절반이 채택
EPS(Electric Power Steering System), EPAS(Electric Power Assisted Steering System) 또는 MDPS(Motor Driven Power Steering System)라 불리는 전동 파워 조향장치는 엔진에 벨트로 연결된 유압 펌프를 돌려 나오는 힘을 이용하는 대신, 전동 모터 힘을 통해 자동차를 힘들이지 않고 조향할 수 있도록 해주는 장치다.
기본적인 파워 스티어링 시스템은 1932년 미국인 프랜시스 데이비스(Francis Davis)가 특허를 냈고 1951년대 크라이슬러가 유압을 이용한 유압식 파워 조향장치(Hydraulic Power Steering System, HPS)를 대형 자동차에 사용하면서 운전자들의 안전과 편의를 증대시켜 주기 시작했다. 그리고 설계자들은 유압을 대신해 전동 모터를 이용하는 조향장치를 만들기 시작했다. 1980년대 후반이 되면서 실용적인 EPS가 소형차에 적용하기 시작했다.
유럽의 르노는 메간(Megane)까지의 차량에 EPS를 널리 장착했고 피아트, 토요타 등도 로우 엔드 라인업에 적용했다. 전동 유압식 파워 조향장치(Electric Hydraulic Power Steering, EHPS)는 푸조 407, 시트로엥 C4 등의 중형차에 채택되고 있다.
EPS는 자동차의 평균 연비를 3% 상승시켜 CO2 저감효과를 강조하는 환경과 연비시대에 적합한 솔루션으로 각광받고 있다. 향후 하이브리드 카(Hybrid Electric Vehicle, HEV)의 발전과 더불어 더욱 기능이 향상될 전망이다.
조향장치는 단순하게 자동차를 조향하는 것뿐 아니라 현가장치, 제동장치와 함께 능동적인 안전기능 구현에 활용된다. 통합제어 시스템의 일부로 차량 자세 제어장치(Vehicle Dynamic Control, VDC), ESC (Electronic Stability Control) 등의 첨단 전장장치들과 연계되며 지능형 자동차(Smart, Intelligent Vehicle) 설계에 없어서는 안될 부분이 되고 있다.
지난 20여년간 E-Machine(Electric Motor), 센서(Torque, Position), ECU (Electronic Control Unit), 소프트웨어 등 첨단 전자 제어 시스템 발전은 수많은 종류의 전장, 조향장치 개발을 주도했다. 일부는 신뢰성 확보의 어려움으로 사장되기도 했지만 다른 첨단 전장부품과 함께 발전을 거듭하고 있다.
자동차의 안전성능 향상은 센서에 의한 외부 환경 인식으로 사고를 미연에 방지하는 방향으로 전개되고 있으며 EPS는 사고회피를 위해 차량을 자동으로 제어할 수 있는 기능을 수행하며 필수 기술이 됐다.
EPS는 A-클래스부터 F-클래스의 승용차, 나아가 SUV 영역까지 확대 적용되고 있다. 향후 EPS는 그림 1과 같이 2011년 전 세계 차량의 50%에 장착될 전망이다.
EPS의 장점
- 향상된 조향감, 안락한 운전
- 자동차 속도에 따른 균형잡힌 조향감
- 연비 향상과 CO2 저감
- 간단한 조립성
- 운전자 조향 특성에 따른 맞춤형 운전
- 부품의 재활용
파워 조향장치
승용차에 널리 쓰이는 HPS의 엔진룸 레이아웃과 구조는 그림 2와 같다. HPS 시스템은 랙 앤 피니온 방식과 RCB(Recirculating Ball and Nut) 방식이 있다. 랙 앤 피니온 방식 스티어링 시스템은 스티어링 휠을 운전자가 조작하면 스티어링 컬럼에 연결된 피니온이 랙 바(Rack Bar)의 기어를 돌려 조향한다. RCB는 스티어링 휠에 연결된 웜기어를 샤프트에 있는 볼 앤 넛(Ball and Nut)을 작동시켜 조향한다. 승용차에서는 랙 앤 피니온 방식이 많이 적용되고 있고 대형 상용차에는 RCB 타입이 많이 쓰이고 있다.
일반적으로 랙 앤 피니온 방식의 랙 바에 있는 기어는 일정한 기어 비를 사용하고 있지만 조향성과 안정성 향상을 위해 렉서스와 같은 고급 차종은 기어 비가 시작 부분과 끝부분에서 변하는 VR(Variable Ratio) 기어를 적용키도 한다.
컬럼 또는 피니온 방식 EPS에서는 전동 모터의 부화를 줄이기 위해 VR 기어 랙(Gear Rack)을 사용하기도 한다. 랙 앤 피니온 방식의 조향장치에 쓰이는 스티어링 기어는 그림 3과 같다.
수동 스티어링 기어(Manuel Steering Gear)는 운전자의 힘으로만 조향하는 조향장치로 A-클래스 또는 B-클래스의 소형차에 쓰인다. 또 스티어링 컬럼에 전동 모터를 부착한 C-EPS(Column-Electric Power Steering System)와 같은 전동 조향장치에 쓰이고 있다. 일반 유압식 파워 스티어링 기어는 자동차 엔진에 연결된 벨트를 이용해 유압 펌프를 작동시켜 조향하는 장치로 대부분의 승용차에서 일반적으로 쓰이고 있다. 속도 감응식 파워 스티어링 기어는 유압식 파워 스티어링 기어에 속도 센서를 적용한다. 승용차가 고속도로에서 빠른 속도로 움직이면 자동차 타이어와 도로 간의 마찰력이 감소해 조향력이 덜 필요하게 된다. 이에 따라 스티어링 기어에 유입되는 오일 유량을 감소시켜 조향력을 조절해 운행의 안전성과 조향감을 향상시켰다. 비용관계상 이 방식은 고급차를 중심으로 적용되고 있다. EPS의 한 종류로 분류되는 EHPS는 기존 유압 파워 스티어링 기어에 쓰이는 유압 펌프와 전동 모터를 결합한 장치로 엔진 룸에 설치가 용이해 대형 승용차에 적용되고 있다.
HPS는 엔진이 작동하면 항상 엔진에 연결되어 있는 유압 펌프를 작동시킨다. 조향장치를 사용하지 않을 때에도 엔진에 부하가 걸려 에너지 손실이 많기 때문에 운전중 조향이 필요할 때만 파워를 조향장치에 적용할 수 있는 장치가 개발됐다. EPS는 전동 모터 위치에 따라 명칭이 다르다.
주로 중소형차(A-클래스부터 D-클래스 승용차)에 적용되는 컬럼 드라이브 전동 조향장치(C-EPS)의 세부적인 주요 구성부품, 배선도는 그림 5와 같다. 중형 자동차에 적용되는 랙 드라이브(Rack Drive) EPS의 주요 부품은 그림 6과 같다.
컬럼 방식은 스티어링 컬럼에 파워 어시스트 기구를 부착해 작동하는 방식으로 현재 주류가 되고 있으며 향후에도 미드 클래스 이하의 대표적 방식이 될 전망이다. 시스템 전체가 콤팩트하고 비용이 낮은 것이 장점이다. 그러나 대형차 장착에는 공간, 기구 부 강도 한계가 있고 충돌 안전성에 대한 추가적 배려가 필요하다.
피니온 방식은 피니온 기어 부에 파워 어시스트 기구를 부착해 조향한다. 강도와 성능이 컬럼 방식에 비해 유리하지만 비용이 높다. 장착 공간이 한정되며 레이아웃 상 제약이 있다. 피니온 기구를 2곳에 설치한 듀얼식은 보다 양호한 레이아웃이 가능하다.
랙 방식은 랙부에 파워 어시스트 기구를 달아 랙을 직접 움직인다. 고출력화를 통해 대형차 적용이 가능하다. 컬럼, 피니온 방식보다 가격이 고가이고 장착 공간 한정, 레이아웃 제약이 있다.
벨트 드라이브(Belt Drive) EPS는 그림 7과 같이 벨트를 Ball Nut Screw가 연결된 랙에 작동시켜 조향하는 EPS로, 공작기계에 쓰이는 Ball Nut Screw를 이용해 랙을 움직이는 장치다. 벨트의 신뢰성 및 Ball Nut Screw에서 생기는 소음 문제를 해결해야 하는 단점이 있지만 현재 이 문제가 많이 해결돼 중형차(E-클래스)에 적용되고 있다.
EHPS는 전동 모터와 유압 펌프를 같은 유닛에 통합해 엔진 룸 설치 공간을 최적화 할 수 있는 EPS로, 대형 F-클래스와 SUV에 많이 적용되고 있다. EHPS의 엔진 룸에 설치된 레이아웃은 그림 8과 같다. 그림 9는 EHPS 작동원리이다.
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