서스펜션 이야기 - 설계/학술

스프링

공기스프링은 외부로부터의 공기의 공급, 배출의 콘트롤에 의하여 빈 차부터 적재차 등 하중의 변황 대해서 차량의 자세를 일정하게 유지할 수 있다. 또 이에 따라서 일정한 서스펜션 스트로크를 확보할 수 있으며 스프링상수를 낮게 설계 할 수 있으므로 승차감의 향상을 꾀할 수 있다.

이와 같은 이점에 따라 현재는 대형버스, 중형버스에 너릴 사용되고 있는 외에 하물의 손상방지 목적에서 대형 트럭, 중형버스에도 사용되고 있다. 그림 7.76은 대형 버스의 리어에 사용된다. 파라델링크식에어서스펜션 그림 7.77은 중형트럭의 리어에 사용되고 있는 리프병용 에어서스펜션의 예를 나타낸 것이다.

1) 공기 스프링의 종류

아래 표는 현재 사용되고 있는 공기스프링의 대표적인 것에 대하여 그 구조와 특징을 나타낸 것이다. 이들 공기 스프링은 용도에 따라서 그 특징을 살려서 사용되고 있다.

스프링형상	하중특성	특징
		● 횡강성을 가진다. ● 래버막의 곡율변화가 적고, 내구성이 우수하다. ● 단수를 늘리므로 낮은 스프링상수가 얻어진다.
		● 가로성을 갖는다. ● 스프링 단체로 낮은 스프링상수가 얻어진다. ● 스트로크의 큰 용도에서는 부적합하다.
		● 스프링 스트로크가 크게 잡힌다. ● 스프링단체로 낮은 스프링상수가 얻어진다. ● 피스톤에 따라 변형하므로 개버막의 곡율변화가 크고 내구면에 대한 주의가 필요하다.
		● 구조적으로는 베로즈형과 다이어프렘형의 중간적 구조로 양자의 특징을 살린 공기스프링이다. ● 보조탱크를 내장하는 것이 가능하며 낮은 스프링 상수가 얻어진다.

2) 공기 스프링의 설계

i) 축방향의 하중특성

일반적으로 공기스프링의 하중 P는 다음 식으로 주어진다.

P = (p-pa) A

여기서 p:절대 압력, pa:대기압, A: 유효수압 면적을 나타낸다.

또 내압과 내용적과의 관계는 r는 폴리트로픽지수로서 정적변화 즉 등온변화일 때는 1.0, 진동변화, 즉 단 열변화일 때는 1.4이다. 축방향의 스프링 상수는

로서 주어진다.

설계상 표준높이일 때의 벨로즈내용적에 스페이스 등으로 제한이 있는 경우는 연결시킨 보조탱크용량을 증가시킴으로써 스프링상수를 낮게 할 수 있다.

다이어프램형 공기 스프링은 다이어프램이 접하는 피스톤의 형상을 임의로 설계함으로써 그림 7.56(d)의 스프링특성을 얻을 수 있는 특징이 있다. 이런 경우의 유효수압면적과 변위의 관계는 그림 7.78에서 보는 바와 같이 된다

ii) 전단방향의 하중 특성

공기스프링의 전단 방향의 변위에 대해서는 벨로즈형 공기 스프링을 예로 든다면 축방향으로 하중을 받은 상태에서 횡방향으로 스프링작용을 할수 있는 양은횡방향으로 스프링작용을 할 수 있는 양은 횡방향의 진폭이 벨로즈의 높이에 대하여 10% 이하로 하는 것이 바람직하다.

또 다이어램형 공기스프링에 대해서는 특히 횡강성이 있는 타입이 있으며 철도 차량용으로 쓰이고 있다. 그러더라도 축방향의 스프링상수에 대한 전단방향의 스프링상수의 비는 경우 2배 정도이고 자동차용 현가스프링으로서 사용사는 경우는 토크로드, 레테럴로드 등에 의하여 지지할 필요가 있다.

iii) 교축에 의한 감쇠효과

공기 스프링 및 보조 탱크를 연결하는 관로의 직경에 따라 공기의 교축이 일어나 감쇠력을 일으킨다. 여기에서 그림 7.79에서 보는 실험모델에서 교축 경 d를 0에서 ∞까지 변화 시켰을 경우 진동전달 곡선은 그림 7.80과 같이 된다.

이 그림에서 알 수 있는 바와 같이 조리게 경이 작아짐에 따라서 진동전달율은 감소되고 공진진동수는 증대해가서 어떤 직경일 때 공진점은 정점 P와 일치하고 공진진폭은 가장 작아진다. 또 그 이상 직경을 작게 하면 다시 공진점은 증대하여 교축가 전폐일 경우에 가까워진다.