1. 조향장치의 원리

1.1. 애커먼-장토식(ackerman-jantoud type)

이 원리는 조향 각도를 최대로 하고 선회할 때 선회하는 안쪽 바퀴의 조향 각도가 바깥쪽 바퀴의 조향 각도보다 크게 되며, 뒤차축 연장선상의 한 점 O를 중심으로 동심원을 그리면서 선회하여 사이드 슬립 방지와 조향 핸들 조작에 따른 저항을 감소시킬 수 있는 방식이다. 즉, 자동차를 직진상태로 하였을 때 킹핀과 타이로드 엔드와의 중심을 연결하는 선의 연장선 A와 B가 뒤차축 중심점 P에서 만나게 되어 있으며, 이와 같이 하면 조향 핸들을 회전시켰을 때 타이로드의 작용으로 양쪽 바퀴의 너클 스핀들 중심의 연장선 C와 D가 뒤차축의 중심선과 O점에서 만나게 된다. 이에 따라 앞/뒷바퀴는 어떤 선회 상태에서도 중심이 일치되는 원을 그릴 수 있다.

애커먼 장토식의 원리

1.2. 최소 회전반경

이것은 조향 각도를 최대로 하고 선회하였을 때 그려지는 동심원 중에서 가장 바깥쪽 바퀴가 그리는 원의 반지름을 말하며 다음의 공식으로 산출된다.

 R : 최소 회전반지름,  L : 축간 거리(축거 wheel base),  simα  : 가장 바깥쪽 앞바퀴의 조향각도,    r  : 바퀴 접지면 중심과 킹 핀과의 거리

1.3. 조향장치의 구비조건

① 조향 조작이 주행 중의 충격에 영향을 받지 않을 것

② 조작이 쉽고, 방향 변환이 원활하게 행해질 것

③ 회전반지름이 작아서 좁은 곳에서도 방향 변환을 할 수 있을 것

④ 진행방향을 바꿀 때 섀시 및 보디 각 부에 무리한 힘이 작용되지 않을 것

⑤ 고속주행에서도 조향 핸들이 안정 될 것

⑥ 조향핸들의 회전과 바퀴 선회 차이가 크지 않을 것

⑦ 수명이 길고 다루기나 정비하기가 쉬울 것

2. 조향장치의 구조와 작용

일체 차축방식의 조향기구

일체 차축방식의 조향기구는 조향 핸들, 조향축, 조향 기어 박스, 피트먼 암, 드래그 링크, 타이로드, 너클암 등으로 구성되어 있다. 작동은 조향핸들을 돌리면 그 조작력이 조향축을 거쳐 조향 기어 박스로 전달된다. 조향 기어 박스에서는 감속하여 섹터축을 회전시키며, 섹터축이 회전하면 피트먼 암이 원호 운동을 하여 드래그 링크를 앞 뒤 방향으로 이동시킨다. 이에 따라, 오른쪽이나 왼쪽 바퀴가 조향 너클에 의해 선회하게 되고, 또 타이로드를 통해 반대쪽 바퀴를 선회시켜 진행 방향을 변환시킨다.

2.2. 독립 차축방식의 조향기구

독립 차축방식 조향기구에는 드래그 링크가 없으며 타이로드가 둘로 나누어져 있다. 그 구성은 조향핸들, 조향축, 조향기어 박스, 피트먼 암, 센터 링크, 타이로드, 너클 암 등으로 구성되어 있다. 그러나 최근의 승용차에서는 래크와 피니언형식을 사용하므로 피트먼 암과 센터 링크 등을 사용하지 않는다.

독립 차축방식의 조향기구

3. 조향 장치의 구조

3.1. 조향 핸들(조향 휠)

조향 핸들은 허브(hub), 스포크(spoke) 및 림(rim) 등으로 구성되며 스포크나 림의 내부에는 보강하기 위한 강이나 경합금 심이 들어 있고, 바깥쪽은 합성수지로 성형되어 있다. 그 외에도 충돌했을 때의 충격으로 림이나 스포크 부분이 변형 되어 운전자가 충돌되는 에너지를 흡수하는 형식과 충돌시 감지기(Sensor)등에 의해 조향 핸들 허브에 들어 있는 에어백(Air Bag)이 폭발 가스의 압력으로 팽창되어 튀어 나오는 구조로 된 것이 있다.

3.2. 조향축(steering shaft)

조향축은 조향핸들의 회전을 조향 기어의 웜(worm)으로 전하는 축이며, 웜과 스플라인을 통하여 자재이음으로 연결되어 있다. 또 조향 기어와 축의 연결할 때 오차를 완화하고, 노면으로부터의 충격을 흡수하여 조향핸들로 전달되지 않도록 하기 위해 조향핸들과 축 사이에 탄성체 이음으로 되어 있다. 조향축은 조향하기 쉽도록 35～50°의 경사를 두고 설치되며, 운전자 요구에 따라 알맞은 위치로 조절할 수 있다.

3.3. 조향 기어 박스(steering gear box)

조향 기어는 조향 조작력을 증대시켜 앞바퀴로 전달하는 장치이며, 종류에는 웜 섹터형, 웜 섹터 롤러형, 볼 너트형, 캠 레버형, 래크와 피니언형, 스크루 너트형, 스크루 볼형 등이 있으며 현재 주로 사용되고 있는 형식은 볼 너트 형식과 래크와 피니언 형식이다.

(1) 볼-너트 형식(ball & nut type)

스크루와 너트 사이에 많은 볼이 들어 있어 조향 핸들의 회전을 볼의 동력 전달 접촉으로 너트로 전달한다. 작동은 조향핸들이 회전하면 스크루 홈을 이동하여 너트의 한 끝에서 밖으로 나와 안내 튜브를 지나서 다시 스크루 홈으로 들어간다. 볼은 2줄로 나누어 순환하며, 이 순환 운동으로 너트는 직선운동을 하고 섹터는 원호운동을 한다.

볼-너트 형식

(2) 래크와 피니언 형식(rack & pinion type)

조향핸들의 회전운동을 래크를 통해 직선운동으로 바꾸어 조향하도록 되어 있으며, 조향축 아랫부분에 피니언이 래크와 결합되어 있다. 따라서 래크는 피니언의 회전운동에 따라 조향 기어 박스 내에서 좌우로 직선운동을 하여 그 양끝의 타이로드를 거쳐 좌우의 너클암을 이동시켜 조향한다.

그리고 조향 기어 비율은 다음과 같이 나타낸다.

조향 기어비의 값이 작으면 조향핸들의 조작은 신속히 되지만 큰 조작력이 필요하게 된다. 이에 따라 조향 기어에는 가역식, 반가역식, 비가역식 등의 형식으로 하고 있다.

래크와 피니언 형식

3.4. 조향 링크기구(Steering Linkage)

형식에 따라 그 구성이 약간씩 다르지만 섹터축과 너클 암을 연결하는 몇 개의 링크와 로드 그리고 볼 이음 등으로 구성된다.

(1) 피트먼 암(Pitman Arm or Drop Arm)

조향핸들의 움직임을 일체 차축방식의 조향 기구에서는 드래그 링크로, 독립 차축방식의 조향 기구에서는 센터 링크로 전달하는 것이며, 그 한쪽 끝에는 테이퍼의 세레이션(serration)을 통하여 섹터 축에 설치되고, 다른 한쪽 끝은 드래그 링크나 센터 링크에 연결하기 위한 볼 이음으로 되어 있다. 그러나 래크와 피니언 형식의 조향 기어 박스를 사용하는 독립 차축방식에서는 피트먼 암을 두지 않아도 된다.

(2) 아이들러 암(Idler Arm)

아이들러 암은 독립식 차축 방식에서 센터 링크를 다른 한 끝에 지지하는 막대이며, 한 끝은 볼 이음을 통해 중심 링크와 연결되고 다른 한 끝은 프레임에 볼트로 고정되어 있는 지지(Support)에 연결된다.

(3) 드래그 링크(Drag Link)

일체 차축방식 조향 기구에서 피트먼 암과 너클 암(제3암)을 연결하는 로드이며, 드래그 링크는 앞바퀴의 상하운동으로 피트먼 암을 중심으로 한 원호 운동을 한다. 또 양끝의 볼이음 부분에는 노면의 충격이 조향 기어에 전달되지 않도록 스프링이 들어 있으며, 이 스프링의 위치와 드래그 링크의 설치방향을 바꾸어 조립하면 조향 장치 각 부에 무리한 힘이 가해지므로 주의해야 한다.

섹터축, 피트먼암, 드래그링크

(4) 중심 링크(Center Link)

독립 차축방식 조향 기구에서 피트먼 암과 볼 이음을 통하여 연결되며, 작동은 조향 핸들을 회전시키면 피트먼 암으로부터의 힘을 타이로드로 전달한다. 그러나 래크와 피니언 형식의 조향 기어박스를 사용하는 독립 차축 방식에서는 센터 링크를 두지 않아도 된다.

(5) 타이 로드(Tie-Rod)

볼-너트 형식의 조향 기어박스를 사용하는 독립 차축 방식 조향 기구에서는 센터 링크의 운동을 양쪽 너클 암으로 전달하며, 래크와 피니언 형식에서는 래크 축에 2개로 나누어져 볼 이음으로 각각 연결되어 있다. 일체 차축방식 조향기구에서는 1개의 로드로 되어 있고, 너클 암의 움직임을 반대쪽의 너클 암으로 전달하여 양쪽바퀴의 관계를 바르게 유지시킨다. 또 타이로드의 길이를 조정하여 토인(toe-in)을 조정할 수 있다.

(6) 너클 암(knuckle arm, 제3암)

일체 차축방식 조향기구에서 드래그 링크의 운동을 조향 너클에 전달하는 기구이다.

(7) 일체 차축방식 조향기구의 앞 차축과 조향 너클

일체 차축방식(ridge axle)의 앞 차축은 강철을 단조한 I 단면의 빔이며, 그 양쪽 끝에는 스프링 시트가 용접되어 있고, 킹핀 설치부분에는 킹핀을 통해 조향 너클이 설치된다. 조향 너클은 킹핀을 통해 앞 차축과 연결되는 부분과 바퀴 허브가 설치되는 스핀들(spindle)로 되어 있어 킹핀을 중심으로 회전하여 조향 작용을 한다. 그리고 앞 차축과 조향 너클의 설치방식에는 엘리옷형, 역 엘리옷형, 마몬형, 르모앙형 등이 있다.

엘리옷형                                                           역 엘리옷형

마몬형                                                           르모앙형

1) 엘리옷형(elliot type)

앞 차축 양끝 부분이 요크(yoke)로 되어 있으며, 이 요크에 조향 너클이 설치되고 킹핀은 조향 너클에 고정된다.

2) 역 엘리옷형(revers elliot type)

조향 너클에 요크가 설치된 것이며, 킹핀은 앞 차축에 고정되고 조향 너클과는 부싱을 사이에 두고 설치된다. 현재 일체 차축방식의 조향방식 자동차에서는 역 엘리옷형 만이 사용되고 있다.

3) 마몬형(marmon type)

앞 차축 윗부분에 조향 너클이 설치되며, 킹핀이 아래쪽으로 돌출 되어 있다.

4) 르모앙형(lemoine type)

앞 차축 아랫부분에 조향 너클이 설치되며, 킹핀이 위쪽으로 돌출 되어 있다.

(8) 킹핀(king pin)

일체 차축방식 조향기구에서 앞 차축에 대해 규정의 각도(킹핀 경사각)를 두고 설치되어, 앞 차축과 조향 너클을 연결하며 고정 볼트에 의해 앞 차축에 고정되어 있다.

조향 링크 기구