- 업소버의 기능과 주행 안전성

현가장치의 개요
자동차의 현가장치(suspension system)는 차축(axle shaft)과 차체 사이에 스프링을 설치해 놓은 완충 장치와, 차축과 차체 사이를 연결하는 장치로 이뤄져 차량이 주행할 때 노면으로부터 받는 충격 및 진동이 차체에 직접 전달되지 않도록 하는 장치다. 따라서 현가장치와 차체 사이에 밸런스가 맞지 않으면 차량에 지대한 영향을 미치게 되고, 이 영향은 차체 손상이나 탑재된 화물의 손상을 야기한다. 뿐만 아니라 주행시 선회 안전성 및 주행 안전성도 떨어져 운전자의 승차감을 떨어뜨리거나 피로를 가중시킨다. 
보통 현가장치의 구성은 노면으로부터 충격을 지탱 및 완화해주는 스프링과 차체의 진동을 억제하는 쇽 업소버(shork absorber), 그리고 차체 수평을 유지할 목적으로 승용차의 전륜 또는 후륜 측에 장착되는 스태빌라이저(stabilizer) 및 토션 바(torsion bar) 등의 기구로 구성된다.
현가장치는 크게 차축이 일체화된 차축 현가식과 좌우 차축이 분활된 독립 현가식으로 구분한다. 일반적으로 조향성이나 승차감을 중시한 승용차의 경우 독립 현가식을 많이 사용하며 트럭과 같이 화물을 적재하는 상용차의 경우는 차축 현가식이 사용되고 있다.

- 업소버의 기능
주행중 차량의 충격을 흡수하는 것은 현가장치의 스프링(spring)이 큰 역할을 하지만 스프링이 충격을 흡수한 후에 스프링의 관성에 의한 차체 진동은 쇽 업소버(shork absorber)로 억제한다. 만일 쇽 업소버를 사용하지 않고 현가장치의 스프링만으로 차체 진동을 흡수한다면 차체는 상당한 시간 진동을 지속하게 된다. 이 진동은 운전자의 자율 신경계에 영향을 미쳐 쉽게 피로감을 느끼게 하고, 승차감을 저하시킨다. 보통 사람의 경우 보행시 진동 사이클이 60~70 사이클/min 정도이지만 차량의 경우는 이보다 조금 상회하는 진동 사이클을 가지고 있어 차종의 용도에 따라 특성을 맞추고 있다. 쇽 업소버(shork absorber)에 문제가 발생하면 차체가 크게 흔들려 안정감이 없어지는 것은 물론 선회시 롤 각(roll angle)이 크게 돼 차량 선회 성능 또한 저하된다. 또 타이어 접지성도 크게 악화돼 구동력 및 제동력이 떨어지게 돼 안정감은 물론 연비에도 악영향을 미친다. 따라서 차량의 승차감과 안전성 향상을 위해 노면의 상태에 따라 쇽 업소버의 감쇄력 변화가 요구된다.
차량이 요철을 타고 넘을 때 쇽 업소버의 상하 움직임을 보면 요철을 타고 넘는 순간 쇽 업소버 스프링 위에는 차체 중량이 크게 걸려 스프링이 수축한다. 이어 스프링이 흡수한 에너지를 방출해 차체를 들어 올린다. 이 때 차량이 어느 정도 들어 올려지는가는 차량의 속도와 관계되는데 스프링의 신장 장력을 상회하면 차체는 튀어 올라 상하 운동을 반복하게 된다. 이와 같이 쇽 업소버는 차체가 요철을 통과할 때 스프링이 신장하는 장력을 상회해 차체가 튀어 오르는 것을 억제하는 역할을 한다. 즉 쇽 업소버는 스프링의 상하 운동을 억제함으로써 승차감 향상을 돕는다. 이 스프링의 상하 운동을 제어하는 것을 감쇄력 제어라고 한다.
감쇄력을 어느 정도 제어해 주는 것이 좋은가의 문제는 노면과 운전 조건에 따라 달라지게 되지만 승차감이 좋은 적정 감쇄력은 차종에 따라 달라진다. 이처럼 쇽 업소버는 압축시와 신장시 감쇄력이 달라 이에 대한 각각의 대응이 필요하다.

감쇄력과 주행 안전성
쇽 업소버는 감쇄력에 의해 승차감에 영향을 미치지만 그 밖에도 차량의 과도적인 자세 변화에도 영향을 미친다. 예컨데 쇽 업소버의 작용은 주행중인 차량에 급제동을 걸때 앞측이 가라앉는 노즈 다이브(nose dive) 현상, 가속시 뒤측이 가라앉는 스쿼트(squat) 현상, 선회시 좌우가 유동하는 롤링(rolling) 현상 등을 억제하는 방향으로 작용해 차체를 안정시킨다.
특히 차량이 코너에 진입 할 때 롤링 억제 효과는 스프링보다 쇽 업소버의 감쇄력이 크다. 따라서 쇽 업소버의 감쇄력 특성에 따라 차량의 조향 안정성이 크게 좌우된다. 그러나 차량이 코너에 진입해 롤링이 안정되면 이 때에는 쇽 업소버의 감쇄력 영향을 벗어난다.
차량 선회시에 롤링(rolling) 현상이 발생하지만 차량 중심에는 원심력이 작용해 현가장치에는 롤(roll)에 대한 저항력을 갖는다. 이 저항력을 롤 강성(强性)이라 하는데 이 롤 강성은 스프링의 탄력, 스테빌라저의 강도, 차륜의 거리에 영향을 받는다. 롤 강성이 높으면 롤 각(roll angle: 차량 선회시 차체의 경사각)은 감소해 코너링 성능이 좋아진다. 반면 롤 강성이 너무 높으면 오히려 승차감이 떨어질 수도 있다. 차량 선회시에는 외측 쇽 업소버는 압축하고, 내측 쇽 업소버는 신장한다. 이 때 감쇄력이 크면 쇽 업소버의 피스톤 이동 시간이 길게 돼 차체의 롤(roll)에 대한 저항력이 크게 되고 롤링(rolling)이 어렵게 된다.
한편 차량 선회시에는 차량의 외측으로 원심력이 작용하고 원심력에 대응해 타이어와 노면 사이에 코너링 포스(cornering force)가 발생한다. 이 코너링 포스는 타이어의 접지 하중에 의한 영향이 크고 외측 차륜의 접지 하중이 크게 되는 만큼 코너링 포스는 감소하는 경향이 있다. 쇽 업소버의 감쇄력은 차체가 롤링을 하려고 할 때 이에 대응한 저항력 역할을 하게 돼 외측 타이어의 하중을 증가시킨다. 이런 문제로 감쇄력이 큰 쇽 업소버를 사용하면 외측 타이어에 접지 하중이 증가하고 코너링 포스가 감소한다.
앞측과 뒤측의 쇽 업소버의 감쇄력을 각각 다르게 하면 코너링 포스에 변화가 생겨 선회 특성(under steer, over steer)이 바뀐다. 예를 들어 앞측 쇽 업소버의 감쇄력을 크게하고 뒤측의 쇽 업소버의 감쇄력을 작게하면 앞측 코너링 포스는 작게 되기 때문에 이 경우 선회중 속도를 올리면 올릴수록 선회 반경이 커지는 언더 스티어(under steer)가 강해질 수가 있다. 이를 역으로 하게 되면 오버 스티어(over steer)가 될 수 있다. 결국 쇽 업소버의 감쇄력 특성에 따라 차량의 조향 안정성이 달라진다.

- 업소버의 감쇄력
보통 좋은 자동차라는 것은 주행 성능뿐만 아니라 승차감 및 주행 안전성, 편의성, 쾌적성, 환경 기준 등에 만족하는 차를 의미한다. 이 중 특히 좋은 승차감 및 주행 안전성을 추구하기 위해서 현가장치의 고급화가 필연적이다. 그러나 현가장치를 통한 승차감 및 주행 안전성을 동시에 만족시키기는 힘들다. 예를 들어 쇽 업소버의 감쇄력을 낮게 해 승차감을 향상시키면 직진시나 선회시 주행 안전성이 크게 떨어지게 되고 반대로 감쇄력을 높게 해 주행 안전성을 향상시키면 승차감이 떨어지는 특성이 있다. 따라서 승차감과 주행 안전성에 대한 상반된 특성을 만족하기 위해서는 쇽 업소버의 감쇄력을 주행 조건에 따라 가변해 줘야한다. 쇽 업소버(shork absorber)에서 발생하는 감쇄력은 피스톤이 움직이는 속도에 따라 현저하게 차이가 난다. 이에 따라 보통 피스톤의 속도를 0.3 m/s를 기준으로 하고 있다. 그림 2의 (a)는 일반 승용차의 감쇄력 특성을 나타낸 것으로 피스톤의 속도가 0.3 m/s 일 때 신장측 감쇄력은 100 kgf, 압축측 감쇄력은 60 kgf다. 승용차의 경우 이 비율은 일반적으로 6:4 정도로 고정되어 있다. 반면 전자 제어식 현가장치는 차량의 주행 상태에 따라 (b)와 같이 대개 3단계로 감쇄력 변화를 준다.

ECS 시스템의 구성과 구분

ECS(Electornic Control System) 시스템은 쇽 업소버의 감쇄력과 차체의 자세를 제어해 차량 승차감과 주행 안전성을 확보하는 시스템으로 유압이나 공압을 이용해 쇽 업소버의 감쇄력을 제어하는 전자제어 현가장치다. 이 시스템은 그림 3과 같이 감쇄력을 제어하는 4개의 액추에이터, 유압 또는 공압을 공급 저장하는 컴프레서(compressor) 및 리저브 탱크(reserve tank), 유압이나 공압 라인의 압력을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브 어셈블리(solenoid valve assembly)로 구성된다. 또 차속을 검출하기 위한 차속 센서, 운전자의 주행의지를 검출하기 위한 TPS와 브레이크 스위치, 조향각을 검출하기 위한 조향각 센서, 차체의 정확한 자세를 검출하기 위한 G-센서 등으로 구성된다.
ECS 시스템의 쇽 업소버에는 유압이나 공압을 제어할 수 있도록 전자반인 액추에이터(actuator)가 부착되어 있어 감쇄력을 가변할 수 있도록 가변 감쇄력식 쇽 업소버를 사용한다. 이 가변 감쇄력식 쇽 업소버에는 리저브 탱크로부터 유압이나 공압을 공급하기 위해 호스 연결구가 설치돼 노면의 상태나 주행 상태에 따라 감쇄력 및 차체 자세 변화를 제어한다. 공압을 이용한 전자제어 현가장치에는 컴프레서로부터 토출된 압력을 저장하기 위해 별도의 리저브 탱크를 두고 있는데 차량의 중량에 따라 전륜과 후륜을 나누어 2개의 저장 탱크를 두는 것과 한 개의 저장 탱크로 전후륜에 공급하는 방식이 있다. 
ECS 시스템은 표 1과 같이 시스템을 적용하는 부가적인 기능에 따라 세미 액티브(semi active) 현가장치와 액티브(active) 현가장치로 구분한다. 세미 액티브 현가장치는 노면의 상태와 주행 조건에 따라 쇽 업소버의 감쇄력을 제어해 주는 장치이다. 이에 반해 액티브 현가장치는 차량의 주행 상태에 따라 쇽 업소버의 감쇄력을 제어하는 것은 물론 차량의 자세 변화를 제어해 주행 안전성을 높인다. 여기서 말하는 자세 변화는 노면의 상태나 주행 상태에 따라 단순히 차체의 차고 조절을 제어하는 기능뿐만 아니라 롤(roll)이나 피칭(pitching) 현상 등에 대해 차량 자세 변화를 제어해 주는 기능을 말한다.
차량 선회시에는 내측에 있는 타이어가 압축되고, 외측에 있는 타이어는 신장 및 바운싱하게 돼 차체에 롤(roll) 현상이 발생하게 된다. 이와 같은 이유로 액티브 ECS 시스템에서는 내측에 있는 쇽 업소버의 공기 스프링에 공기를 공급하고 외측에 있는 쇽 업소버의 공기 스프링에 공기를 배기해 롤(roll) 현상을 최소화한다.

ECS 시스템의 제어 모드

ECS 시스템의 제어 기능
ECS 시스템 기능은 적용되는 방식에 따라 승차감에 중점을 둔 감쇄력 제어 기능과 주행 안전성에 중점을 둔 자세제어 기능, 그리고 노면의 상태와 운전 조건에 따라 차체 높이를 조절하는 차고제어 기능이 있다. 감쇄력 제어 기능은 노면의 상태나 운전자의 취향에 따라 표 2와 같이 AUTO MODE와 SPORT MODE로 선택하며, AUTO MODE는 제조사의 차종에 따라 보통 3~5 단계 감쇄력 제어가 가능하도록 돼 있다. 차종에 따라서는 다소 차이가 있지만 일반적으로 AUTO 모드는 super soft~hard 모드 까지까지 감쇄력을 제어하고, MEDIUM 모드는 super soft~soft 모드 영역까지 감쇄력을 제어한다. SPORT 모드는  medium~hard 모드 영역까지 감쇄력을 제어한다.
자세제어 기능은 차량 발진시나 제동시 또는 선회시 차체 기울기를 수평으로 유지할 수 있도록 제어해 운전자의 주행 안정성을 확보하는 기능이다. 자세제어 기능에는 앤티 롤 제어(anti roll control), 앤티 스쿼트 제어(anti squat control), 앤티 피칭 및 앤티 바운싱 제어(anti anti pitching & anti bouncing control) 기능 등이 있다. 또 고속 주행시 주행 안정성 확보를 위해 고속 안정성 제어, 초기 세트시 자동으로 AUTO 모드로 절환되는 초기 세트 제어, 리저브 탱크의 일정 공기량 확보를 위한 컴프레서 구동 제어, 시스템 이상을 검출하는 경고등 제어 기능 등이 있다.

감쇄력 제어와 자세제어
ECS 시스템은 감쇄력을 노면이나 운전 조건에 따라 양립할 수 있도록 변화한다. 뛰어난 승차감과 안정성을 얻을 수 있도록 감쇄력이 변화하는 가변 감쇄력 쇽 업소버를 사용해 SOFT, MEDIUM, HARD MODE로 감쇄력를 제어한다. 감쇄력은 가속시나 감속시 또는 선회시에 감쇄력을 높게 설정해 주행하는 것이 주행 안정성 측면에 좋고, 정속 주행 상태에서는 감쇄력을 낮게 설정해 주행하는 것이 승차감과 정숙성 측면에서 좋다. 따라서 ECS 시스템의 입력 정보는 가감속과 제동 상태를 검출할 수 있는 차속 센서, TPS 센서, 인히비터 SW, 브레이크 SW가 요구된다. 또 선회시 차량의 자세 변화 상태를 검출할 수 있는 조향각 센서, G- 센서 등이 입력 정보원으로 필요하다.
ECS ECU는 이러한 입력 신호를 바탕으로 감쇄력 제어의 우선 순위와 목표 감쇄력을 제어하게 되는데 이 때 감쇄력 제어의 우선 순위는 우선 모드 선택 스위치에 의해 실행되는 것이 가장 높게 설정되고, 다음으로 자세제어(roll, squat, dive, pitching, bouncing)시 요구되는 순으로 감쇄력을 제어한다. 제조사의 차종에 따라서는 노면에 대응한 감쇄력 제어를 차순위로 설정해 제어하는 경우도 있다. 이 밖에 감쇄력 제어에는 고속 주행시 감쇄력을 높여 차량의 안정성을 확보하는 고속 주행 제어가 있으며 제조사의 차종에 따라서는 요철이 심한 도로 주행시 감쇄력을 높이는 제어 기능 등도 적용되고 있다.
자세제어 기능은 표 3과 같이 노면의 상태에 따른 자세 변화를 감쇄력 제어하고, 쇽 업소버의 공기 스프링 압력을 제어해 차체 자세를 제어한다. ECS 시스템의 자세제어는 차체가 기울어지면 기울어지는 측의 공기 스프링에 공기를 공급하고, 반대로 차체가 들리면 들리는 측의 공기 스프링을 배기해 차량 자세를 제어할 수 있도록 쇽 업소버의 공기 스프링 압력을 제어한다. 따라서 ECS 시스템의 공기 유량 회로는 그림 4와 같이 공기의 압축과 저장을 위한 컴프레서(compressor)와 리저브 탱크(고저압 탱크), 감쇄력 제어를 위한 가변 감쇄력식 쇽 업소버, 공기 스프링의 공압을 제어하기 위한 자세제어 솔레노이드 밸브로 구성된다.
공기 유량 회로의 컴프레서는 리저브 탱크(reserve tank)의 압력이 일정압 이하로 떨어지면 리저브 탱크의 공기를 충진하기 위해 일정압 이상이 될 때까지 컴프레서를 구동한다. 이렇게 충진된 리저브 탱크의 공기는 차량 자세제어와 차고제어시 공급된다. 차량이 선회할 때 조향 안전성 제어는 조향각 센서로부터 조향 휠의 회전 속도와 회전 방향, 회전 각도를 검출한다. 차속 센서와 G-센서로부터 차속과 선회시 발생하는 횡가속도의 정보를 검출해 앤티 롤 현상을 제어한다. G-센서로부터 검출된 횡가속도의 신호는 내부 필터 회로를 통해 위상을 제어하고 차속에 대한 이득(gain)에 따라 쇽 업소버의 공기 스프링 목표 제어값을 제어한다. 이때 감쇄력 절환은 ROM 내에 미리 설정된 목표 제어값에 따라 내륜은 SOFT에서 HARD로, HARD에서 SOFT로 절환하고, 외륜은 HARD에서 SOFT로, SOFT에서 HARD로 절환해 선회시 롤링(rolling) 하지 않고 선회할 수 있도록 제어한다.
또 주행중 브레이크 페달을 밟아 차체가 앞으로 내려가는 현상이 발생하면 차량 감속도를 검출하는 차속 신호와 브레이크 스위치 정보를 기준으로 해 앤티 다이브 제어 기능을 실행한다. ECS ECU는 차속 센서와 브레이크 스위치의 입력 신호를 기준으로 제어 조건을 판단하면 전륜 쇽 업소버의 공기 스프링을 급기로 제어해 차체가 내려가는 현상을 방지한다. 앤티 다이브 제어는 차속이 일정 속도 이상에서 브레이크 스위치가 입력되는 순간 전륜측 솔레노이드 밸브를 열어 급기 상태로 절환하게 한다. 이때 ECS ECU는 가속도(감속도)를 연산해 목표 감쇄력을 설정 제어한다.
차량 급발진시나 주행중 급가속시에 스쿼트 현상이 발생하면 ECS ECU는 차속 센서와 TPS의 입력 정보를 기준으로 앤티 스쿼트한다. ECS ECU는 차속 센서와 TPS의 입력 정보를 기준으로 앤티 스쿼트 제어 조건을 판단하고, 전륜측 쇽 업소버를 배기 상태로 제어해 차체가 들리는 것을 방지한다. 앤티 스쿼트 제어는 TPS의 개도량과 개도 변화율 정보를 기준으로 급가속을 판단하고 ECS ECU는 배기 솔레노이드 밸브를 열어 배기 상태로 절환하게 한다. 차량 속도 변화량으로 가속도를 산출해 목표 감쇄력을 설정하게 된다. 이때 스로틀 개도량은 보통 약 50% 이상으로 설정하고, 스로틀 개도량이 규정치 이상이 되면 전륜측 솔레노이드 밸브는 배기하고, 후륜측 솔레노이드 밸브는 급기로 제어해 앤티 스쿼트한다.
앤티 피칭, 바운싱(anti pitching & bouncing) 제어 기능은 차량이 비포장 도로나 요철을 통과할 때 차체의 상하 진동과 차량의 진행 방향에 따라 기울어지는 현상을 제어하는 기능으로 차고 센서와 G-센서의 입력 신호를 기준으로 감쇄력과 자세를 제어한다. 차고 센서와 G-센서를 기준으로 차량의 앤티 피칭, 앤티 바운싱 제어 조건을 판단하면 쇽 업소버의 신장과 신축 상태에 따라 솔레노이드 밸브를 급배기 제어해 차량의 쇽 업소버의 감쇄력과 자제를 제어한다.
ECS ECU는 차고 센서와 G-센서의 입력 정보를 기준으로 차량의 진동이 일정 진단 이상으로 판단되면 목표 제어값을 연산해 쇽 업소버의 감쇄력을 제어한다. 이때 차고 센서의 신축 신호를 기준으로 쇽 업소버의 공기 스프링이 신장측은 배기로 제어하고, 압축측은 급기로 제어해 차량의 진행 방향에 따라 기울어지는 현상을 막는다.

AEM_Automotive Electronics Magazine