ABS 시스템 [Anti-lock Brake System]

제동 장치의

ABS 시스템 [Anti-lock Brake System]

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

ABS 시스템은 안티-스키드(anti-skid) 시스템이라고도 하며, 주로 유압 브레이크 및 에어-브레이크의 압력제어용으로 사용된다.

1) ABS의 정의

ABS 브레이크란 Anti-Lock Brake System의 약자로서, 운동 마찰력보다 최대 정지 마찰력이 크다는 원리를 이용한 브레이크 시스템이다. 눈길을 운전할 때 브레이크를 세게 밟으면 미끄러지는데, 미끄러지기 직전까지 브레이크를 밟았다가 미끄러지려는 순간에 브레이크를 놓으면 최대 정지 마찰력을 이용할 수 있다. 미끄러지기 직전에 작용하는 최대 정지 마찰력은 바퀴가 미끄러질 때 바퀴와 노면 사이에 작용하는 운동 마찰력(미끄러질 때 작용하는 마찰력)보다 크므로 제동 거리를 줄일 수 있다.

일반 브레이크의 경우 페달을 밟고 있는 동안 계속해서 브레이크가 작동하지만 ABS는 1초 동안에 여러 번 브레이크를 조였다 놓았다 한다. 다시 말해 ABS 브레이크를 계속 밟고 있으면 일반 브레이크를 아주 빠른 속도로 여러 번 밟는 효과가 난다.

ABS 시스템은 급제동할 때, 그리고 동시에 슬립률이 클 때 차륜의 잠김(locked)을 방지하기 위해, 노면과 타이어 간의 점착 능력에 맞추어 휠 브레이크의 제동 압력을 제어한다. 일반적으로 시스템의 제어영역은 슬립률 8%~35% 범위이며, 자동차 주행속도 약 10km/h 이상에서는 활성화되며, 약 6km/h 이하에서는 비활성화된다. 시스템에 따라 다르나 제어 사이클의 반복은 1초당 약 4~10회가 대부분이다.

ABS의 장점으로는 제동 거리(브레이크를 밟는 순간부터 멈출 때까지의 거리)가 일반 브레이크의 경우보다 짧고 바퀴가 회전할 때 차체가 미끄러지지 않는다는 점을 들 수 있다.

<이미지 출처: 네이버> 

2) ABS의 요건

ABS 시스템은 다음과 같은 조건들을 충족시켜야 한다.

① 어떠한 도로조건(예 : 건조한 노면에서부터 빙판 도로에 이르기까지)에서도 주행 안정성과 조향성이 보장되어야 한다.

② 제동거리 단축에 우선하여 조향능력과 주행 안정성을 보장할 수 있어야 한다. 즉, 운전자가 급제동하든, 또는 브레이크 압력이 잠기는(lock) 한계까지 천천히 상승하든 간에 이에 상관없이 차륜이 항상 최적 제동능력을 발휘할 수 있도록 브레이크 압력을 제어해야 한다.

③ 제어는 자동차 주행속도의 모든 영역(최고 속도에서 보행속도 이하까지)에 걸쳐서 이루어져야 한다. 인간의 보행속도 이하에서는 차륜이 잠겨도 문제가 되지 않는다.

④ 노면과 차륜 간의 마찰계수 변화에 신속하게 대응할 수 있어야 한다. 예를 들면 건조한 포장도로가 부분적(국부적)으로 결빙되어 있을 경우, 그와 같은 짧은 기간 동안에도 차륜이 잠길 가능성을 제한할 수 있어야 한다. 그래야만 조향능력과 주행 안정성이 보장된다. 반면에 건조한 노면의 점착력은 가능한 한 최대로 이용할 수 있어야 한다.

④ 노면과 차륜 간의 마찰계수 변화에 신속하게 대응할 수 있어야 한다. 예를 들면 건조한 포장도로가 부분적(국부적)으로 결빙되어 있을 경우, 그와 같은 짧은 기간 동안에도 차륜이 잠길 가능성을 제한할 수 있어야 한다. 그래야만 조향능력과 주행 안정성이 보장된다. 반면에 건조한 노면의 점착력은 가능한 한 최대로 이용할 수 있어야 한다.

⑤ 마찰계수가 불균일한 노면, 예를 들면 오른쪽 차륜은 건조한 노면을, 왼쪽 차륜은 빙판을 주행할 경우에는 요-토크(yaw torque)를 피할 수 없다. 이때 제어시스템은 요-토크가 천천히 발생되도록 하여, 운전자가 간단히 역조 향함으로서 보상되도록 제어하여야 한다.

요-토크란 자동차의 수직축을 중심으로, 자동차를 진행 방향에 대해 좌/우로 회전시키려는 토크를 말한다.

⑥ 커브 선회 중 제동하여도 조향 성과 주행 안정성이 보장되어야 하고, 동시에 커브 한계속도 이하에서는 최소 가능 제동거리를 유지할 수 있어야 한다. 커브 한계속도란, 커브를 선회할 때, 차륜이 자신의 기하학적 궤적을 이탈하지 않고 주행할 수 있는 한계속도를 말한다.

⑦ 요철 도로 주행 중에도 운전자의 제동방법과는 관계없이 조향성, 주행 안정성, 최단 제동 거리 등이 보장되어야 한다.

⑧ 수막현상(aquaplaning)을 감지하여 최적 대응할 수 있어야 한다.

⑨ 브레이크의 이력현상(brake hysteresis)과 엔진브레이크 현상에 가능한 한 신속하게 대응할 수 있어야 한다. 브레이크의 이력현상이란 브레이크페달에서 발을 뗀 이후에도 지속되는 후 제동 현상을 말한다.

⑩ 제동토크의 제어 증폭도가 낮아, 진동에 의한 차체의 꿀꺽거림(rocking : Aufschaukeln)을 피할 수 있어야 한다.

이외에도 다른 제어시스템과 마찬가지로 페일 세이프(fail-safe) 기능과 인터페이스(interface) 기능 등을 갖추어야 한다.

<이미지 출처: 네이버>

3) ABS의 중요성

운전자는 갑작스러운 상황에서 급정거를 하게 된다. 그런데 브레이크의 제동력이 커지면서 타이어가 회전하지 않는 '잠김 현상'이 발생하면 이로 인해 자동차의 방향과 제동을 통제할 수 없게 된다. 그 상태에서 자동차는 관성에 의해 미끄러지게 되는데, ABS는 초당 수 십 번의 브레이크를 작동하며 바퀴의 잠김 현상을 막아주고 방향성을 잃고 미끄러지는 것을 막아줍다.

4) ABS의 원리

일반적으로 브레이크 페달을 이용하는 경우, 운전자가 페달에서 발을 떼기 전까지는 브레이크가 작동하게 된다. 그런데 ABS의 경우에는 운전자가 브레이크 페달을 밟고 있는 상태에서도 타이어가 회전하도록 만들어 준다. 급제동으로 인해 타이어가 회전을 멈추고 잠기면 이를 휠 속도 센서가 감지하게 된다. 그럼 이 상태를 컴퓨터에 전달하고, 컴퓨터는 브레이크를 해제시키게 되어 바퀴가 잠기지 않고 회전하도록 만드는 것이다.

타이어가 회전을 이어가면 휠 속도 센서를 통해 컴퓨터가 인식하게 되는데, 그 순간에도 운전자는 브레이크를 계속 밟고 있기 때문에 그 제동력의 영향으로 타이어는 정지하게 된다. 이렇게 회전과 정지를 반복하며 타이어가 잠기는 위험한 상황을 막아주는 것이다.

타이어가 회전하고 정지하는 것을 반복할 때 '최대 정지마찰력'이 작용하는데, 정지하고 있는 물체가 움직이기 시작하는 순간 마찰력이 가장 커진다. 이를 '최대 정지마찰력'이라고 한다. 자동차의 움직임을 생각해 본다면, 막 출발하는 시점에서 최대 정지마찰력이 작용한다고 할 수 있다.

ABS는 최대 정지마찰력이 작용하는 순간을 반복시키는 원리를 통해 초당 수십 회의 브레이크 작동으로 마찰력을 극대화한다. 즉 초당 수십 번을 가다 서다를 반복하는 것이다.

ABS모듈 <이미지 출처: 네이버>

5) ABS의 종류

ABS는 제어 채널이나 센서의 개수에 따라 3채널과 4채널 방식으로 나뉜다. 3채널 방식은 앞바퀴는 개별적으로 제어하고, 뒷바퀴는 하나의 유닛으로 제어하는 것이다. 3채널 방식의 경우 뒷바퀴 중 하나의 타이어라도 잠김 현상이 발생하면 뒷바퀴 2개 모두 브레이크 압력이 감소하게 된다. 3채널 방식의 경우 구조가 단순해 가격이 낮지만 안정성과 조향력 컨트롤에 있어 부족하다는 단점이 있다.

4채널 방식은 모든 바퀴가 휠 센서에 의해 개별로 속도를 측정하게 되고, 브레이크 제어 또한 바퀴마다 적용이 된다. 즉, 4개의 바퀴가 잠김 현상에 대해 개별적으로 대응할 수 있다는 것이다. 안정성과 조향력 컨트롤에 유리해 현재는 대부분 4채널 방식을 사용한다.

급박한 상황에서는 사람도 자동차도 패닉 상황에 빠질 수 있다. ABS는 긴급한 상황에서도 자동차의 성능을 잃지 않고, 운전자가 통제할 수 있도록 만들어 준다. 하지만 무엇보다 가장 중요한 것은 ABS를 사용하는 일이 일어나지 않도록 안전하게 운전하는 습관이 중요하다.

6) ABS 작동, 점검 방법은?

고속 주행을 하다가 브레이크를 밟으면 차량 페달이 떨면서 차가 울컥울컥하는 현상은 ABS가 작동되는 것이 아니라 브레이크 디스크가 변형되면 이런 현상이 발생할 수 있다. ABS의 경고등이 들어오거나 브레이크 오일, 브레이크 패드 등 제동과 관련된 것들은 주기적으로 검사해 주거나 관리해주는 것이 필요하다.

자동차 ABS 경고등이 점등됐을 때 이유를 간략하게 보면, 단순 경고등 고장, ABS 센서 고장, ABS의 라인 단선 또는 단락의 문제, ABS의 구성품들의 고장 등으로 볼 수 있다. 자동차 ABS 경고등이 계속 점등된다는 것은 즉, ABS가 작동하지 않는다는 의미로 안전사고까지 이어질 수 있으므로 서둘러 가까운 카센터를 방문하여 점검을 받아 수리를 하여야 한다.

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