Case Study of Tribological Failure Characteristics in Automotive Steering System

자동차 조향장치의 트라이볼로지적 고장특성에 관한 사례연구

김청균^‡·이일권

*

**

홍익대학교 트리보메카·에너지기술 연구센터

*대림대학 자동차과

**동양미래대학 기계공학부

Case Study of Tribological Failure Characteristics in Automotive Steering System

Chung Kyun Kim

IL Kwon Lee

^* and Seunghyun Cho ^**

Research Center for Tribology, Mechatronics and Energy Technology, Hongik University

* Department of Automotive Engineering, Daelim University College

** Department of Mechamical Engineering, Dongyang Mirge University (Received July 1, 2009; Revised August 1, 2009; Accepted September 1, 2009)

Abstracts − The purpose of this paper is to study and analyze the failure examples on tribological characteristics of an automotive steering system. In this failure study, the grease leakage may stick leaked grease, dust, and wear particles between pinion and rack gears in mechanical steering system. In the case of seal failures such as a rod seal, o-ring and oil seals, the gear box and oil pump do not operate properly due to lack of oils. This means that oil pump does not supply a working fluid and produce a normal oil pressure of the steering system. This leads to leak a working fluid from the seals and produce a wear between pinion and rack gears. Especially, the leaked oil is usually mixed with internal wear particles and foreign dust/fine sands. Thus no leakage of working oils is very important design concepts, which is strongly related to the sealing components and smoothly operating of the mechanical friction parts of power steering system.

Keywords − steering system( 조향장치 ), rack and pinion( 랙과 피니언 ), gear box( 기어박스 ), rod seal( 로드 시일 ), ball joint( 볼 조인트 ), oil pump( 오일펌프 ), oil leakage( 오일누설 )

1. 서 론

자동차의 진행방향을 임의로 바꿀 수 있도록 설계된

조향장치 (steering system) ^{는 제동장치와 함께 운전자가}

직접 조정하는 핵심 유니트중의 하나이다 . 자동차를 타 고 있는 운전자가 원하는 목적지에 도달하기 위해서는 바퀴의 진행방향을 조정하여 전진 , 후진 , 회전 등을 한

다 . 이때에 운전자는 단지 조향휠 (steering wheel), 즉

핸들 (handle) ^{을 돌려주기만 하면 된다} .

운전자는 자동차의 진행방향을 바꾸기 위해 초창기 에는 기어 메커니즘을 이용한 기계식 조향장치 [1] 를 많 이 사용하였다 . 기계식은 높은 회전 마찰력으로 인해 핸들을 작동하기가 어렵고 , ^{급커브와 같은 곳을 주행하}

는 경우 신속한 조향장치 조작이 어려워 주행사고를 유 발하기도 하였다 . ^{기계식 조향장치의 단점을 보완하기}

위해 개발된 유압식 조향장치 [2] 는 작은 힘으로도 신속 하게 핸들을 조작할 수 있기 때문에 지금의 자동차는 모두 유압식 전자동 조향시스템을 사용하고 있다 .

자동차의 조향장치는 차량의 진행방향을 바꾸고자 할 때 작은 힘으로도 신속하고 안정적이어야 한다 . ^차량을

커브 길에서 선회하고자 할 경우는 부드러운 작동성과

†주저자

: [email protected]

‡책임저자

: [email protected]

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안정성 , 특히 고속주행을 할 때 안정감을 느낄 수 있 어야 한다 . ^{이러한 조향특성을 확보하고자 개발한 조}

향장치가 전자제어 조향 시스템 (electronic control

power steering system)[3] 이다 .

최근에는 배출가스를 줄이고 연비를 높이기 위해 전 기모터를 사용한 전기식 조향장치를 많이 채택하는 추

세에 있다 [4]. ^{전기식 조향장치는 축전장치에 부하를}

가하기 때문에 현재의 12 V 전원을 사용하는 축전 시

스템으로는 한계를 느끼고 있다 . 여기에 소비자의 취 향에 맞추어 안전장치 , 편의장치 , 제어 시스템이 많이 채용되면서 리튬이온과 같은 대용량의 고효율 충전장 치에 대한 기술개발을 적극 추진하고 있다 [5].

자동차의 주행 방향성을 안전하고 편리하게 조향하 기 위해 기계부품 및 전기제어 시스템의 복잡한 구성으 로 인해 조향장치에 공급되는 작동유와 이에 관련된 부 품의 트라이볼로지적 고장발생 빈도는 높아지고 있다 .

따라서 , ^{본 연구에서는 자동차의 조향장치에 관련된 고}

장사례를 예시하고 , 트라이볼로지적 관점에서 분석 · 평 가를 통해 기술향상 방안에 대해 고찰하고자 한다 .

2. 자동차의 조향장치

2-1. 조향장치의 기능

조향장치는 바퀴의 회전각도를 임의로 조절하여 운 전자가 원하는 방향으로 차량의 직진 , ^회전 , ^{후진을 자}

유롭게 조작할 수 있도록 구성된 부품을 말한다 .

자동차를 주차할 때와 저속으로 주행을 할 때는 바퀴 에 대한 조향 조작력이 가벼운 것이 좋으나 , 고속으로 주행을 할 때는 어느 정도의 무거운 조작력을 요구한다 .

즉 , ^{바퀴를 움직이는 조향 조작력이 지나치게 가벼우면}

주행중인 자동차는 작은 조작력에도 주행방향에 민감하 게 영향을 미치게 되어 고속주행 안정성을 떨어뜨린다 .

따라서 , 자동차의 주행속도에 따른 안전성을 확보할 수 있도록 조향 조작력에 따른 최적의 유압을 유지할 수 있 도록 내부 조향기어 박스에는 제어기능을 장착한다 [6].

2-2. 조향장치의 특성

자동차에서 흔히 핸들이라고 말하는 조향휠 (steering

wheel) 의 회전각도를 일정하게 유지한 상태에서 정속

주행을 하면 자동차는 선회반경이 일정한 원운동을 하 게 된다 . 그러나 정속주행에서 서서히 가속하게 되면 처음의 주행궤적에서 이탈하여 바깥쪽으로 더욱 벌어 지거나 , 안쪽으로 감겨 들어가거나 , 또는 그대로 같은

궤적을 그리는 등 다양한 주행패턴을 나타낸다 . ^따라

서 , 조향장치는 자동차의 특성에 적합하도록 설계하는 것이 중요하다 [7].

2-3. 조향장치의 구성부품

조향장치는 조향 조작력의 방향을 바꾸어 전달하는 조 향축 조인트 , 조향휠로부터 전달되는 조향토크와 회전변 위를 적절하게 변환하여 링크기구를 거쳐 바퀴에 전달하 는 기어박스 , 조향장치에 유압을 제공하는 오일펌프 , 작 동유를 저장하는 리저버 탱크 , 조향장치의 오일유로를 연 결하는 배관 및 호스 , ^{조향장치를 제어하는 유압 작동유}

등으로 구성된다 . 조향장치의 작동 요소들은 서로 유기 적인 관계에 의해 작동되며 , ^{각각의 구성부품들은 잘 조}

합되고 원활한 상대운동에 의해 시스템의 안전성 확보가 선행되어야 안전하고 효율적인 조향장치가 완성된다 .

2-4. 조향장치의 작동유

조향장치에 공급하는 작동유는 유용한 동력전달을 보 장할 수 있도록 압축성이 작으면서 유동성이 좋아야 한 다 . 결국 온도에 대한 점도변화가 작은 저점도 오일을 사용하는 것이 바람직하다 . ^{보통 동력조향장치의 작동}

유로 GM 의 자동변속기용 작동유 규격인 DEXTRON

등의 ATF 가 사용되었으나 , 최근에는 파워 조향장치 전

용유 (power steering fluid) 가 개발되어 사용하고 있다

[8-11]. Table 1 은 한국을 비롯한 미국 , 유럽 , 일본 등 에서 사용하는 파워 조향장치용 유압오일 규격을 제시 하고 있다 .

3. 조향장치의 고장사례

3-1. 조향장치 마찰부의 고장사례

운전자가 조형휠 (steering wheel) 을 원하는 방향으로

돌리면 , ^조향컬럼 (steering column) ^{과 연결된 피니언 기}

Table 1. Power steering fluids

Specification Exchange period(km) Charging volume(liter)

Hyundai PSF-4 필요시 교환 0.9

Toyota ATF D 필요시 교환 1.0

Ford Mercom 필요시 교환 Max 2.0

BMW CHF-11S 필요시 교환 Max 1.2

어가 회전운동을 하게 된다. 피니언에 연결된 랙(rack)은 직선운동에 의해 자동차 바퀴를 일정한 각도로 돌아가 도록 조작한다. 기계식의 조향장치에는 피니언 기어와 랙 기어에 그리스가 공급되어 마찰면에서 윤활작용을 하 기 때문에 마찰운동을 유지함에도 불구하고 원활한 작 동성을 보장해야 한다. 그러나, 피니언이나 랙의 상대접 촉 마찰부에서 발생하는 균열, 마멸손상 등은 기어 마찰 면의 트라이볼로지 거동성을 확보하지 못하기 때문에 조 향장치의 주행안전성을 위협한다. 특히, 랙 부트의 손상 으로 인한 누유는 마모를 더욱 촉진시키고, 외부로부터 유입되는 이물질에 의해 그리스가 응고되어 윤활작용을 할 수 없게 되는 것은 물론 상호간의 동력전달 역할을 수행할 수 없어 조향기능을 상실하게 된다. Fig. 1은 랙 과 피니언의 마멸발생 사례를 보여주고 있다.

3-1.2 파워 스티어링 로드시일의 과다마멸

파워 조향장치의 로드시일(rod seal)은 파워 조향장 치의 오일압력 실린더의 좌우 챔버에 조립되어 실린더

의 파워 조향장치에 공급된 오일을 밀봉하는 핵심부품 이다. 파워 조향장치의 기어박스 내부의 챔버 좌우로 들어온 작동오일은 잭 피스톤을 밀어내어 랙 액슬을 오른쪽이나 왼쪽으로 움직이도록 작동한다. 랙 피스톤 이 이동할 때 다른 챔버에 있는 작동오일은 조절밸브 와 리턴호스를 통해 저장탱크로 되돌아간다. 랙 내부 에는 작동유가 들어 있는데, 이 작동유를 차단하는 오 일시일이 손상되면 오일은 누설되어 시스템을 작동할 수 없게 만든다. Fig. 2는 로드시일에서 과도하게 발생 한 마멸사례를 보여주고 있다.

3-1-3. 타이로드 엔드 볼 조인트의 과대마멸

타이로드 볼 조인트는 핸들을 작동할 때 기어박스와 차륜을 연결하여 조향할 수 있도록 하는 구성부품이다.

타이로드 내부에는 볼 조인트 형태로 구성되어 그리스

Fig. 1. Wear of rack and pinion gears.

Fig. 2. Power steering oil pressure cylinder and rod

stem seal.

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가 주입되고, 외부에는 고무부트로 둘러싸여 있다. 만 약 부트가 찢어져 고착하게 되면 조향력을 상실하게 된다. Fig. 3은 타이로드 부트가 찢어지기 때문에 발생 한 볼 조인트의 내부 고착현상을 보여주고 있다.

3-1-4. 파워 조향장치용 오일펌프의 고착

파워 조향장치용 오일펌프는 동력 조향장치가 원활 하게 작동할 수 있도록 유압을 발생시키는 핵심부품이 다. 오일펌프는 엔진의 동력을 이용하여 작동오일을 순 환하도록 압력을 발생한다. 오일의 유동성에 문제가 발 생하거나, 내부의 오일이 부족하여 열 영향을 받게 되 면, 오일펌프의 마찰부에서는 열에 의해 눌어붙는 고 착현상이 발생한다. Fig. 4는 오일펌프의 회전축에서 발생한 고착현상을 보여주고 있다.

3-2. 작동유 및 그리스의 누설

3-2-1. 기어박스 내 피니언 앞 오일시일의 누설

기어 회전축의 밸브몸체 하우징과 기어박스의 연결부 에는 누유를 방지하기 위해 오일시일이 끼워져 있다. 누 유를 차단하는 오일시일이 손상되면, 유압을 형성하는

작동유가 누설되어 파워 조향장치의 유압작동에 문제 가 발생한다. Fig. 5는 기어박스 내 피니언 앞 조립 오일시일에서 발생한 누유사례를 보여주고 있다.

3-2-2. 조향장치용 펌프내의 오일누설

오일펌프는 로터, 베인, 캠 링크로 구성되는 베인펌 프, 고속 주행시 유량을 줄여서 조향 안정성을 향상시 켜주는 유량 조절밸브, 유압회로 및 조향링크 시스템 을 보호하기 위해 제어하는 고압제어 릴리프 밸브로 구성된다. 따라서 오일펌프내의 베어링 풀리축과 프런 트 하우징 연결 오링, 베인이 장착되는 프런트 사이드 플레이트와 하우징 연결부의 오링, 리어 커버의 가스 켓 등이 손상되면 오일은 누설된다. Fig. 6은 오일펌프 에 설치된 오링시일의 마멸손상 사례를 보여주고 있다.

3-2-3. 오일라인 손상으로 인한 오일누설

오일을 공급하는 라인이 손상되면, 누유에 의한 오

Fig. 3. Wear of tie rod ball joint.

Fig. 4. Shaft sticking of power steering pump.

Fig. 5. Oil leakage of oil seal inserted in pinion gear.

Fig. 6. Wear damage of O-ring in power steering pump.

일부족 현상으로 파워 조향장치의 작동성을 보장할 수 없게 된다 . 조향장치의 기어박스와 유압 파이프의 연 결은 나사에 의해 체결된다 . 그러나 차량의 주행중에 오일라인이 충격을 받게 되면 연결 나사부가 손상되거 나 오일라인이 손상되어 오일의 누설이 발생하면 각 라인으로 가는 오일압력이 낮아지면서 오일공급이 어 려워 조향장치는 더 이상 파워를 유지할 수 없어 조향

장치의 기능은 상실하게 된다 . Fig. 7 은 오일라인의 나

사부 손상으로 누유가 발생한 사례를 보여주고 있다 .

4. 고장사례에 대한 고찰

섀시장치의 핵심요소인 조향장치는 자동차의 주행안 전성을 확보하는 기능을 제공한다 . 조향장치는 운전중 에 문제가 발생하면 , 운전자는 차량의 방향을 순간 제 어할 수 없는 상황으로 발전하기 때문에 주행안전에 심각한 영향을 미치게 된다 . 따라서 조향장치 구동부 의 마멸과 특히 누유로 인한 고장발생은 자동차의 중 대한 사고로 연결될 가능성이 매우 높기 때문에 조향 장치의 품질 내구성을 확보하는 것은 물론이고 , 고장 발생에 대한 신속한 진단과 수리대책이 필요하다 [12].

조향장치에서 발생하는 대표적인 트라이볼로지적 고

장사례를 분석한 데이터를 Table 2 에서 제시하고 있다 .

4-1. 고장사례 모델 A

고장사례 모델 A ^는 Fig. 1 ^{에서 보여준 랙과 피니언}

의 작동유나 그리스의 누설 , 이물질 유입에 의해 고착 되거나 랙과 피니언 기어의 마찰면에서 발생한 마멸사

례이다 . ^{시험용 자동차는} 36,850 km ^{를 운행하였다} . ^정

상적으로 운행하는 차량에서 누유나 마멸과 같은 고장 은 흔하게 발견되는 사례가 아니다 .

그러나 운전자가 운전중에 파워 조향장치의 기어부 에 심한 충격을 주거나 , 랙을 보호하고 있는 부트가 찢어져 이물질이 들어가 작동유 또는 그리스가 서로

Fig. 7. Damage and oil leakage of oil lines.

Table. 2 Failure case study and diagnosis of a vehicle

고장사례 모델 고장사례

분류 기술내용

A

손상부품 랙과 피니언

주행거리 36,850 km

손상부위 랙과 피니언 치면 마멸 현상 조향휠 작동의 무거움 손상원인 랙과 피니언의 윤활부족 운행조건 비포장 도로 운행

B

손상부품 기어박스

주행거리 68,720 km

손상부위 밸브스템 고착 현상 핸들 작동의 어려움 손상원인 유압유 누설로 윤활부족 운행조건 공사장 운행

C

손상부품 볼 조인트

주행거리 27,650 km

손상부위 볼 조인트 부트 현상 조향휠 작동불량 손상원인 부트 찢어짐으로 인한 볼 고착 운행조건 비포장 도로 운행

D

손상부품 파워 조향펌프

주행거리 17,286 km

손상부위 펌프 회전축 고착 현상 펌프의 작동불량 및 소음 손상원인 작동유 누설로 인한 고착

운행조건 정상운행

E

손상부품 피니언 기어 , 기어펌프 , 오일라인 주행거리 100,500 km, 112,600 km,

138,300 km

손상부위 시일 , 오링 , 오일라인 연결부 현상 오일누설 및 핸들작동 불량 손상원인 오일누설 , 오일라인 연결부 손상

운행조건 정상운행

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혼합되는 경우는 달라진다 . 공급된 그리스의 점도가 떨 어져 랙과 피니언의 마찰면에 형성된 유막이 손상을 받아 정상적인 윤활작용을 할 수 없는 경우는 기어에 서 마멸이 발생하는 것으로 판단된다 . 랙과 피니언은

어느 정도의 강성도 (stiffness) ^{를 필요로 한다} . ^따라서 ,

조향장치의 강성도와 내구성이 변화하지 않도록 설계 하고 , ^{랙과 피니언의 윤활부에는 고착되지 않도록 작}

동유에 대한 점도관리와 밀봉장치에 대한 내구관리가 필요하다 .

4-2. 고장사례 모델 B

고장사례 모델 B ^는 Fig. 2 ^{의 사례에서 보여준 것처}

럼 기어박스의 로드시일이 자동차를 선회할 때 , 로드 실 린더가 좌우로 왕복운동을 할 때 , 실린더와 로드시일 사 이의 윤활작용을 하는 로드시일의 마찰에 대한 내구성 이 떨어지거나 오일부족으로 마멸이 증가하면 로드시일 은 고착으로 핸들이 작동하지 않는 현상이 발생하였다 .

시험용 자동차를 68,720 km 운행한 상태에서 관찰

한 데이터이다 . 일반적으로 로드 실린더는 좌우에 두 개의 시일이 장착되어 있다 . ^{이때 로드시일은 로드 실}

린더와 사이에서 슬라이딩 운동을 하는 원활한 윤활작 용에 의해 움직인다 . ^{로드시일은 실린더가 좌우방향의}

왕복운동을 할 때 누설특성에 맞게 접촉면 , 원주방향

하중 및 시일 립 (lip) 의 형상은 최적조건으로 설계되어

야 한다 [13]. ^{이 시스템은 타이로드 실린더 부트가 찢}

어져 오일이 누설되어 로드시일의 고착현상으로 조향 장치가 작동하지 않은 것을 확인할 수 있었다 .

4-3. 고장사례 모델 C

고장사례 모델 C ^는 Fig. 3 ^{에서 보여주는 것과 같이}

내측 타이로드와 볼 조인트의 회전이 원활하기 못하기 때문에 발생하는 고장사례로 조향휠의 작동을 어렵게 만든다 . 이 고장사례는 27,650 km 를 주행한 차량에서 볼 조인트의 부트가 찢어져 외부의 먼지나 이물질 유 입에 의해 그리스가 고착되면서 볼이 움직이지 못하기 때문에 발생한 고장사례이다 . 고착부를 점검한 후 그 리스를 교환하여 윤활성을 확보하고 , ^{볼 조인트도 교}

환한다 . 고장사례 모델 C 는 주로 비포장도로를 많이 주행하면서 도로의 물체에 의해 부트가 충격을 받아 찢어지면서 그리스 누유가 발생한 것으로 사료된다 .

4-4. 고장사례 모델 D

고장사례 모델 D 는 Fig. 4 에서 보여준 것처럼 파워

조향펌프에서 오일이 누설되면서 조향휠의 작동이 무 겁게 되고 , ^{오일펌프의 작동이 중단된 사례를 예시한}

것이다 . 이 고장사례는 17,286 km 정도를 주행한 차량 으로 도로를 정상적으로 주행한 차량이지만 , 오일펌프 내부에서 누유가 발생하면서 오일펌프의 마찰부에서 발생한 마찰열에 의해 고착된 사례이다 . 파워 조향장 치의 성능을 향상시키려면 오일펌프의 작동에 따른 마 찰접촉부의 소음과 진동성능을 개선하고 출고해야 소 비자로부터 호응을 받는다 . 이 차량은 출고한 이후부 터 차량을 거의 점검하지 않은 것으로 나타났기 때문 에 오일펌프의 누유문제는 정상적인 유지관리 점검사 항을 소홀히 하였기 때문에 발생한 사례이다 . ^따라서

운전자는 운전도로 정상적인 작동조건뿐만 아니라 점 검주기에 따른 차량관리도 함께 병행해야 조향장치의 문제점을 사전에 제거할 수 있다 .

4-5. 고장사례 모델 E

고장사례 모델 E 는 Figs. 5~7 에서 보여주는 것처럼

피니언 기어에서 시일손상으로 인한 누유 , 파워 조향 펌프 작동부에서의 오링손상 , ^{오일라인 연결부 손상으}

로 인한 오일누설 사례를 보여주고 있다 . 이들 차량

모두는 100,000 km ^{이상을 주행한 자동차에서 발생한}

고장사례로 , 초기에는 조향장치 작동에 약간의 부하를 주는 상태였으나 점차 현상이 진행됨에 따라 조향작동 을 할 수 없는 상태로 악화되었다 . ^따라서 , ^{조향장치의}

각 작동부품에 대한 점검과 수리가 정기적으로 진행되 어 초기에 발생되는 트라이볼로지적 문제로 인해 자동 차 주행안전이라는 심각한 고장문제를 차단할 수 있다 .

5. 결 론

자동차의 조향장치에 대한 트라이볼로지적 고장사례에 대한 분석과 고찰을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1. 기계식 조향장치에서 피니언 기어와 랙을 원활하 게 작동하기 위해 공급된 그리스의 누유에 의해 먼지 나 이물질에 의한 고착현상을 확인하였다 .

2. ^{기어박스의 오일누설을 제어하는 로드 실린더와}

시일사이의 오일공급이 차단되어 시일이 고착된다는 사실을 확인하였다 .

3. ^{볼 조인트를 보호하고 있는 고무부트가 찢어져 그}

리스가 누설되면서 내측의 타이로드와 볼 조인트의 회 전이 원활하게 작동하지 않는 고장을 확인하였다 .

4. 오일펌프 구동축의 그리스 고착현상으로 조향장치

가 작동하지 못하는 사례를 확인하였다.

5. 파워 조향장치의 원활한 작동을 지원하는 오일시 일, 오링, 오일라인에서 오일이 누설하면서 조향장치의 작동불량 사례를 확인하였다.

참고문헌

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9. Owner’s manual of Toyota Motors, pp. CH-7~CH11, 2006.

10. Owner’s manual of Ford Motors, 2007.

11. Owner’s manual of BMW Motors, 2008.

12. IL Kwon Lee, “Automotive Failure Diagnosis,” Sun Hak, 2002.

13. H. Kurachi, K. Okamoto, I. Saito and I. Chikuma,

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SAE paper 830996.