[[새시학]]기계식파워조향장치 / 파워스티어링기어박스

[뉘앙스]

기계식파워조향장치 / 파워스티어링기어박스

 

개요

파워 스티어링 시스템(power steering system)

대형자동차나 저압 타이어를 사용한 차에서는 앞바퀴의 접지 저항이 크기 때문에 핸들의 조작력이 크게 되고 신속한 조향조작이 안될 염려가 발생한다. 그러므로 가볍고 신속한 조향 조작을 하기 위해 동력 조향장치를 사용하며 기관으로 오일 펌프를 구동하여 발생한 유압을 조향장치 중간에 설치된 배력 장치로 보내서 배력 장치의 작동으로 핸들의 조작력을 가볍게 하는 구조로 되어 있다.

장점

조향 조작력이 작아도 된다.

조향 조작력에 관계없이 조향 기어비를 선정할 수 있다.

노면으로 부터의 충격(kick back) 및 진동을 흡수할 수 있다.

앞바퀴의 시미 현상을 방지 할 수 있다.

조향력이 경쾌하고 신속하다.

단점

구조가 복잡하고 가격이 비싸다.

고장발생 시 정비가 어렵다.

오일 펌프 등에서 엔진의 출력을 소모하여 출력 손실이 발생한다.

구성

동력 조향장치의 종류

1. 링키지형(LINKAGE TYPE)

이 형식은 동력 실린더를 조향 링키지 중간에 둔 것이며 제어 밸브의 설치 위치에 따라 조합형과 분리형이 있다.

(1) 조합형(combined type)
이 형식은 제어밸브와 동력 실린더가 일체로 된 것으로 설치 장소가 비교적 넓은 대형트럭이나 버스 등에 사용된다. 그림에서와 같이 제어밸브와 일체로 되어 있는 동력실린더는 조향링키지의 일부분으로 되어 있으며 피스톤이 프레임에 고정되고 실린더가 유압에 의해 신축하도록 되어 있다. 핸들을 조작하면 피트먼암이 움직이고 그 움직임에 의해 제어 밸브가 작동하여 오일 펌프에서 오는 유로를 개페하므로 동력 실린더를 유압을 이용해서 신축시켜 핸들의 조작력을 증가시킨다.

(2)분리형(separate type)
이 형식은 제어밸브와 동력 실린더가 각각 분리되어 있는 방식으로 설치 장소가 좁은 소형트럭이나 승용차 등에서 사용되는 방식이다. 작동은 핸들의 조작으로 피니언을 움직여서 제어 밸브를 작동시켜 오일 통로를 바꾸어 줌으로서 동력 실린더의 피스톤을 이동시켜 타이로드를 밀거나, 당겨서 앞바퀴를 조향하는 타입이다.

[링키지 분리형 동력 조향장치]

2. 일체형(integral type)

일체형 동력 조향장치는 주요 기구가 조향기어 하우징 안에 일체로 결합되어 있으며 동력 실린더 동력 피스톤 제어밸브 등으로 구성되어 있다. 오일 통로를 전환하는 제어밸브는 핸들에 결합된 웜축 끝에 설치되어 있으며 제어 밸브의 스풀을 웜축으로 직접 움직여 줌으로써 작동된다. 인라인 형과 오프셋 형이 있다.

(1) 인 라인 형(in line type) 조향기어 박스와 볼 너트를 직접 동력 기구로 사용하도록 한 것이며 조향기어박스 상부와 하부를 동력 실린더로 사용한다.

(2) 오프셋형(off-set type) 이 형식은 동력 발생기구를 별도로 설치한 방식이다.

원리

동력장치(power unit)

동력원이 되는 유압을 발생시키는 장치이며 기관에 의해 구동되는 오일 펌프와 최고 유압을 규제하는 압력 조절밸브(pressure relief valve) 및 오일 통로의 유량을 조정하는 유량 제어밸브(flow control valve)를 포함한 체크 밸브 등으로 구성되어 있다. 오일 펌프는 유압을 발생하며 엔진의 크랭크축에 의해 고무 벨트를 통하여 구동 됩니다.

[베인형 오일 펌프]

작동 장치(actuator unit)

오일 펌프에서 발생한 유압을 기계적인 힘으로 바꾸어서 앞바퀴의 조향력을 발생하게 하는 부분을 복동식 동력 실린더를 사용한다.

[동력 실린더와 제어 밸브]

동력 실린더는 실린더 내에 피스톤과 피스톤 로드가 있으며 오일 펌프에서 발생한 유압유를 피스톤에 작용시켜서 조향 방향쪽으로 힘을 가해 주는 장치이다. 또 동력 실린더는 피스톤에 의해 2개의 방(chamber)으로 분리되어 있으며 한쪽방에 유압유가 들어오면 반대쪽 방에서는 유압유가 저장 탱크로 복귀하는 복동식 실린더 방식이다.

제어장치(control unit)

제어밸브는 조향핸들의 조작력을 조절하는 기구이며 조향핸들을 회전시켜 피트먼 암에 힘을 가하면 오일 펌프에서 보내준 유압유를 조향방향으로 동력 실린더의 피스톤이 작동하도록 유로를 변환시킨다. 제어밸브는 밸브 보디 안쪽에 3개의 홈과 오일 펌프에서 보내준 유압유를 동력 실린더 2개의 방으로 공급하기 위한 오일 통로가 있고 밸브 스플에는 밸브 보디에 있는 3개의 홈에 대응하는 랜드가 있어 밸브 스풀의 이동에 따라 밸브 보디의 오일 통로가 개폐된다. 또 체크 밸브가 제어밸브 속에 들어있는데 엔진이 정지될 경우 또는 오일 펌프의 고장 회로에서의 오일 누출 등의 원인으로 유압이 발생하지 못할 때 조향핸들의 조작을 수동으로 할 수 있도록 해주는 밸브이다. 작동은 동력 조향부가 고장이 났을때 조향핸들을 조작하면 동력 실린더가 작용하여 실린더 한쪽 방의 오일에 압력을 가하면 반대쪽 방은 진공상태가 되고 이에 따라 안전 체크 밸브가 열려 압력이 가해진 쪽의 체임버 오일이 진공쪽의 방으로 유입되어 수동조작이 가능해진다.

[동력 실린더와 제어 밸브]

래크 피니온 타입 동력 조향장치 작동원리

래크 피니온 타입은 현재 승용차량에 가장 많이 사용되는 타입이다. 이 형식의 제어 밸브는 로터리 밸브형식을 사용하며 유압유는 고압호스나 파이프를 통하여 제어밸브로 유입된다. 운전자가 조향핸들을 조작하면 유압유는 래크와 피니언형 동력 조향장치 구조의 그림 동력 실린더 A나 B로 들어가 래크를 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동시켜 배력 작용을 얻는다.

1. 작동원리

(1)엔진이 구동되면 벨트에 의해 오일 펌프(1)가 구동도어 유압이 토출된다.
(2)토출된 유압은 오일 펌프내에 부착된 유량제어 밸브(2)에서 엔진 회전속도 감응작용으로 적당하게 유량이 조절되어 압력 호스(12)를 거쳐 제어밸브(4)로 공급된다.
(3)조향핸들을 회전시키면 피니언에 연결된 제어밸브(4)가 작동되고 조향방향에 따라 유압유의 회로가 형성됩니다. 유압유는 파이프(6)을 통하여 동력을 동력실린더 A에 가해지거나 파이프(5)를 거쳐 동력 실린더 B에 가해진다.
(4)동력 실린더(A)에 유압유가 가해지면 동력 실린더(B)의 유압유는 파이프(5), 제어밸브(4) 및 리턴호스(8)를 거쳐 오일 저장탱크(9)로 리턴 된다 또한 동력실리더(B)에 있던 유압유는 파이프(6), 제어밸브(4) 및 리턴 호스(8)을 통하여 오일 저장 탱크로 복귀한다.

2. 제어밸브의 구조및 작동원리

제어밸브는 조향축과 일체로 회전하는 로터, 로터와 피니언을 연결하는 토션바, 피니언과 일체로 회전하는 슬리브 등으로 구성되어 있으며 로터와 슬리브는 스플라인으로 연결되어 있다. 제어밸브는 조향력을 감응하여 토션바가 비틀리고 로터아 슬리브 사이에서 발생하는 회전 범위에 따라 V1,V2,V3,V4의 단면적이 증감되어 유압유의 유로를 개폐하여 작동 압력을 조절하는 구조로 되어 있다.

3. 직진 주행 시

자동차가 직진으로 주행 시는 로터와 슬리브가 중립상태이고 밸브 홈으로 형성된 유로는 그림에서와 같이 V1,V2,V3,V4는 균일하게 충분히 열려 있으므로 오일 펌프에서 공급되는 유압유는 동력실린더에 가해지지 않고 저장탱크로 복귀된다.

4. 우회전 조향작동시

핸들을 오른쪽으로 회전시키면 유로V2, V4에 교차하는 유량에 감응하여 동력 실린더 A의 유량이 증가하여 래크를 우측으로 이동시킨다. 이때 동력 실린더 B의 유압유는 유로 V3를 거쳐 저장탱크로 복귀합니다.