전기 24 > 에어백(air bag) 장치

1.  에어백 장치 개요

       에어 백(air bag) 장치는 충돌시의 충격(감속도)을 차체에 설치된 센서로 검출하여 ECU에 입력하면 충격의 강도에 따라 에어 백을 전개시킬 필요성이 있는가 없는가를 판정한다. 전개가 필요한 경우에는 전기 신호를 조향 휠 내에 설치된 인플레이터(inflater)로 보내 가스 발생제를 연소시켜서 에어 백을 팽창시키는 것이다. 그림 Ⅸ-36과 같이 에어 백은 시트 벨트의 보조 장치로 승객의 머리 및 흉부를 보호하며 조향 휠 또는 윈드실드에 2차 충돌하는 것을 방지한다. 이러한 일련의 작동은 충돌의 형태 및 충돌 속도에 의해서 다르며, 충돌로부터 충돌 판정까지의 시간은 10~30[ms]이고 전기 신호가 출력되어 에어 백이 완전하게 팽창하기까지의 시간은 30~40[ms]로 극히 짧은 시간에 이루어져야만 한다. 에어 백은 승객을 멈추게 하여 보호하며, 동시에 가스가 배출되는 것에 의하여 에너지를 흡수하면서 줄어든다. 모든 작동 완료 시간은 약 0.1~0.15초 정도의 짧은 시간이다. 에어 백은 시트 벨트의 기능을 대신하는 것이 아니며, 시트 벨트를 착용하여야만 보다 큰 안전 효과를 기대할 수 있다.

에어 백 종류

2. 에어 백의 전개 조건

      에어 백은 모든 사고에 항상 작동하는 것은 아니며, 차량 개발시 차량의 크기, 차체 강도, 차량 중량 등을 모두 고려하여 설계되어 있다.

① 0~l5[km/h] : 작동되지 않는다.
② 15~25[km/h] : 작동할 수도 있고 하지 않을 수도 있다.(불확실)
③ 25[km/h] 이상 : 충돌이 감지되면 작동한다.
④ 정면으로 30˚이내의 각도에서 충격이 있을 경우 에어 백은 작동한다.

에어 백의 작동 조건

 

3. 에어 백 작동에 대한 일반적인 사항

① 에어 백 작동 전체 범위의 차속은 고정벽 또는 물체에 충돌했을 때 충돌차와의 비교 속도이다. 즉 차가 120[km/h]로 주행하다가 앞차의 급정지로 앞차와 충돌하였을 때, 앞차의 차속이 80[km/h]이고, 뒤차는 90[km/h]였다면 에어 백 전개는 일어나지 않는다.
② 조수석 에어 백은 운전석 에어 백과 동시에 작동하도록 되어 있다.
(단, PPD(Passenger Presence Detect) 센서가 장착된 차량은 탑승자가 있을 경우에만 조수석 에어 백이 작동한다.)
③ 운전석 에어 백은 조향 휠에, 조수석 에어 백은 글로브 박스에, 운전석 및 조수석 측면 에어 백은 각각의 시트 측면에 장착되어 있다.

 

4. 에어 백이 작동하지 않을 수 있는 경우

① 후면 충돌 ② 안전 벨트만으로도 승객 보호가 가능한 저속 충돌과 정면 충돌 및 국부적인 충돌 ③ 경사면 충돌 ④ 전복과 추락의 경우 ⑤ 트럭 밑으로 들어간 충돌

    에어 백이 작동하는 경우

에어 백이 작동하지 않을 수 있는 경우

5. 에어 백 장치의 구성

에어 백 장치 구성도

자동차 실내의 전방 중앙부의 플로어 패널상에는 에어 백 ECU가 설치되며, 충격 가속도 검출용의 센터 G 센서가 내장되어 있다. 좌우의 프런트 에이프런 어퍼 멤버의 전방 끝 부분에는 각각 1개의 프런트 G 센서가 설치되어 있어 저속 충돌시 발생 감속도를 감지하여 신호를 ECU에 보낸다. 그리고 조향 휠 내에는 인플레이터와 에어 백이 내장되어 있으며, 조향 접속 케이블에 의해 ECU의 전기 점화 신호가 인플레이터로 전달된다. 인스트루먼트 패널에는 시스템 이상을 알려주는 고장 경고 램프가 설치되어 있다.

 

1) 에어 백 모듈

   에어 백 모듈은 충돌시 팽창되는 에어 백을 담아 두는 부품으로 에어 백, 패트 커버, 인플레이터와 에어 백 모듈 고정용 부품 등으로 구성되어 있다. 에어 백 모듈은 운전석에는 조향 휠에, 조수석에는 글로브 박스 상당부에, 측면 에어 백인 경우는 시트 측면에, 뒷자석 에어 백은 앞좌석 시트 후면부에 내장되어 있다. 에어 백 모듈은 분해 부품이 아니므로 분해 및 저항 측정을 하지 말아야 한다.

 에어 백  : 에어 백은 그림 과 같이 내측에 고무로 코팅된 나이론제의 면으로 되어 있으며, 내측에는 인플레이터와 함께 장착된다. 에어 백은 점화 회로에서 발생한 질소가스에 의하여 팽창되며 사고 후, 탑승자가 조향 휠이나 윈드실드에 2차 충돌되는 것을 방지한다.

에어 백과 인플레이터

 패트 커버 : 우레탄 커버에서 에어 백 전개시 입구가 갈라져 고정부를 기점으로 전개하며, 에어 백이 밖으로 튕겨 나와 팽창하는 구조로 되어 있다. 또한 패트 커버(pat cover)에는 그물망이 있으므로, 에어 백 전개시 파편이 날라 승객에게 상해를 입히는 것을 방지한다.

 

 인플레이터 : 인플레이터는 화약, 점화제, 가스 발생기, 디퓨저 스크린 등을 알루미늄제 용기에 넣은 것으로 에어 백 모듈 하우징에 장착된다. 인플레이터 중앙부에는 전기 히터선 둘레에 적은 양의 화약이 담겨 있는 스퀴브(squib)가 있다. 스퀴브에 순간적으로 전류가 흐르면 히터가 발열하여 화약에 착화한다. 이것이 불씨가 되어 점화제가 착화되어 가스 발생제를 연소시켜 순간적으로 많은 양의 질소가스를 발생시킨다. 연소에 의하여 급격히 발생한 질소가스는 디퓨저 스크린을 통과하여 에어 백 안으로 유입된다. 디퓨저 스크린은 연소 가스의 이물질 제거 필터 외에도 가스 온도의 냉각, 가스음을 저감하는 역할을 한다.

2) 클록 스프링 또는 컨텍트 코일

    클록 스프링(clock spring)은, 그림과 같이 조향 휠과 스티어링 컬럼 사이에 장착되며, 를록 스프링은 에어 백 ECU와 에어 백 모듈 사이의 접촉 방법을 기존의 혼(horn)과 같은 방법이 아닌, 내부에 좌우로 감길 수 있는 배선을 장착하여 조향 휠의 회전각을 대처할 수 있게 되었다.

에어 백 모듈과 클록 스프링

클록 스프링은 조향 휠과 같이 회전하기 때문에 반드시 중심 위치를 맞추어야 하며, 만일 중심 위치가 맞지 않으면 클록 스프링 내부의 배선이 끊어지거나 저항이 증가하여 경고등이 점등된다.

3) ECU

     자동차 실내 전방 중앙부의 플로어 패널상에 설치되어 있다. 센터 G 센서와 세핑 센서를 내장하고 있다.

4) 벨트 프리텐셔너

   벨트 프리텐셔너(belt pretensioner)는 그림 Ⅸ-43과 같이 충돌시 에어 백이 작동하기 전 프리텐셔너를 작동시켜, 안전 벨트의 느슨한 부분을 되감아 충돌로 인하여 움직임이 커질 승객을 시트에 확실히 고정시킴으로써 크러시 패드나 전면 유리에 승객이 부딪히는 것을 예방하고, 에어 백 전개시 올바른 자세로 충격을 최소화하기 위한 것이다.

프리텐셔너

 

프리텐셔너 내부에는 화약에 의한 점화 회로와 벨트를 되감는 피스톤이 내장되어 있어 ECU에서 점화시키면 화약의 폭발력이 피스톤을 밀어 벨트를 되감을 수 있다.

 

5) 센터G 센서

    센터 G 센서는 그림과 같이 N형 실리콘 기판 위에 P형 실리콘 층을 확산하여 게이지 저항을 형성한 반도체 피에조 저항이다. 캔틸레버 빔에 감속도가 가해져 빔이 질량에 의해 휘어지면, 게이지 저항이 변화되어 저항 브리지 회로의 출력이 변화된다.
① 기판 위에 피에조 저항 및 프리 앰프, 하이패스 필터, 메인 앰프의 신호 처리 회로가 바이폴러 IC에서 한 개로 집적되어 있다.
② 집적화된 G 센서 칩은 허메틱 실(hermetic seal)의 캔 케이스에 넣어져 실리콘 오일이 채워져 있다. 실리콘 오일은 캔틸레버의 고유 진동수 부근에서 공진을 억제한다.
③ 메인 앰프로부터 출력 전압은 캔틸레버에 걸리는 가속도와 비례하고 있으며, 캔틸레버와 앰프 회로의 이상 유무를 스스로 체크하는 기능도 가지고 있다.

센터 G 센서

6) 프런트 G 센서

    프런트 G 센서는 그림 Ⅸf-45와 같이 편심 회전 매스를 갖는 기계식 가속도 센서이다. 센서 유닛은 편심 회전 매스를 장치한 로터 플레이트, 회전 접점과 고정 접점, 코일 스프링으로 구성되어 있다. 감속도가 없는 동안은 로터 플레이트는 코일 스프링이 감는 힘에 의해 리턴되어 편심 회전 매스와 스토퍼가 맞닿는 상태로 밸런스를 유지하고 있다. 로터에 장치된 회전 접점은 그림과 같은 위치에 있으며, 고정 접점과 접촉하고 있지 않다. 설정 감속도 이상의 감속도(G)가 작동하면 로터가 회전을 시작하여 양 접점이 접촉되면 ECU의 입력 회로를 닫는다.

프런트 G 센서

 

7) 세핑 센서

   세핑 센서(safing sensor)는 항상 OFF 상태이나 감속도가 걸리면 ON신호를 보내는 기계식 안전 센서로 속도 센서이다. 센서의 설정 G값은 센터 G 센서 및 프런트 G 센서의 값보다도 작게 되어 있다. 세핑 센서는 자동차 전방 충돌시의 감속도에만 응답하기 때문에 다른 어떤 센서가 출력한 때는 '실제로 정면 충돌이 일어났다.'고 판정하여 점화 신호를 내는 로직으로 되어 있다. 이것은 그림 Ⅸ-46과 같이 충돌 이외의 어떠한 원인으로 센터 G 센서, 또는 프런트 G 센서가 출력하더라도 세핑 센서의 출력이 동반되지 않으면 충돌이 아니라고 판정하여서 점화 신호를 내지 않으므로 에어 백이 작동되는 것을 방지할 수 있다.

점화 판정 논리 회로

◈ 허메틱 실, 캔틸레버, 앰프

1. 허메틱 실(hermetic seal) : 공기나 습기가 통하지 않도록 밀봉하는 것으로 트랜지스터나 정류기 등에서 볼 수 있는 금속 케이스

2. 캔틸레버(cantilever) : 한쪽 끝에만 고정되어 있는 외팔보

3. 앰프(amplifier) : 신호의 파형이나 전류 또는 전압 등을 확대하는 증폭기