스티어링

 

1. 개요
2. 기본 원리
3. 조향력 보조수단의 필요성과 종류
3.1. 유압식
3.2. 전자식
4. 기타 조향장치
4.1. 가변기어비
4.2. 4륜조향
4.2.1. 4륜조향을 적용한 차량
5. 관련 문서

'''Steering'''

1. 개요

차량의 진행 방향을 운전자가 운전대로 주행 방향을 조작할 수 있게 해주는 장치로 조향장치라고도 한다. 운전대를 돌려서 얻는 힘을 기어를 통하여 증폭하여 바퀴의 방향을 움직여 차량의 방향을 조작할 수 있게 한다. 여기에는 사람의 힘 이외에도 유압이나 전기 모터의 힘, 그리고 전자적인 제어를 더하기도 한다.

2. 기본 원리

현재의 거의 대부분의 자동차 조향장치는 애커맨 지오메트리이다. 킹핀축을 중심으로 회전하는 너클과 타이로드로 이루어진 링크기구를 이용해 앞바퀴의 토 각도를 회전중심의 접선방향에 가깝게 바꿈으로써 차량이 코너링할때 좌우 바퀴의 회전차이가 적게 발생하고 어느 한쪽의 타이어가 질질 끌리는 현상을 줄였다.
이 애커맨 지오메트리를 구현하는 세부 기계요소의 종류에 따라 랙엔피니언 타입[1], 웜기어박스 타입[2]이 있다. 랙엔피니언과 웜기어박스를 구동하는 조향력은 사람의 인력이 대부분이지만 이를 보조해주는 수단이 유압이냐, 전기냐의 차이가 있다.
지게차는 후륜을 조향하는데, 애커맨 지오메트리를 거꾸로 뒤집은 것으로 생각하면 된다.
앞차축이 2개 이상인 대형 다축 트럭도 복잡해보이지만 역시나 애커맨 지오메트리다.

3. 조향력 보조수단의 필요성과 종류

기본적인 구조는 스티어링 휠을 돌리면 기어가 적절한 비율로 돌리는 힘을 변환하여 각 바퀴를 움직이는 것이지만, 실제로는 말 처럼 쉬운 구조는 아니다. 지금의 차량은 기본 무게가 보통 1톤을 넘으며[3], 화물차라면 이보다 더 많은 무게가 나간다. 더군다나 조향을 하는 앞바퀴는 엔진 등 여러 부품이 있어 더욱 많은 무게가 걸리게 되는데, 이러한 무게의 저항을 극복하고 조향을 하려면 사람이 핸들을 돌리는 힘이 보통 필요한 것이 아니다. 미칠듯이 핸들을 돌려 조금 방향 전환을 하거나, 헐크 저리가라 할 힘으로 핸들을 돌리는 수 밖에 없다. 이래서는 운전이 중노동이 되며 아무나 할 수 있는 일이 아니게 되는 만큼 이러한 조향에 사람이 쓰는 힘을 최소화할 수 있는 방법을 찾게 되었는데, 그것이 파워 스티어링(HPS, Hydraulic Power Steering)이다.

3.1. 유압식

초기의 파워스티어링은 유압을 활용하여 적은 힘으로도 실제로는 더 많은 힘을 가할 수 있게 하는 방식이며, 한 손으로도 어느 정도의 핸들 조작을 할 수 있을 정도로 운전자의 육체적인 부담이 가벼워졌다. 유압 펌프는 엔진의 힘으로 가동시키게 된다.
전자식에 비해 유압 방식의 파워 스티어링은 조작성이 뛰어난 장점이 있다. 기계적인 직결에 의해 조작되므로 운전자가 본인의 의도대로 정확하게 조정할 수 있는 것이 장점이다. 차량에 익숙해지고 나면 코너링 등에서 운전자가 감각적으로 예측하여 핸들링할 수 있다. 또한 고속 주행시 보타[4] 없이 편안하게 운전할 수 있는 것도 장점이다. 사실 이것은 유압식의 장점이 아니고 전자식 스티어링도 제대로 만들어졌다면 고속에서 보타 없이 주행이 가능해야 한다. 하지만 국산차량의 대부분을 차지하고 있는 현기차의 MDPS는 그렇지 못하기 때문에 국내 한정으로 고속 주행에서의 안정감과 편안함이 유압식의 장점이 되어버렸다. 유압식은 유지 관리만 제대로 한다면 신뢰성이 충분하며, 현단계에서는 전자식보다 신뢰성이 뛰어나다.
반면, 유압호스와 오일펌프, 리저버탱크, 오일쿨러 등 구성부품이 공간을 적지 않게 차지하고 정비성을 나쁘게 하는 약점이 있다. 또한 과거에는 항상 일정한 유압만을 생성하므로 조향력이 많이 필요한 저속에서는 보조가 부족하고, 고속에서는 불필요하게 조향력을 보조해줘 직진안정감이 떨어지는 문제가 있는데 90년대 말에 조향력이 속도에 따라 변하도록 유압밸브를 추가한 시스템이 나와 상당부분 해결되었다.[5] 전자식에 비해 유압과 관련된 추가 구성부품이 들어가기 때문에 원가 상승 요인이 되지만 전자식의 경우도 개발 비용이 상당하기 때문에 원가 측면에서는 유압식, 전자식 어느 것이 낫다고 딱 잘라 말하기는 어렵다. 다만 시간이 지날수록 원가면에서는 유압식이 불리해진다고 볼 수 있다.

3.2. 전자식

그래서 요즘은 MDPS처럼 유압 대신 전기 모터를 쓰는 파워 스티어링이 신차를 중심으로 쓰이고 있다. 유압 장치를 쓰지 않아 구조가 간단하고 무게도 가볍다. 엔진에 상시 걸려있던 유압펌프가 없어지므로 연비도 상승한다. 그만큼 정비성도 좋고 원가 절감에도 도움이 된다. 단점도 없지는 않아 유압 방식의 파워 스티어링처럼 묵직한 핸들링 느낌이 없어 조향감이 떨어지긴 하지만, 저항 자체는 생산 단계에서 조절할 수는 있다. 현대의 신형 R MDPS를 그러한 점으로 인해 기존의 C형보다는 훨씬 뛰어난 평가를 받지만 그럼에도 불구하고 유압식과 차이나는점은 조향축과의 직접적인 피드백의 전달이 다르기 때문이다. 오너드리븐, 핸들링의 제왕인 BMW조차 전동식 스티어링으로 넘어간 다음부터는 사뭇 느낌이 다르다. 물론 핸들링이라는 것이 스티어링 시스템에만 국한되는것은 아니고 무게비나 섀시의 설계[6]를 크게 따라가긴 하지만, 그럼에도 불구하고 직결감자체는 괴리감이 생길수밖에 없다. 도요타 86이나 혼다 S2000등의 많은 자동차들이 MDPS를 사용하지만 유압에 비해 딱히 괴리감이 느껴지지 않는 걸 보면 역시 부품의 수준이나 세팅 에 문제가 아닌가 싶다.
국내 자동차 매거진들은 BMW나 푸조만 나왔다 하면 미친듯이 핸들링을 칭찬하는데 이는 BMW 포럼 등지나 직접 타보면 알 수 있다. M5가왜 다시금 유압식으로 바뀌었는지 잘 알 수 있는 부분.[7]속도에 따라서 핸들링 느낌을 조정해주는 기능을 넣기도 하지만 그렇게 해도 유압식 파워 스티어링보다 못하다는 불만이 압도적이다. 그러한 약점 보완을 위해 부분적으로 유압을 더한 HEPS같은 방식의 파워 스티어링도 있다. 여기에서 더 나아가면 운전자가 돌리는 스티어링 휠의 힘을 증폭하는 것이 아닌 이것을 전기 신호로 바꿔 바로 파워 스티어링의 모터로전달하는 Steer-by-Wire 같은 방식이 나온다. Steer-by-Wire는 조향 그 자체에 어떠한 물리적인 힘의 입력도 필요로 하지 않는 만큼 무인자동차 연구에 중요한 기술이다.
전기적인 파워 스티어링 보급이 늘고 있는 이유는 주차 보조 시스템 또는 자동 운전을 구현하려면 유압 전용으로는 매우 어렵기 때문이기도 하지만, 가장 큰 이유는 원가 절감 효과가 크기 때문이다. 차량 제조에 드는 원가도 저렴하며, 정비 비용과 난이도도 적게 들어 자동차 제조사 입장에서는 이 기술을 쓰지 않을 이유가 없다. 하지만 이러한 전자화는 급발진 사고처럼 전자적인 오류가 생겼을 때 치명적인 문제를 일으키기 쉬운 점이 지적을 받고 있다. 정상적으로 주행을 하고 있는 도중 핸들이 잠겨 조향을 할 수 없게 되었다는 사례도 보고되고 있는 것이 현실이다.[8] MDPS의 경우에 웜기어는 역방향으로 돌리기 힘들어 못 돌릴 것만 같지만 사실은 돌릴 수 있다. MDPS문서 참조.전기적인 파워 스티어링의 제어도 ECU의 영역인 만큼 위험은 늘 존재한다. 오히려 더 악질일 수도 있다.[9]

4. 기타 조향장치


4.1. 가변기어비

위의 조향력 보조와 별개로 스티어링휠을 돌리는 '''횟수''' 역시 운전자에게는 부담일 수 있다. 휠베이스가 긴 대형차량을 좁은데서 운행하거나 주차할 때 전후진을 반복하며 핸들을 좌우로 3~4바퀴씩 휙휙 돌린 경험을 해본 운전자들이 많을 것이다. 이런 저속 혹은 정지상태의 조건에서 스티어링휠을 1바퀴 내외로 조금만 돌려줘도 조향륜의 토가 크게 움직여주도록 스티어링 기어박스의 기어비가 가변적으로 바뀌게 하는 장치가 고급차량에 장착된다. 당연히 고속주행 조건이 되면 기어비가 원위치로 돌아가 고속안정성을 해치지 않도록 한다. BMW의 액티브 스티어링[10]이나 렉서스의 VGRS[11]가 바로 그것이다.

4.2. 4륜조향

여기서 말하는 4륜조향은 8륜 이상의 트럭에서 전륜 4륜을 조향하는 것이 아니라 4륜 자동차의 모든 바퀴를 조향하는 것을 말한다.
80년대부터 시작해서 최근에도 앞바퀴 뿐만 아니라 뒷바퀴도 토를 바꿔 조향을 적극적으로 보조해주는 기술이 나오고 있다. 이를 통해 저속에서는 주차가 쉬워지고, 고속주행때 차선변경이나 코너링시 민첩한 거동을 가능하게 한다. 4바퀴 모두 조향이 된다고 해서 영문으로 4WS(4 Wheel Steering)라고 주로 표기하나 제조사들마다 자기들 나름의 명칭을 만들어 사용한다.
분류는 크게 제어방식의 차이에 따라 액추에이터 등으로 리어 토를 적극적으로 바꾸는 능동형과 지오메트리를 통해 코너링시 횡압력에 의해 토가 변하는 수동형으로 구분하며, 작동방식의 차이에 따라서는 전통적인 뒷 차축을 회전중심을 두고서 통째로 조향하는 방식, 좌우 토를 회전중심 방향으로 바꾸는 방식, 좌우 토를 회전중심의 반대방향으로 바꾸는 방식, 속도에 따라 전자장비가 이 두가지를 적절히 활용해 조향하는 방식이 있다.

4.2.1. 4륜조향을 적용한 차량


5. 관련 문서


[1] 현재 거의 모든 승용차는 이 방식이다[2] 흔히 정비현장에서 오무기어라고 부르는 것이 이거다[3] 경차조차 공차 중량이 900kg에 가깝다.[4] MDPS 방식 핸들의 경우 직진성이 떨어져 주행시 끊임없이 핸들을 좌우로 보정해 주어야 차가 차선을 따라 직진할 수 있는 경우가 많다. 이러한 보정을 위한 조정을 속어로 보타(보정+조타)라고 부른다.[5] 그래도 밸브기구 따위 필요없이 전류제어만으로 같은 문제를 해결할 수 있는 전자식 보다는 불리하다[6] 사실 모노코크 바디가 매우 중요하다. 섀시에 따라 부가적인 세팅에서 완성도의 차이가 커지게 되는것이라고 볼수있으며, 조향시스템의 성능은 이 섀시의 틀을 벗어나기 힘들다.[7] F10 M5도 유압식 파워스티어링을 쓴다고 한다.[8] 유압식 파워 스티어링도 작동 불능에 빠질 가능성은 있지만, 유압에 필요한 오일 유출 또는 차량의 시동이 꺼지는 동력 전달 불능 상황만 아니면 잘 가는 차가 핸들이 돌아가지 않는 문제는 생기지 않는다. 유압 계통이 완전히 망가진 경우에도 무파워 조향장치처럼 힘만 주면 일단 돌아간다.[9] 급발진은 수동변속기라면 기어를 중립으로 바꾼 뒤 단번에 제동을 시도하여 그나마 위기를 피할 방법은 있다. 하지만 파워 스티어링이 문제가 생길 경우 운전자가 해볼 수 있는 방법은 거의 없다. Steer-by-Wire는 아예 운전자는 조향 과정에 가할 수 있는 힘이 없다. 최근 출시된 인피니티 Q50 하이브리드의 경우 Steer-by-Wire 방식을 탑재하였다. 이는 평소 Steer-by-Wire 방식으로 작동되다 조향장치에 문제가 생겼을 경우 시스템이 강제로 랙앤피니언 방식으로 전환되어 비상시에도 조향을 가능하게 해준다. [10] 5시리즈 E60중에 최상위 모델과 7시리즈 E65/66부터 적용[11] LS460, GS460과 LX470등 V8 기함급에 적용

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