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조향
조향(操向)은 자동차 등의 달리는 방향을 조종하는 행위를 의미한다.
스티어링
스티어링은 자동차의 진행 방향을 운전자 임의대로 바꾸기 위한 장치로, 조향 시스템 또는 조향장치라고도 한다. 조향 핸들, 조향축 등으로 구성되어 운전자의 조향력을 기어 장치에 전달하는 조작 기구이며, 조향력의 방향을 바꾸어 줌과 동시에 회전력을 증대 시켜 주행 링크 기구에 전달하는 기어 장치 및 기어 장치의 작동을 앞바퀴에 전달하고 좌우 바퀴의 관계 위치를 바르게 지지하는 링크 기구 등으로 구성되어 있다.[1] 또한 자동차 조향장치는 운전자가 핸들을 돌림으로써 전륜의 각도를 핸들의 회전량만큼 변화를 주어 원하는 방향으로 차량을 조작할 수 있게 도와준다. 조향장치의 조건으로는 노면의 충격이 조향휠에 전달되지 안하양 되며, 회전과 바퀴의 선회 차가 크지 않아야 된다. 또한 조작하기 쉽고, 방향 전환이 원활하게 이루어져야 하며 조향장치 방식은 3가지 방식이 있다. 핸들로 바퀴를 움직일 수 있지만, 그 반대로 조작이 불가능한 비가역식, 핸들과 바퀴 쪽에서 조작력이 서로 전달되는 가역식, 비가역과 가역성의 중간 특성을 가지는 반가역식이 있다. 조향장치는 채택한 서스펜션과 작동 방식에 따라서 종류가 나뉜다. 일체 차축 현가식은 좌우 바퀴가 하나의 축으로 연결된 서스펜션으로 택시, 버스, 트럭, 승합차 등 상용차에서 많이 사용된다. 독립 현가식은 좌우의 차륜이 따로 전동할 수 있는 서스펜션으로 승용차에 주로 쓰인다. 버스와 승용차의 조향장치가 다른 이유도 이런 이유 때문이다. 일부 자동차에서는 유압식이나 전동식이 아닌 바퀴와 핸들의 기계적인 연결이 없는 새로운 형태의 조향장치인 스티어 바이 와이어가 적용되고 있다. 이 기술이 완벽하게 구현이 되면 자동차에서 운전대와 페달이 사라지고 운전자가 목적지만 입력하면 되는 완전자율주행이 가능하다.[2] 더불어 특허청(Korean Intellectual Property Office) 관계자는 전동식 조향장치는 자율주행 자동차에서도 필요한 기본 기술로, 향후 지속적인 연구개발이 필요하다고 밝히면서, 고장 안전 등 조향 안정성을 높이는 기술에 대해 특허 및 기술 경쟁력을 높이는 것이 중요하다고 밝혔다. 전동식 조향장치 관련 지식재산권 확보가 크게 늘고 있는 것으로 나타났다. 특허청에 따르면 2008년 이후 2019년까지 10년 동안 전동식 조향장치 분야의 특허출원은 연평균 246건이었으며 매년 평균치와 유사한 숫자로 비교적 일정하게 유지된 것으로 나타났다. 그러나 유압식 조향장치의 특허출원은 2008년 83건에서 2019년의 경우 4건에 불과했다. 업계에서 유압 방식에 대한 기술개발에 힘을 쓰고 있지 않음을 나타내고 있다. 세부적으로, 유압식의 장점을 전동식에 반영하려는 노력이 특허 출원으로 나타났다. 전동식 조향장치의 제어 방법에 대한 특허 출원이 2008년 17건에서 2019년에는 65건으로 연평균 16.1% 증가했다. 따라서 현 단계에서 전동식 조향장치는 유압식의 장점을 모두 흡수한 것으로 보인다. 더불어 조향장치는 모터가 실내에 위치하는 칼럼 타입, 엔진룸에 위치하는 랙 타입으로 나뉜다. 칼럼 타입은 구조와 비용 면에서 강점을 가지고 있으며 랙 타입은 조향감이 더 우수하다는 강점을 가지고 있다. 2008년까지는 칼럼 타입의 특허출원이 80% 이상으로 절대 비중을 차지했지만, 이후에는 랙 타입의 출원이 앞서기 시작했고 연평균 12%씩 늘어났다. 또한 자율주행 관련 특허 출원이 늘어나기 시작했고, 운전대와 바퀴를 기계적으로 연결하지 않고 전기 신호만으로 바퀴의 방향을 조정하는 기술 등이 대표적인 예이다. 그러나 이 기술은 안정성이 문제로 지적되어 기술 개발에 난항을 겪고 있다. 하지만 고장에 대한 안정성 확보에 대한 기술도 발전하여 특허 출원이 늘어났으며, 2011년 1건이었던 것에 비해 2019년에는 16건으로 늘어났다.[3]
조향 핸들
조향 핸들은 보통 핸들 또는 운전대라고 부르며, 허브, 스포크, 림 등으로 구성되어 있다. 스포크나 림의 내부에는 보강을 위한 강이나 경합금심이 들어있고 외부에는 우레탄 등의 합성수지로 되어있다.[4] 저속에서 조향 핸들이 떨리는 현상은 조향장치의 타이로드엔드, 피트먼암엔드의 볼, 조인트 등 각 부품이 마모로 인한 유격 과다 되었을 경우로, 엔드 부분에 유격이 없도록 해야 하고 엔드볼은 대부분 수리가 불가능하므로 교환을 해야 한다. 70km/h에서부터 90km/h 이내에서만 떨리고 이하가 되거나 그 이상이 되면 떨지 않게 되는 경우, 휠 밸런스가 맞지 않을 수 있으니 밸런스 테스트기를 이용해 조정하면 해결된다. 테스트기에서는 이상이 없던 타이어가 자동차 장착 후 주행을 시작하면 핸들이나 차체가 떨리는 경우가 발생하는 경우도 있다. 휠 밸런스 테스트기는 일반적으로 타이어를 차량에서 탈거해 테스트기에 장착하여 테스트하는 오프더카타입과타이어가 차량에 조립된 상태에서 테스트기를 타이어에 부착하여 시험하는 온더카타입으로 구분 할 수 있다. 휠 밸런스 점검 시에는 타이어와 림만 점검하는 것이 아니라 드럼과 허브 베어링과 지지해주는 스핀들 등이 일체가 되어 회전하기 때문에 이러한 부품까지도 함께 점검해주어야 한다. 따라서 휠 밸런스를 조정했는데도 주행 시 70~90km/h 사이에서 조향 핸들이 떨린다면 드럼과 림, 허브 베어링, 스핀들 상태까지 점검이 가능한 온더카타입을 이용하여 점검해야 조정이 가능하다. 고속에서 핸들이 떨거나 차체의 진동이 발생하는 경우 여러 가지 원인을 예상해 볼 수 있다. 정확한 진동 발생 원인을 진단해야 올바른 정비가 가능한데, 우선 스프링을 기준으로 진동이 스프링 윗부분에서 발생하는가, 아랫부분에서 발생하는 가로 구분하여 진단한다. 스프링 윗부분에서의 진동 원인은 엔진의 엔진 마운틴 브래킷, 엔진 마운틴과 차체 각 연결부나 공기 저항에 의한 경우, 스프링 아랫부분에서의 진동은 휠 밸런스와 제동장치에서의 진동, 스프링 장치의 진동에 의한다고 볼 수 있다. 조향장치 각 부품, 차체의 굴곡진 부분에서의 진동과 대쉬판넬의 진동 및 차량 하체 등의 그 작은 진동이 서로 겹쳐 큰 진동으로 변하여 핸들을 진동시키는 것이다. 결론적으로 고속에서의 진동이 발생할 경우 엔진 마운틴 브래킷의 노후 손상, 센터 멤버와 사이드 멤버 브래킷의 손상, 스프링 장력 감소, 프레임 변형과 아이들 암 부싱의 손상, 쇽업쇼버의 작동 불량, 프로펠러 샤프트의 휨 등 매우 다양한 원인을 예상해야 하므로 하나씩 점검하고 정비할 필요가 있다.[5] 2018년 12월, 포르쉐(Porsche) 플래그십 세단 파나메라가 조향핸들의 소프트웨어 결함으로 리콜을 했다. 포르쉐는 전기식 조향 시스템이 일시적으로 중단되는 소프트웨어의 결함이 발견돼 전 세계에 판매된 파나메라를 대상으로 리콜을 했다. 대상 모델은 2016년 3월 6일부터 2018년 12월 6일 사이에 생산 판매된 파나메라 7만 4,585대다. 포르쉐는 "소프트웨어의 이상 작동으로 조행 핸들의 조작에 문제가 있을 수 있다"며 "관련 컨트롤 유닛의 프로그램을 업데이트하는 작업이 이뤄질 것"이라고 말했지만, 관련 결함에 의한 사고나 부상은 보고되지 않았다.[6]
조향축
조향축은 핸들의 조작력을 조향 기어에 전달하는 축으로, 조향 칼럼이라고도 한다. 조향축의 윗부분에는 핸들이 결합하여 있고, 아랫부분에는 조향 기어가 결합하여 있다.[7] 충격 흡수식 조향축은 충돌 시에 조향축이 축 방향에 압축되어 변형하는 방식을 컬랩서블 스티어링이라고 하며 튜브 볼식이 있고 컬럼이 축 방향으로 압축되어 변형되는 것이 특징이다.[8] 조향축 경사는 차의 중심선 쪽으로 조향축의 중심선이 기우는 것으로, 앞에서 보았을 때 조향축의 중심선과 수직선을 이루는 각도이다.[9]
조향기어
조향기어는 조향조작력을 증대 시켜 앞바퀴로 전달하는 장치이며, 종류에는 웜 섹터 형, 웸 섹터 롤러형, 볼-너트형, 캠 레버형, 래크와 피니언형, 스크루 너트형, 스크루 볼형 등이 있다. 주로 사용되고 있는 형식은 볼-너트 형식과 래크와 피니언이다. 볼-너트 형식은 스크루 와 볼 너트 사이에 많은 볼이 들어 있어 조향 핸들의 회전을 볼의 동력전달 접촉으로 너트로 전달한다. 작동은 조향 핸들이 회전하면 스크루 흠을 이동하여 너트의 한끝에서 밖으로 나와 안내 튜브를 지나서 다시 스크루 홈으로 들어간다. 볼은 2줄로 나누어 순환하며, 이 순환 운동으로 너트는 직선운동을 하고 섹터는 원호 운동을 한다. 래크와 피니언 형식은 조향 핸들의 회전운동을 래크를 통해 직선운동으로 바꾸어 조향하게 되어 있으며, 조향축 아랫부분에 피니언이 래크와 결합하여 있다. 따라서 래크는 피니언의 회전운동에 따라 조향기어 내에서 좌우로 직선운동을 하여 그 양 끝의 타이로드를 거쳐 좌우의 조향 너클 암을 이동 시켜 조향한다. 조향기어의 비율은 알맞은 감속비율을 두며, 조향기어의 비율을 크게 했을 때는 조향 핸들의 조작이 가벼워지며 좋지 않은 도로에서 조향 핸들을 놓칠 우려가 적다. 또한 복원성능이 좋지 않게 되며 조향기어 장치의 마모가 촉진될 수 있다. 조향기어의 방식은 두 가지의 방식이 있다. 먼저 가역 방식은 앞바퀴로도 조향 핸들 움직일 수 있으며, 조향기어 비율이 낮다. 장점은 앞바퀴에 복원성을 부여하여 조향기구의 마멸을 작으나, 비포장도로에서 주행 중의 충격으로 조향 핸들을 놓치기 쉽다. 비가역 방식은 조향 핸들로는 앞바퀴를 움직일 수 있으나 그 반대로는 조작이 불가능한 것이며, 조향기어 비율이 크기 때문에 조향조작력은 작으나 조향 조작이 신속하지 못하다. 장점은 비포장도로에서 조향 핸들을 놓칠 염려는 없으나 조향기구의 마멸이 크고, 앞바퀴 복원성을 이용할 수 없는 결점이 있다.[10] 2015년 7월 10일, 국토교통부는 자동차관리법 시행규칙을 개정해 조향기어 위쪽에 부착된 기기나 장치를 고치기 위해 부득이하면 자동차 전문정비업자도 조향기어를 탈부착할 수 있도록 하였다. 기존에는 자동차 전문정비업자는 법적으로 변속기 정비작업 등을 할 수 있으나 이를 위해 필요한 조향기어 탈부착은 할 수 없었다. 하지만 해당 시행규칙 개정안은 2015년 7월 8일부터 40일간 입법 예고되어 시행됐다.[11]
각주
- ↑ 〈조향 장치〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 다이렉트애드, 〈자동차 조향장치 모든것 알아보세요~〉, 《네이버 블로그》, 2021-06-08
- ↑ 이충건 기자, 〈(페이먼트)자동차 조향장치, 이제 전동 구동방식이 대세〉, 《비즈월드》, 2020-01-09
- ↑ 카모두 공식 홈페이지 - https://www.carmodoo.com/guide/view.html?uid=233&page=&code=dictionary&searchkey=&keyfield=&id=
- ↑ 박형렬 교수, 〈주행 중 차량 조향핸들 떠는 원인이 무엇일까?〉, 《경남도민신문》, 2019-07-03
- ↑ 오토헤럴드, 〈포르쉐 파나메라 조향핸들 결함, 7만4585대 리콜〉, 《네이버 포스트》, 2018-12-21
- ↑ 〈조향축〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 공학 정보 제트국대제트, 〈조향 축과 조향기어의 종류〉, 《카카오 애드핏》, 2021-04-01
- ↑ 〈조향축 경사〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 김군, 〈자동차 조향기어 방식〉, 《네이버 블로그》, 2015-03-11
- ↑ 이재영 기자, 〈동네 카센터서 조향기어 탈부착 가능해진다〉, 《연합뉴스》, 2015-07-10
참고자료
- 〈조향 장치〉, 《네이버 지식백과》
- 다이렉트애드, 〈자동차 조향장치 모든것 알아보세요~〉, 《네이버 블로그》, 2021-06-08
- 이충건 기자, 〈(페이먼트)자동차 조향장치, 이제 전동 구동방식이 대세〉, 《비즈월드》, 2020-01-09
- 카모두 공식 홈페이지 - https://www.carmodoo.com/guide/view.html?uid=233&page=&code=dictionary&searchkey=&keyfield=&id=
- 박형렬 교수, 〈주행 중 차량 조향핸들 떠는 원인이 무엇일까?〉, 《경남도민신문》, 2019-07-03
- 오토헤럴드, 〈포르쉐 파나메라 조향핸들 결함, 7만4585대 리콜〉, 《네이버 포스트》, 2018-12-21
- 〈조향축〉, 《네이버 지식백과》
- 공학 정보 제트국대제트, 〈조향 축과 조향기어의 종류〉, 《카카오 애드핏》, 2021-04-01
- 〈조향축 경사〉, 《네이버 지식백과》
- 이재영 기자, 〈동네 카센터서 조향기어 탈부착 가능해진다〉, 《연합뉴스》, 2015-07-10
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