행복남의 일상

제동장치의

SBC [Sensotronic Brake Control]

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

SBC는 기능의 안전을 제공하며 동시에 전반적인 전력 소모는 줄여 주면서 고장 대처(Fail Silent) 기능을 갖춰 고장이 발생하는 경우에도 대응이 가능하게 예측가능시스템으로 안전 목표를 둔 장치다.

SBC 시스템은 “Brake by Wire” 시스템으로서 전자 유압식 브레이크(Electro-Hydraulic Brake；EHB)라고도 한다. 즉, 운전자의 제동의지를 전선을 통해 전달한다. 이 시스템은 ABS, TCS, BAS 및 ESP의 기능이 복합되어 있다.

1) SBC 시스템의 구성

SBC 시스템은 본질적으로 축압기(pressure accumulator)를 포함한 유압 유닛, 액추에이팅 유닛, ECU, 회전속도센서 및 요-앵글(yaw angle)센서로 구성된다.

기존의 브레이크 시스템과는 반대로, 처음에 모든 차륜에 가능한 한 급속하게 높은 브레이크압력을 작용시키고, 이어서 압력을 제어한다. 그리고 SBC에서는 각 차륜의 브레이크압력을 개별적으로 제어한다.

ECU는 센서들로부터 전송된 정보를 근거로 실제 주행상황을 파악하고, 이들로부터 각 차륜이 필요로 하는 최적 제동압력을 계산한다. 이를 이용하여 예를 들면, 오른쪽 커브를 선회할 때 부하를 더 많이 받는 왼쪽 차륜을 더욱더 강력하게 제동할 수 있다. 따라서 커브를 선회 중에 제동할 때, 최적 제동이 가능하며, 안정적인 주행특성을 얻을 수 있다.

기존의 유압식 브레이크의 기능에 다음과 같은 기능들을 추가할 수 있다.

① 언덕길에서 자동차의 정차상태를 유지하는 기능(hill-hold control : HHC)

언덕길에서 운전자가 브레이크 페달에서 발을 뗀 다음, 가속페달을 밟아 발진하는 동안에 자동차가 뒤로 굴러가는 것을 방지하는 기능이다. 특히 수동변속기가 장작된 자동차에 짐을 많이 적재하였거나, 피견인차를 연결한 상태 하에서 발진할 때, 크게 도움이 된다.

② 젖은 드럼과 디스크가 건조될 때까지 주제동 브레이크와 핸드브레이크를 작동시키는 기능

③ 제동 시 다이브(dive)를 방지하기 위한 소프트 스톱(soft stop) 기능

④ 급감속을 인지하였을 때 브레이크 라인을 채우는 기능.

비상제동 동작 중에 보다 빠르게 브레이크압력을 형성할 수 있다.

⑤ 자동 적응식 주행속도제어 및 차간거리제어 기능(ACC : Adaptive Cruise Control)

주행속도 약 30km/h부터 1km/h 단위로 증속 또는 감속하는 시스템이 주로 이용되고 있다.

제동시, 클러치를 작동시킬 때 그리고 운전자가 가속페달을 밟을 때에는 정속주행 및 차간거리제어는 중단한다. 또 커브가 많거나 표면이 단단하지 않은 도로, 교통량이 많아 정속주행이 어려울 경우에는 이용하지 않는 것이 더 좋다.

⑥ HDC(Hill Descent Control)

언덕길(구배 약 8~50%) 하향 주행보조장치로서 특정속도(예 : 60km/h) 이하의 주행속도에서 작동시킬 수 있으며, 언덕길 하향주행 시 특정 주행속도 범위(35km/h 이하에서 8km/h 정도까지)에서 일정속도로 제어한다. 가속페달을 밟거나, 제동을 걸어 약 5km/h~35km/h 사이에서 변경이 가능하다. 60km/h 이상의 속도에서는 자동적으로 비활성화된다.

SBC는 브레이크 배력장치를 필요로 하지 않는다. 일렉트로닉 시스템에 고장이 발생한 경우, 제동은 제한된 범위 내에서 비상 유압회로를 통해서 이루어진다.

2) 작동원리 및 기능

운전자가 브레이크 페달을 작동시키면, 마스터실린더의 두 회로에는 제동압력이 형성된다. 압력은 압력센서 b1에 의해 측정, ECU에 전송된다.

① SBC- 정상 제동

SBC (정상 제동) 유압회로 <이미지 출처: 네이버>

ECU가 2개의 분리밸브 y1, y2에 전기를 공급하면, 분리밸브 y1, y2를 통한 앞차축의 유압회로는 차단된다. 브레이크 시스템의 압력공급은 이제 축압기 3을 통해 이루어진다. 축압기 압력은 전기적으로 구동되는 유압펌프 m1에 의해 형성되며, 압력센서 b2에 의해 측정된다. 축압기 압력은 약 150bar에 이른다. 축압기 압력이 일정한 값 이하로 낮아지면, 유압펌프는 다시 작동한다.

ECU는 각 차륜에 대해 최적 제동압력을 계산하여, 인렛밸브(y6, y8, y10, y12)와 아웃렛밸브(y7, y9, y11, y13)를 이용하여 각 차륜의 제동압력을 제어한다. 압력센서들(b3, b4, b5, b6)은 각 차륜의 실제 제동압력을 측정하여 ECU에 전송한다.

밸런스 밸브(y3, y4)들은 제동 중, 1개의 차축 좌/우 차륜들의 압력을 평형(balancing)시킨다. 커브에서 제동할 때, 그리고 ESP 시스템이 작동할 때, 밸런스밸브는 활성화되어 유압회로를 닫는다. 이제 각 차륜의 제동압력을 개별적으로 제어할 수 있게 된다.

2개의 동작유체 분리기(media isolator) 7, 8은 축압기 3으로부터 누설된 질소가 마스터실린더 1로 유입되는 것을 방지한다.

② SBC의 고장 시 비상 제동

SBC (비상 제동) 유압회로 <이미지 출처: 네이버>

2개의 분리밸브(y1, y2)에는 전기가 흐르지 않으므로, 밸브들은 열린 상태를 유지한다.

운전자에 의해 마스터실린더에서 형성된 제동압력은 앞차축 브레이크 실린더에 직접 작용한다. 뒤차축은 제동되지 않는다. 브레이크 배력장치가 없기 때문에 제동효과는 아주 낮다. 그러므로 자동차 주행속도는 ECU에 의해 일정 수준(예 : 최대 90km/h) 이하로 제한된다.

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

2019. 2. 26.

제동장치의

VDC (ESP, DSC) [Vehicle Dynamic Control]

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

VDC는 운전자가 별도로 제동을 가하지 않더라도, 차량 스스로 미끄럼을 감지해 각각의 바퀴 브레이크 압력과 엔진 출력을 제어하는 장치로 VDC (Vehicle Dynamic Control)는 제조사마다 EPS, DSTC, DSC 등으로 불리기도 하는데, 어떠한 환경 속에서도 달리는 차체를 운전자가 원하는 방향으로 움직일 수 있도록 도와주는 차체제어장치다. 각 바퀴와 핸들 등을 분석해 차체의 자세를 교정하며 운전자가 원하는 방향으로 움직일 수 있도록 도와준다. 단! 빗길이나 눈길에선 역으로 VDC 장치를 끈 후 주행 방향을 수정해야 한다.

1) EPS 시스템의 구성요소

차륜들을 개별적으로 제동하여 차체의 길이(x축)방향 및 옆(y축)방향 안정성을 확보할 수 있다. 따라서 이를 통해 자동차를 수직(z)축을 중심으로 회전하게 하는 요-토크의 발생을 방지할 수 있다.

ESP(Electronic Stability Program)의 경우, 다음과 같은 시스템들이 동시에 상호작용한다.

• ABS(Anti-lock Brake System)

• ABV(Automatic Braking-force distribution1))

• EDTC를 포함한 TCS(TCS with Engine Drag Torque Control)

• YMR(Yaw Moment Regulation) : 요-토크 제어

시스템은 네트워크화된 데이터-버스를 이용하여, 휠 회전속도, 브레이크압력, 요잉률(yawing rate), 조향각, 횡가속도 및 저장된 특성곡선 등을 이용하여 브레이크 간섭을 제어한다.

ESP 시스템의 구성요소 <이미지 출처: 네이버>

2) ESP(Electronic Stability Program)의 작동원리

센서들을 통해 수집한 정보들(예 : 휠 회전속도, 조향운동 및 횡가속도)은 실제값으로서 ECU에 입력된다. 이들 실제값은 ECU에 저장되어 있는 규정값과 비교된다. 규정값에 대한 실제값의 차이가 특정 한계를 초과하면, 시스템은 어느 한 휠을 제동하여 주행방향을 수정하는 방법으로 자동차의 안정상태를 유지한다.

ESP 시스템은 다음과 같은 경우에는 작동시키지 않는다.

• 스노 체인(snow chain) 장착 시

• 눈이 많이 쌓인 도로 및 비포장도로 주행 시

• 진창길에서 빠져나오기 위해 전/후진할 경우

휠 스핀(wheel spin)을 필요로 하지 않을 경우에는 ESP를 스위치 ON시켜야 한다. ESP는 조향각도와 주행속도를 근거로 운전자가 의도하는 주행방향을 판단하여, 이를 실제 주행방향과 지속적으로 비교한다. 실제 주행방향이 운전자의 의도와 다르게 나타나면(예 : 미끄러질 때), 해당 차륜을 제동하여 주행방향을 수정한다.

ESP 시스템은 다음을 결정한다.

• 어느 차륜을 얼마만큼의 강도로 제동해야 하는가?

• 엔진 토크를 감소시켜야 하는지의 여부

① 언더 스티어링(under steering)경향 - 커브 안쪽 뒷바퀴 제동

자동차가 커브를 선회할 때 또는 장애물을 피하기 위해 갑자기 방향을 바꿀 때 언더 스티어링 경향성이 있으면, 자동차는 앞차축에 의해 직진방향으로 밀리게 된다. ESP 시스템은 1차 공급펌프(pre-supply pump；그림 5-69 참조)를 통해 커브 안쪽 뒷바퀴의 브레이크압력을 제어한다. 이를 통해 형성된 요-토크가 자동차를 수직(Z)축을 중심으로 회전시켜 언더-스티어링 경향성에 역으로 작용한다.

② 오버 스티어링(over steering) - 커브 바깥쪽 앞바퀴 제동

자동차가 커브를 선회할 때 오버 스티어링 경향성이 있으면, 시스템은 커브 바깥쪽 앞바퀴를 제동하여 자동차를 안정시킨다.

3) ESP(Electronic Stability Program)의 유압회로도

① 압력 형성(pressure build-up)

ESP가 제어에 간섭하게 되면, 1차 공급펌프 P1은 브레이크액을 브레이크액 탱크로부터 펌프 P2로 공급한다. 이렇게 함으로서 온도가 낮은 경우에도 시스템은 브레이크회로의 제동압력을 신속하게 형성할 수 있다. 리턴펌프 P2 역시 똑같은 방법으로 작동하여, 휠이 제동될 때까지 제동압력을 상승시킨다. 이때 고압절환밸브 Y1 및 인렛(inlet)밸브 Y2는 열린다. 아웃렛(outlet)밸브 Y3은 닫히고 스위칭밸브 Y4는 블로킹(blocking)된다.

② 압력 유지(pressure holding)

이 단계에서, 고압절환밸브 Y1 및 인렛밸브 Y2는 닫힌다. 제동압력은 일정하게 유지된다.

③ 압력 감소(pressure reduction)

이 단계에서, 아웃렛 밸브 Y3 및 스위칭밸브 Y4는 열린다. 브레이크액은 리턴펌프를 통해 마스터실린더로 복귀한다.

ESP의 유압 회로도 <이미지출처: 네이버>

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

제동장치의

TCS [Traction control system]

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

눈길, 빗길 따위의 미끄러지기 쉬운 노면에서 차량을 출발하거나 가속할 때 과잉의 구동력이 발생하여 타이어가 공회전하지 않도록 차량의 구동력을 제어하는 시스템으로 타이어가 미끄러졌을 때, 좌우 타이어의 회전수에 차이가 있을 때, 타이어가 펑크 났을 때 작동한다. 연료 분사량, 점화시기, 스로틀밸브 따위를 조절하여 엔진출력을 떨어뜨리는 시스템과, 구동바퀴에 브레이크를 걸어 직접 제동하는 시스템으로 이루어진다.

<이미지 출처: 네이버> 

1. TCS의 개요

자동차가 미끄러운 노면에서 발진 또는 가속, 등반할 때 구동륜이 헛도는 것(spinning)을 방지하여, 자동차가 X축(길이방향 축) 선상에서 안정을 유지하도록 한다. 결과적으로 선회(cornering) 안전성이 유지되며, 자동차의 구동축 차륜들이 옆으로 미끄러져 차선(궤적 : track)을 이탈하는 것을 방지한다.

TCS는 ABS의 기능을 확장시킨 시스템이다. TCS와 ABS는 센서 및 액추에이터를 서로 공유하며, 공동의 ECU를 사용하기도 한다. 공동의 ECU 내에서는 CAN-버스를 통해서 계속적으로 정보를 교환한다. 스노-체인(snow chain)을 장착하고 주행할 경우에는 TCS를 스위치 ‘OFF’ 시킬 수 있다.

2. TCS 시스템의 종류

① 엔진 간섭기능을 포함한 TCS

② 브레이크 간섭기능을 포함한 TCS, 또는 ELSD(Electronic Limited Slip Differential) 기능을 포함한 TCS

③ 엔진 및 브레이크 간섭기능을 포함한 TCS

3. TCS의 장점

① 발진 또는 가속할 때, 노면과 타이어 간의 정지 마찰력 개선 즉, 궤적(track) 유지성의 개선

② 구동력이 클 때, 주행 안전성의 증대

③ 노면과 타이어 사이의 접지 마찰력에 따라 엔진토크를 자동으로 조정

④ 주행 역학적(driving dynamic) 한계의 도달에 대한 운전자의 정보

TCS/ELSD 브레이크 회로 <이미지 출처: 네이버>

4. 브레이크 간섭기능/ ELSD 기능을 포함한 TCS

발진 보조장치로서 전자-유압식 시스템이 사용된다. 헛도는(spinning) 구동륜의 브레이크에 간섭하여, 차륜이 잠기는(lock) 효과를 발생시켜 견인력(＝접지력)을 개선시킨다.

① 구조

[위 TCS/ELSD 브레이크 회로 참조]

㉠ 유압 시스템 : 흡입밸브 및 델리버리밸브를 포함한 유압펌프, 인렛밸브 및 아웃렛밸브, 유압절환밸브, 압력제한밸브를 포함한 체크밸브로 구성된다.

㉡ 전기 시스템 : ABS/TCS(ELSD) ECU, 그리고 휠회전속도센서

② 작동원리

㉠ 압력형성(pressure build-up)

구동륜이 헛돌면, ECU는 휠회전속도센서의 신호로부터 이를 감지한다. ECU는 유압펌프와 체크밸브를 작동시킨다. 체크밸브(CV)는 닫히고, 유압펌프(P)가 생성한 유압은 헛도는 바퀴를 제동한다.

㉡ 압력 유지(pressure holding)

인렛밸브(inlet valve；IV)가 닫힌다.

㉢ 압력 감소(pressure reduction)

휠이 헛도는 것을 멈추면, 인렛밸브와 체크밸브는 열리고, 무압력 상태의 브레이크액은 마스터실린더를 거쳐서 브레이크액 탱크로 복귀한다.

5. 엔진 및 브레이크 간섭기능을 포함한 TCS

이 시스템은 주행상황에 따라 엔진 또는 브레이크에 간섭하여 작동한다. 아래 그림의 블록선도는 발진할 때 또는 타행주행할 때, 허용범위를 벗어난 휠 스핀(spin) 또는 휠 슬립(slip)을 방지하기 위해 엔진간섭과 브레이크 간섭이 어떻게 상호작용하는지를 나타내고 있다.

발진할 때 휠이 헛도는(spin) 것을 방지하기 위해서는 TCS/ELSD를 작동시키고, 타행할 때의 슬립을 방지하기 위해서는 EDTC(Engine Drag Torque Control)를 작동시킨다.

TCS 블록선도 <이미지 출처: 네이버>

① 구성 요소

㉠ ABS/TCS EDTC ECU

㉡ ABS/TCS 유압유닛

㉢ 전자식가속페달(ECU 포함)

㉣ 규정값 센서, 서보모터 및 스로틀밸브

② 작동원리

모든 휠의 회전속도는 ABS/TCS ECU에 입력, 처리된다. 1개 또는 2개의 휠이 헛도는 경향성이 있으면, TCS 제어는 활성화된다.

㉠ 발진할 때의 제어

휠이 헛도는 경향성이 있으면, 가능한 한 최대의 접지력을 확보하기 위해, 먼저 제동토크제어가 활성화된다. 예를 들어 뒤 우측 차륜(RR)이 헛돌기 시작하면, ECU는 펌프 P1을 작동시킨다. 흡입 솔레노이드밸브 Y15는 열리고, 절환밸브 Y5와 뒤 좌측 차륜의 솔레노이드밸브 Y10은 닫힌다. 따라서 펌프압력은 뒤 우측 차륜을 제동하는데 사용된다. 유입유닛의 솔레노이드밸브 Y12와 Y13을 통해 압력을 형성, 유지, 소멸시켜 제동토크를 제어할 수 있다.

㉡ 주행 중의 제어

예를 들어 양쪽 바퀴가 모두 헛돌게 되면, 최적의 견인력(＝접지력)을 확보하기 위해 구동토크제어가 우선적으로 작동한다. 이 경우에는 서보보터를 이용하여 스로틀밸브를 닫는 방향으로 작동시키고, 점화시기를 지각시켜 구동토크를 감소시킨다.

그럼에도 불구하고 바퀴가 계속 헛돌게 되면, 제동토크제어가 활성화된다. 이 과정에서는 브레이크압력은 펌프1로부터 솔레노이드밸브 Y10 및 Y12를 거쳐서 뒷바퀴들에 전달된다. 뒷바퀴들이 헛도는 것을 멈추면, 제동토크제어는 종료된다.

㉢ 타행할 때의 제어

주행 중 갑자기 가속페달에서 발을 뗄 때 엔진브레이크 효과에 의해 구동륜들에서 슬립이 발생하게 되면, ECU는 이를 감지하고, 엔진 드래크-토크 제어(EDTC : Engine Drag Torque Control)를 활성화시킨다.

이 경우에는 서보모터를 작동시켜 스로틀밸브를 어느 정도 열어, 기관의 회전속도를 상승시키게 되면, 구동륜들은 더 이상 슬립(slip)을 하지 않게 된다.

㉣ TCS 경고등

TCS 제어를 진행 중일 때 그리고 시스템에 고장이 발생했을 때, 운전자에게 이를 알려 준다.

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

제동장치의

ABS 시스템의 실체

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

ABS 성능시험 이미지  <이미지 출처: 네이버>

1) ABS 시스템의 분류

ABS 시스템을 구성하는 주요 부품은 휠센서(펄스 링 포함), ECU, 그리고 유압 모듈레이터(솔레노이드 밸브 포함)이다. ABS 시스템을 제어채널 또는 센서의 개수, 그리고 제어방식에 따라 분류하면 다음과 같이 분류할 수 있다.

① 4-채널 시스템

4개의 휠센서를 사용하며, 전/후 또는 대각선(X형) 브레이크 회로에 주로 사용한다. 일반적으로 각 차륜을 개별적으로 제어하지만, 후륜은 ‘개별제어’ 또는 ‘select-low’ 원리에 따라 공동으로 제어한다.

② 3-채널 시스템

3개 또는 4개의 휠센서를 사용하며, 대각선(X형) 브레이크 회로에 사용한다. 앞바퀴들은 개별 제어하고, 뒤쪽 좌/우 차륜은 1개의 유압제어 유닛으로 ‘select-low’ 원리에 따라 제어한다.

③ 개별제어(Individual Control : IC)

각 차륜에 가능한 최대 제동압력을 작용시킨다. 따라서 제동력은 최대가 된다. 예를 들어 노면의 어느 한쪽이 결빙된 상태일 경우에 1개의 차축에서도 각 차륜에 작용하는 제동력이 서로 크게 다르기 때문에 요-토크가 발생할 수 있다.

④ 실렉트-로-제어(Select-Low Control : SLC)

SLC의 경우, 1개의 차축 좌/우 차륜들의 노면과의 마찰계수가 서로 다를 때, 마찰계수가 낮은 바퀴를 기준으로 좌/우 차륜의 제동력을 제어한다. 뒷바퀴 좌/우 차륜에 거의 동일한 제동력이 작용하기 때문에, 마찰계수가 서로 다른 노면에서 제동할 경우에도 요-토크의 크기는 작다.

2) 폐회로에 리턴펌프가 설치된 ABS 시스템

제동압력이 강하할 때, 브레이크액은 휠 실린더로부터 먼저 축압기(accumulator)로 보내진다. 동시에 리턴펌프는 브레이크액을 각각의 마스터실린더 브레이크회로로 펌핑(pumping)한다.

① 구조 (기존의 브레이크 시스템에 아래와 같은 부품들이 추가된다.)

• 휠센서

• ECU

• 유압 모듈레이터(modulator)

• 경고등

㉠ 휠센서(wheel sensors)

각 차륜에 마다 설치된다. 각 센서는 차륜의 회전속도와 같은 속도로 회전하는 펄스 링(pulse ring)과 짝을 이루고 있다. 유도센서 또는 홀(Hall)-센서가 사용된다.

㉡ ECU

센서들로부터의 입력신호를 처리하여, 솔레노이드밸브의 필요한 절환위치를 결정하며, 솔레노이드밸브를 작동시키기 위한 신호를 출력한다. ECU의 기능은 자기진단에 의해 계속적으로 감시된다.

㉢ 유압 모듈레이터(hydraulic modulator)(리턴 펌프 포함)

제어를 위한 솔레노이드밸브, 각 브레이크회로의 브레이크액 축압기(accumulator) 및 전기 구동식 리턴펌프 등으로 구성되어 있다. 리턴펌프는 릴레이에 의해 구동되며, ABS-제어가 이루어지고 있는 동안은 항상 작동한다.

㉣ 경고등(warning lamp)

시동 시에 ABS의 기능이 정상일 경우에 알려 준다. ABS-제어가 고장일 경우에는 점등된다. ABS-시스템이 고장일지라도 자동차 브레이크 시스템은 정상적으로 기능한다.

② 3/3-솔레노이드밸브식의 작동원리

ABS-시스템에서 제동압력을 변환, 조정하기 위해, ECU는 각 채널용 유압 모듈레이터에 내장된 3/3-솔레노이드밸브를 트리거링(triggering)한다. 3-단계의 제어단계에 대응하여 마스터실린더는 다음과 같이 연결된다.

• 휠브레이크 실린더에 압력을 형성하는 경우에는 휠 실린더와 연결.

• 제동압력을 그 상태로 유지하는 경우에는 연결이 없음.

• 제동압력을 감소시키는 경우에는 리턴펌프와 연결.

③ 2/2-솔레노이드밸브 식의 작동원리

이 시스템의 경우, 유압 모듈레이터에는 소형, 경량이며, 빠르게 스위칭되는 2/2-솔레노이드밸브가 내장되어 있다. 각 제어채널에는 각각 1개씩의 흡입밸브와 토출밸브가 설비되어 있다.

ECU는 제어단계별로 솔레노이드밸브를 다음과 같이 스위칭한다.

• 압력형성 단계(pressure build-up) : 흡입밸브(inlet valve；IV)는 개방하고 토출밸브(outlet valve；OV)는 폐쇄한다.

• 압력 유지 단계(pressure holding) : 두 밸브 모두 폐쇄한다.

• 압력 감소(pressure reduction) : 흡입밸브는 폐쇄하고, 토출밸브는 개방한다. 리턴펌프는 과잉된 브레이크액을 축압기로부터 해당 마스터실린더로 펌핑한다.

3) 개회로에 리턴펌프가 설치된 ABS 시스템(2/2-솔레노이드밸브 식)

제어가 진행되는 동안, 과잉된 브레이크액은 무압력 상태로 브레이크액 탱크로 보내진다. ECU는 브레이크페달 센서의 위치정보를 이용하여 유압펌프를 선택한다. 유압펌프는 브레이크회로 내의 부족한 브레이크액을 브레이크액 탱크로부터 각각의 브레이크회로로 고압으로 압송한다. 따라서 브레이크 페달은 자신의 초기위치로 복귀하게 된다. 그러면 유압펌프는 작동을 중단한다.

① 구조 (이 시스템은 다음과 같은 부품으로 구성되어 있다.)

• ECU

• 휠센서

• 조작 유닛

• 유압 유닛

• 경고등

㉠ ECU(Electronic Control Unit)

입력신호들을 처리하여, 제어신호를 솔레노이드밸브에 전송한다. 브레이크페달의 행정센서로부터의 신호들이 ABS 제어시스템의 유압펌프를 제어한다. ECU가 시스템의 고장이나 결함을 감지하면, ABS 시스템은 비활성화되고, ABS-경고등은 점등된다.

㉡ 휠센서(wheel sensors)

각 휠에 설치되며, 휠 회전속도 정보를 ECU에 전송한다.

㉢ 조작 유닛(actuation unit)

조작 유닛은 브레이크페달 행정센서가 내장된 진공배력장치 및 브레이크액 탱크를 포함한 ABS 탠덤 마스터실린더로 구성되어 있다. 페달행정센서는 브레이크페달의 위치정보를 ECU에 전송한다.

㉣ 유압 유닛(hydraulic unit)

모터-펌프 유닛으로서, 2-회로 전기구동식 유압펌프 및 밸브블록으로 구성되어 있다. 각 제어회로마다 2개씩의 2/2 솔레노이드밸브를 갖추고 있다. 2/2 솔레노이드밸브는 1개의 흡입밸브(IV)와 1개의 토출밸브(OV), 그리고 병렬 연결된 넌-리턴(non-return) 밸브로 구성되어 있다.

② ECU의 작동원리

예를 들어, ECU가 앞 왼쪽 바퀴가 잠기는(lock) 경향성을 감지하면, ECU는 흡입밸브를 닫고, 토출밸브를 연다. 이제 브레이크액은 무압력 상태로 브레이크액 탱크로 복귀한다. 압력형성을 위해 스위칭하였을 경우, 토출밸브는 닫히고, 흡입밸브는 열린다. 휠 실린더의 부족한 브레이크액은 마스터실린더 피스톤에 의해 보충된다. 따라서 브레이크 페달 및 마스터실린더 피스톤은 약간 밀려들어간다. 브레이크페달 행정센서는 페달의 이동정보를 ECU에 전송한다. 그러면 ECU는 유압펌프를 스위치 ‘ON’ 시킨다. 유압펌프는 원래의 페달위치에 다시 도달할 때까지 브레이크액을 펌핑한다.

③ ABS의 전기회로도

아래 이미지의 ABS-전기회로도는 러턴펌프식 4채널 ABS-시스템으로서, 폐회로방식이며, 4개의 휠센서와 8개의 2/2-솔레노이드밸브를 사용하는 시스템이다.

점화 키스위치를 ‘ON’ 시켰을 때, 전자식 보호 릴레이의 컨트롤 코일(control coil)에는 단자 15로부터 전압이 인가된다. ECU는 핀 1(ECU의 플러그-인 커넥션)을 거쳐 단자 30(＋)을 연결, 스위칭한다. 동시에 경고등이 점등된다. 이유는 경고등이 단자 15(＋)에 연결되고, 단자 L1을 거쳐 밸브 릴레이에, 그리고 밸브릴레이의 다이오드를 거쳐서 접지되기 때문이다.

ECU는 이제부터 ABS의 결함여부를 점검한다. ABS 시스템에 결함이 없고 기능이 완벽할 경우, ECU는 핀 27을 거쳐서 밸브 릴레이 코일을 접지로 결선한다. 밸브릴레이는 스위칭된다. ECU의 핀 32는 단자 30으로부터 (＋)전압이 인가된다. 동시에 다이오드의 음극(cathode)에도 (＋)전압이 인가된다. 경고등은 소등된다. 이제 솔레노이드밸브에는 (＋)전압이 인가된다.

예를 들어 ECU가 FR(앞 우측 차륜)이 잠기는 위험을 감지하게 되면, 핀 28은 접지로 연결된다. 모터 릴레이 스위치는 리턴펌프를 스위치 ‘ON’ 시킨다. 이제 핀 35 또는 핀 37을 접지시켜 FR을 제어단계로 절환시킬 수 있다.

ABS의 전기회로도(예) <이미지 출처: 네이버>

④ ABS 전기시스템의 점검(예)

점검은 전압 및 저항측정기, 테스트-다이오드 또는 특수 테스터를 이용하여 수행할 수 있다. ECU의 커넥터를 분리하기 전에, 반드시 점화를 스위치 ‘OFF’ 시켜야 한다.

㉠ ECU의 전원 점검

점화 ‘ON’ 상태에서 핀 1과 접지 사이, 전압이 규정값(예 : 10V) 이상이면 정상.

㉡ 밸브 릴레이 기능

핀 27과 접지 사이 연결, 점화 ‘ON’ 상태에서 릴레이 스위칭 감지；또는 핀 32와 접지 사이의 전압이 규정값(예 : 10V) 이상이면 정상.

전류회로 제어코일 : 점화 ‘OFF’ 상태에서 핀 1과 27사이의 저항측정(예 : R ≈ 80Ω)

㉢ 휠회전속도센서 FR 저항

점화 ‘OFF’ 상태에서 핀 11과 21사이의 저항측정(예 : R≈750Ω~1.6kΩ)

기능 : 휠 회전(1초당 1회전), 핀 11과 21 사이에서 전압측정,(예 : 교류 30mV 이상이면 정상)

㉣ 모터 릴레이 기능

점화 ‘ON’ 상태에서 핀 28과 접지 사이 연결, 릴레이 스위칭 감지 또는 핀 14와 접지 사이의 전압이 규정값(예 : 10V) 이상이면 정상, 리턴펌프 작동(소음으로 확인).

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

제동장치의

수만 명의 목숨을 구한 ABS의 역사

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

전자제어 시스템으로 브레이크에 ABS가 사용된 지 2018년으로 꼭 40년이 되었다. <이미지 출처: 네이버>

자동차에 달려 있는 장비들 중 교통사고를 줄이는 데에 가장 큰 공을 세운 장치를 꼽으라면, 단연 제일 먼저 떠오르는 것이 ABS(Anti-lock Braking System, 안티-록 브레이킹 시스템)다. 안전벨트와 에어백이 사고 발생 후의 피해를 줄이는 '사후적/수동적 안전'의 영역이라면, ABS는 능동적으로 사고를 회피할 수 있는 '사전적/능동적 안전'의 개념을 창시하는 데에 기여했다.

앞서 말했듯 2018년은 최초의 현대적인 전자식 ABS가 상용화된 지 40년이 되는 해다. 요즘에야 ABS는 물론 전자식 자세 제어 장치까지 법적으로 의무 장착하도록 돼 있지만, 과거의 자동차는 그렇지 않았다. 지난 40년간 운전자들의 안전을 책임져 온 ABS의 역사를 되짚어보자.

1. ABS는 비행기와 기차에 쓰였던 장치였다.

브레이크 록업이 발생하면 차량의 제어가 쉽지 않다. F1 레이스 카는 규정 상 ABS를 장착할 수 없다. <이미지 출처: 네이버>

빠른 속도에서 강한 제동 시 바퀴가 잠겨버리는 브레이크 록업(brake lock-up)은 바퀴 달린 모든 탈것을 만드는 공학자들의 골칫거리였다. 바퀴가 잠겨버리면 제동거리가 늘어날 뿐 아니라 바퀴의 타이어가 비정상적으로 마모되고, 방향을 제어할 수 없게 된다. 때문에 바퀴가 잠기지 않고 제동하기 위해 ABS의 개발이 시작됐다.

ABS의 시작은 철도와 항공 분야에서 개발됐다. 1930년대, 독일과 프랑스의 공학자들이 급제동 시에도 바퀴가 미끄러지지 않는 안티-슬립 시스템을 연구하기 시작했다. 1928년 독일의 카를 베셀, 1933년 로버트 보쉬가 안티-슬립 시스템의 특허를 출원했지만 이들은 양산에 이르지는 못했다.

영국 공군의 ‘애브로 벌칸(Avro Vulcan) 폭격기는 맥사렛 ABS가 처음 탑재된 비행기’ 중 하나다. <이미지 출처: 네이버>

제2차 세계대전이 끝난 뒤, 영국의 던롭이 '맥사렛(Maxaret)'이라는 슬립 방지 시스템을 상용화했다. 이 시스템은 주로 영국 공군의 군용기에 탑재돼 비행기의 제동력을 최대 30% 개선하는 효과를 보였다. 착륙 시 제동력이 개선된 덕에 군용기들은 15% 더 많은 화물이나 무기를 싣고도 이륙할 수 있게 됐다. 이 시스템은 공군은 물론 민수용 비행기에도 빠르게 확산됐고, 이후 오토바이나 자동차에도 탑재되기 시작했다.

원리는 간단했다. 브레이크 록업을 인지하면 브레이크를 놓았다 밟는 동작을 빠르게 반복하는 것이다. 1초에 십수 회에 걸쳐 브레이크를 반복적으로 작동시키면 록업으로 인한 미끄러짐을 줄여 안정적으로 최적화된 제동 성능을 낼 수 있게 된다.

1968년 초호화 여객기 콩코드에 처음 탑재된 전자제어식 ABS가 자동차에 도입되는 데에는 10년밖에 걸리지 않았다. <이미지 출처: 네이버>

이후 항공기에는 ABS가 보편화됐는데, 50~60년대 ABS는 전자제어가 아닌, 기계적으로 연속 제동하도록 만들어진 시스템이었다. 센서로 바퀴 회전수를 인식해 브레이크를 제어하는 전자제어식 ABS는 영국과 프랑스가 합작으로 개발한 초음속 여객기 '콩코드(Concorde)'에 처음으로 탑재됐다. 당시로선 일반 비행기에는 장착할 엄두도 내지 못할 만큼 고가의 시스템이었지만, 콩코드가 최첨단 초호화 여객기였기에 장착이 가능했다.

2. 벤츠, 최초의 전자식 ABS를 만들다.

1960년대 말부터 영국과 미국 업체들을 중심으로 ABS가 부분적으로 자동차에 탑재되기 시작했다. 젠센 FF, 포드 조디악, 크라이슬러 임페리얼 등이 초창기 ABS가 장착된 차들이었다. 하지만 이들은 두 바퀴에만 ABS가 적용되거나 3-채널 방식(앞바퀴는 좌우 따로 제어하지만 뒷바퀴는 하나의 유압 시스템으로 제어하는 방식)에 그쳤다.

통제된 활주로에 착륙하는 비행기나 정해진 선로를 달리는 기차라면 기본적인 ABS만으로도 안정적인 제동이 가능하지만, 자동차는 훨씬 정밀한 ABS가 필요했다. 매 순간 달리는 도로의 노면 환경이 바뀔 뿐 아니라 돌발 상황에 반응해 재빠르게 대처할 수 없다면 사고를 피할 수 없기 때문이다.

ABS를 테스트 중인 W116 S-클래스. ABS가 없는 아래의 차는 바퀴가 잠긴 뒤 정처 없이 미끄러지고 있다. <이미지 출처: 네이버>

이러한 기존 ABS의 한계를 인식한 메르세데스-벤츠는 진작부터 네 바퀴를 완전히 독립 제어할 수 있는 전자식 ABS 개발에 나섰다. 1953년 급제동 시의 바퀴 록 방지 시스템의 특허를 낸 것을 시작으로 1963년 세계 최초의 전자-유압식 브레이크 제어 시스템을 상용화했고, 1966년부터는 후일 보쉬에 인수합병된 텔딕스(Teldix) 사와 함께 가장 안전한 브레이크 개발을 속행했다.

벤츠는 4개의 바퀴에 각각 센서를 장착하고, 디지털 제어 시스템이 이를 통해 네 바퀴를 독립 제어하는 세계 최초의 디지털 전자식 멀티채널 ABS를 개발해냈다. 오늘날 보편화된 2세대 ABS가 만들어진 것이다. 이 시스템은 1978년 S-클래스(W116)에 처음 탑재되면서 현대적인 ABS의 시대를 열었고, 시대가 지나면서 오늘날에는 800만 원짜리 모닝부터 8억 원짜리 롤스로이스까지 모든 차에 의무 장착되기에 이른다. 다마스와 라보에는 아직 안 달려있다.

3. ABS, 제동을 넘어 능동 안전 시스템으로

ABS의 핵심은 제동거리 감소보단 통제력 유지다. <이미지 출처: 네이버>

ABS는 탄생 이래로 전 세계 수백만, 수천만 운전자들을 돌발 상황으로부터 지켜냈다. ABS의 핵심은 '돌발 상황에도 제어를 잃지 않는 것'이다. 사실 브레이크 록업이 발생한다고 해서 제동거리가 크게 늘어나지는 않는다. 하지만 바퀴가 잠겨버린 상태에서는 타이어의 횡력(lateral force)이 급격히 낮아지면서 운전대를 틀어도 조향이 제대로 되지 않는다.

현대적인 ABS는 각 바퀴에 장착된 휠 스피드 센서가 바퀴의 회전수를 모니터링한다. 제동 시 바퀴의 회전수가 비정상적으로 빠르게 감소하면 이를 록업 또는 록업 가능성이 있는 상황으로 인식하고, 1초에 수십 회 브레이크를 놓았다 밟는 동작을 반복한다. 그 결과 바퀴가 잡기지 않고 꾸준히 횡력을 유지하고, 급제동 시에도 조향을 통한 회피주행이 가능해진 것이다.

4. 전자제어가 발달하면서 ABS는 TCS, ESP 등으로 진화하고 있다.

첨단 전자제어 기술이 빠르게 발달하면서 80년대 말~90년대 초에는 ABS가 진화를 거듭한다. 제동뿐 아니라 가속 시의 휠 스핀을 제어하는 트랙션 컨트롤 시스템(TCS)이 개발되고, 더 나아가 조향각 센서와 자이로 센서를 결합해 비정상적인 언더스티어나 오버스티어 상황에 ABS가 개입해 사고를 예방하는 전자식 자세 제어 시스템(ESP)도 만들어졌다. 이 전자식 자세 제어 시스템은 회사에 따라 ESC, VDC, DSC 등 다양한 이름으로 불리는데, 오늘날에는 이 역시 보편적인 의무 안전 장비로 자리 잡았다.

안전뿐 아니라 더 짜릿한 운전을 즐기기 위해서도 ABS가 활용된다. 전자식 자세 제어 시스템에서 더 나아간 브레이크 기반 토크 벡터링 시스템이 그것이다. 토크 벡터링(torque vectoring)이란 좌우 바퀴의 구동력을 독립 제어해 코너링 성능을 향상시키는 기능인데, 최근에는 브레이크로 바퀴 회전수를 제어해 토크 벡터링 효과를 발휘하는 전자제어 시스템도 여러 차에 탑재되고 있다.

운전 중에 계기판에 ABS 경고등이 들어오면 당장 가까운 서비스센터로 가야 한다. <이미지 출처: 네이버>

앞으로 ABS가 또 어떤 변신을 할지는 알 수 없지만, 확실한 건 지난 40년간 그래왔듯 앞으로도 운전자들의 안전을 책임진다는 것이다. 요즘처럼 추운 겨울에는 타이어의 접지력이 떨어져 조금만 세게 제동해도 ABS가 쉽게 작동하기 때문에 ABS에 문제가 발생해 경고등이 들어오면 반드시 점검을 받아야 한다.

하지만 ABS가 만능은 아니다. 가장 안전한 제동 법은 ABS가 작동하기 전, 안전거리를 충분히 확보하고 천천히 제동하는 것이다. 우리를 지켜주는 든든한 ABS가 있지만, 언제나 사고를 피하는 가장 좋은 방법은 안전한 운전습관이라는 것을 잊지 않았으면 한다.

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

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.

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.

구동 장치의

전자제어 시스템의 개요

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

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>

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.