서스펜션 링크(위시본)의 정면도의 제일 중요한 개념은 ‘롤센터’ 입니다.
이 링크의 정면 각도에 따라 롤센터의 위치가 선정되고,
범프, 리바운드, 롤링 시에 적절한 범위 내에 있게 합니다.
그렇다면 그 롤센터라는 것은 무엇일까요?
사진처럼 이렇게 급격한 조향 시 차가 기울러지는 현상을 우리는 경험해본 적이 있습니다.
이러한 현상을 롤링이라고 합니다.
롤링은 롤 센터(롤 축)을 중심으로 코너링 시 차의 무게중심에 적용되는 원심력에 의해 발생합니다.
(롤 센터와 무게 중심의 위치에 따라 롤링의 크기가 달라진다는 뜻)
자 그럼 서스펜션 링크의 각도가 어떻게 롤 센터를 결정하는지 알아보도록 하죠.
(자작자동차 기준이므로, 더블 위시본이라 가정하고 설명하도록 하겠습니다.
사진에서 킹핀 축은 업라이트에 어퍼암, 로워암이 장착되는 지점을 이은 선입니다.
먼저, 서스펜션 링크의 연장선을 그어서 순간 중심을 찾아줍니다.
(이 때 킹핀 축과 순간중심 거리를 Front view swing arm 이라고 합니다.)
두번째로, 킹핀 축과 지면이 만나는 교점을 표시합니다.
마지막으로, 1번 점과 2번 점을 이어주면 직선이 생기는데, (맨 아래의 점선)
이 직선과 차량 센터 축의 교점이 바로 롤 센터입니다.
그림으로 그리면 금방 이해 가능합니다. 쉽죠?
CAD로 그려보면 1mm 와 0.1도 차이로도 롤 센터 위치가 크게 변한다는 것을 볼 수 있습니다.
(작업 시 마운트 위치를 정확하게 잡는 것이 중요하겠죠?)
그러면 롤 센터의 적절한 위치는 어디일까요?
몇 가지 주목 사항이 있습니다.
1) 롤 센터가 무게 중심 일치한다면 롤링은 발생하지 않습니다.
2) 롤 센터가 무게 중심보다 더 높다면 차의 윗부분이 코너의 안쪽으로 기울러지는 잘못된 방향으로 움직입니다. (바깥쪽 바퀴에 하중이 안 실리겠죠?)
3) 롤 센터가 낮아짐에 따라서 롤링도 증가할 것입니다.
4) 이에 따라 무게 중심에 가까운 높은 롤 센터를 사용하는 것이 좋아보이지만, 이는 두 가지 문제를 일으킵니다. 먼저 범프와 리바운드 시 휠 컨택 패치가 옆으로 움직이려는 가로방향 휠 스크럽(Lateral wheel scrub)이 발생 되고, 급한 코너링에서 자동차가 위로 올라가는 재킹 현상이 일어날 것입니다. 짧게 말해 오히려 코너에서 차가 불안정해진다는 것입니다.
5) 롤링이 없어진다고 좋은 것이 아닙니다. 롤은 자동차의 언더스티어, 오버스티어 밸런스를 잡는데 반드시 필요한 현상입니다. 롤링을 억제하기 위해 서스펜션의 스프링과 안티롤바 같은 장치를 장착하여 차량의 밸런스를 조율할 수 있습니다. (이 부분은 추후에 다룰 예정입니다.)
6) 코너링에서 롤 센터가 지면의 위아래로 이동하는 것은 무한대의 가로 방향 회전 움직임을 일으킬 수 있기 때문에 피해야합니다. (차를 불안정하게 만듭니다.
7) 롤 센터는 일반적으로 자동차의 프론트와 리어에서 서로 다른 높이에 위치하는데 이 두 개의 롤 센터를 연결한 직선을 롤 축이라고 합니다. 이를 설정하기 위해 차의 전후 방향을 구분하여 프론트와 리어 각각의 무게 중심 높이와 량과 롤 센터를 계산해야합니다.
8) 이러한 롤 축은 보통은 구동축 쪽 롤센터가 더 낮게 설정합니다. (FF는 앞이 낮게, FR은 뒤가 낮게) 이유는 코너에서 탈출 가속 시 하중이 구동축으로 흐르게 하기 위함인데, 자작자동차의 경우는 특이하게 후륜 구동임에도 불구하고, 앞 쪽 롤센터가 낮습니다. (왜 일지 맞춰보세요. 하중을 어디로 보내기 위해?)
9) 자작자동차에서 프론트 롤 센터는 25mm ~ 50mm 사이를 권장하며, 후면은 약간 더 높게 잡는 것을 추천합니다. (해외대학 자료에서 가져왔는데, 추후 첨부하도록 하겠습니다.)
10) front view swing arm 은 길수록 캠버 회복이 적어지지만 가로 방향 휠 스크럽이 줄어들고, 짧아지면 캠버 회복이 커지지만, 가로 방향 휠 스크럽이 커집니다. (적당한 길이가 좋다라고 할 수 있겠네요.) 전륜의 스윙암은 1250 ~ 2500mm 사이로, 후륜은 1016mm ~ 1778mm 의 길이로 추천합니다.
* 캠버 회복 : 차가 4도로 롤링 했을 때 바퀴가 2도로 기울러진다면, 캠버 회복율이 50%라고 합니다.
11) 캠버 회복량은 전륜의 경우 0.2도에서 0.5도, 후륜의 경우 0.5도에서 0.8도를 추천합니다.
자 이제, 서스팬션 링크 길이를 정해봅시다. 이를 위해서는 몇 가지 개념을 알아가야 합니다.
범프 : 차가 충격을 받았을 때, 바퀴가 올라가면서 안쪽으로 오므라드는 현상
(방지턱 진입 초기에 일어나는 현상)
리바운드 : 범프 이후, 바퀴가 내려가면서 바깥으로 벌어지는 현상
(방지턱 내리막 시 또는 차량이 점프할 때 일어나는 현상)
롤링 : 차량이 코너링 시 일어나는 현상
이렇게 차를 불안하게 현상들이 일어날 때에도 최대 그립을 유지해야합니다.
그럼 최대 그립은 어떻게 생기는 것일까요?
여러분도 잘 아시다시피, 휠(타이어)의 각도에 의해 그립의 크기가 결정 됩니다.
직진으로 할 때 타이어에 큰 각도가 들어가면 그립이 0도에 비해 커질까요?
당연히 아닙니다.
위의 그래프와 같이 가속 및 브레이킹 시에는 캠버 각도가 0도에 가까울수록 그립이 큽니다.
하지만 코너링 시에는 바깥쪽 그립이 약 -1도 일 때 최대 그립이 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 특히 + 캠버가 되면 그립이 크게 떨어지는 것을 볼 수 있습니다.
반대로 하중이 줄어드는 안쪽 그립은 양의 캠버일수록 그립이 좋아집니다.
최대 그립을 위해서는 양쪽 휠 모두 휠의 윗부분이 선회중심 쪽으로 기울어져야만 합니다.
위의 경우가 잘못된 방향으로 캠버 각을 이루는 상황이고, 밑의 경우가 최적의 그립을 만들어주는 상황입니다.
이렇게 그립을 확보하기 위해서는 어떤 형상이 되어야할까요?
결론은 수렴하는 서로 다른 길이의 위시본이 가장 큰 장점을 발휘 합니다.
링크가 수렴한 것의 장점은 롤에서는 더 양호한 캠버 제어를 보여줍니다.
또한 어퍼암이 짧아지는 것의 장점은 롤 센터의 움직임이 적어집니다.
단점으로는 범프와 리바운드 시 평행하고 동일한 길이의 위시본에 비해 캠버 제어가 좋지 않지만, 이는 롤링 시 캠버 회복이 0%이므로 추천하지 않는 형상입니다.
만약 오른쪽 그림과 같은 서스팬션 지오메트리를 적용하려 한다면, 바깥쪽 휠이 양의 캠버에 도달하지 않도록 하기 위해 최소 -2도의 정적 캠버 세팅이 필요할 것입니다.
마지막으로 서스펜션 정면도 요구 조건을 요약하면서 마무리 하겠습니다.
1 롤링에서 양호한 캠버의 제어를 유지합니다.
-> 수렴하는 위시본 사용합니다.
2 안정적인 롤 센터 위치를 제공합니다.
-> 어퍼암 길이를 줄입니다. 다만 롤 센터가 지면을 통과하는 것을 피해야합니다.
3 범프와 리바운드에서 휠 스크럽을 최소로 합니다.
-> 최대 스크럽을 5mm 정도로 제한하는 것이 좋습니다. 롤 센터가 지면에 가까워지면 스크럽은 감소합니다.
4 범프와 리바운드에서 양호한 캠버 제어를 유지합니다.
-> 위 아래 위시본 길이를 최대로 하는 것이 도움이 됩니다.
다음은 안티 다이브와 스쿼트를 제어하는 측면도와 평면도를 정리하겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.