최근에는 전자식 파워스티어링이 점점 더 주류를 이루고 있지만, 현재도 대부분의 자동차에서 사용하고 있는 유압식 파워스티어링 방식에 대해 알아보겠습니다.
역사
유압 방식은 말그대로 오일의 압력을 이용하는 방식인데, 1876년도에 이미 특허가 등록이 될 정도로 오래전에 개발됐습니다. 이후 1926년도에 자동차에 적용을 했고, 가장 먼저 시장에 내놓은 차종은 1951년에 출시된 크라이슬러의 임페리얼이라는 모델이었습니다.
원리
운전자가 핸들을 돌리면 펌프에서 오일을 배출하여 그 압력으로 적은 힘으로도 바퀴의 축을 돌릴수 있게하는 방식입니다.
스티어링 시스템
핸들을 이용해 양쪽 바퀴를 조향하는 방식은 크게 랙앤피니언(Rack and pinion) 방식과 웜앤롤러(worm and roller steering) 방식 두 가지가 있는데, 파워스티어링의 이해를 돕기 위해 랙앤피니언 방삭에 대해 간단하게 설명하겠습니다.
랙앤피니언(Rack and pinion)
양쪽 바퀴를 연결한 축의 중심에 톱니기어(피니언기어)와 빨래판 모양의 쇠막대(랙)를 연결하여 직관적이고 효율적으로 조향을 하게 해주는 방식입니다.
랙의 한쪽은 피스톤 구조로 되어 있어 있어서 파워스티어링 오일이 유입이 되면 압력이 발생해 그 힘으로 바퀴의 조향이 가능하게 해줍니다. 주사기와 흡사한 원리입니다.
구성
위에서 언급한 랙앤피니언 방식의 조향축 외에
파워스티어링 펌프, 오일 저장통, 오일의 이동을 위한 호스로 구성되어 있습니다.
파워스티어링 펌프
파워스티이렁 펌프는 엔진의 외부에 장착되어 있고, 엔진의 구동축과(캠축)과 연결되어 있어서 시동이 걸린 상태에서는 계속 회전을 하며, 핸들을 움직이면 오일이 유입되어 밀어주는 방식으로 작동합니다.
엔진의 중심축이 회전하면서 발생하는 힘으로 다른 부품들도 함께 동력을 전달받아 작동이 가능하게 하기 위해서 긴 벨트(띠)로 여럭 회전축을 함께 연결하는데, 그 부품은 발전기(얼터네이터), 워터펌프(냉각수 순환) 등이 있습니다. 벨트가 직접적으로 닿는 동그란 원형 도르레를 풀리(Pulley)라고 합니다.
제조사와 챠종에 따라 파워스티어링 벨트가 따로 설치되어 있는 경우도 있고, 소재가 고무로 되어 있어서 시간이 지나면 경화가 되면서 소음이나 타는 냄새가 발생한다면 교체를 해주셔야합니다.
파워스티어링 오일 탱크
유압 방식은 일정량의 오일을 계속 필요로 하기 때문에, 적정량의 파워스티어링 오일이 필요하며, 오일 탱크에 눈금으로 표시되어 있어서 주기적으로 점검하시면 됩니다. 호스로 연결이 되어 있기 때문에 시간이 경과함에 따라 누출이 될수도 있고, 여러가지 불순물이 생성되므로 각 차종에 맞는 교체주기에 따라 교환도 필요합니다. 오일이 부족하면 핸들이 뻑뻑해지거나 소음이 발생할수있습니다.
파워스티어링 호스
차량은 여러가지 진동과 충격이 지속적으로 발생하기 때문에 누유는 대부분 호스의 연결 부위에서 일어나게 되는데, 어느정도 육안으로 누출여부가 확인이 가능하고, 누유가 발생했다면 호스의 상태에 따라 이음새를 조이거나 교체를 해야합니다.
오일의 순환
위에서 언급한대로, 운전자가 핸들을 조작하면 펌프의 작동을 통해 오일이 탱크에서 시작해 펌프를 통해 피스톤으로 유입되고, 그 압력으로 바퀴를 조향할수 있게 해줍니다. 핸들을 더 많이 돌리면 더 많은 힘이 바퀴에 전달됩니다. 오일의 흐름은 위 그림의 화살표 방향으로 계속 순환하며 운전자의 간단한 움직임 만으로 무거운 바퀴를 움직일수 있게 해줍니다.
장단점
오랜시간 많은 차량에 사용된 기술인 만큼 검증이 되었으며, 직관적인 핸들 조작과 조향감이 우수하지만 오일과 호스의 관리등 소모품을 유지보수해야합니다. 엔진의 구동력을 지속적으로 사용하므로 전자식에 비해서 연비가 떨어지는 등의 단점이 있습니다. 또한 앞으로는 자율주행, 차선이탈 장치 등 프로그램 기반 기술들이 탑재 되며 전자식이 주류를 이룸에 따라 앞으로 사용 빈도가 점점 더 떨어질수 밖에 없습니다.
마치며,
오늘은 유압식 파워스티어링(Hydraulic Power Steering, HPS)의 기술에 대해 알아봤습니다. 다음 편에는 전자식 스티어링 기술에 대해서도 알아보겠습니다.