ABS의 작동원리 | ☆자료실☆
2004/06/18 19:12 



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ABS의 작동원리

 












 ABS 란?
 






 

 최근 많이 채용되고 있는 ABS시스템(Anti Lock Brake Systme)은 브레이크의 신기원이라고 할 만큼 안전 운전에 획기적인 기여를 하고 있다.   ABS시스템은 1952년 영국 Dunlop사가 항공기용으로 개발한 이래 1966년 크라이슬러와 포드에서 승용차에 채용하면서 개발에 박차를 가하게 된 것이다.
 이 시스템은 주행하는 노면이 빙판, 빗물 등으로 어떤 악조건이 생기더라도 완전 록(Lock) 시키지 않음으로써 운전자는 핸들의 조절을 가능하게 하면서 가능한 최단거리로 차량을 정지시킬 수 있게 하는 시스템이다.  따라서 ABS시스템의 브레이크액은 각 바퀴별로 노면의 조건에 따라 달라지므로 바퀴의 미끄러짐을 방지하여 핸들의 조향성능을 최대한 유지하면서 바퀴가 미끄러지기 직전의 상태로 각 바퀴의 제동을 ON·OFF로 제어하는 것이다.
 ABS시스템은 보통 브레이크와 같은 시스템의 부스터와 마스터 실린더에 ECU(Elctornic Control Unit), 유압조정장치인 HCU(Hydraulic Control Unit), 바퀴의 속도를 감지하는 Wheel Sensors 그리고 브레이크를 밟은 상태를 감지하는 Pedal Travel Switch로 구성되어 있다.


<자료출처 : 한국교재개발 "자동차편람">
 








 일반제동장치와 ABS의 원리 비교
 


 

자동차의 브레이크(Brake)는 초창기에는 마차나 자전거의 브레이크와 같았다.  여기서 발전한 것이 피마자유를 이용해 유압으로 브레이크 패드를 작동 시키는 기존의 브레이크다.


보통 승용차의 경우 앞바퀴는 둥그런 금속디스크에 수지를 이용한 브레이크 패드가 양쪽으로 눌러 속도를 줄이거나, 정차시키는 디스크형 브레이크가 장착된다.
뒷바퀴에는 드럼형으로 마치 냄비처럼 생긴 드럼 안쪽면을 브레이크슈가 밀어준다.

디스크형 브레이크가 드럼형보다 장점이 많다.  우선 제동력에서 우수할 뿐 아니라 드럼형은 물에 약해 빗길에서 제동력을 잃기 십상이다.

자동차의 제동장치는 ABS(Anti-lock Braking System 또는 Anti-skid Braking System)가 나타나며 획기적으로 변했다.
1978년 독일의 보쉬社가 개발한 ABS는 브레이크의 잠김(lock)이나 미끄러짐(skid)이 생기지 않는 제동 장치 라는뜻이다.


흔히 도로에서 급정거하는 차가 "끼익"하는 굉음을 내는 것을 들어 봤을 것이다. 급제동을 걸면 타이어의 회전은 멈추지만 자동차는 관성에 의해 곧바로 서지 않는다. 타이어가 멈춘 상태에서 마치 스키를 타듯 미끌어지게 된다. 이렇게 되면 타이어의 한 단면만이 도로와 마찰을 일으켜 도로에는 검은 타이어 자국이 남게 된다. 이것이 바로 스키드마크, 한마디로 타이어가 고무 지우개가 되는것.

급제동시 타이어가 잠기게 되면 어떤일이 벌어질까?
가장 큰 문제는 핸들로 차의 방향을 바꿀 수 없다는 것이다. 타이어가 회전하고 있어야 핸들로 앞타이어의 각도를 바꿔 원하는 방향으로 갈 수 있는데 타이어가 잠긴 상태에서는 아무리 핸들을 돌려도 조종이 되지 않는다.
따라서, 운전자의 의지와 상관없이 사고가 일어나게 된다.

두번째는 제동거리가 길어진다. 이런 경우 가장 효과적인 제동방법은 타이어가 잠기기 바로 직전까지 브레이크 페달을 밟아 최대의 접지력을 살려 주는 것이다. 하지만 프로 카레이스들도 수 없는 반복 연습을 통해 익힐 수 있는 고난도의 테크닉을 일반 운전자들에게 요구할 수는 없는 노릇이다.

급제동을 할 때만 타이어가 잠기는 것은 아니다.
모래밭이나 비포장도로,빙판길에서는 마찰력이 적어 더 쉽게 타이어가 잠기게 된다. 겨울철 빙판길에서 차가 미끄러지는 것은 바로 타이어가 잠겼다는 것의 다른 표현이다.

이러한 잠김을 어떤 방식으로 없앨 수 있을까? ABS의 원리는 간단하다.
바퀴를 재동할 때 잠기지 않도록 쉴새 없이 잡았다 놨다를 계속하는 펌핑을 하는것.
마치 사람이 열심히 발로 브레이크를 밟았다 놓기를 반복하는 것과 마찬가지다. 하지만 사람이 하는 것과 같은 빠르기로 하는 것은 아무런 소용이 없다. ABS는 1초에 이런 반복동작을 무례 10차례 이상을 한다.


ABS는 바퀴마다 스피드 센서를 설치하고 여기서 들어오는 정보를 분석, 만일 한쪽 바퀴가 잠기면 그 바퀴만 펌핑을 해줘 네바퀴의 접지력이 동일 하도록 만들어준다. 따라서 미끄러지는 스키드현상이 일어나지 않아 조종력을 잃지 않으며, 타이어 잠김이 생기지 않기 때문에 제동거리도 훨씬 짧아진다.
일반 운전자가 위급한 상황에서 브레이크를 있는 힘을 다해 밟아주기만 하면 일류 카레이스처럼 자동차가 다 알아서 해 주는 것이 ABS의 위력이다.

하지만, ABS가 만능은 아니다. 만일 ABS가 장착됐으나 고장이 난 상태에서 과신하고 브레이크를 힘껏 밟았다고 가정하면 끔찍한 사고가 일어날 수 있다. 물론 고장일 경우 계기판에 경도표시가 들어 오지만 평소 계기판을 잘 보지 않기 때문에 실수 하가 쉽다.

고장이 아닌 경우에도 ABS가 가지고 있는 문제는 있다. 속도가 비교적 높지 않을 때 오히려 ABS를 장착한 차량의 제동거리가 일반 브레이크를 장착한 경우보다 길 수도 있다. 불필요하게 펌핑을 해 주기 때문이다.

비슷한 현상이 빙판에서도 일어날 수 있으므로 과신은 절대 금물이다.
많은 안전장치들이 개발되고 있으나 언제나 완벽한 것은 아니다.

ABS가 국내에 들어온 다음 일부 운전자들이 브레이크 페달을 밟으면 페달이 부르르 떤다고 애프터서비스를 받으러 오는 경우가 많았는데, 이는 펌핑 작용을 하는 진동이 페달까지 전달되기 때문이므로 걱정할 필요가 없다.
최근에는 이런 떨림 현상을 없앤 ABS도 등장 하고 있다.


<자료출처:대우 자동차문화>
                         









 ABS의 제어 시스템
 


 

【시스템의 구성】

ABS는 자동차 제동시에 각 차륜의 휠 실린더에 가해지는 제동 유압을 감압 또는 증압하여 압력을 조절하므로 적당한 코너링 포스를 확보하여 조향성을 유지하면서 동시에 제동거리를 가장 짧게 되도록 마찰계수의 가장 큰 값을 얻을 수 있는 슬립율이 되도록 제어한다. ABS 시스템을 구성하는 요소는 다음과 같다.
 1) 휠 속도 센서
 좌우 전륜에 각1개, 죄우 후륜에 각1개(FR차에서는 뒷바퀴의 구동축이 1개인 경우 있다)씩 설치되어 각 차륜의 회전속도를 검출한다. 슬립율의 산출에는 차체의 속도와 차륜의 속도가 필요한데 차체속도의 검출은 용이하지 않다.
따라서 복수이상의 차륜 속도로부터 차체의 속도를 추정 연산하는 방법이 채택되기 때문에 휠 속도 센서의 역할은 중요한다.  휠 속도센서는 전자 픽업의 회전센서가 일반적으로 사용되고 있다. 
 2) ABS 액추에이터(ABS 모듈)
 마스터 실린더와 휠 실린더와의 배관 도중에 설치되어 각 휠 실린더로 브레이크 유압을 감압 또는 증압을 실시하여 제동력을 제어하는 것이다.
 3) ECU
 휠 속도 센서로부터 받은 차륜 속도 신호에 의해 차체 속도를 추측하고 아울러 각 차륜의 회전 상황을 감시하여 도로면의 상태에 적합한 최적의 제동력을 얻을 수 있도록 브레이크 유압의 증압 또는 감압의 제어 지령을 ABS 액추에이터로 보낸다.  또한 시스템의 이상이 없는지 어떤지를 항상 감시한다.


ECU는 각 휠 센서로부터 보내오는 신호에 의해 각 차륜의 속도, 각 차륜의 가감속도 및 추정 차체 속도를 계산한다.  브레이크 페달을 밟아서 브레이크 유압이 각 휠 실린더에 전달되면 차륜속도는 저하를 시작한다. 

어느쪽인가의 차륜이 로크되려고 해서 차륜의 속도가 제어를 위해 설정되는 기준 차륜 속도보다 낮아 지면 ECU는 해당하는 차륜의 3포지션 솔레노이드 밸브로 "유지"신호를 보내고 이어서 "감압"신호를 보내서 휠 실린더 유압을 느슨하게 한다.

감압 시간은 차륜의 회전 감속 정도에서 ECU의 프로그램에 의해 정해진다.(영역 A).그 후 3포지션밸브는 "유지"상태에 놓여지고 ECU는 그 후 회전의 회복상태를 차륜 속도 및 차륜 가감속도에 의해 감시를 계속 한다.

차륜 회전 속도의 회복이 너무 빠르면 "가압","유지"의 세세한 제어를 되풀이 한다(영역 B).  재차 차륜이 로트 영역에 들어 가려고 하면, "감압"신호를 보내 유압 조적을 실시하여(영역 C) 가압,감압의 제어를 반복하면 정지에 이른다. 

 4) 기타
 프로포셔닝 밸브와 바이패스밸브는 유압제어밸브로 프런트 브레이크 손상시에 마스터 실린더 유압을 감압하지 않고 리어 휠 실린더에 전달하는 역할을 하는 것인데 ABS 제어에는 직접적으로는 간여하지 않는다.  앞바퀴의 제동력 분배가 큰 FF차에 많이 사용되고 있는 다이애거널 2계통 브레이크 시스템의 경우 ABS 유압 제어 채널은 4륜 각계통에 각각 설치된다.
【유압 제어 회로】



 1) 통상 브레이크시
 3포지션 솔레노이드 밸브는 "가압모드"이다. 브레이크 페달을 밟으면 마스터 실린더의 유압은 포트 A에서 포트 C를 지나 휠실린더로 전달된다.  펌프 회로에는 체크 밸브 NO.1에 의해 차단되고 브레이크 페달을 놓으면, 휠 실린더의 브레이크 오일은 포트 C,A 및 체크밸브 NO.3을 통해 마스터 실린더로 되돌아 온다.
 2) 감압 모드
 차륜이 로크되면 ECU는 전자코일로 전류를 흐르게 감압모드로 된다.  휠 실린더 유압은 마스터 실린더 유압과 분리되어 포트 C에서 포트 B를 지나 리저버로 브레이크 오일이 되돌아 온다.  동시에 펌프 모터가 구동을 시작하여 리저버의 오일을 마스터 실린더 유압보다 높은 유압을 만들어 체크 밸브 NO.1을 밀어 올려서 마스터 실린더측으로 되돌아온다.  이 때 휠 실린더는 감압되어 차륜의 로크를 피할 수 있다.
 3) 유지 모드
 포트 A,B 및 체크밸브 NO.3가 모드 닫히기 때문에 휠 실린더 유압은 그대로 상태가 유지된다. ECU는 차륜의 회전 상황을 감지하여 다음의 제어 모드를 어떻게 할 지를 판단한다.
 4) 가압 모드
 차륜의 회전이 회복되어 제동력을 복귀시킬 필요가 있을 때 전자코일에 전류의 흐름을 찬단한다.  3포지션 밸브는 통상 브레이크시와 마찬가지로 마스터 실린더에서 유압을 휠 실린더로 전달한다.