글로벌오토뉴스

  • 검색
  • 시승기검색

전동 파워 스티어링의 ABC

페이지 정보

글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2016-11-23 10:37:11

본문

전동 파워 스티어링의 채용이 증가하고 있다. 과거 파워가 지원되지 않던 시절의 운전자들에게는 유압식 파워스티어링도 엄청난 장비였다. 지금은 모터를 사용하는 전동식이 대세를 이루고 있다. 모터의 위치에 따라 칼럼식과 피니언식, 랙식 등 세 가지 방법이 있다. 전동 파워 스티어링(EPS ; Electric Power Steering:  또는 MDPS ; Motor Drivien Power Steering)에 관해 알아 보자.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479864

1980년대 후반에 처음 등장한 전동 파워 스티어링은 오늘날 대부분의 자동차에 채용되어 있다. 연비성능 향상과 하이브리드 전기차, 배터리 전기차 등의 등장으로 EPS는 더욱 빠르게 보급이 진행되었다. 더불어 아이들링 스톱 기구의 채용으로 유압 펌프 탑재가 어려워지면서 EPS의 존재가치는 더 높아지고 있다. 이제는 자율주행차 시대의 ADAS기술의 발전으로 MDPS의 채용 속도는 더 빨라질 것으로 보인다.

 

스티어링 전동화의 장점은 오일 펌프를 구동하는 엔진의 구동 손실을 줄일 수 있고 시스템을 간소화함으로써 경량화가 가능하며 유압계의 관리가 필요없다는 것 등을 들 수 있다.

 

그런데 유압식 파워 스티어링에 모터를 조합한 전동유압식도 여전히 수요가 존재한다. 유압은 큰 힘을 발생하기 쉽고 충격 완화와 감쇄 등 뛰어난 부분이 있다는 점 때문이다. 전동식으로 완전히 이행하기에는 아직은 약간의 시간이 더 걸릴 것이라는 얘기가 나오는 이유이다.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479864 

전동 파워 스티어링은 모터와 모터의 토크를 증폭하는 감속기, 조타력을 검지하는 토크 센서, 타각을 감지하는 타각 센서, ECU등으로 구성된다. 토크 센서에는 외력에 의한 변형을 막는 토션 바가 조립되어 있고 홀 소자와 광학 센서에 의해 조타력을 감지한다. ECU는 조타력과 스티어링 타각, 자동차 속도 등의 정보로부터 판단해 모터의 구동력을 결정한다.

 

모터의 토크를 증폭시키는 감속기에는 수지재의 치차를 웜 기어로 돌리는 구조가 사용되고 있는 것이 일반적이다. 이에 따라 매끄러운 작동을 실현하고 진동과 잡소리를 해소한다. 구조는 단순해 ECU로 제어함으로써 속도와 조타의 가속도, 또 직진 상태로의 복원력 강성 등도 자유로이 조정해 방법을 결정할 수 있는 등 자유도가 높다. 스포츠카와 고급차 등은 주행 상태에 따라 지원력의 전환 모드 등을 설정하고 상황과 운전자의 기호에 따라 지원 특성을 전환하는 것도 가능하다.

 

MDPS(EPS)의 구조는 크게 세 가지로, 세분하면 다섯 가지로 나뉜다. 칼럼식(C-MDPS), 피니언식(P-MDPS, 듀얼 피니언식도 있다), 랙식(R-MDPS, 랙(Rack) 동축 타입, 랙 추 평형 타입)이 그것이다. 여기에서는 편의상 C-MDPS, P-MDPS, R-MDPS 등으로 표기한다.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479864 

C-MDPS는 세가지 시스템 중 가장 컴팩트하고 단가가 낮다. 다만 파워 서포트 모터가 스티어링 휠과 가장 가까운 곳에 위치하기 때문에 작동 소음이 실내로 유입될 가능성이 높고, 반응속도에서 이질감을 느낄 수 있다. 때문에 이 방식은 소형차에 주로 채용된다. 스티어링 칼럼에 모터를 계기판 뒤쪽에 있는 공간을 활용해 탑재한다. 랙 축과 피니언 축 등의 기구는 지원하지 않는 방법과 거의 같다. EPS 유닛을 방수 마무리를 할 필요가 없고 열과 진동에 의한 영향도 적다. 그런데 스티어링 샤프트에 큰 힘이 가해지기 때문에 큰 조타력을 필요로 하는 대형차에는 어울리지 않는다고 할 수 있다.

 

P-MDPS 는 C-MDPS에 비해 반응성이나 조향감이 뛰어나고 소음문제도 줄일 수 있지만 구조상 장착이 어려운 것이 약점이다. 이 방식은 피니언 기어 부분에 모터를 탑재한다. 스티어링 샤프트와 조인트 등의 상류 부분은 종래의 기구대로다. 랙에 맞물린 피니언 기어를 직접 구동하기 때문에 칼럼식과 비교해 보다 큰 힘을 전달하기 쉬운 것이 특징이다. 하지만 운전자의 조타력과 모터의 구동력을 피니언 기어 한 개소로부터 전달되기 때문에 피니언 기어의 강도 면에서의 문제와 랙에 대해 불균등하게 힘이 걸려 전달되는 힘도 한계가 있다. 조타 축에 발생되는 것이 가능한 축력은 칼럼식과 마찬가지로 9kN 정도까지이다.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479864 

피니언식의 약점을 보강한 것이 듀얼 피니언식이다. 기존의 조타에 이용되는 피니언 기어에 더해 조타력 지원 전용의 피니언 기서를 랙 상에 추가해 이쪽을 모터로 지원하는 것이다. 랙 지지가 확실하고 힘의 전달 쪽이 무리가 없기 때문에 보다 큰 힘을 전달할 수 있다.

 

R-MDPS 는 모터가 두 바퀴를 연결하는 조향 축에 위치하기 때문에 조향감이 뛰어나지만 단가가 비싸다는 것이 단점이다. 이 방식은 랙 축을 모터로 구동하는 시스템이다. 이는 모터와 감속기의 배치를 랙 축과 동일하게 한 랙 동 축 타입과 벨트로 평행으로 배치하는 랙 축 평형타입이 있다. 랙 동 축 타입은 케이스가 많아지고 탑재성이 나쁘다. 때문에 랙 축 주변의 공간에 모터와 감속기를 배치할 수 있는 랙 축 평행 타입이 주류로 되고 있다. 랙 축에 모터와 맞물린 볼 나사를 조립함으로써 랙에 직접 횡 방향의 힘을 발생한다.

 

이 R-MDPS 의 평행 축 타입은 모터의 범용성에도 뛰어나다고 하는 장점도 있다. 강도와 정밀도를 확보하기 쉽다는 점 때문에 큰 힘을 발생할 수 있고 NV(소음 진동) 특성에도 좋다. 그 때문에 기존 유압식으로는 축력이 부족한 고급차와 대형 SUV 등에 채용이 늘고 있다.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479864 

파워 스티어링의 구조에는 전동식, 유압식에 더해 이 양방의 구조를 채용하는 전동 유압식도 있다. 이는 모터로 유압을 만들어 유압식 파워 스티어링을 작동한다. 필요한 때만 모터를 구동하기 때문에 상시 엔진으로 구동하고 있는 유압 펌프와 같은 동력 손실이 없다.

 

대형 승용차와 대형 SUV, 버스, 트럭 등은 유압식 파워 스티어링이 채용되고 있지만 이들 역시 전동화가 진행될 것으로 보인다. 그 이유는 효율화와 경량화 이외에도 전동화하지 않으면 실현하기 어려운 상태가 있기 때문이다. ADAS에의 대응 때문이다.

 

최근 ADAS의 급속한 보급이 진행되고 있는데 여기에서 EPS의 존재는 중요하다. 자동 브레이크와 선행차 추종 기능(ACC)등 가감속에 관한 장비 이외의 운전지원에는 조타계의 제어가 필요하기 때문이다.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479865 

차선 이탈 경보 등 경고음과 스터어링의 진동으로 경고하는데도 EPS가 필요하다. ECU모터를 제어해 스티어링 조작을 실현한다. 차선유지 지원 시스템 등 보다 적극적인 스티어링 제어도 기본적으로 마찬가지이다.

 

또 진화된 조타 제어방식으로서 스티어 바이 와이어(Steer by Wire)의 도입이 진행되고 있다. 이는 운전자의 조작을 신호로 바꾸어 모터만으로 조타하는 것이다. 여기에는 시스템 에러와 시스템 다운시에 기계적으로 스티어링 샤프트를 연결하는 클러치 기구가 갖추어져 있다.

 

기구 자체는 스티어링 휠 측에는 반력을 발생시키기 때문에 C-MDPS와 비슷한 구조를 탑재했고 랙 측은 듀얼 피니언식 MDPS를 베이스로 해 양측의 피니언 기어를 모터 구동으로 함으로써 바이 외이어화를 꾀한다.

 

01777b274260f7a5fa39c213eab53e67_1479865 

MDPS의 최대 약점은 전자제어로 인한 에러와 고장에 대한 신뢰성이다. 특히 스티어링 기구는 지원이 되지 않으면 일반 운전자는 조작 불능 상태에 빠질 수도 있다. 때문에 최근에는 모터와 센서, ECU의 이중화 등 시스템을 좀 더 복잡화해 안전성을 높이고 있다.

 

ADAS의 보급에 따라 스티어링 휠과 랙 축과 피니언 축은 기계적인 연결을 없애고 보다 자유도가 높은 설계와 스티어링 특성을 얻게 되는 방향으로 가고 있다. 그런 측면에서는 여전히 발전되고 있는 기술인 것이다.  

  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기