아래 내용은 www.motoiq.com의 기획 기사를 제가 번역한 전문입니다. 마음대로 퍼온 것이 좀 마음에 걸리지만 출처를 밝혔으니 그나마 괜찮으리라 생각합니다. 사진 역시 해당 사이트의 것을 가져왔습니다.

자동차라는 것이 여러 가지 면에서 기발한 발명품이지만, 저는 그 중에서도 서스펜션의 구조에 대해서 궁금한 것이 많아서 여러 가지 찾아 보고 있습니다.. 그 중 몇 가지를 시간이 될 때 테스트드라이브 회원분들과 공유하면 좋을 것 같이 이렇게 올립니다.

이 글의 저자는 Mike Kojima라는 인물로, 27년 간 자동차 업계에 몸담아온 사람입니다. TRD와 Nismo등에서 엔지니어로 활동 했었고, 스포트컴팩트카 나 임포트 튜너 같은 약간 인디(?)스런 자동차 잡지와 많은 관련이 있습니다. 현재는 각종 퍼포먼스 파츠 (특히 서스펜션) 컨설턴트로 활동하고 있고, Formula D의 다이 요시하라 팀의(2011 챔피언) 서스펜션 치프 이기도 합니다.

자.. 그럼 시작합니다!

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서스펜션 세팅 가이드: 뭐니뭐니해도 기본설계가 중요하다 – 제1편 Roll Center (회전중심)

저자: 마이크 코지마

서스펜션 세팅 가이드 시리즈의 지난 기획에서는 서스펜션의 기본적인 부분을 다루었다. 이번에는 좀더 나아가 서스펜션의 설계상 구조를 알아보기로 하자. 서스펜션의 기하학적 설계를 변경하는 일은 댐퍼나 스프링을 튜닝용품으로 교체하는 것과는 차원이 다른 일이다. 요즈음에는 서스펜션의 기본 구조를 변경할 수 있게 하는 튜닝부품이 몇 가지 출시되어 있기는 하지만, 여전히 서스펜션 설계는 전문 엔지니어의 영역으로 남아있다. 물론, 독자들 중 상당수는 서스펜션 구조의 변화를 실제로 실험할 수 있는 수준의 능력과 경험을 소유한 분들도 많을 것이다.

회전중심 - The Roll Center

회전중심이란, 코너에 돌입했을 때 차가 실제로 회전하는 공간 상의 중심을 말한다. 회전중심의 위치는 차의 핸들링에 지대한 영향을 끼치므로 서스펜션 튜닝에는 반드시 회전중심이 고려되어야 한다.

순간중심 (instantaneous center)를 찾는 일은 의외로 쉽다. 서스펜션의 회전축을 관통하는 선을 그어서 각각 서스펜션 암에서 그려진 선들이 만나는 점이 순간중심이 된다. 맨 위의 그림은 멀티링크 서스펜션을 가진 차량의 순간중심을 표현한 것이다. 그 아래 그림은 서스펜션 구조에 따라 순간중심이 휠의 바깥쪽에도 있을 수도 있다는 것을 보여준다. 다만, 아래 그림에 나온 구조는 F1 차량이 아니면 거의 보기가 힘들다고 보면 된다. 우리가 F1 서스펜션을 디자인 할 것은 아니므로, 일단 이런 구조는 그냥 무시하도록 하자.

서스펜션 한쪽의 어퍼암과 로워암에서 뻗어나온 선이 교차하는 부분이 순간중심이 되며, 이 순간중심은 휠이 회전하는 실제 중심점이 된다. 이제 순간중심으로부터 반대쪽 타이어의 접지면 중간까지 선을 그어본다. 그러면 양 쪽에 위치한 순간중심으로부터 뻗어 나온 두 개의 선이 교차하는 점이 보이는데, 이 곳이 바로 회전중심이 된다. 맥피어슨 스트럿 서스펜션은 어퍼암이 없으므로, 대신 스트럿의 어퍼마운트에서 뻗어나오는 선을 이용하면 된다.

회전중심은 순간중심과 타이어 접지면 사이에 그어진 선의 교차점이다.

만약 서스펜션 암에 각도가 그림처럼 상당히 들어가있으면 회전중심이 지하(地下)에 위치할 수도 있다. 레이스카 중 상당수가 이런 구조를 가지고 있는데, 이는 프론트에 상당한 네거티브 캠버를 주기위한 디자인이다. 다만, 시판차에 적용하기에는 현명한 디자인은 아니다.

리지드 액슬 서스펜션은 여전히 트럭 등에 많이 사용되고 있고, 예외적으로 머스탱도 아직도 이구조를 적용하고 있는데, 리지드 액슬의 회전중심의 위치는 독립식 서스펜션과는 상당히 다르다. 판 스프링을 장비한 리지드 액슬에서는 판 스프링이 부착되는 면이 회전중심이 된다. 4링크 구조에서는 뒤에서 봤을 때 링크들이 교차하는 지점이 되고, 파나르 로드를 장비한 액슬에서는 파나르 로드가 액슬에 부착되는 중간지점, 그리고 왓스 링키지 액슬에서는 링크의 정중앙이 회전중심이 된다.

회전중심이 운동성능에 가장 중요한 영향을 끼치는 차량은 뭐니뭐니해도 드리프트용 머신들이다. (역자: 포뮬러 d 다이 요시하라의 실비아. 저자가 서스펜션을 담당하고 있다)

회전중심의 위치가 차량의 핸들링에 미치는 효과는 1) 스티어링 조작에 대한 챠량의 민감성 2) 차량의 움직임에 대한 하중이동 정도 3) 한계영역에서의 타이어의 접지력 등이 있다.

롤커플을 보여주는 단적인 도면. 롤커플이 지렛대 역할을 하는 것도 확실히 알 수 있다.

회전중심 (Roll center)과 무게중심 (Center of gravity) 사이의 거리를 롤커플 (Roll couple: 적당한 한국말을 몰라서 그냥 롤커플이라 씁니다..) 이라 한다. 전/후 무게중심의 위치를 구하는 방법은 별도로 있으나, 대개 앞쪽의 무게 중심은 크랭크샤프트 정도의 높이, 뒷쪽의 무게중심은 트렁크 바닥 높이 정도로 가정하면 큰 문제가 없다. 롤커플은 회전중심을 기준으로 무게중심을 휘두르는 지렛대라고 이해하면 되겠다.

코너에서 무게중심은 회전중심을 기준으로 호를 그리게 된다.

롤커플이 길수록 관성은 더 크게 작용하게 되고 코너에서 차량의 롤은 더욱 심해진다. 즉, 롤커플이 길면 스티어링의 조작에 대해 차량의 반응이 둔해지게 되는 것이다. 롤로 인한 전체적인 하중이동은 롤커플의 길이와는 크게 상관이 없지만, 롤커플이 길수록 동적 하중이동(dynamic weight transfer)이 증가하게되어 차량의 주행안정성이 떨어지게 되며, 동시에 접지력의 한계영역에서 컨트롤이 힘들어진다.

일반적인 생각으로는 롤이 심하면 하중이동이 클 것 같지만, 실상은 그렇지 않다. 롤은 하중이동 문제를 일으키는 것이 아니고, 차량의 반응을 (운전자의 스티어링 조작과 관련하여) 둔화시키는 것에 문제가 있다. 롤에 의한 동적 하중이동으로 인해 차량은 그립의 한계영역에서 컨트롤이 힘들게 된다. 그립의 한계영역에서 컨트롤을 희생 해야할까? 이런 이유로 롤은 억제되어야 하는 것이다.

그림에서 보는 바와 같이 롤로 인한 무게중심의 이동은 무시할 만한 수준이다. (그리고 이 그림 자체도 굉장히 과장된 것이다) 아무리 롤이 심한 차량이라도, 일반적으로 롤로 인한 하중의 이동은 총 하중이동의 2% 미민이다. 즉, 롤을 억제함으로써 하중이동을 잡겠다는 것은 별로 효과가 없는 일이다. 차라리 무게중심을 낮추거나 윤거(track width)를 넓히는 편이 하중이동을 제어하는 훨씬 효과적인 수단이 된다.

저속 턴을 마치면서 급가속을 해야하는 차량이나 고출력으로 저속을 주로 사용하는 차량은 특히 회전중심의 영향을 많이 받는다. 사진은 저스틴 팔락의 드리프트용 머스탱.

리스 밀란의 제네시스처럼 다운포스의 중요성이 상대적으로 덜하게 디자인된 힐클라임 차량에서도 회전중심은 중요한 역할은 한다. (모든 힐클라임 차량이 그렇다는 얘기는 아니다.)

반대로 롤커플이 짧은 경우의 예를 들어보자. 롤커플이 너무 짧으면 (엔지니어는 보통 “기하학적 안티롤 설계” 라고 얘기한다) 서스펜션을 딱딱하게 만드는 효과를 낸다. 즉, 바깥쪽 타이어로의 하중이동을 증가시킨다. 이는 앞/뒤 중 어느쪽 서스펜션의 롤커플이 짧아지는가에 따라 언더스티어 또는 오버스티어를 심화시키는 결과를 가져온다.

사진의 네모 레이싱 에보처럼 공기역학적 다운포스를 중시하는 차량에게는 회전중심은 거의 의미가 없어진다. 왜냐하면 이런 류의 차량은 다운포스를 이기기 위해 굉장히 하드한 서스펜션 세팅을 가지고 있기 때문이다.

그러면 로워링을 통해 회전중심을 낮추면 되지 않는가? 일정 수준 이상의 로워링은 심각한 문제를 야기하게 되는데, 그 이유는 대부분의 차량 서스펜션 구조상, 롤센터가 낮아지는 만큼 무게중심이 낮아지지 않는데 있다. 이는 무게중심보다 롤센터가 너무 낮아지기 때문에, 오히려 롤커플의 길이가 길어지는 역효과를 낼 수 있다는 뜻이다.

위의 두 그림이 무조건 서스펜션을 낮춘 차량의 단적인 예를 (롤커플이 오히려 길어지는..) 보여주고 있다. 차량의 서스펜션을 인위적으로 너무 낮추게되면, 그에 따라 회전중심이 적절히 위치할 수 있도록 서스펜션의 구조를 변경해야한다. 그리고 대부분의 드리프트 머신 및 양산차 베이스의 레이스카 (물론 규정이 허용하는 범위 이내에서)는 모두 이러한 보정이 되어 있다.

롤커플의 길이가 길어지면 차량의 무게중심을 낮춤으로서 얻은 정적 하중이동(static weight transfer)의 효과를 상쇄시키는 결과를 초래한다. 따라서, 과도하게 로워링을 한 차량들은 길어진 롤커플의 효과를 보상하기 위해 굉장히 단단한 서스펜션을 장비해야 한다. 문제는, 서스펜션이 필요이상으로 단단하면 다른 역효과가 발생한다는 점이다. 단단한 서스펜션으로 인해 불규칙한 노면에 제대로 대응을 못하게 되어 타이어는 접지력을 잃게 되고, 접지력을 잃은 차량은 효과적으로 가속을 할 수도, 코너를 공략할 수도 없는 것은 모두가 아는 사실이다. 엔지니어들은 이 현상을 “tire shock”이라고 부른다.

회전중심이 너무 높은 경우는 아주 위험한 상황을 만들 수 있다. 회전중심이 너무 높으면 하중을 과도하게 이동시키기 때문에 차량이 전복될 수 있는 것이다. 위 그림은 이로 인한 기중기효과 (jacking moment)를 보여준다.

과도하게 높은 회전중심은 코너링 시 타이어를 들어올리는 역효과를 가져올 수 있다. 이런 현상은 아주 위험한 것으로, 지금은 아이콘이 된 오리지널 복스바겐 비틀이나 1964년 이전의 쉐보레 코베어 (스윙 액슬을 장비한..) 중 다수가 전복사고를 당한 이유이기도 하다. 현재 전륜 서스펜션에서 이상적인 회전중심의 위치는 지상에서 5-10cm 위 지점이고, 후륜 서스펜션의 경우 지상에서 10-25cm 위에 위치한 지점이다. 이는 전륜 서스펜션에서 하중이동이 더 많이 일어나게 하는 설계이므로, 한계영역에서 점진적으로 언더스티어를 유발하게하는 효과를 발휘한다. 레이스카 대부분의 서스펜션은 이 같은 구조로 설계되고 있다.

F1 머신은 예외적인 경우이다. F1 차량들은 극단적으로 높은 전륜 회전중심을 가지고 있다. 공기역학적 설계가 우선인 F1에서는 전륜 서스펜션 디자인 및 롤커플의 위치 선정은 일반적인 디자인 철학에 비추어봤을 때 가당치 않은 결과물이다. 공기역학을 무시한다면 F1 머신들은 극저속 코너에서 심각한 언더스티어를 유발할 것이다. 물론, F1에서 극저속 코너라는 것이 있을리가 있을까..

무게중심과 회전중심의 위치를 보면, 해당 차량의 선천적인 핸들링 성격을 간파할 수 있다. 전/후의 회전중심 사이 가상의 선을 회전축 (Roll axis)라 칭하는데, 이 차량은 이 회전축을 중심으로 롤을 하게 된다. 무게축 (Mass axis)이란 전/후 무게중심 사이 가상의 선을 지칭한다.

자! 뒤가 무겁고 뒤쪽 회전 모먼트가 짧은 포르쉐는 어떠한 핸들링 성격을 나타낼지 얘기해볼 사람?

여기서 무게축은 필자의 이름을 따서 마이크축 (Mike axis)라 부르기로 하겠다. 아직 아무도 해당 축에 이름을 붙이지 않았으므로. 회전축과 마이크축을 같은 도면에 그리면, 두 축간의 거리를 판별할 수 있고, 축 간의 경사각 역시 판단할 수 있다. 이 두 가지 정보로서 우리는 해당 차량의 선천적인 핸들링 성격을 알아낼 수 있다.

이미 스포트컴팩트카 잡지 시절부터 마이크축이 존재했었다!

두 축간의 거리가 뒤쪽보다 앞쪽이 더 벌어져 있고, 동시에 마이크축이 앞쪽으로 경사가 올라가고 있으면, 이 차량은 언더스티어 성향을 보일 것이다. 참고로, FF차들이 이런 성향을 보인다. 반대로, 두 축간의 거리가 후륜쪽이 넓고 마이크축이 앞으로 갈수록 아래쪽을 향한다면 이 차량은 오버스티어 성향을 보일 것이다. 뒤가 무겁거나 MR인 차들이 이런 성향을 가지고 있다.

딱 보니까 이 센트라는 손 델 곳이 많구나…

B15 센트라의 바깥쪽 볼조인트에 긴 스페이서를 끼워 넣었다. 이로 인해 로워암 피봇이 낮아져서 회전중심을 높이는 결과를 보여준다. (이 센트라는 이미 많이 로워링을 한 상태다)

다이 요시하라가 MPTCC 로드레이스에서 사용하는 B14 센트라의 로워암이다. 피봇을 순정보다 긴 크라이슬러 부품으로 교체하였다. 물론 이를 위해 상당한 개조작업이 이루어졌다.

서스펜션 전문업체 Whiteline에서는 몇몇 차량을 위해 길이가 긴 볼조인트 및 범프스티어 방지 키트를 출시하고 있다. 운이 좋아 당신의 차량용으로 출시가 되고 있으면 직접 개조를 하지 않아도 된다.

닛산 S계열 오너에게는 희소식! Driftworks에서는 로워링한 차량을 위한 너클을 판매하고 있다. 이것이 있으면 손쉽게 회전중심 문제를 해결할 수 있다.