현대 산업사회의 총아(寵兒)라고 할 수 있는 자동차는 2~3만개에 달하는 수많은부품들로 구성된다. 특히, 오늘날의 최신형 자동차들은 흔히사람의 ‘심장’에 비유되는 최중요부위인 엔진과 변속기를 비롯하여, 운전자를 비롯한 탑승자의 안전과 편의에 관련된 다수의 부품들은 물론, 반자율주행이나커넥티드 카 등과 관련된 각종 첨단기술로 만들어진 부품들을 잔뜩 싣고 있다.
이렇게 수많은 부품들로 이루어진 자동차가 움직이는환경은 녹록치 못하다. 자동차의 원활한 운행을위해 깨끗하게 포장되어 있는 도로라고 할지라도 그 표면은수많은 굴곡과 요철들이 산재하며, 이 굴곡과 요철들은 운행 내내 자동차에게 물리적인 충격을 가한다. 이는 비단 현대의 자동차는 물론, 지상에서 바퀴를 사용하는 모든운송수단이 필연적으로 맞닥뜨리게 되는 상황이기도 하다.
그래서 만들어진 것이 바로 서스펜션(Suspension)이다. 서스펜션은 현가장치(懸架裝置),내지는 현수장치(懸垂裝置)로도불리며, 지상을 이동하는 모든 운송수단(자동차, 철도 등)에 있어 필수적인 기계장치다. 서스펜션은 아래로는 노면으로부터 전달되는 물리적인 충격으로부터 자동차와 탑승자를 보호하고 위로는 자동차와 승객, 짐으로 인한 수직하중으로부터 차축과 섀시를 보호한다. 서스펜션은마차의 시대부터 존재해 온 유서 깊은 기계장치로서, 육상 교통의 발전에 막대한 영향을 끼쳤다.
오늘날 자동차의 서스펜션에서 빠지지 않는 요소는 스프링(Spring), 스태빌라이저(Stabilizer), 그리고 쇼크 업소버(Shock Absorber)가 있다. 스프링은 자동차에 걸리는 상하방향의하중 및 충격으로부터 지지하는 역할을 하고, 스태빌라이저는 자동차의 선회에서 비롯된 비틀림을 억제하는역할을 한다. 그리고 쇼크업소버는 문자 그대로 충격(shock)을흡수(absorb)하는 역할을 한다. 쇼크 업소버는 ‘감쇠(減衰)시킨다’는 의미를 지닌, ‘댐퍼(Damper)’라는이름으로도 불린다. 쇼크 업소버는 스프링과 함께 서스펜션을 구성하는 가장 중요한 부품으로, 충격 흡수를 통해 자동차의 승차감과 조종성을 높이는 핵심이다.
스프링은 상하 방향으로 수축과 팽창을 여러 번 반복하여충격을 흡수하게 된다. 이 때 쇼크 업소버가 없다면, 스프링의상하 운동에서 발생하는 진동이 탑승자와 차내 부품들에 전달되어, 탑승객과 차내 부품에 피로를 유발하고차체를 흔들리게 하여, 주행 안정성을 무너뜨린다. 쇼크 업소버는스프링의 상하 운동에서 발생하는 에너지를 열 에너지로 변환하는 방식으로 충격을 흡수한다. 스프링의 불필요한진동을 흡수함으로써 스프링에 가해지는 피로를 줄이고 차체를 빠르게 안정시킨다. 이를 통해 자동차의 주행안정성을 확보하고 승차감을 향상시킨다. 사실 상 자동차의 ‘승차감’과 주행 안정성을 형성하는 데 있어서 중추를 이루고 있는 부품이라 할 수 있다.
쇼크 업소버에서 가장 중요한 특성은 감쇠력(減衰力)이다. 감쇠력이란, 물질이진동을 흡수하는 능력을 말한다. 감쇠력은 쇼크 업소버의 성능은 물론,전체 서스펜션 시스템의 성능에 큰 영향을 준다.
쇼크 업소버는 기본적으로 본체와 피스톤(Piston), 그리고 피스톤 로드(Piston Rod)로 구성된다. 쇼크 업소버 본체는 실질적인 충격의 흡수를 담당하는 부위로, 원통형으로이루어져 있으며, 차축에 연결된다. 피스톤과 피스톤 로드는차체 상하 방향의 운동 에너지를 본체로 전달하는 부위이며, 차체 구조에 연결된다.
쇼크 업소버 본체는 기계적 구조에 따라, 복통식(復筒式, Twin(Double)-tube)과 단통식(單筒式, Mono-tube)의 형태가 존재한다. 쇼크 업소버 본체 내부에는 충격흡수를 위한 충진재가 주입되어 있다. 충진재는 점성을 갖는 물질을 사용하며, 주로 기름이나 질소 가스 등이 사용된다. 물론, 제조사에 따라, 자성유체(磁性流體, Magnetorheological)와 같은 소재를 이용하는 경우도 있다.
복통식은 쇼크 업소버 본체가 내/외의 이중 구조로 이루어진 것을 말한다. 내부에는 오일과 공기가 함께충진되어 있으며, 피스톤의 운동에 따라 내측 실린더와 외측 실린더의 틈새로 충진재가 이동하며, 이 때 발생하는 흐름 저항을 이용하여 충격을 흡수(진동을 제어)한다. 실린더 내측과 피스톤에 위치한 밸브로 감쇠력을 조절한다. 복통식 쇼크 업소버는 이중 구조 덕분에 본체 길이를 짧게 제작하는 데 유리하며, 내측과 외측의 2개소에서 감쇠력을 제어할 수 있기 때문에 밸브 기구를상대적으로 단순화시킬 수 있는 것이 장점이다. 최근에는 공기 보다 물성이 좋은 저압의 질소 가스를 충진하는경우도 있다. 공기 대신 가스를 사용하기 때문에, 기포 발생이없어서 안정된 특성을 유지할 수 있기 때문이다.
단통식은 이중 구조가 아닌 단일 실린더로 이루어지며, 중간에 위치한 플로팅 피스톤(Floating Piston)으로 내부가분단된다. 일반적으로 플로팅 디스크의 상부는 오일로 채워지고, 하부는고압의 가스로 채워진다. 단통식은 피스톤이 상하운동하면서 발생하는 오일의 흐름 저항이 1차, 가스의 압력이 2차로충격을 흡수하는 구조를 갖는다. 복통식에 비해 구조가 단순하여 대경화(大徑化) 등을통해 구조 강도를 손쉽게 높일 수 있는 것이 장점이다. 또한, 구조상 상하를 거꾸로 배치할 수 있다는 점도 특징이다.
세계의 자동차 제조사들은 우수한 승차감과 주행 안정성을얻기 위해 노력하고 있으며, 쇼크 업소버 역시 이와 같은 흐름에 따라 끊임 없이 기술적인 진보를 이루어왔다. 그러한 노력의 산물 중 하나는 바로 감쇠력을 바꿀 수 있는 감쇠력 가변식 쇼크 업소버다. 감쇠력 가변식 쇼크 업소버는 말 그대로 감쇠력을 변경 가능한 쇼크 업소버를 말한다. 이러한 형태의 쇼크 업소버는 오일(충진재)이 지나는 밸브를 2단계 이상으로 설계하여, 흐름 저항, 즉 감쇠력을 직접 조절할 수 있도록 만들어진다. 주파수감응식(Frequency sensitive damping), 위치감응식(Position sensitive damping)과 속도감응식(Accelerationsensitive damping), 등의 방식이 존재한다. 이 외에도 수동 다이얼 조정으로감쇠력을 조절할 수 있는 가변식 쇼크 업소버도 존재한다.
오늘날 최신 고급 자동차들에서는 감쇠력을 실시간으로제어할 수 있는 쇼크 업소버를 사용한다. 이는 상기한 기계식 가변 제어와는 달리, 다양한 전자장비와 결합된 ‘전자제어 서스펜션 시스템’ 안에서 유기적으로 제어를 실시한다. 전자제어 서스펜션 시스템은 속도와중력가속도, 조향각 등을 감지하는 센서들과 센서에서 얻은 데이터를 빠르게 연산하여 최적의 값을 얻는컨트롤 유닛, 그리고 컨트롤 유닛의 연산 결과를 바탕으로 쇼크 업소버 감쇠력을 직접 제어하는 액츄에이터로구성된다. 속도 센서와 중력가속도 센서, 조향각 센서 등은차의 움직임(운동)에 대한 데이터를 수집한다. 그 다음에는 컨트롤 유닛이 이를 바탕으로 액추에이터에 명령을 전달, 액추에이터를통해 각 쇼크 업소버의 감쇠력을 실시간으로 조절한다. 이로써 차가 최대한 평형 상태를 유지할 수 있도록돕는다. 따라서 시선의 변화가 적고 위험 상황에 빠지는 일도 적다.
