브레이크 전자제어 시스템의 개요

구동 장치의

전자제어 시스템의 개요

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열두 번째 시간으로 ‘브레이크 전자제어 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

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1) 주로 사용되는 브레이크 전자제어 새시 시스템들

① ABS(Anti-lock Braking System) 제동 중 휠이 잠기는(lock) 것을 방지한다.

② BAS(Braking Assistant System) 위급한 상황을 감지하여, 제동거리를 단축시킨다.

③ SBC(Sensotronic Brake Control) 커브를 선회하는 동안에 제동할 때, 방향안정성을 증대시키고, 제동거리를 단축시킨다.

④ TCS(Traction Control) 발진할 때 또는 가속할 때 휠이 헛도는(spinning) 현상을 방지한다.

⑤ VDC(Vehicle Dynamic Control) 자동차가 궤적을 벗어나 옆으로 미끄러지는 것을 방지한다.

<이미지 출처: 네이버> 

2) 타이어에 작용하는 힘의 종류

자동차의 모든 운동 또는 운동의 변화는 단지 타이어에 작용하는 힘에 의해서만 이루어진다.

① 원주 방향에 작용하는 힘(peripheral force) - 구동력 및 제동력(FD 및 FB)

이 힘들은 차체의 길이 방향으로 타이어의 중심선 상에서 전/후로 작용한다.

② 횡력(lateral force)

조향에 의해서 또는 외력(예 : 옆 방향 바람)의 간섭에 의해서 옆 방향에 작용한다.

③ 수직력(normal force)

자동차의 중량에 의해서 생성된다. 노면에 수직으로 작용한다.

이 힘들의 강도는 노면 상태, 타이어의 상태 및 형식, 그리고 날씨의 영향을 받는다.

<이미지 출처: 네이버>

3) 노면에 전달되는 구동력과 제동력의 크기

타이어와 노면 사이의 전달 가능한 힘은 타이어와 노면 사이의 마찰력에 의해서 결정된다. 타이어와 노면 간의 마찰이 정적 마찰(static friction) 상태일 때, 힘을 최적으로 전달할 수 있다. 전자제어 시스템에서는 정적 마찰을 적절하게 이용한다.

타이어의 원주에 작용하는 힘은 정적 마찰을 통해, 구동력 또는 제동력의 형태로 노면에 전달된다.

① 마찰력(friction force : Reibungskraft)

제동 중 또는 구동 중, 노면에 전달 가능한 제동력 또는 구동력은 타이어와 노면 사이의 마찰력과 같으며, 이 마찰력은 차륜에 작용하는 수직력에 비례한다. 타이어와 노면 간의 마찰계수는 타이어/노면 간의 마찰짝과 그 마찰짝에 영향을 미치는 여러 가지 요소들에 의해 결정된다. 따라서 마찰계수는 전달 가능한 구동력 또는 제동력의 척도가 된다.

자동차 타이어의 마찰계수는 건조한 포장 노면에서 최대가 되고, 빙판길에서 최소가 된다. 즉, 노면과 타이어 사이에 물이나 먼지 등이 개제되면 마찰계수는 현저하게 감소한다. 예를 들면 포장도로일지라도 마찰계수는 노면이 건조한 경우는 0.8~1, 젖어 있을 경우는 0.2~0.65, 결빙되어 있을 경우는 0.05~0.1 정도가 된다.

특히 젖은 노면에서는 자동차의 주행속도가 마찰계수에 큰 영향을 미친다. 고속으로 주행 중, 제동할 경우에 제동 마찰계수가 너무 낮아 제동력을 노면에 충분히 전달할 수 없게 되면, 차륜은 잠기게(lock) 된다. 제동 중, 차륜이 잠기면 주행 안정성이 크게 저하된다. 앞바퀴가 잠기면 조향성이, 뒷바퀴가 잠기면 직진성이 크게 저하하거나, 심하면 아주 상실되게 된다.

마찰은 점착마찰과 미끄럼마찰로 구분한다. 점착마찰은 미끄럼마찰보다 큰 힘을 전달한다. 즉, 전동하는 차륜의 마찰계수는 제동 중 잠기는 차륜의 마찰계수보다 크다.

② Kamm의 마찰 원(Kamm's friction circle)

타이어가 노면에 전달할 수 있는 힘의 최댓값이 원 안에 도시되어 있다. 안정적인 주행상태일 경우라면, 타이어 원주 방향으로 작용하는 힘과 횡력의 합력은 원의 안에 있어야 한다. 따라서 그 크기는 타이어가 노면에 전달할 수 있는 힘의 최댓값보다 작다.

휠이 잠기거나(lock) 헛돌아(spinning) 원주 방향으로 작용하는 힘이 자신의 최댓값에 도달하게 되면, 횡력을 전달할 수 없다. 따라서 자동차는 조향이 불가능하게 된다.

커브를 최대 선회 속도로 주행하여 횡력이 자신의 최댓값에 도달하면, 가속 또는 제동할 수 없다. 이때 가속 또는 제동하면, 자동차는 궤적을 이탈하여 옆으로 미끄러지게 된다.

③ 슬립(slip)

전동 중인 타이어의 접지부에는 구동력 또는 제동력에 의한 복잡한 물리적 현상이 나타난다. 특히 탄성체인 타이어는 변형되며, 차륜이 잠기기(lock) 이전에도 부분적으로 미끄럼 운동을 하게 된다. 전동 중인 차륜의 미끄럼 양을 슬립(slip)이라 한다.

타이어와 노면 간에 약간의 슬립도 없이 힘을 전달하는 것은 불가능하다. 그 이유는 타이어와 노면이 기어이가 맞물린 것처럼 맞물려 있지 않으며, 주행 중 또는 제동 중 타이어는 항상 약간 슬립하기 때문이다.

제동 중 휠이 완전히 잠겨 회전하지 않으면서 미끄러지거나, 주행 중 휠이 제자리에서 헛돌 때(spinning), 슬립률은 100%이다.

④ 타이어에 작용하는 힘과 슬립의 상관관계

제동 마찰계수는 슬립률 0부터 시작하여 급격히 증가하여, 노면과 타이어의 특성에 따라 각각 슬립률 10%~40% 사이에서 최댓값에 도달한 다음, 다시 감소하는 것으로 나타나고 있다.

선회할 때는 차체의 무게중심에서 커브 외측으로 작용하는 원심력과 각 차륜에 구심 방향으로 작용하는 횡력(lateral force)의 합이 서로 평형을 이루어야 한다. 그래야만 안정된 상태로 커브를 선회할 수 있다. 그러나 횡력은 타이어가 어느 한쪽으로 탄성 변형될 때에만 발생된다.

슬립률이 낮은 상태에서는 제동력은 급격히 증가하여 자신의 최댓값에 도달했다가, 슬립률이 증가함에 따라 다시 감소함을 보이고 있다. 제동력(또는 구동력)의 최댓값 및 변화 과정은 노면과 타이어 사이의 마찰계수의 영향을 크게 받는다. 최댓값은 슬립률 8%~35% 범위에 존재한다. 일반적으로 슬립률 35%까지의 영역을 안정 영역이라고 하는데, 그 이유는 이 영역에서 차륜은 안정적으로 주행이 가능하며, 동시에 조향이 가능하기 때문이다. 즉, 이 영역에서 휠은 구동력 또는 제동력을 가장 잘 전달할 수 있다.

따라서 전자제어 섀시 시스템은 이 제어영역 범위(슬립률 8%~35%) 내에서 작동한다.

 <이미지 출처: 네이버>

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이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 열두 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 전자제어 시스템’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 열세 번째 시간으로 ‘제동 장치 전자제어 ABS 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.