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

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.