최근 들어 액티브 스티어링 시스템이 전동 파워 스티어링, 차체 자세제어 시스템 보급 증대와 카 메이커들의 고급화, 차별화, 프리미엄 전략과 함께 적용률을 높이고 있다. 포르쉐를 통해 성능을 입증한 ZF처럼 카 메이커와 서플라이어들은 비용의 부담 속에서도 새로운 기회를 찾고 있다.

스티어링은 단순히 차량의 진행방향을 바꾸는 장치로만 인식돼 왔고, 이 기본적 기능은 10년여 전까지도 스티어링 시스템의 거의 모든 것이었다. 갈수록 차가 무거워지면서 핸들링을 가볍게 하기 위한 파워스티어링이 도입된 정도이고 전동식 파워 스티어링 시스템(EPS)이 등장했다고 전반적인 자동차에서 스티어링의 혁신이 일어난 것도 아니다.

예를 들 어 , 개발되고 상용화된 지 꽤 오래된 액티브 스티어링 시스템(Active Steering System)은 모든 부분에서 소비자들에게 제공하기에는 너무 높은 가격과 낮은 인지도 때문에 장착률 확대는 물론 혁신 속도도 더뎠다. 특히, 프론트 액슬의 스티어링 각도를 지원하는 리어 액슬 측면은 드라이빙 다이내믹스 뿐만 아니라 주행 안전성을 크게 향상시킬 수 있어 오랜 동안 자동차 산업의 주요 이슈 중 하나였지만 여전히 차량 통합에 요구되는 너무 높은 비용과 복잡도, 연비문제로 쉽지 않은 상황이었다. 그러나 최근들어, EPS, 차체 자세제어 시스템(ESC) 보급증대와 카 메이커들의 고급화, 차별화의 프리미엄 전략을 통해 예전보다 옵션화률이 올라가고 있다.

모든 바퀴에 지능을

액티브 스티어링 시스템은 크게 액티브 프론트 스티어링(AFS), 리어 휠 스티어링(RWS), 이테그럴 액티프 스티어링(IAS)으로 나뉜다.
AFS는 차량의 속도에 따라 다양한 스티어링 비율을 가짐으로써 운전자가 휠을 더 적은 힘으로 돌리고 민첩하게 차가 반응할 수 있도록 하는 장치다. AFS의 도움을 통해 스티어링 휠과 로드 휠(Road wheel) 간의 스티어링 비율이 자동적으로 변화한다. 주차나 도심 주행과 같은 낮은 속도의 상황에서는 AFS 비가 감소해 민첩성이 향상된다. 반대로 고속에서는 스티어링 민감성이 줄어들어 주행 안전성을 높인다.

또 스포츠 주행에서 차량 제어가 어려워질 경우 ESC가 차체 안전성을 높이는 동안 스티어링 민감성을 둔화시켜 차량 제어를 좀 더 용이하게 한다. AFS의 액추에이터는 ESC와 통합된 전자제어장치(ECU)에 의해 작동한다. 시스템에 의한 부가적 지원이 필요치 않은 상황에서는 액추에이터 전기모터의 출력 증폭이 없어 전통적인 스티어링 시스템과 같이 동작한다.

RWS는 차량의 속도와 의도된 선회 거동에 따라 프론트 휠의 방향과 동일하거나 반대로 리어 휠의 각도를 변화시켜 AFS와 비슷한 효과를 낸다. 전기기계식 액추에이터 시스템은 양쪽 리어 휠 또는 하나가 장착돼 주행상황에 맞춰 스티어링 각을 조절한다.

4WS(Four Wheel Steering or All Wheel Steering)로 불리는 IAS는 더 나은 드라이빙 다이내믹스, 안전성, 편의를 위해 4개 휠 모두에서 스티어링 각 제어를 지원한다. 낮은 속도에서, IAS는 리어 휠이 프론트 휠의 반대 방향으로 조향해 회전반경을 크게 줄인다. 고속에서는 리어 휠이 프론트휠과 같은 방향으로 움직여 드라이빙 다이내믹스와 안전성을 크게 높인다.

차별화, 고급화 전략

역사적으로 자동차의 안전과 핸들링 측면의 기술적 진보들은 프리미엄에서 시작돼 적용률을 높이기 위해 볼륨 세그먼트로 이동되고 법제화와 함께 비용이 조정되지만, 이 경우엔 법제화를 기대할 수 없고, 안전성보다는 드라이빙 다이내믹스에 더 초점이 맞춰진다. 어쨌든 액티브 스티어링 시스템의 최대 약점은 비용에 있다. AFS는 소비자들에게 대략 1,950유로(230만 원)의 추가 부담으로 다가온다. OEM 차원에서 AFS와 RWS 모두 300유로 이하를 위한 소싱 비용 절감이 요구되기 때문에 소수의 서플라이어들이 이 시스템을 개발하고 있고, 따라서 혁신도 빠르지 않다.

다만, 최근의 상황은 이 시스템에 대해 다소 긍정적이다. 액티브 스티어링 시스템은 OEM의 모든 플랫폼과 모델에서 EPS 장착이 크게 늘어 적용 부담이 줄었고, 유럽의 ESC 의무장착 등 전 세계적으로 ESC 장착이 늘면서 시스템 연계를 통한 기능성도 높아졌다. 게다가 아우디가 콰트로 AWD(All Wheel Drive)로 브랜드 차별화에 성공한 것처럼, 액티브 스티어링 시스템은 OEM의 플래그십, 스포츠카 디비전을 통한 브랜드 차별화 전략의 새로운 솔루션으로 부상했다.

예를 들어 프리미엄 모델에서만 적용되던 AFS는 타카다 같은 서플라이어의 비용효율적 솔루션과 포드의 혁신 의지를 통해 낮은 세그먼트에서 적용되면서 장착률을 높일 전망이다. 타카타와 공동개발한 포드 시스템의 최대 차별성은 스티어링 강도를 높이고 줄이기 위해 실제 스티어링 휠 내에 작은 전기모터와 기어 세트를 장착해 사용한다는 점이다. 시스템이 스티어링 휠 내에 속해 있기 때문에 현재 모델에 장착할 수 있다. 4WS는 BMW, 아우디, 포르셰는 물론 이들 독일 프리미엄 메이커와 경쟁하는 일본의 프리미엄 브랜드를 통해 적용이 확대되고 있다.

언더스핀 AKC

포르쉐에 솔루션을 제공한 ZF는 현재 새로운 고객을 찾고 있다. ZF는 바퀴를 위에서 봤을 때 양 바퀴의 중심선에서 앞쪽과 뒤쪽의 길이 차이인 토우 앵글 수정을 통해 리어 액슬의 스티어링 무브먼트를 조정하는 양산형 시스템을 갖고 있다. 이 액티브 키네매틱스 컨트롤(Active Kinematics Control, AKC)시스템은 포르쉐 911 터보와 911 GT3 모델에 기본 장착돼 그 이점을 보여주고 있다.

트랙 조정(Track adjustment)은 서스펜션 개발에서 매우 중요한 작업이다. 최우선 목표는 차량 핸들링 성능의 최적성 증대다. 왜냐하면 제동 시 방향 안정성과 운전자에 의해 인지된 정밀한 조향, 기타 다양한 사항이 토우 앵글의 책임이기 때문이다. 토우링크와 컨트롤 암과 같은 서스펜션 컴포넌트들은 양산 차량의 섀시 개발 과정에서 결정된 트랙 설정이 정밀하게 유지되도록 한다.

차량의 트랙이 설정되고 나면 ZF의 섀시 엔지니어들이 투입된다. 이들은 거동 중 얼마나 동적 조정 트랙이 차량 핸들링에 영향을 미치는지를 테스트한다. 이를 위해 엔지니어들은 액티브 시스템의 중앙에 높이 조절이 가능한 토우 링크를 개발했다. 차량 전자장치들에 통합된 컨트롤 소프트웨어가 명령을 보내면 전기기계 액추에이터들이 차가 움직이는 동안 토우 앵글을 달리 한다.

한 가지 이점은 스티어링 거동이 트랙 앵글 수정에 따른다는 것이다. 이는 프론트 액슬과 비교해 약 3도 작을 뿐만 아니라 리어 액슬에서의 스티어링 조정 영향도 매우 커 프론트 휠의 스티어링 각도와의 상호작용 결과 차량 핸들링에 뚜렷한 효과가 나타난다. 이것이 ‘언더스핀 AKC’의 원리다.

천천히 좁은 거리를 통과한다면 시스템은 프론트 휠의 스티어링 앵글과 반대로해 차량의 높은 요 레이트(yaw rate)를 만들어 회전 반경을 최대 10%까지 줄일 수 있다. 시속 60 km 이상의 고속에서는 시스템이 프론트 휠에 따라 동일한 방향으로 리어 휠을 조향해 드라이빙 다이내믹스와 방향 안전성을 향상시킨다.

장착 가용 공간과 요구사항에 따라 파워 온디멘드의 에너지 효율적인 AKC 시스템은 두가지 타입이 있다. 하나는 리어 액슬의 중간에 액추에이터가 있는 ‘센터 액추에이터’시스템이고, 다른 하나는 포르셰 911 터보와 911 GT에서 리어 휠마다 하나의 액추에이터가 있는 시스템이다.
AKC의 스티어링 지원은 스티어링 휠에 기계적으로 연결된 것이 아닌 전자기계식 액추에이터를 통해 이뤄진다.

순수하게 ‘bywire’ 시스템이어서 차량의 액티브 컨트롤 네트워크 내에 통합될 수 있다. 따라서 기능은 ESC와 같은 다른 능동 시스템과 연계돼 제공된다. 만일 AKC가 ABS와 연결되면 브레이크의 안정화 간섭과 리어 액슬은 감속하는 동안 ESC의 제어력을 향상시키고 접지력에 관계없이 제동거리를 단축시킨다.
 

AEM_Automotive Electronics Magazine