의 네 바퀴가 지면에 맞닿아 있는 유일한 부분이라면
지면에 바퀴를 계속 접지시켜주는 서스펜션이 있다
브레이크, 스티어링 시스템, 타이어와 함께 섀시를 구성하는 필수품인 서스펜션
그중에서도 엪붕이들이 좋아하는 F1 서스펜션이 이글의 주인공이다
왜 서스펜션이 필요할까?
서스펜션의 주요 역할은 주행 중 휠과 노면 사이의 최적의 컨택 면적을 달성하는 것이다
이 최적의 컨택면은 얼라인먼트를 비롯한 휠의 공간적 위치, 휠의 하중 분포 그리고 노면의 불균함에 영향을 받는다
차량이 불균일한 노면을 통과하기 위해선 수직적인 자유도(DoF)가 필요하고 이는 서스펜션을 이용함으로써 취할 수 있다
휠이 서스펜션에 따라 움직일 때 커넥팅 로드와 조인트 시스템은 휠의 캠버와 토, 윤거에 영향을 미칠 수 있는데 이러한 현상을 키네메틱스 즉 기구학에서 다루게 된다
(섀시 구조의 탄성과 같은 요소도 차량의 키네메틱스에 영향을 미칠 수 있는데 이를 컴플라이언스라 일컫고 양산차에서는 중요하게 다루어지지만 레이싱카에서는 부차적이기 때문에 넘어가자)
여기서
엪붕이들이 한번 레이싱카 섀시에 대해 개념 설계를 해보기로 하자
- 키네메틱스와 컴플라이언스, BCM, 현가하질량 등을 다루는 차량 동역학 분야
- 지면간의 간격 지상고와 공기역학적 파츠에 대한 유동을 다루는 공기역학
타이어, 피로 강성, 호몰로게이션과 제한된 재료 etc…
생각해야 할 요구사항이 참 다양하다……
그리고 양산차량에 비해 공기역학 분야는 매우 중요하다
고성능 레이싱카의 차량동역학적 특성은 특히 피치 제어에 있어서 민감하며 이로인해 일정한 지면간의 간격 지상고가 매우매우 중요하기 때문이다
때로는 공기역학적 부품과 언더바디로 흐르는 유동이 고전적인 지오메트리보다 더 중요할 때도 있는데 F1의 경우가 딱 이 상황이다
그렇기에 F1의 서스펜션은 양산차의 것과는 달리 공기역학적인 부분도 매우 영향을 끼친다는 것을 알아두자
정리해서 말하자면 하중과 관성 그리고 다운포스와 휠 얼라이먼트는 모두 서스펜션을 통해 조정할 수 있고
그 서스펜션은 스프링, 쇽업 그리고 스태빌라이저의 조합으로 이루어져있다
서스펜션은 이 조합은 동일하되 종류가 다양한데
독립식 서스펜션이 있다
이 독립식 서스펜션의 경우 각각의 휠은 휠 자체의 제어 암을 통해 서로 독립적으로 연결되어 있으며 따라서 서로에게 영향을 끼치지 않고 움직일 수 있다
이 독립식 서스펜션의 가장 큰 장점으로는 낮은 현가하질량과 독맂식이 가지고 있는 키네메틱스와 컴플라이언스 최적화의 매우 높은 잠재력으로 비롯된 매우 좋은 차량 성능이다
맥퍼슨 스트럿, 스윙암, 트레일링 암 등이 여기에 속해있지만
이 최적화의 잠재력은 제어하는 암이 많을수록 증가하기에 그 결과
또한 더블 위시본에서 위시본을 개별 트랙 로드로 분리시킴으로써 파생된 4링크 멀티링크, 그리고 5링크 서스펜션으로도 분화되었다
F1 또한 1950년대 시작된 이래로 이 더블 위시본 서스펜션을 차용하였고 많은 변형이 있어왔다
이번 기회에 그 변천사를 5단계로 나누어서 개략적으로 살펴보겠다
<1>
이미지 속 차량은 초창기 F1에서 활약했던 애스턴 마틴의 DBR4다
개이쁘다
이 레이싱카는 표준적인 더블 위시본 서스펜션을 보여준다
코일 스프링과 쇽 업소버가 있으며 이들 스프링 댐퍼 조합은 서스펜션의 하부 위시본에 부착되어있다
서스펜션 압축시에는 스프링과 댐퍼가 압축되고 연장시에는 함께 연장된다
또한 코너링시 하부 위시본이 받는 횡력 일부를 스프링과 댐퍼가 대신 흡수한다
이러한 서스펜션의 형태에 있어서 고려해야 할 점이 있다
하부 위시본이 받는 굽힘 응력을 피하기 위해 휠 사이드에 최대한 가깝도록 댐퍼와 스프링을 배치시켜야 한다는 점이다
단점도 존재한다
오픈휠 레이싱카에서 이렇게 밖으로 배치된 댐퍼와 스프링은 차량의 항력을 증가시킨다는 점이다
(더 깊게 나아가보자면, 이러한 방식은 댐퍼와 스프링 레이트를 설정하는 데 있어 매우 제한된 범위를 가진다는게 흠이다)
<2>
앞서 언급한 단점은 위의 서스펜션 구조로 해결되었다
상부 위시본 대신 로커형태의 제어 암을 통해 말이다
이러한 구조는 1960년대 초부터 사용되었으며 이제 스프링과 댐퍼로 인해 만들어지는 드래그는 없어졌다
하지만 로커암이 굽힘 응력을 견디기 위해 무겁게 설계되었기에 차량의 무게 중심이 위로 이동한 것, 그리고 코너링 시 하부 위시본에 가해지는 횡력을 견뎌줄 스프링 댐퍼 요소가 이젠 없다는 것이 흠이다
<3>
1970년초 다운포스의 증가로 섀시가 견딜 하중이 늘어남에 따라 F1은 더욱 높은 강성을 가진 스프링을 요구했다
단단한 스프링일수록 압축하기도 쉽지 않다
압축하는 힘이 부족하다면 이는 곧 트랙션 손해로 이어질 수도 있다
따라서 더 높아진 스프링 레이트에 걸맞는 서스펜션이 필요했고 그 결과 로터스의 풀로드 서스펜션이 나오게 되었다
풀로드는 상부 위시본이 받는 굽힘 응력을 피해 휠과 최대한 가깝게 배치되었고 로커를 통해 스프링과 댐퍼에 충격을 전달한다
단점으로는 마찬가지로 코너링 시 하부 위시본이 받는 횡력을 댐퍼와 스프링이 덜어줄 수 없다는 것과 제동 시 상부 위시본이 높은 하중을 견뎌야 하는 것이다
<4>
점점 다운포스가 증가되어가고 점점 증가하는 코너링G는 결국 풀로드 서스펜션이 버틸 수 있는 구조적 한계에 다다르게 되었다
그리하여 하부 위시본을 위한 푸시 로드가 탄생하였고 풀로드와 푸시로드는 현재까지 F1의 서스펜션 구조로 계속 사용되고 있다
<5>
1990년대
액티브 서스펜션은 서스펜션이 얼마나 공기역학에 관여할 수 있는지를 보여주었다
액티즈 서스펜션이 금지된 이후 팀들은 액티브 서스펜션처럼 지면과의 간격을 일정하게 유지할 수 있는 서스펜션을 원했고 그리하여 나온 것이 히브 스프링과 댐퍼이다
코너링 시 롤링에는 일절 관여하지 않고 오로지 피칭에만 영향을 주는 히브 댐퍼와 스프링으로 인해 F1은 공기역학적으로 더욱 발전해나갔다
이외에도
FRIC
등
창의적인 솔루션들이 많이 나오게 된 F1 서스펜션이었다
기존에 있는 지식에 덧대어 사진도 추가하며 쓰다보니 쪼금 길어졌는데 아무튼 매우 흥미로운 서스펜션이다
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