스티어링 시스템(Steering System)은 운전자에게 적절한 스티어링 조작력(Steering Effort)과 원하는 방향으로 자동차를 자연스럽게 진행시키기 위한 자동차의 중요 시스템 중에 하나입니다. 여기서 파워 스티어링 시스템 (Power Steering System)은 유압 또는 전기 동력을 이용하여 적절한 스티어링 조작력을 발생시켜 운전자를 보조해 주는 스티어링 시스템입니다. 이번 글에서는 유압을 이용하여 보조하는 유압식 파워 스티어링 시스템(HPS, Hydraulic Power Steering System)과 전기 동력을 이용하여 보조하는 전동식 파워 스티어링 시스템(EPS, Electric Power Steering System)에 대해서, 그리고 파워 스티어링 시스템의 앞으로의 기술 발전 방향에 대해서 알아보겠습니다.
유압식 파워 스티어링 시스템 (Hydraulic Power Steering, HPS)
구동원리
엔진에 적용되어 있는 파워스티어링 펌프에 의해 유량을 공급하게 됩니다. 발생된 유량은 파워스티어링 시스템의 유압 라인을 통해 스티어링 기어박스에 전달되고, 트랜스 미션 단수별 차량속도로 엔진 회전수(RPM)를 산정하여 유량을 결정하여 조향력을 조절해 운전자의 스티어링을 보조하게 됩니다. 최근에는 전동식 파워 스티어링(EPS, MDPS)이 개발되고 발전함에 따라 점차 사라지고 있는 시스템입니다.
시스템 구조 및 구성
파워 스티어링 펌프 (Power Steering Pump)
파워스티어링 리저버 탱크(Power Steering Reservoir Tank)로부터 필요한 오일을 공급받은 엔진에 적용되어 있는 풀리(Pully)와 파워 스티어링 펌프(Power Steering Pump)는 스티어링 조작력(Steering Effort)에 필요한 유량을 발생시키는 역할을 하게 됩니다. 이때 트랜스 미션의 단수별 차량 속도로 엔진 회전수(RPM)를 산정하여 적절한 유압을 발생시킵니다.
파워 스티어링 리저버 탱크 (Power Steering Reservoir Tank)
파워 스티어링 펌프(Power Steering Pump)에 필요한 오일을 공급하고 스티어링 조작력(Steering Effort)에 쓰인 오일을 회수하여 보관하는 역할을 합니다.
석션 호스 (Suction Hose)
파워 스티어링 리저버 탱크(Power Steering Reservoir Tank)에서 파워 스티어링 펌프(Power Steering Pump)로 오일을 공급해 주는 유압 라인입니다. 각각의 연결은 스프링 클램프(Spring Clamp)를 사용하여 연결됩니다.
프레져 호스와 파이프 (Pressure Hose & Pipe)
파워 스티어링 펌프(Power Steering Pump)에서 파워 스티어링 기어박스(Power Steering Gear Box)로 오일을 공급하며, 비교적 큰 압력이 걸리는 유압 라인입니다. 따라서 각각의 연결은 오일 누유를 방지하기 위해 캡 스크루(Cap Screw)로 연결됩니다. 또한 파워스티어링 펌프에서 발생할 수 있는 유압 노이즈(Noise)를 흡수할 수 있도록 설계되어 있습니다.
리턴 호스와 파이프 (Return Hose & Pipe)
파워 스티어링 기어 박스(Power Steering Gear Box)에서 스티어링 조작력에 쓰인 오일을 파워스티어링 리저버 탱크(Power Steering Reservoir Tank)로 회수시키는 유압 라인입니다. 회수되는 오일의 온도가 130도를 넘는 경우 오일 쿨러(Oil Cooler)를 설치해야 하는 경우도 있습니다.
장점
유압으로 스티어링 조작력(Steering Effort)에 대한 보조를 해줌으로써 직결감이 우수하여 운전자가 원하는 방향으로의 차량 진행에 대한 신뢰감 확보가 용이합니다. 이와 관련 조향감이 우수합니다.
단점
엔진에 적용된 파워 스티어링 펌프(Power Steering Pump)에 의한 유압으로 조향력을 발생시키기 때문에 동력 손실이 어느 정도 발생하며, 연비에 영향을 미치게 됩니다. 또한 구조가 복잡하여 차량 레이아웃 설계에 불리합니다. 또한 시스템 무게가 증가할 수 있으며, 오일에 대한 누유등 유지 관리가 용이하지 않은 단점이 있습니다.
전동식 파워 스티어링 시스템 (EPS, Electric Power Steering)
구동 원리
자동차 제조 업체에 따라 MDPS(Motor Driven Power Steering)이라고도 불려집니다. 유압식 파워스티어링(HPS)의 단점을 보완하기 위해 개발된 시스템으로 유압식과는 달리 전기 모터에 의한 동력으로 스티어링 조작력(Steering Effort)을 보조하는 시스템입니다. 스티어링 토크와 각도, 차량 속도 등의 정보를 받아 컨트롤 모듈(Control Module)에서 현재 가장 적절한 스티어링 조작력을 계산하여 모터에 신호를 보내 운전자의 스티어링 조작력을 보조하게 됩니다.
시스템 구조 및 구성
전동식 파워 스티어링 시스템(EPS)은 구성 요소의 장착 위치에 따라 약간의 구조상의 차이는 있지만 대부분 전동 모터(Electric Motor), 전자 클러치(Clutch), 감속 기어(Reduction Gear), 토크 센서(Torque Sensor), 컨트롤 모듈(Control Module) 등으로 구성되어 있습니다.
전기 모터 (Electric Motor)
컨트롤 모듈(Control Module)로부터 받은 신호에 의해서 적절한 토크를 감속기어(Reduction Gear)에 전달합니다. 적절한 조향각, 소음, 진동을 제어해야 하며, 적절한 조향 특성을 위해 부드러운 특성 곡선을 가지고 있어야 합니다.
전자 클러치 (Electric Clutch)
모터(Motor)와 감속기어(Reduction Gear) 사이에 장착되며 파워 어시스트(Power Assist)를 단속하는 역할을 합니다.
감속 기어 (Reduction Gear)
모터(Motor)의 토크(Torque)를 증대시키는 역할을 합니다.
토크 센서 (Trque Sensor)
스티어링 휠(Steering Wheel) 회전 시 스티어링 칼럼 토션바(Steering Column Torsion Bar)의 비틀림 양 및 방향을 감지하여 적절한 적기 신호를 컨트롤 모듈(Control Module)에 전달하는 역할을 합니다.
컨트롤 모듈( Control Module)
토크 센서(Torque Sensor), 휠스피드 센서(Wheel Speed Sensor) 등의 신호로부터 모터(Motor)에 전달되는 전압, 전류를 조절하여 스티어링 조작력(Steering Effort)을 제어하는 역할을 합니다.
시스템 종류
전기 모터(Electric Motor)의 위치에 따라 타입을 구분할 수 있으며, 시스템 무게, 차량 충돌 시, 소음, 동력 전달 등 관련하여 타입별 장단점을 가지고 있습니다.
장점
구조가 단순하여 차량 레이아웃 설계에 유리하며 시스템 무게를 감소시킬 수 있습니다. 또한 전기 모터에 의해 스티어링 조작력을 발생시키기 때문에 엔진의 동력 손실을 줄일 수 있으며, 유압식 파워 스티어링에 비해 연료 효율에 유리합니다.
단점
전기 모터(Electric Motor) 및 전자 클러치(Electric Clutch) 등에 의한 일렉트릭 노이즈(Electric Noise), 감속 기어 등에 의한 래틀 노이즈(Rattle Noise) 등과 같은 노이즈(Noise) 원을 가지고 있어 노이즈에 대한 고려가 있어야 합니다. 또한 스티어링 휠(Steering Wheel)의 최대 회전각을 유지할 경우, 주행 시 노면에서의 반력이 조향 방향과 반대 방향으로 작용할 때 모터(Motor)의 과부하에 의한 과열 및 구동 부문에 과 하중이 작용할 때 내구성에 문제가 있을 수 있습니다.
자동차 전동식 파워 스티어링 시스템(EPS)의 미래
전동식 파워 스티어링 시스템(EPS)은 계속해서 문제점을 보완하여 더욱 발전하고 있습니다. 현재는 스티어링 휠과 스티어링 기어박스 사이에 물리적 연결 없이 전기 신호만으로 동작할 수 있도록 한 시스템(Steering System By Wire)을 적용하고 있는 차량이 개발되고 있습니다. 또한 자동차의 미래인 운전자가 필요 없는 완전 자율 주행 자동차로의 개발에 있어 전동식 조향 시스템의 발전은 빼놓을 수 없으며 더욱 발전할 것입니다.
글을 마치며
지금까지 자동차의 파워 스티어링 시스템(Power Steering System)에 대해서 알아보았습니다. 파워 스티어링의 종류, 구조 및 구성, 또한 각각의 장단점에 대해서 알아보았으며, 파워 스티어링 시스템의 앞으로의 미래에 대해서도 생각해 보았습니다. 이러한 자동차에 대한 지식들이 여러분이 차량을 운전하고 관리하는 데 있어 도움이 됐으면 하는 바람입니다.
