카니발 왜 유압식..성능차이 확연한 전동식파워스티어링

[김교택]

요즘 신차를 고르는 소비자들이 예전에 비해 무척 까다로와 졌다. 디자인이나 가격, 차량 제원 이외에 여러가지 첨단 기능을 꼼꼼히 체크하는 경향이 두드러진다. 차량의 조향을 담당하는 파워 스티어링 시스템도 그 중 하나다. 일부 제조사에서는 차량에 탑재된 파워 스티어링 시스템을 광고 전면에 내세워 강조하기도 한다. 소비자가 파워 스티어링 시스템의 차이에 차량 구매를 고민할 만큼 민감하게 반응하고 있기 때문이다. 일례로 기아차가 판매중인 더 뉴 카니발의 경우 ‘전기유압식 파워 스티어링(EHPS)’이 적용됐다. 내수형과 달리 수출형 ‘세도나’에는 모터 구동으로 조작되는 R타입 EPS를 고급사양에서 선택할 수 있게 해 내수차별 논란이 일었다. 내수용 카니발은 유압식 파워 스티어링이 달려 반자율주행 기능인 어댑티브 크루즈 콘트롤(ACC) 기능을 달아도 졸음 운전 때 사고를 방지해 줄 '차선유지기능'을 넣을 수 없다.

2000년대초 ‘전동식 파워 스티어링 시스템(이하 EPS)’이 등장하면서 보다 다양해진 파워 스티어링 방식의 차이와 장단점에 대해 궁금해 하는 소비자들이 많다. 최근 여러 제조사들이 경쟁적으로 탑재하는 반자율주행 장치인 차선이탈방지보조(LKAS)나 고속도로 주행 보조(HDA) 등을 구동하기 위해 EPS는 기본으로 요구된다. 유압식이나 전기유압식 파워 스티어링은 전자제어를 통한 스티어링 개입이 불가능하기 때문에 반자율주행 기능을 구동할 수 없다. 가장 앞선 것으로 평가되는 '랙 타입 전동 파워 스티어링(R-EPS)'의 경우, 방식에 따라 저가형과 고가형이 나뉘기도 한다. 구조에 따른 파워 스티어링 방식은 어떤 것들이 있는지 살펴봤다.

​유압식 파워 스티어링 시스템

먼저 파워 스티어링 시스템의 기본이었던 기존 ‘유압식 파워 스티어링(HPS)’부터 짚고 넘어가보자.

조향감과 직결감이 우수하지만 스티어링 휠 조작 시 다소 무겁다. 오일펌프, 오일탱크, 호스 등 복잡한 구조를 가졌으며, 작동 시 엔진의 힘을 빌려 유압을 발생시키므로 동력 손실과 연비에 영향을 준다. 이를 개선하고자 일부 전기모터를 도입했다. 이는 후술할 여러 가지 파워 스티어링 방식이 등장하는 계기가 됐다.

전기유압식 파워 스티어링 (EHPS: Electric Hydraulic Power Steering)

​전기 유압식 파워 스티어링 시스템

오일펌프를 구동해 조향하는 점은 일반 유압식과 동일하다. 대신 엔진동력을 이용해 오일펌프를 작동키는 기존 유압식과는 달리 별도의 전기모터를 달아 오일펌프를 작동시킨다. 동력손실과 연비저하를 최소화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 유압을 안정적으로 제어할 수 있기 때문에 직결감이 우수한 유압식의 장점은 유지하면서 부드러운 조향감을 더한 것이 특징이다. 비교적 최근까지 고급세단 위주로 사용되었다.가장 큰 문제는 ACC 같은 반자율주행 장치와 결합이 불가능하다는 점이다. 레벨2 정도의 반자율주행 시스템을 달려면 전동모터를 이용한 조향 보조가 기본이다. 이런 점에서 전기유압식 파워 스티어링은 한계가 명확하다.

현재 신차로 판매되는 차량 중 EHPS를 사용하는 차량은 기아 더 뉴 카니발, 현대 그랜드 스타렉스, 르노삼성 SM5, SM7, 쌍용 G4렉스턴 및 렉스턴 스포츠 등이다.

전동식 파워 스티어링 (EPS: Electric Power Steering)

최근 자동차 제조에 가장 널리 사용되는 파워 스티어링 방식이다.  모터 드라이브 파워 스티어링 (MDPS)이라고도 불린다. 유압을 활용하지 않고 오로지 전기모터를 이용해 조향을 돕는다. 유압장치가 생략되므로 동력손실을 줄여 연비와 성능을 개선할 수 있다. 오일 누유가 없으며 부피가 작아 엔진룸 설계가 용이한 게 특징이다. 구조가 간단해 유압식에 비해 원가가 저렴한 것도 장점이다.

유압식 파워 스티어링과 달리 전자제어장치(ECU) 스티어링 개입이 가능하다. 운전자 기호나 차량 속도에 따라 스티어링의 답력을 조절하거나 차선이탈보조 등 주행보조장치 작동 시 조향을 직접 수행할 수 있다. 단점도 있다. 모터 안쪽의 작은 톱니바퀴에 커다란 힘이 실리는 구조라 장기간 사용하면 부품 마모가 일어나 조향감이 떨어질 수 있다. 조향 장치에 연결된 모터의 위치에 따라 칼럼 타입(C-EPS), 피니언 타입(P-EPS), 랙 타입(R-EPS)으로 구분된다.  C-EPS(C-MDPS)를 적극적으로 사용했던 현대기아차가 몇몇 초기 모델에서 ‘커플링 마모’ 문제로 곤욕을 치른 것도 이런 이유 때문이다. 

칼럼 타입 전동식 파워 스티어링 시스템(C-EPS, C-MDPS)

​'칼럼 타입' 전동식 파워 스티어링 시스템

조향 모터가 차량 내부 스티어링 휠 기둥에 연결되어 있다. 모터가 엔진의 열과 외기에 노출되지 않아 내구성이 좋고 공간 확보에 유리해 설계가 용이하다. 아울러 단가가 저렴하다는 장점이 있다. 때문에 소형차 위주로 널리 사용된다. 단 구조적으로 높은 스티어링 토크를 감당하기 힘든 한계가 있고 운전자와 모터의 위치가 가까워 소음이나 진동을 느끼기 쉽다는 단점이 있다. 축과 모터의 거리가 길어 반응속도에서 이질감이 느껴지기도 한다. C-EPS의 구조적 한계를 기술력으로 극복하기 위해 모터의 성능을 향상시키거나 소프트웨어를 개선하는 연구가 지속되고 있다.

현재 판매되는 신차 중 C-EPS가 적용된 차량은 현대 더 뉴 아반떼, 쏘나타 뉴라이즈(터보 제외), 기아 K3, K5, 쌍용 티볼리 등 대부분의 대중 지향 중소형차에 쓰이고 있다. 현대 그랜저(IG)가 4천 만원을 호가하는 고급차량임에도 C-MDPS(EPS)를 장착해 논란이 되기도 했으나 개선품을 적용해 실 운전 시 스티어링 감각이 나쁘지 않다는 평이 나왔다. 토요타의 소형 후륜구동 스포츠카 '86'도 C-EPS를 장착했지만 수준급의 핸들링을 보여준다.

피니언 타입 전동식 파워 스티어링 시스템(P-EPS, DP-EPS, R-MDPS)

​'피니언 타입' 전동식 파워 스티어링 시스템

칼럼 타입과 랙 타입 중간에 있는 피니언 타입은 조향축과 차축이 맞물리는 피니언 기어에 조향 모터를 장착하는 방식이다. C-EPS에 비해 진동 및 소음이 적고 반응성이 좋다. 모터의 세밀한 조작이 어렵고 구조상 장착이 어렵다는 것은 단점이었다.

그래서 이를 개선한 ‘듀얼 피니언 전동식 파워 스티어링 시스템(DP-EPS, DP-MDPS)’이 개발됐다. 조타 지원용 피니언과 모터를 랙에 추가로 설치해, 세밀한 조작이 가능해져 보다 자연스러운 조향감을 선보인 것이 특징이다. 후술할 벨트 타입에 비해 원가가 저렴해 고급차와 대중차 모두에 두루 쓰인다.

랙 타입 전동식 파워 스티어링 시스템(R-EPS, BD-EPS, R-MDPS)

​'듀얼 피니언 타입' 전동식 파워 스티어링 시스템

​'벨트 타입' 전동식 파워 스티어링 시스템

랙에 피니언 기어와 모터를 추가했기 때문에 일부 제조사에서 DP-EPS 방식을 이 방식을 R-EPS, R-MDPS로 분류하기도 한다. 현재 판매 중인 현대 쏘나타 터보나 쉐보레 크루즈, 임팔라 2.5, 기아 쏘렌토에 적용되는 R타입 방식이 DP-EPS이다. C-EPS에 비해 소음 및 진동이 적고 조향감이 우수한 파워 스티어링 시스템이다.

벨트 타입(BD-EPS)은 가장 진보한 전동식 파워 스티어링 시스템으로 보쉬가 개발했다. 모터와 기어가 맞물려 조향 장치를 움직였던 기존 방식과 달리 모터와 조향장치가 고무벨트로 직접 연결된 것이 특징이다. 고무의 탄성으로 소음과 진동을 줄일 수 있고 유압식에 버금가는 직결감을 구현할 수 있어 다른 EPS에 비해 이질감이 적다. 대신 비교적 부피가 크고 원가가 높아 고급차에 주로 사용된다. 제네시스 G80, EQ900, 쉐보레 임팔라 3.6 등 대부분의 국산 및 수입 고급차에 적용된다. 상대적으로 대중차인 르노삼성 SM6가 벨트 타입 R-EPS를 장착해 화제가 되기도 했다.

현재 EPS는 구조적인 한계로 유압식에 비해 이질감이 있다는 점과 전자제어 장비 특성인 에러 발생 문제는 아직도 약점으로 지적되지만 ECU 개입 과정을 더욱 세밀하게 다듬는 등 안정성이 꾸준히 개선되고 있다. 아직 역사가 길지 않기 때문에 현재까지도 수많은 자동차 제조사와 부품개발사들이 완성도를 높이고자 연구에 매진하는 분야다. 무엇보다 미래 자동차의 핵심 기술로 떠오르는 주행 안전, 주행 보조 기술을 실현시키기 위해서 EPS는 필수불가결한 장치다. 자율주행 시대로 진입함에 따라 그 중요성은 더욱 커질 전망이다.