자동차에 있어서 스티어링 휠은 중요할 수밖에 없는데, 조정을 제대로 하지 않으면 사고와 바로 연결될 수 있기 때문입니다. 그러면 스티어링 휠은 기본적으로 어떻게 작동하는지 알아보고 부품들을 살펴보겠습니다.
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자동차의 스티어링 휠, 작동원리를 알아보자
자동차의 스티어링 휠은 운전자가 차량을 조작하고 제어하는 데 중요한 역할을 합니다. 스티어링 휠은 주행 방향을 변경하거나 회전하는 데 사용되며, 이를 통해 운전자는 차량의 방향과 위치를 조절할 수 있습니다.
이제 자동차의 스티어링 휠 작동 원리에 대해 알아보겠습니다.
스티어링 시스템은 주로 기계식 또는 전자식으로 구성됩니다.
기계식 시스템
기계식 시스템에서는 운전자가 스티어링 휠을 돌리면, 이 동작이 타이로드(Steering Linkage)라고 하는 부분을 거쳐 바퀴에 전달됩니다. 타이로드는 여러 개의 링크와 관절로 구성되어 있으며, 운전자의 입력을 바탕으로 앞바퀴를 좌우로 회전시켜 차량의 방향을 변경합니다.
기계식 시스템에서 가장 일반적인 형태는 랙 앤 피니언 (Rack and Pinion)입니다. 이 시스템에서는 스티어링 휠과 연결된 피니언(Pinion) 기어가 랙(Rack)이라고 하는 일렬로 배열된 치아를 움직입니다. 피니언 기어가 회전하면 그 동작이 랙에 전달되고, 이에 따라 랙은 좌우로 움직여 앞바퀴를 회전시켜 주게 됩니다.
전자 스티어링 시스템
더 최근에는 전기 보조 스티어링(Electric Power Steering, EPS) 시스템도 널리 사용됩니다. EPS 시스템에서는 속도 감지기와 모터가 포함된 제어 유닛이 사용됩니다. 속도 감지기는 차량 속도와 함께 운전 상황 정보를 제공하여 모터 출력을 최적화합니다.
EPS 시스템에서 운전자가 회전력(Steering Torque)을가할 때, 제어 유닛은 해당 정보를 분석하여 적절한 양만큼 모터에 출력 신호를 보내줍니다.
모터는 그 신호에 따라 작동하여 필요한 양만큼 추가적인 도움력(assist force)을 생성합니다.
스티어링 휠 기어 랙과 피니언
랙 앤 피니언(Rack and Pinion) 스티어링 시스템은 가장 간단하면서도 효과적인 자동차 조향 메커니즘 중 하나입니다.
이 시스템의 핵심 구성요소는 랙(Rack)과 핀언(Pinion)이라는 두 개의 기어입니다.
피니언 기어는 스티어링 샤프트에 연결되며, 운전자가 스티어링 휠을 회전시킬 때 움직이게 됩니다. 이 피니언 기어가 회전하면, 그 움직임은 랙에 전달됩니다.
랙은 긴 바 형태의 부품으로, 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 일렬로 배열된 치아를 가지고 있습니다. 피니언 기어의 회전이 랙에 전달되면, 그 결과로 인해 발생하는 선형 운동(Linear Motion)이 차량의 앞바퀴를 좌우로 움직이게 만듭니다. 이때, 각 바퀴에 연결된 타이로드(Tie Rods)라는 부분들을 통해 바퀴가 제대로 방향을 전환할 수 있습니다.
랙 앤 피니언 시스템은 구조가 단순하고 손상 가능성이 적으며 정확한 조작을 가능하게 하는 장점을 가지고 있습니다. 그러나 반면에 고속 주행 중에는 보다 많은 피드백과 조작감을 제공하지 못할 수도 있습니다. 현대 자동차에서 많이 사용되는 전기식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering) 시스템도 본질적으로는 랙 앤 피니언 메커니즘이지만, 여기에 전자적인 장치를 추가하여 운전자의 부담을 덜어줍니다.
전기식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering) 시스템
전기식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering) 시스템은 전기 모터를 사용하여 운전자의 조향력을 보조하는 최신의 스티어링 기술입니다.
EPS 시스템에서는 운전자가 스티어링 휠을 회전시키면, 이 동작이 감지되어 전기 모터에 신호로 전달됩니다. 이 모터는 신호를 받아서 적절한 양의 힘을 생성하며, 이 힘은 랙 앤 핀언 메커니즘이나 다른 조향 메커니즘을 통해 바퀴에 전달됩니다. 이렇게 하여 운전자가 더 적은 노력으로 차량을 조작할 수 있게 됩니다.
EPS 시스템은 속도에 따라 그 작동 방식이 달라집니다. 일반적으로 차량이 저속으로 움직일 때는 더 많은 보조력이 필요하므로, EPS는 더 많은 힘을 제공합니다. 반면에 고속 주행 시에는 안정성 유지를 위해 보조력이 줄어들게 됩니다.
EPS 시스템의 주요 장점 중 하나는 연료 효율성입니다. 기존의 유압식 파워 스티어링(Power Steering) 시스템과 비교할 때, EPS는 필요한 경우에만 작동하기 때문에 연료 소모가 적습니다.
또한 EPS 시스템은 자동차 안정성 및 핸들링 성능 개선, 정밀한 제어 가능 등과 같은 다양한 현대 자동차 기능과 잘 호환되며, 그 결과로 인해 운전 경험이 크게 개선됩니다. 그러나 EPS 시스템도 완벽하지 않으며 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들면 초기 비용이 비싸고 복잡한 구조로 인해 수리비용도 상당할 수 있습니다.
스티어링 휠의 자유로운 설계 속도
스티어링 휠은 자유로운 스트로크를 갖고있는데 이는 도로의 충격을 완화시키는 작용을 하며, 운전자의 유연한 대처를 위함입니다. 그런데 이런 자유 스트로크가 너무 크면 불편하거나 위험할 수 있는데 보통 최대 자유 회전은 10도 이하정도로 생각하시면 됩니다. 이는 자동차의 속도가 100km 일 때를 가정하는데 통상적으로 기어 변속기의 맞물림 간격을 고려하여 자유 스트로크를 조정한다고 보시면 됩니다.
