여기저기 검색하다 마침 괜찮은 자료를 발견하고 좀 읽어봤는데, 잘 이해가 되더라구요. 제 나름대로 정리하여 적어봅니다. 도움되시길 바랍니다. 틀린 점 있으면 지적해 주시구요.
1. spring rate
- 스프링의 딱딱하고 물렁한 정도는 스프링이 생산될 때 정해집니다. 허용 범위를 초과하는 힘을 가해 스프링의 특성을 변화시키지 않는 한, 잘 변하지 않습니다. spring constant 라고도 하고, 보통 spring rate라고 하죠. 우리말로 하면 '압축률' 정도가 될까요?(전공자가 아니라 잘 모릅니다)
- spring rate가 100 kg / inch 인 스프링의 경우, 1 inch를 압축하는데 100 kg의 무게(힘)가 필요하단 뜻입니다. 2 inch 압축하려면 200kg 으로 눌러야겠죠. spring rate가 커질수록 딱딱하고 단단한 스프링이 되고(무거운 자동차나 트럭에 쓰는), spring rate가 작아질수록 soft한 스프링이 됩니다(스쿠터나 자전거에 쓰는).
2. preload
- 말 그대로 load를 싣기 전에(pre) 미리 스프링을 압축해 두는 것을 말합니다. 프리로드는 spring rate에 전혀 영향을 줄 수 없습니다. spring rate는 잘 변하지 않기 때문이죠. 따라서 프리로드가 스프링을 딱딱하게, 또는 물렁하게 한다는 개념은 틀린 것입니다.
3. 압축된 스프링이 다시 늘어나려는 힘
- 압축된 스프링은 원상복구하려는 힘을 갖게 됩니다. 100 kg/inch 스프링을 예로 들겠습니다. 스프링 위에 만약 100kg 의 물체를 올려놓았다면(그림 a-2의 빨간색 화살표), 스프링은 아래 방향으로 1 inch만큼 압축됩니다. 이와 동시에 압축된 만큼 원상태로 돌아가고자 하는 힘도 위 방향으로 100kg 작용하게 됩니다(파란색 화살표). 아래로 100kg, 위로 100kg의 힘이 작용하므로 물체는 움직이지 않고 가만히 있습니다. 작용 반작용 원리가 여기에 해당되는거겠죠?
4. 프리로드를 줘 보자.
- 같은 스프링에 프리로드를 1 inch 설정한다고 가정해봅시다. 1 inch를 압축했다면, 스프링 내에 다시 원상태로 늘어나고자 하는 힘이 100kg이 작용하고 있다는 말입니다(그림 b-2의 파란색 화살표). 구조적으로 아래위에 장애물이 막고 있기 때문에 눈에 보이진 않습니다만, 스프링 내에 늘어나고자 하는 힘이 있다는 사실은 분명합니다.
5. 프리로드를 준 스프링에 물건을 실어보자.
- 만약 100 kg의 물체를 놓으면 어떻게 될까요? 늘어나려는 힘과 압축하려는 힘이 같기 때문에, 마찬가지로 그대로 있습니다.(그림 c-3)
- 만약 200kg의 물체를 놓으면 어떻게 될까요? 늘어나려는 힘보다 압축하려는 힘이 100kg 더 크므로, 결국 100kg의 압축하려는 힘만 있는 것이므로, 스프링은 1 inch 압축됩니다. (그림 c-4)
- 즉, 프리로드를 주지 않은 스프링에 200kg의 물체를 올리면 스프링은 2 inch 압축되고, 1 inch 프리로드를 준 스프링에 200 kg의 물체를 올리면 스프링은 1 inch 압축됩니다. (total 2 inch 압축되는 것은 같음)
6. 같은 힘을 가했을 때, 스프링이 압축된 길이는 같다
- 맨 앞에 언급했든 spring rate는 정해져있기 때문에, 물건을 많이 싣든 프리로드를 주든 간에, 스프링에 가하는 힘이 같으면 스프링이 압축되는 길이도 같다는 걸 알 수 있습니다(a-3에서도 total 2 inch, c-4에서도 total 2 inch). 그럼 이 프리로드를 왜 줄까요?
7. 왜? 프리로드를 왜?? 도대체 왜???
- 제가 궁금했던 것이 바로 이것이었습니다. 왜 프리로드를 줄까. 왜 세팅해야 하나. 뭐가 달라지나. 어떤 변화가 있을까. 안하면 안되나..? 어떤 경우에 유용한가???
- 첫 번째는 시트고의 변화입니다.
우선 물건을 싣지 않은 상태에선 프리로드를 줄 때와 안줄 때 서스펜션 길이 차이는 없습니다(똑 같이 4 inch). 샌터스탠드로 바이크를 띄웠을 때 프리로드를 조절해봤자 시트고가 변하지 않는 것과 같은 이치입니다.
하지만 짐을 실었을 경우, 달라집니다. 동일한 무게를 실었는데, 물건의 높이가 다른 것을 알 수 있습니다. (a-3)은 프리로드를 주지 않은 상태에서 200kg을 실었고, (c-4)는 프리로드 1 inch를 준 상태에서 200 kg을 실은 것입니다. 프리로드로 인해 물건 최상단의 높이도 1inch 높아진 것을 확인할 수 있습니다. (높아지는 비율은 바이크의 구조와 spring rate 등에 따라 달라집니다)
- 결론적으로 프리로드를 주면 줄수록 리어쪽 시트고는 높아지며, 이는 주행특성에 영항을 주게 됩니다. (잘은 모르지만, 뒤가 높아지면 그만큼 무게중심이 앞으로 쏠려 날카로운 코너링이 가능하지만 직진 안정성이 떨어지고, 뒤가 낮아지면 코너링은 둔해지지만 직진 안정성이 좋아지고...)
- 두 번째는 서스펜션의 가용범위의 변화입니다.
- 스프링 아래에 댐퍼를 달아봤습니다. (d-1)은 프리로드를 주지 않은 상태의 서스펜션인데, 댐퍼의 가용범위가 3 inch정도 됩니다. 여기에 (d-2)처럼 200kg의 무게를 실으면, 스프링은 2 inch 압축되어 결국 댐퍼의 가용 범위는 1 inch의 여유밖에 남지 않습니다. 갑자기 탠덤하고 가다가 방지턱 세게 박으면 스프링 끝까지 다 압축돼서 쿵! 하잖아요.
- (d-3)은 1 inch의 프리로드를 준 상태입니다. 이 때 늘어나려는 힘 100kg(파란색 화살표)가 작용하고 있죠. 여기에 (d-4)처럼 같은 200kg의 물건을 실으면, 결국 100kg의 힘이 아래로 작용하므로, 스프링은 1 inch만 압축하게 되고, 댐퍼의 가용 범위는 2 inch의 여유가 남습니다. 같은 속도로 방지턱을 박았을 때 쿵 찍을 가능성이 낮아지겠죠.
8. 결론
- 프리로드는 스프링을 딱딱하게도, 물렁하게도 할 수 없다. 다만 프리로드로 인해 발생하는 스프링의 늘어나려는 힘으로 인해 스프링 압축이 평소 몸무게로는 잘 안돼서 '딱딱해졌다'라고 느낄 뿐..
- 프리로드를 주면 서스펜션이 원래보다 덜 내려간다 -> 앉았을 때 시트고가 원래보다 높아진다
- 프리로드를 주면 서스팬션의 가용범위가 늘어난다 -> 방지턱 넘을 때 쿵! 찍을 확률이 줄어든다
9. 논의
- 스프링과 프리로드의 관계에 대해서만 살펴봤습니다. 댐핑은 기본적인 원리만 알지, 어떻게 세팅하는지 전혀 모릅니다. preload와 자주 논의되는 것이 static sag 과 rider sag인데, 이것은 세팅하는 방법이 유투브에 잘 설명돼 있습니다. 보통 기종마다 세팅값이 다릅니다..
- 결국 rider sag을 조정하는 방법이 스프링에 preload를 주는 것입니다. 왜냐하면, preload를 조정함으로써 서스페션의 가용범위를 조정할 수 있거든요. rider sag이 이 가용범위와 관련된 값입니다.
