조향장치의 원리

자동차 앞바퀴는 조향조작을 하기 위하여 조향 너클과 함께 킹 핀 혹은 볼조인트를 중심으로 하여 좌우로 회전하도록 설치되어 있다. 자동차의 앞바퀴는 차체 앞부분의 중량을 지지하며, 조향 장치의 기능을 돕고 안정된 주행성과 정확한 조향 조작이 이루어지도록 하기 위하여 기하학적 각도를 가지고 앞바퀴가 조립되어 있는 것을 휠 얼라이먼트라 하고, 여기에는 토인, 토아웃, 캠버, 캐스터, 킹핀경사각도, 선회반경 등의 요소들이 필요하며, 이들 각 요소가 잘 조정되면 다음과 같은 중요한 효과를 가져올 수 있다. 1 조향휠의 조작을 작은 힘으로 경쾌하게 조작할 수 있다. 2 조향휠 조작이 확실하며 안전성을 부여한다. 3 조향휠의 복원성이 좋아진다. 4 타이어의 마멸을 작게 한다. 자동차를 위에서 보았을 때 휠의 앞이 좁은 상태일 때를 토인이라고 한다. 토인에는 치수로 표시하는 방법과 각도로 표시하는 방법이 있으며, 타이어 마모와 관계가 있다. 치수로 표시하는 방법-좌우 타이어 접촉면의 중심선 사이의 전후 치수의 차를 말한다. 각도로 표시하는 방법-좌우 타이어 접촉면 중심선과 조향차륜의 중심선과 이루는 각도를 말한다. 토인을 두어야 하는 이유는 다음과 같다. 자동차가 주행할 때 캠버 때문에 옆으로 굴러가는 경향이 있으므로, 이것을 직진시키기 위해 토인을 두어 앞바퀴를 평행으로 회전시킨다. 휠의 횡슬립을 막고 타이어 마모를 적게 한다. 조향장치의 링키지 마멸에 의한 토아웃이 되는 것을 미리 방지한다. 

캐스터 각은 자동차를 옆에서 보았을 때, 킹 핀의 중심선이 수직선에 대한 경사 각도를 나타내며, 휠의 쏠림에 영향을 주는 각도이다. 캐스터각을 두어야 하는 이유는 다음과 같다. 주행 중 조향휠에 방향성을 준다. 조향휠에 복원성을 준다. 

자동차를 앞에서 보았을 때 앞바퀴 타이어의 비스듬한 상태를 캠버 각이라 말하며, 타이어 중심선과 수직선이 이루는 각도를 말한다. 캠버를 두어야 하는 이유는 다음과 같다. 앞바퀴가 하중을 받았을 때 바퀴 아래쪽이 벌어지는 것을 방지한다. 조향축 경사와 함께 조향휠의 조작력을 적게 한다. 주행 중 바퀴가 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

킹핀 경사각이란 조향축의 각도로써 조향축 각이라고도 한다. 즉, 킹핀의 중심선, 혹은 상하 볼 조인트 중심을 연결하는 선과 수직선이 이루는 각도이다. 킹핀 경사각을 두어야 하는 이유는 다음과 같다. 조향휠의 조작력을 경감시킨다. 앞바퀴에 복원성을 두어 직진위치로 쉽게 되돌아가게 한다. 

세트백은 자동차의 기하학적 중심선과 앞바퀴의 추진선이 이루는 각도이다. 즉 한쪽 바퀴가 반대쪽 바퀴에 비해 뒤쪽에 있는 상태를 말한다. 트러스트 각은 자동차의 기하학적 중심산과 뒷바퀴의 추진선이 이루는 각도이다. 즉, 뒷바퀴가 정렬에서 벗어난 상태의 각도를 말한다. 

에커만-장토의 조향이론. 에커먼-장토식은 자동차가 선회할 때 선회하는 안바퀴의 조향각이 바깥 바퀴의 조향각보다 크게 되어 뒤차축 연장선상의 한 점을 중심으로 동심원을 그리는 형식으로, 자동차가 선회 중일 때는 안쪽과 바깥바퀴의 선회 반지름은 서로 r1, r2가 서로 틀려 이 선회 반지름에 해당하는 조향각을 주고 있다. 에커먼 장토식 조향장치는 자동차가 선회할 때 타이어 횡슬립이 거의 없는 경우이지만, 실제로는 원심력이 작용하기 때문에 자동차가 일정한 반지름을 그리며 선회하려면 원심력이 평행되는 힘이 필요하다. 따라서, 이 힘은 타이어가 옆방향으로 미끄러지는 것에 의해 발생되며 이 힘을 코너링 포스라고 하다. 자동차에 작용하는 원심력과 평행되는 코너링 포스가 발생될 때까지 타이어 횡슬립이 증대되므로 선회 중심이 앞쪽으로 이동된다. 코너링 포스의 크기는 타이어 횡슬립각에 비례하고, 타이어의 크기, 공기압력, 현가방식, 타이어 분담하중, 새시 스프링의 옆방향 강성 등에 영향을 받는다. 자동차가 일정한 속도 및 정해진 반지름으로 선회 시 타이어에 발생하는 코너링 포스의 합이 원심력과 같다. 이때 앞바퀴에 발생하는 코너링 포스는 자동차의 중심점을 중심으로 하는 왼쪽방향의 모멘트를 발생시키며, 뒷바퀴에 발생하는 코너링 포스는 오른쪽 방향으로 작용하는 모멘트가 발생한다. 이것들이 균형을 이룰 때 일정 반지름의 선회가 이루어진다.

자동차를 비교적 낮은 정속도에서 정상원 선회상태로 두고 핸들각을 고정한 채 천천히 가속해 가면 자동차의 속도가 증가함에 따라 괘적이 외측으로 나가려는 경향과 내측으로 들어가려는 경향 등이 있다. 즉, 자동차의 궤적이 외측으로 나가려는 현상을 언더 스티어링, 내측으로 들어가는 현상을 오버 스티어링이라고 하며, 자동차의 속도가 증가해도 전혀 영향을 받지 않는 경우를 뉴트럴 스티어링이라고 하고, 처음에 외측으로 나갔다가 나중에 내측으로 들어오는 경우를 리버스 스티어링이라고 한다. 오버 스티어링 현산은 자동차가 선회 시 앞바퀴에 발생하는 코너링 포스가 크게 되면 왼쪽방향의 모멘트가 뒷바퀴 코너링 포스가 크게 되어 조향각을 일정하게 하여도 자동차의 알 쪽이 안으로 움직여 선회 반지름이 작아지는 현상이다. 언더 스티어링 현상은 자동차가 선회 시 뒷바퀴에 발생하는 코너링 포스가 크게 되면 오른쪽 방향의 모멘트가 커지기 때문에 선회 반지름이 크게 되는 현상이다.