댐퍼(Damper)의 작동 원리와 자동차 서스펜션에 적용되는 기술

댐퍼는 일반 기계 장치에서는 물론 자동차에서도 매우 중요한 부품입니다. 자동차의 주행 안정성과 승차감을 결정하는 서스펜션에 포함되기 때문입니다. 이번 글에서는 댐퍼의 작동 원리와 어떻게 자동차 서스펜션에 적용되는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.

댐퍼(Damper)란?

댐퍼는 진동 에너지를 흡수하는 장치로 일반적으로 제진기, 흡진기라고도 부릅니다. 열고 닫는 도어의 충격 감소 용도 등으로 수많은 기계 장치에 사용되지만 자동차의 서스펜션(Suspension)에도 사용됩니다.

유사한 장치인 완충기(Bumper)는 보통 최초 충격에 대해서만 완화하는 기능을 발휘하지만 댐퍼는 그 뒤에 발생하는 연속적인 진동까지 줄여 줍니다.

만약 자동차의 서스펜션에 댐퍼 없이 스프링만 장착되어 있다면 운전자와 승객은 도로의 요철을 통과한 후에도 한참 동안을 진동에 시달려야 하는 것입니다.

이렇게 유용한 댐퍼는 자동차뿐만 아니라 자전거, 오토바이, 철도 차량, 비행기와 같이 바퀴와 몸체를 서스펜션으로 연결하는 모든 운송 차량에도 적용됩니다.

댐퍼의 작동 원리

아래의 왼쪽 그림이 대표적인 댐퍼의 구조와 작동원리를 보여주고 있습니다. 댐퍼의 상하에 충격이 발생할 경우 내부에 채워진 오일이 저항하기 때문에 피스톤은 즉각적으로 움직이지 못합니다.

오일이 가득 들어있는 실린더 안에 피스톤이 상하로 움직일 수 있도록 되어 있는데 피스톤에는 오일이 통과할 수 있는 작은 구멍이 형성되어 있습니다.

충격을 받은 쪽의 실린더 압력은 감소하고 반대쪽 실린더 내부의 압력이 증가하면서 압력 차이가 발생하므로 평형을 이루기 위해서는 피스톤의 작은 구멍을 통해 오일이 천천히 이동하게 됩니다.

이 댐퍼에 아래의 오른쪽 그림과 같이 강선을 코일처럼 나선형으로 감아 만든 코일 스프링(Coil spring)이 결합되면 충격 후 스프링 복원력에 의해 다시 반대 방향으로 피스톤이 움직이려고 하지만 오일의 저항으로 바로 움직이지 못하고 작은 구멍으로 이동한 오일만큼 천천히 이동하게 됩니다.

결국 이러한 과정들이 반복되면서 충격에 의한 상하 운동 에너지를 크게 감소시키고 초기 진동과 충격을 대폭 줄일 수 있게 되는 것입니다. 이러한 특성 때문에 댐퍼를 쇼크 앱소버(Shock Absorber, 충격 흡수기)라고 부릅니다.

참고로 '쇼바'로 부르는 사람들도 있는데 정말 잘 못된 표현입니다. 줄여서 쇽업소버로 부르다 보니 '소버'를 별도의 단어로 생각하고 일본식 발음인' 쇼바'로 잘 못 말하게 된 것입니다. 쇼크 앱소버가 올바른 표현입니다.

댐퍼의 구조(왼쪽)와 코일 스프링에 결합된 모습(우)

서스펜션

댐퍼와 코일 스프링(Coil spring)을 결합한 후 휠이 장착되는 컨트롤 암(Control Arm)과 차체를 연결한 것이 바로 자동차의 서스펜션입니다.

쇼크 앱소버와 코일 스프링을 합쳐서 스트럿(Strut)이라고 부르기도 하는 데 스트럿과 컨트롤 암의 구조에 따라 서스펜션 방식이 달라집니다.

아래의 그림에서 볼 수 있듯이 노면에 의해 발생하여 바퀴에 전달된 충격은 1차로 공기가 채워진 타이어의 탄력에 의해 완화되고 2차로 코일 스프링의 수축과 댐퍼의 오일 작용으로 완화되며 다시 탄성력에 의해 팽창하게 됩니다.

팽창과 수축이 어느 정도 반복되지만 댐퍼의 저항에 의해 진폭이 계속 감소하여 빠르게 안정적인 상태가 됩니다.

자동차 서스펜션의 동작 모습

전자식 어댑티브 서스펜션과 에어 서스펜션

댐퍼 즉 쇼크 앱소버와 코일 스프링의 특성은 실린더/피스톤의 구조와 오일의 종류, 스프링의 재질과 구조에 따라 달라지며 부드럽거나 단단하게 만들 수 있습니다.

승차감 위주의 세단인지 고속 주행의 스포츠카인지 아니면 험로 주행의 오프로드 차량인지에 따라 최적화할 수 있는 것입니다.

차량의 전자 장치와 액추에이터(Actuator)로 코일 스프링을 제어하여 운전자의 설정이나 주행 환경에 맞게 자동으로 감쇠력을 조절하는 전자식 어댑티브(Adaptive) 서스펜션도 있습니다.

차량이 주행하고 있는 노면을 감지하고 액추에이터가 댐퍼의 감쇠력을 조정하여 주행 안정성이나 승차감을 최적화합니다. 하지만 감쇠력을 조정할 수 있는 범위가 크지 않고 승차인원이나 적재량이 많은 경우의 차고 조절은 불가능합니다.

이러한 단점을 해결한 서스펜션이 바로 에어 서스펜션(Air Suspension )입니다. 실린더에 오일 대신 압축 공기를 주입하여 댐퍼와 코일 스프링 역할을 동시에 하도록 만들고 컴프레서로 공기압을 조절하는 서스펜션입니다.

압축된 공기는 오일 댐퍼와 코일 스프링에 비해 작은 진동이나 충격도 잘 흡수하는 장점이 있어 승차감이 월등히 향상됩니다.

또한 도로 환경에 따라 안정적인 주행이 가능하도록 서스펜션의 감쇠력을 실시간 자동으로 조정할 수 있으며 승차 인원이나 적재 화물에 상관없이 일정한 차고를 유지하거나 필요에 따라 낮추고 높일 수도 있습니다.

자동차의 에어 서스펜션

하지만 서스펜션 시스템의 구조가 복잡하고 부품도 많이 추가되어 기본적으로 매우 고가이며 유지보수 비용도 많이 들어가는 것이 가장 큰 단점이라 프리미엄 고급 모델에만 장착됩니다.

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