서스펜션은 전문가들도 어렵게 여기는 차량 장치 중 하나다. 하지만 동시에 자동차를 구매하는 일반인들도 동력성능, 편의장비만큼이나 관심을 기울이는 요소이기도 하다. 주목할 만한 신차 출시 즈음에는 자동차 커뮤니티 게시판에서는 서스펜션에 관한 격론이 벌어지곤 한다. 이번 콘텐츠는 2회에 걸쳐, 서스펜션이라는 기계적, 과학적 장치가, 종류에 따라 운전의 ‘정서’를 어떻게 만들어내는지에 대해서 살펴본다.



부품이 아닌 시스템으로서의 서스펜션


자동차의 서스펜션은 현가장치라고도 한다. 현가는 원래 마차를 섀시에 매단다는 의미로 사용되었다. 자동차가 발명되기 전, 마차의 차대가 되었던 철재나 목재 축 위에 객실을 얹었을 때, 노면으로부터의 상하 방향 충격이 그대로 전달되곤 했다. 이를 막기 위해 가죽끈이나 판스프링 위에 객실을 띄우는 형태로 연결시킨 것이 오늘날 서스펜션의 시원으로 알려져 있다.

 

엔진 자동차의 발명 이후 서스펜션의 역할은 다양해졌다. 노면의 충격을 걸러내고 차체의 균형을 잡는 한편 조향에도 큰 역할을 담당한다. 즉 운전자가 자동차에서 느낄 수 있는 물리적 자극의 전반과 연결되어 있는 셈이다. 그래서 서스펜션은 특정한 부품이 아니라, 여러 가지 부품들이 결합된 하나의 시스템으로 발전해 왔다.



현재 대부분의 승용차에서 자동차의 서스펜션 시스템을 형성하는 부품은 대개 비슷하다. 오일과 가스가 차 있어 이를 이용해 차체에 전달되는 진동을 줄이는 댐퍼(감쇠 장치)와 코일 스프링의 유닛, 컨트롤 암(arm), 휠 허브, 스티어링 기어와 연결되는 타이 로드, 선회 시 바깥쪽 스프링을 지지하는 안티 롤 바(스태빌라이저) 등이 복잡하게 맞물려 있다. 여기서 자동차가 받는 여러 방향에서의 힘을 고정된 형태를 가진 부품으로 지지하는가, 아니면 독립된 부품들의 연결(링크 방식)을 통해 유연하게 반응하도록 하는가 하는 방식으로 나뉜다. 특히 링크 방식의 경우, 분할하는 지점과 연결 부분에 따라 부품 수와 가격이 증가하며, 링크하는 지점이 복수일 경우 멀티 링크 방식이라 불린다. 그러나 이러한 설계는 엄연히 자동차의 크기나 주행 목적, 타깃 소비자군 및 시장 가격 등을 고려해 결정되므로, 어떤 것이 절대적으로 좋은 서스펜션 시스템이라고 단정지을 수 는 없다.


암 방식. 차체와 바퀴를 연결하는 구조가 일정한 형태로 고정되어 있다(자료제공: ZF)


링크 방식. 암의 각 연결 부위를 별로의 부품으로 연결(링크)한 방식으로 유연성이 높지만 부품 수가 많고 가격이 비싸다 (자료제공: ZF)


다만 트럭이나 험로 주파를 목적으로 한 차량의 후륜에 적용되는 일체 차축식 서스펜션은 구조가 다소 다르다. 이는 다음에 자세히 소개하도록 한다.



네 바퀴에 질서를 부여하는 서스펜션


최근의 자동차들은 자동차의 각 바퀴가 모두 상황에 맞게 각자의 움직임을 갖고 협응하는 방식으로 발전해가고 있다. 물론 여기에는 엄격한 규칙과 질서가 필요하다. 서스펜션은 바퀴의 움직임에서 가장 필요한 성능을 최대화하되, 불필요한 움직임을 통제해 바퀴의 움직임에 질서를 부여한다.

 

서스펜션은 우선 바퀴와 자동차의 섀시가 어떤 노면 상황에서도 일정한 거리를 유지할 수 있도록 통제한다. 이것이 지켜지지 않으면 차체와 차축이 안정성을 잃게 되어 기본적인 안전마저 유지할 수 없다. 또한 자동차 바퀴를 위에서 내려다보았을 때 바퀴의 전후 간격 차이인 토(toe), 그리고 정면에서 보았을 때 바퀴의 아랫부분과 윗부분이 수직선에 대해 이루는 각도인 캠버(camber)도 제한한다. 또한 선회 시 관성에 의하여 바퀴가 타이어를 따라오지 않으려 하는 힘도 통제의 대상이다.


 서스펜션이 이러한 역할을 갖는 것은 근본적으로 조향에 중요한 역할을 하는 장치인 까닭이다. 우선 토와 캠버의 경우를 살펴보자. 자동차 바퀴에서 좌우륜의 뒤쪽 간격이 앞쪽보다 넓은 것을 토 인(toe in)이라 하고 그 반대를 토 아웃(toe out)이라 한다. 진행 방향에 바퀴가 나란하게 놓여 있는 상태를 토 제로라고 부른다. 캠버는 전면에서 차체를 보았을 때 바퀴 상단 폭과 하단 폭의 차이다. 두 폭이 같아, 전면에서 봤을 때 바퀴가 지면에 수직으로 서 있는 상태를 제로 캠버라 하고, 플러스 캠버는 좌우륜 상단의 폭이 하단에 비해 넓은 경우, 그 반대의 경우를 마이너스 캠버라 한다. 


바퀴의 토 인(위)과 토 아웃(아래) 상태. 화살표는 진행 방향


그렇다면 애초에 왜 토나 캠버를 자동차의 진행 방향에 나란히 그리고 지면에 수직으로 설치하지 않는 것일까? 이는 구동력에 의한 작용-반작용의 법칙 때문이다. 예컨대 토의 경우, 전륜 구동 차량은 앞바퀴에 걸리는 구동력에 대한 반작용으로 직진 주행 시 자연스럽게 토 인의 경향을 보인다. 그런 까닭에 정지 상태에서는 토 아웃으로 세팅한다. 물론 그 차이는 눈에 띌 정도는 아니나, 이렇게 해 두어야 주행 중 토 제로 상태에 가까워져 떨림과 타이어의 불규칙 마모를 최소화할 수 있다.


캠버 각은 바퀴와 섀시를 스트럿(지주)으로 연결시키는 스트럿 식 서스펜션의 경우 스티어링 너클을 휠과 연결시키는 킹핀이 지면과 이루는 각도이기도 하다. 트랙 주행용의 모터스포츠 차량들은 타이어의 위쪽이 안쪽으로 기울어져 있는 극단적인 마이너스 캠버를 가지고 있는 경우가 많다. 이런 차량들은 급격한 코너링에 대한 대처 능력이 좋으나, 킹핀에 많은 부하가 걸린다. 반대로 플러스의 캠버를 갖고 있는 차량들은 직진 상황에서는 좋은 밸런스를 보이지만 선회 시의 안정성은 떨어진다. 물론 이는 이론적인 경향으로, 최근에는 소재 공학의 발달로 인해 각 방식에서의 물리적 부하 등은 개선되어 극단적인 주행 상황만 아니라면 성능에 있어서의 큰 편차를 보이지는 않는다.


일반적인 정(플러스와 마이너스 사이) 캠버를 가진 자동차


급격한 코너를 도는 경주용 차량의 마이너스 캠버



FF 방식의 복잡한 속사정과 서스펜션


국내뿐만 아니라 전세계 많은 운전자들이 이용하는 차량은 FF(앞 엔진-전륜구동)방식을 택하고 있다. 이러한 형식의 자동차는 대부분 엔진을 횡방향으로 배치하고 여기에 변속기까지 연결하는 경우가 많다. 그래서 서스펜션 시스템에 많은 공간을 할애하기 어렵다. 따라서 전폭이 좁은 소형 준중형 이하 자동차의 경우 주로 활용되는 방식이 스트럿 타입의 서스펜션이다. 특히 얼 스틸 맥퍼슨이라는 전설적 엔지니어가 소형 자동차의 서스펜션으로 개발한 스트럿 서스펜션은 FF 외의 레이아웃을 가진 자동차에도 사용되고 있다. 간단한 구조로 무게와 제작 비용이 적다는 것이 장점이다.

 

원래 GM의 엔지니어였던 맥퍼슨은 GM의 소형 자동차 개발 계획에서, 기존의 상하 길이가 다른 컨트롤 암 방식(SLA, 숏-롱 암)을 대체할 방식으로 이를 고안했다. 그러나 그의 연구안이 받아들여지지 않았다. 그러나 그와 인연이 있었던 포드의 엔지니어가 맥퍼슨을 포드의 고위 임원진에 추천했다. 결국 맥퍼슨은 1953년, 해당 서스펜션으로 특허를 따내게 되었으며, 맥퍼슨 스트럿은 유럽 포드의 소형 자동차들을 필두로 많은 FF 차량들의 전륜 서스펜션으로 자리잡았다. 물론 스트럿 방식의 서스펜션을 최초로 고안한 사람은 맥퍼슨이 아닌 1920년대 이탈리아 피아트의 귀도 포르나차라는 엔지니어였다. 그럼에도 이 방식의 스트럿은 맥퍼슨 스트럿이란 이름으로 더 익숙하다. 심지어 그의 특허권이 종료된 지 40여 년이 넘었음에도 말이다.


전륜 서스펜션으로 맥퍼슨 스트럿 방식을 채택하고 있는 BMW M2 쿠페


앞서 살펴본 바와 같이 서스펜션은 조향 시 각 바퀴의 조향축 역할을 하기도 한다. 이 때 스트럿 서스펜션은 그 자체가 실제 조향축이 된다. 그런데 FF레이아웃의 차량들은 앞쪽이 무거워 코너링 시 조향 각도에 비해 회전의 반경이 커지는 언더스티어 현상이 발생하기도 한다. 이를 개선하기 위해 노면의 변화에 따라 서스펜션 각 부분에 전달되는 힘을 상대화하고, 이 힘의 변화에 따라 조향 지점을 가상화해 대처하는 방식이 필요해졌다. 이는 승차 시의 안락감은 물론 전륜의 조향 각도를 충실히 따르는 날카로운 선회 감각, 타이어의 마찰력 안정 등 여러 가지 이유로도 요구되었다.

 

이런 요건을 만족시키면서도 FF 차량의 복잡한 구조에 적용할 수 있는 서스펜션 중 하나가 더블위시본 방식이다. 위시본은 새의 가슴에 있는 쇄골인데 이 구조를 닮은 부품을 말한다. ‘더블’은 이를 상하 두 군데에 배치하는 데서 온 명칭으로, 암 형식과는 달리 이를 전후로 분할한 후 연결하여 유연성을 강조한 것이 특징이다. 더블 위시본 방식은 FR(앞 엔진-후륜 구동) 레이아웃이나 미드십 방식 차량에도 적용되지만, 파워트레인이 차지하는 공간을 최대한 피해가며, 효과적으로 가상 조향축을 형성하는 서스펜션 방식이다. 제조사에 따라서는 안락감보다 날카로운 선회 감각을 구현하기 위해 코일 스프링과 댐퍼의 구경, 댐퍼 내 유체의 압력 등을 조절하여 단단하게 세팅하는 경우도 있다.


같은 방식의 서스펜션이라도 코일 스프링이나 댐퍼의 조절에 따라 다른 주행 감성을 전달한다(자료제공: KW)



후륜은 거들 뿐만 아니라 콘트롤한다


FF레이아웃에서 후륜은 유동륜, 즉 전륜의 구동력을 따라가는 바퀴가 된다. 그렇다고 해서 FF 레이아웃 차량의 후륜이 ‘거들 뿐’인 역할에 그치지는 않는다. FF 차량도 섀시의 중량을 안정적으로 지지하고 회전으로 인한 원심력 등을 견디며 마찰력을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 구동륜인 전륜에 비해, 토의 변화가 일어나지 않도록 일체 차축식이나 그에 준하는 방식의 서스펜션을 적용하는 경우가 많다.

 

그러나 일정 속도 이상의 고속 주행을 하거나, 뒷좌석 승객의 편안함을 지향해야 하는 고급 세단의 경우에는 후륜 역시 전륜과 마찬가지로 토와 캠버를 좀 더 유연하게 활용하고 제어함으로써, 보다 날카로운 조향 감각을 느낄 수 있도록 설계하는 경우도 많다. 특히 와인딩로드 주행을 즐기는 이들이 선호하는 해치백 차량들은, 최근 세대에 와서 후륜 서스펜션에 유연성을 높인 멀티 링크 방식을 채용하고 있다.


이전 세대와 달리 후륜 서스펜션 시스템으로 멀티 링크 방식을 채용한 현대자동차 i30


또한 FF 방식 차량들의 후륜 서스펜션의 설계에 있어서 적재 공간 역시 고려해야 할 요소다. 즉 적재 공간을 조금 희생하고서라도 고속 주행이나 급선회 시의 안정성을 중시하는가, 일상적 주행 영역에 적합한 정도로 세팅하는가 하는 선택이 과제가 된다. 물론 이를 결정하는 것은 해당 차량을 주로 구입하는 이들의 주행 성향, 즉 시장의 요구이다.

 

하편 콘텐츠에서는 주행 성능을 강조한 고성능 차량과 수입 제조사 차량에서 자주 보이는 FR 레이아웃 및 미드십 후륜 구동, 4륜 구동 차량의 서스펜션에 대해 다루기로 한다.특히 이 분야의 서스펜션은 글로벌 제조사들이 개발 경쟁에 몰두해온 만큼 더욱 흥미로운 부분이 많다. 





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