자동차가 정지상태에서 무거운 바퀴를 운전자의 힘으로 회전시키기 위해서는 많은 힘이 필요합니다. 많은 힘이 필요한 부분을 보조하기 위해서 만들어진 장치가 파워스티어링입니다. 과거에는 대부분 유압식 파워스티어링을 사용하였지만 지금은 구조가 간단한 전기식 파워스티어링을 사용하고 있습니다. 오늘은 자동차 파워스티어링 시스템이 어떤 기능을 하는 시스템이고 어떤 구조로 되어 있는지 상세하게 알아보겠습니다.
1. 자동차 파워스티어링 (Power steering)
자동차 파워스티어링(Power steering)은 조향보조장치입니다. 자동차가 움직이지 않을 때는 타어어와 지면의 마찰력으로 인해서 핸들을 돌려서 방향전환하기에 많은 힘이 듭니다. 그래서 과거에는 자동차 주차에 굉장히 어려움이 많았습니다. 주차 시에 핸들은 오른쪽 왼쪽으로 번갈아서 돌려야 하는데 자동차가 거의 정지상태이기 때문에 사람의 힘으로 여간 돌리기 쉽지 않았습니다. 특히 여성들이 돌이기에는 많이 어려웠습니다. 그래서 이를 좀 더 쉽게 돌릴 수 있도록 유압이나 모터의 힘으로 동력을 보조해 주는 장치가 파워스티어링입니다. 최근에 나오는 자동차는 대부분 기본장착되어 있습니다. 이 장차가 없는 자동차는 상상하기 어렵습니다. 불과 10년 전까지만 하더라도 유압식이 대세였지만, 지금은 대부분이 전동식으로 변화하였습니다. 파워스티어링은 크게 유압식, 전기식, 혼합식 3가지로 나눌 수 있습니다. 혼합식은 유압식과 전기식기 혼합되어 있는 시스템입니다.
(1) 유압식은 오일펌프에서 유압을 만들어 냅니다. 만들어진 유압은 유압실린더가 움직이는 힘이 제공됩니다. 이는 운전자가 핸들을 조작할 때 유압 실린더가 힘을 발생하고 운전자는 작은 힘으로 쉽게 바퀴를 돌릴 수 있도록 합니다.
(2) 전기식은 전기모터와 센서를 사용하여 파워 스티어링을 작동합니다. 이 시스템은 유압식에 비해 효율적이며, 반응성이 좋습니다. 현재 대부분의 승용차는 전기식 파워스티어링이 설치되어 있습니다. 영문으로는 EPS로 알려져 있습니다.
개발과정
자동차 파워 스티어링은 1950년대 초에 개발되었습니다. 그 이전에는 운전자의 육체적인 힘으로 바퀴를 돌려야 했습니다. 차량이 무거워질수록 운전자에게 많은 힘이 필요했습니다. 1951년 캘리포니아의 엔지니어인 프랑크 스컬리(Frank W. Davis)는 General Motors에서 파워 스티어링을 개발하였습니다. 그러나 처음에서는 유압시스템을 기반으로 하였습니다. 비용도 많이 들고, 시스템 자체의 무게도 무거웠습니다. 그래서 대중화가 되기까지만 꽤 많은 시간이 걸렸습니다. 그 후 자동차 제조업체들은 전기시스템 기반의 파워 스티어링 시스템을 도입하기 시작했습니다. 이러한 시스템은 더 경제적이고, 운전에 필요한 힘이 줄어들어 더욱 효율적인 운전이 가능해졌습니다. 전기식이 생각보다 개발은 빨리 되었지만, 우리나라의 경우 2010년 이후에 본격적으로 대중화되기 시작되었습니다. 현재는 대부분의 자동차에서 파워 스티어링 시스템이 기본 장착되어 있으며, 고급 자동차에서는 더욱 발전된 전자식 시스템이 도입되고 있습니다. 이러한 기술적인 발전은 운전자의 안전과 편의성을 높이는 데 큰 역할을 하고 있습니다.
2. 유압식 파워스티어링
유압식 파워 스티어링 시스템은 펌프와, 유압실린더로 구성되어 있습니다.
- 파워스티어링펌프: 엔진에 연결되어 항시 작동하는 오일펌프입니다. 그래서 엔진의 동력을 일부로 사용해서 연비적인 부분에서는 분리했습니다. 엔진과 연결되어 있기 때문에 자동차 엔진이 꺼지면 작동하지 않기 때문에 핸들을 돌리는 것이 어려웠습니다.
- 유압실린더: 조향 기어에 부착되어 있으며, 유압에 의해서 움직이면서 자동차의 조향장치를 움직입니다.
1) 작동원리
- 운전자가 핸들을 회전시킵니다.
- 핸들의 회전은 조향 기어에 연결된 실린더를 움직입니다.
- 실린더의 움직임은 유압 액체를 만들어 내는 파워스티어링펌프를 작동시킵니다.
- 유압이 유압실린더를 움직여 조향을 제어합니다.
- 운전자가 핸들을 놓을 때, 시스템은 자동으로 유체를 회수하여 유압을 낮춥니다.
2) 특징
- 기본적인 기능인 운전자가 쉽게 핸들을 돌릴 수 있도록 보조합니다.
- 주행 중에 발생하는 충격과 진동이 줄어들어 운전의 안정성이 높아집니다.
- 운전자의 피로도가 감소하여 운전 시간이 길어져도 편안하게 운전할 수 있습니다.
- 전기식 대비 상대적으로 초기 비용이 낮습니다. 그러나 지금은 전기식도 많은 부분에서 발전하여 오히려 전기식이 저렴합니다.
- 엔진과 함께 동작하므로, 핸들 조작이 거의 없을 때(고속도로 주행)도 일정 부분 동력을 소모합니다. 동력은 즉 연비와 관련 있으니, 연비 측면에서는 불리합니다.
- 정기적으로 오일 교환이 필요합니다.
종합적으로 볼 때, 유압식 동력 방향 조절 시스템은 주행 안정성과 운전의 편의성을 높이는 장점이 있지만, 유지 보수에 대한 비용과 열 방출과 소음 등의 단점이 있습니다.
3. 전동식 파워스티어링 (EPS : Electronic Power Sterring)
전동식 동력 방향 조절 시스템은 전기 모터의 힘을 이용하여 바퀴의 방향 조정을 보조하는 시스템입니다. 유압을 형성하여 동력을 보조하는 대신 전기 모터가 역할을 대신합니다. 전동식 파워 스티어링 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.
- 모터 : 차량에서 전원을 공급받아서 제어기의 명령에 의해서 스티어링을 움직이는 힘을 보조하는 역할을 합니다. 이 모터는 일반적으로 파워 스티어링 기어와 연결되어, 운전자의 핸들 조작에 따라 동작합니다.
- 감속기 : 모터의 출력을 증폭하여 파워스티어링을 움직이는 역할을 합니다. 파워스티어링기어와 연결되어 있습니다.
- 제어기 : 가장 중요한 부품으로 센서로부터 신호를 감지하고, 내부적으로 수학적인 연산을 거친 후 전동식 파워스티어링은 모터를 제어하는 역할을 합니다. 각종 센서의 처리가 필요하고, 오작동 위험이 발생하지 않도록 정밀하게 만들어져 있습니다.
1) 작동원리
- 운전자가 핸들을 조작합니다.
- 핸들 조작에 따라 회전 방향과 크기를 센서가 감지합니다.
- 센서의 신호에 따라 EPS 제어기가 신호를 처리합니다.
- EPS 제어기는 전동식 파워 스티어링 모터를 제어하여 파워 스티어링 기어를 움직입니다.
- 스티어링기어는 핸들 조작에 따라 바퀴를 회전시킵니다.
- 감속기는 모터의 출력을 증폭하여 파워스티어링 기어를 조작합니다.
2) 특징
- 조용합니다. 소음이 적습니다.
- 유압식 대비 작동이 더 민감하고 정확합니다.
- 전기 모터가 작동하므로, 엔진과 무관하게 작동할 수 있습니다. 작동할 때만 동력이 필요로 연비면에서 우수합니다.
- 유압식 동력 방향 조절 시스템보다 더 가볍고, 공간 활용성이 더 높습니다.
- 초기에는 유압식 대비 가격이 높았습니다. 그러나 현재는 많은 연구로 가격이 낮아졌고, 대부분 차량에 사용되기 때문에 대량 생산에 의해 가격이 더욱 낮아졌습니다..
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