스프링상의 고유진동수

 

- 스프링 고유진동수

4륜 구동차로 험난한 지형을 주파하는 크로스컨트리라는 경주가 있습니다. 장소는 전용의 Off Road 코스이지만 그 중간에 통나무로 만든 계단식 섹션이 있습니다. 이곳을 통과하려 할 때 천천히 통과하려 하면 서스펜션이 크게 움직이고 차체도 거기에 연결되어 예상외로 크게 상하로 요동칩니다. 같은 구간을 어느 정도 속도를 내서 통과하면 타이어는 상하로 격하게 움직이지만 차체는 거의 요동치는 일없이 리드미컬하게 통과할 수 있습니다. 요철이 있는 장소를 통과해도 속도에 따라 서스펜션의 움직임이 꽤 많이 달라집니다.

어떻게 해서 이와 같은 일이 생기는 것일까요?  

 

스프링에는 고유진동수라는 것이 있습니다.

천천히 요철을 통과했을 때에 일어나는 커다란 상하운동은 이 스프링의 고유진동수와 요철노면을 통과하는 것으로 더해진 진동의 주파수가 일치해서 일어나는 현상으로써 이들 두 개가 공진(共振)하고 있기 때문에 일어나는 것입니다.

 

이 고유진동수는 수식으로 산출하는 것이 가능합니다. 고유진동수는 스프링정수를 스프링 위 부분의 질량으로 나눈 수치이므로 딱딱한 스프링일수록 고유진동수는 커지게 된다는 것입니다. 또 같은 스프링정수는 자동차가 가벼울수록 승차인원이 적을수록 고유진동수가 크고 서스펜션이 딱딱하게 느껴지게 됩니다.

 

보다 정확하게 말하면 고유 진동수는 각 바퀴의 코너 웨이트에서 스프링을 제외한 서스와 휠, 휠 케리어, 타이어 그리고 브레이크 및 드라이브 샤프트 등을 제외한 스프링 상중량이 분모가 되고 그냥 스프링 레이트가 아니고 레버비로 환산한 휠 레이트가 분자가 되어 산출되는 값의 제곱근에 비례하는 것입니다. 따라서 고유진동수를 두배로 하자면 휠 레이트는 4배가 되어야 하는 것입니다.

 

보통 양산되고 있는 승용차는 1.0 ~ 2.5Kg/mm정도의 Rate인 스프링을 사용하고 있지만 고유진동수는 승차감이 좋은 자동차는 1.0Hz 정도, 운동성을 중시하는 스포츠타입은 1.5Hz 정도로 설정되어 있습니다. 레이싱카와 같이 운동성능을 최우선으로 하게되면 10 ~ 25Kg/mm의 스프링을 사용하고 그 고유진동수는 2.5 ~ 3.5Hz나 됩니다.

 

승용차의 양호한 승차감을 확보하기 위해서는 1Hz 이하의 고유 진동수로 설정하는 것이 좋지만 그 경우 스프링이 변형했을 때 스프링 재료에서 발생하는 응력이 증대하고 스프링의 내구성에 악영향을 주는 한편 고속 주행시 차체의 롤링과 바운싱이 심하며 코너링시 차체 쏠림 현상이 있는 등 안전성에 문제가 있기 때문에 이러한 점을 모두 고려하여 양산 차의 스프링정수가 결정되고 있습니다.

 

 

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