전자제어 새시(2)

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

차량의 제동과 선회

차량의 정지
차량의 기본 기능인 주행, 선회, 정지 3가지 요소는 모두 타이어에 작용하는 힘에 의해 이뤄진다. 주행한다는 것은 타이어 진행 방향으로 힘이 작용하는 것이며 선회한다는 것은 진행 방향의 횡방향(橫方向)으로 발생하는 힘을 의미한다. 또 차량이 정지한다는 것은 타이어의 진행 방향 반대로 힘이 작용하는 것을 말한다.

주행중인 차를 정지시킨다는 것은 물리적으로 차량의 진행 방향과 반대로 작용하는 힘을 지속적으로 보내 감속하는 것으로 이는 브레이크 페달을 밟아 타이어의 접지면과 노면 간 발생하는 마찰력(힘)을 이용하는 것이다. 이때 타이어의 진행 방향으로 작용하려는 힘을 구동력, 반대 방향으로 작용하는 힘을 제동력이라 한다.

그러나 차량의 정지 기능은 아무리 강력한 브레이크 장치를 장착한다 해도 타이어 상태가 좋지 않으면 충분히 발휘될 수 없다. 이런 이유에서 ABS, TCS, ECS 등의 첨단 전자제어 장치가 차에 장착돼 타이어에 미치는 힘의 성능을 최대한 발휘될 수 있도록 돕고 있다. 이 글에서는 ABS, TCS를 간략히 살펴하고 ECS는 다음호에 소개한다.

타이어의 슬립
차가 정지 상태에서 구르기 시작할 초기에는 큰 힘이 필요하지만 한 번 구르고 나면 작은 힘으로도 쉽게 구를 수 있다. 이는 타이어와 노면 간 마찰력과 관계한다. 차의 주행 속도와 타이어 회전 속도가 같다고 가정하면 타이어에는 슬립(slip)이 존재하지 않는다. 이에 반해 타이어와 노면 간 슬립이 일어난다는 것은 주행 속도와 타이어 회전 속도가 다르다는 것을 의미한다.

제동력이라는 마찰력을 얻기 위해서는 차량의 주행 속도보다 타이어 회전 속도를 지연시키면 된다. 강력한 슬립은 타이어가 락(lock)되는 상태를 말하며 타이어가 락되는 정도를 타이어 슬립률로 표시한다.

그림 2의 (a)와 같이 차체 속도가 100 ㎞/h일 때 타이어가 락된 상태의 슬립률을 100% 기준으로 볼 때 슬립률은 (차량 속도－타이어 속도)/차량 속도×100%로 나타낸다. 즉 타이어가 락된 상태는 타이어 속도가 0 ㎞/h의 상태로 결과적으로 차량 주행 속도가 얼마가 되든지 간에 슬립률은 100%가 된다. 따라서 제동 장치라는 것은 차량의 제동력을 얻기 위해 타이어의 마찰력을 이용하는 감속 기구인 셈이다. 차량의 감속은 주행 속도보다 타이어 회전 속도를 지연시켜(슬립률을 올려) 타이어와 노면 간 마찰력을 얻는 것이다.
 
차량의 선회
차가 선회할 때에는 차에는 그림 3과 같이 바깥 방향으로 원심력이 작용한다. 이 때문에 원심력에서 보면 차량은 밸런스(balance)를 유지하기 위해 차 안쪽 방향으로 힘이 발생해 코너링(cornering)을 가능하게 한다. 이같이 원심력에 대해 차 안쪽으로 작용하는 힘을 코너링 포스(cornering force)라 한다. 그림 3의 (b)와 같이 가속 페달을 밟아 선회하는 경우 먼저 가속 페달을 가볍게 밟을 때에는 타이어 그립력의 대부분을 코너링 포스로 이용할 수가 있다. 그러나 가속 페달을 밟아 구동력을 크게 하면 그립력의 대부분은 구동력이 되어 코너링 포스가 감소한다. 차량 구동축은 원심력에 걸려 밖으로 슬립하게 된다.

예를 들면 전륜 구동형(FR형) 자동차는 구동축이 앞에 있어 후륜 측에 의한 미끌림 비가 크게 되어 언더 스티어(under steer)가 강하게 된다. 언더 스티어 현상은 차량 선회 속도를 올릴수록 선회 반경이 커지는 특성을 말한다.
반대로 오버 스티어(over steer) 현상은 선회 속도를 올릴수록 선회 반경이 작아지는 특성을 말한다. 후륜 구동형(RR형) 차량의 경우 구동축이 뒤에 있어 구동력을 크게 할수록 미끌림이 앞쪽보다 뒤쪽에서 크게 밖으로 발생하게 된다. 그 결과 차량 뒤측이 밖으로 흐르게 돼 차체는 선회하는 반경 내측을 향하게 되고 오버 스티어 현상이 발생한다.

오버 스티어 현상이 크게 발생하면 차량은 공전 현상(스핀 현상)이 일어나 조향 불능 상태가 돼 버리고 만다. 주행중 타이어의 슬립과 스핀 현상이 발생하면 조향 안전성 및 구동성에 큰 영향을 주기 때문에 안전상 좋지 않은 결과를 초래할 수 있다. 이와 같은 현상은 노면의 마찰 계수(μ)가 낮을수록 현저하게 발생한다.
이에 따라 조향 안전성, 선회 안전성 확보를 위해 ABS, TCS, ESC 등의 전자제어 시스템이 적용되고 있다.

ABS의 개요

적용 목적
ABS, 안티 락 브레이크 시스템의 명칭을 풀이하면 운전자가 브레이크를 밟아도 차륜(車輪)이 락되지 않는 제동 시스템을 의미한다. 차륜이 락되면  코너링 포스가 크게 감소하고 최후에는 코너링 포스가 사라진다. 이는 타이어 진행 방향과 코너링 포스가 언제나 일치되지 않도록 하게 하는 횡방향(橫方向) 작용의 그립(grip)력이 없어진 것이다. 결국 차량은 선회 안전성을 잃어 스핀(spin) 현상이 생기고, 운전자는 스티어링 휠을 돌려 차량을 똑바로 정지하고 싶어도 의지대로 할 수 없는 상태가 된다.
ABS는 차륜이 락되지 않도록 하므로써 차량 진행 방향과 코너링 포스가 언제나 일치되지 않도록 해 운전자의 조향 안전성을 확보하는 브레이크 시스템(brake system)이다. <끝>

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