제동장치(ABS, TCS)

 지난번에는 자동차의 브레이크 시스템에 대해 알아보았고 이번에는 최근에 나오는 모든 차량에 빠질 수 없는 ABS, TCS에 대해 알아보고자 한다.

 

1.ABS (Anti-lock Brake system)?

ABS(Anti-lock Brake System)란 휠이 잠겼을 때 브레이크를 걸었다가 풀었다가를 반복하며 해당 문제를 해소하는 시스템을 의미한다. 그렇다면 휠 락(Lock), 휠이 잠긴다는 것은 어떤 것을 의미하는 것일까? 캘리퍼가 디스크를 강하게 잡은 상태로 휠이 노면 위에서 접지를 잃고 미끄러진다. 이 때 휠은 조향이 불가능해지고 쭈우우욱 미끄러진다. 즉 슬립이 발생한다. 이렇게 휠이 잠기게 되면 조향이 불가능해지고 차량이 미끄러지며 매우 위험한 상태가 된다. ABS는 이름에서도 알 수 있듯이 브레이크를 밟았을 때 작동하는 시스템이다. 특히 운전자가 당황해 패닉 브레이크를 밟았을 때, ABS는 운전자의 안전을 지키는 중요한 시스템이다.

 

ABS의 가장 큰 2가지 특징을 이야기해보면

1. 패닉 브레이크, 풀 브레이크를 밟았을 때, 휠이 잠기는 현상을 방지하여 회피 조향을 가능하게 한다.

2. 타이어와 지면 사이의 마찰, 최적의 휠 슬립을 적절히 이용하여 제어한다.

 

ABS를 이해하기 위해서는 우선 슬립률(Slip ratio)에 대한 이해가 필요하다.

 Slip ratio란 타이어가 노면 위에서 얼마나 미끄러지는 가를 표현한 수치로써, 차속과 휠속으로 표현할 수 있다.

슬립은 차량의 구동과 제동 시 모두 발생한다. 차량이 구동을 하는 상황인가 제동을 하는 상황인가에 따라 슬립을 나타내는 식이 상이하다.

 

 V는 차속을 의미하고 r x ω 는 휠의 원주속도를 의미한다. 휠이 잠기면, 즉 휠의 각속도가 0이 되거나 굉장히 작아지면 Slip ratio는 1에 근접해진다. Slip ratio가 1이 되면 휠이 잠겨 차량이 미끄러지고 있는 상태를 의미하며... 큰일났다는 의미가 된다.

 

 위의 X축은 차속과 휠속의 관계식을 통해 만들어지는 슬립률을 의미하며, Y축은 타이어와 노면 간의 마찰계수라 생각하면 된다. X축의 왼쪽으로 갈수록 타이어가 노면 위에서 1도 미끄러짐 없이 가는 것을 의미하며, 오른쪽으로 갈수록 바퀴가 잠기는 것을 의미한다. 그래프를 보면 알 수 있듯이, 슬립률이 약 0.2일 때 최대의 마찰력을 만들어내는 것을 알 수 있다. 즉, 휠속과 차속이 20% 정도 차이가 날 때 최대 마찰력을 만들어 낼 수 있다. 슬립률 0.2 지점에서 최대의 제동력을 만들어낼 수 있는 것이다. 따라서 ABS 제어를 할 때, 차속과 휠속을 컨트롤하여 이 최대 마찰력 영역을 계속 유지시키는 것에 주안점을 두어야 한다.

 정리하자면 최대의 마찰력을 만들어낼 수 있는 슬립률 0.2 근처에서 휠의 거동을 유지시키기 위해 사용하는 장치가 ABS이다. 패닉 브레이크나 풀 브레이크를 밟은 시점부터, 휠의 증압과 감압을 반복하며 매 순간마다 차속과 휠속을 계산하고 슬립률 0.2를 유지시킨다. 이 과정을 끊임없이 반복하며, 차속을 계속 떨어뜨려 차량을 멈추게 한다.

 위의 이미지를 보자. 운전자는 브레이크를 강하게 밟은 후에 유지시키고 있음에도 브레이크가 걸렸다가 풀렸다가를 반복한 증거를 볼 수 있다. 그렇다면 위급한 상황에 운전자가 브레이크를 밟았는지 자동차는 도대체 어떻게 아는 것일까? 이러한 조건을 걸어주는 파라미터들이 존재한다. 여러 실험법과 다수의 테스트를 통해 임계값을 설정한다. 예를 들자면 시속 100 이상에서 브레이크 압력이 (Pedal simulator sensor에서 들어오는 값) 몇 bar 이상인 것이 인식이 되면 ABS 로직이 작동하게 된다.

 

차량의 계기판 클러스터에 ABS 경고등이 떴다면, 즉시 수리를 받으러 가야 한다. ABS는 패닉 브레이크나 풀 브레이크를 밟았을 때 터지는 기술이므로 기존 브레이크에는 문제가 없으니 당황하지 말고 안-전하게 운전해서 근처 센터로 가시면 된다.

 

2. TCS (Traction Control system)

 자갈밭에서 운전을 해 본 경험이 있는가? 자갈밭에서 엑셀을 밟을 시에 RPM이 올라가는 소리와 함께 차가 조금씩 나아가는 것을 겪은 적이 있을 것이다. 혹은 폭설이 온 후에 눈길에서 운전을 해 본 경험이 있는가? 엑셀을 아무리 밟고, RPM을 아무리 높게 쳐도 차가 빠져나오지 못하는 경험을 해본 적이 있을 것이다. 이 두 가지 모두 TCS가 작동한 상황이라 볼 수 있다.

  ABS는 브레이크 페달을 밟았을 때 작동한다. 패닉 브레이크나 풀 브레이크를 밟았을 때 과도한 휠의 압력을 풀어줌으로써 문제 상황을 해결하는 기술이 ABS이다. 반대로 TCS는 브레이크를 밟은 것과 상관이 없다. 오히려 엑셀을 밟았을 때 과도한 구동력을 해결하는 기술이 TCS다.

 TCS를 이해하기 위해서는 휠스핀을 먼저 알아야 한다. 휠스핀을 막기 위한 기술이라 봐도 무방하기 때문이다. 지식백과에서는 휠스핀 현상을 다음과 같이 설명한다. '타이어가 지나친 구동력으로 접지력의 한계를 넘어 공전하는 것으로, 타이어의 공전은 다시 접지력을 잃게 하여 방향성을 나쁘게 만든다.' 즉, 지나친 구동력으로 인해 바퀴가 헛도는 것을 의미한다. 바퀴가 헛돌게 되면 타이어가 접지를 잃고 차량은 앞으로 나아가지 못하고, 조향 안정성이 떨어지게 된다. 어떤 인자들이 구성이 되어 TCS가 작동하게 되는 것일까?

ABS에서 본 관계식과 비슷하면서도 다른 것을 알 수 있다. TCS에서도 차속과 휠속은 차량을 제어하는 중요한 파라미터가 된다. (당연한 이야기일테지만 수식을 보면 한 가지 사실을 알 수 있다. 구동 시에는 차속이 휠속을 넘어설 수 없다. 반대로 제동 시에는 휠속이 차속을 넘어설 수 없다.)

제동 시의 슬립률과 마찰력 사이의 관계는 구동 시에도 동일하게 적용된다. 0.2 지점에서 최대 마찰력을 만들어낼 수 있기 때문에 차량이 0.2 근처 영역에서 놀 수 있도록 제어해야 한다. 제동, 구동 두 가지 상황에서의 슬립률과 마찰력의 상관관계를 확인해보면 다음과 같다.

결론적으로 ABS와 TCS 모두 최적의 슬립률을 만들어내서 차량을 제어하는 방법은 동일하다. ABS는 브레이크를 밟는 상황에서 구현되는 기술이기 때문에 브레이크를 통해서만 제어를 한다. 반면에 TCS는 엔진이나 모터의 출력을 이용해서 제어하는 것(ETCS라 하겠다)과 휠의 압력을 통해 제어하는 것(BTCS)가 있다.