최근 수정 시각 : 2024-10-20 22:30:23

스티어링

파일:파워 스티어링 시스템.png

1. 개요2. 기본 원리3. 조향력 보조수단의 필요성과 종류
3.1. 유압식3.2. 전동식/전자제어식
4. 기타 조향장치
4.1. 가변기어비4.2. 4륜조향
4.2.1. 4륜조향을 적용한 차량
5. 궤도차량의 조향
5.1. 브레이크 조향5.2. 동력 조향
6. 관련 문서


Steering system

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 지오메트리(Ackermann Steering Geometry)이다. 킹핀 축을 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 운전대를 돌리는 힘이 보통 필요한 것이 아니다. 미칠듯이 운전대를 돌려 조금 방향 전환을 하거나, 헐크 저리가라 할 힘으로 운전대를 돌리는 수밖에 없다. 80년대까지만 해도 다들 수동운전대이었다. 게다가 조향장치의 성능도 안좋아서 기어 변속 때 빼고선 운전대에서 손을 뗄 수가 없었다. 아직 현역으로 사용되고 있는 국산 두돈반도 마찬가지. 이래서는 운전이 중노동이 되며 아무나 할 수 있는 일이 아니게 되는 만큼 이러한 조향에 사람이 쓰는 힘을 최소화할 수 있는 방법을 찾게 되었는데, 그것이 바로 파워 스티어링이다.

3.1. 유압식

초기의 파워 스티어링은 유압식(HPS: Hydraulic Power Steering)으로, 별도의 파워 스티어링 펌프에서 나오는 유압을 활용하여 적은 힘으로도 실제로는 더 많은 힘을 가할 수 있게 하는 방식이며, 한 손으로도 어느 정도의 운전대 조작을 할 수 있을 정도로 운전자의 육체적인 부담이 가벼워졌다. 유압 펌프는 엔진의 힘으로 가동시키게 된다.

유압식의 가장 큰 장점은 조작감이 뛰어나다는 것이다. 덕분에 운전자가 본인의 의도대로 정확한 코너링을 할 수 있다. 차량에 익숙해지고 나면 운전자가 감각적으로 예측하여 조향하는 것도 충분히 가능하다. 또한 유지보수만 제대로 한다면 신뢰성이 충분하며, 오히려 전동식보다도 신뢰성이 높다.[4]

반면, 오일 호스와 오일 펌프, 리저버 탱크, 오일 쿨러 등 파워 스티어링을 구성하는 부품들이 공간을 꽤나 차지하고 정비성을 나쁘게 한다는 단점이 있다. 또한 일반형은 항상 일정한 유압만을 생성하므로 조향력이 많이 필요한 저속에서는 보조가 부족하고, 고속에서는 불필요할 정도로 조향력을 지나치게 보조해주기 때문에 직진 시의 안정성이 떨어지는 문제가 있다. 몇몇 차종에는 조향력이 속도에 따라 변하도록 유압 밸브를 추가한 시스템이 나와 어느 정도는 해결되었다.[5] 전동식에 비해 유압과 관련된 추가 구성 부품이 들어가기 때문에 원가 상승의 요인이 되지만 전동식의 경우도 개발 비용이 상당하기 때문에 원가 측면에서는 유압식, 전동식 어느 것이 낫다고 확실하게 말하기는 어렵다. 다만 시간이 지날수록 원가면에서는 유압식이 불리해진다고 할 수 있다.

3.2. 전동식/전자제어식

2000년대 후반부터는 MDPS처럼 유압 대신 전기 모터를 쓰는 전동식 파워 스티어링이 쓰이기 시작했으며, 2020년대부터는 완전히 대중화되었다. 유압 장치를 쓰지 않아 구조가 간단하고 무게도 가볍다. 항상 엔진에 걸려있던 유압 펌프도 없어진다는 것 덕분에 연비도 상승하며,[6] 그와 함께 정비성도 좋고, 원가절감에도 도움이 된다. 유압식 파워 스티어링처럼 묵직한 느낌이 없어 조향감이 떨어진다는 것이 단점이기는 하지만, 저항이나 피드백은 생산 단계에서 조절할 수는 있다. 즉, 적당한 저항과 피로감이 극히 적은 가벼운 스티어링 시스템을 만드는 것이 가능하다.

현대자동차그룹의 신형 R-MDPS는 그러한 점으로 인해 기존의 C-MDPS보다는 훨씬 뛰어나다는 평가를 받지만, 그럼에도 불구하고 유압식과 차이나는 점은 조향축과의 직접적인 피드백의 전달이 다르기 때문이다. 코너링의 제왕인 BMW조차 전동식 스티어링으로 넘어간 다음부터는 사뭇 느낌이 다르다. 물론 코너링 성능이라는 것이 스티어링 시스템에만 국한되는 것은 절대 아니고 무게비나 섀시의 설계[7]를 크게 따라가긴 하지만[8], 운전자가 느끼는 직결감 자체는 유압식에 비해서는 괴리감이 생길 수밖에 없다.

국내 자동차 잡지에서는 BMW나 푸조만 나왔다 하면 미친듯이 코너링을 칭찬하는데, 이유는 BMW 포럼 등지를 돌아다니거나 직접 운전해보면 알 수 있다. M5가 왜 다시금 유압식으로 바뀌었는지 잘 알 수 있는 부분.[9] 속도에 따라서 핸들링 감각을 조정해주는 기능을 넣기도 하지만, 그렇게 해도 유압식보다 못하다는 불만이 압도적이다. 그러한 약점을 보완하기 위해 부분적으로 유압을 더한 HEPS 같은 방식의 파워 스티어링도 있다. 여기에서 더 나아가면 운전자가 돌리는 스티어링 휠의 힘을 증폭하는 것이 아닌 이것을 전기 신호로 바꿔 바로 파워 스티어링의 모터로 전달하는 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,[10] 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 운전대이 잠겨 조향을 할 수 없게 되었다는 사례도 보고되고 있는 것이 현실이다.[11] MDPS의 경우에 웜기어는 역방향으로 돌리기 힘들어 못 돌릴 것만 같지만 사실은 돌릴 수 있다. 전기적인 파워 스티어링의 제어도 ECU의 영역인 만큼 위험은 늘 존재한다. 오히려 더 악질일 수도 있다.

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 운전자가 조향 과정에 가할 수 있는 힘이 없다.

2010년 초반 출시된 인피니티 Q50 하이브리드의 경우 Steer-by-Wire 방식을 탑재하였다. 스티어링 컬럼 자체를 제거시키지는 않았기에, 조향장치에 문제가 생겼을 경우에도 조향이 가능하다.

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 운전대를 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[12]이나 렉서스의 VGRS[13]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.

전자장비가 개입해서 후륜 조향을 하는 경우는 후륜 조향 시스템 항목 참조.

4.2.1. 4륜조향을 적용한 차량

5. 궤도차량의 조향

궤도차량은 차량의 조향과 다르게 좌우 궤도의 속력을 변속기로 조절하는 방식으로, 과거엔 한쪽 궤도에만 동력을 줘서 선회를 하는 브레이크 제동식이라면[16] 근대에서부터 현대까지는 양쪽 궤도에 동력을 공급하는 듀얼 드라이브를 위해 여러방향으로 발달했다.

서방은 미국의 T32 전차를 위해 개발된 크로스 드라이브 자동변속기를 기반으로 발달해온 반면, 소련은 하나의 변속기를 쓰나 양산기종 기준으로 T-64부터는 이걸 반으로 나눠 양쪽에 유압식 클러치 브레이크 시스템 및 종감속기어, 스프로켓과 한 팩으로 결합하고, 양쪽을 차동기어가 장착된 샤프트로 이어 부착하는 것이 일반적이다. 주의점은 겉으로는 두개로 보이지만 뜯어봤을 때, 즉 구조적, 기능적 측면에서 봤을 때는 또 하나를 반으로 나눈 형태라는 점이다.[17] T-72의 변속기 구조를 볼수있는 곳. 20번 이미지부터다. 참고로 T-64가 개발되기 전의 공산권제 전차들은 통으로 된 수동변속기만을 고수하였다. 이는 62식 전차를 수리하는 한 유튜버의 영상에서 확인 가능하다.#[18]

5.1. 브레이크 조향

차량의 브레이크를 동력축의 양쪽 기동륜(스프로켓)에 연결되는 부분 차체 내측에 장비된 클러치 브레이크를 사용하거나[19] 혹은 브레이크 드럼 바깥면에 패드를 대어 감속시키는 식[20]으로 조향한다. 브레이크 패드는 각각 브레이크 로드라는 쇠막대를 통해 조종석의 브레이크 레버와 직결되어 있으며, 통상 사용되는 소련제 및 그 카피판인 중국제 전차를 기준으로 보면 약하게 걸리는 단과 최대 단, 단 2단과 주행단으로 구성되어 있다.

이처럼 구조가 딱히 정교할게 없어 만들기도, 수리하기도 쉬우면서 값이 싸고 레버를 당기기만 히면 그쪽으로 선회하는 꽤 직관적인 방식이라는 장점이 있다.

허나 단점으로는 브레이크 패드와 드럼, 혹은 유압 클러치 브레이크의 교체 소요가 있어 유지비가 자주 나가고, 선회가 부드럽지 못하고 단이 있어서 승차감이 떨어지면서도 미세조향까지 안되는데다[21] 중립조향이 안되어 비가 오거나 길이 어는 등 미끄러운 길에서는 브레이크를 건 쪽의 궤도까지 미끄러지며 선회반경이 증가하며 마른 땅에서도 궤도 접지면의 중심으로부터 차량의 가장 먼 대각선 꼭짓점까지의 거리+안전거리(여백)만큼의 반경이 필요해지는 단점이 있다.

경우에 따라서는 일반 유압식 브레이크 혹은 전동브레이크를 사용하여 단을 없애고, 운전대를 사용하여 비교적 쉽고 부드럽게 조향할수도 있으나 이렇게 해도 반경 문제, 우천등 미끄러운 노면상태에서의 안전 문제나 부품 교체 소요 중립조향 불가 문제는 남는다. 또 중립조향을 특정 단수에서나마 할수 있게 추가 기어를 장비할수 있는데 그걸 해도 최소한 부품 교체가 잦은 거나 안전 문제, 반경 문제는 남는다.

5.2. 동력 조향

유압장치 혹은 전동기 등을 이용하여 차동기어에 연결된 축 양쪽에 추가로 넣어진 조향용 기어와 거기 연결된 조향용 차동기어가 장착된 축에 회전동력을 주어 궤도의 속력을 달리해 조향하는 방식. 우측이 감속방향이면 좌측이 가속되는 식으로 조향되며, 이 방식이라면 자동 수동 관계없이 중립조향을 할수 있다. 또 레버식이 아닌 운전대식으로만 조향하는 특성 덕에, 경제적으로 잘 사는 국가 출신자들이 몰기 좋으며, 좁은 지형에서도 무리없이 다닐수 있다.

단점으로는 브레이크식과 비교하면 기어가 더 필요하고 전동기 등의 비교적 정교한 부속품이 들어가기 때문에[22] 수리가 어렵거나, 수리는 쉬워도[23] 값이 비싸거나 하며, 변속기와 함께 변속기 못지않게 큼직하고 육중한 조향장치가 또 얹어지는 바람에 생기는 차체전고의 증가나[24] 중량 증가와 같은 골치아픈 문제가 있다.[25] 또 차량의 배터리 전력을 매번 조향할 때마다 소모하게 되어 배터리 교체나 재충전이 잦아진다.

특이사항으로 일부 타이어 차량 중에도 이런 조향으로 선회를 하는 차량이 있다. 궤도 모델과 차대와 변속기를 같이 사용하는 차량에서 이런 형태가 종종 보인다. (AMX-10RC나 스키드 로더 등)

6. 관련 문서


[1] 현재 거의 모든 승용차는 이 방식이다[2] 흔히 정비현장에서 오무기어라고 부르는 것이 이거다[3] 경차조차 공차 중량이 900kg에 가깝다.[4] 전세계 대부분의 상용차 제조사에서 아직도 유압식 파워 스티어링을 사용하는 가장 큰 이유이기도 하다.[5] 그래도 밸브 기구 등의 필요 없이 전류를 제어하는 것만으로 같은 문제를 해결할 수 있는 전동식보다는 불리하다.[6] 유압 펌프는 조향하지 않을 때도 계속해서 엔진 동력을 끌어다 돌아간다. 이 때문에 파워 스티어링 오일이 오래되어 산화되면 점성이 늘어져서 펌프에 걸리는 부하가 급격히 커지기 때문에 엔진을 더 돌려야 하므로 평소보다 연소량이 커져 엔진 진동과 소음도 커지고 연비도 깎아먹는 원인이 된다. 만약에 핸들 돌리는데 힘들면서 동시에 가속 페달을 밟아도 잘 안 나간다 싶으면 십중팔구는 파워 스티어링 오일이 크게 산화되었을 가능성이 높다.[7] 사실 매우 중요하다. 섀시와 서스펜션 시스템의 설계에 따라 부가적인 세팅에서 완성도의 차이가 발생하며, 조향 시스템의 성능은 이 섀시의 틀을 벗어나기 힘들다.[8] 사실 뛰어난 코너링 성능 자체는 낮고 중앙에 몰린 무게중심, 단단한 서스펜션, 크고 넓은 고성능 타이어만 있어도 쉽게 얻어낼 수 있다. 페라리, 포르쉐, 독일 3사 등 고급차들이 보여주는 칼 같은 코너링 감각은 운전자에게 필요한 정보를 완벽하게 제공할 수 있는 스티어링 시스템의 뛰어난 소통 능력에서 온다.[9] F10 M5도 유압식 파워 스티어링을 사용한다.[10] 유체의 압력으로 구동하는 매니퓰레이터 시스템은 유체의 압축성 때문에 자동제어 정밀도가 떨어진다.[11] 유압식 파워 스티어링도 작동 불능에 빠질 가능성은 있지만, 유압에 필요한 오일 유출, 차량의 시동이 꺼지는 동력 전달 불능 상황만 아니면 잘 가는 차의 운전대가 돌아가지 않는 문제는 생기지 않는다. 유압 계통이 완전히 망가진 경우에도 논파워 조향장치처럼 힘만 주면 일단 돌아간다.[12] 5시리즈 E60중에 최상위 모델과 7시리즈 E65/66부터 적용[13] LS460, GS460과 LX470등 V8 기함급에 적용[14] 얘는 더블 위시본[15] 한국형인 SM6는 4WS 미적용.[16] 이것도 국가별로 차이가 있는데, 소련은 클러치 제동인 반면 중국은 드럼-패드 제동인데, 패드가 드럼 바깥쪽에 대어져 있는 역방향 형태다.[17] 애초에 샤프트를 통해 연결되어 있는데다, 유성기어를 기준으로 통상적으로 전진 단에서는 쓰지 않는, 링 기어를 출력축으로 잡는 후진 기어는 딱 한 단만 들어있다. 참고로 내부에는 T-72 기준으로 양측에 각각 4개의 유성기어가 들어있다고 한다. 아마 각 단을 담당하는 듯하다.[18] 5분 55초부터.[19] 대부분 국가에서 예전 사용. 러시아는 현재도 쓴다.[20] 중국에서 사용한다.[21] 어느정도까지는 조종실력으로 커버한다 쳐도 그 이상의 미세조향은 어림도 없다.[22] 전동기의 경우 내부에 코일과 회전자를 갖고있고, 차량에 제어용 회로까지 장착되기에 브레이크식에 비해선 정교하게 만들어야 해서 값이 나간다. 유압장치는 무거운 내압 관로와 피스톤으로 인해 무겁고, 유압액이 너무 새지 않도록 하는 정도로나마 수밀이 요구되어 구조 역시 어느정도 복잡하다.[23] 고장부위를 째로 교체하면 쉽긴 하다.[24] 서방제 전차들을 보면 앞쪽보다 뒤쪽이 위로 튀어나와 있는데, 이 부분에 엔진과 변속기가 있고 보통 그 변속기와 함께 조향장치가 얹어진다. 이런 디자인이 되어버린 이유에 대해서 추측하자면, 서방 전차들도 장갑 방호력 증가로 인해 무거워지는 것을 커버하려 엔진이 커지고, 이때문에 전차 전체가 따라서 커지고 있었는데 이게 너무 커지면 곤란하기에 전고 증가를 억제하려 높이를 낮출수 있는 앞쪽을 낮추고, 포탑을 납작하게 만들고 파묻어 전고 증가 억제에는 성공했으나, 차체 뒤쪽은 더이상 낮출수가 없어 앞보다 뒤가 튀어나와 버린 것으로 보인다. 반대로 소련 전차들은 중립조향을 포기한 덕에 튀어나오긴 했어도 크게 튀어나오진 않았기에, 이 부분을 차체 전면과 거의 일직선으로 주욱 연결하는, 크게 누운 형태의 경사장갑을 채용하여 매끈하게 만들수 있었다.[25] 소련제 전차들이 단체로 브레이크 조향 방식을 고집해왔던 것도 크기와 더불어 그에 따르는 중량 문제로 인해 동력식 조향을 함부로 쓸 경우 무거워진 중량으로 인해 라스푸티차에 빠졌을 때 전차가 통째로 땅밑으로 침몰해버리는(...) 대참사를 막기 위한 것과, 싸게 많이 만들어야 했던 것이 있다.

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