자동차를 주행하시다 보면 자동차의 승차감의 중요성을 느끼게 됩니다. 편안하고 안락한 주행감 즉 승차감은 운전자에게 운전에 대한 피로감을 크게 줄여줄 수 있습니다. 이와 관련하여 자동차 승차감에 크게 영향을 미치는 중요한 특성값에는 여러 가지가 있으나, 오늘은 휠&타이어(Wheel & Tire)와 바디(Body)를 연결하여 주는 서스펜션 시스템 (Suspension System)과 관련된 가장 기본적인 특성값에 대하여 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.
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목차
- Ride Frequency
- Flat Ride Tuning
- Suspension Rate (Wheel Rate), Ksusp
- Tire Rate, Ktire
- Ride Rate, K'F
- Ride Frequency, Suspension Rate, Ride Rate의 상관 관계
- 마무리
Ride Frequency
자동차 승차감(Ride)을 결정하는 요소 및 관련 시스템 보러 바로가기
아래 그림은 차량 진동계(Vehicle Vibration System)를 표현한 것으로서, 간단히 차량 바디(Body)를 포함한 스프링 상질량 (Sprung Mass)와 휠과 타이어(Wheel & Tire) 그리고 바디(Body)와 휠과 타이어(Wheel & Tire)를 연결해 주는 서스펜션 시스템(Suspension System)을 포함하고 있는 스프링 하질량 (Unsprung Mass)로 표현할 수 있습니다.
여기서 자동차 승차감과 연관된 서스펜션 특성값 중에 하나인 Ride Frequency는 주행 중 바디(Body)의 고유 진동수를 말합니다. 보통 일반적인 사람이 걸을 때 대략 1초에 1 스텝으로 걷는다고 하며, 대부분의 사람들이 이 리듬에 익숙해 있다고 하며 편안함을 느낀다고 합니다. 따라서 자동차 제조사에서는 물론 개발 차량의 특성과 목표(Target)에 따라 달라지지만 일반적인 승용차에서는 보통 앞쪽인 Front Ride Frequency를 1 ~ 1.2 Hz 정도로 설정하여 개발을 하고 있습니다. 또한 뒤쪽 Rear Ride Frequency의 경우는 앞쪽 보다 20% 정도 높은 1.2 ~1.5 Hz로 설정하게 됩니다. 이것은 주행 중 Flat Ride, 즉 차량 바디(Body)의 앞쪽과 뒤쪽 진동에서 공진(Resonance)의 발생을 줄여주고자 하는 목적으로 설정되는 것으로 다음 항목 Flat Ride Tuning에서 자세히 설명드리겠습니다.
참고적으로 주행 성능(Handling performance)을 요구하는 스포츠 카의 경우는 Ride Frequency를 대략 1.5 Hz 이상까지, 또한 그 이상의 주행 성능을 요구하는 레이싱 카의 경우는 2.5Hz에서 3.5 Hz까지도 설정하는 경우도 있습니다.
Flat Ride Tuning
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아래 그림은 Flat Ride Tuning의 개념을 하나의 예로 보여주고 있는 그림으로 Flat Ride Tuning이 고려되어 앞쪽 보다 뒤쪽의 Ride Frequency를 약 20% 정도 높게 설정한 경우입니다.
설명을 간단히 드리면 그림과 같이 일정 속도로 주행 중일 때 자동차는 속도 방지턱 등의 도로 돌출물을 통과하게 됩니다. 이때 프런트 서스펜션에 먼저 가진(충격)이 발생하고 이후 자동차의 속도와 차량의 휠베이스에 따라 일정 시간 후(Time Lag)에 리어 서스펜션에 가진이 발생하게 되면서 위 그림의 오른쪽 그래프와 같이 프런트 서스펜션과 리어 서스펜션이 진동을 하게 됩니다.
위 그림에서 볼 수 있듯이 프런트 서스펜션과 리어 서스펜션의 진동 초기 한 사이클당 시간은 프런트 서스펜션 1.06초, 리어 서스펜션 0.87초로 리어 서스펜션의 진동이 약 20% 정도 빠른 진동수를 가지고 있음을 알 수 있습니다.
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위의 그림을 좀 더 자세히 설명을 드리면 앞쪽 바퀴가 속도 방지턱을 통과한 다음 일정 시간 후 뒤쪽 바퀴가 통과하게 되면서 위 오른쪽 그래프에서 볼 수 있듯이 첫 번째 사이클에서 프런트 서스펜션은 "A"점의 위치에, 리어 서스펜션은 "B"점의 위치에 있게 됩니다. 다시 말하면 이때 프런트 서스펜션, 즉 앞쪽 바퀴는 차량 바디를 기준으로 아래로 내려가는 최대 리바운드(Full Rebound) 조건에 위치하게 되며, 리어 서스펜션의 뒤쪽 바퀴는 바디를 기준으로 위로 올라가는 최대 범프(Full Bump) 조건에 위치하게 됩니다. 즉 자동차의 앞뒤가 서로 반대 방향으로 움직이는 악 조건인 피칭현상(Pitching)이 크게 발생하게 됩니다. 그러나 그 이후 바로, 즉 리어 서스펜션의 한 사이클(One Cycle) 또는 하나 반 사이클(1 and 1/2 Cycle) 이후부터는 그림에서 볼 수 있듯이 프런트 서스펜션과 리어 서스펜션이 같은 방향으로 움직이는 바운싱 모션(Bouncing Motion)이 되면서 서서히 진동의 진폭이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다. 이는 Flat Ride Tuning의 결과로 리어 서스펜션의 Ride Frequency가 프런트 서스펜션 보다 높게 설정되어 있기 때문에 프런트 서스펜션의 진동을 바로 따로 잡아 바디의 피칭 현상을 바로 상쇄하여 바운싱 모션을 보이게 되는 것입니다.
보통 운전자와 승객은 주행 중 승차감 측면에서 차량이 앞뒤 반대로 움직이는 피칭(Pitching) 현상보다는, 그래도 앞뒤가 같은 방향으로 위아래로 움직이는 바운싱(Bouncing)을 조금 더 선호하기 때문에 Flat Ride Tuning을 설정하게 되는 것입니다.
참고적으로 자동차의 범프(Bump)와 리바운드(Rebound), 피칭(Pitching) 그리고 바운싱(Bouncing)등에 대한 설명이 필요하시다면 아래의 파란색 버튼을 눌러 이전 글을 참고하시기 바랍니다. ↓↓
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만일 Flat Ride Tunig 없이 프런트 서스펜션과 리어 서스펜션의 Ride Frequency를 동일하게 설정하게 된다면 위의 그림의 예로 차량이 속도 방지턱을 지난 후, 물론 진폭은 서서히 줄어들겠지만 진동 과정 중에 프런트 서스펜션의 바퀴와 리어 서스펜션의 바퀴가 반복적으로 서로 반대방향으로 움직이는 피칭 현상이 계속되어 운전자 또는 승객의 불쾌감을 크게 유발할 것입니다.
Suspension Rate (Wheel Rate), Ksusp
휠 센터(Wheel Center)를 기준으로 하며, 스프링 상질량(Sprung Mass)의 수직으로의 단위 변위 당 휠 센터에서의 하중 변화율을 의미하게 됩니다.
Tire Rate, Ktire
규정 공기압의 타이어를 적용하여 휠 센터의 수직으로의 단위 변위당 지면에서의 하중 변화율을 의미합니다.
Ride Rate, K'F
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지면을 기준으로 스프링 상질량(Sprung Mass)의 수직으로의 단위 변위 당 지면에서의 하중 변화율을 의미합니다.
이를 수식으로 표현하면 아래와 같습니다.
Ride Frequency, Suspension Rate, Ride Rate의 상관 관계
휠 당 프론트 스프링 상질량 : M = W/g
Ride Frequency
Ride Rate
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윗식으로 Ride Rate를 구할 수 있습니다.
Suspension Rate
앞서 정의한 RideRate 식을 통해 다음과 같이 Suspension Rate를 구할 수 있습니다.
마무리
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지금까지 자동차의 승차감에 영향을 미치는 서스펜션의 기본 특성값에 대하여 알아보았습니다. 자동차의 승차감 및 조정 안정성에 대한 이해를 위해서는 Ride Frequency, Flat Ride Tuning, Suspension Rate, Tire Rate, Ride Rate 등의 기본 용어에 대한 개념 정리가 꼭 필요할 것으로 생각됩니다. 이번 글이 여러분이 좋아하시는 자동차를 이해하시는데 조금이라도 도움이 되었으면 하는 바람입니다.
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