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맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션

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목차

1. 개요

맥퍼슨 스트럿 서스펜션은 1940년대 얼 S. 맥퍼슨에 의해 고안된 자동차 서스펜션의 한 종류이다. 1950년 포드 콘술에 처음 적용되었으며, 공간 효율성이 뛰어나고 부품 수가 적어 중형 이하 승용차의 전륜 서스펜션으로 널리 사용된다. 장점으로는 차체 설계의 자유도가 높고, 휠의 큰 상하 이동에도 트레드 변화가 적다는 점 등이 있으며, 단점으로는 코너링 시 캠버 각 변화를 설정하기 어렵고, 롤 센터 설정의 자유도가 낮다는 점 등이 있다. 맥퍼슨 스트럿은 평행 링크, 듀얼 링크, 리버스 A 암, 채프먼 스트럿 등 다양한 변형이 존재한다.

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맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션
개요
맥퍼슨 스트럿 서스펜션의 다이어그램
맥퍼슨 스트럿 서스펜션의 다이어그램
종류자동차 서스펜션
발명가얼 맥퍼슨
발명 년도1940년대 후반
상세 정보
특징간결한 구조
가벼운 무게
제조 비용 절감
장점설계 단순성
저렴한 비용
경량
컴팩트한 디자인
핸들링 용이
단점승차감 저하 가능성
소음 발생 가능성
쇽 업소버의 마모
킹핀 오프셋 문제
작동 원리
역할스프링 지지
댐핑 기능 제공
스티어링 축 역할
구조쇽 업소버와 코일 스프링 결합
작동 방식바퀴의 움직임에 따라 쇽 업소버가 압축 및 팽창하여 충격 흡수
적용 분야
주요 적용 차량소형차
중형차
전륜구동 차량
기타 적용 차량일부 후륜구동 차량의 전륜 서스펜션
역사
개발 배경차량 경량화 및 생산 비용 절감 필요성 증가
초기 적용1950년대 초 포드의 차량에 처음 적용
발전다양한 설계 변경 및 개선
성능 향상을 위한 연구 개발 지속
추가 정보
다른 서스펜션과의 비교더블 위시본 서스펜션: 맥퍼슨 스트럿보다 복잡하고 비싸지만, 더 나은 성능 제공
멀티링크 서스펜션: 승차감과 핸들링 성능 향상에 유리
주의사항정기적인 점검 및 유지보수 필요

2. 역사

얼 S. 맥퍼슨이 개발한 맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션은 1950년 포드의 영국 자회사인 브리티시 포드의 콘설에 처음으로 적용되어 자동차 업계에 큰 영향을 주었다. 이후 소형차를 중심으로 유럽 전역으로 확산되었으며, 1960년대 횡치 엔진 방식의 전륜구동 차량이 개발되면서 공간 절약의 이점으로 인해 더욱 널리 보급되었다. 1965년 일본 혼다의 혼다 L700/P700 전륜에 처음으로 맥퍼슨 스트럿과 유사한 방식이 적용되었고, 1966년 토요타 카롤라 전륜에 코일 스프링 안에 댐퍼를 배치한 원래의 맥퍼슨 스트럿이 적용되어 일본에서도 빠르게 확산되었다.

2. 1. 개발 배경

맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션의 원형은 1940년대 미국의 자동차 기술자 얼 S. 맥퍼슨(1891-1960)에 의해 고안되었다.[1] 특허는 1947년에 출원되었다. 맥퍼슨은 제너럴 모터스(GM)에서 일하면서 이 서스펜션을 고안했지만, GM은 이미 실적이 있는 더블 위시본 식 독립 현가 장치를 신뢰하여 그의 제안을 받아들이지 않았다.[17] 여기에는 1934년형 쉐보레에 듀보네 독립 현가를 채택했다가 실패한 경험도 영향을 미쳤다.

GM의 냉대에 불만을 품은 맥퍼슨은 포드로 이직하여 자신의 아이디어를 제안했다. 포드는 소형차에 적합하다고 판단하여 자회사인 영국의 브리티시 포드의 신형 차량에 맥퍼슨 스트럿을 도입하기로 결정했다.

1950년, 브리티시 포드의 1500cc 세단 '콘설(Consul/MK1)'(Consul/MK1영어)이 발표되었다. 이 차량은 전륜 독립 현가 장치로 맥퍼슨 스트럿을 채택하여, 당시 자동차 업계에 큰 충격을 주었다.

이후 맥퍼슨 스트럿 방식은 유럽의 다른 자동차 제조사에도 퍼져나갔다. 1960년대 이후 횡치 엔진 방식의 전륜(前輪) 구동 차량이 개발되면서, 공간을 절약할 수 있는 스트럿 식 독립 현가 장치의 보급은 더욱 가속화되었다.

1965년에는 일본의 혼다에서 생산된 혼다 L700/P700의 전륜에 처음으로 맥퍼슨 스트럿과 유사한 방식이 적용되었으며, 1966년에 등장한 초대 토요타 카롤라의 전륜에는 코일 스프링 안에 댐퍼를 배치한 원래의 맥퍼슨 스트럿이 적용되어 이후 일본에서도 널리 확산되었다.

오늘날에는 특별한 이유가 없는 한, 많은 중형 이하의 승용차가 프런트 서스펜션에 스트럿 식을 채용하고 있다.

2. 2. GM에서의 좌절과 포드로의 이적

얼 S. 맥퍼슨은 1945년 쉐보레의 소형차 프로젝트 수석 엔지니어로 임명되어, 전후 시장을 위한 새롭고 더 작은 자동차 개발 임무를 맡았다. 이 노력은 쉐보레 캐데트(Chevrolet Cadet)로 이어졌다.[1] 1946년까지 제작된 세 대의 쉐보레 캐데트 프로토타입은 현재 맥퍼슨 스트럿으로 알려진 획기적인 새로운 독립 현가 장치를 포함한 광범위한 혁신을 보여주었다. 그러나 1947년에 제너럴 모터스(GM)는 캐데트의 예상 이윤에 대한 우려로 프로젝트를 취소했다.[1]

GM은 이미 실적이 있는 더블 위시본 식 독립 현가 장치를 신뢰하여 맥퍼슨의 제안을 고려하지 않았고, 초기 독립 현가 방식 중 하나인 듀보네 독립 현가를 채용했다가 실패한 경험도 இதற்கு 영향을 주었다.

GM의 냉담함에 불만을 품은 맥퍼슨은 GM을 떠나 포드에 합류했다.[1] 1947년 (GM에 대한 특허)[2]과 1949년 (포드에 대한 특허)[3]가 출원되었으며, 후자의 특허[4]는 1920년대 중반 FIAT의 귀도 포르나카의 설계를 인용했다.[5][6] 포드는 소형 구조가 소형차에 적합하다고 판단하여 자회사인 영국의 브리티시 포드의 신형차에 맥퍼슨 스트럿을 도입하기로 결정했다.

2. 3. 포드 콘설과 제퍼의 채택

맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션은 1940년대 미국의 자동차 기술자 얼 맥퍼슨(Earl Steele MacPherson, 1891-1960)에 의해 고안되었다.[1] 맥퍼슨은 제너럴 모터스(GM)에서 일하면서 이 서스펜션을 고안했지만, GM은 이미 실적이 있는 더블 위시본 식 독립 현가 장치를 신뢰하여 맥퍼슨의 제안을 고려하지 않았다.[17]

GM의 냉담함에 불만을 품은 맥퍼슨은 포드로 이직하여 이 아이디어를 제안했다. 포드도 처음에는 이 새로운 방식을 미국 본국의 대형차에 사용하는 것을 주저했지만, 컴팩트한 구조가 소형차에 적절하다고 판단하여 자회사인 영국의 브리티시 포드의 신형 차량에 도입하기로 결정했다.

1950년, 브리티시 포드는 모던하고 기능적인 플래시 사이드 바디와 신형 엔진, 그리고 전륜 독립 현가 장치로 맥퍼슨 스트럿을 채용한 1500cc 살롱 '포드 콘설'을 발표했다. 보수성이 강한 영국제 살롱 중에서는 혁명적이었던 콘설의 메커니즘 중에서도, 그 간결하고 컴팩트한 전륜 독립 현가는 당시 위시본 식 독립 현가 장치가 다수를 차지하고 있던 자동차계에 큰 영향을 주었다.

이 방식은 유럽의 다른 메이커에도 소형차를 중심으로 퍼져 나갔다. 1960년대 이후 횡치 엔진 방식의 전륜(前輪) 구동 차량이 개발되기 시작하자, 공간을 절약할 수 있는 스트럿 식 독립 현가 장치의 보급에도 박차가 걸렸다.

맥퍼슨 스트럿을 사용한 최초의 양산차는 1950년 포드 콘설과 이후의 포드 제퍼였다.

2. 4. 세계적인 확산과 한국 자동차 산업으로의 도입



맥퍼슨 스트럿 방식은 유럽의 다른 자동차 제조사에도 소형차를 중심으로 퍼져 나갔다. 특히 1960년대 이후 횡치 엔진 방식의 전륜구동 차량이 각국에서 개발되기 시작하면서, 공간 절약에 유리한 스트럿식 독립 현가장치의 보급에 박차가 가해졌다.[1]

1965년 일본 혼다는 혼다 L700/P700 상용차 전륜에 맥퍼슨 스트럿 방식을 처음 적용했지만, 댐퍼와 코일 스프링을 분리한 독특한 형태였다. 1966년 토요타는 초대 토요타 카롤라 전륜에 코일 스프링 안에 댐퍼를 배치한 원래의 맥퍼슨 스트럿을 적용했고, 이후 유럽과 마찬가지로 일본에서도 빠르게 확산되었다.

오늘날 전륜구동 방식은 승용차의 주류 구동 방식이 되었으며, 특별한 이유가 없는 한 많은 중형 이하 승용차가 프런트 서스펜션에 스트럿 방식을 채택하고 있다.

3. 설계 및 구조

맥퍼슨 스트럿은 모노코크 차체 구조의 도입으로 이점을 얻었다. 모노코크 차체는 설계상 상당한 수직 공간과 강력한 상단 마운트가 필요하며, 이를 제공할 수 있기 때문이다. 또한 서스펜션의 스트레스를 분산시킨다.[14] 스트럿은 차체를 지지하는 코일 스프링과 스트럿 내부에 장착된 카트리지 형태의 쇼크 업소버를 모두 포함한다 (코일오버 참조). 스트럿에는 조향 암이 하부 외부에 내장될 수 있다. 전체 어셈블리는 매우 간단하며 장치로 사전 조립할 수 있다. 상부 제어 암이 제거되어 엔진룸의 폭이 넓어져 소형차, 특히 대부분의 전륜 구동 차량과 같이 횡 배치 엔진이 장착된 차량에 유용하다. 필요한 경우 반동 방지 바(토션 바)를 반경 암으로 대체하여 어셈블리를 더욱 단순화할 수 있다.[14] 이러한 이유로 저가 제조업체에서 거의 보편화되었다. 또한 서스펜션 지오메트리를 설정하는 쉬운 방법을 제공한다.[15]

많은 현대 버전에서는 하부 제어 암을 위시본으로 대체한다. 반동 방지 바는 선택 사항이며, 있을 경우 스프링-댐퍼에 볼 조인트 로드로 부착되거나 위시본에 볼 또는 탄성 조인트 로드로 부착된다.

장점은 다음과 같다.


  • 휠 하우스 상부에 지지점을 가지고 업라이트(또는 허브 캐리어, 너클)과 강결된 테레스코픽식 쿠션 유닛과 섀시 바닥의 래터럴 링크만의 L자형 구성으로, 차체 전후 방향으로의 돌출물이 없어, 승용차의 설계 자유도가 높다.
  • 래터럴 링크는 길이를 확보하기 쉬운 아래쪽만 있으므로, 휠의 큰 상하 이동에도 트레드 변화가 적다.
  • 쿠션 유닛이 수직에 가깝고 길기 때문에 휠의 큰 이동 거리를 얻을 수 있다.
  • 구성 요소의 섀시 측 지지점이 휠 하우스 최정점과 플로어 바닥의 2점뿐이며, 양쪽의 간격이 커서 섀시에 응력이 분산된다.


단점은 다음과 같다.

  • 선회 시 발생하는 원심력으로 선회 바깥쪽 휠이 원심 방향으로 기울면, 업라이트에 테레스코픽식 쿠션 유닛이 강결되어 있기 때문에, 쿠션 유닛은 바깥쪽으로 굽혀져서 슬라이딩 저항이 커져 움직임이 방해받는다.
  • 쿠션 유닛과 업라이트가 강결되어 있기 때문에, 휠 상하 이동에 대해 캠버 각이 변화하여, 선회 시 타이어의 이상적인 접지를 얻기 어렵다.
  • 휠 하우스 전체가 멤버가 되므로 상응하는 강성이 필요하며, 그것이 부족한 경우에는 좌우의 정점을 교량 형태로 강결해야 한다.
  • 휠의 림 폭이 넓어지면 쿠션 유닛을 안쪽으로 기울여 간섭을 피해야 하며, 휠 하우스 정점에서는 지지점을 얻을 수 없으므로, 대형차나 고출력차에서는 적용하기 어렵다.

3. 1. 기본 구성

맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션의 기본 구조는 완충기에 스프링과 차륜을 붙인 형태이며, 이를 '스트럿'이라고 부른다. 스트럿만으로는 차축의 위치를 결정할 수 없기 때문에 차축 아래쪽에 로워 암(트랜스 버스 링크)을 달아 차체에 고정한다.[14]

이 방식은 앞바퀴와 뒷바퀴 모두에 이용할 수 있지만, 뒷바퀴용의 경우 로워 암의 전후폭을 넓게 하거나 2개로 구성된 경우가 많다(패러렐 링크 식). 이는 뒷바퀴에는 조타용 지지봉이 없어, 차체와 허브 측 각각 1점씩만 지지하면 수직축 주위의 모멘트에 저항하지 못하므로 2점 지지가 필요하기 때문이다. 지지축에 경사를 주어 스트로크 시 토우 각 변화를 발생시켜, 이것을 적극적으로 조종 특성에 이용할 수도 있다.

맥퍼슨 스트럿은 겹판 스프링 또는 보조 링크에 의해 안정화된 상당한 압축 링크를 사용하며, 이는 휠의 허브 캐리어나 차축에 장착 지점을 제공한다. 하부 암 시스템은 휠의 측면 및 종 방향 위치를 모두 제공한다. 허브 캐리어의 상단 부분은 스트럿 자체의 외부 하단 부분에 단단히 고정된다. 이는 차량의 차체 쉘에 장착 지점까지 직접 위로 뻗어 있는 내부 부분을 따라 위아래로 미끄러진다. 스트럿의 상단 마운트에서 제어 암의 하단 볼 조인트까지의 선은 조향 축 경사를 제공한다. 스트럿의 축은 타이어를 비켜가기 위해 하단에서 조향 축에서 안쪽으로 기울어질 수 있으며, 이는 조향 시 하단이 호를 그리도록 한다.

일반 차량에 많이 채용되는 스트럿 식은 더블 위시본 식과 같이 지오메트리 변경이 용이하지 않지만, 상대적으로 적은 부품으로 구성되므로 비용 절감이 용이하여 대량 생산 차량 전용 서스펜션 형식이라고 할 수 있다.[14]

맥퍼슨 스트럿은 모노코크 차체 구조의 도입으로 이점을 얻었다. 모노코크 차체 구조는 설계상 상당한 수직 공간과 강력한 상단 마운트가 필요하며, 이를 제공할 수 있기 때문이다. 또한 서스펜션의 스트레스를 분산시킨다.[14] 스트럿은 일반적으로 차체를 지지하는 코일 스프링과 스트럿 내부에 장착된 카트리지 형태의 쇼크 업소버를 모두 포함한다 (코일오버 참조). 스트럿은 또한 조향 암이 하부 외부 부분에 내장될 수 있다. 전체 어셈블리는 매우 간단하며 장치로 사전 조립될 수 있다. 상부 제어 암이 제거되어 엔진룸의 폭이 넓어져 소형차, 특히 대부분의 전륜 구동 차량과 같이 횡 배치 엔진이 장착된 차량에 유용하다. 필요한 경우 반동 방지 바(토션 바)를 반경 암으로 대체하여 어셈블리를 더욱 단순화할 수 있다.[14] 이러한 이유로 저가 제조업체에서 거의 보편화되었다. 또한 서스펜션 지오메트리를 설정하는 쉬운 방법을 제공한다.[15]

많은 현대 버전에서는 하부 제어 암을 위시본으로 대체한다. 반동 방지 바는 선택 사항이며, 있는 경우 스프링-댐퍼에 볼 조인트 로드로 부착되거나 위시본에 볼 또는 탄성 조인트 로드로 부착된다.

3. 2. 특징

이 방식의 구조는 앞서 서술한 대로 완충기에 스프링과 차륜을 붙인 것이며, 이것을 '스트럿'이라 부른다. 하지만 그것만으로는 차축의 위치를 결정할 수 없기 때문에 차축 쪽(아래쪽)에 로워 암(트랜스 버스 링크)를 달아 차체에 고정한다.[14]

이 방식은 앞바퀴와 뒷바퀴 모두에 이용할 수 있지만, 뒷바퀴용의 경우 로워 암의 전후폭을 넓게 하거나 2병렬 구조로 된 경우가 많다(패러렐 링크 식). 이는 뒷바퀴에는 4륜 조향과 같은 특수한 경우가 아니라면 조타용 지지봉이 없기 때문에, 차체와 허브 쪽 각각 1점씩만 지지한 경우 수직축 주위의 모멘트에 저항하지 못하므로, 2점 지지가 필요하게 되기 때문이다. 지지축에 경사를 줘 스트로크 시 토우 각 변화를 발생시켜, 이것을 적극적으로 조종 특성에 이용할 수도 있다.

일반 차량에 많이 채용되는 스트럿 식은 더블 위시본 식과 같이 지오메트리 변경이 쉽지 않지만, 상대적으로 적은 부품들로 구성되므로 비용 절감이 용이하여 대량 생산 차량 전용 서스펜션 형식이라고 할 수 있다.[14]

  • 장점
  • * 휠 하우스 상부에 지지점을 가지고 업라이트(또는 허브 캐리어, 너클)과 강결된 테레스코픽식 쿠션 유닛과 섀시 바닥의 래터럴 링크만의 L자형 구성으로, 차체 전후 방향으로의 돌출물이 없어, 승용차의 설계 자유도가 높다.
  • * 래터럴 링크는 길이를 확보하기 쉬운 아래쪽만 있으므로, 휠의 큰 상하 이동에도 트레드 변화가 적다.
  • * 쿠션 유닛이 수직에 가깝고 길기 때문에 휠의 큰 이동 거리를 얻을 수 있다.
  • * 구성 요소의 섀시 측 지지점이 휠 하우스 최정점과 플로어 바닥의 2점뿐이며, 양쪽의 간격이 커서 섀시에 응력이 분산된다.
  • 단점
  • * 선회 시 발생하는 원심력으로 선회 바깥쪽 휠이 원심 방향으로 기울면, 업라이트에 테레스코픽식 쿠션 유닛이 강결되어 있기 때문에, 쿠션 유닛은 바깥쪽으로 굽혀져서 슬라이딩 저항이 커져 움직임이 방해받는다.
  • * 쿠션 유닛과 업라이트가 강결되어 있기 때문에, 휠 상하 이동에 대해 캠버 각이 변화하여, 선회 시 타이어의 이상적인 접지를 얻기 어렵다.
  • * 휠 하우스 전체가 멤버가 되므로 상응하는 강성이 필요하며, 그것이 부족한 경우에는 좌우의 정점을 교량 형태로 강결해야 한다.
  • * 휠의 림 폭이 넓어지면 쿠션 유닛을 안쪽으로 기울여 간섭을 피해야 하며, 휠 하우스 정점에서는 지지점을 얻을 수 없으므로, 대형차나 고출력차에서는 적용하기 어렵다.

3. 3. 더블 위시본 방식과의 관계

맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션은 더블 위시본 식에 비해 지오메트리 변경이 쉽지 않지만, 부품 수가 적어 비용 절감에 유리하다. 따라서 대량 생산 차량에 주로 사용되는 서스펜션 형식이다. 학문적으로는 더블 위시본 식의 변형으로, 스트럿의 차체 설치점을 포함한 경사면이 더블 위시본 식 서스펜션의 어퍼 암 길이를 무한대로 늘린 것과 같다.[14] 이 때문에 스트럿 식 서스펜션의 지오메트리 설정 자유도는 고무 부시 변형을 제외하면 로워 암의 길이와 각도에 따라 결정된다.

현대에는 하부 제어 암 대신 위시본을 사용하는 경우가 많다. 반동 방지 바는 선택 사항이며, 있을 경우 스프링-댐퍼에 볼 조인트 로드로 부착되거나 위시본에 볼 또는 탄성 조인트 로드로 부착된다.[15]

4. 장점 및 단점

맥퍼슨 스트럿은 쇼크 업소버에 스프링과 바퀴를 결합한 '스트럿'과 로어 암(트랜스버스 링크)을 차체에 고정하는 구조이다. 앞바퀴와 뒷바퀴 모두에 사용 가능하며, 뒷바퀴는 로어 암을 넓히거나 2개로 구성하는 경우가 많다(패러럴 링크 방식). 이는 뒷바퀴에 조향용 타이로드가 없어 차체와 허브 지지점만으로는 수직축 중심 모멘트에 저항할 수 없기 때문이다. 지지축 경사를 통해 스트로크 시 토우 각 변화를 유도하여 조종 특성에 활용할 수 있다.

일반 차량에 많이 쓰이는 스트럿 방식은 더블 위시본 서스펜션처럼 지오메트리 변경은 어렵지만, 부품 수가 적어 경비 절감에 유리하여 양산차에 적합하다.

장점과 단점을 요약하면 다음과 같다.

'''장점'''


  • 구조가 간단하고 부품 수가 적어 생산 비용이 저렴하다.
  • 공간 효율성이 좋아 엔진룸 공간을 확보하기 유리하다.
  • 휠의 상하 이동 거리가 크고, 트레드 변화가 적다.


'''단점'''

  • 캠버 각 변화를 정밀하게 제어하기 어렵다.
  • 선회 시 롤 강성이 낮아 핸들링 성능이 저하될 수 있다.
  • 휠 하우스에 큰 강성이 요구된다.
  • 고성능 차량이나 대형차에는 적용하기 어렵다.

4. 1. 장점


  • 휠 하우스 상부에 지지점을 가지고 업라이트(또는 허브 캐리어, 너클)와 강결된 테레스코픽식 쿠션 유닛과 섀시 바닥의 래터럴 링크만으로 구성된 L자형 구조로, 차체 전후 방향으로 돌출부가 없어 승용차 설계 자유도가 높다.
  • 래터럴 링크는 길이를 확보하기 쉬운 아래쪽에만 있으므로, 휠의 큰 상하 이동에도 트레드 변화가 적다.
  • 쿠션 유닛이 수직에 가깝고 길어서 휠의 큰 이동 거리를 확보할 수 있다.
  • 구성 요소의 섀시 측 지지점이 휠 하우스 최정점과 플로어 바닥 두 곳뿐이며, 양쪽의 간격이 커서 섀시에 응력이 분산된다.

4. 2. 단점

더블 위시본 서스펜션은 코너링 중 힘이 서스펜션 암에만 작용하지만, 맥퍼슨 스트럿은 스트럿 자체가 힘을 받아 휘어 변형되는 단점이 있다. 이 때문에 코너링 중 쇼크 업소버의 움직임이 구속되어 부드럽게 움직이지 않는다. 이를 상쇄하기 위해 코일 스프링과 쇼크 업소버의 축을 기울이거나 오프셋시키는 방식이 주로 사용된다.[1]

맥퍼슨 스트럿 방식의 다른 단점은 다음과 같다.[1]

  • 서스펜션이 가라앉을 때 캠버 변화를 임의로 설정하기 어렵다.[1]
  • 스트럿 윗부분 설치는 '타워' 형태인데, 서스펜션 강성 확보를 위해 타워를 굵게 만들어야 해서 엔진룸, 캐빈, 짐칸 공간을 많이 차지한다.[1]
  • 혼다 어코드, 시빅, 메르세데스 E-클래스처럼 전면 충돌 구조와 함께 설계되어 소규모 오버랩 충돌 테스트 통과가 더 어렵다. 하지만 이들은 충돌 성능 향상을 위해 스트럿을 채택했다.[1]
  • 설계가 단순하여 마모될 조인트가 적어 시간이 지나도 핸들링과 스티어링 감각 저하가 덜하다.[1]
  • 포르쉐 911 GT3, 케이맨 GT4, 스바루 임프레자 WRX STI처럼 뒤집힌 모노튜브 스트럿은 전면 서스펜션에 추가 강성을 제공한다.[1]
  • 포르쉐 911, 박스터와 같은 후방/미드 엔진 자동차에서 전면 화물 공간을 확보하는 데 유리하다.[1]


맥퍼슨 스트럿의 롤 센터 찾기


기하학적 분석에 따르면, 맥퍼슨 스트럿은 캠버 각도 변화나 측면 이동 없이는 바퀴의 수직 이동을 허용할 수 없다. 엔지니어가 캠버 변화와 롤 센터를 선택할 자유가 적어 더블 위시본 서스펜션이나 멀티 링크 서스펜션만큼 핸들링이 좋지 않다.[1] 승차 높이 조절 자동차는 캠버 변화 때문에 맥퍼슨 스트럿을 사용할 수 없다.[1] 충격 흡수 장치가 바퀴와 거의 같은 수직 움직임을 가지므로 씰의 스틱션을 깨뜨릴 레버리지가 적어 승차감이 떨어진다.[1] 또한, 표준 단일 피벗 맥퍼슨 스트럿은 스티어링 축 중심이 전면 타이어 중심에서 벗어나 토크 스티어를 유발한다.[1]

이러한 단점에도 불구하고, 맥퍼슨 스트럿은 서스펜션 이동 거리가 작아 운동학적 문제가 적기 때문에 일부 고성능 자동차에 여전히 사용된다.[1]

최근 제너럴 모터스와 포드는 "Hi-Per Strut"과 "리보너클"이라는 수정된 스트럿 설정을 도입, 스트럿을 상하 유연성과 스티어링 역학을 처리하는 두 구성 요소로 분할했다. 이는 더 큰 표면 접촉과 토크 스티어 감소 효과가 있지만, 무게와 비용이 증가한다. 하지만 더블 위시본이나 멀티 링크 설정보다는 저렴하다.[1] 혼다는 "듀얼 액시스"라는 변형된 스트럿 설정을 시빅 타입 R에 사용한다.[1] 맥퍼슨 스트럿의 또 다른 변형은 더블 피벗 프론트 서스펜션으로, 로어 위시본을 두 개로 분할하여 스티어링 기하학 및 스크럽 반경을 제어하고 더 큰 브레이크를 장착할 수 있게 한다.[1]

  • 선회 시 원심력으로 바깥쪽 휠이 기울면, 업라이트에 강하게 고정된 쿠션 유닛이 바깥쪽으로 굽혀져 슬라이딩 저항이 커지고 움직임이 방해받는다.
  • 쿠션 유닛과 업라이트가 강하게 고정되어 휠 상하 이동에 대해 캠버 각이 변하여 선회 시 타이어 접지력이 떨어진다.
  • 휠 하우스 전체가 멤버가 되어 강성이 필요하며, 부족할 경우 좌우 정점을 강하게 연결해야 한다.
  • 휠 림 폭이 넓어지면 쿠션 유닛을 안쪽으로 기울여 간섭을 피해야 하는데, 휠 하우스 정점에서 지지점을 얻을 수 없어 대형차나 고출력 차에는 적용하기 어렵다.

5. 종류

맥퍼슨 스트럿 식 서스펜션에는 다음과 같은 종류가 있다.


  • 평행 링크 식: 로어 암 2개를 평행에 가깝게 배치한 방식이다. 길이와 장착 위치를 조절해 토 컨트롤을 할 수 있다.
  • 듀얼 링크 식: 로어 암과 래디얼 암(링크)으로 위치를 결정하는 방식이다. 멀티 링크 서스펜션의 일종으로 보기도 한다.
  • 리버스 A 암 식: A형 로어 암을 사용하지만, 정점이 차량 쪽에, 밑변이 바퀴 쪽에 위치한다. 전후 방향은 별도 링크로 제어한다.
  • 채프먼 식: Chapman strut영어라고도 부르며, 구동륜용 현가 장치이다. 로터스 카즈의 창업자 콜린 채프먼이 레이싱카용으로 고안했다.

5. 1. 맥퍼슨 스트럿 방식

맥퍼슨 스트럿 방식은 로어 암 2개를 평행에 가깝게 배치한 방식이다. 2개의 길이와 장착 위치를 변경하여 토 컨트롤을 할 수 있다.[18]

5. 2. 평행 링크 방식

2개의 로어 암을 평행에 가까운 각도로 배치한 방식이다. 2개의 길이와 장착 위치를 변경함으로써 토 컨트롤이 가능하다.

5. 3. 듀얼 링크 방식

로어 암 외에도 래디얼 암(링크)으로 위치를 결정하는 방식이다. 멀티 링크 서스펜션의 일종으로 간주되기도 한다.

5. 4. 리버스 A 암 방식

A형 로어 암을 가지지만, 정점 측이 차량 측, 밑변 측이 휠 측으로 되어 있으며, 전후 방향의 규제에 별도의 링크가 추가되어 있다.

5. 5. 채프먼 스트럿 방식

Chapman strut영어라고도 불리는 구동륜용 현가 장치로, 로터스 카즈의 창시자 콜린 채프먼이 레이싱카용으로 고안한 것이다. 로드카에서의 채용은 초대 로터스 엘리트뿐이며[18], 타사는 물론 로터스사 자체에게도 특이한 후륜 현가 장치이다. 채프먼 스트럿은 좌우 방향의 휠 로케이션을 고정 길이 드라이브 샤프트로 겸용하고, 전후 방향과 조향 방향의 로케이션을 변형 A형의 트레일링 링크 1개로 수행하는 구성으로, 차체 측의 픽업 포인트는 스트럿 톱과 A형 링크의 정점 2점뿐이며, 맥퍼슨 스트럿보다 더욱 간략화되어 있다. 기구학적으로는 맥퍼슨 스트럿에 준하지만, 채프먼 식에서는 롤 센터가 일반적인 맥퍼슨 스트럿보다 높은 위치에 오기 때문에 높은 롤 강성을 얻을 수 있으며, 로터스사에서는 롤링 운동 억제를 위해 스테빌라이저를 폐지하고 있다. 이러한 점들로 인해 채프먼 식은 통상적인 맥퍼슨 스트럿을 구동륜에 사용한 경우 이상의 부품 수 삭감과 경량화의 효과가 있다. 또한 이 방식에서는 구동 샤프트에 슬라이딩 스플라인을 가지지 않기 때문에, 강한 구동·제동 토크가 걸리는 상황에서는 구동 샤프트에 슬라이딩 스플라인이 필수적인 동시대의 구동륜용 맥퍼슨 스트럿, 더블 위시본 등보다 부드러운 상하 운동을 얻을 수 있다는 이점도 있다.

6. 현대적 개선 및 응용

맥퍼슨 스트럿 서스펜션은 자동차의 전면 충돌 구조와 함께 포장되기 때문에, 더 엄격한 소규모 오버랩 충돌을 통과하는 자동차를 설계하기가 더 쉽다. 혼다 어코드, 시빅, 메르세데스 E-클래스 등이 충돌 성능 향상을 위해 스트럿을 채택한 예이다. 설계가 단순하여 마모될 서스펜션 조인트가 적으므로, 시간이 지나도 핸들링과 스티어링 감각 저하가 덜하다.

포르쉐 911 GT3, 케이맨 GT4, 스바루 임프레자 WRX STI 등에서 볼 수 있듯이, 뒤집힌 모노튜브 스트럿은 전면 서스펜션에 추가적인 강성을 제공할 수 있다. 또한, 스트럿은 다른 유형의 전면 서스펜션보다 효율적으로 패키징할 수 있어, 포르쉐 911, 박스터와 같은 후방/미드 엔진 자동차에서 중요한 전방 화물 공간을 확보할 수 있게 한다.

기하학적 분석에 따르면, 맥퍼슨 스트럿은 어느 정도의 캠버 각도 변화, 측면 이동, 또는 둘 다 없이는 바퀴의 수직 이동을 허용할 수 없다. 이는 엔지니어가 캠버 변화와 롤 센터를 선택할 수 있는 자유가 적기 때문에, 일반적으로 더블 위시본이나 멀티 링크 서스펜션만큼 좋은 핸들링을 제공하지 않는 것으로 간주된다. 콕핏에서 승차 높이를 조절할 수 있는 자동차는 설계상 불가피한 캠버 변화 때문에 일반적으로 맥퍼슨 스트럿을 사용할 수 없다. 또한, 충격 흡수 장치가 바퀴와 거의 동일한 수직 움직임을 가지므로 씰의 스틱션을 깨뜨릴 레버리지가 적어 승차감이 저하된다. 표준 단일 피벗 맥퍼슨 스트럿은 스티어링 축의 중심이 전면 타이어의 중심에서 벗어나는 양의 스크럽을 갖는 경향이 있어 토크 스티어가 발생한다.

이러한 단점에도 불구하고, 맥퍼슨 스트럿 설정은 일부 고성능 자동차에 여전히 사용되는데, 이는 상대적으로 서스펜션 이동 거리가 작기 때문에 동일한 운동학적 문제를 갖지 않기 때문이다.

1989년식(964)까지 포르쉐 911은 토션 바 서스펜션을 사용하여 코일 스프링이 없는 유사한 스트럿 설계를 사용했다. 그 이후로 모든 포르쉐 911은 전면에 맥퍼슨 스트럿을 사용했지만, 더블 위시본을 사용하는 992 기반 911 GT3는 예외이다.

최근 제너럴 모터스와 포드는 각각 "Hi-Per Strut"과 "리보너클"이라는 수정된 스트럿 설정을 도입하여, 스트럿을 상하 유연성과 스티어링 역학을 별도로 처리하는 두 개의 구성 요소로 분할했다. 이 설계는 더 큰 표면 접촉과 토크 스티어 감소라는 장점을 가진다. 단점은 무게와 비용이 추가되지만, 더블 위시본이나 멀티 링크 설정보다는 저렴하다. 혼다는 "듀얼 액시스"라는 또 다른 변형된 스트럿 설정을 도입했으며, 이는 시빅 타입 R의 서스펜션 설계에 사용된다. 맥퍼슨 스트럿의 또 다른 변형은 더블 피벗 프론트 서스펜션으로, 맥퍼슨 스트럿의 표준 업라이트 설계를 유지하면서 로어 위시본을 두 개로 분할한다. 이를 통해 더 큰 브레이크 어셈블리를 허용하면서 스티어링 기하학 및 스크럽 반경을 더 잘 제어할 수 있다.

참조

[1] 간행물 The Truth About Chevy's Cashiered Cadet http://blog.hemmings[...] 1974-01
[2] 특허 Vehicle wheel suspension system 1953-01-06
[3] 특허 Wheel suspension for motor vehicles 1953-11-24
[4] 웹사이트 Wheel suspension for motor vehicles https://patents.goog[...]
[5] 특허 Wheel-suspension means for motor vehicles 1929-05-07
[6] 서적 World of Automobiles Orbis
[7] 문서 Cottin-Desgouttes
[8] 웹사이트 Cottin-Desgouttes (Gründ ) http://cottindesgout[...]
[9] 웹사이트 J. Walter Christie - American military designer http://www.britannic[...]
[10] 웹사이트 Fjädrar, vilken framvagn! http://www.aftonblad[...]
[11] 웹사이트 4Car 100 Greatest Innovations http://www.channel4.[...] 2006-08-16
[12] 서적 Automotive Chassis: Brakes, Suspension, and Steering Cengage Learning
[13] 웹사이트 The MacPherson Strut http://ateupwithmoto[...] Ate Up With Motor 2014-07-30
[14] 문서 Setright
[15] 문서 Setright
[16] 웹사이트 Porsche 911 (992) GT3 Cup: An In-depth Look https://www.supercar[...] 2021-09-24
[17] 문서 フォードの乗用車設計は非常に保守的で、T型フォード以来の横置きリーフスプリング固定軸を第二次世界大戦後まで使用していた。独立懸架の初採用自体が、1948年発売の1949年式フォード、リンカーン、マーキュリー各モデルにおける前輪のウィッシュボーン式であり、これはアメリカの主要メーカーでも最も遅れた採用であった。
[18] 문서 今日大きく誤解されているが、初代[[ロータス・エラン]]の後輪は駆動シャフトの長さ変化が発生するマクファーソン・ストラット、初代[[ロータス・ヨーロッパ]]の後輪懸架装置は、駆動シャフトをアッパーリンクとするダブル・ウィッシュボーンである。


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