조향장치와 파워 스티어링 시스템

조향장치는 타이어가 향하려하는 방향을 바꾸고 파워 스티어링 시스템으로 유압이나 모터의 힘으로 핸들 조작을 보조합니다

조향장치

바퀴가 굴러가는 방향을 바꾸는 장치를 조향장치라고 합니다. 승용차의 경우 일반적으로 전륜 조향식이 채용되기 때문에 조향 장치를 좌우 앞바퀴 사이에 장착합니다. 조향 장치를 사용해 방향을 바꿀 수 있도록 앞바퀴가 고정되는 바퀴통이라는 부분은 위아래에 회전축이 달려 있습니다. 바퀴통에서는 너클암이라는 막대 모양의 부품이 후방으로 뻗어 있는데, 너클암의 끝을 좌우로 밀거나 당겨서 앞바퀴의 방향을 바꿀 수 있습니다.

조향장치는 핸들, 조향축, 조향 기어 박스, 조향 링크로 구성되어 있습니다. 기어박스에는 볼 앤드 너트식 구조도 있지만 현재는 대부분의 승용차가 랙 앤 피니언식을 채용하고 있습니다. 랙은 판 또는 막대 모양의 톱니바퀴이며, 피니언은 작은 톱니바퀴(기어)로 대개 바깥기어를 사용합니다

타이로드

링크기구는 기계요소의 하나로, 막대 모양의 부품을 조합해 힘이나 움직임을 전달하는 기구입니다. 세차 운동을 하는 것을 암, 밀거나 당기는 것을 로드라고 부를때가 많습니다. 랙 앤드 피니언식 기어 박스에서는 랙이 자동차의 좌우 방향으로 배치되고 양쪽 끝에 타이로드라는 막대 모양의 부품이 설치되며 각각의 끝에 너클암이 접속됩니다.

조향은 핸들을 돌려서 하는데, 핸들의 회전은 조향축을 통해 피니언 기어로 전달됩니다. 피니언이 회전하면 맞물려 있는 랙이 좌우로 움직이며, 이 움직임에 따라 너클암이 끝이 밀리거나 당겨지면서 바퀴의 방향을 바꿉니다

조향장치 부품

조향축 : 핸들의 회전을 조향 기어 박스에 전달하는 축, 핸들과 기어박스의 위치 관계에 따라서는 중간에 유니버셜 조인트가 달리기도 합니다.
핸들 : 운전자가 조작하는 부분
유니버설 조인트
조향 기어 박스 : 핸들의 회전 운동을 왕복 운동으로 변환하는 톱니바퀴 장치, 힘을 증폭하는 기능도 있습니다.
타이로드 : 랙의 움직임을 너클암에 전달하는 기구
너클암 : 최종적으로 바퀴의 방향을 바꾸는 부분 입니다

랙과 피니언 기어는 대부분 톱니가 대각선으로 만들어진것을 사용합니다.

파워 스티어링 시스템

조향 장치로 앞 뒤 바퀴의 방향을 바꿀때는 자동차의 중량이 실린 타이어와 지면 사이에서 마찰이 발생하므로 핸들 조작에 커다란 힘이 필요합니다. 자동차가 움직이고 있으면 타이어가 구르면서 마찰을 일으키기 때문에 속도가 빨라질수록 마찰력이 작아지지만, 정차 중에는 마찰력이 매우 큽니다. 그러나 정차 상태에서 조향을 할 수 있으면 평행 주차를 하거나 차고에 들어갈 떄 매우 편합니다.

조향장치에서는 핸들이 지렛대의 원리로 힘을 증폭하고 조향 기어 박스에서도 힘을 증폭하지만, 이 정도로는 정차 상태에서 조향을 하기에 충분하다고 할 수 없습니다. 그래서 보조 기구로 파워 스티어링 시스템이 장착되어 있습니다.

유압식 파워 스티어링

과거에는 유압식 파워 스티어링이 일반적이었습니다. 유압식은 랙의 일부에 피스톤을 설치하고, 역시 랙의 케이스 중 일부를 실린더로 만들어 활용하는 방식입니다. 엔진의 힘으로 파워스티어링 펌프라는 유압 펌프를 돌려서 만들어낸 유압으로 핸들 조작을 보조합니다. 유압식의 경우, 파워 스티어링을 사용하지 않을때도 유압펌프가 항상 엔진에 부담을 주기 때문에 효율이 좋은 시스템이라고 할 수 없었습니다.

전동식 파워 스티어링

그래서 현재는 전동식 파워 스티어링이 주류를 이루고 있습니다. 핸들에 설치된 조향각 센서라는 회전 각도 센서의 정보와 차속등의 정보를 바탕으로 차량 제어 장치가 최적의 힘을 계산해 모터에 지시를 내립니다. 모터를 배치하는 방식에는 여러가지가 있어서, 조향축의 회전을 보조하는것, 피니언 기어의 회전을 보조하는것, 랙의 이동을 보조하는 것 등이 있습니다

유압식 파워 스티어링 작동방식

조향축이 회전함에 따라 피니언 기어 근처에 설치된 컨트롤 밸브가 작동합니다. 파워 실린더의 보조가 필요한 방향으로 유압이 보내집니다. 피스톤의 반대쪽에서는 유압이 회수됩니다. 보조가 필요 없을때(직신 시 등)는 어느 쪽으로도 유압을 보내지 않습니다.

전동식 파워 스티어링 작동방식

조향축의 회전을 보조하는 유형의 전동식 파워 스티어링. 모터의 회전을 빠르게 하면 힘이 강해지기 때문에 감속 기구에서 감속시킨 다음 조향축에 전달합니다.

엔진브레이크

자동차 용어 주엥 엔진 브레이크라는 말이 있습니다. 엔진 브레이크라고 해도 특정한 장치가 있는 것은 아닙니다. 주행 중에 가속 페달에서 완전히 발을 떼면 구동력의 회전이 동력 전달 장치를 거쳐서 엔진에 전달이 됩니다. 연료가 공급되고 있지 않으므로 힘은 발생하지 않지만 흡기나 압축은 일어납니다. 이때 펌프 손실이 저항이 되기 떄문에 구동륜의 회전을 늦출 수 있습니다. 이것이 바로 엔진 브레이크입니다.

수동 변속기의 경우 구동륜과 엔진이 직접 연결되어 있기 때문에 엔진 브레이크의 효과가 매우 좋습니다. 차속에 맞춰서 기어를 낮추면 풋브레이크는 정차 직전에 잠깐 사용하는 정도로 충분합니다. 그러나 현재 주류인 자동 변속기나 CVT의 경우 엔진과 구동륜 사이에 토크 컨버터가 있기 때문에 엔진 브레이크의 효과가 나쁩니다. D 레인지는 거의 체감할 수 없을 정도입니다. 그래서 풋 브레이크가 많이 사용됩니다.

다만 이런 자동차의 경우도 엔진 브레이크가 완전히 쓸모없는 것은 아닙니다. 2단이나 1단으로 바꾸면 어느 정도는 엔진 브레이크의 효과를 낼 수 있습니다. 긴 내리막길의 경우처럼 풋 브레이크의 잦은 사용으로 문제가 발생할 수 있는 상황이라면 꼭 사용해보길 권장합니다.