또한, 차축의 요동 공간이 필요 없어 프레임이나 실내 바닥을 낮출 수 있다. 특히 구동륜에 사용하는 경우 디퍼렌셜과 드라이브 샤프트가 차축에 가해지기 때문에 이러한 장점이 더욱 두드러진다.

독립 현가장치는 스포츠카와 레이싱카뿐만 아니라 일반 승용차, 중형 이하 화물차, 일부 관광버스·고속버스 등에도 채택된다. 승용차의 경우, FF와 FR 모두 상급차나 고급차는 리어 서스펜션에도 독립 현가장치가 많이 사용된다.

다양한 독립 현가 시스템에는 다음이 포함된다.

스윙 액슬
슬라이딩 필러
맥퍼슨 스트럿/채프먼 스트럿
상하 A암 (더블 위시본)
멀티링크 서스펜션
세미 트레일링 암 서스펜션
스윙 암

바퀴가 회전, 제동 및 다양한 하중 조건에서 평평한 도로 표면에 수직으로 유지되도록 제한되지 않기 때문에 휠 캠버 제어는 중요한 문제다. 스윙 암은 부드럽게 스프링이 장착되고 큰 하중을 지탱할 수 있는 소형차에 흔히 사용되었는데, 이는 캠버가 하중과 무관하기 때문이다. 일부 능동 및 반능동 현가 장치는 차고, 따라서 캠버를 하중과 무관하게 유지한다. 스포츠카에서는 회전 시 최적의 캠버 변화가 더 중요하다.

위시본과 멀티링크는 엔지니어가 스윙 액슬, 맥퍼슨 스트럿 또는 스윙 암보다 최상의 절충안을 얻기 위해 기하학을 더 잘 제어할 수 있게 해준다. 그러나 비용 및 공간 요구 사항이 더 클 수 있다. 세미 트레일링 암은 스윙 암과 스윙 액슬의 기하학적 구조 사이의 가변적인 절충안이다.

6. 3. 준독립 현가장치 (Semi-independent suspension)

반독립 현가장치에서는 차축의 바퀴들이 독립 현가처럼 서로 상대적으로 움직일 수 있지만, 한 바퀴의 위치가 다른 바퀴의 위치와 자세에 영향을 준다. 이러한 영향은 하중 하에서 현가장치 부품의 비틀림이나 처짐을 통해 발생한다.

가장 일반적인 반독립 현가장치는 트위스트빔이다. 토션빔 현가장치는 좌우의 바퀴가 비틀림(토션)을 허용하는 빔으로 연결된 구조로, 독립 현가장치만큼은 아니지만, 차축 현가보다 좌우 바퀴에 자유도가 주어져 있다. 주로 전륜구동차(FF차)의 후륜이나 트레일러 등에 채용되며, 특히 FF가 많은 경차나 소형차의 후륜용으로 많이 사용된다.

7. 기타

7. 1. 틸팅 현가장치 시스템 (Tilting Suspension System)

'''틸팅 현가장치 시스템'''^[27](또는 '''리닝 현가장치 시스템'''으로도 알려짐)은 기존 현가장치 시스템에 틸팅 또는 리닝 메커니즘을 추가한 기술이다.

이러한 현가장치 시스템은 주로 독립 현가장치(예: 맥퍼슨 스트럿, A암(더블 위시본))으로 구성된다. 이러한 현가장치 시스템에 추가적으로 현가장치 시스템과 차체(섀시)를 연결하는 틸팅 또는 리닝 메커니즘이 있다.

틸팅 현가장치 시스템은 차량의 안정성, 구동력, 회전 반경, 승차감을 향상시킨다. 오른쪽이나 왼쪽으로 회전할 때 차량에 탑승한 승객이나 물체는 곡률 반지름 바깥쪽으로 향하는 구심력 또는 관성력을 느끼게 된다. 이것이 이륜차(오토바이) 운전자가 회전할 때 곡률 중심으로 기울이는 이유이며, 이는 안정성을 향상시키고 전복 가능성을 줄인다. 하지만 기존 현가장치 시스템을 갖춘 2륜 이상의 차량은 지금까지 이렇게 할 수 없었기 때문에 승객은 바깥쪽 관성력을 느껴 승차감과 안정성이 떨어졌다. 이러한 틸팅 현가장치 시스템이 이 문제에 대한 해결책이다. 도로에 캔트 또는 뱅킹이 없더라도 이 현가장치 시스템을 사용하면 편안함에 영향을 미치지 않고, 차량이 기울어지고 무게 중심의 높이가 낮아져 안정성이 향상된다. 이 현가장치는 놀이용 차량에도 사용된다.

일부 열차도 속도를 높이기 위해 틸팅 현가장치를 사용한다(틸팅 열차).

7. 2. 로커 보기 메커니즘 (Rocker bogie mechanism)

'''로커-보기''' 시스템은 후행암에 아이들러 휠이 장착된 현가장치이다. 구동부와 종속부 사이의 관절 작용으로 인해 이 현가장치는 매우 유연하며, 매우 험준한 지형에 적합하다. 이러한 현가장치는 ''큐리오시티'' 탐사차에 사용되었다.

7. 3. 궤도 차량 (Tracked vehicles)

일부 차량은 지면에 고정된 긴 레일 트랙 위를 주행하고, 트랙터, 설상차, 탱크와 같이 일부 차량은 차량의 일부인 궤도 위를 주행한다. 두 가지 유형 모두 주행 경로를 부드럽게 하고 지면 압력을 줄이는 데 도움이 된다.

7. 4. 장갑전투차량 현가장치 (Armoured fighting vehicle suspension)

기갑전투차량은 특수한 현가장치를 필요로 한다. 70톤이 넘는 무게를 지탱하며, 험준하거나 무른 지형에서도 최대한 빠르게 움직여야 한다. 또한 현가장치 부품은 지뢰나 대전차무기와 같은 외부 공격에도 견딜 수 있어야 한다.^[28]

제1차 세계 대전 초기 전차는 고정 현가장치를 사용했지만, 이후 판스프링이나 코일스프링을 이용한 현가장치가 개발되었다. 1930년대에는 크리스티 현가장치가 개발되어 차량 내부에 코일스프링을 사용할 수 있게 되었다. T-34 전차는 크리스티 현가장치를 기반으로 설계되었다.^[28]

호르스트만 현가장치는 벨크랭크와 외부 코일스프링을 결합한 방식으로, M3 리/그랜트, M4 셔먼 전차에 사용되었다. 제2차 세계 대전까지 널리 사용된 또 다른 유형은 토션 바 현가장치로, 차체 내부의 막대를 비틀어 스프링 힘을 얻는 방식이다. 토션 바 현가장치는 크리스티 현가장치보다 작동 범위가 좁은 경우도 있었지만, 더 작은 공간을 차지하여 차체 내부에 더 많은 공간을 확보할 수 있게 해주었다. 이 덕분에 더 큰 포탑 링을 설치하여 더 강력한 주무장을 장착할 수 있었다. 토션 바 현가장치는 충격 흡수 장치를 포함하여 제2차 세계 대전 이후 주요 장갑차 현가장치로 자리 잡았다. 다만, 토션 바는 바닥 아래나 근처에 공간을 차지하여 전차의 높이를 낮추는 데 제약이 될 수 있다.^[28]

M3 Grant 전차의 현가장치는 바퀴 받침대 또는 보기(bogie)에 장착된 도로 바퀴를 가지고 있습니다.

바퀴 작동 범위와 스프링 강성은 승차감과 거친 지형 통과 속도에 영향을 미친다. 부드러운 승차감은 이동 중 사격 정확도를 높이고, 광학 장비 및 기타 장비에 대한 충격을 줄여준다. 스프링되지 않은 무게와 궤도 링크 무게는 도로에서의 속도를 제한하고 궤도 및 기타 부품의 수명에 영향을 줄 수 있다.^[28]

제2차 세계 대전 당시 대부분의 독일 반궤도차량과 팬터 전차와 같은 전차들은 중첩되거나 엇갈리는 로드휠(roadwheel)을 사용하여 하중을 고르게 분산시켰다. 이는 속도, 항속 거리, 궤도 수명 연장에 기여하고 추가적인 보호 기능을 제공했다. 그러나 진흙, 모래, 바위, 눈, 얼음 등에서의 작동 시 유지 보수 요구 사항과 비용 문제로 인해 전쟁 이후에는 사용되지 않았다. 바위나 얼어붙은 진흙이 중첩된 바퀴 사이에 끼어 회전을 방해하거나 손상을 입히는 경우가 발생했고, 내부 로드휠이 손상되면 접근하기 위해 다른 로드휠을 제거해야 하는 등 정비가 복잡하고 시간이 오래 걸렸다.^[28]

무한궤도로 주행하는 차량은 건설기계, 농기계, 전차 등에 사용된다. 건설기계나 농기계는 비용 및 정비성 문제로 인해 속도를 타협하고 일반적으로 현가장치를 갖추지 않는다. 전차는 개발 초기에는 현가장치가 없거나 거의 없었지만, 불규칙 지형에서의 기동성 향상을 위해 리프 스프링, 코일 스프링, 크리스티 현가장치, 토션 바 스프링, 유압기압식 등 다양한 현가장치가 개발되었다. 캐터필러 주행장치는 엔진 토크를 전달하는 구동륜, 유도륜, 하중을 분산시키는 지지륜으로 구성된다. 전투차량에서는 구동륜에 현가장치를 장착하면 구조가 복잡해지므로, 구동륜과 유도륜은 높은 위치에 설치하고 지지륜에만 현가장치를 장착한다.

최근에는 전투차량이 급조폭발물(IED) 공격을 받는 경우가 많아짐에 따라, 차체는 견뎌도 승무원이 충격으로 사상하는 위험을 줄이기 위해 좌석에 완충 기능을 갖추는 추세이다.

7. 5. 자동차 이외의 현가장치

캡오버형 대형화물자동차는 차축 서스펜션 외에 프레임과 캐빈 사이에 완충장치를 설치한 '''캡 서스펜션'''을 갖춘 것이 많다. 캡 서스펜션에는 코일 스프링이나 에어 서스펜션, 유압 서스펜션 방식 등이 사용되며, 차축 서스펜션의 내하중 성능 강화와 승차감 향상이라는 상반되는 요소를 양립하기 위해 채택되고 있다.^[29] 엔진 출력이나 적재량에 비해 휠베이스가 짧은 견인차의 트랙터에서는 캐빈의 피칭을 억제할 수 있다.

트럭, 버스, 사륜구동차, 건설기계, 농업기계 등에서는 운전석이 완충장치로 지지되는 '''서스펜션 시트'''가 채택된 것도 있다. 운전자의 임의로 스프링의 프리로드를 조정할 수 있으며, 필요 없는 경우에는 잠금(고정)할 수 있다.

오토바이에 사용되는 서스펜션은 대부분 스프링과 쇼크 업소버(댐퍼)가 일체형 ''서스펜션 유닛(쿠션 유닛)''으로 되어 있다. 자동차와 비교하면 오토바이에서는 서스펜션 스프링의 신축에 의한 차체의 피칭이 크고, 이것에 의한 조종 특성에 대한 영향이 크다. 오토바이에서는 전륜측과 후륜측에서 서로 다른 서스펜션 형식을 채용하는 경우가 대부분이다. 오토바이 전륜 서스펜션은 '''텔레스코픽 포크'''(テレスコピックフォーク)라 불리는 형식이 채택되고 있다. 텔레스코픽 포크는 간단한 구조로 부품 수를 줄여 만들 수 있지만, 포크에 대해 직각 방향의 하중에 약하고, 제동 시 등에 포크의 스트로크가 커지면(앞으로 쏠리면) 캐스터 각의 변화가 커지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 '''보텀 링크식'''이나 '''텔레레버식''' 등의 형식도 채택되고 있다. 초기 오토바이에는 후륜에 완충 장치가 없는 차종이 많았고, 대신 안장에 스프링이 부착된 경우도 많았다. 현재는 거의 모든 차종에서 스윙암 방식이 채용되고 있다.

철도 차량에서도 궤도(레일)에 대한 추종성, 차량의 안정성, 승차감 및 소음 저감을 목적으로 서스펜션이 탑재되어 있지만, 자동차와 달리 조향 장치가 필요 없고, 전후 어느 방향으로도 같은 속도로 운전되기 때문에, 자동차와는 구조가 다르다. 트롤리 등에서는 현가 장치가 없는 것이 보이지만, 이 경우는 좌우 바퀴가 독립적으로 회전할 수 있도록 하여 바퀴가 레일 위로 올라가는 것을 방지하고 있다. 철도의 초기에는 기관차 이외의 객차나 화차는 이축차였으며, 차축의 지지 방식은 대차틀에 고정된 축받이(페데스탈)를 위치 결정에 사용하고, 완충에는 중첩 판 스프링을 사용했다. 그 후, 차량의 대형화와 고속화가 진행됨에 따라 고정 차축으로는 대응할 수 없게 되어 보기 대차가 탄생했다. 공기 스프링 대차의 개발・연구 성과로서, 레일 대한 바퀴의 추종성은 축받이를 지지하는 축 스프링이 담당하고, 승차감에 관해서는 대차와 차체 사이에 있는 완충 장치가 담당하는 것이 명확해졌기 때문에, 여객 차량에서는 우등차부터 일반차에 이르기까지 완충 장치에 공기 스프링을 채용하는 것이 일반화되었다.^[30] 신칸센에서는 고속 주행 시 차량의 안정화를 위해, JR 서일본의 500계 차량에서는 능동 서스펜션을 도입하여 300 km/h의 운행을 실현했다.

자전거에서 험한 노면을 달리는 산악 자전거나 다운힐 경기용 다운힐 자전거에는 서스펜션을 장착한 모델이 많으며, 일부 하이브리드 자전거에도 장착되어 있다. 앞뒤 바퀴 모두 서스펜션을 가진 프레임 구성을 '''풀 서스펜션''', 앞바퀴에만 서스펜션을 가진 것을 '''하드테일'''이라고 한다. 반면, 서스펜션 기구를 추가함으로써 차체 무게가 증가하고 구성 부품에 드는 비용이 증가하기 때문에, 저렴한 자전거나 경량성이 요구되는 로드 레이서 등에서는 서스펜션을 장착하지 않는 것이 일반적이다.

주로 사무용 의자에서 사람의 신체가 닿는 부분의 표면에 쿠션성과 통기성을 겸비하는 목적으로 탄성 수지로 만든 그물 모양의 천을 사용하는 경우가 있다. 이러한 천을 서스펜션 패브릭(suspension fabric)이라고 부르며, 이 천을 사용한 의자는 SF 체어(SF chair) 또는 메시 체어(mesh chair)라는 이름으로 불린다.

건축물 외장재의 일종인 커튼월에는 가로 2m, 세로 4~5m 정도의 대형 유리가 사용된다. 일반적인 유리창에서는 유리의 무게가 창틀 아랫부분에서 지지되지만, 커튼월용 대형 유리의 무게를 창틀 아랫부분만으로 지지하는 것은 시공성 및 비용 면에서 용이하지 않다. 따라서 유리 상단을 매달이쇠로 끼워 상부 구조체의 보나 슬래브에 고정하여 유리의 무게를 분담함으로써 문제를 해결하고 있다. 이러한 건축 공법을 서스펜션 공법이라고 한다.

참조

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_[5] 웹사이트 Suspension Basics 3 - Leaf Springs http://www.initialda[...] 2015-01-29
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_[13] 웹사이트 Suspension Basics 5 - Coil Springs http://www.initialda[...] 2015-01-29
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_[16] 웹사이트 Suspension Basics 9 - Hydropneumatic Springs http://www.initialda[...] 2015-01-29
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_[18] 웹사이트 Bose Sells Off Its Revolutionary Electromagnetic Suspension https://www.extremet[...] 2020-01-29
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_[20] 웹사이트 Bose's Revolutionary Adaptive Suspension Gets a Reboot for 2019 https://www.digitalt[...] 2020-01-29
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_[24] 웹사이트 Kinetic Suspension Technology http://www.kinetic.a[...] Kinetic
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_[26] 웹사이트 How Car Suspensions Work https://auto.howstuf[...] 2020-02-06
_[27] 특허 Leaning vehicle with tilting front wheels and suspension therefor US 8317207 B2 https://patents.goog[...]
_[28] 서적 Encyclopedia of German Tanks of World War Two
_[29] 웹사이트 トラック豆知識2 http://www.tochigi-h[...] 栃木日野自動車株式会社
_[30] 기타