승차감과 주행성능을 책임진다! 쇼크 업소버
자동차의 승차감에 대해 이야기 할 때 쇼크 업소버는 빠지지 않고 언급된다. 쇼크 업소버는 말 그대로 노면으로부터의 충격을 흡수(absorb)하는 역할을 하고 서스펜션 시스템 중 스프링의 이상 진동을 억제하는 역할을 한다. 따라서 자동차의 승차감에 직접적인 영향을 미친다. 이 쇼크 업소버도 자동차 발전사 속에서 장르에 따른 주행 특성 등을 반영하며 발전했다.
서스펜션의 주요 구성 부품 쇼크 업소버 |
쇼크 업소버는 불필요한 위치 이동과 그 충격을 억제하기 위한 모든 장치를 일컫는다. 통상 자동차의 쇼크 업소버는 서스펜션 시스템의 스프링의 이상 진동을 흡수하고 노면으로부터의 충격을 걸러낸다.
물론 스프링 자체도 충격을 흡수하지만, 스프링은 외력에 의해 변형되면 다시 원래 형태로 돌아가기를 반복하는 진동을 만든다. 쇼크 업소버는 내부를 채운 물질의 저항력을 통해 스프링이 받는 충격을 줄여 진동의 범위를 제한하고 고르지 못한 노면에서의 승차감을 개선한다. 이 저항력이 바로 감쇠력(damping force)이다. 쇼크 업소버를 댐퍼라고도 부르는 이유가 이것이다.
쇼크 업소버의 감쇠력은 강해야 할 때도 있고 부드러워야 할 때도 있다. 또한 제자리로 돌아오는 복원 동작도 기민해야 할 때가 있고 여유로워야 할 때가 있다.
먼저 빠른 선회 시에는 감쇠력이 강하고 복원 동작도 여유로워야 한다. 무게 중심의 급작스런 이동을 최소화하기 위해서다. 만약 지나치게 감쇠력이 약해 차가 누웠다가 갑자기 일어서듯 자세가 복원된다면 조향이 원활하지 않을 뿐만 아니라, 전륜 구동 차량의 경우에는 통제 불능 상태가 되기도 한다.
반대로 지나치게 딱딱할 경우 자그마한 돌멩이나 그루브에도 반응하며 오히려 차량의 마찰력이 떨어진다. 특히 섀시의 특성이나 서브프레임, 서스펜션의 기계적 구조와 맞지 않게 강한 감쇠력의 쇼크 업소버를 장착하는 경우가 이러하다. 또한 어느 정도 험로 주파도 가능해야 하는 SUV의 경우, 어느 한쪽에 치우치지 않아야 하므로 무조건 단단한 댐퍼로 교체하는 것은 능사가 아니다.
쇼크 업소버의 종류를 가르는 구조와 속사정 |
■ 고쇼크 업소버도 엔진처럼 실린더와 피스톤 구조?
쇼크 업소버는 일종의 실린더와 피스톤이 결합된 형태로 되어 있고 그 안에 들어 있는 물질의 마찰력, 저항력이 감쇠력을 만들어낸다. 쇼크 업소버의 피스톤 헤드에는 내부의 유체나 기체를 통과시킬 수 있는 구멍이 있다. 그래야 실린더 내에서 오르내릴 수 있기 때문이다. 참고로 구멍의 넓이가 좁을수록 저항력이 커지고 좁으면 작아진다. 참고로 주행 모드에 따라 감쇠력이 조절되는 쇼크 업소버는 오일이 통과되는 구멍의 넓이를 조절하는 방식이다.
쇼크 업소버의 내부를 채우는 물질은 대부분 오일이며, 그 압력을 활용하는 유압식이다. 질소 가스가 한 번 더 완충 효과를 발휘하는 가스식을 결합한 방식도 있다. 최근에는 NSX의 댐퍼처럼 자성을 지닌 물질이 들어가 있는 차종도 있는데 이는 노면 스캔 데이터를 통해 예측적인 감쇠력 조절을 가능케 한다.
■ 모노튜브(단통식) 쇼크 업소버
쇼크 업소버 본체의 실린더가 단순한 홑겹 구조로 되어 있는 매우 기본적인 형태다. 실린더의 내부는 오일이 채워진 오일실과 고압의 가스가 충전된 가스실로 구분되며 실린더 내부를 움직일 수 있는 피스톤이 있는 구조다. 그리고 오일 내를 이동하는 피스톤에 의해 감쇠력을 조절한다.
구조가 단순하기 때문에 실린더의 두께를 늘리고 내측의 직경을 키우는 방법으로 강성을 확보하기도 용이하다. 실린더의 용량이 커지면 그만큼 스트로크는 짧게 하면서도 감쇠력을 발휘하기에 용이하다. 랠리카들이 쇼크 업소버의 실린더 직경을 확대하는 경향도 이러한 까닭이다. 또한 혼다 New CR-V 터보가 새로이 서스펜션을 다듬으면서 댐퍼의 직경을 늘렸는데 이를 통해 우수한 승차감을 구현할 수 있다.
모노튜브 쇼크 업소버(왼쪽)와 트윈 튜브 쇼크 업소버(오른쪽) 작동 차이
여기에 질소 가스의 완충까지 더해지면 감쇠력과 방열 성능에서 안정적인 면모를 발휘한다. 그러나 고압 가스를 완전하게 봉인할 필요가 있어 피스톤 등 정밀도가 높은 부품이 필요하다. 그래서 구조에 비해서는 단가가 비싼 편이다.
■ 트윈튜브(복통식) 쇼크 업소버
복통식 쇼크 업소버의 또다른 명칭은 오일 쇼크 업소버다. 복통식 쇼크 업소버의 특징은 실린더가 이중 구조로 되어있다는 것이다. 그래서 피스톤이 오일이 들어있는 실린더에 진입하면 오일이 내부 실린더의 하부에 설치된 베이스 밸브를 통해 외부 실린더로 밀려오는 과정에서 감쇠력이 발생하는 방식이다. 오일의 통로는 포트나 오리피스(orifice, 유량 측정 등을 위한 구멍)이다. 구조와 작용해서 오일의 역할이 그만큼 크다.
애프터마켓에서 판매되는 트윈튜브 타입 쇼크 업소버
구조가 이중이고 오일이 움직일 경로가 더 확보되므로, 복통식 쇼크 업소버는 단통식에 비해 업소버 본체의 전체 길이를 짧게 할 수 있다. 또한 내측과 외측에서 유압에 의한 감쇠력을 제어할 수 있기 때문에, 밸브에 대한 의존도가 낮아지고 그만큼 밸브 기구도 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 강한 충격을 받을 경우 틈새로 공기가 유입되어 오일에 기포가 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 이는 타이어의 편마모나 조향 이상을 유발한다.
빠르게 읽고 유연하게 반응하라 |
쇼크 업소버의 감쇠력은 앞서 살펴보았듯 주행 시 노면 환경이나 하중 이동의 정도에 따라 유연하고 연속적으로 변화해야 한다. 저속 주행시나 자잘한 요철을 통과할 때는 부드럽게 통과하고, 고속 주행시나 선회 구간에서는 탄탄하게 버틸 필요가 있다. 물론 이는 이미 극복됐다. 자동차 제조사들은 전자제어에 의해 포트나 오리피스를 개폐해 유압을 능동적으로 제어하는 어댑티브 쇼크 업소버를 적용하고 있다.
예컨대 현재 혼다가 어코드 터보 스포츠와 하이브리드에 적용하는 액티브 컨트롤 댐퍼가 대표적이다. 1/500초 단위로 노면을 스캔하며 고르지 않은 노면의 충격은 걸러내고, 선회 시 외륜에 걸리는 하중은 은근한 힘으로 버텨내며 최적의 승차감과 조향성을 만들어낸다.
어코드 터보 스포츠(왼쪽)와 액티브 컨트롤 댐퍼가 적용된 서스펜션 시스템
이러한 능력은 혼다가 꾸준히 투자해 온 모터스포츠와 이를 기반으로 한 개성 있는 고성능 차종의 역량에 기반한다. 혼다는 2000년대 중반부터 주파수 감응형의 쇼크 업소버를 적용해 왔고, 시빅 타입-R 등 극한 성능의 차종에서 그 가능성을 확인해 왔다. 특히 이는 주행 모드에 따라 조절되어 보다 고속 코너링에서의 안정성과 날카로운 주행의 즐거움을 보장했다.
혼다를 대표하는 슈퍼카인 NSX는 자성체의 물질이 충전돼 있는 댐퍼를 사용한다. 자성체가 지닌 동일 극간의 척력을 활용하는 이 방식은, 여기에 흘리는 전기 신호의 조절을 통해 더욱 세밀한 감쇠력 컨트롤이 가능하다. 최고 출력 575ps의 고성능차다운 기능이다.
SUV의 쇼크 업소버는 세단이나 쿠페, 해치백과는 조금 다른 방법으로 발전한다. 어느 정도의 스트로크 길이를 허용하면서 유연성을 강조해야 온로드와 험로에서 고른 안정성을 발휘할 수 있기 때문이다. 여기서 중시되는 점은 쇼크 업소버에서의 불필요한 마찰 저감이다. 특히 New CR-V 터보의 경우 저마찰 쇼크 업소버를 통해 피스톤과 실린더의 불필요한 마찰을 줄였다. 따라서 저속에서는 부드럽게, 고속 주행 시에는 단단하게 차체를 잡아 주어 스포티한 주행에서도 문제 없도록 했다.
쇼크 업소버는 승차감 향상과 조향 능력 향상에 필수적인 부품이다. 따라서 자동차의 전동화 및 자율주행 시대가 찾아와도 사라지지 않을 가능성이 크다. 심지어 자동차가 하늘을 날게 되어도 보다 안락한 착륙을 하기 위해 쇼크 업소버가 필요하게 될 것이다. 결국 한 장르 안에서 기민한 조향 성능과 안락한 승차감을 얼마나 최적으로 조화하여 제공할 수 있는지가 관건이다. 따라서 쇼크 업소버 기술은 전기 모터나 배터리 못지 않게 향후 발전이 기대되는 기술이기도 하다.
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