[자동차 이야기(81)] 전기모터식 동력조향장치

자동차의 조향장치(steering system)는 자동차의 진행 방향을 운전자가 의도하는 대로 조작할 수 있는 장치이다. 고급 승용자동차, 트럭 등의 다소 무거운 자동차들의 조향장치로 바퀴 조향에 큰 힘이 필요로 하게 되었기에 조향기어비를 유지하면서 드라이버의 조작력을 배력하는 장치를 포함하는 흔히 파워 스티어링(Power Steering, PS)이라 하는 동력조향장치를 이용하고 있다. 배력장치를 포함하는 동력조향장치로는 유압(파워스티어링 오일의 압력)을 이용하는 방식과 전기모터를 이용하는 방식이 혼재하고 있지만 빠른 속도로 전기모터 방식으로 전환되고 있는 상황이다. 이번 호에서는 전기모터를 사용하고 있는 전동식 동력조향장치에 대해서 설명드리고자 한다.


자동차의 주행 방향의 변환을 위해 조향 휠을 돌리게 되면, 조향 휠의 회전 운동이 조향축을 거쳐 조향 기어에 전달된다. 회전운동은 조향 기어에서 감속되면서 바퀴 조향 토크를 증가시키고, 랙-피니언 기어 형식이라면 직선 운동으로 변환시킨다. 랙-피니언 기어에서 변환된 직선운동은 타이로드, 조향너클 암 등을 거쳐 바퀴에 전달되고, 바퀴를 회전시켜 자동차의 주행 방향이 제어되는 작동 원리이다.

또한 조향장치는 애커먼 조향장치를 사용하여 자동차가 곡선로를 선회할 때, 주로 좌/우 앞바퀴의 조향각을 서로 다르게 하고 있으며, 적절한 조향기어비를 가져야 하고, 바퀴가 그리는 회전반경(최대 12m이하)이 작고 고속주행시 조향휠의 안정성이 충분히 확보되어야 한다는 조건을 만족하여야 한다.



◇동력조향장치의 종류

그림 1과 같은 수동식 조향장치는 운전 편의성이 좋지 않아 거의 미미하고, 자동차 운전자의 조향휠(조향핸들) 조작력을 배력하는 장치가 포함되는 동력조향장치의 종류는 아래와 같이 3가지라고 볼 수 있다.
첫째는 파워스티어링 오일을 사용하고 엔진에 의해 구동하는 오일펌프를 갖는 유압식 동력조향장치(Hydraulic Power Steering)이다. 가장 고전적인 형식으로 그림 3과 같다. 오일 펌프가 동력조향장치의 동력원이며 엔진에 의해 벨트 또는 기어로 구동되는 펌프인데, 저속에서 고속까지의 넓은 회전 속도 범위와 소음이 낮고, 소형이며 가벼워야 한다. 승용자동차의 경우, 유압펌프의 공급능력은 정상 부하상태에서 1분당 약 5∼8리터 정도이다. 동력 소모는 엔진의 회전속도와 조향에 필요한 유압에 따라 큰 차이가 있으나, 평균적으로 0.8Kw 정도이고 바퀴의 조향각도가 클 때는 동력소모가 약 4∼5Kw 정도까지도 이르기에 자동차 연비에 좋지 않은 형식이다.

둘째는 파워 스티어링 오일을 사용하고 전기모터식 오일펌프를 갖는 전기유압식 동력조향장치(Electric Hydraulic Power Steering)이다. 그림 3에서의 유압식 동력조향장치(Hydraulic Power Steering)에서 엔진 구동방식의 오일펌프가 전기모터식 오일펌프로 대체된 형식이다. 배터리 전원에 의해 전기모터가 유압펌프를 구동하고 조향조작 시에만 에너지를 약 0.8Kw 정도를 소모하므로, 유압식 동력조향장치(Hydraulic Power Steering)보다 연비가 우수하고, 자동차 속도와 조향 각속도에 따라 배력특성을 변화시킬 수 있는 장점이 있으나 가격이 다소 비싼 단점이 있다.



셋째는 파워스티어링 오일을 사용하지 않고 전기 모터와 감속 기어를 이용하는 전기모터식 동력조향장치(Motor Driven Power Steering)이다. 그림 5와 같이 오일 펌프를 구동하는 엔진의 구동 손실을 줄일 수 있고, 펌프와 밸브, 파이프 등을 포함하는 유압 시스템을 제거함으로서 경량화가 가능하며 연비가 우수하다는 장점이 있다. 전기자동차와 하이브리드 전기자동차는 전기모터식 동력조향장치를 사용하고 있다.



전기모터식 동력조향장치도 그림 6과 같이, 전기모터의 위치에 따라 3가지 종류가 있다. 소형자동차와 중형자동차에서는 컬럼식을 대형자동차에서는 랙식을 사용하고 있는 상황이다.



컬럼형식의 전기모터식 동력조향장치의 구성은, 구동 모터와 모터의 토크를 증폭하는 감속기, 조타력을 검지하는 토크 센서, 조향각을 감지하는 조향각 센서, 제어기등으로 구성된다. 토크 센서에는 외력에 의한 변형을 막는 토션 바가 조립되어 있고 홀 소자와 광학 센서에 의해 조타력을 감지한다. 제어기는 조타력과 조향각도, 자동차 속도 등의 정보로부터 판단하여 구동 모터의 구동력을 결정하도록 되어 있다.



◇전기모터식 동력조향장치

자동차의 능동안전 시스템은 운전자의 안전을 위해 적용되고 있는 안전시스템이다. 능동현가장치, 자세제어장치(VDC) 등을 포함하는 첨단 섀시 시스템의 제어 기능은 능동 안전 시스템을 선도하는 주요 기술이다. 그 중에서 전기모터식 동력조향장치(Motor Driven Power Steering)는 차량 안전성과 높은 연비의 경제성이 결합된 기술로 EPS는 1990년대 중반 처음으로 시장에 도입된 이래 자동차 시장의 거의 모든 부문으로 확산되고 있다. 기존 유압식 파워 스티어링은 엔진에서 벨트로 구동하는 유압펌프로부터 유압을 발생하여 스티어링 휠 조작력을 보조하는데 반하여 전기모터식
동력조향장치는 전기 모터를 이용하여 운전자가 조향휠을 조작하는 힘을 저감시켜주는 장치로서 다양한 운전조건에 따른 정밀제어가 가능하므로 운전자가 느끼는 조향휠 조작력을 최적으로 제어하도록 해준다는 장점이 크다, ADAS(첨단운전자보조시스템) 적용기술 중에서도 자동 브레이크, 선행차 추종 기능인 Adaptive Cruise Control(ACC)기술, 차선 유지 기능 등에도 조향장치의 제어와 연동되어 있으며 전기자동차 보급 및 자율주행기술의 급속한 확대 적용이 진행되고 있는 바, 전기모터식 동력조향장치(MDPS)의 중요도는 점점 커질 것만은 틀림없는 사실이다.


한상욱 신한대 기계자동차융합공학과 교수