자동차 구조 - 2

1번 포스트에서 조금 더 깊게 들어가 차량의 각 부위별 명명법을 알아보겠다. 1번과 중복되는 내용이 있을 수 있으니 참고 바란다.

 

바디(Body/Body Shell)

차량의 외형은 바디 또는 바디 쉘으로 불린다. 엔진이 위치하는 엔진룸이 있는 전면부를 프론트바디, 펜더와 도어가 있는 측면부를 사이드바디, 트렁크룸이 있는 후미부를 리어바디라 한다. 바디 타입에는 프레임과 바디가 일체형인 모노코크 바디, 프레임에 바디가 얹히는 프레임 온 바디 타입이 있다. 바디 쉘은 본 넷, 도어, 트렁크 리드 등 개폐조작이 되는 패널을 제외한 패널들의 조합을 총칭해 부리는 말이다.

 

 

모노코크바디(Monocoque Body)

프레임리스 또는 인테그랄 바디라고도 명명하며 일체형 바디를 의미한다. 바디의 플로어패널을 중심으로 각 연결 패널을 용접하여 강성을 확보하고 굴곡 형상을 최적화하여 인장력을 확보하고 강성을 높인다. 모노코크 바디의 가장 큰 장점은 프레임이 없기 때문에 경량화가 가능하고 충돌 시 바디의 각 패널들이 각각 찌그러지며 충격을 흡수하여 승객의 안전을 확보할 수 있다는 점이다. 반면 프레임보다는 약한 충격 강성으로 비교적 차체 변형이 심하고 복원도 힘들다는 단점과 엔진과 샤시 부품들을 지지하여 프레임 온 바디 타입보다 노후가 빠르고 피로에 의한 손상도 치밀하게 고려되어야 한다.

 

 

서브프레임(Sub Frame)

프레임과 모노코크 바디에 들어가는 보조 골격 구조로 스프링과 쇽, 스윙암 등의 현가장치를 연결해 지지하는 역할을 한다. 충격 강성을 위해 프레임 크로스 멤버와 일체형으로 제작하고 그러한 기능 때문에 서스펜션 멤버이기도 하다.

 

 

 

 

 

프레임(Frame)

샤시를 이루는 기본 골격으로 차의 강성을 결정한다. 프레임에 엔진과 현가장치, 동력전달장치 등이 결합이되어 샤시를 구성한다. 통상 사다리꼴 프레임을 사용하고 두 개의 사이드레일에 연결구조인 크로스 멤버가 프레임의 골격을 형성한다. 레일은 ㄷ자나 H자의 강철 구조이고 ㄷ자의 경우 두 개를 포개 ㅁ자로 구성해 비틀림 강성을 높인다. 프레임은 고중량 적재에 유리한 구조를 만들 수 있고, 트럭, 특장차 등과 같은 상용차에서 주로 사용한다. 한편 이동이 목적인 승용차에서는 경량화와 강성을 확보할 수 있는 모노코크 바디 타입을 채택한다.

 

부시/마운트(Bush/Mount)

부시와 마운트는 각 기계 장치들의 진동을 저감하고 원활하게 각각의 역할을 할 수 있도록 보조하는 연결 장치이다.

부시는 고무, 우레탄 등 연질 재료를 사용하여 마찰을 최소화하고 완충 역할을 할 수 있도록 한다. 진동, 소음을 줄이고 각 부품에 작용하는 응력을 완화하는 기능도 한다.

마운트는 차체와 프레임에 연결되는 부분, 엔진과 미션, 트랜스퍼 케이스, 프로펠러샤프트 센터베어링, 쇽, 스프링 등을 지지하며 각 부품이 원활한 작동을 하도록 해주는 링크이다. 

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샤시(Chassis)

바디와 실내 구성 부품을 제외한 프레임, 동력전달계통, 서스펜션, 조향장치, 제동장치 등이 해당된다. 

 

트랜스퍼 케이스(Transfer Case)

기본 변속기 외의 변속장치로 4WD(Wheel Drive) 구동 차량에서 전륜 동력을 연결하거나 차단하는 역할을 한다. 변속기로부터 전달되는 토크를 감속 기어를 통해 큰 토크로 변환하는 방식으로 감속을 한다.

 

프로펠러샤프트(Propeller Shaft)

변속기에서 전달되는 엔진의 동력을 차동장치에 전달해 주는 회전 축이다. 중, 소형 차량에서는 일체형으로 중형 이상의 차량에서는 비틀림에 의한 진동 파손을 막기 위해 샤프트를 두, 세 개로 구성하여 차동장치에 동력을 전달한다.

 

유니버설 조인트(Universal Joint)

연결각이 꺾인 부분에서 회전을 원활하게 전달할 수 있도록 도와주는 장치이다. 프로펠러 샤프트와 전륜 조향 액슬 샤프트 바퀴의 축부분에 사용된다.  U자 요크(Yoke)가 엇갈리게 결합하고 크로스 조인트 베어링이 들어가 요크 간 꺾임을 극복할 수 있게 해 준다.

 

프로펠러 샤프트 센터 베어링(Propeller Shaft Center Bearing)

대형 차량에서 2, 3개로 구성된 프로펠러 샤프트의 연결부를 차체에 고정하는 베어링이다. 차체에 진동이 전달되지 않도록 부시가 차체와 베어링 케이스 사이에 위치된다.

 

 

차동장치(Differential)

프로펠러 샤프트로부터의 동력을 전달받아 각 휠에 전달되는 회전 수를 조향 상태에 맞게 조정해 주는 장치이다. 조향 시 양측 바퀴가 동일한 회전수로 구동하게 되면 오버/언더 스티어가 발생하는 상황이 생길 수 있고, 이를 제어하기 위해 차동장치는 필수적이다.

구동 샤프트 피니언으로부터 회전이 들어오면 링 기어(베벨기어)에 회전이 전달되고 링기어와 함께 기어 케이스가 회전하면서 사이드 기어로 회전수가 조향 정도에 맞게 전달된다. 각 사이드 기어는 액슬 샤프트에 연결되어 휠에 동력을 전달한다.

 

액슬(Axle)

디퍼렌셜로부터 전달된 동력이 휠까지 전달될 수 있도록 지지하는 축을 의미한다. 액슬은 타 구성을 제외하고 액슬 하우징이라고도 명명하며 일체형이라는 의미의 리지드 액슬이라고도 불린다. 액슬에는 스프링과 쇽이 결부되어 서스펜션의 요소로 볼 수도 있다.

 

트랜스액슬(Trans Axle)

변속기, 차동장치, 액슬샤프트를 일체로 조합한 형태의 액스로 전륜구동 차량이나 엔진이 뒤에 위치한 후륜 구동 차량에 사용된다.

 

서스펜션(Suspension)

차량 하부 샤시, 휠까지 연결되어 있는 모든 구성품을 이야기하며, 스프링, 쇽, 링크바, 컨트롤 암 등이 해당된다. 서스펜션은 크게 맥퍼스 스트럿 타입, 더블 위시본 타입, 멀티 링크 서스펜션, 리지드 액슬 방식의 일체형 서스펜션이 있다. 아래 각 타입별 특징과 구조를 확인하길 바란다.

	특징	구조
맥퍼슨 스트럿 타입	- 쇽 업소버가 내장된 스트럿 위에 스프링을 얹힌 독립식 서스펜션 구조 - 단순한 구조로 경량화에 용이 - 단순하나 스트럿 길이가 길고, 바퀴를 지지하는 스윙 암이 하나라 노면 충격이나 구동중 측면 저항에 약함
더블 위시본 타입	- 새 가슴뼈 형태의 컨트롤 암 두개가 바퀴축 위 아래를 지탱하는 구조 - 상/하에 두 개의 스윙암이 붙으면 통상 더블 위시본 타입이라 명명  - 스윙 암이 두 개로, 전후/측면 충격에 강하고 캠버 변화가 크지 않음, 안정성도 우수한 편이나 중량과 부피가 큼
리지드 액슬 타입	- 바퀴 축이 솔리드 액슬에 고정된 일체형으로 좌우 축이 함께 작동 - 강성이 뛰어난 액슬을 사용하므로 하중 지지가 우수하다는 장점이 있어 상용차에 채택 - 반면 휠 한쪽이 노면 상태가 좋지 않으면 반대쪽도 동일하게 작용하여 승차감이 안좋은 단점이 있음
멀티 링크 타입	- 맥퍼슨, 더블 위시본 타입처럼 바퀴 축을 컨트롤 암으로만 지지하는 것이 아닌 여러 링크를 통해 지지하는 방식 - 통상 더블 위시본에 요소 몇 개를 추가하여 사용하며 각 제조사 별로 주행 안정성과 조향력을 최적화하는 구조를 채택하여 사용중임

 

- 스프링(Spring)

스프링은 샤시를 포함한 차량 전체 중량을 받쳐주고 노면 충격을 흡수해주는 역할을 한다. 통상 중량과 스프링의 탄성 강도는 비례하게 설계하며, 탄성 강도가 크면 지지와 반발력이 좋다. 차축 바퀴에 각각 1개씩 총 4개가 배치된다. 스프링은 다시 코일스프링, 토션 바 스프링, 리프 스프링으로 나눌 수 있다.

 

 코일 스프링은 말 그대로 용수철 형상으로 휨과 비틀림 탄성을 갖는 구조체이다. 코일 스프링이 갖는 복원력은 스프링의 유효권수와 재료 자체의 강성에 비례한다. 유효권수(감긴 수)가 크면 신장/수축되는 스트로크가 크지 않고 변형이 적다.

 

 토션 바 스프링은 긴 금속 봉 형태의 스프링으로 한쪽은 프레임에 다른 한쪽은 서스펜션에 달려 차축이 노면 충격을 받았을 때 비틀리고 탄성에 의해 다시 복원한다. 토션바 스프링은 차량 하부 측면 좁은 면적에 길게 배치가 가능한 장점이 있고, 샤시 고정부의 브래킷을 좌우로 돌려 비틀림을 조정하면 차고를 바꿀 수 있다는 장점도 있다. 다만 비틀림이 커지면 차체는 높아지나 고유 탄성이 손상되어 딱딱해지고, 비틀림을 약하게 하면 차체는 낮아지고 상하 운동이 과도해지는 단점이 있으므로 세팅이 유의해야 한다. 코너링 간 차체 쏠림을 제어해 주는 스태빌라이저도 토션바 스프링의 일종이다. 

 리프 스프링은 기다란 철판을 곡선형으로 열변형 시켜 특정 모양을 만들고 해당 스프링에 스트레스가 가해지면 반발력에 의해 원래 형상으로 돌아가는 원리를 가졌다. 지지력은 양호하나 탄성은 좋지 못한 편에 해당한다.

 

 

- 쇽 업소버(Shock Absorber)

쇽 또는 쇽 댐퍼라고도 불리며 충격이나 진동을 흡수, 완충해 주는 장치이다. 댐퍼라는 말에서 알 수 있듯이 현가 스프링의 반박을 완충해주는 역할을 한다. 스프링과 함께 각 바퀴에 하나씩 설치되고, 중량을 받치는 역할보다는 스프링의 여진을 흡수하고, 억제하는 역할을 한다. 통상 유압식을 사용하고, 단동식, 복동식, 공압식 등의 타입이 있다. 서스펜션 시스템을 설계할 때 스프링의 움직임을 댐퍼가 잡아주지 못하면 피칭, 롤링 등의 회전 자유도 운동이 발생하여 승차감이 나빠지고, 댐퍼가 과도하게 스프링을 잡아주면 노면으로부터의 충격이 그대로 전달되는 현상이 발생한다.

 

- 스태빌라이저(Stabilizer)

주행 중 과도한 서스펜션 작용에 의한 롤링을 억제해 주는 장치로 주로 코너링 시 원심력으로 차체가 회전 반대방향으로 기울어지는 것을 억제해 준다. 양 바퀴의 스윙암 혹은 서스펜션 부분에 연결되어 서스펜션 스트로크가 커지려 할 때 비틀림에 의한 반발력으로 억제해 주어 양 서스펜션의 접히고 벌어지는 정도를 같게 해주는 기능을 한다.

 

 

 

 

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