서스형식 4 커플드 토션빔 액슬(CTBA : Coupled Torsion Beam Axle)

토션빔 액슬(Torsion Beam Axle : TBA) 

 

C-세그먼트 이하의 전륜 구동차에 있어서 거의 모든 차량이 후륜에 채용하는 형식. 좌우의 트레일링 링크를 토션빔(비틀림 봉)으로 접합한 구성. 

 

초창기에는 차축식으로 분류되었다가 요즘은 Semi-Rigid (반 차축식)라고 분류되고 있지만 실제로는 최근의 진화된 토션빔은 비틀림량이 꽤 크고 좌우 트레일링 링크의 움직임이 독립식 서스펜션과 큰 차이가 없는 수준에 이르고 있어 일각에서는 아예 독립식 서스펜션으로 분류하기도 한다.

 

구조상 롤강성이 높은 것이 특징으로 스태빌라이저를 생략할 수 있는 등 부품 개수가 적고 거의 모든 것을 프레스 성형품의 용접으로 조립할 수 있기 때문에 코스트면에서도 유리하다.  

①코일스프링 ②댐퍼  ③트레일링 링크 ④토션 빔  ⑤레트럴 로드  ⑥허브 케리어

 

위 그림 위쪽 이미지에서와 같이 빔이 좌우륜의 차축(액슬) 위치에 설정된다. 그리고 차체에 대한 횡방향 위치결정용 링크(판하드 로드 : 프랑스 Panhard사가 개발한 비대칭 로드)를 가진 타입으로서 아우디와 토요다 등이 많이 채용하였던 이 전형적인 형식을 토션빔 액슬 중에서 액슬빔식이라고 부른다.

 

이 액슬빔식은 안정적인 핸들링이 가능한 구조이지만 와인딩 코스에서 고속주행시 차체가 기울때 윤거가 좁아지면서 타이어 접지점이 안쪽으로  끌려 들어가는(Scuff) 횡변화로 운전자를 놀라게 하고 판하드(레트럴) 로드의 좌우 비대칭 구조 때문에 차체가 솟아 오르는 잭업(Jack-up)현상이 발생하며 좌회전과 우회전시 그 특성을 달리하는 단점이 있다.  

우리가 주로 레트럴 바라고 부르는 판하드 로드는 토션빔 액슬 뿐만 아니라 차축식에도 횡방향 위치 설정을 위하여 사용된다.

차체가 기울 때 액슬의 수평이동량만큼 윤거가 짧아져 타이어가 끌려 들어가는 스커프 현상이 발생한다.

좌회전시는 차체 왼쪽이 크게 솟아 오르지만 우회전시는 솟아 오르지를 못하여 좌우 선회시 특성 차이를 보인다.  

바의 평상시 위치가 수평상태에서 멀어질수록 수직방향으로의 위치 변화에 따른 수평이동량은 커진다.

간혹 차축식 RV나 4륜차량에서 뒤 스프링이 휘어지거나 부러지는 경우는 바로 이 것 때문이다.

 

그 반대로 토션빔을 트레일링 링크 끝부분 그러니까 차체와 연결하는 피봇에 ㄷ자 형태로 설치하는 형식도 있는데 이를 피봇빔식이라고 부른다. 이렇게 되면 풀 트레일링 암식과 거의 유사하게 된다.

 

그러나 현재의 주류는 VW 골프와 같이 트레일링 링크의 중간쯤에서 양쪽을 연결하는 토션빔을 배치하는 커플드빔식(CTBA)이다. 이 방식은 래터럴 로드도 필요 없는 구조이다. 위 그림 아래 이미지와 같이 빔이 거의 차축에 가까운 경우도 있지만 대개의 경우 아래 푸조나 르노와 같이 차축위치에서 멀어지게 되는데 빔이 연결되는 위치에 따라서 캠버의 변화량 등 그 특성이 달라진다.

 

트레일링암으로 횡력 전후력 브레이크 모멘트를 받는다. 따라서 횡방향의 위치결정을 위한 레트럴 로드는 필요없다. 트레일링암은 횡력도 받기 때문에 강성이 높은 파이프 형상을 사용한다.

 

전자 액슬빔식은 롤센터가 휠 중심점의 상측이 되는 것에 비하여 후자 CTBA에서는 휠 중심점의 아래에 위치하기 때문에 기본적인 조종성 안정성의 면에서 차이가 생긴다.      

 

 저횡가속시는 뒷쪽 외륜이 토인으로 변하여 안정적인 핸들링을 가능하게 한다.

 

현대나 기아에서 자사 포르테나 뉴프라이드, 아반테MD 등 소형차량 후륜에 이 방식을 본격적으로 도입하면서 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)란 용어를 대대적으로 홍보하여 마치 새로운 서스형식의 개발 또는 토션빔식에서 엄청 업그레이드 된 방식이 나온 것으로 더러 알고들 있는 것 같다. 그리고 또 다른 한편에서는 성능개선이 아니라 원가절감 때문에 HD나 i30에서 채용하던 멀티링크를 포기하고 이 방식을 택했으며 그 결과 MD나 벨로스터의 서스에서 고속시 후륜측에 불안감이 노출되는 등 문제가 있다는 논쟁도 있었던 것으로 알고 있다.

 

세상에 어느 서스펜션형식이나 단점이 없는 것은 없다고 본다. 이 CTBA는 최근에 개발된 방식은 아니고 예전부터 있던 토션빔액슬(TBA) 여러 가지 형식 중 최근에 가장 보편적으로 많이 채용되는 검증된 방식 중 하나이다. 그리고 TBA는 원가도 원가지만 공간을 적게 차지하므로 뒷좌석을 보다 넓게 설계할 수 있다는 매우 큰 매력 때문에 우리나라 뿐만 아니라 전 세계적으로 소형차에서는 널리 사용되는 방식이다. 

토션빔은 일반 강철이 아니라 일종의 용수철강이므로 이렇게 비틀어지게 된다.

그래서 차축식이라고 분류하기에는 마땅하지 않은 점이 있다.

빔 자체가 스태빌라이저 역할도 하므로 별도의 스태빌라이저는 특별한 경우가 아니면 필요가 없다.

오히려 후륜의 롤 강성을 너무 높여 과유불급(過猶不及)이 될 가능성이 높다.

 

물론 이론적으로 봤을 때 이 방식이 피봇 부싱에 과도한 부하가 집중되므로 변형이 쉽고, 그에 따른 소음 발생 가능성도 매우 높고, 고속 코너링이나 급제동시 컴플라이언스 스티어가 발생 하여 후륜이 심한 오버 스티어 경향으로 흐르는 등 불안정한 단점이 있어 성능면에서 과거 듀얼링크보다는 우월하지만 멀티링크나 더블위시본 심지어는 트레일링 암식 보다도 뒤 떨어진다는 것이 일반적인 평가임은 분명하다.

 

하지만 C-Segment (골프 이하급 소형차)에서는 공간의 확보도 성능 못지않은 중요한 포인트이므로 현대를 비롯하여 우리나라 메이커들이 선택하고 있는 것은 나름대로 충분한 이유가 있다고 하겠다.

 

그리고 CTBA는 전통적인 액슬빔방식과 피봇빔방식의 장점만을 결합한(Coupled) 절충된 방식으로서 최근의 거의 모든 토션빔식은 이 방식이므로 그냥 TBA(토션빔액슬식)라고 하여도 될 것을 현대에서 특허 운운하면서 너무 열심히 홍보를 한 것이 아닌가 한다.

 

일각에서는 TBA 중에서 닛산에서 액슬빔 방식의 판하드 로드를 상하 움직임은 가능하지만 좌우 움직임은 억제되는 아래 그림과 같은 스코트 러셀이라는 링크기구로 대체한 멀티링크빔식을 한층 더 진화한 형식이라고 평하기도 한다. 이 방식은 액슬빔식의 단점인 잭업현상이나 좌우 선회특성 차이를 거의 억제하고 타이어의 끌림(Scuff) 횡변화도 거의 없다. 우리나라에서는 과거 초창기 구형삼성 차량에도 채용된 바 있다.   

 

스코트 러셀 링크가 적용된 2002년 닛산 Sentra

스코트 러셀 링크는 와츠 링크와 기능은 비슷하지만 단순하면서 소형화된 것이 특징이다

 

결론적으로 TBA 자체는 단점도 분명 있지만 간단한 구조인만큼 불필요한 마찰도 적어 매끄러운 승차감이 가능하고 롤강성의 뒤쪽 배분이 커 언더해소에도 도움이 되므로 언더 성향인 FF차량의 후륜으로서는 궁합이 잘 맞아 현재 세계적으로 FF소형차에서 주류를 이루고 있다. 이른바 현재 대세로 소형 FF  후륜에서는 적수가 없다. 그러므로 소비자들이 소형차를 구입하는 한 당분간 선택의 여지가 거의 없다고 본다.

 

모든 서스펜션 형식이 그렇지만 같은 형식이라고 하여 모두가 완전하게 동일한 것은 아니고 메이커마다 그리고 차종마다 설계하기에 따라서 실차에서는 약간씩 때로는 크게 그 특성이 달라지게 된다. 따라서 단점이 노출된다면 이를 보완 최소화하려는 메이커측의 노력이 요구된다면 요구되는 점이고 또한 나름대로 장단점이 있는 서스형식을 장점만 너무 과장되게 부풀려 홍보한 것은 아쉬운 점이 아닌가 한다.  

 

현재 우리나라 신차 46개 중 현대, 기아, 삼성, 대우 4개사에서 MD, 엑센트, 벨로스터, 레이, 뉴프라이드, 올뉴모닝, 포르테, 소울, 뉴 SM3, 스파크, 아베오, 크루즈 등 모두 15개 경소형차량의 후륜에 채용하고 있어 이미 대세이다. 그럼 여기서 이 방식을 채용하고 있는 외국 차량들의 경우를 살펴본다.  메이커마다 노력하여 나름대로 단점을 보완하고 성능을 개선하려는 경쟁이 치열하다는 것을 알 수 있다.

 

Peugeot 3008

∎ TBA + 중간제어 유니트의 새로운 구성

  ①코일스프링 ②댐퍼  ③트레일링 링크 ④토션 빔  ⑤레트럴 로드  ⑥허브 케리어 ⑦스태빌라이저

 

베이스차인 308의 플랫폼은 전 모델 307부터의 약간 다듬어진 개선판으로 TBA의 구조도 극히 전형적인 것이지만 보디의 상하방향의 움직임이 보다 커지는 3008에서는 거기에 위 그림 청색부분인 야마하가 개발한 중간 유니트 REAS(Relative Absorber System)를 부가하고 있으며 스태빌라이저까지 추가한 것이 특징.

 

롤각속도의 제어만이 아니고 핏칭의 규제에도 확실한 효능을 발휘하고 있다. 금후의 중형 FF차에 있어서는 트랜드가 되지 않을까?

 

Renault MEGANE

∎ 낮은 차고를 우선한 댐퍼의 배치

  ①코일스프링 ②댐퍼  ③트레일링 링크 ④토션 빔  ⑤레트럴 로드  ⑥허브 케리어 

 

현행 메간3 등이 사용하는 플랫폼은 메간2계의 개선판. 트레일링 링크도 토션빔도 전형적인 구조이지만 댐퍼를 크게 앞쪽으로 기울인데다가 약간 안쪽으로 기울게 마운트를 하고 있는 점이 특징이다. 높이를 억제하는 것으로 실내 및 트렁크의 스페이스를 최대한으로 확보하는 것이 목적으로 추측된다.

전후방향 및 횡력에 따라서 마찰력 증가나 작동효율의 저감 등이 염려되는 구성이지만 실차에서는 특히 그러한 네가티브는 느낄 수 없다. 즉 르노 스폴 등의 사양에서는 토션빔에 액봉 성형품을 채용하고 있다.

 

Opel ASTRA

∎ [장점만 취하기]를 목표로 한 신규 구성

 

①코일스프링 ②댐퍼  ③트레일링 링크 ④토션 빔  ⑤레트럴 로드  ⑥허브 케리어

 

현행 아스트라는 GM의 세계 전략차인 쉐보레 크루즈 등과 같이 [△Ⅱ플랫폼]을 사용하여 만들어지고 있다. 동 플랫폼이 채용된 리어서스는 대단히 유니크한 구성으로 차체측 피보트 직후에 액봉 성형품의 토션빔을 두고 횡방향의 위치결정에 WATT'S링크를 사용한 구성이다.

 

피보트와 동축상에 토션빔을 두는 피보트빔식은 아니지만 그렇다고 해서 커플드빔식이라고 부르는 것도 무리가 있다. GM에서는 이 리어 서스펜션을 [U자형 옆모습의 중공 토션빔에 조정가능한 컨트롤암 [Z링크]를 편성한 것]이라고 부르고 있다.  수 종류 있는 TBA식 서스의 구성 패턴에서 장점만을 골라낸 것 같은 구성이다.

 

참고로 WATT'S Link는 200년전 와트가 고안하여 지금도 레이싱 서스펜션 시스템에서 사용되고 있는 것으로 아래 그림과 같이 상하운동은 하여도 좌우 운동은 제약되는 링크 시스템이다. 코너링시 차체의 상하 움직임은 허용하는 대신에 좌우 움직임을 방지하려는 기능은 판하드 로드와 동일하나 상하 위치 변화시 로드 길이의 신축성이 있어 잭업현상도 방지하고 바퀴의 횡끌림변화를 억제하는 효과가 있다.

 

98년 Ford Ranger EV에 설치된 와츠 링크

 

 

-- 테인과 가야바 수입원 : 튜닝앤코리아  www.suspension.co.kr --