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

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.