차체의 진동에 관한 정리

1. 스프링 상부 질량의 진동

(1) 상하 진동(bouncing) - 상하진동은 축방향과 평행운동을 하는 공진동 즉 Z 축 방향으로 편행운동을 하는 고유진동이다. Z 축 상하방향으로 차체가 충격을 받으면 고유 진동 주기와 주행 중 노면에서 차체에 전달되는 진동의 주기가 일치하면서 공진현상이 발생되며 진폭이 크게 된다. 자동차의 상하진동은 진동수가 분당 120사이클을 넘으면 승차감이 저하되고, 45사이클 이하에서는 멀미를 느끼게 된다. 일반적으로 공진동수가 분당 80~120 정도가 되게 스프링을 정하고 있다.

(2) 피칭(pitching) - 피칭은 Y축을 중심으로 하여 차체가 세로방향으로 진동을 하는 고유진동이다. 자동차가 노면상의 돌출부를 통과할 때 먼저 앞바퀴에 상하진동이 오고, 뒷바퀴는 축간거리만큼 늦게 상하진동을 하므로 피칭이 생기게 된다. 뒷부분의 진동주기가 앞부분의 진동주기의 1/2 만큼 늦어질 때 피칭이 최대가 된다.

(3) 로울링(rolling) - 로울링은 X축을 중심으로 하여 차체의 옆방향으로 회전운동을 하는 고유진동이다. 로울링은 어떤 점을 중심으로 하여 일어나며 이 점을 로울 중심이라고 한다. 로울링이 발생하는 이유는 자동차 선회 시 원심력은 자동차 중심에 작용하고, 자동차의 중심은 보통 로울 중심보다 높기 때문에 그 거리 차이와 원심력과의 곱이 로울링 시키려는 힘으로 작용한다. 따라서, 자동차의 중심이 높을수록, 로울 중심이 낮을수록 로울링의 경사각은 크게 되므로 로울링 경사각을 적게 하려면 현가 스프링의 정수를 크게 하고, 스프링 설치 간극을 크게 하여야 한다.

(4) 요잉(yawing) - Z축을 중심으로 하여 회전운동을 하는 고유진동이다. 

위 4가지의 스프링 위 질량의 진동은 각각 독립적으로 발생하는 것이 아니라 반드시 복합되어 발생한다.

 

2. 금속 스프링

(1) 판 스프링 - 스프링 판을 띠 모양으로 여러 장 겹쳐서 그 중심에서 볼트로 고정시켜 만든 것이며, 양 끝에 스프링 아이를 두어 핀을 통해 프레임이나 차체에 설치하도록 되어 있다. 그리고 스프링의 중간 부분은 U볼트로 차축에 고정하고 판 스프링은 주로 버스 및 트럭에 많이 사용된다. 스프링 아이의 중심거리를 스팬이라 하며, 이 스팬은 하중 변화에 따라 스팬이 달라지므로 이것을 흡수할 수 있도록 하기 위하여 한쪽 스프링 아이는 핀으로 차체에 고정하고, 다른 쪽은 새클을 사이에 두고 차체에 설치한다. 판 스프링은 스프링에 차축을 직접 설치하기 때문에 현가장치의 구조가 간단하며, 진동흡수에 판간 마찰을 이용하기 때문에 진동 흡수작용이 크다는 장점이 있는 반면에, 작은 진동에 대한 흡수력이 적으며, 뒷바퀴 구동형식의 자동차에서는 스프링의 장력이 적으면 차축 지지력이 적어 자동차가 불안정하게 되기 쉽고, 하중 증감 시 스프링의 변형량이 달라진다는 단점을 가지고 있다.

(2) 코일 스프링 - 스피링 강의 둥근 막대를 코일 모양으로 감아서 만든 것이며, 외력을 받으면 비틀림 변형을 하면서 충격을 흡수할 수 있게 한 것이다. 코일 스프링은 판 스프링과 같이 판간 마찰이 없기 때문에 진동의 감쇠 작용을 하지 못하고, 또 옆 방향에서의 작용력에 대한 저항력도 없다. 따라서 코일 스프링은 차축을 지지할 때에는 링크 기구나 충격 흡수기가 별도로 필요하고 구조도 비교적 복잡하다. 그러나 단위 중량당 에너지 흡수율이 판 스프링 보다 크고 유연하기 대문에 승차감이 좋아 현재 승용차에 쇽업쇼버와 결합하여 널리 사용되고 있다.

(3) 토션 바 스프링 -  이 스프링은 스프링강의 막대로 되어 있으며 뒤틀림 탄력을 응용하여 만든것으로써 구조가 간단하다. 즉 스프링강을 비틀면 탄성에 의하여 원상태로 되돌아가는 성질을 이용한 것이다. 스프링의 탄성은 바의 길이와 단면적에 따라 정하여지고, 진동의 감쇠작용이 없기 때문에 쇽 업쇼버를 병용해야 한다. 토션 바 스프링은 단위면전당 에너지 흡수율이 가장 크고, 구조가 단순하며 중량도 적다. 토션 바 스프링은 주로 강봉이 사용되나 가끔은 중공, 사격형 또는 겹판 형식도 사용된다. 가로방향 또는 X축 방향으로 설치할 수 있으며, 설치공간을 작게 차지하고, 설치가 용이하다는 장접이 있어 많이 사용되고 있다.

 

3. 비금속 스프링

(1) 고무 스프링 - 고무 스프링은 고무의 탄성을 이용한 것으로, 강에 비하여 모양을 자유로이 만들 수 있고 작동이 정숙하며 그 내부 마찰에 의한 감쇠작용도 우수하여 급유가 필요 없다. 그러나 큰 하중을 지지하는 데에는 적당하지 못하므로 소형 자동차나 대형자동차의 보조 스프링 등으로 사용되고 있다. 판 스프링과 변용하여 보조 스프링으로 주로 사용하는 중공 고무 스프링과 4각 모서리 부분에 환봉상의 고무가 압입 되어 있는 나이드하르트 고무스프링 등이 있다.

(2) 공기 스프링 - 공기 스프링은 압축 공가의 탄성을 이용한 것이며, 이 스프링은 대단히 유연한 탄성을 비교적 쉽게 얻을 수 있고 공기의 압력을 조정함으로써 하중이 변해도 자동차의 높이를 일정하게 유지할 수 있고, 스프링의 강하기가 하중에 거의 비례하여 변하기 때문에 적차, 공차시의 승차감에 차기아 적다. 그러나 공기압을 하중에 따라 조정하는 장치나, 압축 공기를 만들기 위한 압축기 등을 필요로 하므로 구조가 복잡해져서 소형 자동차에는 별로 사용되지 않으며 대형의 버스나 트럭에 사용된다.