토션빔 서스펜션

Torsion Beam suspension

1. 개요2. 상세

3. 특징4. 장점5. 단점6. 토션빔 서스펜션을 사용한 대한민국의 자동차

1. 개요

일체차축 현가장치의 한 종류. 좌우 차륜의 트레일링 암(스윙 암)이 비틀림 탄성 즉 토션을 가진 토션빔(크로스 빔)에 의하여 연결된 구조이다. 토션빔 서스펜션은 H 또는 C모양의 유형을 갖고있다. 토션빔의 전면은 고무 부싱을 통해 차체에 연결되고 두 개의 트레일링 암과 함께 고정되며 두 암이 따로 움직일 때 그 둘을 연결하는 토션빔이 비틀림으로써 서스펜션의 롤 강성을 제공한다.

트위스트 빔(Twist-beam) 서스펜션이라고도 부른다.

2. 상세

토션빔은 양쪽의 트레일링 암과 이에 연결된 차체와 4각박스 형태를 구성하여 빔(beam), 즉 하중을 지지하는 보의 역할을 한다. 빔은 서스펜션의 형상을 유지하는 데 필요한 구조강도와 강성을 제공하고 각 차륜을 현가시키려 트레일링암에 스프링과 댐퍼가 장착된다. 그냥 빔 서스펜션이 아닌 토션빔 서스펜션인 이유는 좌우 차륜이 빔의 비틀림, 즉 토션에 의하여 탄성 연결 되기 때문이다.

일체식의 특성과 독립형의 특성을 둘 다 가진다. 토션빔(크로스 빔)의 위치와 형상 그리고 탄성에 따라 어느 쪽의 특성이 더 강한지가 결정된다. 토션빔(크로스 빔)이 액슬 스터브에 가까울수록 편향 시 캠버와 토우가 더 많이 변경된다. 멀티링크와 독립식 서스펜션의 가장 큰 차이점은 캠버와 토우 변경이 자동차 섀시가 아닌 다른 휠의 위치에 따라 달라진다는 것이다. 기존의 독립 서스펜션에서 캠버와 토우(toe)는 차체에 대한 휠의 위치를 기반으로 하지만, 토션빔은 두 바퀴가 함께 압축되면 캠버와 토우가 변경되지 않는다. 따라서 두 바퀴가 도로에 수직으로 시작하여 함께 압축되면 도로에 수직으로 유지된다. 토션빔에서 캠버와 토우 변경은 한 휠이 다른 휠에 비해 얼마나 압축이 됐는냐에 따라 달라진다. 따라서 토션빔(크로스 빔)을 액슬쪽에 장착하게 되면 일체형 현가장치인 리지드 액슬 서스펜션과 비슷한 움직임 성향을 갖으며 좌우 횡력에 인한 비틀림을 잡아주는 레터럴 로드가 장착되기도 한다. [1] CTBA라고 불리는 토션빔은 크로스 빔이 트레일링암 중간에 있으며 독립식 특성과 일체식 특성을 반반 갖는다.[2]

파일:Typical-torsion-beam-rear-suspension-2.jpg

CTBA 토션빔

독립식은 스테빌라이져가 반드시 필요하지 않으며 상황에 따라 추가하는 정도이다. 반면 토션빔 서스펜션은 토션빔을 삭제하여 좌우 차륜의 움직임을 독립시키더라도 서스펜션의 기능을 아예 상실하진 않는다. 그러나 토션빔을 제거하면 단순한 트레일링 암 서스펜션이 된다.[3] 트레일링 암 서스펜션은 오토바이 후륜에서도 많이 볼 수 있는 방식이다.

토션빔 서스펜션의 다른 명칭은 트위스트 빔 리어서스펜션(Twist-beam rear suspension)이다. 즉, 후륜용이다.

2.1. 토션바 서스펜션과의 차이점

흔히 비슷한 명칭의 토션바 서스펜션(Torsion Bar Suspension)과 혼동하기도 한다. 기계공학에서 보(beam)와 봉(bar)의 정의와 역할은 서로 다르다. 토션 바는 bar, 즉 봉이 비틀림탄성을 통해 스프링의 역할을 한다. 정확히 토션'바'는 코일스프링처럼 탄성력을 이용하여 충격을 흡수하는 스프링으로 사용되는 부품이고, 토션'빔'은 서스펜션의 양쪽 트레일링암의 독립된 움직임을 억제하는 장치로 쓰이는데 가깝다. 만약 토션빔 서스펜션이라 할지라도 충격 흡수부의 스프링으로 코일스프링이 아닌 토션바 스프링을 사용한 경우라면 토션바 서스펜션에 포함된다. 정확히 하자면 토션바 스프링이 장착된 토션빔 서스펜션이 된다. 그러니까 토션바 서스펜션은 기다란 봉을 비틀림 스프링으로 사용한 현가장치를 가리키며, 토션빔 서스펜션은 양쪽 서스펜션 암의 움직임을 제한하는 빔이 달린 일체차축 서스펜션을 가리킨다.

파일:external/www.formula1-dictionary.net/torsion_bar_SUS-1821-21K_.gif

토션바 스프링

사진의 금속 봉은 꽈배기처럼 꼬였다가 풀리면서 비틀림 스프링 역할을 한다. 1세대 스타렉스, 갤로퍼, 테라칸, 포터, 봉고 등에 토션바 서스펜션이 적용되었다.

토션바가 들어간 차량용 서스펜션은 소형 세단이나 트럭 등에서도 많이 쓰인다. 90년대 초반 혼다는 전륜구동 스포츠카에, 포르쉐는 무려 앞뒤 모두 토션바 스프링 장착형 서스펜션을 쓰기도 했다. 다만 이는 스프링만 코일스프링 대신에 비틀림 토션바 스프링을 사용한 것으로 토션빔 서스펜션 시스템이랑은 아무 관계가 없다. 다시말해 토션바는 스프링이고 토션빔은 서스펜션 구조이다.

3. 특징

좌우 축은 기본적으로 차대에 독립적으로 연결되며, 두 축 사이에 토션 빔이 들어간 구조다. 두 차축 간에 연결된 사이의 토션 빔은 용접 등으로 차축과 일체화 된다. 스테빌라이저의 역할을 수행하지만 독립식 현가장치의 스테빌라이저처럼 조립/분리가 자유롭지도 않다. 공장에서 생산할 때부터 토션빔 서스펜션의 트레일링암(스윙암)과 토션빔은 용접이나 프레스가공으로 완전 결합된 상태로 생산된다.

싸고, 가볍고 공간을 덜 차지한다. 롤링에도 강하다. 토션 빔이 탄성을 가지므로, 스테빌라이저바 없는 독립현가장치에 롤링을 억제하기 유리하기 때문이다. 따라서 기존의 토션빔 액슬을 개선한 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)[4]의 사용이 소형차를 중심으로 늘어나는 추세이다. 구조가 간단하고 부품 숫자도 적으며 공간을 적게 차지한다. 토션 빔 덕분에 후륜에 적용하면 후방추돌 시 안전성도 개선된다.

그러나 롤링이 적지만 코너링이 확연히 개선되진 않는다. 코너에서 횡력에 버티는 한계값도 더블 위시본 서스펜션, 멀티링크 서스펜션 맥퍼슨 스트럿 서스펜션 등 다른 방식에 비해 적으며, 한계를 지나쳤을 때 거동도 급격히 변한다. 최근[5] 많이 도입된 CTBA도 마찬가지이다. 횡력을 부싱-스트럿 구조를 통해 처리하는 다른 서스펜션들과는 달리 횡력을 받아 줄 컨트롤 암이 없기 때문에 트레일링 암 서스펜션과 마찬가지로 선회 시 후륜이 바깥쪽으로 비틀리는 현상, 즉 토-아웃이 되면서 오버스티어를 발생시키는 경향이 있다. 토션빔은 횡력으로 인한 토-아웃을 최대한 방지하려면 트레일링암을 짧게 설계해야하고 2개밖에 없는 부싱을 단단하게 해야한다, 이것은 승차감에 많은 지장을 준다.[6] 사람들이 토션빔의 승차감이 별로라고 느끼는 이유가 이것이다. 아무리 댐퍼 마운트가 좋거나 피봇 부싱이 크다해도 트레일링암이 짧으면 잔진동이 다 올라오며, 충격이 느껴진다. 서스펜션 스트로크를 길게 세팅하거나 하중을 받을 때 네거티브 캠버를 만들기 어려운 것도 단점. [7]

파일:external/upload.wikimedia.org/800px-Twistbeam-suspension-left-fade-rest.jpg

토션빔이라고 하면 좌우가 전혀 독립적이지 못하고 좌우 바퀴가 고정되어있다고 생각하지만, 위의 사진처럼 어느정도 독립적인 움직임을 갖는다.

다만 원리적인 취약점들은 보완기술들이 적용되면서 완화되는 추세다. 개선을 위해 토션빔의 형상을 최적화하는 방법, 피봇에 각도를 주어 횡력으로 인한 '부싱 밀려움직임' 형상을 사용하여 토우 변화를 보상하는 방법, 유럽형 SM6처럼 후륜 조향 시스템을 넣어서 강제로 토-인으로 만들거나, 댐퍼의 위치,각도를 이용한 개선이 되고있다. 원가 상승도 크지 않아 적용이 간단하다고.

레터럴 로드를 사용하여 좌우 움직임을 억제하는 방법도 있다. 오펠, 쉐보레에서 사용하며 Z Link라 부른다. 다만 이 방식은 결국 서브 프레임이 들어가고 링크가 몇 개 더 생기기 때문에 토션빔의 장점인 가벼움과 가격에 걸림돌이 되어 보인다. ~~이럴거면 멀티링크쓰지 왜 굳이 이렇게.....~~

위 사진은 리지드 액슬 서스펜션 이지만 토션빔에도 위와 같이 Z link ( 쉐보레), Watt 링크등의 레터럴 로드를 사용하여 좌우 횡력에 인한 좌우로 흔들림을 억제하는 시스템이다.

일체형 서스펜션이기 때문에 얼라인먼트 조절 자유도가 떨어진다. 와셔나 토션빔 얼라인먼트 플레이트를 사용하여 허브의 고정 각도를 강제로 수정하여 세팅값을 바꿀수 있다. 얼라인먼트가 잘 틀어지지는 않으나 틀어졌다면 토션빔이 영구적으로 휘었다는 뜻이므로 부품을 통째로 교체해야 한다.

성능보다 가격, 공간이 중요한 경차~준중형 전륜구동 승용차에는 대부분 이 방식이 적용된다. 국산차나 수입차 모두. 폭스바겐 골프, 현대 i30 2세대 북미 및 한국형, 현대 아반떼(MD이후), 쉐보레 크루즈, 르노삼성 SM3, 토요타 코롤라, 기아 포르테, 기아 K3 등등.[8] 2000년대 이후로는 중형차 이상의 차급에서 승차감이나 로드홀딩의 문제로 찾아보기 어렵다. 토션빔이 중형차의 차급의 무게로 좌우 횡력을 견디기 어렵기 때문이다. 그러나 프랑스의 르노는 토션빔을 상위 차급에도 적용한다. [9] 르노삼성 SM6로 한국 시장에 출시된 중형차인 르노 탈리스만 2세대가 그렇다.[10] 성능이나 승차감은 독립식 방식에 비해 떨어지지만, 포장 도로 위에서 직진할 때는 큰 차이를 보일 정도는 아니다.

르노 메간 R.S. 및 푸조 308 II GTi와 같은 브랜드의 가장 스포티한 모델은 토션빔 리어 서스펜션으로 서킷에서 소형차에서 높은 수준의 성능을 제공할 수 있음을 입증하기도 했다.
무스 테스트에서 푸조 308 II는 82km/h에서 이 테스트를 통과하여 멀티링크 리어 액슬을 장착한 경쟁사를 능가할 수 있었다. 1999년 시트로엥 잔티아 악티바의 세계 기록인 85km/h보다 겨우 3km/h 적은 속도.

4. 장점

저렴한 비용
단순하고 튼튼한 구조
더블위시본, 멀티링크 등 독립식에 비해 수리기 훨씬 용이함[11]
부싱의 수가 2개로 멀티 링크 서스펜션 보다 적고 부싱이 크기때문에 스트레스 적고 마모에 강함
부피가 작아 트렁크 플로어의 공간 확보 가능
가벼운 무게
롤링에는 강함
스프링과 댐버 (Shock) 또한 컴펙트하여 가볍고 저렴함
크로스 빔 자체가 안티 롤바의 기능을 하기 때문에 별도의 안티롤바가 필요하지 않음
스포츠 컴팩트카에 적합한 도로 핸들링 ~~승차감은 버린 차종~~ (예: 혼다 시빅 타입 R FK2, 스즈키 스위프트 스포트, 르노 클리오 III R.S., 푸조 308 II GTi).

5. 단점

토우(toe)가 한계점에서 횡력에 인해 오버스티어 성향을 보임
토우 특성이 일반 주행에 적합하지 않을 수 있으므로 토우 제어를 위해 특수 부싱을 추가하는 데 비용이 들 수 있음
캠버 특성이 매우 제한적
롤 강성조정이 자유롭지 못함
용접부에 피로파괴가 생길 수 있음
충격이 강할경우 토우가 순간적으로 변경되어 불안전한 스티어 효과가 발생할 수 있음
트레일링 암이 짧아 휠이 올라감에 따라 앞으로 이동하며 충격 강도가 좋지 않을 수 있음 (높은 피봇 마운트를 설계하여 무효화할 수는 있음)
배기 파이프가 토션빔을 지나야하기때문에 파이프 형상이 복잡해짐
휠 얼라인먼트에 의한 보정이 불가. 선형 지오메트리는 공장에서 설정되며 일반적으로 조정할 수 없음. 얼라인먼트 값이 공차에서 벗어났다면, 차축이 변형됐거나 마운트 지점이 손상된 것.

6. 토션빔 서스펜션을 사용한 대한민국의 자동차

경차: 기아 모닝, 쉐보레 스파크, 기아 레이, 현대 캐스퍼, 구형 경차( 현대 아토스, 기아 비스토, 대우 티코)[12]
소형차: 현대 베르나(2세대), 현대 엑센트, 기아 프라이드, 르노 클리오, 쉐보레 아베오
준중형차: 현대 아반떼( 현대 엘란트라 [13], 5세대 이후), 쉐보레 크루즈, 르노삼성 SM3(1세대는 리지드 액슬 서스펜션), 기아 포르테, 기아 포르테 쿱, 기아 K3, 현대 i30(GD), 현대 아이오닉(일렉트릭 한정), 대우 르망, 대우 넥시아, 대우 에스페로
중형차: 르노삼성 SM5(1세대)[14][15] 르노 SM6[16], 현대 쏘나타 2세대(Y2, 당시 수퍼밸런스 서스펜션이라고 불렸다)[17]
준대형차: 현대 그랜저 1세대[18]
스포츠 쿠페: 현대 벨로스터(FS)
소형 SUV: 현대 베뉴, 기아 스토닉, 기아 셀토스(전륜구동), 기아 쏘울, 르노 아르카나, 쉐보레 트랙스, 쉐보레 트레일블레이저, 현대 코나(하이브리드를 제외한 나머지 전륜구동), KGM 티볼리(전륜구동)
RV: 기아 카렌스(3세대), 쉐보레 올란도

[1] 적용된 차들은 르노삼성 SM5 1세대, 대우 티코, 현대 아토스, 기아 비스토, 현대 그랜저 1세대, 현대 쏘나타 2세대 등이 있다. [2] 적용된 차들은 현대 아반떼 MD 이후, 기아 K3, 르노 SM6, 르노삼성 SM3, 기아 모닝, 현대 캐스퍼 등이 있다. 크로스 빔이 피봇쪽에 장착되어있는 타입도있는데, 좌우 횡력에 대응하기 힘들기 때문에 캠핑카/트레일러 정도에 쓰인다. [3] 물론 이론상으로는 그렇다는 것일 뿐이다. 실제 트레일링 암 서스펜션에서는 암과 바디를 연결하는 부싱을 하나 더 넣어 줌으로써 좌우로 작용하는 힘을 받아낼 수 있게 해 놓고 있다. 토션 빔 서스펜션에서 단순히 토션 빔만을 제거한 상태로는 좌우의 힘을 온전히 받아내는 데에 무리가 있다. [4] 그래서 요즘 토션빔이라고 하면 싹 CTBA를 말한다고 보면 된다. 당시 대우자동차가 이 부분을 제대로 홍보를 하지 않고 엉뚱하게도 항아리 모양의 코일스프링만 강조를 했는데, CTBA는 그 당시의 첨단 기술 중 하나였던 방식이다. [5] 다만, 대한민국에서 1986년에 발매된 르망의 후륜 현가장치 역시 CTBA였다. [6] 아반떼 AD 토션빔과 아반떼 스포츠 멀티링크의 트레일링암 길이가 약 10cm 차이난다다 [7] 트레일링암이 짧아 차고가 변할때마다 축거(휠베이스)가 심하게 바뀐다. [8] 준중형 중에 혼다 시빅이 빠졌는데, 잘 안 쓰기 때문이다. 2007년형(8세대)는 더블위시본, 2016년형 10세대는 멀티링크. 그래서 시빅은 다른 경쟁차종보다 가격대가 조금 더 높고 주행질감이 조금 더 좋을 때가 많다. [9] 반면 푸조는 95년 출시한 406에 4링크 멀티링크를 적용했으며, 현재도 508에 멀티링크가 장착된다. [10] 그런데 유럽 시장 출시 모델은 좌우 횡력 비틀림 문제는 엑티브 스티어링으로 보완했다. ~~한국 모델 지못미..~~ [11] 다만 문제가 생기면 한쪽만 교체해도 되는 독립식에 비해 문제가 생기면 앙쪽 트레일링 암을 몽땅 다 교체해야 하니 비용이 좀 많이 들 수 있다. [12] 래터럴 로드가 있는 리지드 액슬 서스펜션형 토션빔 [13] 래터럴 로드가 있는 리지드 액슬 서스펜션형 토션빔 [14] 다만, 이 토션 빔 서스펜션은 일반적으로 볼 수 있는 토션 빔 서스펜션과는 좀 다른 형태의 물건이었고 ( 리지드 액슬 서스펜션에 가깝다), 그래서 닛산자동차와 르노삼성은 '멀티 링크 빔' 서스펜션이라고 불렀다. 여기서 '빔'이 바로 토션빔을 일컫는 것이고, '멀티 링크'라는 것은 우리가 흔히 일컫는 멀티 링크 서스펜션의 그것이 아니라 '빔과 바디를 연결하는 링크가 한 개가 아니라 여러 개이다'라는 뜻이다. 기본적으로 이 서스펜션은 현대 1 세대 엘란트라나 1세대 쏘나타, 그랜저 등에 사용되었던 미쓰비시 방식의 토션 빔 액슬, 즉 커플되어 있지 않고 액슬 위치에 토션 빔이 위치하는 현가장치를 기본으로 하고 있는데, 이 방식의 단점인 '상하운동시 액슬 전체가 좌우로 움직인다'라는 현상을 제거하기 위해 중간에 링크와 슬라이더를 하나씩 더해 준 것이다.(레터럴 로드) [15] 이해가 잘 되지 않는다면 현재 볼보에서 사용되는 서스펜션과 같은 방식이라고 보면 된다. [16] SM6의 모든 혹평은 일단 이 토션빔에서 시작한다. 2000년대부터 한국 시장 중형차에는 더 이상 사용하지도 않는 토션빔을 대체 왜 박아놨냐는 게 주된 혹평의 원인. AM링크 특유의 세팅으로 인해 노면에서 매우 큰 충격을 흡수할 때 좋지 않은 승차감을 가지고 있는데, 원인은 초기 모델에서 AM링크 부싱 내구성이 매우 좋지 않아 AM링크 서스펜션으로 인해 큰 비판을 듣고 판매량이 급격하게 떨어졌다. 2020년 페이스리프트 이후에는 AM링크를 빼고 모듈러 밸브 쇽업쇼버와 지름을 키운 부싱 덕분에 승차감이 많이 개선되었다는 평가를 받지었지만 오히려 판매량이 떨어지고 있다. 그래서 페이스리프트 이전 모델 차주들도 AM링크가 빠진 서스펜션으로 교체하는 경우가 있다. [17] SM5 1세대 처럼 래터럴 로드가 있는 리지드 액슬 서스펜션이기도 하다. [18] 쏘나타 2세대, SM5 1세대 동일한 래터럴 로드가 있는 리지드 액슬 서스펜션이기도 하다.