새시 24 > ABS, TCS. EBD 제어

1. ABS(Anti Skid Brake System)

(1) ABS의 개요

1) ABS의 필요성: ABS는 자동차가 주행 중 제동을 할 때 바퀴의 고착을 방지하는 것으로 급제동 또는 노면의 악조건 상태에서 제동할 때 바퀴의 고착으로 인하여 자동차가 제어 불능 상태로 진행되어 제동력의 상실은 물론 제동 거리 또한 길어지게 된다. 따라서 ABS는 이러한 바퀴의 고착 현상을 미연에 방지하여 최적의 점착력(grip)을 유지하므로 사고의 위험성을 감소시키는 예방 안전장치이다.

2) ABS의 목적

① 방향 안정성을 확보한다.

② 조종성을 확보한다.

③ 제동 거리를 단축시킨다.

3) ABS의 효과

   ABS의 효과는 주행 조건 및 노면의 상태에 따라 차이가 크며, 노면 마찰 계수(μ)이상의 제동 성능의 기대는 금물이며, 자동차 방향 안정성 확보에는 운전자의 조향 능력이 조금은 필요하게 된다. ① 직진 주행 중에 제동할 때의 효과：자동차가 직진 방향으로 주행 중 한쪽 바퀴는 노면에서 미끄러지기 쉬운 상태에 있고 다른 한쪽 바퀴의 노면이 보통 상태에서 제동을 할 때 마찰 계수가 낮은 바퀴가 먼저고착되어 ABS 비장착 자동차는 마찰 계수가 높은 방향으로 쏠려서 스핀을 일으킨다. 이와 반대로 ABS 장착 자동차는 제동할 때 각 바퀴의 제동력이 독립적으로 제어되므로 직진 상태로 제동되는 것은 물론 제동 거리 또한 단축된다.

② 선회 주행중에 제동할 때의 효과：주행 중 미끄러운 노면에서 선회 제동할 때 급제동을 하면 ABS 비장착 자동차는 바퀴가 고착되어 선회 곡선의 접선 방향으로 미끄러진다. 그러나 ABS장착 자동차는 바퀴의 고착이 방지되어 선회 곡선을 따라 운전자의 의지대로 주행할 수 있다. 즉, 제동을 제어할 때 노면의 상태에 따라 제동력을 제어하여 제동 안정성을 보다 높게 확보할 수 있는 장치이다.

(2) ABS 구성 부품의 기능

1) 휠 스피드 센서(Wheel Speed Sensor) : ECU는 휠 스피드 센서의 신호(바퀴의 주파수)를 이용하여 바퀴의 회전 상태를 검출한다. 휠 스피드 센서 는 영구 자석 및 코일로 구성되어 있고 앞바퀴는 너클 스핀들에 장착되어 있으며, 뒷바퀴는 뒤 허브 스핀들에 장착되어 있다. 휠 스피드 센서는 전자 유도 작용을 이용한 것이며, 영구 자석에서 발생하는 자속이 톤휠(센서 로터)의 회전에 의해 코일에 교류 전압이 발생한다. 이 교류 전압은 회전속도에 비례하여 주기 변화가 나타나기 때문에 이 시간당의 주기를 검출하여 바퀴의 회전속도를 검출한다.

휠 스피드 센서의 내부 구조

2) ECU(Electronic Control Unit) : 컴퓨터는 휠 스피드 센서의 신호에 의해 바퀴의 회전속도를 검출하고, 바퀴의 회전 상황을 파악함과 함께소정의 이론에 의해 바퀴의 상황을 예측하여 바퀴가 고착되지 않도록 하이드롤릭 유닛(Hydraulic Unit；유압조절기)내의 솔레노이드 밸브, 전동기 등으로 작동 신호를 보낸다. 또한 고장이 일어난 경우에는 페일 세이프 기능을 작동시키며, ABS 경고등을 점등시킨다.

3) 하이드롤릭 유닛(모듈레이터)

하이드롤릭 유닛은 동력 공급원과 밸브 블록(Valve block)으로 구성되어 있다. 동력은 전동기(motor)에 의해 작동되며, 제어 펌프에 의해 공급된다. 또한 밸브 블록에는 각 제어 채널에 대한 한 쌍의 솔레노이드 밸브가 들어 있다. ABS가 작동할 때 ECU에서의 신호에 의해 리턴 펌프를 작동시켜 휠 실린더에 가해지는 유압을 증압, 유지, 감압 등으로 제어한다.

① 솔레노이드 밸브：이 밸브는 ABS가 작동할 때 ECU에 의해 ON 또는 OFF되어 휠 실린더로의 유압을증압, 유지, 감압시키는 기능을 한다. 내부 구조는 전원이 인가되는 코일과 전원에 의해 작동하는 전기자로 구성되어 있으며, 유압이 전달되는 입력 부분에는 공급 밸브가 설치되어 있고, 복귀시키는 출력부분에 해제 밸브가 설치되어 있다.

② 리턴 펌프(return pump)：이 펌프는 하이드롤릭 유닛 중앙에 설치되어 있으며, 전기 신호로 구동되는전동기가 편심으로 된 풀리를 회전시켜 증압할 때 추가로 유압을 공급하는 기능 및 감압할 때 휠 실린더의 유압을 복귀시켜 어큐뮬레이터(accumulator) 및 댐핑 체임버(damper chamber)에 보내어 저장하도록 하는 기능을 한다.

③ 어큐뮬레이터：어큐뮬레이터 및 댐핑 체임버는 하이드롤릭 유닛의 아래 부분에 설치되어 있다. 어큐뮬레이터는 ABS 작동 중 감압 사이클일 때 휠 실린더로부터 복귀된 오일을 일시적으로 저장하는 장치이며, 증압 사이클에서는 신속한 오일 공급으로 리턴 펌프가 작동되어 ABS가 신속하게 작동하도록 한다.

또한 이 과정에서 발생되는 브레이크 오일의 파동이나 진동을 흡수하는 일도 한다.

(3) ABS 작동

1) 비작동

2) 감암보드

3) 유지모드

4) 증압모드

2. TCS(Traction Control System)

(1) TCS의 기능

눈길, 빙판 길 등의 마찰 계수가 낮은 도로(노면 또는 바퀴의 마찰 계수가 매우 적고 미끄러지기 쉬운 도로)를 주행할 때에는 운전자는 바퀴를 공회전시키지 않도록 하기 위해 신중한 가속 페달의 조작이 요구된다. 그러나 TCS(구동력 제어 장치)가 있다면 마찰 계수가 낮은 도로에서 출발 또는 가속할 때 구동 바퀴가 공회전을 하면 운전자가 미세한 가속 페달을 조작하지 않아도 자동적으로 엔진의 출력이 감소하고 바퀴의 공회전을 가능한 억제하여 구동력을 노면에 효율적으로 전달할 수 있다.

또한 주행 빈도가 높은 일반 도로에서 선회할 때 지나치게 빠른 속도로 선회를 하면 자동차의 뒷부분이밖으로 밀려 나가는 테일 아웃(tail out)현상이 발생하는데 이것을 제어하기 위해서는 고도의 운전 기술이 필요하다. 이런 경우에도 TCS는 운전자가 가속 페달을 밟아 스로틀 밸브를 완전히 열더라도 이와 관계없이 엔진의 출력을 제어하여 운전자의 의지대로 안전한 선회가 가능하다.

(2) 바퀴와 TCS의 관계

자동차가 주행하면 바퀴에는 가속하기 위한 구동력과 회전하기 위한 횡력(side force)이 발생하며, 이 두개의 힘을 합쳐 총 합력이라 한다. 그리고 노면과 바퀴 사이의 마찰력에는 한계가 있으며 그 힘의 크기는노면이 미끄러우면 작아진다.

이 한계를 넘는 힘이 바퀴에 가해지면 바퀴는 공회전하여 기대한 구동력이 전달되지 않고 자동차의 조종안정성에도 영향을 준다. 이에 따라 가속할 때 여분의 엔진 토크를 억제하여 구동 바퀴의 공회전을 방지하고마찰력을 항상 발생 한계 내에 있도록 자동적으로 제어하는 것이 TCS의 주 역할이다. 즉, 바퀴에 작용하는 힘을 제어하여 엔진 토크를 항상 바퀴의 슬립 한계 내에 두도록 하는 것이 TCS이다.

(3) TCS의 종류

1) FTCS(Full Traction Control System)

이 형식은 ABS ECU가 TCS 제어를 함께 수행한다. 즉 ABS ECU가 앞바퀴(구동 바퀴)와 뒷바퀴의 휠 스피드 센서의 비교에 의해 구동 바퀴의 슬립을 검출한다. 구동 바퀴의 슬립을 검출하면 TCS 제어를 실행하게되는데 이때 브레이크 제어를 수행하며, 엔진 ECU와 자동 변속기 TCU에 TCS 제어를 위해 CAN 통신을 하는 BUS 라인에 슬립량에 따라 엔진 토크 감소 요구 신호, 연료 공급을 차단할 실린더 수 및 TCS 제어 요구신호를 전송한다. 엔진 ECU는 ABS 컴퓨터가 요구한 실린더 수만큼 연료의 공급을 차단하며, 또한 엔진 토크 감소의 요구 신호에 따라 점화시기를 지각시킨다. 자동 변속기의 TCU는 TCS 작동 신호에 따라 변속 위치를 TCS 제어 시간만큼 고정(hold)시킨다. 이것은 킥다운(kick down)에 의한 저속 변속으로 가속력이 증대되는 것을 방지하기 위함이다.

2) BTCS(Brake Traction Control System)

이 형식은 TCS를 제어할 때 브레이크 제어만을 수행한다. 즉 ABS 하이드롤릭 유닛 내부의 모터 펌프에서발생하는 유압으로 구동 바퀴의 제동을 제어한다.

(4) TCS 작동 원리

1) 슬립 제어(slip control)

뒤 휠 스피드 센서에서 얻어지는 차체의 속도와 앞 휠 스피드 센서에서 얻어지는 구동 바퀴와의 비교에의해 슬립비가 적정하도록 엔진의 출력 및 구동 바퀴의 유압을 제어한다.

2) 트레이스 제어(Trace Control)

트레이스 제어는 운전자의 조향 핸들 조작량과 가속 페달 밟는 양 및 이때의 비 구동 바퀴의 좌우 쪽 속도차이를 검출하여 구동력을 제어하여 안정된 선회가 가능하도록 한다.

3. EBD 제어(Electronic Brake-force Distribution Control)

뒷바퀴가 앞바퀴와 동일하거나 또는 늦게 고착되도록 ABS ECU가 제동 배분을 제어하는 것을 EBD라 한다.

(1) EBD의 제어 원리

EBD는 ABS ECU에 논리를 추가하여 뒷바퀴의 제동 압력을 요구 유압 배분 곡선(이상 제동 배분 곡선)에 근접 제어하는 원리이다. 제동할 때 각각의 휠 스피드 센서로부터 슬립률을 연산하여 뒷바퀴 슬립률이 앞바퀴보다 항상 작거나 동일하게 유압을 제어한다.

(2) 유압 제어

뒷바퀴가 앞바퀴보다 먼저 고착되기 직전에 ABS ECU는 고착되려는 바퀴 쪽의 NO(Normal Open) 솔레노이드 밸브를 ON(닫음)으로 하여 고착되려는 바퀴의 제동 유압을 유지시켜 고착을 방지한다.(이를 유지 모드라 함) 그리고 앞바퀴에 비하여 뒷바퀴의 제동력이 감소하여 바퀴가 회전하면 다시 NO 솔레노이드 밸브를 OFF(열림)하여 마스터 실린더에서 가해진 제동 유압을 다시 캘리퍼로 공급한다.(이를 증압 모드라 함) 이때 모터 펌프는 작동하지 않는다.

(3) EBD 제어의 효과

① 뒷바퀴의 제동력을 향상시키므로 제동 거리가 단축된다.

② 뒷바퀴의 유압을 좌우 각각 독립적인 제어가 가능하므로 선회하면서 제동할 때 안전성이 확보된다.

③ 브레이크 페달을 밟는 힘이 감소된다.

④ 제동할 때 뒷바퀴의 제동 효과가 커지므로 앞바퀴 브레이크 패드의 마모 및 온도 상승 등이 감소되어

안정된 제동 효과를 얻을 수 있다.

(4) EBD의 안전성

① ABS 고장 원인 중 다음과 같은 사항에서도 EBD는 계속 제어되므로 ABS의 고장율이 감소된다.

㉮ 휠 스피드 센서 1개 고장

㉯ 모터 펌프의 고장

㉰ 저 전압으로 인한 고장

② 고장이 발생하면 주차 브레이크 경고등을 점등하여 운전자에게 경고한다.