자동차 조향시스템의 구조와 원리(에커맨 지오메트리)

이번에는 차량의 조향 시스템에 대해 알아보려고 한다.
(H모빌리티 클래스 "카인사이드아웃" 조향 강의)

조향의 원리에 대해 큰 생각은 없었지만 강의를 들으면서 내가 놓친 부분, 새로 알게된 부분이 많았다. 회전에 따라서 각도를 조절해야하는 것과.. 핸들의 회전이 어떻게 바퀴 회전까지 이어지는지 이해해보자꾸

 

조향 기초 원리

조향 장치는 운전자가 차량의 주행 방향을 제어할 수 있게 해주는 장치이다. 
다시 말하면 바퀴의 회전 방향을 바꿔 차량의 방향을 바꾸는 장치다.

주로 운전자가 핸들을 조작할 때 발생하는 토크를 증폭시키거나,
유압 장치나 전기 모터에 토크를 더해 제어한다. 

조향 장치는 핸들과 바퀴의 선회 차이가 크지 않아야 하며
운전자의 조작에 의한 조향 토크를
차륜을 조정할 만큼 큰 조향 토크로 키워야 한다.

또 운전성 측면에서 살펴보면
노면에서의 조향 핸들에 전달되는 충격을 감소시켜야 한다.
그리고 선회 시 저항이 적고 고속 주행에도 ㅇ핸들이 안정되어야 한다. 

조향장치의 기초 원리: 에커맨 지오메트리

대부분의 조향 장치는 사다리꼴을 기본으로 하는 에커맨 지오메트리를 따른다.

자동차가 회전할 때 안쪽 바퀴와 바깥쪽 바퀴는
서로 다른 회전 반경을 가진다.

이 차이를 해결하지 못하면 타이어가 끌리는 슬립(Slip) 현상이 발생한다.
에커맨 지오메트리는 이를 해결하기 위한 방안이다.

• 에커맨 지오메트리 (Ackermann Geometry): 선회 시 안쪽 바퀴의 조향각을 바깥쪽보다 더 크게 설정하여, 모든 바퀴가 하나의 회전 중심을 공유하도록 하는 기하학적 원리.
• 효과: 타이어 슬립을 최소화하고 부드러운 선회를 가능하게 함.

이때 회전 중심은 조향장치가 없는 후륜의 차축을 이은 중심점과 만나야 함을 알 수 있다.

에커맨 지오메트리에서는 차량이 직진할 때
킹핀과 타이로드 양 끝을 연결한 선이 뒤 차축의 중심에 교차하고
선회 시에는 자연스럽게 좌우 앞바퀴 조향각 차이가 생긴다. 

 

조향시스템 종류와 구조

조향장치는 크게 조작 기구(핸들), 기어 기구(힘 증폭), 링크 기구(바퀴 연결)로 나뉜다.

먼저 조향 조작 기구는 운전자가 직접 조작하는 부분으로
스티어링 휠, 스티어링 칼럼이 있다. 

스티어링 휠은 손으로 잡는 림과 스포크, 허브 등으로 구성된다. 

스티어링 칼럼은 스티어링 휠의 회전을 스티어링 기어에 전달하는 장치를 말한다.

기어장치는 핸들의 회전력을 직선 운동으로 변경해 링크기구에 전달하는 부분이다. 
이는 조향 차륜으로 핸들을 회전시킬 수 있는 가역식,
핸들로 차륜 조향하고 반대는 안되는 비가역식,
그 중간의 반가역식이 있다. 

기어장치는 조향축의 회전을 20대1로 감속해 전달하며 주로 랙 앤 피니언형과 볼 앤 너트형을 사용한다. 

조향비

앞바퀴가 1도 회전하는데 필요한 스티어링 휠의 회전 각도를 의미한다.
즉 조향비가 크면 많이 핸들을 많이 회전해야 하기에 둔하다. 

조향비의 원리
운전대와 연결된 기어, 바퀴와 연결된 기어가 있다고 생각해보자

그리고 두 기어가 맞물려있다.
운전대 기어가 톱니 10개, 바퀴쪽 기어 톱니가 50개라면 큰 톱니를 한 바퀴 돌리려면 작은 톱니를 5바퀴 돌려야한다.
이때의 조향비는 5:1인 것이다.

승용차는 보통 15~20:1, 트럭은 20~36:1의 조향비를 가진다. 
트럭은 적은 힘으로 무거운 바퀴를 움직여야 하기에 클 수밖에 없다. 

실제 조향비는 조향장치의 강성, 토크 구배로 예상보다 크게 나타날 수 있다. 

조향비의 영향

조향비는 주행상호아에도 영향을 미친다. 

고속도로에서 조향비가 작을 경우 핸들을 살짝 움직인다고 생각해보자.
조향비가 작기 때문에 바퀴 각이 빠르게 바뀌고 안정적인 주행이 어렵다.

때문에 차량 속도와 핸들각에 따라 조향비를 선택하는 가변 조향비 방식 있다.

가변 조향비를 가지는 차량도 있는데 저속에서는 스티어링 휠을 약간만 돌려도 크게 회전하게 하며 BMW의 액티브 스티어링이나 렉서스 VGRS가 있다. 

주요 기어 형식

• 랙 앤 피니언(Rack and Pinion): 회전 운동을 직접적인 직선 운동으로 바꾼다. 구조가 간단하고 응답성이 좋아 대부분의 승용차에 사용.
• 볼 너트(Recirculating Ball): 볼의 구름 접촉을 이용해 마찰을 줄이고 큰 힘을 전달다. 내구성이 좋아 대형 트럭이나 버스에 주로 사용.

랙 앤 피니언형 조향장치는
조향축 끝에 피니언(Pinion)을 설치해
랙(Rack)과 물리도록 구성한 형태다.

조향축이 돌아가면 피니언이 회전하고 랙을 좌우로 움직이게 한다.
좌우 직선운동이 바퀴의 방향을 바꾸게 한다.
이는 부품 수가 적어 경량화가 가능하지만
노면 진동이 직접 전달되기에 충격 흡수 장치가 필요하다.
주로 전륜 구동 형식 차량에 사용된다. 

웜과 볼 너트형은
웜과 볼 너트 사이의 볼의 구름 접촉에 의해 작동되는 방식으로
스티어링 기어박스에 많이 사용된다.

웜축을 회전시키면 웜축 주위 볼이 웜축의 홈을 따라 이동해
섹터 축의 기어를 회전시켜 조향한다. 

이 방식은 기계 효율이 높고, 조향 핸들 조작 가벼움, 내마모성 우수 라는 장점으로 대형 차량에서 많이 사용된다.

 

조향 링크 기구

링크 기구는 마지막으로 조향 작동을 바퀴에 전달해 각도를 바꾸는 부분이다.

조향 휠을 돌리면 회전 운동은 조향 계열을 거쳐
직선 또는 철회 운동으로 변환되어 링크 기구에 전달된다.

직선 또는 선회 운동은 조향핸들의 움직임을 릴레이 로드에 전달하는 피트먼 암
중심 링크의 운동을 양쪽 너크함에 전달하는 타이로드
너클과 타이로드의 연결대로 타이로드로부터의 조향을 침핀
주위 조향 바퀴 방향을 바꿔주는 너크람 등의 부품으로 구성된다.

 

유압식/전동식 파워스티어링

파워스티어링의 목적과 종류

이러한 조향 장치는 현가장치에 따라 "일체 차축 평가식 조향 장치"와 "독립 평가식 조향 장치"로 나누어지기도 한다.

수동 스티어링은 실제로는 차량의 무게가 매우 크고 조향에 큰 토크가 필요하다.
특히 저속 혹은 정지 상태에서 조향이 매우 어려울 것이다.

때문에 운전자의 순수한 힘으로 바퀴를 조향하는 방식은
오늘날 대부분 적용하지 않고 있다.

때문에 파워스티어링은 조향 저항에 힘을 더해주고 핸들을 무겁게 혹은 가볍게 해주는 역할을 한다.

 

대부분의 차량은 운전자의 적은 힘으로 조향을 할 수 있도록
유압과 전기 모터를 이용한 파워 스티어링을 사용하고 있다.

기존의 차량은 저속에서는 핸들 조작에 큰 힘이 필요하고
반대로 고속에서는 스티어링이 가벼워져 작은 조작으로도
차량의 방향이 크게 바뀌는 문제점을 가지고 있었다.

이를 해결하기 위한 파워 스티어링은
차량의 속도가 낮을 때 스티어링 조작을 가볍게 해주고
고속에서는 핸들 조작을 오히려 무겁게 하여
조향에 따른 차량 주행 안전도를 향상시키는 장치이다.

이러한 파워 스티어링 장치의 경우 크게 유압식 파워스티어링 방식과 전동식 파워스티어링 방식으로 나누어진다.

구분	유압식(HPS)	전동식(EPS/MDPS)
동력원	엔진의 힘으로 구동되는 유압 펌프	전기 모터
장점	조작감이 자연스럽고 신뢰성이 높음	구조가 간단, 가벼움, 연비 향상
단점	엔진 동력 손실, 부품 공간 많이 차지	유압식 대비 이질감이 느껴질 수 있음
특징	오일 교환 등 정비 필요	자율주행 및 주차 보조 시스템 구현에 필수

유압식 파워스티어링(HPS)

유압식 파워스티어링 방식은 초기의 파워스티어링 방식이다.

별도의 파워스티어링 펌프가 존재하여
엔진을 통해 해당 펌프를 작동시킨다.

여기에서 나오는 유압을 사용하여
적은 힘으로 차량의 바퀴에 더 큰 힘을 가할 수 있도록 설계되었다.

동작 원리

운전자가 핸들을 돌리면 가운데 회전 밸브가 열려 유압이 발생된다.(회전 밸브는 스티어링 칼럼 조향축에 위치) 이 유압의 도움으로 피니언이 옆으로 밀리고 조향에 도움을 받을 수 있다. 반대 방향으로 핸들을 돌리면 다른 밸브가 열러 반대 방향으로 피니언(피스톤?)을 밀 것이다. 

 

이러한 유압식 파워 스티어링은
조작감이 좋고 신뢰성이 매우 뛰어나다
는 장점을 가지고 있다.

하지만 호스와 오일펌프, 리저버 탱크, 오일 쿨러 등
유압 관련 구성 부품이 많은 공간을 차지하고
정비성이 좋지 않다는 단점을 가지고 있다.

또한 엔진에 적용된 파워스티어링 펌프에 의한
유압으로 조향력을 발생시키므로
엔진에서의 동력 손실로 인해
차량의 연비가 나빠진다는 단점을 가지고 있다.

 

전동 파워스티어링(EHPS/EPS)

유압식 파워스티어링의 이러한 점을 보완하기 위해
전동기를 활용한 파워 스티어링 장치가 개발되었다.

EHPS

전동 유압식 조향 장치로 흔히 EHPS라고 불린다.

엔진 대신 전동기를 사용하여 유압 펌프를 구동함으로써
조향 시에만 에너지를 소모하도록 하여 연비를 개선하고 있다. 

또한 펌프 위치가 자유롭다는 장점이 있지만
다만 그대로 유압 파이프라인을 사용한다는 단점이 있다. 

EPS

최근에는 전동식 파워스티어링이 널리 쓰이고 있다.
Electronic Power Steering 
흔히 말하는 MDPS motor driven power steering 라고도 하며
전기 모터를 이용하여 스티어링을 작동한다.

이러한 전동식 파워스테어링은 유압 대신 전기 모터를 사용하기 때문에
구조가 간단하고 무게가 가볍다.

또한 ehps와 마찬가지로 필요할 때만 전기 모터나 스어링을 보조하는 역할을 하므로
차량의 연비를 향상시킬 수 있으며,
유압 펌프가 없기 때문에 전기성이 향상된다.

EPS의 종류

일반적으로 EPS(MDPS)는 모터의 장착 위치에 따라 나눌 수 있다.

Column, Pinion, Rack 
랙마운트 방식의 R-MDPS와 칼럼 마운트 방식의 C-MDPS로 나누어진다.

• R-EPS
  • Rack에 모터가 연결되어 Rack에 직접 힘을 가한다.
  • Rack에 충분한 공간이 필요하다.
  • 다른 타입보다 큰 출력
  • 중형차 이상에 많이 쓰임
• C-EPS, P-EPS
  • 엔진이 아닌 다른 공간 쓸 수 있는 장점
  • 출력이 비교적 작다
  • 중향차 이하에 쓰임

전동식 파워 스티어링은
주차 보조 시스템 및 자율주행 관련 자동 운전을 구현하기에 용이하고,
유압식 파워스티어링에 비해 시스템의 가격도 저렴하다.

때문에 2천년대 후반부터 대부분의 차량에서
유압 대신 전동식 파워스티어링을 널리 사용하고 있다.

 

EPS 보조 토크의 종류

EPS 제어를 위한 종류에 대해서는 다음 글에서 알아보겠다.

 

 

EPS 보조 토크의 종류

 

최신 조향 기술

• 가변 조향비 (Variable Gear Ratio): 저속에서는 조금만 돌려도 많이 꺾이고, 고속에서는 안정적으로 반응하도록 기어비를 가변적으로 조절.
• 후륜 조향 시스템 (RWS/4WS):
  • 저속: 앞바퀴와 반대 방향으로 꺾어 회전 반경 축소.
  • 고속: 앞바퀴와 같은 방향으로 꺾어 차선 변경 시 안정성 확보.
• 인휠 모터 (In-Wheel Motor): 각 바퀴에 구동·제동·조향 장치를 통합하여 제자리 회전(피봇 턴)이나 사선 주행(크랩 워크) 등 자유로운 움직임을 구현하는 차세대 기술.

최근에는 차량의 주행 상황에 따라
후륜 조향각을 제어하는 후륜 조향 시스템도 나오고 있다.

이러한 후륜 조향 시스템은 4ws 또는 RWS라고 불리며
1987년 3세대 h4 프렐류드에서 처음 적용된 기술이다.

최근 자동차의 축간 거리가 길어져 작은 회전 반경의 확보가 필요해짐에 따라
이러한 후륜 조향 시스템을 적용한 차량들이 나오고 있다.

이는 전륜과 후륜을 동시에 조향함에 따라
차량의 저속 주행 시 전륜의 반대쪽으로 후륜을 조향하여
더 작은 회전 반경을 확보하거나

고속 주행 시 전륜과 같은 방향으로 후륜을 조향하여
선회 주행의 안전성을 확보하는 형태로
차량의 선회 성능을 구현한다.

또한 후륜 조향 시스템과 더불어 인휠 모터를 장착한 4wd 차량 시스템에 대한 연구 개발도 활발히 진행되고 있다.

인휠 모터는 각각의 바퀴의 전자식 조향 장치와 구동 모터 제동 장치, 서스펜션을 하나로 통합하여
각각의 바퀴의 구동과 조향을 독립적으로 제어할 수 있는 장치다.

이러한 인휠 모터를 장착한 4wd 차량의 경우
각각의 바퀴를 독립적으로 조향하여
다양한 형태의 차량 움직임을 구현할 수 있다.

예를 들어 모든 바퀴를 45도 각도로 조향하여 비스듬하게 달리는 사선 주행이나
운전자가 임의의 중심축에 대해 차량을 자유롭게 회전시키도록
모든 바퀴를 조향한 피봇턴 등도 가능하다.

---

요즘 차들을 보면 스포츠나 에코와 같은 모드가 있는데 이런 모드가 조향에도 영향을 미치는 것으로 안다. 스포츠로 하면 조향 스티어링 휠도 더 딱딱해지고 단단해진다던지 그리고 전자 제어가 들어오지 않았을 때는 기계 분야 공학자들이 엄청나게 고민했을 것 같다.. 유압으로 제어될 시절에 여러 모드를 둬야했다니 대단하군

들을수록 자작차 동아리를 해본 사람이 부럽다. 이해도가 다를듯. 내가 회사 입장이었어도 좋아하는 게 당연한듯