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[Formula 1] #09 - F1 차량의 서스펜션(Suspension)에 대한 이해 (1) : 서스펜션 기초 (Fundamentals of Suspension)
지난 번 'F1 차량에서 무게 배분(Weight Distribution)의 중요성'을 주제로 한 포스팅에서 잠깐 서스펜션(Suspension)에 대해 언급한 적이 있다. 2021.09.19 - [가벼운 공학 과학 IT/Formula 1 Tech. Stuff] -..
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공기역학적 성질을 유지하자
자 이제 스프링(Spring)과 댐퍼(Damper)로 차량이 좀 더 부드러워 졌다. 근데 주행이 꼭 부드러울 필요가 있을까?
차량 주행이 부드러운지가 굉장히 중요한데, 왜냐하면 단순히 승차감 문제가 아닌 F1과 같은 모터스포츠에서 주행 안정성은 차량의 핸들링과 더불어 공기역학 안정성에 직결되기 때문이다.
주행 안정성
= 핸들링과 공기 역학 안정성에 직결 !
F1 차량의 차체와 차체를 구성하는 각종 파츠들은 아주 미세하고도 또 미세하게 튜닝되어 있는 놈들이다. 예를 들어, 프론트 윙(Front Wing)이 얼마나 휘어져있는가 하는 각도, 바지보드(Bargeboard)의 공기 통로의 각도 등은 공기역학적 성능을 최대로 끌어내기 위해 미세하게 세팅되어 있다.
하지만 차량이 열심히 공기를 뚫고 지나가는 중에 차체가 위아래로 마구잡이로 흔들린다면?! 기껏 미세조정(fine-tuning)해놓은 공기역학적 디자인을 모두 물거품으로 만들어 버린다.
기존에 디자인 한 차량의
공기역학적 성질을 잘 살리기 위해서는
뭔가 조치를 취해야 한다!
F1 차량의 서스펜션 구조
지금까지 계속 스프링이 어떠하다 이야기 했는데 F1 차량의 서스펜션을 가만히 들여다보면, 눈을 씻고 찾아봐도 스프링은 눈코빼기도 안 보이고 그냥 카본 파이버 암(Carbon Fiber Arm)만 존재할 뿐이다.
그러하다. 예전 차량에는 F1 차량에도 스프링은 존재했었다. 하지만 세월을 거듭하면서 스프링은 없어지고 스프링을 대체하기 위한 다른 설계들이 도입되었다. 간단하게 한번 F1 차량의 서스펜션 설계를 들여다보자.
[F1 서스펜션 구조]
- 위시본 (Wishbone)
- 스티어링 암 (Steering Arm)
- 푸시 로드 (Push Rod) (또는 풀 로드 (Pull Rod))
차량의 바퀴와 차체를 연결하는 6개의 암(Arm)이 있다. 하나씩 살펴보자.
6개의 암 중, 4개는 위시본(Wishbone)이라는 녀석이다. 본질적으로 그리고 구조적으로 바퀴를 차체와 연결시켜주는 녀석들이다.
다른 1개는 스티어링 암(Steering Arm) 또는 트랙 로드(Track Rod)이다. 이 스티어링 암 또는 트랙 로드는 지면과 수평 방향으로 움직인다. 차량의 스티어링 휠을 조작할 때 차량의 바퀴가 양 옆으로 움직이는 것을 생각하면 된다. 위시본으로 지탱되고 있는 중심점을 따라 휠 마운트를 밀거나 당겨 움직이게 한다.
마지막 1개는 푸시 로드(Push Rod) (또는 풀 로드(Pull Rod))이다. 서스펜션을 어떻게 셋업하느냐에 따라 푸시 로드가 장착될 수도 풀 로드가 장착될 수도 있다.
여기서 우리가 주목해야 할 부분은 푸시 로드 (또는 풀 로드)이다.
푸시 로드 시스템 (Push Rod System) 이란?
푸시 로드 시스템을 살펴보자. 푸시 로드는 휠 마운트에서 섀시로 연결되는 로드이며 섀시 내의 로커(Rocker)라는 부품의 구멍에 연결된다. 로커(Rocker)는 어떤 축을 중심으로 회전하는 단순한 부품이다. 차량의 바퀴가 요철을 밟아 위로 올라가면 푸시로드가 로커를 밀게 되고 이리하여 로커가 회전한다.
보통 이러한 푸시 로드 시스템은 앞 바퀴에 사용된다. 뒷바퀴의 경우 풀로드 시스템을 사용하는데, 풀 로드 시스템의 경우에는 차량의 바퀴가 요철을 밟아 위로 올라가면 풀 로드가 당겨지고 이로 인해 로커가 회전한다.
푸시 로드 시스템 (심화)
푸시 로드 시스템을 좀 더 살펴보자. (풀 로드 시스템도 푸시 로드 시스템과 원리는 같으니 걱정말자!)
로커는 선형 동작을 회전 동작으로 바꾸어주는 역할을 한다. 로커를 이용하여 원하는 방향대로 서스펜션을 구성할 수 있다.
댐퍼(Damper)를 위와 같이 위치시켜 놓아보자. 앞서 말한 요철에 의한 바퀴의 선형동작이 로커(Rocker)로 인해 회전동작으로 바뀌게 되고, 이 회전동작은 피스톤을 누른다.
이때 우리는 로커가 연결된 마운트와 푸시로드가 연결된 구멍까지의 거리와, 마운트와 피스톤을 누르는 포인트 사이의 거리를 조정하여
피스톤을 누르는 모션을 크게 만들 수 있다. 만약 후자의 거리를 전자의 거리보다 크게하면, 푸시로드의 작은 동작으로도 피스톤을 길게 누를 수 있다는 말이다.
이를 통해 댐퍼의 동작에 대한 정확도를 잘 조절할 수 있다.
토션 바 (Torsion Bar)
사실상, 앞서 계속 언급한 스프링은 프론트 서스펜션에는 존재하지 않는다. 사실 어떻게 보면 존재하기는 하는데, 우리가 흔히 알고 있는 나선형의 스프링 형태가 아니라 토션 바(Torsion Bar)의 형태를 가진다.
토션(Torsion)이란 뒤틀림이다. 토션바는 겉으로 보면 그냥 금속으로 된 막대기이다. 이 막대기는 비틀리는 성질이 있는 특정한 재료로 만들어진다.
F1 차량을 다시 한번 들여다보자. 한쪽 끝은 로커(Rocker)와 단단히 연결되어 있어서 로커가 회전하면 토션 바도 회전한다. 다른 한쪽은 섀시(Chasis)와 연결되어 있어서 회전하지 않는다. 로커 쪽이 회전하면 토션 바는 비틀리게 되는데, 비틀린 토션바는 그 물질의 특성 상 그 반대 방향으로 저항하는 성질이 있다. 그래서 로커가 토션 바를 놓아주게 되면 원래 모양으로 돌아가게 된다.
결국! 토션 바는 스프링과 동일하다. 그럼 그냥 스프링을 쓰지 왜 토션 바를 사용할까?
토션 바는 스프링에 비해 상대적으로 더 가볍다. 또한 바(Bar) 형태이기 때문에 공간을 덜 차지한다. 또한 서스펜션을 설계함에 있어서 좀 더 융통성을 가져다 준다고 한다.
마치며
2개의 포스팅에 걸쳐 F1 차량의 서스펜션 기초 내용을 다뤄봤다. 다음 포스팅에서는 차량의 질량 중심 변화로 인해 나타나는 피칭(Pitching), 롤링(Rolling), 히브(Heave)로 인해 발생하는 문제들을 해결하기 위해 서스펜션에 도입된 몇몇 시스템 (e.g. 안티-롤 시스템 등)에 대해 다룰 예정이다.