조향 및 현가장치

조향장치

조향장치

• 주행이나 주차 중 운전자가 원하는 방향으로 자동차의 방향을 바꾸기 위한 장치
• 조향 휠 조작 시 바퀴의 방향을 변화시켜 진행방향을 바꾼다.
• 조작이 쉽고 고속주행시 조종이 안정적이고 충분한 강도와 제품 신뢰성, 충돌사고 시 안전성이 요구된다.
• 전방 현가장치의 형식
  • 일반적으로 조작기구(핸들), 기어기구, 링크기구 세 부분으로 구성되어 있다.

조작기구

• 조향 휠, 조향 칼럼, 조향 축 등으로 구성된다.
• 조향 휠은 림(손잡이), 스포크, 경음기(클락션), 에어백 등이 설치되어 있다.
• 조향 휠을 돌리는 힘을 기어기구에 전달하여 진행방향을 바꿔주는 장치이다.
  • 기어기구: 조향 휠의 회전운동을 좌우 왕복운동으로 바꾸어주는 장치

기어기구

• 조향 휠을 돌려 조작 기구에 가해진 회전운동을 병진운동이나 선회운동으로 감속 변환시키는 운동변환장치
• 조향 기어비: 조향 휠의 움직임에 대해 바퀴가 얼마나 움직이는가
• 조작기구로부터 전달된 회전운동을 감속 변환하는 기어기구 장치에는 여러 종류가 있다.
  • 랙-피니언 기구
    • 피니언 기어의 회전운동을 랙을 통해 좌우 왕복운동으로 변환시키는 장치
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    • 조향 기어비 $=\frac{\text{조향 휠의 회전 원호길이}}{\text{랙의 병진 이동거리}}$
  • 볼-너트 기구
    • 조향 휠이 회전하면 조향 축 끝의 웜 기어가 회전하면서 볼너트에 왕복 직선운동을 전달하면 섹터기어를 통해 피트먼 암 축에 회전운동으로 변환되고 이와 연결된 피트먼 암(링크)가 선회운동을 하게 된다. 이는 타이로드를 거쳐 휠에 붙어 있는 너클 암을 움직여 타이어의 방향을 바꾸게 된다.
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    • 조향 기어비 $=\frac{\text{조향 휠의 회전 각도}}{\text{피트먼 암의 선회 각도}}$
• 가변기어기구
  • 고속진진주행 시 안전성을 위해 앞바퀴의 흔들림이 작아야 하고 저속 선회나 주차 시에는 앞바퀴의 회전이 커야 한다. 이를 위해 가변기어장치가 사용된다.
  • 고속 주행: 조향 기어비를 크게 해서 휠을 많이 돌려도 앞바퀴가 작게 돌아가도록 한다.
    • 랙의 중앙부근에서느 랙의 간격이 좁아 피니언의 움직임에 대해 랙의 움직임을 작게 한다.
  • 선회나 주차: 조향 기어비를 작게 해서 앞바퀴가 많이 돌아가게 한다.
  • 랙의 끝단으로 갈수록 랙의 간격이 넓어져 피니언의 움직임에 대해 랙의 움직임이 크다.
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링크기구

• 기어기구로부터 앞바퀴에 운동을 전달하는 시스템
• 일반적으로 로드, 컨트롤 암, 볼 조인트 등으로 구성되어 있다.
• 적용하는 현가장치 방식에 따라 일체차축방식과 독립차축방식의 링크기구가 있다.
• 일체차축방식의 링크기구
  • 좌우의 너클 암이 타이로드 암을 통해 하나의 타이로드에 연결되는 4절 링크기구
  • 조향 휠을 회전시켜 한쪽 너클 암이 움직이면 다른 쪽 너클 암도 동시에 움직이는 구조
• 독립차축방식의 링크기구
  • 좌우로 분할된 두 개의 타이로드를 통해서 각각의 너클 암을 움직이는 구조

동력조향장치 및 조향원리

동력조향장치

• 조작을 용이하게 하기 위해 사용되는 장치
• 차량이 무겁거나 정지 중에 조향 휠을 돌리는 경우에는 큰 조작력이 필요하기 때문에 유압이나 전기 등을 이용하는 동력조향장치가 사용된다.
• 유압식 동력조향장치
  • 오일펌프, 제어밸브, 동력 실린더 등으로 구성된다.
  • 오일펌프: 유압을 생성한다.
  • 제어밸브: 유량 조절
  • 동력 실린더: 유압을 힙으로 변환한다.
  • 조향 휠을 돌리면 제어밸브 안 오일펌프가 열리고, 유압 펌프에서 가압된 오일이 동력 실린더 안으로 유입된다. 유입된 오일에 의해 동력 피스톤이 움직이면 이에 결합된 랙도 움직여 차륜을 조향하게 된다.
  • 현재는 유압식이 주로 사용되고 있지만 점차 전동식이 많아지고 있는 추세이다.

조향 원리

• 애커먼 조향기구
  • 기어기구의 움직임을 앞바퀴에 전달하고 좌우바퀴 위치를 일정하게 유지하는 기구장치
  • 드래그 링크, 너클 암, 타이로드 등으로 구성된다.
  • 두 너클암의 연장선이 뒤 차축 중심에서 만나도록 타이로드를 짧게 만들어서 사다리꼴 구조로 되어 있다.
  • 차량이 선회할 때 안쪽에서 선회하는 바퀴가 더 많이 조향되도록 한다.
  • 뒤 차축의 연장선에 있는 한 점을 중심으로 모든 타이어가 동심원을 그리며 선회하도록 하여 타이어의 사이드 슬립을 방지한다.

조향 특성

• 커브를 고속으로 선회할 때 정렬, 무게중심에 따라 의도와 다른 방향으로 움직일 수 있다. 조향 특성은 조향 휠을 회전시킨 상태에서 가속할 대 자동차가 어느 방향으로 선회하는지 나타낸다.
• 조향 특성은 조종성, 안정성에 영향을 주는 중요한 특성이므로 자동차를 설계하는 단계에서 반드시 고려해야 한다.
• 뉴트럴 스티어링: 운전자가 의도한대로 선회하는 것
• 오버 스티어링: 과도하게 선회하는 것
• 언더 스티어링: 커브의 바깥으로 나가는 것

차륜정렬

• 자동차의 앞바퀴가 차량 부품이나 노면에 대해 어떠한 위치관계에 있는가를 나타내는 것
• 자동차의 운동 특성에 큰 영향을 준다.
• 차륜정렬을 하는 목적
  • 조향 휠의 조작력을 가볍게 한다.
  • 조향 안정성을 높인다.
  • 조향 휠에 복원력을 제공한다.
    • 복원력: 휠을 돌린 후 손을 떼면 조향 휠이 원래 위치로 돌아가는 특성
  • 타이어의 편마모를 방지한다.
• 차륜정렬과 관련된 파라미터로는 캠버, 캐스터, 킹핀 경사각, 토각 등이 있다.

캠버

• 자동차를 앞에서 볼 때 앞바퀴가 노면의 수직선에 대해 기울어진 것
• 앞바퀴 윗부분이 바깥쪽으로 기울어지면 양의 캠버, 안쪽으로 기울어지면 음의 캠버라고 한다.
  • 
• 승용차는 양의 캠버($+0.5\degree \sim+1.5\degree$로 되어 있다.
  • 자동차에 하중이 가해지면 앞바퀴의 아래부분이 바깥쪽으로 벌어지는 것을 막는다.
  • 조향 휠의 조작력을 가볍게 한다.

캐스터

• 자동차의 앞바퀴를 옆에서 볼 때 킹핀의 중심선이 지면의 수직선에 대해 기울어진 것
  • 킹핀이란 앞바퀴 방향을 바꿔주는 너클의 회전축
• 킹핀의 중심선과 지면의 교차점이 타이어와 지면이 만나는 점보다 앞에 있으면 양의 캐스터, 뒤에 있으면 음의 캐스터라고 한다.
  • 
  • 
• 일반적으로 $+1\degree \sim+3\degree$의 캐스터를 갖도록 설계한다.
  • 방향 안정성을 부여한다.
  • 조향 후 직진 방향 복원력을 부여한다.
  • 조향 휠의 조작력을 감소시킨다.

킹핀 경사각

• 조향축 경사각
• 자동차를 앞에서 볼 때 앞바퀴의 킹핀 주심축이 노면 수직선에 대해 기울어진 것
  • 
• 일반적으로 $+5\degree \sim+10\degree$의 각도를 갖도록 설계한다.
  • 조향 휠의 조작력을 가볍게 한다.
  • 조향 후 직진 방향 복원력을 부여한다.
  • 앞바퀴에 시미현상이 발생하지 않도록 한다.
    • 시미현상(shimmy): 킹핀을 중심으로 앞바퀴가 좌우로 떨리는 진동

킹핀 오프셋

• 스크러브 반경
• 자동차를 앞에서 볼 때 차륜 중심선이 노면과 만나는 점과 킹핀 중심선의 연장선이 노면에서 만나는 점 사이의 거리
  • 
• 킹핀 경사각과 캠버에 의해 결정되는 파라미터
• 킹핀 오프셋이 작을수록 조향장치 부품에 걸리는 부하는 줄지만 차륜 조향에 필요한 조향력은 증대된다.
  • 후륜 승용차의 킹핀 오프셋은 $30\mathrm{mm}\sim70\mathrm{mm}$, 전륜 승용차의 킹핀 오프셋은 $10\mathrm{mm}\sim35\mathrm{mm}$

Toe

• 정지한 자동차 앞바퀴가 직진 상태에 있을 때 좌우 타이어 사이의 각도
• 모양에 따라 토인과 토 아웃으로 나뉜다.
  • 토인은 타이어 앞쪽이 안쪽으로 모이는 것, 토아웃은 타이어 앞쪽이 바깥으로 벌어지는 것
  • 
• 토인은 타이어의 트레드 중심선에서 가장 뒷부분의 거리 $l_2$와 앞부분의 거리 $l_1$ 차이가 $2\mathrm{mm}\sim8\mathrm{mm}$ 정도 된다.
  • 차량 주행 시 캠버 때문에 발생하는 토아웃 현상을 완화시켜 앞바퀴가 평행을 유지하도록 한다.
  • 앞바퀴의 사이드슬립과 타이어의 마모를 감소시킨다.

현가장치의 구조

현가장치

• Suspension System: 차축과 차체 또는 차축과 프레임 사이에 위치하는 장치
  
• 현가장치가 하는 역할
  • 차체와 사람 및 적재 화물의 무게를 지지한다.
  • 주행 중 노면에서 유입되는 진동이나 충격을 흡수하여 차체로 전달되는 것을 경감시켜 차체나 승객, 화물을 보호한다.
  • 주행 중 타이어와 도로 사이에 밀착이 잘 되게 하여 견인력(traction)과 주행 안정성을 좋게 한다.
  • 커브를 고속으로 돌 때 선회능력을 좋게 한다.

현가장치의 구성요소

스프링

• 화물을 포함한 차량의 무게를 지지한다.
• 주행 중 차량의 자세를 유지시킨다.
• 노면에서 유입되는 진동과 충격을 흡수한다.
• 자동차에 흔히 사용되는 스프링
  • 코일 스프링: 제작이 쉽고 충격 흡수 능력이 우수해서 각종 승용차에서 가장 일반적으로 많이 사용하는 스프링
  • 판 스프링: 활 모양의 얇은 철판을 여러 장 겹쳐 제작되어 충격 흡수능력은 떨어지지만 강성구조로 우수한 기능을 발휘하여 주로 대형 트럭, 상용차량에 사용된다.
  • 토션 바 스프링: 긴 강봉의 비틀림 복원력을 이용하여 충격에너지 흡수가 양호하다. 가볍다.
  • 스태빌라이저(anti-roll bar): 일종의 토션 바 스프링으로, 양 끝이 휠 컨트롤 암에 연결되어 차량 선회 시 롤링을 최소화시킨다.
  • 공기 스프링: 밀폐된 공간에 충전된 공기의 압축성을 이용하여 스프링 기능을 한다. 금속에 비해 낮은 스프링 상수를 구현할 수 있어 승차감을 개선할 수 있다. 차량 하중이 변하면 밸브를 통해 공기 스프링 자체의 팽창 상태를 적절하게 유지할 수 있다.
  • 고무 스프링
• 차체와 차축의 운동
  • 차체의 무게를 스프링을 기준으로 위아래로 나누어 구분한다.
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    • Sprung weight(스프링 위 중량): 현가 스프링으로 지지하는 중량으로, 차체, 탑승자, 적재물 중량을 포함한다.
    • Unsprung weight(스프링 아래 중량): 차축, 구동축, 타이어, 제동장치, 현가장치 부품 등이 포함된다.
  • 스프링 아래 중량이 작으면 관성이 작아져 노면 요철에 따라 나가게 되고 조종 안정성 수준이 높아진다. 이는 스프링 위 중량을 크게 한 것과 같아 큰 관성을 가지게 되어 상하운동 진폭이 작아지므로 승차감이 좋아진다. 일반적으로 승용차는 스프링 아래 중량을 총 중량의 10% 이하로 설계한다.

충격 흡수기

• 스프링은 에너지를 흡수하는 역할은 하지만 진동하게 되어 승차감에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
  • 승차감 뿐만 아니라 자동차 안정성과 내구수명에도 좋지 않은 영향을 미쳐 진동 제어 장치가 필요하다.
  • 충격 흡수기는 현가 스프링의 진동을 빠르게 감쇠하도록 하여 자동차의 안정성과 승차감을 향상시킨다.
• 충격 흡수기의 작동 원리
  • 현가 스프링이 진동할 때 발생하는 운동 에너지를 충격흡수기 유체를 통해 열 에너지로 변환하여 진동을 제어한다.
  • 대부분 유압식 텔레스코픽 충격 흡수기가 사용된다.
  • 층격 흡수기 내 피스톤이 상하운동할 때 오리피스를 통과하는 유체의 유동저항에 의해 진동이나 충격을 감쇠시킨다.
  • 내부 유체의 이동 속도에 비례하여 감쇠력이 커진다.
  • 봉입 유체로 오일(액체), 질소가스(기체)가 사용된다.
  • 일반적으로 충격 흡수기의 감쇠비는 0.3 ~ 0.5 정도이다.
• 충격 흡수기는 현가장치와 차체 사이에 설치된다.

휠 현가장치

• 대표적인 현가 방식으로 일체차축현가방식과 독립현가방식이 있다.

일체차축 현가장치

• 좌우의 휠이 한 개의 차축으로 연결되는 방식
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• 마차에서 유래된 형식
• 스프링과 충격 흡수기 등을 통해 차체나 프레임에 장착하는 방식
• 특징
  • 부품 수가 적어 간단하고 설치 공간을 작게 차지한다.
  • 선회할 때 차량의 롤각이 작다.
  • 강도가 커서 대형 트럭이나 버스 등 사용차에 주로 사용된다.
  • 스프링 아래 중량이 커서 승차감과 조정 안정성에 불리하다.
  • 울퉁불퉁한 노면에서 앞 바퀴에 시미가 발생하기 쉽다.
  • 노면에 따라 한쪽 타이어가 기울어지면 다른 타이어도 기울어진다.

독립 현가장치

• 핸들링 문제 해결과 스프링 아래 중량을 줄이기 위해 개발되었다.
• 각 타이어가 상호 독립적으로 움직이는 방식
  • 
• 특징
  • 차량의 상하 충격을 독립적으로 제어한다.
  • 승차감과 조종안정성이 뛰어나 승용차에 적용된다.
  • 타이어 접지력을 향상시키고 차고를 낮추어 안정성을 높인다.
  • 한쪽 타이어가 둔덕에 올라가도 타이어를 똑바로 유지할 수 있다.
  • 부품이 많고 각 부품에 대한 정밀도가 요구되어 비용이 많이 들고 큰 공간이 필요하다.
• 맥퍼슨 현가장치(스트럿)
  • 미국의 맥퍼슨이 발명한 독립 현가장치로 미국 포드에 처음 적용되었다.
  • 스트럿 상단은 차체에 장착하고, 하부는 너클 암을 통해 차륜과 연결
  • 독립 현가장치 중 가장 간단한 구조로, 공간을 크게 차지하지 않아 주로 배기량 2,000cc 이하의 차량에 적용된다.
• 더블 위시본 현가장치
  • 타이어가 장착되는 너클과 V-형 상부암과 하부암으로 지지하는 구조
  • 현가장치의 운동특성을 세밀하게 조정할 수 있어 중형급 이상 차량, 스포츠카, 고성능 자동차에 많이 사용된다.
  • 선회 시 옆으로 받는 힘에 대해 강성이 좋다.
  • 차륜의 접지상태에 대한 변화가 적어 주행 성능 면에서 우수하다.
  • 제작비용이 많이 들고 무거우며 공간을 많이 차지한다.
• 멀티링크 현가장치
  • 여러 개의 링크로 구성되어 있는 현가장치
  • 더블 위시본 현가장치의 상부 암과 하부 암을 여러 개의 링크로 대체한 것
  • 링크 수가 많은만큼 설계 자유도가 늘어나 조향성능을 높일 수 있다.
  • 차체로 전달되는 하중을 분산시켜 승차감과 진동소음 특성을 크게 향상시킨다.
  • 큰 공간을 차지하는 더블 위시본 현가장치를 소형화하여 발전시킨 형태

능동 섀시제어 시스템

• 기존 현가장치는 물리적 특성(스프링 상수 등)이 고정되어 다양한 외부 입력 조건에 대해 효과가 제한적이다.
  • 승차감을 향상시키면 주행안정성이 떨어지고, 고속주행 안정성을 높이면 저속주행 승차감이 떨어지는 상충되는 특성이 나타난다.
• 전자제어부품의 발전에 따라 다양한 주행조건에서 주행 안정성과 승차감을 동시에 만족시킬 수 있는 현가장치의 개발이 가능하게 되었다.
  • ECS 제어장치(전자제어현가장치), 조향각 센서, 방향 센서 등
• 전자제어 현가장치가 자동차의 동적 특성을 제어하는 과정
  1. 주행 도로의 특성, 주행 속도, 주행 자세 등을 센서로 감지한다.
  2. 주행 상태에 따라 스프링, 충격흡수기의 성능을 최적화한다.
  3. 승차감 및 주행안정성 극대화
• 전자제어 현가장치 제어 방법
  • 스카이 훅: 타이어와 현가장치는 심하게 흔들리더라도 차체의 흔들림은 최소화하는 제어 방법
    • 오일의 공급이나 배출을 통해 차체의 상하 움직임을 최소화할 수 있다.
  • 에어 서스펜션: 충격 흡수기 안에 높이 센서(자기 센서)를 통해 중량으로 인해 차체가 가라앉으면 에어스프링의 솔레노이드 밸브를 열어 원래 높이로 복귀한다.
    • 차체가 높아지면 높이센서가 제어모듈에 신호를 보내 솔레노이드 밸브를 열어 공기를 배출시키고 원래 높이로 돌아오면 밸브를 닫는다.