행복남의 일상

제동장치의

제3브레이크 [Retarder and engine brake]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 스물두 번째 시간으로 ‘제3 브레이크의’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

마찰 브레이크가 마찰부의 마멸을 통해서 제동작용을 하는 데 반하여, 제3브레이크(＝감속 브레이크)는 마멸이 없이 제동에너지를 열에너지로 변환시킨다.

감속브레이크는 자동차가 주행하는 동안에만 작동효력이 있다. 감속브레이크는 특히 긴 언덕길을 내려갈 때, 제동작용을 하여 주제동브레이크의 부하를 감소시켜, 주제동브레이크를 보호하는 기능을 한다. 때로는 정상적인 감속을 위해 주제동브레이크 대신에 사용할 수도 있다.

감속브레이크에는 엔진 브레이크, 와전류 감속기, 유압 감속기, 공기저항 감속기 등이 있으며, 감속브레이크가 작동될 때에도 제동등을 점등시킬 수 있다.

1. 엔진 브레이크 [engine brake]

언덕길을 저속기어로 내려갈 때, 또는 타행주행 중에 연료분사를 중단시키면 기관은 구동륜에 의해 구동되어 제동효과를 발생시킨다. 이 효과는 저속에서보다는 고속에서 더욱 효과적이다.

또 하나의 방법은 기관의 행정과 압축을 관련시켜, 엔진브레이크 효과를 극대화시킬 수 있다.

1) 단계 1

레버를 조작하면, 압축실에 설치된 콘스탄트(constant) 스로틀이 공기압에 의해 열린다. 압축행정 중에는 소량의 공기만이 보조밸브를 통해 배기관으로 배출된다. 즉, 압축일을 엔진 브레이크일로 변환시킨다. 잔류 압력은 상사점에서 배출시켜, 압축된 공기에 의해 피스톤이 가속되는 일이 발생하지 않게 한다.

2) 단계 2 : 콘스탄트(constant) 스로틀 및 배기 플랩(flap) 브레이크

배기플랩 브레이크 <이미지 출처: 네이버>

기관에 근접한 배기관에 추가로 설치한 플랩을 닫으면, 배기가스의 배압에 의해 추가로 제동효과가 발생한다. 배기플랩을 닫을 때는 동시에 연료분사도 중단한다. 배기플랩의 조작은 운전자가 3-방향 솔레노이드밸브를 작동시켜, 배기플랩에 연결된 오퍼레이팅 실린더를 압축공기로 조작하는 방법을 주로 이용된다.

2. 와전류 브레이크 [eddy current brake]

공랭식 와전류 브레이크는 스테이터(stator), 로터(rotor) 및 여자코일(field coil)로 구성되어 있다. 2개의 원판형의 로터는 변속기 출력축과 종감속장치 사이의 추진축에 설치, 고정되어 있다. 따라서 로터는 추진축과 같은 속도로 회전한다. 그리고 여자 코일은 스테이터와 함께 2개의 원판형 로터 중간에 설치, 차체에 고정되어 있다.

와전류 브레이크 <이미지 출처: 네이버>

코일에 전류를 공급하면, 자장이 형성된다. 이 자장 속에서 로터를 회전시키면, 와전류가 발생되어 자장과의 상호작용에 의해 로터에 제동력이 작용하게 된다. 이때 로터에는 많은 열이 발생하게 되는데, 이 열은 로터에 설치된 에어 블레이드(air blade)를 통해 대기 중으로 방출된다. 와전류 브레이크는 축전지로부터 여자코일에 공급되는 전류를 변화시켜 제어한다.

와전류 브레이크는 구조는 간단하지만 무게가 비교적 무겁다. 그리고 정상적인 작동상태를 유지하기 위해서는 축전지와 발전기가 정상적이어야 한다. 또 로터가 과열되면 제동력은 감소한다.

3. 하이드로-다이내믹 브레이크 [hydrodynamic brake(retarder)

이 브레이크의 구조는 유체클러치와 같다. 설치위치는 와전류 브레이크와 마찬가지로 변속기와 종감속/차동장치 사이의 추진축에 설치된다. 스테이터는 차체에 고정되어 있고, 로터는 추진축 또는 디퍼렌셜에 의해 구동된다. 추진축이 회전하면 로터도 회전한다. 이 기계적 에너지는 로터에 의해 유체의 운동에너지로 변환된다. 유체의 운동에너지는 스테이터에서 열로 변환되어 외부로 방출된다. 즉, 로터의 제동에너지를 유체의 마찰을 이용하여 열에너지로 변환시켜 외부로 방출한다. 동작유체는 로터에 의해 가속되고, 스테이터에 의해 감속된다.

유압펌프로 동작유체의 유입량을 변화시켜 제어한다. 동작유체 발생된 열은 엔진의 냉각수를 거쳐 열교환기에서 대기로 방출된다.

하이드로-다이내믹 브레이크 <이미지 출처: 네이버>

4. 공기저항 감속브레이크 [air resistance retarder]

경주용 자동차나 스포츠카에서는 제동시에 공기저항을 증가시키는 방법으로 주제동브레이크의 부하를 감소시키는 방식을 이용하기도 한다.

차량 외부의 적당한 위치에 디플렉터(deflector)를 설치하여, 제동 중에 이 디플렉터를 크게 펼치면, 디플렉터에 작용하는 공기의 저항에 의해 자동차는 추가 제동력을 확보하게 된다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 스물두 번째 마지막 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘제3 브레이크’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 이상으로 알아본 자동차의 제동장치의 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

제동장치 압축공기 브레이크의

3. 공기압-유압 혼합식 브레이크 시스템

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 스물한 번째 시간으로 ‘압축공기 브레이크의 혼합식과 전자식’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

이 형식의 브레이크시스템은 대부분 피견인차(trailer)를 견인하지 않는, 최대 허용하중 6t~13t까지의 중형 상용자동차 및 버스, 코치(coach) 등에 사용된다.

1) 공기압-유압 혼합식의 장점

제동력을 유압을 통해 전달하기 때문에 다음과 같은 장점이 있다.

① 부품의 크기는 작으나 큰 제동압력을 얻을 수 있다.

② 임계시간(threshold peak)이 짧으며, 브레이크의 반응속도가 빠르다.

2) 구조(design)

① 압축공기 공급시스템은 압축공기 브레이크 시스템용으로서 4개의 공급회로를 갖추고 있으나, 공기탱크는 2개만 사용한다.

② 주제동브레이크 밸브는 탠덤-마스터실린더의 부스터-실린더를 공기압으로 제어한다. 탠덤-마스터실린더는 ALDBFR을 거쳐 휠 실린더를 유압으로 작동시킨다.

③ 주차브레이크 및 보조브레이크밸브는 후차축의 스프링-부하된 액추에이터를 공기압으로 제어한다. 별도의 링키지를 사용하지 않는다.

4. 전자제어 압축공기 브레이크 시스템

ABS 시스템에 대해서는 유압 브레이크 시스템에서 자세하게 설명하였으므로, 여기서는 생략한다. 피견인차를 견인하는 차량에서는 피견인차 ABS용 커넥터를 갖추고 있다.

TCS 폐회로 제어에는 브레이크를 제어하는 경우와 기관을 제어하는 경우로 구분할 수 있다.

브레이크를 제어하는 경우에는 일정 주행속도(예 : 약 30km/h)에서부터 제어를 시작한다. 기관을 제어하는 경우에는 대부분 분사량을 제어하는 기술을 사용한다.

5. EBS의 주요 기능 [Electronic Brake System]

EBS는 전자제어식 압축공기브레이크의 최신 버전으로서, 시스템의 주요 기능은 다음과 같다.

① 전자제어식 브레이크

제동거리를 단축하고, 브레이크 라이닝의 수명을 연장한다.

② 통합식 커플링 포스 제어(integrated coupling force control)

제동 중 견인차와 피견인차 사이의 커플링 포스(coupling force)가 실질적으로 0(zero)이 되도록 피견인차의 제동효과를 변환시킨다.

③ ABS-제어를 통한 제동

견인차의 조향성과 직진성(＝안정성)을 확보한다.

④ TCS를 이용한 발진

한쪽 바퀴 또는 양쪽 바퀴가 미끄러운 노면에서 주행할 때, 접지력(＝발진력)을 증가시킨다.

⑤ ESP를 이용한 궤적 안정화(track stabilization)

시스템은 불안정한 주행조건을 인식하고, 임계상황(critical situations) 하에서도 자동차를 제어 가능한 상태를 복귀시킨다.

⑥ 적응식 정속주행(ACC : Adaptive Cruise Control)

주행속도에 따라, 앞차와의 간격을 일정하게 유지한다.

6. 전자제어 브레이크 시스템

1) 구조(design)

전자-공압식으로 제어되는 브레이크 시스템이다. 전/후 차축용으로 2개의 주제동브레이크 회로, 그리고 주차 브레이크회로를 갖추고 있다.

2) 작동 원리

① EBS 제동

운전자가 브레이크 페달을 밟으면, 센트럴-ECU에는 페달행정센서가 장착된 푸트-브레이크 모듈에 의해 신호가 입력된다. CAN을 통해 EBS/ABS 모듈레이터 및 피견인차 브레이크 시스템이 작동된다. 센트럴-ECU는 운전자의 입력에 일치시켜 솔레노이드밸브를 통해서 브레이크 실린더의 제동압력을 제어한다. 휠회전속도센서는 감속도를 계산한다. 라이닝의 마모는 라이닝센서에 의해 감지된다. 피견인차 제어모듈은 피견인차의 브레이크 시스템을 작동시킨다.

② 통합식 커플링-포스 제어

피견인차가 연결된 견인차의 경우, 견인차와 피견인차 사이의 커플링 포스(coupling force)가 실질적으로 0(zero)이 되도록 견인차와 피견인차의 제동압력을 최적화시킨다. 이를 위해서는 차량의 총중량과 하중분포를 계산하여야 한다. 총중량을 계산하기 위해서 가속응답성을 평가한다. 하중분포는 견인차와 피견인차의 제동응답성으로부터 파악한다. 이들 평가된 값들은 ECU에 저장되며, 다음 번 제동을 위한 기초정보로 사용된다. 계산된 제동감속도에 도달하지 않으면, 제동압력은 단계적으로 조금씩 증가한다. 이 과정 역시 ECU에 저장되며, 다음 번 제동에 다시 이용된다.

③ ABS 제동

제동 중 차륜이 잠기는(lock) 경향성은 휠회전속도센서가 감지한다. 휠이 잠기면, 앞차축의 솔레노이드밸브와 ABS-모듈레이터가 작동한다. 승용자동차에서의 ABS-제동과 마찬가지로 제어단계는 압력형성단계, 압력유지단계 및 압력제거단계로 구분된다. 압력이 형성되면(＝압력이 증가하면), 더 이상 잠길 위험이 없을 때까지 압축공기는 조절되어 대기로 방출된다.

④ TCS 발진제어

발진단계에서는 TCS-브레이크제어 및 TCS-엔지제어가 간섭하여 접지력을 증대시킨다.

㉠ TCS 브레이크 제어

차량이 발진할 때 또는 일정속도(예 : 40km/h) 이하에서 가속할 때 차륜이 헛돌면, 헛도는 바퀴는 반대쪽 바퀴와 회전속도가 같아질 때까지 맥동적으로 제동된다. 휠회전속도센서와 압력센서는 이에 필요한 정보를 ECU에 제공한다.

㉡ TCS 엔진 제어

가속할 때, 양쪽 차륜이 모두 헛돌면, 휠 회전속도로부터 원주속도가 자동차의 주행속도보다 약간 더 높은 값에 도달할 때까지 기관토크를 감소시킨다. TCS 엔진제어는 모든 회전속도 범위에서 효과를 발휘한다.

㉢ 오프-로드(Off-road) TCS

스위치를 이용하여, 예를 들면, 스노-체인을 장착하고 주행할 때 또는 오프-로드를 주행할 때는 TCS를 스위치 “OFF”시켜, 차량이 꿀꺽거리는(＝요동하는) 것을 방지할 수 있다.

⑤ 엔진간섭과 브레이크간섭을 이용한 ESP 제어

이 시스템은 주로 2가지 방식으로 작동한다.

마찰계수가 낮거나 중간 정도일 경우에는, 언더-스티어링과 오버-스티어링 현상, 그리고 견인차와 피견인차의 잭-나이핑(jackknifing) 현상에 역으로 대응한다.

마찰계수가 중간 정도이거나 높을 경우에는, 롤링(rolling) 현상에 역으로 대응한다.

㉠ 오버-스티어링(over-steering)하는 동안의 제어

예를 들어 커브를 선회할 때, 또는 조향할 때 연결차량이 오버-스티어링하거나 연결차량에 잭-나이핑 현상이 발생하면, ESP는 커브의 바깥쪽 앞바퀴를 제동한다. 이를 통해 생성된 요-토크는 차량을 안정시키는데 도움을 준다.

차량의 잭-나이핑(jackknifing) 현상에 역으로 대응하기 위해서는, 경우에 따라서는 피견인차도 제동시켜야 한다. 이와 같은 방법으로 피견인차의 미끄러짐(sliding) 또는 옆으로 미끄러지는(skidding) 현상을 방지하게 된다.

이와 같은 ESP 기능을 위해서는 피견인차에도 ABS가 장착되어 있어야 한다.

㉡ 언더-스티어링(under-steering)하는 동안의 제어

차량이 언더-스티어링하는 경향성이 발생하면, ESP는 견인차의 다수의 휠을 제동하고, 피견인차의 브레이크에는 맥동적으로 주기적으로 간섭하여, 미끄러짐(sliding)과 옆으로 미끄러지는 현상(skidding)에 역으로 대응을 시도한다. 예를 들어 좌회전 커브길을 주행할 경우, 커브의 안쪽 뒷바퀴를 제동하여 언더-스티어링 경향성에 역으로 대응하는 요-토크를 발생시킨다.

ESP 간섭을 위한, 개별적인 브레이크압력을 계산하기 위해 ECU는 여러 가지 신호들 예를 들면, 마찰계수, 적재하중, 조향각 및 요(yaw) 경향성 등을 필요로 한다. 경우에 따라서는 구동륜이 헛도는 현상을 제어하기 위해 엔진에 간섭하여 기관의 출력도 제한해야 한다.

⑥ 전복 보호(Rollover protection : ROP)

이 기능을 활용하여, 마찰계수가 높거나 중간 정도일 경우에 차량의 과도한 롤링을 방지하게 된다. 이를 위해서는 먼저 자동차주행속도를 낮추고, 필요할 경우에는 위험한(critical) 롤링상황을 제어할 수 있을 때까지 차량을 제동시킨다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 스물한 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘압축공기 브레이크의 라인과 시스템’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 스물두 번째 시간으로 ‘압축공기 브레이크의 혼합식과 전자식’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

제동장치 압축공기 브레이크의

2. 2-회로, 2-라인 압축공기 브레이크

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 스무 번째 시간으로 ‘압축공기 브레이크의 라인과 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

1) 압축공기 공급 시스템

① 공기 건조기가 설치된 압축공기 시스템

여과된 대기를 흡입, 압축하여 공기건조기로 보낸다. 압력조절기는 압축공기압력을 자동적으로 일정 범위(예 : 7~8.1bar) 내로 제어한다. 공기건조기에서는 압축공기를 필터를 통과시켜 정화시킨 다음에 제습제(desiccant)를 통과하도록 하여 수분을 제거한다. 정화, 건조된 공기는 재생탱크 및 4-회로 보호밸브로 공급된다.

② 공기 건조기가 설치되지 않은 압축공기 시스템

이 시스템에서는 압력조절기 다음에 부동액펌프가 설치된다. 부동액 펌프는 충전과정이 진행되는 동안에 시스템 안으로 부동액을 분사한다.

2) 주제동브레이크(견인자동차용)(service brake system of tractor)

주제동브레이크 시스템에는, 하중부하에 따라 앞차축을 제어하는 프로포셔닝(proportioning)밸브가 집적된 주제동브레이크 밸브가 설치되어 있다. 프로포셔닝밸브는 후 차축의 ALDBFR(Automatic Load-Dependent Brake Force Regulator)에 의해 활성화되는 제어 연결구 4에 의해 작동된다. ALDBFR은 뒤차축의 제동압력을 뒤차축의 하중부하에 근거하여 제어한다. 앞차축의 제동압력(연결구 22)은 ALDFBR의 압력에 따라, 주제동브레이크 밸브에 의해 제어된다.

① 주행 위치

주제동브레이크 밸브의 두 회로에서, 인렛(inlet)은 닫혀있고 아웃렛(outlet)은 열려있다. 앞차축의 브레이크 실린더, 과부하 방지기능을 갖춘 릴레이밸브와 연결된 제어라인 그리고 ALDBFR 레귤레이터로 가는 제어라인은 각각 자신들의 개방된 배출구를 통해 압축공기를 대기로 방출한다. 더 나아가 컴비네이션 브레이크실린더의 스프링-부하된 액추에이터도 과부하 방지기능을 갖춘 릴레이밸브를 통해 대기로 압축공기를 배출한다. 액추에이터의 스프링은 늘어나고, 견인자동차의 모든 브레이크는 풀린다.

② 제동 위치

주제동 브레이크밸브에서 아웃렛은 닫히고, 인렛은 열린다. 브레이크페달을 밟으면, 압축공기는 계량되어 주제동브레이크 밸브로부터 후차축용 ALDBFR 레귤레이터로 가는 제어라인에 작용한다. ALDBFR 레귤레이터가 자신의 릴레이밸브를 작동시키면, 이제 페달답력의 크기와 적재하중에 비례하여 뒤차축의 다이어프램 실린더에 탱크압력 상태의 압축공기가 공급된다.

앞차축에는 주제동브레이크 밸브로부터 제동압력이 작용한다. 주제동브레이크 밸브는 집적된 프로포셔닝밸브를 통해 자동차의 적재부하에 비례해서 제동압력을 제어한다. 추가로 주제동브레이크 밸브로 부터의 2개의 제어라인은 피견인차 제어밸브를 작동시킨다. 피견인차가 연결되어 있을 경우, 피견인차 브레이크라인에는 계량된 압축공기가 공급되고, 피견인차제어밸브를 통해 피견인차 브레이크를 작동시킨다.

주제동브레이크 밸브에 프로포셔닝밸브가 집적되어 있지 않은 브레이크 시스템의 경우에는, 앞차축의 제동압력을 적재부하에 따라 제어하기 위해 별도의 프로포셔닝밸브를 설치한다.

3) 주차브레이크 및 보조브레이크 시스템(parking & auxiliary brake system)

주차브레이크 밸브로부터 1개의 제어라인은 과부하 방지기능을 갖춘 릴레이밸브로, 제 2의 제어라인은 피견인차 제어밸브로 배관되어 있다. 이들을 통해 견인차에서는 후차축의 스프링-부하된 액추에이터를, 그리고 피견인차에서는 주제동 브레이크를 보조브레이크로서 또는 주차브레이크로서 활용할 수 있다. 주차브레이크회로는 넌-리턴밸브를 사용하여 공급회로 에서의 압력손실을 방지한다.

① 제어 위치(control position)

법규에 따라, 견인차의 주차브레이크는 피견인차의 브레이크가 풀려있는 상태에서도 견인차와 피견인차를 언덕길에서 동시에 주차시킬 수 있는 능력을 갖추고 있어야 한다. 기능 테스트를 하기 위해 주차브레이크 밸브에는 제어 위치가 있다. 기능 테스트 위치에서는 스프링-부하된 브레이크는 작동되고, 피견인차 브레이크는 해제된다.

② 주행 위치(driving position)

주차브레이크 밸브는 릴레이밸브로 가는 제어라인(연결구 21로부터 42로)에 압축공기를 공급한다. 릴레이밸브는 절환되고, 스프링-부하된 액추에이터(연결구 2로부터 12로)에는 탱크압력이 작용한다. 컴비네이션 실린더의 스프링은 늘어나고 브레이크는 풀린다. 동시에 피견인차 제어밸브로 가는 제어라인(연결구 22로부터 43으로)에 제어압력이 작용한다. 이제 피견인차의 브레이크 라인(피견인차 제어밸브의 연결구 22)의 압력은 해제된다. 따라서 피견인차 브레이크는 풀린다.

③ 제동 위치

주차브레이크 밸브를 작동시키면, 릴레이밸브로 가는 제어라인(연결구 21로부터 42로), 피견인차 제어밸브(연결구 22로부터 43으로)로 가는 제어라인을 비례적으로 개방시킬 수 있다. 릴레이밸브는 절환되고, 컴비네이션 브레이크 실린더의 스프링-부하된 액추에이터는 압축공기를 배출하고, 동시에 브레이크는 스프링에 의해 작동된다. 피견인차 제어밸브는 연결구 22로부터 브레이크 라인을 거쳐서 피견인차 브레이크밸브에 공기탱크의 압축공기를 비례적으로 공급한다. 이렇게 공급된 압축공기가 피견인차를 적절하게 제동한다.

④ 과부하 보호

예를 들면, 주차브레이크를 작동시킨 상태에서 추가로 주제동브레이크를 작동시킬 때에는 과부하 보호기능이 작동한다. 주제동브레이크의 압력이 증가하는 만큼, 주차브레이크의 압력을 낮추어, 다이어프램 실린더와 스프링-부하된 실린더에 동시에 큰 힘이 작용하는 것을 방지한다. 따라서 브레이크 부품들은 과부하로부터 보호를 받을 수 있다.

⑤ 엔진 브레이크

운전자가 스위치를 작동시키면, 4-회로 보호밸브의 연결구 43으로부터 엔진브레이크(배기 플랩)를 작동시키는 실린더로 압축공기가 공급된다.

4) 피견인자동차 브레이크 시스템(trailer brake system)

① 압축공기 공급 라인

견인차에 장착된, 자동 차단기구(shutoff)를 갖춘 적색의 커플링 헤드가 연결호스, 필터를 거쳐서 회로 Ⅲ으로부터 피견인차에 압축공기를 공급한다. 커플링헤드가 접속되면, 피견인차 브레이크밸브에 내장된 밸브가 열려, 공기탱크에 압축공기를 저장한다.

압축공기 공급라인으로부터 공기가 누설되면, 공급라인의 압력이 강하하게 된다. 이렇게 되면, 피견인차 브레이크밸브는 피견인차를 완전 제동시키게 된다. 이와 같은 현상은 커플링을 분리할 때에도 마찬가지이다. 커플링이 분리된 피견인차를 움직이기 위해서는, 트레일러 브레이크밸브에 부착된 릴리스밸브를 눌러야만 한다.

② 브레이크 라인

황색의 커플링헤드는 제동 중에 주제동브레이크회로에 의해 제어된 제동압력을 피견인차에 공급한다.

브레이크 라인에 결함이 발생하면, 처음에 브레이크는 풀린 상태를 유지한다. 견인차의 브레이크를 작동시키면, 그때부터 결함이 있는 브레이크라인과 피견인차 제어밸브의 연결구를 통해서 압축공기(＝공급압력)가 누설된다. 피견인차 제어밸브는 연결구를 통해서 “공급” 커플링헤드의 연결구와 연결되어 있다. 공급라인의 압력은 강하하고, 피견인차 브레이크밸브는 피견인차를 완전 제동시키게 된다. 견인차 브레이크의 작동을 해제하면, 피견인차 브레이크도 다시 풀리게 된다.

③ 제동 위치

피견인차 제어밸브는 주제동브레이크 밸브로부터 연결구를 통해서 비례적으로 공급되는 압축공기에 의해 작동한다. 브레이크 라인에는 연결구를 통해서 압축공기가 공급된다. 그들의 압력상승에 의해 피견인차 브레이크밸브는 비례적으로 작동된다. 피견인차에서 공기탱크로부터의 압축공기는 피견인차 차축의 2개의 ALDBFR-레귤레이터에 공급된다. ALDBFR- 레귤레이터는 축하중에 근거하여 브레이크실린더의 제동압력을 제어한다. 프로포셔닝 압력 조절기가 앞차축의 제동압력을 앞차축의 하중부하에 따라 제어하여 과제동현상을 방지한다. 따라서 피견인차는 적재하중과 제동강도에 따라 적절하게 제동될 수 있다.

④ 피견인 자동차의 주차 브레이크

순수 기계식이 사용된다. 주차 브레이크 레버를 조작하면, 피견인차의 뒤차축 브레이크는 링키지와 레버에 의해 작동된다.

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

제동장치의

압축공기 브레이크 [Compressed air brake]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열아홉 번째 시간으로 ‘압축공기 브레이크’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

대형 상용자동차(16t 이상)는 대부분 압축공기 브레이크를, 중형 상용자동차(8~16t)는 압축공기와 유압을 동시에 이용하는 브레이크를 많이 사용한다.

압축공기압력은 대부분 약 8~10bar 정도이며, 압축공기는 휠브레이크에 큰 확장력을 작용시킨다. 압축공기는 제동장치 외에도 엔진브레이크 액추에이터, 타이어 공기보충기, 공기 스프링 및 도어 개폐장치(예 : 버스의) 등에 사용된다.

1. 압축공기 브레이크의 표기(도시) 방법 및 주요 구성부품

1) 부품의 접속구 표시 숫자기호

압력조절기 <이미지 출처: 네이버>

접속구 표시는 한 자릿수 또는 두 자릿수로 표기한다.

① 앞 숫자의 의미

0 : 대기 흡입구

1 : 에너지(압축공기) 유입

2 : 에너지 송출(대기로의 방출이 아님)

3 : 대기로 방출

4 : 컨트롤러 연결구(부품의 입구)

5와 6 : 아직 명명되지 않음

7 : 부동액 연결구

8 : 윤활유 연결구

9 : 냉각수 연결구

② 뒤 숫자의 의미

뒤 숫자는 같은 종류의 연결구가 다수일 경우에 사용된다. 1부터 차례대로 21, 22, 23과 같이 표기한다. 그리고 하나의 챔버(chamber)에서 똑같은 접속구가 많이 분기(分岐)될 경우에는 같은 번호를 1개만 사용한다.

2) 압축공기 브레이크 시스템의 주요 구성부품

공기압축기를 제외한 주요 구성부품으로는 압력조절기, 4-회로 보호밸브, 주제동 브레이크 밸브(프로포셔닝밸브 포함), 주차브레이크 밸브 및 보조브레이크 밸브, 브레이크 실린더, 피견인차 제어밸브 등이 있다.

① 압력조절기(pressure regulator)

작동압력을 컷-인(cut-in) 압력과 컷-아웃(cut-out) 압력 사이에서 자동적으로 조절하며, 시스템에 과도한 압력이 작용하는 것도 방지한다. 또 공기건조기 또는 빙결방지 기능을 제어한다.

② 4-회로 보호밸브(4-circuit protection valve)

압축공기를 4-회로에 분배하며, 1개 또는 다수의 브레이크회로에서 압력강하가 발생할 때, 나머지 완벽한 회로의 압력을 유지한다. 그리고 필요할 경우, 주제동브레이크 회로에 압축공기를 공급한다.

③ 주제동브레이크 밸브(프로포셔닝밸브 포함)(service brake valve with proportioning pressure regulator)

견인차용 2-회로 주제동 브레이크회로의 충전 및 배출을 아주 정밀하게 비례적으로 제어한다. 그리고 피견인차 제어밸브를 제어하며, 형식에 따라서는 프로포셔닝밸브를 이용하여 앞차축 브레이크압력을 축중에 따라 제어한다.

조작기구 예를 들면, 브레이크페달 또는 푸트-플레이트(foot plate)를 밟아 연속적으로 설치된 2개의 밸브를 동시에 작동시킨다.

④ 주차브레이크 밸브 및 보조브레이크 밸브(parking brake & auxiliary brake valve)

이들 밸브는 스프링-부하된 실린더를 사용하여 주차브레이크 및 보조브레이크를 비례적으로 작동시키며, 견인차의 주차브레이크의 기능을 시험하는 컨트롤 세팅을 제공한다.

주행하는 동안에는 컴비네이션 실린더의 스프링-부하된 액추에이터 및 피견인차 컨트롤밸브로 가는 컨트롤라인은 압축공기로 충전된다. 스프링은 신장된다.

주차 제동 위치에서는 스프링-부하된 액추에이터 및 피견인차 컨트롤밸브로 가는 컨트롤라인의 압력은 해제된다. 스프링-부하된 액추에이터의 브레이크 및 피견인차의 브레이크는 제동된다.

컨트롤 위치에서 견인차의 뒤차축은 압축공기가 배출된, 스프링-부하된 액추에이터에 의해 제동된다. 피견인차 브레이크는 피견인차 컨트롤밸브를 통해 해제된다. 차량 전체(견인차＋피견인차)가 경사도 12%의 언덕길에서 견인차의 주차브레이크에 의해 정차상태를 유지할 수 있어야 한다. - 주차 브레이크의 성능점검

⑤ ALDBFR(automatic load-dependent brake force regulator with relay valve)

ALDBFR은 각 차축의 부하에 따라 제동력을 자동적으로 조절하며, 공기프스링의 공기압을 제어한다. 릴레이밸브는 충전과 배출을 빠르게 하는 기능을 한다.

⑥ 브레이크 실린더(brake cylinder)

격막 실린더는 주제동브레이크를 고정시키는 힘을 생성한다. 스프링-부하된 실린더는 주차브레이크와 보조브레이크를 작동시키는 힘을 생성한다.

격막 실린더는 앞차축에, 그리고 컴비네이션 실린더는 주로 뒤차축에 사용된다. 컴비네이션 실린더에서 격막 엘리먼트는 주제동브레이크용으로, 스프링-부하된 부분은 주차용 및 보조브레이크용으로 사용된다.

압축공기 시스템이 고장일 경우, 제동된 자동차는 스프링-부하된 액추에이터의 릴리스-기구(release device)를 사용하여 견인 준비를 할 수 있다. 릴리스 기구의 6각볼트로 스프링의 장력을 강화시켜 브레이크를 해제한다.

⑦ 피견인차 제어밸브(trailer control valve)

이 밸브는 견인차의 주제동브레이크 시스템을 통해서, 그리고 주차브레이크와 보조브레이크를 통해서 피견인차의 브레이크 시스템을 제어한다. 또 피견인차 브레이크 시스템에 압축공기를 공급한다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 열아홉 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘압축공기 브레이크의 구성품’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 스무 번째 시간으로 ‘압축공기 브레이크의 회로’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.

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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.

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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.

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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.

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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.