자동차의 하체, 서스펜션에 대해 알아보자

오늘날의 자동차는 2~3만개에 달하는 수많은 부품들로 구성된다. 특히, 오늘날의 최신형 자동차들은 엔진, 변속기 뿐만 아니라 탑승자의 안전과 편의에 관련된 다수의 부품들은 물론, 반자율주행이나 커넥티드 카 등과 관련된 각종 첨단기술로 만들어진 부품들을 잔뜩 싣고 있다. 그런데 이렇게 수많은 부품들로 이루어진 자동차가 움직이는 환경은 녹록치 못하다. 자동차의 원활한 운행을위해 깨끗하게 포장되어 있는 도로라고 할지라도 그 표면은 수많은 굴곡과 요철들이 산재하며, 이 굴곡과 요철들은 운행 내내 자동차에게 물리적인 충격을 가한다. 이는 비단 현대의 자동차는 물론, 지상에서 바퀴를 사용하는 모든 운송수단이 필연적으로 맞닥뜨리게 되는 상황이기도 하다.

이 때문에 필요한 것이 바로 서스펜션이다. 서스펜션은 현가장치(懸架裝置), 내지는 현수장치(懸垂裝置)로도 불리며, 지상을 이동하는 모든 운송수단(자동차, 철도 등)에 있어 필수적인 기계장치다. 서스펜션은 아래로는 노면으로부터 전달되는 물리적인 충격으로부터 자동차와 탑승자를 보호하고 위로는 자동차와 승객, 짐으로 인한 수직하중으로부터 차축과 섀시를 보호한다. 자동차를 안전하게 운행하는 데 있어 필수불가결한 존재, 서스펜션의 종류에 대해 알아보자.

더블 위시본
자동차용 독립식 서스펜션으로서 대표적인 방식이다. 이 방식은 두 개의 Y자형 내지는 U자형의 로워 위시본 암(Lower Wishbone Arm)과 어퍼 위시본 암(Upper Wishbone Arm)이 너클로 서로 연결된 구조를 가지며, 이 두 개의 위시본 암과 쇼크업소버, 스프링으로 차륜을 지지한다. 이 방식은 독립식 서스펜션의 이점을 가장 잘 살릴 수 있는 방식으로, 휠 얼라인먼트 설정에 있어서 자유도가 상당히 높으며, 특히 횡방향으로 작용하는 하중에 강해 높은 조종성능을 끌어낼 수 있다. 다만 이 방식은 공간을 상당히 많이 차지할 뿐만 아니라 단가가 매우 높고, 급격한 상하 방향으로의 충격에 약하다는 단점이 있다. 주로 고급/고성능 차종이나 높은 전륜 조종성이 필요한 화물 차량의 전륜 서스펜션으로도 사용된다.

맥퍼슨 스트럿
현재 가장 많은 양산차의 전륜 서스펜션에 사용되고 있는 독립식 서스펜션이다. 이 방식은 더블위시본 서스펜션의 변형에 해당하며, 더블위시본 상부의 어퍼 위시본 암을 떼어내고, 쇼크업소버의 하단부를 너클에 붙인 형태로 만들어진다. 쇼크업소버에 코일스프링 및 마운트를 설치해 통해 지지하며, 쇼크업소버의 가장 하단부에 차륜이 장착되는 방식이다. 이 방식은 구조가 극히 단순하고 공간도 작게 차지하며, 상대적으로 저렴한 생산단가로 독립식 서스펜션의 이점을 챙길 수 있는 덕분에 수많은 양산차에 사용되고 있다. 그 중에서도 엔진과 변속기가 가로로 배치되는 전륜구동 방식에 가장 이상적인 형태로 여겨진다. 물론 포르쉐 911이나 718 계열(박스터, 케이맨)과 같이, 공간의 절약 및 경량화를 목적으로 후륜구동 차량의 전륜 서스펜션으로 사용하는 예도 존재한다. 

듀얼링크
위의 맥퍼슨 스트럿 방식의 변형으로, 로워 위시본 암을 두 개의 링크로 나눈 형태다. 이를 활용해 조향륜인 전륜에서 조향중심축(King Pin)을 바깥쪽으로 빼내어 스크럽 반경을 줄임으로써 원활한 조향을 유도하도록 할 수 있다. 이러한 특징은 원판의 맥퍼슨 스트럿 대비 더욱 뛰어난 조종성을 제공하면서 더블 위시본 대비 공간을 덜 차지하기 때문에 후술할 토션빔 방식이 주류가 되기 이전까지는 소형급 전륜구동 자동차의 후륜 서스펜션으로 널리 사용되고 있었다. 이 방식은 전륜에 적용했을 때에도 여러 이점을 얻을 수 있어, 현재 BMW가 후륜구동 차량의 전륜 서스펜션으로 주로 사용하고 있다.

푸시로드
이 방식은 주로 오픈 휠(바퀴가 외부로 노출되어 있는 형태) 타입의 경주용 자동차들이 주로 사용하는 방식이다. 이 서스펜션은 기본적으로 더블위시본 서스펜션을 바탕으로 한다. 하지만 더블위시본과의 결정적인 차이점이 있다면 별도의 토션 바가 추가되고 댐퍼와 스프링이 배치되는 위치, 그리고 노면의 충격을 직접 전달하기 위한 푸시로드(Push Rod)가 배치된다는 점이다. 어퍼 위시본 암과 로어 위시본 암은 길쭉하게 설치된다. 이는 공기저항을 극단적으로 줄여야 하는 경주용 자동차들을 위해 고안된 것으로, 댐퍼 등, 덩치가 큰 서스펜션의 주요 부품들을 차량의 중심선에 몰아넣기 위한 것이다. 중량배분 및 무게중심에 유리하다는 점은 말할 필요도 없다. 이 방식은 포뮬러 1 경주차들뿐만 아니라 양산차에도 일부 적용된 사례가 있는데, 대표적인 예가 바로 람보르기니 아벤타도르다. 트랙 주행을 상정하고 만들어지는 키트카로 넘어가면 적용 사례가 더 많아진다.

리지드 액슬
인류가 마차를 사용했을 당시부터 지금까지 내려오고 있는 이 방식은 독립식 서스펜션의 등장 이후 승용차 업계에서는 극히 일부 모델들을 제외하면 사용하지 않고 있지만 상용차 부문에서는 여전히 현역이다. 리지드 액슬(Rigid Axle)은 말 그대로 일체화된 차축으로 이루어진 서스펜션을 말하며, 차동기어와 차축, 바퀴가 하나로 연결되어 있는 지극히 단순한 구조를 취한다. 스프링의 경우에는 대체로 리프 스프링을 많이 사용하지만 코일스프링을 사용하는 경우도 없지는 않다. 노면에서 충격이 가해지면 차동기어를 중심축으로 운동하는데, 이 때문에 일반적인 도로 주행에서는 상당히 거친 느낌을 줄 수 있다. 하지만 이 방식이 아직도 현역인 이유는 상하방향으로 작용하는 하중에 대해 탁월한 성능을 발휘하는 덕분이다. 이 덕분에 뒤쪽에 짐을 많이 실어야 하는 화물차 같은 상용차는 물론, 일부 정통 오프로더들도 이 방식을 사용하고 있다.

토션빔
토션빔(Torsion Beam)이란 위의 리지드 액슬와 유사한 일체차축식 서스펜션의 일종이다. 양쪽의 바퀴는 하나의 빔(Beam, 보)로 연결되며, 이 보의 양 끝단(차륜과 만나는 부분)에 스프링과 쇼크업소버, 그리고 트레일링 암이 연결되는 형태로 구성된다. 오토바이의 스윙 암 방식 리어서스펜션 2개를 빔으로 탄성 연결시켜 놓은 구조라고 보면 된다. 따라서 토션빔은 구조 상 독립식이 아니다. 그러므로 한쪽 바퀴에 가해진 충격과 힘은 반대편 바퀴까지 그대로 전달될 수 밖에 없다. 이 때문에 독립식 서스펜션 대비 승차감 면에서 불리한 점이 있다. 하지만 맥퍼슨 스트럿과 비슷한 맥락으로, 단순한 구조와 더불어 공간을 매우 작게 차지하며, 제작 단가도 낮다는 장점 덕분에 소형급 전륜구동 승용차의 후륜 서스펜션으로 가장 폭넓게 사용하고 있다. 최근에는 기술의 혁신이 이루어지면서 토션빔 서스펜션의 단점들은 상당히 보완이 되어 있다.

트레일링 암
위의 토션 빔 서스펜션에서 토션빔을 떼어내게 되면, 이 방식이 된다. 즉, 대다수 오토바이의 리어 서스펜션으로 사용되는 스윙 암이 좌우 뒷바퀴에 하나씩 적용되어 있는 형태로 보면 된다. 가장 간단한 형태의 독립식 서스펜션 중 하나인 이 방식은 구조가 매우 간단하고 가볍다. 그 뿐만 아니라 서스펜션 관련 부품을 세운 형태가 아닌, 누워있는 형태로 배치할 수 있는 덕분에 차체 뒤쪽의 공간을 더 넓게 확보할 수 있다. 하지만 극도로 단순한 방식으로 인해 후륜의 제어가 자유로운 편이 아니어서 조종성 면에서는 그리 좋은 편은 못 된다. 이 때문에 이를 보완하기 위한 '세미 트레일링 암'이라는 변형도 존재한다. 

멀티링크
메르세데스-벤츠가 1980년대 개발한 이 방식은 종래의 더블 위시본 서스펜션을 개량한 형태로, 주로 후륜 서스펜션으로 사용한다. 이 방식은 두 개의 위시본 암과 컨트롤 암으로 총 6개의 접점으로 연결되는 더블위시본을 분해하여 이 접점들을 서로 다른 크기의 링크를 이용해 분산시켜 연결하는 형태다. 이 방식은 제조사에 따라 자유로운 설계가 가능해, 공간의 낭비를 최소화하면서도 최적의 조건으로 링크를 구성할 수 있어, 이론 상 '승차감'과 '조종성능'의 두 마리 토끼를 다 잡을 수 있는 방식이기도 하다. 이 방식은 중형 이상 고급 승용차의 후륜 서스펜션으로 널리 사용되고 있으며, 또한 사륜구동 시스템이 적용되는 SUV 모델들도 대체로 이 방식을 채용한다.

토션바
이 방식은 긴 원통형의 토션바(Torsion Bar)가 가진 탄성력을 이용해 하중을 받아내는 형태다. 따라서 앞서 언급한 토션빔과는 전혀 다른 성격과 구조를 가진 서스펜션이다. 차량의 바퀴는 토션바를 중심으로 회전하는 막대형 구조물에 연결되며, 노면의 굴곡으로 인해 바퀴가 움직이면 토션바가 비틀림 응력이 가해지면 토션바는 이 비틀림으로부터 되돌아가기 위한 반발력에 해당하는 복원 토크를 발생시켜서 충격을 상쇄한다. 근래에 이 방식은 일반적인 자동차보다는 주로 전차(戰車, Tank) 등, 자동차로선 상상도 할 수 없는 고하중을 견뎌야 하는 중장비들이 주로 채용하고 있는 형태다. 하지만 포르쉐 911 등 극히 일부 모델에 사용되는 경우가 있다.