지난 포스팅에서는 간략하게 서스펜션의 기초(The Fundamentals of Suspension)에 대해 설명했다.
[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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[Formula 1] #09 - F1 차량의 서스펜션(Suspension)에 대한 이해 (2) : 서스펜션 기초 (Fundamentals of Suspension)
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그중 서스펜션의 구조를 간략하게 복습해보자.
먼저 F1 차량의 총 6개의 암(Arm)을 이용하여 서스펜션 시스템을 구축한다. 먼저 총 4개의 위시 본(Wishbone)으로 섀시(Chasis)와 연결된다. 나머지 중 하나는 스티어링 암(Steering Arm)으로 차량의 조향을 담당한다. 나머지 하나는 푸시 로드(Push Rod)로 차량의 바퀴를 섀시 내의 로커(Rocker)와 연결시켜준다.
이 로커는 토션 바(Torsion Bar)와 연결이 되어있다. 토션 바는 스프링의 역할을 한다. 차량이 위로 힘을 받으면 푸시 로드가 로커를 회전시키고 이 회전에 의해 토션 바는 비틀린다. 트위스트 된 토션 바는 스프링과 동일하게 원래 모습으로 돌아가려고 한다. 이때 차체가 너무 꿀렁거리는 현상을 막기 위해 댐퍼 시스템(Damper System)이 도입된다. 댐퍼를 로커에 설치하고 회전반경을 조절하여 차량의 꿀렁임 정도를 조절할 수 있다.
서스펜션 시스템은 이전 포스팅에서 계속 언급했듯이 노면의 요철이나 연석에 대응하는 시스템이다. 하지만 서스펜션은 단순히 요철과 연석만을 위한 시스템은 아니다.
이번 포스팅에서는 차량의 거동 중 피칭(Pitching)과 롤링(Rolling) 현상을 간략히 살펴보고, 이러한 안정적인 주행에 방해가 되는 거동들을 서스펜션 시스템을 통해 어떻게 해결하는지 알아보고자 한다.
[목차]
- 차량 거동에 따른 플랫폼의 변화
- 플랫폼 변화에 따른 문제
문제 #1 피칭(Pitching)
문제 #2 롤링(Rolling)
문제 #3 공기역학적 성능 저하
- 피칭 문제를 해결하자
문제 및 해결책 (Heave Spring)
- 롤링 문제를 해결하자
문제 및 해결책 (Anti-roll Bar)
차량 거동에 따른 플랫폼의 변화
스티어링, 가속, 감속과 같은 드라이버가 차량에 가하는 조작들은 F1 세계에서는 그 정도가 매우 크다. 시속 350km에서 시속 60km로 몇 초만에 줄이며, 순식간에 가속하여 시속 300km에 도달하는 F1 경기를 보면 이해가 간다.
이러한 조작들은 차량의 거동에 큰 영향을 미친다. 예를 들어 브레이크를 세게 밟는 경우 차량의 질량 중심은 앞으로 쏠리게 된다. 이때 자연스럽게 앞쪽 서스펜션이 압축되고 뒤쪽 서스펜션은 상대적으로 차체가 들리기 때문에 이완된다. 반대의 경우, 즉 순간적으로 가속을 하는 경우에는 차량의 질량 중심이 뒤로 가서 뒤쪽 서스펜션이 압축되고 앞쪽 서스펜션은 이완된다.
이뿐만이 아니다. 차량이 코너를 도는 경우에는 바깥쪽으로 질량 중심이 이동하게 된다. 이는 바깥쪽 바퀴에 더 많은 무게가 실린다는 의미가 된다. 이러한 경우에는 차량의 바깥쪽 서스펜션이 압축되고 반면 안쪽 서스펜션은 이완된다.
차량의 성능을 제대로 발휘하기 위해선 섀시를 지나 차량의 바퀴까지 닿는 일련의 에너지들을 잘 컨트롤할 수 있도록 설계되어야 한다.
플랫폼 변화에 따른 문제
위와 같이 급가속/급감속/코너링으로 인해 차량을 디자인할 때 고려했던 이상적인 차량의 플랫폼(Platform)과 거리가 멀어지게 된다. 기껏 차량을 이쁘게 디자인해놨는데 코너를 돌 때 차체가 엄청 기울어버리는 것을 생각하면 된다.
이러한 차체의 변화는 몇 가지 문제를 가져온다.
참고 | F1 차량의 이상적인 플랫폼?
차량의 이상적인 플랫폼은 단순히 생각하면 차량이 지면과 평평한 상태를 생각할 수도 있다. 하지만 실제로 이상적인 모습은 차량이 지면과 완전히 평행하지는 않은데, 이는 공기역학적 요소를 생각해서 차량의 레이크를 적당하게 조절하기 때문이다.
문제 #1 피칭(Pitching)
첫 번째 문제는 차량이 급가속 또는 급감속할 때 차량의 무게가 뒤로 또는 앞으로 쏠리는 현상이다. 이로 인해 차량의 앞바퀴 또는 뒷바퀴가 들리는 현상이 있는데 이러한 현상을 '피치(pitch)'라고 한다. 피칭으로 인해 앞쪽으로 쏠리는 것을 다이브(Dive)라고 하며, 뒤쪽으로 쏠리는 것을 스쾃(Squat)이라고 한다.
차량에 너무 많은 힘이 가해지는 경우 차체가 낮아지게 되는데, 이 때문에 프론트 윙(Front Wing)이나 다른 것들이 바닥과 부딪치게 된다. 단순히 긁히는 정도로 생각할 수 있지만 이는 차량에 심한 데미지를 안기게 할 수도 있다.
이러한 문제는 서스펜션 내에서 얼마나 댐퍼 피스톤의 움직이는 정도를 조절하는 범퍼(Bumper)를 갖다 대는 것과 같이 특정 부품들의 움직이는 정도를 조정하여 해결할 수 있다.
문제 #2 롤링(Rolling)
두 번째 문제는 코너링 시 발생하는 차량이 롤링(Rolling) 현상이다. 롤링이란 차량이 코너를 돌 때 무게가 바깥으로 쏠려 차량이 좌우로 회전하는 현상을 '롤(Roll)'이라고 한다. 이러한 롤링이 발생하는 경우 차량의 타이어가 이상적인 캠버를 벗어나게 된다.
캠버(Camber)란 차량을 앞에서 보았을 때 타이어가 안쪽 또는 바깥쪽으로 기울어진 정도를 의미한다. 타이어가 바깥쪽으로 기울어진 것을 Positive Camber라 하고, 안쪽으로 기울어진 것을 Negative Camber라고 한다. 대부분의 차량은 어느 정도 캠버 각을 줄 터인데, 이유는 바로 코너링에 있다.
코너링을 하는 경우 앞서 말한 대로 바깥쪽 타이어에 무게가 가해진다. 이때 타이어와 지면이 닿는 면적이 최대한이 되어야, 즉 최대한 넓은 면적의 직사각형의 형태가 되어야 바깥쪽으로 가해지는 무게를 잘 견뎌낸다. (load-bearing) 차량이 코너를 돌 때 접지 면적이 줄어들기 때문에 이를 방지하기 위해 타이어의 각도를 살짝 기울여 캠버 각을 주는 것이다. 이렇게 로드 밸런싱이 잘 되면 타이어의 마모와 성능 저하, 온도 관리가 잘 될 수 있다.
문제 #3 공기역학적 성능 저하
다른 세 번째 문제는 공기역학 문제다. 이전 포스팅에서 F1 차량의 디자인은 공기역학적 요소들을 최적화하게끔 만들었다. 하지만 만약에 차량의 플랫폼이 애초에 공기역학적 요소를 고려했던 플랫폼과는 다른 모습을 가지고 있다면, 이는 애써 최적화한 공기역학적 요소들을 모두 물거품으로 만들게 되어버린다. 그렇기 때문에 차량이 트랙을 주행할 때 적당한 각도로 공기를 맞게끔 만들어야 한다. 레이크(Rake)나 윙의 각도와 같은 것들을 조정하는 이유가 다 공기역학을 위한 것이다.
세 번째 공기역학적인 문제는 첫 번째 문제와 두 번째 문제가 해결되면 차체가 이상적인 플랫폼을 가지게 될 것이므로 자연스럽게 해결된다. 그렇다면 첫 번째 문제와 두 번째 문제에 대해 한번 자세히 살펴보자.
피칭 문제를 해결하자
문제 : 바닥과의 충격
해결책 : 히브 스프링(Heave Spring)
문제 : 바닥과의 충격
앞서 차량이 급가속 또는 급감속할 때 차량의 무게가 뒤로 또는 앞으로 쏠리는 피칭 현상이 발생한다고 했다. 차량이 피칭하는 경우 차량의 히브(Heave)를 고려해야 한다.
히브(Heave)의 사전적 의미는 '들어 올려지다'로, 차량의 두 앞바퀴 또는 두 뒷바퀴가 동시에 눌리거나 들리는 현상을 말한다.
다시 한번 브레이킹 상황을 생각해보자. 브레이킹을 하면 차량이 앞쪽으로 피칭한다고 말했다. 이로 인해 차량의 노즈 부분이 아래쪽으로 힘을 받게 되고, 이로 인해 차량의 두 앞바퀴는 차체보다 위에 위치하게 된다. 이는 앞쪽 바퀴의 두 서스펜션이 동시에 압축되기 때문이다. 이때 우리는 차량의 노즈가 너무 심하게 아래쪽으로 쏠리지 않게끔 해야 한다. 왜냐하면 프론트 윙(Front Wing)이 바닥을 칠 수도 있기도 하고, 차량의 레이크(Rake)를 불안하게 만들 수도 있다. 그리고 뒷바퀴 또한 너무 가벼워져 들리게 만들거나 해서도 안 된다.
참고 | 레이크 (Rake)
차량 바닥과 지면의 각도
해결책 : 히브 스프링(Heave Spring)
그래서 이를 해결하기 위해 우리는 히브 댐퍼(Heave Damper)와 히브 스프링(Heave Spring)을 두 개의 로커 사이에 연결할 수 있다. 이는 양쪽 서스펜션이 동시에 압축되는 경우 로커들의 회전할 때 저항력을 좀 더 늘려 로커의 회전을 어느 정도 통제할 수 있다. 구체적으로 어떻게 회전을 통제할 수 있는 걸까?
앞쪽 서스펜션이 동시에 눌리면 양쪽의 푸시로드가 로커를 안쪽으로 회전시킨다. 이때 히브 스프링은 안쪽으로 덜 밀리도록 저항하고 그 힘을 흡수한다. 이렇게 되면 앞쪽이 너무 심하게 눌리기 않게 되고 이를 통해 차체를 안정적으로 만들 수 있다.
여기서 이러한 질문을 할 수 있다.
히브 스프링 및 댐퍼로 인해
코너링 시 롤링이 발생할 때
차량 거동에 영향이 가지 않을까?
질문의 골자는 이러하다. 히브 스프링 덕분에 피칭 현상은 해결했는데, 이 히브 스프링이 코너링 시 차체가 양옆으로 기우는 롤링 현상에 대해 안 좋은 영향을 미칠 것 같다는 것이다.
여기서 주목해야 할 것은 히브 스프링은 양쪽 로커가 동시에 안쪽으로 회전되는 경우에만 동작한다는 것이다. 만약 코너링 시 차량이 롤링하는 경우 히브 스프링은 동작하지 않는다. 서스펜션 구조 상 기존에 로커들에 연결되어 있는 독자적인 댐퍼만이 동작하고 단순히 롤링만으로는 히브 스프링은 동작하지 않는다.
롤링 문제를 해결하자
문제 : 차량 그립 저하
해결책 : 안티 롤 바(Anti-roll Bar)
문제 : 차량 그립(Grip) 저하
자 이제 롤링을 살펴보자. 차량의 질량 중심이 바깥쪽으로 이동하면 차량이 바깥쪽으로 롤링하게 만든다. 이러한 롤링은 차량이 공기역학적으로 별로 좋지 않은 상태로 만들어 차량의 그립(Grip)에 영향을 주고, 또한 코너링 시 차량의 바퀴가 들려 타이어가 바닥과 닿는 면적을 최적으로 만들지 못하게 한다.
해결 : 안티롤 바 (Anti-roll Bar)
[참고 링크]
https://youtu.be/NFGkZNrNTIE?t=573
https://youtu.be/_liGnV3PTiQ
이를 방지하기 위해 안티롤 바(Anti-roll Bar)가 생겼다. 안티롤 바는 U자 형태의 바로, 한쪽은 서스펜션 마운트에 붙어있고 다른 한쪽은 섀시 중간에 고정되어 있다.
먼저 안티롤 바가 없는 경우를 생각해보자. 차체가 기울어지면서 무게가 실리는바깥쪽 타이어는 차량의 섀시보다 높아지게 되고, 반대로 안쪽 타이어는 차체보다 낮아지게 된다. 이렇게 되면 차량 무게가 균일하게 배분되지 못함과 더불어, 바퀴의 한쪽이 들리기 때문에 접지면적이 작아져 그립이 줄어들게 된다.
안티롤 바가 있는 경우를 생각해보자. 처음에는 동일하게 차체가 기울어지면서 바깥쪽 타이어는 섀시보다 높아지고, 안쪽 타이어는 섀시보다 낮아진다. 이때! 안티 롤바는 토션 바와 같이 비틀리게 되는데, 비틀린 안티롤 바는 다시 원래 상태로 돌아가려고 한다. 이를 위해 섀시보다 높아진 바깥쪽 타이어는 아래로, 섀시보다 낮아진 안쪽 타이어는 위로 올려지게 된다. 이로 인해 바깥쪽과 안쪽 타이어의 고저차가 줄어듦에 따라 차체의 레벨이 고르게 된다.
이러한 안티 롤바의 견고함(Stiffness)을 조정하여 롤링하는 현상에 대한 저항의 정도를 조절해줄 수 있다.
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