마차의 핸들(틸러)·웜&섹터 시대를 지나, 랙앤피니언과 리서큘레이팅 볼, 유압 파워스티어링(HPS)·전동 파워스티어링(EPS), 능동 기어비·후륜 조향(4WS), 차세대 스티어-바이-와이어(SBW)까지—조향의 역사는 ‘정확성·노력(조타력)·피드백’의 균형을 찾아온 과정입니다. 이 글은 조향 기하(Ackermann, KPI/SAI, 캐스터·캠버·토)부터 HPS/EPS의 구조·고장 패턴·캘리브레이션, ADAS(차로유지·자동주차)와의 통합, 사이버보안·기능안전까지 한 번에 정리합니다.
조향은 ‘기하·구동·피드백’의 시스템 공학
차가 ‘가고 싶은 곳으로 정확히 가게’ 하려면 세 가지가 맞아야 합니다. 기하(Ackermann·KPI/SAI·캐스터·캠버·토)가 바퀴의 궤적을 정하고, 구동(랙앤피니언·리서큘레이팅 볼, HPS/EPS)이 힘을 전달하며, 피드백(자세·노면 정보)이 운전자와 ADAS에 감각을 제공합니다. 현대 조향은 센서(각·토크·휠 HOD), 모터·펌프, 제어기(ECU)와 통신(CAN/Ethernet)까지 결합된 하나의 사이버-물리 시스템입니다.
연대기와 기술로 읽는 조향 시스템의 과거·현재·미래
1) 태동기: 틸러·웜&섹터와 리프 현가의 시대
초기 자동차는 틸러(지렛대식)에서 웜&섹터/웜&롤러로 발전했습니다. 단순·강건하지만 유격과 마찰이 커 정밀도에 한계가 있었습니다.
2) 랙앤피니언과 리서큘레이팅 볼
랙앤피니언은 직결감·정확성이 뛰어나 승용차의 표준이 되었고, 리서큘레이팅 볼(볼 나사형)은 높은 하중에 유리해 픽업·SUV·상용에 널리 쓰였습니다.
3) 유압 파워스티어링(HPS)과 전동화의 전주곡(EHPS)
조타력을 낮추기 위해 엔진 구동 펌프+밸브+유압 랙이 도입되었습니다. 부하가 없을 때도 펌프를 돌려 연비 손실·소음이 과제였습니다. 이후 전동 모터로 펌프만 돌리는 EHPS가 과도기 솔루션이 되었습니다.
4) 전동 파워스티어링(EPS): 컬럼/피니언/랙 구동
- 컬럼 어시스트: 소형차·원가 유리, NVH 영향 큼.
- 피니언 어시스트: 토크 전달과 소음의 균형.
- 랙 어시스트(싱글/듀얼 피니언): 고토크·정숙·정밀, 중대형·ADAS 적합.
EPS는 필요할 때만 전력 사용으로 효율이 좋고, 토크 오버레이로 차로유지·자동주차 같은 ADAS 기능을 구현합니다.
5) 가변 기어비·액티브 스티어링·후륜 조향(4WS)
저속 회전 반경·고속 안정성을 동시에 얻기 위해 가변 기어비 랙과 액티브 프론트 스티어링(행성기어·토크 오버레이)이 등장했습니다. 4WS는 저속·주차에서 반대 방향, 고속에서 같은 방향으로 후륜을 꺾어 기동성·안정성을 높입니다(스티어링 앵글 수 도 내).
6) 조향 기하와 감각: Ackermann·KPI/SAI·캐스터
Ackermann은 내·외륜이 다른 궤적으로 굴러가게 하는 팔길이 설계, KPI/SAI(킹핀/스티어링축 기울기)와 캐스터는 자가 복귀성·직진성·핸들 유격 느낌을 만듭니다. 스랩 레디우스(스크럽)는 스티어링 노력·브레이크 토크 스티어에 영향을 줍니다.
7) ADAS·자율과의 통합: LKA·LCA·APA
EPS는 차로이탈방지/유지(LKA/LCA), 자동주차(APA)의 핵심 액추에이터입니다. 카메라·레이더·맵 기반 예측 토크와 하프-하이브리드 제어(브레이크/구동 토크와 협조)가 코너 진입/탈출의 안정성을 높입니다.
8) 안전·보안과 진단: ISO 26262·21434·중복성
조향은 안전 최상위(보통 ASIL-D) 기능입니다. 토크/각 센서 이중화, 듀얼 MCU, 모터 이중 권선/드라이버, 소프트웨어 워치독·안전 상태·UDS 진단이 기본이며, 사이버보안(ISO/SAE 21434)로 인증·암호화·OTA 무결성을 확보합니다.
9) NVH·열·내구: 온센터감·니블·더레이팅
EPS는 온센터감(직진 미세 토크), 타이어·노면에서 오는 니블(잔떨림) 제어, 모터·ECU의 열 더레이팅(과열 시 보조 감소) 관리가 중요합니다. 하중 큰 차는 랙·타이로드·조향너클의 강성·마찰 설계가 피드백 품질을 좌우합니다.
10) 고장·유지관리: 얼라인먼트·각/토크 센서·EPS 경고
충격 후 타이로드 휨·볼조인트 유격, 랙 실 누유(HPS), EPS 경고등(전원/각센서 보정/토크 센서 오류), 스티어링 컬럼 유격이 흔합니다. 하부 부품 교체·타이어 편마모·한쪽쏠림이 있으면 즉시 얼라인먼트와 센터 캘리브레이션을 하세요.
11) 스티어-바이-와이어(SBW)와 e-코너
SBW는 기계적 연결을 전자식으로 대체해 기어비·피드백을 자유롭게 설계하고 충돌 패키징·자율주행에 유리합니다(보통 메커니컬 백업 또는 고중복 모터·전원 채택). e-코너는 조향·구동·제동·댐핑을 바퀴 단위 모듈로 통합하는 방향입니다.
12) 다음 10년: 예측형·SBW 확산·후륜 조향 보편화·OTA 튠
- 예측형 조향: 지도·카메라·V2X로 횡풍·노면을 미리 보정
- SBW 상용화 확대: 가변 기어비·가변 락-투-락, 접이식/리트랙터블 휠
- 4WS 보편화: 대형 EV의 회전 반경 단축·고속 안정
- OTA 셋업: 모드별 온센터감·피드백·차로유지 편의성 업데이트
- 48V·고전력 EPS: 대형 타이어·오프로드 차량 지원
조향 시스템 유형·특성 요약 표
| 유형 | 강점 | 한계 | 주요 적용 |
|---|---|---|---|
| 웜&섹터/리서큘레이팅 볼 | 고하중·내구·충격 내성 | 정밀·피드백 한계 | SUV·픽업·상용 |
| 랙앤피니언(수동) | 직결감·경량·정밀 | 조타력 큼 | 경차·경량 스포츠 |
| HPS | 저속 조타력 우수 | 연비 손실·누유 | 과거 주류 |
| EHPS | 효율 향상(전동 펌프) | 유압 회로 유지 | 과도기 |
| EPS(컬럼/피니언/랙) | 효율·ADAS·튜닝 자유도 | 열 더레이팅·감각 튜닝 난도 | 현대 승용 주류 |
| 가변 기어비/액티브 | 저속 기동성·고속 안정 | 복잡·원가 | 프리미엄/스포츠 |
| 4WS | 회전 반경↓·고속 안정↑ | 패키징·제어 복잡 | 대형 세단·SUV·EV |
| SBW | 기어비·피드백 자유·패키징 | 중복 설계·규제·감성 | 차세대 |
FAQ
랙앤피니언과 리서큘레이팅 볼, 뭐가 다른가요?
랙은 정밀·경량·직결감이 뛰어나 승용의 표준, 리서큘레이팅 볼은 하중·내구에 유리해 픽업·상용에 적합합니다.
EPS가 HPS보다 ‘감’이 떨어지나요?
초기 EPS는 그랬지만, 요즘은 토크맵·니블 필터·가변 기어비로 개선되어 세팅에 따라 훨씬 정교한 피드백을 줄 수 있습니다. 대신 열/전력 관리가 중요합니다.
후륜 조향(4WS)의 체감 효과는?
저속 U턴·주차가 눈에 띄게 쉬워지고, 고속 차선 변경·곡선 주행 안정성이 좋아집니다.
타이로드/볼조인트 교체 후 꼭 얼라인먼트가 필요한가요?
네. 토·캠버가 변하면 직진성·타이어 마모가 악화되므로 교체·충격 이후엔 얼라인먼트가 필수입니다.
스티어-바이-와이어는 안전한가요?
고중복 센서/모터/전원·자기진단·안전 상태로 설계되고 규제를 충족해야 합니다. 제대로 설계되면 기계식보다 안전 여지를 넓힐 수 있습니다.
사용 시나리오로 고르는 조향 전략
일상·도심 위주 승용은 랙 어시스트 EPS와 균형 잡힌 토크맵이 정답입니다. 고하중·오프로드는 리서큘레이팅 볼/EPS 고토크와 강성 높은 랙·너클이, 대형 EV는 랙 EPS+4WS로 회전 반경과 고속 안정성을 잡는 전략이 유리합니다. 자율·ADAS 비중이 커질수록 SBW·예측 조향·OTA 튠으로 감각과 안전을 동시에 끌어올리게 될 것입니다. 이 글의 표·FAQ를 체크리스트로 삼아, 자신의 차급·타이어·용도에 맞는 조향 로드맵을 설계하세요.
용어 간단 정리
Ackermann: 내·외륜 회전 반경을 맞추는 조향 기하.
KPI/SAI: 스티어링축 기울기, 자가 복귀·스크럽 영향.
캐스터: 축의 종방향 기울기(직진성).
스크럽 레디우스: 타이어 접지점과 축 연장선의 거리.
HPS/EHPS/EPS: 유압/전동유압/전동 파워스티어링.
4WS: 후륜 조향.
SBW: 스티어-바이-와이어.
HOD: 핸즈온 감지.
니블: 노면 유발 잔떨림.