핸들을 통해 원하는 방향으로 바퀴를 조작하는 부품들을 조향장치(스티어링 시스템)라고 하고, 자동차에서 가장 많이 사용되는 방식인 랙앤피니언(rack and pinion)에 대해 알아 보겠습니다.
원리
위 그림 처럼 톱니바퀴(피니언기어)가 회전하며 빨래판 모양의 막대(랙)를 움직여주는 방식입니다.
핸들이 달려있는 봉(스티어링 샤프트)이 피니언 기어, 랙과 결합하여 원하는 핸들의 각도에 따라 바퀴를 조작할수 있습니다. 톱니바퀴의 회전운동을 좌우 직선운동으로 변환시켜주며 이를 총칭하여 "랙 앤 피니언"이라고 합니다.
기어비
조향 비율이라고도 하며, 핸들을 돌릴때 바퀴가 움직이는 비율을 말합니다. 예를 들어 핸들을 한바퀴 돌릴때(360도) 바퀴는 20도 움직인다고하면 360도 나누기 20, 즉 기어비는 18 : 1 입니다. 핸들을 한바퀴 돌린다고 가정할때, 바퀴가 더 많이 꺽이면 기어비가 낮고, 덜 꺽이면 기어비가 높게 됩니다.
레이싱 차량이나 스포츠카는 핸들의 적은 움직임으로 민첩하게 움직여야하기 때문에 기어비(조향비)가 낮고, 트럭이나 대형 차량은 안정적인 움직임을 위해 조향비가 높게 세팅을 합니다.
장점
조작 방법이 직관적이고, 다른 방식에 비해 적은 부품과 낮은비용으로 제작할수 있어서 오늘날 대형부터 소형차량까지 널리 쓰이고 있습니다. 구조가 간단하고 강성이 높으며 소형, 경량이며 응답성이 우수한 이유로 전륜 구동에 적합한 기술이고, 눈이나 빙판길에서도 더 나은 제동 성능을 발휘합니다.
역사
랙앤피니언 기술은 차량에 탑재할 목적으로 개발된건 아니고, 1500년대 말 중국에서 처음 개발되었다는 기록이 있고,
정해진 철로를 왕복하는 모노레일이나 운하의 수문의 개방하기 위한 기술로도 사용 됩니다. 차량에 도입된 시기는 1930년대에 BMW 사에 의해 처음으로 차량에 설치되었고 이후 1974년 미국 포드사의 머스탱 2세대 모델에도 적용 되어 이후 일반화가 되었습니다.
파워스티어링과 결합
사람의 힘만으로는 무거운 양쪽 바퀴를 돌리기 힘들기 때문에 유압식 또는 전자식 파워스티어링과 결합해서 사용합니다. 유압식은 오일의 압력으로 힘을 얻고, 전자식은 전기모터로 힘을 받아 사람이 적은 힘으로 핸들을 조작할수있게 해줍니다.
이렇게 파워스티어링 시스템과 결합해서 사용하기 때문에 랙앤피니언은 주변 부품들을 포함한 일체형 파트로 판매됩니다. 그래서 오랜 사용으로 문제가 생길 경우 주로 전체 부품을 교체해주는 경우가 많습니다. 가장 흔한 증상 중에 하나는 양쪽 검은색 고무 커버 부분에서 오일이 누출되는 것입니다.
구성 부품
핸들이 연결된 봉(스티어링 샤프트)와 연결이 되는 부분(피니언 인풋 샤프트)에 랙앤피니언 기어가 위치하며 파트 중간 부분에 피스톤이 있고 내부에 파워스티어링 오일이 출입하며 유압을 형성해줍니다. 양바퀴야 결합하여 움직임을 가능하게 해주기 위해 타이로드(막대)가 양쪽 끝에 결합되어 있습니다.
고장 및 문제점
유압식 파워스티어링에서 주로 발생하는 3가지 문제점과 원인에 대해 알아보겠습니다.
1, 핸들이 뻑뻑해짐
유압식 파워스티어링이 적용된 차량에서 핸들을 돌리기가 점점 힘들어진다면, 파워스티어링 오일이 부족하거나 오일 교환주기가 다 된것입니다. 파워스티어링 오일 통에 적정량이 표기가 되어있으며, 부족하면 보충하고, 오일은 주로 투명한 색인데, 교체주기가 다가오면 농도가 짙게 변하므로, 새로운 오일이 갈아주셔야 합니다.
2, 오일 누출
오일을 보관하는 통에 적정량이 눈금으로 표기가 되어있으며, 호스 연결 부분이 헐거워지거나 호스가 부식으로 갈라져서 누출이 되는 경우가 있고, 또한 누출된 오일로 주변 부품도 파손될 우려가 있습니다.
호스 연결부위나 호스, 혹은 타이로드를 감싼 검은 고무 부분에 누출 여부를 육안으로도 확인이 가능합니다.
3, 핸들 진동과 갈리는 소음
흔하지는 않지만 피니언 기어의 금속들이 마모되는 경우도 있으며 이에 따른 소음과 함께 핸들에 진동이 느껴집니다. 차종과 부품에 따라 기어박스만 교체가능한 경우도 있고, 파트 전체를 교체해야할수도 있기 때문에 확인후 수리를 진행해야 합니다.
교체방법
차종 마다 세부적인 사항은 다를수 있지만 공통적으로 랙앤피니언 파트가 차량에 결합된 곳은 핸들봉(스티어링 샤프트), 바퀴, 차체 이 세부분입니다. 이렇게 해당 결합 볼트를 제거한 후 새로운 부품을 장착하면 됩니다. 일반적인 작업 순서는 다음과 같습니다.
1, 핸들 고정
랙앤피니언을 탈거하면 고정 부품이 없어서 핸들이 움직이게 되므로 중앙을 맞추기위해 미리 고정해줍니다.
2, 파워스티어링 오일제거
탈거시 기존 오일이 누출 되기도하고 새 제품엔 새 오일을 사용해야하므로 샴푸마개나 큰 주사기를 이용해 제거해줍니다.
3, 호스 및 오일통 탈거
파워스티어링 오일을 보관한 통(탱크)도 이물질이 많으므로 새로운 부품의 수명을 위해 탈거후 새제품을 사용해 줍니다.
랙앤피니언과 연결된 부분의 호스도 탈거해줍니다.
4, 스티어링 조인트 탈거
핸들과 랙앤피니언을 연결시켜주는 부품이며 랙앤피니언 위쪽에 위치해 있습니다.
해당 규격에 맞는 렌치로 너트를 제거 후 분리해 줍니다.
5, 타이로드 탈거
바퀴와 연결된 타이로드(쇠막대) 탈거
6, 차체 탈거
랙앤피니언을 차체에서 탈거하기 위해 고정된 부분의 너트를 제거
차종과 모델 별로 해당 위치가 다르므로 정비 메뉴얼을 참고하세요.
7, 타이로드 길이 비교
기존 랙앤피니언에 설치되었던 타이로드의 길이와 정확히 일치하게 타이로드를 장착해줘야합니다.
8, 중앙 맞춤
회전부의 중앙을 맞추기 위해 좌우로 몇바퀴 돌아가는지 확인후 중앙에 정렬 후 역순으로 새로운 부품을 조립해줍니다.
교체시 유의점
1, 주변 부품에 묻은 오일이 없는지 확인해야합니다, 특히 벨트 부분은 오일도 추후 손상이 될수 있으므로 잘 확인
2, 기존에 장착 호스도 갈라짐이나 경화여부 확인
3, 출고 후 5년 이상 된 차량이라면 스티어링 오일 통 내부에 이물질과 찌꺼기가 생길수 있으므로 확인 후 교체해야합니다. 그렇지 않을 경우 새로운 부품에 이물질이 들어가서 수명을 단축시키기 됩니다.
4, 호환되는 제품도 가능하고, 해당 차종에 맞는 스티어링 오일 사용
5, 관련 부품의 파손 방지를 위해 규격에 맞는 너트의 토크 값으로 장착
다음 편에는 다른 종류의 조향장치에 대해서 알아보겠습니다.