파워스티어링
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1. 개요
파워 스티어링은 자동차 운전자가 적은 힘으로 조향할 수 있도록 돕는 시스템이다. 1876년에 처음 시도되었으며, 1926년 프랜시스 W. 데이비스가 실용적인 시스템을 개발했다. 2차 세계 대전 중 군용 차량에 적용되었고, 1951년 크라이슬러가 승용차에 처음 도입했다. 유압식, 전동 유압식, 전동식 파워 스티어링 시스템이 있으며, 전동식은 연비 향상과 제어 용이성으로 인해 널리 사용된다. 파워 스티어링은 농업 기계, 전동 휠체어 등 다양한 분야에도 적용되며, 파워 스티어링 풀루이드(PSF)는 유압식 및 전동 유압식 시스템에 사용되는 작동 유체이다.
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| 파워스티어링 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 유압식 파워 스티어링 (HPS) 전기 유압식 파워 스티어링 (EHPS) 전자식 파워 스티어링 (EPS) |
| 상세 정보 | |
| 정의 | 운전자의 조향력을 보조하는 장치 |
| 작동 원리 | 유압 또는 전동 모터를 사용하여 조향 기어에 힘을 더함 |
| 장점 | 조향 용이성 향상 저속에서의 조작성 향상 운전 피로 감소 |
| 단점 | 연비 저하 (유압식) 시스템 복잡성 증가 고장 시 수리 비용 발생 가능성 |
| 역사 | |
| 최초 개발 | 1920년대 |
| 상용화 | 1950년대 크라이슬러와 제너럴 모터스에서 처음 상용화 |
| 발전 | 유압식에서 전기 유압식, 전자식으로 발전 차량 속도 감응형 파워 스티어링 시스템 개발 |
| 기술적 특징 | |
| 유압식 파워 스티어링 (HPS) | 엔진의 힘을 이용하여 유압 펌프를 작동 유압으로 조향력을 보조 |
| 전기 유압식 파워 스티어링 (EHPS) | 전기 모터로 유압 펌프를 작동 엔진 부하 감소 효과 |
| 전자식 파워 스티어링 (EPS) | 전기 모터로 직접 조향력을 보조 차량 속도 및 운전 조건에 따라 조향력 제어 가능 |
| 추가 정보 | |
| 관련 기술 | 차량 자세 제어 장치 (ESC) 차선 유지 보조 시스템 (LKAS) 자동 주차 시스템 (APS) |
| 주의 사항 | 파워 스티어링 오일 점검 및 교체 필요 (유압식) 전기 시스템 관련 고장 주의 (전기식) |
2. 역사
1876년, 피츠라는 성을 가진 사람이 차량에 최초로 파워 스티어링 시스템을 설치한 것으로 알려져 있지만, 그에 대해 알려진 정보는 거의 없다.[2] 이후 1903년 콜롬비아 5톤 트럭에 전기 모터를 사용하여 운전자가 앞바퀴를 돌리는 것을 돕는 파워 스티어링 시스템이 장착되었다.[2][3]
펜실베이니아주피츠버그의 로버트 E. 트와이포드는 1898년에 특허 출원한 초기 자동차용 4륜 구동 시스템은 1900년 4월 3일자로 특허 인증(미국 특허 646477)되었는데, 그 시스템 중에는 기계적인 파워 스티어링 기구가 포함되어 있었다.[4][5] 하지만 트와이포드의 시스템이 실용화된 흔적은 없다.
가솔린 자동차 시대에 들어서면서, 미국의 대형 고급차·상용차 메이커인 피어스 애로우의 상용차 부문에 소속된 기술자 프랜시스 W. 데이비스(Francis W. Davis)가 1926년에 최초의 실용적인 파워 스티어링 시스템을 고안했다. 이후 피어스 애로우의 경영 악화에 따라 데이비스는 제너럴 모터스(GM)로 이적하여 GM에서 유압식 파워 스티어링 개발을 추진했지만, 당시 GM은 파워 스티어링이 양산차에 장착하기에는 비용이 너무 많이 든다고 판단하여 승용차에는 즉시 도입하지 않았다. 데이비스는 그 후 자동차·항공기 부품의 대형 메이커 벤딕스(1983년에 하니웰에 합병)와 계약하여 파워 스티어링 기술을 제공했다.
제2차 세계 대전이 발발하면서 장갑차와 특수 대형 트럭 등 군용 대형 차량이 활발하게 개발됨에 따라, 이러한 차량을 다루기 쉽게 하기 위해 파워 스티어링이 장착되기 시작했다. 군용, 건설용 특수 차량에서의 파워 스티어링 채용은 이후 일반화되었고, 이후에는 민생용 트럭, 버스까지 확대되었다.
크라이슬러는 1951년, 세계 최초의 시판 승용차용 파워 스티어링 기구를 최고급차 크라이슬러 임페리얼에 "하이드라가이드"(Hydraguide)라는 명칭으로 도입했다. 크라이슬러의 시스템은 데이비스의 특허 중 만료된 요소를 몇 가지 활용했다. 이를 따라 GM은 1952년, 캐딜락에 파워 스티어링을 도입했다. 이후 대형화가 진행되고 있던 미국차에서는 파워 스티어링이 급속도로 보급되었다.
디트로이트 출신의 찰스 F. 해먼드는 1958년 캐나다 지식 재산청에 파워 스티어링 개선에 대한 여러 특허를 출원했다.[10][11][12]
1950년대 중반부터 미국 제조업체들은 이 기술을 선택 사양 또는 표준 장비로 제공했으며, 전륜 구동, 더 큰 차량 질량, 조립 라인 생산 비용 감소, 더 넓은 타이어로의 추세로 인해 현대 차량에서도 널리 제공되고 있으며, 이 모든 것이 필요한 스티어링 노력을 증가시킨다.
2. 1. 초기 개발
1876년, 피츠라는 성을 가진 사람이 차량에 최초로 파워 스티어링 시스템을 설치한 것으로 알려져 있지만, 그에 대해 알려진 정보는 거의 없다.[2] 그 후 1903년 콜롬비아 5톤 트럭에 전기 모터를 사용하여 운전자가 앞바퀴를 돌리는 것을 돕는 파워 스티어링 시스템이 장착되었다.[2][3]펜실베이니아주피츠버그 거주자인 로버트 E. 트와이포드(Robert E. Twyford)는 1900년 4월 3일에 발행된 최초의 4륜 구동 시스템에 대한 특허(미국 특허 646,477)의 일부로 기계식 파워 스티어링 메커니즘을 포함시켰다.[4][5]
가솔린 자동차 시대에 들어서면서, 피어스-에로우 모터 카 컴퍼니(Pierce-Arrow Motor Car Company)의 트럭 부서 엔지니어인 프랜시스 W. 데이비스(Francis W. Davis)는 스티어링을 더 쉽게 만드는 방법을 연구하기 시작하여 1926년에 최초의 실용적인 파워 스티어링 시스템을 발명하고 시연했다.[6][7][8] 데이비스는 제너럴 모터스(General Motors)로 옮겨 유압식 파워 스티어링 시스템을 개선했지만, 자동차 제조업체는 생산 비용이 너무 많이 들 것이라고 계산했다.[7] 데이비스는 그 후 자동차 제조업체의 부품 제조업체인 벤딕스(Bendix Corporation)와 계약을 맺었다. 제2차 세계 대전 중 군사적 필요성으로 인해 영국군과 미군을 위한 장갑차 및 탱크 회수 차량에 대한 스티어링 지원의 필요성이 높아졌다.[7]
크라이슬러(Chrysler Corporation)는 1951년 크라이슬러 임페리얼(Chrysler Imperial)에 "Hydraguide"라는 이름으로 최초의 상업용 승용차 파워 스티어링 시스템을 도입했다.[9] 크라이슬러 시스템은 데이비스의 만료된 특허를 기반으로 했다. 제너럴 모터스는 20년 전 데이비스가 회사를 위해 했던 작업을 사용하여 1952년 캐딜락(Cadillac)에 파워 스티어링 시스템을 도입했다.
디트로이트 출신의 찰스 F. 해먼드(Charles F. Hammond)는 1958년 캐나다 지식 재산청(Canadian Intellectual Property Office)에 파워 스티어링 개선에 대한 여러 특허를 출원했다.[10][11][12]
1950년대 중반부터 미국 제조업체들은 이 기술을 선택 사양 또는 표준 장비로 제공했으며, 전륜 구동, 더 큰 차량 질량, 조립 라인 생산 비용 감소, 더 넓은 타이어로의 추세로 인해 현대 차량에서도 널리 제공되고 있으며, 이 모든 것이 필요한 스티어링 노력을 증가시킨다.
2. 2. 프랜시스 W. 데이비스의 공헌
피어스-에로우 모터 카 컴퍼니(Pierce-Arrow Motor Car Company)의 트럭 부서 엔지니어였던 프랜시스 W. 데이비스(Francis W. Davis)는 스티어링을 더 쉽게 만드는 방법을 연구하기 시작하여 1926년에 최초의 실용적인 파워 스티어링 시스템을 발명하고 시연했다.[6][7][8] 데이비스는 제너럴 모터스(General Motors)로 옮겨 유압식 파워 스티어링 시스템을 개선했지만, 자동차 제조업체는 생산 비용이 너무 많이 들 것이라고 계산했다.[7] 그 후 데이비스는 자동차 제조업체의 부품 제조업체인 벤딕스(Bendix Corporation)와 계약을 맺었다.[7]제2차 세계 대전 중 군사적 필요성으로 인해 영국군과 미군을 위한 장갑차 및 탱크 회수 차량에 대한 스티어링 지원의 필요성이 높아졌다.[7] 크라이슬러(Chrysler Corporation)는 1951년 크라이슬러 임페리얼(Chrysler Imperial)에 "Hydraguide"라는 이름으로 최초의 상업용 승용차 파워 스티어링 시스템을 도입했다.[9] 크라이슬러 시스템은 데이비스의 만료된 특허를 기반으로 했다. 제너럴 모터스는 20년 전 데이비스가 회사를 위해 했던 작업을 사용하여 1952년 캐딜락(Cadillac)에 파워 스티어링 시스템을 도입했다.
조향의 파워 어시스트 기능으로 충분한 기능을 갖춘 파워 스티어링이 등장한 것은 가솔린 자동차 시대에 들어서이다. 미국의 대형 고급차·상용차 메이커인 피어스 애로우의 상용차 부문에 소속된 기술자 프랜시스 W. 데이비스(Francis W. Davis)가 1926년에 최초의 실용적인 파워 스티어링 시스템을 고안했다. 이후 피어스 애로우의 경영 악화에 따라 데이비스는 제너럴 모터스(GM)로 이적하여 GM에서 유압식 파워 스티어링 개발을 추진했지만, 당시 GM은 파워 스티어링이 양산차에 장착하기에는 비용이 너무 많이 든다고 판단하여 승용차에는 즉시 도입하지 않았다. 데이비스는 그 후 자동차·항공기 부품의 대형 메이커 벤딕스(1983년에 하니웰에 합병)와 계약하여 파워 스티어링 기술을 제공했다.
제2차 세계 대전이 발발하면서 장갑차와 특수 대형 트럭 등 군용 대형 차량이 활발하게 개발됨에 따라, 이러한 차량을 다루기 쉽게 하기 위해 파워 스티어링이 장착되기 시작했다. 군용, 건설용 특수 차량에서의 파워 스티어링 채용은 이후 일반화되었고, 이후에는 민생용 트럭, 버스까지 확대되었다.
크라이슬러는 1951년, 세계 최초의 시판 승용차용 파워 스티어링 기구를 최고급차 크라이슬러 임페리얼에 "하이드라가이드"(Hydraguide)라는 명칭으로 도입했다. 크라이슬러의 시스템은 데이비스의 특허 중 만료된 요소를 몇 가지 활용했다. 이를 따라 GM은 1952년, 캐딜락에 파워 스티어링을 도입했다. 이후 대형화가 진행되고 있던 미국차에서는 파워 스티어링이 급속도로 보급되었다.
2. 3. 상용화 및 보급
1876년, 피츠라는 성을 가진 사람이 차량에 최초로 파워 스티어링 시스템을 설치한 것으로 알려져 있지만, 그에 대해 알려진 정보는 거의 없다.[2] 1903년 전기 모터를 사용하여 운전자가 앞바퀴를 돌리는 것을 돕는 콜롬비아 5톤 트럭에 장착되었다.[2][3] 로버트 E. 트와이포드는 1900년 4월 3일에 발행된 최초의 4륜 구동 시스템에 대한 특허(미국 특허 646,477)의 일부로 기계식 파워 스티어링 메커니즘을 포함시켰다.[4][5]프랜시스 W. 데이비스는 1926년에 최초의 실용적인 파워 스티어링 시스템을 발명하고 시연했다.[6][7][8] 데이비스는 제너럴 모터스(General Motors)로 옮겨 유압식 파워 스티어링 시스템을 개선했지만, 자동차 제조업체는 생산 비용이 너무 많이 들 것이라고 계산했다.[7] 제2차 세계 대전 중 군사적 필요성으로 인해 영국군과 미군을 위한 장갑차 및 탱크 회수 차량에 대한 스티어링 지원의 필요성이 높아졌다.[7]
크라이슬러(Chrysler Corporation)는 1951년 크라이슬러 임페리얼(Chrysler Imperial)에 "Hydraguide"라는 이름으로 최초의 상업용 승용차 파워 스티어링 시스템을 도입했다.[9] 크라이슬러 시스템은 데이비스의 만료된 특허를 기반으로 했다. 제너럴 모터스는 20년 전 데이비스가 회사를 위해 했던 작업을 사용하여 1952년 캐딜락(Cadillac)에 파워 스티어링 시스템을 도입했다. 디트로이트 출신의 찰스 F. 해먼드는 1958년 캐나다 지식 재산청에 파워 스티어링 개선에 대한 여러 특허를 출원했다.[10][11][12]
1950년대 중반부터 미국 제조업체들은 이 기술을 선택 사양 또는 표준 장비로 제공했으며, 전륜 구동, 더 큰 차량 질량, 조립 라인 생산 비용 감소, 더 넓은 타이어로의 추세로 인해 현대 차량에서도 널리 제공되고 있다.
3. 작동 방식
유압식 파워 스티어링 시스템은 유압 시스템을 사용하여 차량의 조향(주로 앞쪽) 바퀴에 가해지는 힘을 증폭시킨다.[15] 유압 압력은 일반적으로 차량의 엔진에 의해 구동되는 제토어 또는 로터리 베인 펌프에서 발생한다. 복동 유압 실린더는 조향 기어에 힘을 가하고, 조향 기어는 다시 바퀴를 조향한다. 스티어링 휠은 밸브를 작동하여 실린더로의 흐름을 제어한다. 운전자가 스티어링 휠과 칼럼에 더 많은 토크를 가할수록 밸브는 실린더를 통해 더 많은 유체를 허용하므로 바퀴를 조향하는 데 더 많은 힘이 가해진다.[16]
스티어링 휠에 가해지는 토크를 측정하는 한 가지 설계는 토크 센서, 즉 스티어링 칼럼의 하단에 있는 토션 바를 사용한다. 스티어링 휠이 회전하면 스티어링 칼럼과 토션 바의 상단도 회전한다. 토션 바는 상대적으로 얇고 유연하며, 하단은 일반적으로 회전하는 것을 저항하므로, 가해진 토크에 비례하는 양만큼 비틀린다. 토션 바의 반대쪽 끝 사이의 위치 차이는 밸브를 제어한다. 이 밸브는 유체가 조향 보조 기능을 제공하는 실린더로 흐르도록 한다. 토션 바의 "비틀림"이 클수록 힘이 커진다.
유압 펌프는 용적형 펌프이기 때문에, 펌프가 제공하는 유량은 엔진 속도에 직접적으로 비례한다. 이는 엔진 속도가 높을수록 조향 장치가 엔진 속도가 낮을 때보다 더 빨리 작동한다는 것을 의미한다. 이는 바람직하지 않기 때문에, 제한 오리피스와 유량 제어 밸브는 엔진 속도가 높을 때 펌프 출력의 일부를 유압 저장소로 다시 보낸다. 압력 릴리프 밸브는 유압 실린더의 피스톤이 스트로크 끝에 도달할 때 위험한 압력 축적을 방지한다.
스티어링 부스터는 부스터가 고장나더라도 조향 기능이 계속 작동하도록 배열된다(휠이 더 무겁게 느껴지지만). 파워 스티어링의 손실은 차량의 핸들링에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 각 차량 소유자의 설명서에는 유체 레벨 검사 및 파워 스티어링 시스템의 정기적인 유지 관리에 대한 지침이 제공된다.
"유압 오일" 또는 "오일"이라고도 하는 작동 유체는 압력이 전달되는 매체이다. 일반적인 작동 유체는 광유를 기반으로 한다.
일부 최신 시스템은 차량 속도가 증가함에 따라 유압 공급 압력을 줄이기 위한 전자 제어 밸브를 포함하기도 한다. 이는 가변 보조 파워 스티어링이다.
DIRAVI는 현재 보편화된 속도 감응형 스티어링의 이점을 혁신했다.[17] 이 파워 스티어링 시스템에서 바퀴를 조향하는 힘은 차량의 고압 유압 시스템에서 나오며, 도로 속도와 관계없이 항상 동일하다. 스티어링 휠을 돌리면 유압 실린더를 통해 바퀴가 해당 각도로 동시에 움직인다. 인공적인 조향 느낌을 주기 위해, 스티어링 휠을 중앙 위치로 되돌리려는 별도의 유압 작동 시스템이 있다. 가해지는 압력의 양은 도로 속도에 비례하므로, 저속에서는 스티어링이 매우 가볍고, 고속에서는 중앙에서 약간만 벗어나도 움직이기 매우 어렵다. 이 시스템은 프랑스의 시트로엥에서 발명했다. 이 시스템은 1970년 시트로엥 SM에 처음 도입되었으며, 영국에서는 'VariPower', 미국에서는 'SpeedFeel'로 알려졌다.
엔진의 출력을 이용하여 펌프를 작동시켜 유압을 얻어 그 힘으로 조타력을 보조하는 방식이다. 펌프의 구동 동력을 엔진에서 모터로 바꾼 전동 유압식도 있다. 랙 앤 피니언 방식과 볼 너트 방식으로 크게 나뉜다. 구조상 엔진 동력의 유압식의 경우 엔진 정지 중에는 전혀 기능하지 않는다. 또한, 차속을 감지하여 보조력을 제어하는 것도 있지만, 엔진 동력의 유압식의 경우 정차 상태에서의 잦은 핸들 조작이나 극저속에서의 조타 시 보조력을 확보하기 위해 엔진 회전수를 올리도록 되어 있기 때문에 브레이크나 클러치로 적절하게 속도를 억제할 필요가 있는 경우도 있다.
펌프는 엔진에 의해 구동되기 때문에, 주행 중에는 에너지를 낭비하게 된다(엔진 출력의 3% 정도). 이 문제점을 해소하기 위해 최근에는 가변 용량형 펌프의 탑재가 대형차를 시작으로, 디젤차를 중심으로 진행되고 있지만 널리 보급되지 않고 있다. 주차나 고속 주행 시의 자동 운전, 반력 제어에 의한 예방 안전 등의 응용 기술이 어려운 점도 있어, 급속하게 전동식으로 대체되고 있다.
유압식을 채용하는 장점으로, 자연스러운 조타 피드백이 있으며, 고급차 중에서도 드라이빙의 즐거움을 추구하는 차량에는 유압식을 채용하고 있다. 하지만, 초기의 미국산 승용차에서의 유압식 파워 스티어링은 너무 강력해서 "여성도 손가락 하나로 가볍게 돌릴 수 있을" 정도였으며, 핸들의 조타 감각 자체가 극도로 희박했다. 이 특성은 1950년대~60년대의 미국차를 좋든 싫든 상징하는 것이었다.
3. 1. 유압식 시스템 (Hydraulic systems)
유압식 파워 스티어링 시스템은 유압 시스템을 사용하여 차량의 조향(주로 앞쪽) 바퀴에 가해지는 힘을 증폭시킨다.[15] 유압 압력은 일반적으로 차량의 엔진에 의해 구동되는 제토어 또는 로터리 베인 펌프에서 발생한다. 복동 유압 실린더는 조향 기어에 힘을 가하고, 조향 기어는 다시 바퀴를 조향한다. 스티어링 휠은 밸브를 작동하여 실린더로의 흐름을 제어한다. 운전자가 스티어링 휠과 칼럼에 더 많은 토크를 가할수록 밸브는 실린더를 통해 더 많은 유체를 허용하므로 바퀴를 조향하는 데 더 많은 힘이 가해진다.[16]
스티어링 휠에 가해지는 토크를 측정하는 한 가지 설계는 토크 센서, 즉 스티어링 칼럼의 하단에 있는 토션 바를 사용한다. 스티어링 휠이 회전하면 스티어링 칼럼과 토션 바의 상단도 회전한다. 토션 바는 상대적으로 얇고 유연하며, 하단은 일반적으로 회전하는 것을 저항하므로, 가해진 토크에 비례하는 양만큼 비틀린다. 토션 바의 반대쪽 끝 사이의 위치 차이는 밸브를 제어한다. 이 밸브는 유체가 조향 보조 기능을 제공하는 실린더로 흐르도록 한다. 토션 바의 "비틀림"이 클수록 힘이 커진다.
유압 펌프는 용적형 펌프이기 때문에, 펌프가 제공하는 유량은 엔진 속도에 직접적으로 비례한다. 이는 엔진 속도가 높을수록 조향 장치가 엔진 속도가 낮을 때보다 더 빨리 작동한다는 것을 의미한다. 이는 바람직하지 않기 때문에, 제한 오리피스와 유량 제어 밸브는 엔진 속도가 높을 때 펌프 출력의 일부를 유압 저장소로 다시 보낸다. 압력 릴리프 밸브는 유압 실린더의 피스톤이 스트로크 끝에 도달할 때 위험한 압력 축적을 방지한다.
스티어링 부스터는 부스터가 고장나더라도 조향 기능이 계속 작동하도록 배열된다(휠이 더 무겁게 느껴지지만). 파워 스티어링의 손실은 차량의 핸들링에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 각 차량 소유자의 설명서에는 유체 레벨 검사 및 파워 스티어링 시스템의 정기적인 유지 관리에 대한 지침이 제공된다.
"유압 오일" 또는 "오일"이라고도 하는 작동 유체는 압력이 전달되는 매체이다. 일반적인 작동 유체는 광유를 기반으로 한다.
일부 최신 시스템은 차량 속도가 증가함에 따라 유압 공급 압력을 줄이기 위한 전자 제어 밸브를 포함하기도 한다. 이는 가변 보조 파워 스티어링이다.
DIRAVI는 현재 보편화된 속도 감응형 스티어링의 이점을 혁신했다.[17] 이 파워 스티어링 시스템에서 바퀴를 조향하는 힘은 차량의 고압 유압 시스템에서 나오며, 도로 속도와 관계없이 항상 동일하다. 스티어링 휠을 돌리면 유압 실린더를 통해 바퀴가 해당 각도로 동시에 움직인다. 인공적인 조향 느낌을 주기 위해, 스티어링 휠을 중앙 위치로 되돌리려는 별도의 유압 작동 시스템이 있다. 가해지는 압력의 양은 도로 속도에 비례하므로, 저속에서는 스티어링이 매우 가볍고, 고속에서는 중앙에서 약간만 벗어나도 움직이기 매우 어렵다. 이 시스템은 프랑스의 시트로엥에서 발명했다. 이 시스템은 1970년 시트로엥 SM에 처음 도입되었으며, 영국에서는 'VariPower', 미국에서는 'SpeedFeel'로 알려졌다.
엔진의 출력을 이용하여 펌프를 작동시켜 유압을 얻어 그 힘으로 조타력을 보조하는 방식이다. 펌프의 구동 동력을 엔진에서 모터로 바꾼 전동 유압식도 있다. 랙 앤 피니언 방식과 볼 너트 방식으로 크게 나뉜다. 구조상 엔진 동력의 유압식의 경우 엔진 정지 중에는 전혀 기능하지 않는다. 또한, 차속을 감지하여 보조력을 제어하는 것도 있지만, 엔진 동력의 유압식의 경우 정차 상태에서의 잦은 핸들 조작이나 극저속에서의 조타 시 보조력을 확보하기 위해 엔진 회전수를 올리도록 되어 있기 때문에 브레이크나 클러치로 적절하게 속도를 억제할 필요가 있는 경우도 있다.
펌프는 엔진에 의해 구동되기 때문에, 주행 중에는 에너지를 낭비하게 된다(엔진 출력의 3% 정도). 이 문제점을 해소하기 위해 최근에는 가변 용량형 펌프의 탑재가 대형차를 시작으로, 디젤차를 중심으로 진행되고 있지만 널리 보급되지 않고 있다. 주차나 고속 주행 시의 자동 운전, 반력 제어에 의한 예방 안전 등의 응용 기술이 어려운 점도 있어, 급속하게 전동식으로 대체되고 있다.
유압식을 채용하는 장점으로, 자연스러운 조타 피드백이 있으며, 고급차 중에서도 드라이빙의 즐거움을 추구하는 차량에는 유압식을 채용하고 있다. 하지만, 초기의 미국산 승용차에서의 유압식 파워 스티어링은 너무 강력해서 "여성도 손가락 하나로 가볍게 돌릴 수 있을" 정도였으며, 핸들의 조타 감각 자체가 극도로 희박했다. 이 특성은 1950년대~60년대의 미국차를 좋든 싫든 상징하는 것이었다.
3. 2. 전동 유압식 시스템 (Electro-hydraulic systems)
전동 유압식 파워 스티어링(EHPS)은 "하이브리드" 시스템이라고도 불리며, 일반적인 유압식 파워 스티어링과 동일한 유압 보조 기술을 사용하지만, 유압 압력을 엔진 구동 벨트 대신 전동 모터로 구동되는 펌프에서 얻는다는 차이점이 있다.[18][19]1965년, 포드는 머큐리 파크 레인 차량에 "손목 트위스트 즉시 스티어링"을 장착하여 실험했는데, 이는 일반적인 대형 스티어링 휠을 두 개의 127mm 링과 빠른 15:1 기어비, 그리고 엔진 정지 시를 대비한 전동 유압 펌프로 대체한 것이었다.[18][19] 1988년에는 스바루 XT6에 차량 속도에 따라 보조 수준을 변경하는 독특한 사이브리드 적응형 전동 유압식 스티어링 시스템이 장착되었다. 1990년, 토요타는 전동 유압식 파워 스티어링이 장착된 2세대 MR2를 출시하여 엔진에서 스티어링 랙까지 유압 라인을 연결할 필요가 없도록 했다. 1994년 폭스바겐은 전동 펌프가 장착된 골프 Mk3 에코매틱을 생산하여, 엔진이 정지된 상태에서도 파워 스티어링이 작동하도록 했다.[20]
전동 유압식 시스템은 포드, 폭스바겐, 아우디, 푸조, 시트로엥, SEAT, 스코다, 스즈키, 오펠, 미니, 토요타, 혼다, 마쓰다 등 다양한 자동차 제조사의 일부 차량에 적용되었다.
유압식 파워 스티어링은 엔진 출력을 이용해 펌프를 작동시켜 유압을 얻고, 이 힘으로 조타력을 보조한다. 펌프 구동 동력을 엔진에서 모터로 바꾼 것이 전동 유압식이다. 유압식은 랙 앤 피니언 방식과 볼 너트 방식으로 나뉜다. 엔진 동력 유압식은 엔진 정지 중에는 작동하지 않으며, 차속 감지 기능으로 보조력을 제어하기도 하지만, 정차 상태에서 잦은 핸들 조작이나 극저속 조타 시 보조력 확보를 위해 엔진 회전수를 높여야 하는 경우도 있다.
엔진 구동 펌프는 주행 중 에너지를 낭비(엔진 출력의 약 3%)하는 단점이 있다. 최근에는 가변 용량형 펌프가 탑재되고 있지만, 널리 보급되지는 않고 있다. 유압식은 자연스러운 조타 피드백을 제공하여 고급차 중 드라이빙을 중시하는 차량에 채택되기도 하지만, 초기 미국산 승용차의 유압식 파워 스티어링은 조타 감각이 매우 희박하다는 특징이 있었다.
3. 3. 전동식 시스템 (Electric systems)
'''전동 파워 스티어링'''('''EPS''', Electric Power Steering) 또는 '''모터 구동 파워 스티어링'''('''MDPS''', Motor Driven Power Steering)은 전동 모터를 사용하여 자동차 운전자의 운전을 돕는 시스템이다. 유압 시스템 대신 사용되며, 센서가 스티어링 칼럼 내부의 위치 및 토크를 감지하고, 컴퓨터 모듈이 모터를 통해 보조 토크를 가한다. 이는 스티어링 기어 또는 스티어링 칼럼에 연결되어 운전 조건에 따라 다양한 양의 보조 기능을 적용할 수 있게 한다.[21] 엔지니어는 각 차량에 대한 승차감, 핸들링 및 스티어링을 최적화하여 스티어링 기어 응답을 가변 속도 및 가변 감쇠 서스펜션 시스템에 맞게 조정할 수 있다.[21]
EPS는 스티어링 휠과 스티어링 기어 사이의 기계적 연결을 유지한다. 구성 요소 고장이나 전원 고장으로 보조 기능을 제공하지 못하는 경우, 이 기계적 연결이 백업 역할을 한다. EPS가 고장나면 운전자는 조향에 많은 노력이 필요한 상황에 직면하며, 이는 작동하지 않는 유압식 파워 스티어링과 유사하다. NHTSA는 고장 위험이 있는 EPS 시스템을 리콜하는 데 자동차 제조업체를 지원했다.[23]
전동 시스템은 연비 개선에 유리한데, 이는 보조 필요 여부와 관계없이 벨트 구동식 유압 펌프가 지속적으로 작동하지 않기 때문이다. 이는 전동 시스템 도입의 주요 이유 중 하나이다. 또한 엔진에 장착된 유압 펌프와 섀시에 장착된 스티어링 기어 사이의 벨트 구동식 엔진 부속품 및 고압 유압 호스를 제거하여 제조 및 유지 관리가 단순화된다. 전자식 주행 안정화 제어 장치와 통합하면 전동 파워 스티어링 시스템은 운전자가 수정 기동을 할 수 있도록 토크 보조 수준을 즉시 변경할 수 있다.[24]
1986년, NSK는 배터리 지게차용 세계 최초의 전동 파워 스티어링 시스템을 실용화했다.[25] 1988년, 고요정공(현 제이텍트)과 NSK는 일본 내수 시장에서만 판매되는 경차용 칼럼 시스템을 공동 개발했다.[26] 양산 승용차용 최초의 전동 파워 스티어링 시스템은 1988년 스즈키 세르보에 등장했다.[27] 1990년에는 클러치 없이 랙 보조의 직접적인 완전 제어 시스템이 혼다 NSX에 실용화되었다.
이후, 혼다 NSX(1990년), 혼다 프렐류드(1991년), 스바루 SVX(1991년), 닛산 300ZX(1993년, Z32, 버전 3 이후), 실비아, 스카이라인, 로렐, MG F(1999년), 피아트 푸은토 Mk2(1999년), 혼다 S2000(1999년), 토요타 프리우스(2000년), BMW Z4(2002년), 마쓰다 RX-8(2003년) 등 다른 전동 파워 스티어링 시스템(4WS 포함)이 등장했다.
이 시스템은 다양한 자동차 제조업체에서 사용되었으며, 연료 소비 및 제조 비용을 줄이기 위해 소형차에 가장 일반적으로 적용된다.
2000년대 초에는 엔진 출력이 작은 경차나 1500cc 클래스 이하의 소형 대중차를 중심으로 채용되었지만, 1997년 교토 의정서 의정 후, 이산화탄소 삭감의 관점에서 주목받기 시작하여 급격히 확대되었다. 2010년대에는 4000cc를 넘는 대형 고급차에서도 일본차·수입차를 불문하고 순수한 전동식이 주류이며, 20세기 말 이후에 보급된 현대적인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서는 거의 모든 차종이 채용하고 있다.
초기 전동식에서는 부자연스러운 감촉이라고 평가되는 것이 많았지만, 본격적인 풀 어시스트 방식의 등장으로 자연스러운 조작감을 얻을 수 있게 되었다. 최근에는 연비에 미치는 영향 외에도 유압식에 비해 제어가 용이하다는 점에서 새로운 응용 기술의 연구가 진행되어, 주차 지원, 가변 기어비 시스템, 자동 카운터 스티어, 차선 유지 등의 기능도 부가되었다. 사륜 조향 기구(4WS)와 연동하는 경우도 있다.
모터에 의해 보조를 하는 위치의 차이에 따라 '''컬럼 어시스트형''', '''피니언 어시스트형''', '''랙 어시스트형''' 등으로 구분된다. 컬럼 어시스트형은 소형차에 적합하며, 정숙성 측면에서는 불리하다.[32] 하지만 레이아웃이 용이하고 모듈화가 가능하다는 점에서 비교적 큰 차에도 탑재되고 있다.[33] 파워 스티어링이 없는 구형 차량 등에 파워 스티어링을 장착할 때는 주로 컬럼 어시스트 방식이 사용된다.[31] 피니언 어시스트형은 컬럼 어시스트형보다 비교적 큰 힘을 어시스트하는 데 적합하며, 랙 어시스트형은 큰 힘을 어시스트할 수 있기 때문에 대형차에 적합하다.
3. 4. 가변 기어비 시스템 (Electrically variable gear ratio systems)
2000년, 혼다 S2000 Type V는 최초의 전기식 가변 기어비 스티어링(VGS) 시스템을 장착했다.[29] 2002년, 토요타는 렉서스 LX 470과 랜드크루저 시그너스에 "가변 기어비 스티어링"(VGRS) 시스템을 도입했으며, 전자 제어 주행 안정 장치 시스템을 통합하여 스티어링 기어비와 스티어링 어시스트 레벨을 변경했다. 2003년에는 BMW가 5 시리즈에 "액티브 스티어링" 시스템을 도입했다.[30]가변 기어비 시스템은 스티어링 비율이 아닌 스티어링 어시스트 토크를 변화시키는 가변 어시스트 파워 스티어링, 또는 기어비가 스티어링 각도의 함수로만 변화하는 시스템과 혼동해서는 안 된다. 후자는 더 정확하게 비선형 유형(예: 메르세데스-벤츠에서 제공하는 Direct-Steer)이라고 불리며, 스티어링 휠 위치 대 액슬 스티어링 각도의 그래프는 점진적으로 곡선형(그리고 대칭)이다.
4. 파워 스티어링 풀루이드 (PSF)
파워 스티어링 풀루이드(PSF, 파워 스티어링 오일)는 유압식 및 전동 유압식 파워 스티어링에 사용되는 작동 유체이다. 파워 스티어링 오일, PS 오일 등으로 불리기도 하지만, 엔진 오일과는 사용 장소와 기능이 다르다. 스티어링 기어 박스 내의 윤활과 파워 스티어링 펌프에서 발생하는 유압 전달을 담당한다. 초기에는 자동 변속기 오일(ATF)을 공용하기도 했고, 하이드로 뉴매틱 서스펜션 채용 차종에서는 다른 기구와 공용하는 독자적인 작동유를 사용하기도 했다.
오랜 사용으로 풀루이드가 열화되면 조작성 악화 및 오일 누출이 심해질 수 있다. 최근에는 유압식 파워 스티어링 시스템의 신뢰성이 향상되어, 차량 취급 설명서에서 100,000km 주행 후 교환 또는 교환 불필요를 명시하는 경우도 많다. 그러나 풀루이드 열화로 인해 조향감이 무거워지는 등 체감할 수 있는 변화가 있을 수 있으므로, 수만 킬로미터 정도의 적당한 간격으로 교환하는 것이 좋다.
5. 비판 및 안전 문제
6. 기타 분야 적용
농업 기계에도 파워 스티어링 채용 사례가 많다. 가장 대표적인 것이 트랙터이다. 과거에는 사륜 구동이 아닌 트랙터가 많았고 앞 축의 무게가 가벼워 팔에 부담이 적었으며, 기술적인 어려움도 있어 파워 스티어링이 잘 채용되지 않았다. 그러나 이후 거의 모든 트랙터 기종에서 파워 스티어링이 채용되고 있다. 농업용 트랙터에 장착된 파워 스티어링은 포장도로에서 검지 손가락 하나로 핸들을 돌릴 수 있을 정도로 조작력이 가볍다. 이는 포장지에 들어갈 때 부하가 증가하고, 특히 습전(깊은 논)에서는 타이어가 흙에 파묻히기 때문에 더 강한 보조력이 필요하기 때문이다.
농업용 트랙터용 파워 스티어링에는 주로 소형 클래스에 채용되는 '인테그랄식'과, 중형~대형 클래스에 채용되는 '전 유압식'이 있다. 인테그랄식은 단순한 구조로 정비 비용이 낮고, 핸들에서 타이어까지를 로드나 샤프트, 기어 박스를 통해 기계적으로 연결한 다음 유압으로 조작력을 보조하는 구조이다. 직진할 때 핸들 센터 위치가 틀어지는 일은 없다. 반면, 전 유압식은 동작이 더 강력하고 어시스트성이 우수하지만, 복잡한 구조로 정비 비용이 높다. 핸들 조작을 유압으로 변환하고 유압 호스를 통해 조작을 전달하는 구조이기 때문에 유압 누설에 의해 핸들 센터 위치가 일정하지 않다.
콤바인의 선회 조작계에서도 파워 스티어링 기술이 적용된다. 과거에는 좌우 선회를 위한 트랜스미션 사이드 클러치 조작을 수동으로 했지만, 전자 밸브와 유압 장치로 대체하여 가벼운 조작력으로 선회할 수 있게 되었다.
최근 조이스틱 조작형 전동 휠체어의 앞바퀴 조향 장치에도 파워 스티어링이라는 용어가 사용된다. 이는 탑승자의 조작력을 보조하는 기구가 아니라, 조이스틱 조작을 전기 신호로 변환하여 조향용 전동 모터를 구동해 앞바퀴 캐스터를 조향하는 장치이다. 과거 전동 휠체어는 좌우 구동륜 회전 수 차이로 조향했지만, 악로 주행 시 선회 중 구동륜 슬립이 발생하면 원하는 방향으로 선회하기 어려웠고, 경사면을 가로지를 때 아래쪽으로 진행하는 것을 수정해야 했다. 그러나 파워 스티어링 방식 전동 휠체어는 조향용 전동 모터 유지력이 앞바퀴 캐스터가 받는 외력에 이겨 탑승자가 의도하는 방향으로 진행하기 용이하다.
7. 파워 스티어링이 없는 차량
파워 스티어링 기구가 장착되지 않은 차량은 ''수동 스티어링'', ''비 파워 스티어링'', ''논 파워'', ''중(重) 스티어링''(오모스테) 등으로 불리기도 하지만, 이는 일종의 속어이며 정해진 레트로님은 아니다.
파워 스티어링이 없던 시대의 대형 운송 트럭에는 종종 조수가 함께 탑승했다. 조수의 역할 중 하나는 운전자가 정차 후 방향을 전환할 때, 핸들 조작에 맞춰 앞바퀴를 차거나 밀어서 앞바퀴가 운전자가 의도하는 방향으로 회전하도록 돕는 것이었다. 파워 스티어링의 보급으로 이러한 조수의 작업은 사라졌다.
2023년 현재, 경트럭의 최저가 모델에는 에어컨과 파워 스티어링이 없는 사양이 설정되어 있다. 또한, 스포츠카인 알파 로메오 4C도 파워 스티어링이 없다.
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