15.섀시시스템설계.hwp

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1 차 례 제1장 자동차의 구성 1.1 자동차의 정의 섀시(Chassis)와 보디(Body) 섀시의 구조 2 제2장 동력전달장치 2.1 동력전달방식의 종류 동력전달순서 클러치 수동변속기 추진축, 유니버설 조인트 종감속기어와 차동장치 전( 前 )륜구동차량의 동력전달기구 륜구동(4 Wheel drive, All wheel drive) 70 제3장 차축 및 현가장치 3.1 스프링의 종류 앞 차축 및 앞 현가장치 뒷차축 및 뒤현가 스테빌라이져(Stabilizer) 쇽업쇼버 현가장치의 진동 113 제4장 조향장치 4.1 조향 조작기구 조향 기어기구 조향 링크(Steering linkage)기구 동력 조향장치 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 145

2 2 차 례 제5장 제동장치 5.1 브레이크의 종류 브레이크 이론 197 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 6.1 개요 유체클러치와 토크컨버터 유성기어 세트(Planetary gear set) 작동기구 유압 제어기구 밸브의 기능 변속단별 작동요소 전자제어 시스템 변속선도 오일점검 및 교환 하이백제어(Hyundai intelligent vehicle electronic control) 276 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable Transmission) 7.1 CVT 구성요소 시스템 구성 CVT의 특징 변속방식 차 풀리 차 풀리 CVT용 벨트 구조 변속부 291 제8장 4륜구동장치 8.1 4륜구동장치 구분 전기식트랜스퍼(EST) ITM(Inter Active Torque Management) 313 제9장 전자제어현가장치 9.1 개요 전자제어 현가장치의 구성과 기능 321

3 차 례 능동제어 현가장치 무단감쇄 전자제어현가장치 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 336 제10장 전자제어 조향장치 10.1 SSPS(Speed Sensitive Power Steering) EPS(Electric Power Steering), 368 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 11.1 ABS의 개요 ABS 제어원리 시스템 구성 및 기능 383 제12장 EBD(Electric Brake-Force Distribution) 12.1 EBD의 필요성 EBD 제어의 효과 EBD 제어의 원리 EBD 제어 399 제13장 HBA(Hydraulic Brake Assist System) 13.1 개요 작동 401 제14장 TCS (TRACTION CONTROL SYSTEM) 14.1 TCS 개요 특징 구조 작동원리 TCS 유압제어 TCS 제어방법 411 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 15.1 개요 413

4 4 차 례 15.2 자동차의 진동 제어 시스템 구성 420 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 16.1 타이어의 역할 승용차용 타이어의 구조 타이어 코드의 재료 타이어의 사이즈와 규격 표시 휠(Wheel) 타이어의 종류 레이싱 타이어 휠 및 타이어의 주행 상 문제점과 재난 445

5 제1장 자동차의 구성 1.1 자동차의 정의 자동차란 일반적으로 차량 자체에 장비한 원동기와 동력원을 사용하여 철도차량과 같은 레일을 사용하지 않고 장비된 도로상이나 도로 외의 땅을 자유로이 주행할 수 있는 차량으 로 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계로 정의한다. 따라서 자동차란 두 바퀴, 세 바퀴, 네 바퀴 또는 그 이상을 가진 것이나 가솔린과 디젤기 관 외에 증기기관, 전동기, 가스터빈 등의 원동기를 원동력으로 하는 것 등이 모두 자동차에 포함된다고 할 수 있다. 또한, 도로교통법 및 자동차관리법 등에서는 자동차를 다음과 같이 정의한다. "자동차"라 함은 원동기에 의하여 육상에서 이동할 목적으로 제작한 용구 또는 이에 견인되어 육상을 이동할 목적으로 제작한 용구(이하 "피견인자동차"라 한다)를 말한다. 다 만, 대통령령이 정하는 것을 제외한다. (자동차관리법 제2조 1항) "자동차"라 함은 철길이나 가설된 선에 의하지 아니하고 원동기를 사용하여 운전되는 차(견인되는 자동차도 자동차의 일부로 본다)로서 다음의 각 항목의 차를 말한다. (1) 승용자동차 (2) 승합자동차 (3) 화물자동차 (4) 특수자동차 (5) 이륜자동차 단 원동기장치 자전거를 제외한다(도로교통법 제2조 17항). 앞의 자동차에 대한 정의들은 자동차의 최소한 조건이나, 생활문화 수준이 점점 향상됨에 따라 자동차에 더욱 많은 것을 요구하게 되었으며 단순한 운송수단이었던 종래의 자동차에 서 현재는 쾌적한 승차감, 고도의 기동성, 안정성, 사무 공간 그리고 환경문제 등 여러 가지 조건에 부합되어야 한다. 1.2 섀시(Chassis)와 보디(Body) 자동차는 수많은 부품으로 구성되어 있으나 크게 나누면 보디와 섀시로 구분할 수 있다. 보디는 사람이나 화물을 싣는 부분이며 형태는 승용, 화물, 레져 등 그 용도에 따라 주거공 간과 적재함의 모양이 다르다.

6 2 제1장 자동차의 구성 섀시는 자동차에서 보디 부분을 제외한 것으로 자동차의 골격에 해당하는 프레임에 엔진 과 주행에 필요한 모든 것이 장착되어진다. 최근에는 승용차 등에 프레임을 사용하지 않고 보디에 강도와 강성을 주어 제작하고 보디에 직접 엔진과 주행에 필요한 모든 것을 장착하 는 모노코크 보디(Monocoque body)를 주로 사용하고 있다. 그림 1-1 섀시와 보디 그림 1-2 모노코크 보디와 섀시 1.3 섀시의 구조 일반적으로 동력발생장치, 동력전달장치, 조향장치, 제동장치, 현가장치, 주행장치, 기타장 치로 구성되어있다. 그림 1-3 승용차의 섀시

7 1.3 섀시의 구조 동력발생장치 자동차를 주행시키는데 필요한 동력을 발생하는 장치로 가솔린엔진, 디젤엔진, LPG엔진, 전지에 의해 구동되는 모터 등이 해당된다. 그림 1-4 가솔린, 디젤엔진, 연료전지 차량의 구동 모터 동력전달장치 엔진에서 발생한 동력을 구동바퀴까지 전달하는 장치이다. 주행조건에 맞도록 동력의 연 결과 절단, 구동력 증감을 위한 장치 등이 포함된다. 그림 1-5 프레임에 장착된 동력전달장치

8 4 제1장 자동차의 구성 조향장치 자동차의 진행방향을 바꾸기 위한 장치로 일반적으로 앞바퀴를 조향한다. 그림 1-6 조향장치 제동장치 운행 중의 자동차 속도를 감속 또는 정지시키거나, 정지중인 자동차의 정지 상태를 유지 하기 위한 장치이다. 그림 1-7 제동장치(마스터실린더, 디스크브레이크, 주차브레이크)

9 1.3 섀시의 구조 현가장치 프레임 혹은 보디와 차축을 결합하여 노면으로부터 받는 진동, 충격을 흡수하여 승차감을 좋게 하는 장치이다. 그림 1-8 독립식 현가장치와 일체식 현가장치 주행장치 섀시에서 동력발생, 동력전달, 조향, 제동, 현가장치를 제외한 것을 말하며 프레임, 휠 등 이 포함된다. 그림 1-9 타이어, 휠, 프레임

10 6 제1장 자동차의 구성 기타장치 이상의 장치 이외의 것으로 자동차의 운전을 안전하고 또 용이하게 하기위한 모든 장치를 말한다. 각 계기류, 표시등, 방향지시기, 경음기, 에어백 등이 포함된다. 그림 1-10 계기판, 사이드 에어백

11 제2장 동력전달장치 엔진에서 발생된 동력을 자동차의 주행 상태에 알맞게 변환시켜 구동 바퀴에 전달하는 장 치로서 클러치, 변속기, 드라이브 라인, 종감속기, 차동기, 구동축, 구동바퀴 등으로 구성 되 어있다. 엔진의 동력을 구동바퀴에 전달하는 형식은 엔진의 설치위치, 구동바퀴의 수, 위치 등에 따라 구분할 수 있으며, 여기서는 구동바퀴의 위치에 따라 분류하면 다음과 같다. 2.1 동력전달방식의 종류 앞 엔진, 뒤 구동방식(FR 방식:Front engine, Rear wheel drive) 그림 2-1 FR 방식 가장 일반적인 구동형식으로 앞부분에 엔진, 클러치, 변속기 등을 일체로 하여 장착하고 최종감속기어, 차동기어 등은 뒷부분에 설치하며, 그 사이를 추진축으로 연결하는 방식이다. 이 형식에서는 엔진과 운전석이 가까우므로 엔진, 클러치, 변속기 등의 조작 기구를 간단히 할 수 있고, 각 장치가 따로 구분되어 있으므로 취급이 용이하다. 장점 1 앞차축의 구조가 간단하다. 2 주행할 때 받는 바람으로 인하여 엔진의 냉각이 용이하다. 3 적차 상태에 따른 축 하중의 편차가 적다. 4 온수의 순환경로와 난방용공기의 경로가 짧아 차실 내의 난방이 빠르다. 단점 1 긴 추진축을 사용하므로 차실 내의 공간 이용도가 낮다. 2 공차 상태에서 빙판길이나 등판 주행 시 뒷바퀴가 미끄러지는 경향이 있다.

12 8 제2장 동력전달장치 뒤 엔진, 뒤 구동방식(RR 방식:Rear engine, Rear wheel drive) 그림 2-2 RR 방식 이 구동형식은 엔진, 클러치, 변속기, 차동기어 등을 일체로 하여 자동차의 뒷부분에 장치 하는 형식으로써 일반적으로 추진축은 필요로 하지 않으나, 운전석과 엔진 등의 각 장치가 떨어져 있기 때문에 조작 기구는 모두 로드나 와이어 등에 의해 원격조작(Remote control) 할 필요가 있으며, 기구가 복잡해지기 쉽다. 또 각 장치가 일체로 되어 있으므로 취급이 불 편하며, 특히 뒷바퀴에 자재이음(Universal joint)을 사용하여 동력을 전달해야 한다. 이 형 식의 특징은 차체 바닥면적을 크게, 또 낮게 할 수 있으므로 소형 승용차, 버스 등에 사용되 고 있다. 장점 1 앞차축의 구조가 간단하며, 동력전달 경로가 짧다. 2 언덕길 및 미끄러운 노면에서의 출발이 용이하다. 단점 1 변속제어기구의 길이가 길어진다. 2 엔진냉각이 불리하다. 3 고속선회 시 오버 스티어링(Over steering)이 발생된다. 4 미끄러운 노면에서 가이드 포스(Guide force)가 약하다 엔진, 앞 구동방식(FF 방식:Front engine, Front wheel drive) 그림 2-3 FF 방식

13 2.1 동력전달방식의 종류 9 이 구동형식은 자동차의 앞부분에 엔진 및 동력전달장치를 일체로 장착하는 형식이다. 이 형식에서는 앞바퀴가 엔진의 동력으로 구동되면서 조향작용을 하여야 하므로 기구적으로 복 잡해지며 취급이 곤란하게 된다. 그러나 자동차의 주행성능이 좋아 최근 승용차는 대부분 이 형식을 도입하고 있다. 장점 1 동력전달 거리가 단축된다. 2 적차 시 앞ᆞ뒷차축의 하중분포가 비교적 균일하다. 3 선회 및 미끄러운 노면에서 주행 안정성이 크다. 4 뒷차축이 간단하며, 차실 내의 공간을 넓게 할 수 있다. 단점 1 앞차축의 구조가 복잡하다. 2 기계식 조향일 경우 스티어링 휠 조작에 큰 힘이 필요하다. 3 앞 타이어의 마모가 비교적 크다. 4 고속선회에서 언더 스티어링(Under steering) 현상이 발생된다 전차륜 구동방식(AWD, 4WD:All wheel drive, 4 wheel drive) 그림 2-4 All wheel drive 이 구동형식은 동력을 모든 바퀴에 분배하여 구동하는 형식으로 동력분배장치(Transfer case)를 두고 있다. 구조는 복잡하지만 등판, 비포장 도로주행 등에 적합하므로 특수차량에 많이 사용되고 있다. 또 구동하는 휠의 수에 따라 4륜 구동차, 6륜 구동차 등으로 불린다. 2.2 동력전달순서 (1) FR 방식 구동차량 엔진 클러치 트랜스미션(변속기) 추진축(프로펠러 샤프트) 차동장치(종감속기 어, 디프렌셜기어) 뒤 차축 뒷바퀴

14 10 제2장 동력전달장치 그림 2-5 FR 방식 동력전달 (2) FF 방식 구동차량 엔진 클러치 트랜스액슬(변속기, 차동장치) 등속 축 앞바퀴 그림 2-6 FF 방식 구동차량 동력전달 2.3 클러치 클러치는 엔진과 변속기 사이(엔진 플라이휠 뒷면에 부착)에 설치되어 있으며, 변속기에 전달되는 회전력을 단속하는 장치이다. 클러치는 그림 2-7과 같이 동력의 단속 작용을 하 는 클러치 본체와 운전석에서 클러치를 조작하기 위한 조작기구로 이루어져 있다. 클러치를 플라이휠에 압착시키는 스프링은 코일스프링, 다이어프램 스프링 등이 있다.

15 2.3 클러치 11 클러치 본체는 그림 2-7에 나타낸 것과 같이 엔진의 크랭크축과 일체가 되어 회전하는 플라이휠의 뒷면에 클러치 커버가 장치되고 그 내측에는 압력판, 클러치 스프링, 릴리스 레 버 등이 조립되어 있다. 클러치 축은 크랭크축의 중심에 설치된 파일럿 베어링과 변속기의 베어링에 의해 지지되어 있으며, 변속기의 구동기어와 일체로 회전한다. 클러치 디스크(클러 치 플레이트)는 클러치 축에 스플라인으로 결합되어 있으며, 플라이휠의 회전을 클러치 축 을 통해서 변속기로 전달하는 작용을 한다. 압력판은 클러치 스프링에 의해 클러치 디스크 를 플라이휠에 밀어 붙이고 있으나 클러치 페달을 밟으면 릴리스 베어링이 릴리스 레버의 선단을 누르므로 레버의 지렛대 작용에 의해 압력판이 클러치 디스크로부터 뒤로 물러나 플 라이휠, 클러치 디스크 및 압력판의 각 마찰면에 틈새가 생기게 되므로 동력이 클러치 축에 전달되지 않게 된다. 링기어 플라이휠 클러치디스크 댐퍼스프링 압력판 클러치커버 릴리스베어링 릴리스포크 크랭크축 파일럿베어링 스트랩 다이어프램스프링 릴리스실린더 메인샤프트 (변속기 입력축) 그림 2-7 클러치 본체

16 12 제2장 동력전달장치 마스터 실린더 릴리스 실린더 클러치 페달 클러치 포크 클러치 본체 플라이휠 크랭크축 클러치판 압력판 릴리스 레버 릴리스 포크 릴리스 베어링 클러치축 릴리스 실린더 클러치 스프링 마스터 실린더 클러치 페달 그림 2-8 클러치 조작기구 클러치의 역할 일반적으로 자동차의 원동기로 사용되고 있는 내연기관은 부하상태에서는 시동할 수가 없 다. 또, 변속기의 기어변환도 무부하 상태이어야 하며, 발진시에는 엔진의 동력을 서서히 구 동바퀴에 전달하여야 하므로 엔진의 동력을 구동바퀴에 대하여 임의로 단속할 수 있는 클러 치가 필요하다. 이와 같은 역할을 만족시키기 위해서는 다음과 같은 조건이 필요하다. 1 동력을 차단할 때는 차단이 신속하고 확실할 것 2 동력전달이 시작되는 경우에는 미끄러지면서 서서히 동력을 전달하기 시작하여 일단 접속된 후에는 미끄러지지 않게 동력을 확실히 전달할 것 3 회전부분의 밸런스(Balance)가 좋고 회전관성이 작을 것 4 방열이 잘 되고 과열하지 않을 것 5 구조가 간단하고 취급이 용이하며, 고장이 적을 것

17 2.3 클러치 클러치의 종류 클러치의 종류에는 마찰클러치, 유체클러치, 전기클러치 등이 있으며, 특히 자동차에는 마 찰클러치를 많이 사용하며 구조와 조작방법 등에 따라 다음과 같이 분류된다. 오일 전자기 압력판 플라이휠 클러치 디스크 유체식 전자식 마찰식 그림 2-9 클러치 종류 (1) 구조에 따른 분류 1 마찰클러치 a 단판클러치 ᄀ 코일 스프링식 - 기계식, 유압식 ᄂ 다이어프램 스프링식 - 기계식, 유압식 b 다판클러치 ᄀ 코일 스프링식 건식 - 기계식, 유압식 습식 - 기계식, 유압식 2 유체클러치 a 유체 커플링 b 토크 컨버터 3 전기클러치 a 자성 분체식(분체식) b 전자 디스크(전자식) (2) 조작방식에 의한 분류 1 페달(Pedal)식 클러치 a 기계식 ᄀ 링크(Link)식 ᄂ 와이어(Wire)식 b 유압식

18 14 제2장 동력전달장치 2 자동클러치 a 기계식 b 유체식 c 전기식 단판식 건식 코일스프링식 기계식 마찰클러치 다이어프램식 유압식 건식 기계식 다판식 코일스프링식 습식 유압식 마찰클러치 분류 클러치 본체의 구조와 작용 (1) 단판 코일 스프링식 클러치 코일 스프링식 클러치의 본체는 그림 2-10에 나타낸 바와 같이 클러치 디스크, 압력판, 클러치 스프링(코일 스프링), 릴리스 레버 그리고 클러치 커버 등으로 구성되어 있다. 코일 스프링 타입은 고속회전 시 원심력에 의해서 스프링 장력의 변화가 발생하므로 현재는 대부 분 다이어프램 스프링을 주로 사용한다. 클러치 하우징 클러치 커버 클러치 디스크 플라이 휠 클러치 릴리스 레버 클러치 릴리스 베어링 클러치 릴리스 레버 디스크 압력판 클러치 하우징 릴리스 베어링 클러치 스프링 클러치 릴리스 포크 클러치 스프링 조작력 클러치 릴리스 피스톤 로드 그림 2-10 건식단판 코일 스프링식 클러치 구조

19 2.3 클러치 15 (2) 단판 다이어프램 스프링식 클러치 다이어프램 스프링형 클러치는 릴리스 레버와 클러치 스프링의 역할을 하는 다이어프램 스프링을 사용하는 것으로 그림 2-11과 같은 구성부품으로 되어 있다. 클러치 디스크 압력판 클러치 커버 다이어프램 스프링 허브 베어링 릴리스포크 릴리스 베어링 그림 2-11 건식단판 다이어프램식 클러치 구조 (3) 클러치 구조 1 클러치 디스크(Clutch disc) 클러치 디스크는 클러치의 가장 중요한 요소의 하나로 접속 시에는 서서히 그리고 원활하 게 동력을 전달하는 역할을 한다. 그림 2-12와 같이 외주 양면에 마찰재인 페이싱 (Facing)이 리벳(Rivet)에 의해 조립되어 있으며, 클러치 플레이트 중심에는 클러치 샤프트 가 들어가는 허브(Hub)가 있다. 클러치 페이싱은 적절한 마찰계수를 가진 내마모성, 내열성 이 있어야 하며, 온도변화에 의한 마찰계수의 변화가 적을 것 등이 요구된다. 따라서 석면 (Asbest)을 주재료로 하여 수지가공을 한 레진몰드(Resin mold)제 또는 직물몰드(Woven mold)제이며, 대형 자동차용은 강도를 높이고 열전도를 좋게 할 목적으로 구리 또는 금속편 을 혼입한 것도 있다. 7 프릭션 페이싱 프릭션 리벳 3 리테이닝 플레이트 2 토션 스프링 프릭션 스프링 프릭션 플레이트 1 스플라인 허브 프릭션 와셔 프릭션 와셔 5 스톱퍼 핀 4 클러치 플레이트 6 쿠션 플레이트 페이싱 리벳 그림 2-12 클러치 디스크

20 16 제2장 동력전달장치 프릭션 스프링 프릭션 플레이트 프릭션 와셔 프릭션 페이싱 스톱퍼 핀 리딩 플레이트 스플라인 허브 토션 스프링 쿠션 플레이트 클러치 플레이트 그림 2-13 클러치 디스크 분해도 클러치 허브는 클러치 샤프트가 연결되도록 내부에 스플라인(Spline)으로 되어 있다. 토 션 스프링 또는 토션 러버(Torsion rubber)는 플레이트에 대해 어느 정도 원주방향으로 움 직일 수 있도록 취부되어 있어 동력을 접속할 때 회전충격을 완화시킨다. 또 클러치 페이싱 사이에 쿠션 플레이트를 끼워 넣어 리벳으로 체결하여 놓았으며, 클러치를 급격하게 접속하 였을 경우 클러치 플레이트의 변형에 의해 부드럽게 동력이 전달되도록 하였다. 클러치 디스크의 조립 방향은 그림 2-14와 같이 일반적으로 낮은 부분이 플라이휠 쪽이 며 별도 표시가 있으면 표시 된 부분이 변속기 쪽이다. 조립방향을 표시하지 않을 경우(일반 차종) 높은 부분이 클러치 커버 측 낮은 부분이 플라이휠 측 그림 2-14 클러치 디스크 조립방향 그림 2 클러치 축(Clutch shaft or main drive shaft) 클러치 축은 클러치 디스크가 받은 동력을 변속기에 전달하는 축이며, 그림 2-15와 같이 선단 지지부, 스플라인부, 후부축부, 기어 등이 일체로 되어 있으며, 크롬강, 니켈크롬강 등 의 특수강을 사용하며, 기계 가공한 후에 열처리한다. 축의 스플라인부는 동력전달 중에 큰

21 2.3 클러치 17 힘이 작용하며, 클러치 단속 시에는 클러치 디스크가 축 방향으로 섭동하므로 회전방향에 마모를 일으키기 쉽다. 선단은 클러치 축 후단 중심부에 설치된 파일럿 베어링에 지지되며, 후단은 변속기의 베어링에 의해 지지되어 있으나, 그림 2-15와 같이 변속기 내의 오일이 클러치 하우징 안으로 누출하는 것을 방지하기 위해서 변속기의 프런트 커버와 축과의 사이 에 오일 시일을 장치한 것이다. 플라이 휠 장착 플랜지 래비린스 오일 시일 선단부 스플라인부 베어링부 베어링 파일럿 베어링 기어 클러치 축 앞 커버 오일 시일 그림 2-15 클러치 축 조립부 3 압력판(Pressure plate) 압력판은 그림 2-16과 같은 형상이며 클러치 스프링의 장력으로 클러치 디스크를 플라 이휠에 압착하여 그 마찰력에 의해 동력을 전달한다. 클러치 접속 시에는 클러치 디스크와 의 사이에 미끄럼이 일어나므로 내열성, 내마모성이 양호하고 열전도성이 우수한 특수 주철 로 되어 있으며, 플라이휠과 함께 항상 회전하므로 동적 밸런스를 갖도록 한다. 다이어프램 스프링식의 압력판(Pressure plate)은 그림 2-17에 나타낸 것과 같은 형상 으로 뒷면에 다이어프램 스프링의 주변부가 닿게 되어 있는 시트부가 설치되어 있는 간단한 구조로 되어 있지만, 뒤에서 설명하는 토크 전달방식에 따라 약간 형상이 다르다. 또 다이어 프램 스프링의 주변부의 작동을 압력판에 전달하기 위한 리트랙팅 스프링이 장치되어 있다.

22 18 제2장 동력전달장치 스프링 시트 클러치 스프링 압력판 클러치 커버 그림 2-16 압력판 (다이어프램 스프링식, 코일 스프링식) 클러치 커버 와이어 링 다이어프램 스프링 클러치 디스크 리트렉팅 스프링 압력판 플라이 휠 클러치 디스크 압력판 다이어프램 스프링 클러치 하우징 그림 2-17 다이어프램 스프링타입의 장착상태 4 릴리스 레버(Release lever or pressure lever) 릴리스 레버는 코일 스프링 타입에만 사용되며 그림 2-18(a), (b)와 같이 동판을 프레스 가공하여 제작한 것과 특수 주철제의 것이 있으며, 릴리스 베어링에 의해 클러치 스프링의 힘에 저항하여 압력판을 움직이는 작용을 한다. 이 때문에 레버에는 굽힘력이 반복해서 작 용하므로 충분한 강도, 강성을 주도록 제작되어 있다. 레버의 높이가 다르면 클러치판의 압 착력이 달라지므로 높이를 조정하는 볼트와 고정 너트가 있다.

23 2.3 클러치 19 요크 원심추 릴리스 레버 니들 롤러 조정나사 리턴스프링 링크판 서포트 니들 롤러 릴리스 레버 니들 롤러 레버 핀 레버 핀 요크 핀 압력판 서포트 핀 (a) 대형차용 릴리스 레버 (b) 대형차용 릴리스 레버 그림 2-18 릴리스 레버 조정 너트 릴리스 레버 클러치 스프링 플라이 휠 클러치 디스크 압력판 그림 2-19 릴리스 레버의 높이 조정부 5 클러치 커버(Clutch cover) 클러치 커버는 강판을 프레스 가공하여 성형한 것으로 플라이휠에 조립하기 위한 플렌지 부, 릴리스 레버 지지부 등으로 되어 있다. 클러치 커버와 압력판과의 결합법에는 얇은 강대 (스트랩 플레이트(Strap plate))를 사용하여 간접적으로 결합하여 습동 마찰을 없앤 스트랩 구동방식과 압력판을 직접 클러치 커버에 구동하는 래그(Lag) 구동방식이 있다. 클러치 커버는 그림 2-22와 같이 두 개의 와이어 링을 통하여 다이어프램 스프링이 장 착되어 있으며 압력판으로 부터 클러치 토크 전달방식에 따라 형상과 장착 방법이 다르다. 클러치 페달을 밟으면 릴리스 베어링이 그림 2-22와 같이 다이어프램 스프링의 핑거부 분을 누르게 되므로 스프링은 변형되고 둘레부분이 리트랙팅 스프링을 통하여 압력판을 끌 어당기므로 클러치가 끊어지게 된다. 다이어프램 스프링식 클러치에서는 클러치 커버로부터 압력판으로 토크를 전달하는 방법에 의해 다음의 세 종류가 있다. a 보스 구동식 그림 2-23과 같이 클러치 커버에 설치된 창에 압력판의 돌기부(보스부)가 결합되어 그 결합부에서 클러치 커버의 토크를 압력판에 전달하는 방식으로 구조가 간단하므로 많이 사 용되고 있으나, 압력판의 보스부는 스러스트를 받으면서 접동하므로 이 부분이 마모되기 쉽 고, 이 부분의 턱 마모에 의해 조작이 원활하지 않고, 클러치의 차단불량, 이상음 등이 발생 하기 쉬운 결점이 있다.

24 20 제2장 동력전달장치 b 레이디얼 스트랩식 그림 2-24에 나타낸 바와 같이 스프링강으로 만든 스트랩(띠)을 사용하여 클러치 커버 와 압력판을 연결한 형식으로 스트랩이 원주방향으로 장치되어 있으므로 레이디얼 스트랩식 이라고 불리고 있다. 이 형식은 구조가 약간 복잡하게 되지만, 보스 구동식과 같이 접동부분 이 없으므로 마모에 의한 고장이 적으며, 클러치 페달의 답력도 가볍게 할 수 있는 이점이 있다. 또 스트랩을 사용하고 있기 때문에 클러치 커버와 압력판의 관계위치가 변화하지 않 으므로 클러치 커버 어셈블리의 회전 밸런스를 유지하기 좋으며 진동, 이상음 등이 적은 특 징도 가지고 있다. 압력판 클러치 커버 그림 2-20 클러치 커버와 압력판(코일 스프링 타입) 클러치판 압력판 스트랩 리벳(커버측) 스트랩 플레이트 리테이너 플레이트 클러치 커버 스러스트 리벳 스러스트 링 다이어프램 스프링 스러스트 링 그림 2-21 클러치 커버와 압력판(다이어프램 타입)

25 2.3 클러치 21 릴리스 베어링 다이어프램 스프링 릴리스 레버 와이어 링 압력판 플라이 휠 그림 2-22 다이어프램 스프링의 장착상태 클러치 커버 창 다이어프램 스프링 보스부 리트랙팅 스프링 압력판 스트랩 그림 2-23 보스 구동식 그림 2-24 레이디얼 스트랩식 c 코발 스트랩식 그림 2-25와 같이 스프링강제의 스트랩으로 압력판과 클러치 커버를 연결한 형식으로 스트랩이 현방향으로 장치되어 있는 외에 특징으로는 레이디얼 스트랩식과 마찬가지이다. 클러치 커버 리트렉팅 스프링 압력판 다이어프램 스프링 스트랩 그림 2-25 코발 스트랩식 6 릴리스 베어링 및 포크(Release bearing & Fork) 릴리스 베어링은 릴리스 포크에 의해 릴리스 레버 또는 다이어프램 스프링을 눌러 클러치 를 끊는 작용을 한다.

26 22 제2장 동력전달장치 그림 2-26과 같이 주로 양질의 내열성 그리스를 밀봉한 무급유식 앵귤러 접촉형 (Angular contact type) 또는 스러스트 베어링형(Thrust bearing type)을 많이 사용하며 베어링 컬러로 압입되어 있다. 클러치 페달을 밟지 않을 때는 일반적으로 2 5mm 정도의 간극이 발생하여 불필요한 회전을 하지 않도록 한다. 또 엔진과 변속기 중심의 벗어남을 흡 수하는 자동 중심조정 베어링을 사용하기도 한다. 릴리스포크는 클러치페달의 답력이 지렛대 비에 의해 증가되어 릴리스베어링을 거쳐 릴리 스레버 혹은 다이어프램 스프링을 미는 작용을 한다. 그림 2-26 릴리스 베어링 베어링 컬러 릴리스 베어링 앵귤러 접촉형 스러스트볼 베어링형 카본형 자동조심 베어링 그림 2-27 릴리스 베어링의 종류

27 2.3 클러치 23 그림 2-28 릴리스 포크(코일 스프링 타입, 다이어프램 타입) 7 클러치 스프링(Clutch spring) 클러치 스프링은 클러치 커버와 압력판과의 사이에 조립되어 클러치 디스크에 평균압력을 가하며, 그 스프링력은 클러치의 동력전달 성능에 큰 영향을 준다. a 코일 스프링 양질의 스프링강으로 성형한 다음에 열처리를 하여 제작되어 있다. 또 각 스프링의 자유 길이, 장착시의 길이 및 스프링력은 같은 것이 요구된다. 그림 2-29는 클러치 스프링의 변 형과 스프링력의 관계를 나타낸 것이다. 5 변형 (mm) 스프링(kg f) 그림 2-29 스프링 변형과 장력관계 b 다이어프램 스프링 릴리스 레버와 클러치 스프링의 역할을 하는 다이어프램 스프링을 사용하는 것으로 그림 2-30과 같은 구성부품으로 되어있다.

28 24 제2장 동력전달장치 플라이 휠 클러치 디스크 압력판 다이어프램 스프링 클러치 커버 릴리스 베어링 베어링 허브 릴리스 포크 리트렉팅 스프링 피봇 링 그림 2-30 다이어프램 스프링타입 클러치 구성부품 다이어프램 스프링은 스프링강을 위의 그림과 같은 형상으로 프레스 가공한 후 열처리하 여 적절한 탄성을 주고 있다. 그림 2-31은 다이어프램 스프링의 스프링력 특성을 코일 스 프링과 비교한 것으로 압력판의 작용(스프링의 변형량)과 압력판의 압력관계를 나타내고 있 다. 코일 스프링의 경우에는 그림 2-31에서의 점선과 같이 직선이 되지만, 다이어프램 스 프링의 경우에는 실선으로 되어 있다. 다이어프램 스프링식 클러치의 특징은 다음과 같다. a 압력판에 작용하는 압력분포가 균일해진다. b 구조와 취급이 용이하다. c 부품이 원판형으로 되어 있으므로 균형이 잡혀 있다. d 클러치 페달의 답력을 작게 할 수 있다. e 클러치 디스크의 페이싱이 어느 정도 마모하여도 압력판에 가해지는 압력의 변화가 적다. f 코일 스프링은 고속회전 시에 원심력을 받아 변형하여, 스프링장력이 감소하는 경향 이 있으나 다이어프램 스프링에서는 이와 같은 현상이 없다. 압 력 판 의 압 력 프 램 다 이 어 스 프 링 마 모 시 장 착 위 치 정 규 장 착 위 치 최 대 스 트 로 크 위 치 P 1 P 0 P 2 P 2 코일스프링 P 1 0 스프링의 변형 그림 2-31 다이어프램 스프링의 특성

29 2.3 클러치 25 (4) 클러치 조작기구 클러치 조작 기구는 클러치 페달의 조작력을 클러치 본체에 전달하는 것으로 릴리스 베어 링, 릴리스 포크 그리고 클러치 페달의 조작력을 릴리스 포크에 전달하는 기구 등으로 구성 되어 있다. 릴리스 포크를 작동시키는 조작 기구는 케이블이나 링크 또는 레버 등을 사용하 여 포크를 움직이는 기계식과 유압을 이용한 유압식 그리고 에어서보 유압식이 있다. 클러치 페달의 답력은 일반적으로 승용차에서 8 15kg f 이며 페달에는 클러치 페이싱의 마모 등을 고려해 20 30mm의 유격을 두고 있다. 1 기계식 그림 2-32와 같이 기계식은 링크기구나 케이블을 이용하여 페달의 조작력을 릴리스 포 크에 전달하며, 이 방식은 엔진의 진동과 링크기구와의 간섭 그리고 케이블에 의한 운전석 으로의 진동, 소음전달 등이 다소 문제로 대두된다. 리저버 탱크 플렉시블 와이어 클러치 마스터 실린더 플렉시블 호스 클러치 커버 릴리스 베어링 클러치 커버 릴리스 베어링 허브 릴리스 베어링 클러치 페달 릴리스 베어링 허브 클러치 페달 릴리스 포크 리턴 스프링 릴리스 실린더 릴리스 포크 릴리스 어저스터 리턴 스프링 그림 2-32 기계식 및 유압식 조작기구 2 유압식 그림 2-32에 나타낸 유압식은 제동장치와 같이 마스터 실린더와 릴리스 실린더를 포함 한 유압장치를 이용하여 페달의 조작력을 릴리스 포크에 전달하며, 작동오일은 브레이크 오 일을 사용한다. 유압식은 기계식에 비해 다음과 같은 특징을 지니고 있다. a 각부의 마찰이 적기 때문에 마모가 적으며, 페달의 조작력도 작게할 수 있다. b 엔진과 클러치 페달의 취부위치를 자유로이 선택할 수 있다. c 엔진이 요동하고 클러치기구와 페달의 상호관계 위치가 변하여도 클러치 조작에 나 쁜 영향을 주지 않는다. d 구조가 복잡하고 유압계통에 공기가 혼입하거나 오일이 누출되면 조작이 불가능하다 는 단점도 있다.

30 26 제2장 동력전달장치 ᄀ 엔진의 동력을 전달할 때 엔진의 동력을 변속기에 전달 할 때 클러치 페달을 놓으면 클러치 스프링의 장력에 의하 여 클러치판이 엔진플라이휠과 압력판 사이에서 압착되어 플라이휠과 함께 회전한다. ᄂ 엔진동력을 차단할 때 클러치 페달을 밟으면 릴리스 베어링이 릴리스 레버를 밀게 되므로 압력판이 뒤쪽으로 이 동함. 따라서 압착되어 있는 클러치판이 플라이휠과 압력판에서 분리되어 엔진 회전력이 변 속기에 전달되지 않는다. 3 에어 부스터(Air booster) 유압식 유압식 조작 기구에다 압축공기에 의해 작동하는 클러치 부스터를 이용하여 클러치 조작 을 보다 쉽게 하는 방식이다. 따라서 클러치 페달의 조작력을 크게 필요로 하는 대형자동차 에 주로 사용되고 있으며, 그림 2-33에 그 예를 나타내었다 그림 2-33 에어 부스터 유압식 조작기구 4 클러치 마스터 실린더(Clutch master cylinder) 그림 2-34는 마스터 실린더의 구조를 나타낸다. 실린더는 주철제이며, 내면은 원통형으 로 가공되어 있다. 상부에는 오일을 보급하기 위한 리저버 탱크(저장용기)를 설치하고 있으 며, 실린더 내부에는 피스톤, 피스톤 컵, 리턴 스프링 등이 조립되어 있다. 피스톤 컵, 피스 톤 패킹은 내유성의 고무로 만든 것으로 실린더 내면에 밀착하여 오일 누출을 일으키지 않 도록 만들어져 있다.

31 2.3 클러치 27 마스터 실린더 리저버 뜨개 피스톤 로드 리저버 레인지 캡 부시 피스톤 패킹 피스톤 컵 마스터 실린더 캡 마스터 실린더 스냅링 피스톤 리턴 스프링 스페이서 그림 2-34 클러치 마스터 실린더 5 릴리스 실린더(Release cylinder) 릴리스 실린더는 그림 2-35와 같은 구조로 실린더는 일반적으로 주철제이며, 마스터 실 린더와 거의 같은 구조로 되어 있으며, 마스터 실린더에서 압송되는 오일에 의해 피스톤은 푸시로드를 거쳐서 릴리스 포크를 미는 작용을 한다. 릴리스 실린더에는 오일 중에 혼입한 공기를 빼기 위한 블리더 플러그나 릴리스 포크와 푸시로드를 항상 접촉시켜 놓기 위한 리 턴 스프링 등이 설치되어 있다. 부츠 푸시로드 실린더 보디 캡 블리더 플러그 스틸 볼 로크너트 어저스터 스크류 피스톤 그림 2-35 릴리스실린더 구조 6 무조정식 릴리스 실린더 클러치 디스크의 페이싱은 사용하는 동안에 마모가 된다. 이 결과로 압력판이 플라이휠 쪽으로 가까워지므로 릴리스레버 또는 다이어프램 스프링의 선단과 릴리스 베어링과의 사이 에 여유가 점차 없어져서 클러치 페달의 유격은 감소하게 된다. 이 때문에 적절한 시기에 그림 2-36에 나타낸 것과 같이 릴리스 실린더의 푸시로드의 길이를 짧게 조정해야 하지만 무조정식 릴리스 실린더에서는 릴리스 실린더 내부에 이 조정기구를 두어 무정비화를 도모 한 것이다.

32 28 제2장 동력전달장치 릴리스 포크 푸시로드 릴리스 실린더 그림 2-36 무조정식 릴리스 실린더 7 Concentric Slave Cylinder(CSC) 수동 차량의 클러치 작동 제어부인 릴리스 실린더와 릴리스베어링을 단일 모듈화한 일체 형으로 중량과 작동효율을 향상시키고 부품수를 줄인 장치이다. 그림 2-37 Concentric Slave Cylinder와 기존 부품 8 SAC(Self Adjusting Clutch) 무조정식 릴리스 실린더와 동일한 효과를 발휘하는 기능으로 클러치 디스크가 마모 되어 도 압력판이 디스크의 마모량만큼 회전 이동하여 보상을 하게 되어 클러치 페달의 답력과 유격을 항상 일정하게 유지시키는 장치를 가지고 있다. 보상 스프링 피벗 링 조정 링 덮개 센서 스프링 커버 스탑 일반적인 클러치 SAC 그림 2-38 일반 클러치와 SAC

33 2.3 클러치 29 SAC SAC 클러치 작용 클러치 작용 1 2 SAC SAC 3 클러치 작용 4 클러치 작용 SAC SAC 클러치 작용 클러치 작용 5 6 그림 2-39 SAC 클러치 마모 보상 개념도 마모가 없는 디스크 마모된 디스크 그림 2-40 디스크 마모 후 보정 된 SAC

34 30 제2장 동력전달장치 9 DMF(Dual Mass Fly wheel) 동력성능 향상에 의한 엔진의 발생하는 토크 변동량을 감소시키는 장치로 두 장의 플라이 휠을 사용하는 DMF(Dual Mass Flywheel)시스템을 최근 적용하게 되었다. 그림 2-41 DMF 표 2-1 SMF와 DMF 비교 SMF(싱글매스 플라이휠) 기존에 적용되던 플라이휠 엔진의 불규칙한 폭발에 의한 회전 진동을 플라 이휠의 질량관성으로 안정화 크랭크축과 T/M의 공진 영역을 통과하므로 기어 래틀, 차체 부밍 등 여러 진동 발생 단순 주물 및 가공으로 제작 가능 DMF(듀얼매스 플라이휠) SMF를 두개의 질량으로 분할 한 후 사이에 스프링을 장착 기존 플라이휠 역할 수행 댐핑 작용을 통해 엔진 측에서 발생하는 진 동수를 낮은 rpm 영역으로 옮겨 변속기에서 발생하는 진동수와의 공진을 근본적으로 차 단함 특히, 변속기에서 발생하는 각종 진동의 저감 에 큰 역할을 함(승차감 향상) 클러치의 성능 (1) 클러치 용량 클러치가 전달할 수 있는 토크를 클러치 용량이라 한다. 클러치 용량은 사용되는 엔진의 최고 토크의 배로 되어 있다. 클러치 용량은 승용차보다 트럭이나 버스, 가솔린엔 진보다 디젤엔진의 용량을 크게 한다. 클러치 용량이 너무 크면 클러치 조작이 어렵고, 접속 시 쇼크가 일어나며 접속이 급히 이루어져 엔진 스톨(Engine stall : 운전자의 의도에 관계 없이 엔진이 정지하는 현상)이 일어나기 쉽다. 반대로 클러치 용량이 너무 작으면 클러치가 미끄러지기 때문에 발열량이 크게 되어 동력을 충분히 전달할 수 없으며 페이싱(Facing)이 잘 마모된다. 클러치가 전달할 수 있는 회전력은 다음 식으로 나타낸다.

35 2.3 클러치 31 여기서 T : 전달 회전력(m-kg f ) P : 전압력(클러치 스프링의 총장력)(kg f ) : 마찰계수(페이싱과 압력판, 압력판과 플라이 휠 사이의 마찰계수) r : 평균 유효반경(페이싱의 크기, 형상에 따라 결정)(m) 슬립타임 회전수 (rpm) 엔진 슬립타임 최종 rpm 회전수 (rpm) 엔진 바퀴 바퀴 시간 시간 Tc가 너무 클 때 ᆞ클러치 접촉시 충격 ᆞ엔진 정지우려 ᆞ조작이 불편 Tc가 너무 작을 때 ᆞ클러치 마모가 심함 그림 2-42 클러치 용량의 효과 1 전달효율 자동차는 주행 중 노면상태나 그 외 주행조건에 따라 주행저항이 변한다. 클러치가 접속 할 때에는 미끄러지지 않아야 하며, 엔진의 발생토크나 주행저항이 너무 커서 미끄러지면 동력손실이 일어나 여러 가지 지장이 생긴다. 전달효율을 식으로 나타내면, 클러치에서 나오는 동력 전달효율 클러치로 들어가는 동력 또, 회전마력은 토크와 회전수의 곱에 비례하므로 위의 식은 다음과 같이 된다. 여기서 : 엔진 발생 토크(m-kg f ) : 클러치 출력 토크(m-kg f ) : 엔진 회전수(rpm) : 클러치 출력 회전수(rpm)

36 32 제2장 동력전달장치 2 페달의 답력 클러치 페달의 답력은 일반적으로 승용차에서 8 15kg f 이며, 트럭에서는 15 20kg f 이다. 또 페달에는 클러치 페이싱의 마모 등을 고려하여 일반적으로 20 30mm의 유격을 두고 있다. 또한, 페달행정은 보통 mm 정도로 하고 있다., 압력 여기서 : 막 스프링 혹은 릴리스 레버에 작용력 : 클러치 페달 압력 [예제 1] =100mm, =180mm, 압력판의 압력이 2.2kg f /cm 2 일 때 클러치의 토크는 얼마인가? 단, 마찰계수는 0.3이다. kgf m 여기서 : 클러치 디스크의 단면적 작용력(단위 면적당 압력) : 클러치 디스크 면적 : 클러치 디스크의 유효반경 : 클러치 디스크 내경 : 클러치 디스크의 외경 : 마찰계수 [예제 2] 기관의 최고출력 75ps/3000rpm을 안전계수가 50%인 클러치를 통하여 전달하 고자 한다. 클러치의 최대 허용토크는 얼마인가? 여기서 : 안전계수, : ps, =rpm kgf m [예제 3] 가 12 20, 인 클러치를 통하여 기관 최대출력 80ps/2500rpm 을 전달하고자 한다., 압력판의 추력은 얼마인가?

37 2.4 수동변속기 33, kg f [예제 4] 65ps/2500rpm, 클러치의 출력축이 2350rpm으로 회전, D1=10cm, D2= 22cm, 추력 600kg f, =0.35, 클러치의 전달효율은 얼마인가? kgf cm kgf cm 2.4 수동변속기 자동차용으로 사용되고 있는 엔진의 발생 토크는 그림 2-43과 같이 회전속도의 변화에 관계없이 거의 일정하며, 출력은 회전속도에 따라 크게 변화하는 특성을 지니고 있다. 그러 나 자동차가 주행하는 경우에 필요로 하는 구동력은 화물을 실은 경우 도로상황 및 주행속 도 등에 의해 크게 변화하므로 그것에 대응하기 위해 엔진과 구동바퀴 사이에서 토크를 변 화시키는 장치가 필요하게 된다. 이 장치를 변속기라 하며, 그림 2-44에 변속기의 내부구 조를 보이고 있다. 이는 주행상태에 따라 적절히 변화시킬 수 있도록 되어 있다. 또 엔진은 역회전할 수 없으므로 자동차를 후진시키기 위해서는 기어장치에 의해야 하므로 이에 따른 장치도 동시에 갖추어야 한다 변속기의 필요성 1 엔진과 구동축 사이에서의 회전력 증대

38 34 제2장 동력전달장치 2 엔진 기동 시 무부하 상태 유지(변속레버 중립위치) 3 후진을 시키기 위해 변속기의 구비조건 1 소형, 경량이고, 고장이 없으며 다루기 쉬울 것 2 조작이 용이하고 신속, 확실, 정숙하게 이루어질 것 3 단계가 없이 연속적으로 변속될 것 4 전달효율이 클 것 축토크 축출력 (PS) 축츨력 축토크 kg fᆞm 연비율 회전수(rpm 10 3 ) 연비율 g/psᆞh 그림 2-43 엔진성능 곡선 5/R단 시프트 포크 1/2단 시프트 포크 3/4단 시프트 포크 출력 샤프트 입력 샤프트 카운터 샤프트 그림 2-44 변속기 내부구조

39 2.4 수동변속기 변속기의 종류 자동차용 수동변속기는 기어식(Gear type)으로 4 5단 변속기가 사용되며, 구조 및 조작 기구 등에 의해 종류를 분류하면 다음과 같다. ᆞ점진기어식(Progressive gear type) ᆞ선택기어식(Selective gear type) - 섭동물림식(Sliding gear type) - 상시물림식(Constant mesh type) - 동기물림식(Synchro mesh type) : 일정부하형(Constant load type) : 동기가 되지 않아도 일정 이상의 힘 을 가하면 기어 변속이 되며 콘 클러치에 작용하는 부하가 일정한 것이 특징이며 이 힘은 스프링에 의해 볼에 압입하기 때문에 얻어지는 구조로 되어있다. : 관성고정형(Inertia lock type) : 키형(Key type), 핀형(Pin type) 록크형(Lock type) 동기작용이 끝나야 기어 변속이 된다. 동기가 되지 않고서는 치합이 불 가능 하지만 변속을 조용하게 할 수 있어 많이 사용된다. ᆞ유성기어식(Planetary gear type) 유성기어식은 기구가 복잡하여 수동변속기에는 거의 사용하지 않고 토크 컨버터의 보조 장치로써 자동변속기에 많이 사용하므로 자동변속기에서 설명하기로 한다. (1) 점진기어식 변속기 오토바이 또는 트렉터 등에 사용되며, 변속단수는 보통 전진 3단, 후진 1단으로 되어 있 으며, 1단-2단-3단으로 점진적으로 변속이 가능하다. 운전 중 1단에서 3단, 또는 3단에서 1단으로 변화하는 것은 불가능하다. 클러치 섭동기어 공전기어 압력축 기어 클러치 기어 중속기어 저속기어 역전기어 그림 2-45 점진기어식 변속기

40 36 제2장 동력전달장치 (2) 선택기어식 변속기 오늘날에 가장 많이 사용하고 있는 형태이다. 1 섭동물림식 그림 2-46은 전진 3단 선택 섭동물림식 변속기의 기본구조를 보여주고 있는데 엔진의 동력은 주축구동기어(Main drive gear)에서 부축(Counter shaft)으로 전달된다. 또 주축 (Main shaft)의 원주는 스플라인으로 되어 있으며, 이 스플라인축에 슬라이딩(섭동)기어를 끼워 움직일 수 있도록 하고 있다. 변속은 시프트 포크(Shift fork)를 움직여 주축에 있는 슬라이딩기어를 섭동시켜 부축의 각 기어와 물릴 수 있도록 한다. 또 주축의 슬라이딩기어 가 부축의 어느 기어와도 물리지 않으면 동력은 주축으로 전달되지 않는 중립상태(Neutral position)가 된다. 이 형식은 구조가 간단하고 취급이 용이하지만 변속 시 기어 자체가 축 위를 섭동하여 맞물려야 한다는 단점이 있다. 승용차의 경우 후진변속 시 이 형식을 주로 사용한다. 섭동물림식 변속기는 1832년 영국인 제임스가 발명했다. 기어상자는 보통 특수주 철이며, 기어와 기어축은 큰 힘에 견디고 내마멸성을 높이기 위해 Cr강이나 Cr-Mo강으로 형단조하여 만들고 표면경화 시킨다. 스퍼기어(Spur gear), 헬리컬기어(Helical gear)를 사 용한다. 시프트 포크 변속 레버 시프트 레일 변속기 케이스 로크 스프링 로크볼 구동기어 Z 1 Z 6 Z 4 주축 Z8 Z 2 Z 5 Z 3 Z 7 후진기어 부축 변속기 케이스 그림 2-46 선택섭동식 변속기 2 상시물림식(Constant mesh type) 이 형식은 주축위를 자유롭게 회전하는 기어와 부축(Counter shaft) 기어가 항상 맞물린 상태로 회전하게 되며 그림 2-47은 상시물림식 변속기의 구조를 나타내고 있다. 변속할 때 는 주축의 스플라인 위에 끼워져 섭동(Sliding)하는 도그 클러치(Dog clutch)를 주축상의 기어와 물리게 하여 회전력을 주축에 전달한다. 변속 시 변속기어의 원주 속도가 도그 클러 치의 원주 속도와 일치되지 않으면 물릴 때 소음이 발생하고 심하면 기어 이가 파손된다.

41 2.4 수동변속기 37 도그 클러치 주축 구동기어 주 구동기어 (입력기어) 도그 클러치 주축 (출력축) 구동기어 주축 부축 기어 주축기어 부축 3단 2단 1단 후진 후진 공전기어 부축 2단 부축기어 1단 부축기어 후진 부축기어 그림 2-47 상시물림식 변속기 (a) 중립 (b) 물린상태 그림 2-48 도그 클러치의 작동 3 동기물림식(Synchro-mesh type) 동기화(Synchronization)란 주축 상에서 자유로이 회전하는 클러치기어가 단 기어(Shift gear)와 쉽게 물리게 되는 과정을 말한다. 동기화기구는 기어 변속 시 기어물림이 원활히 이루어지도록 하기 위하여 테이퍼(원뿔)부 에 마찰력을 발생시켜 공회전하는 기어의 회전수와 주축의 회전속도를 일치시키는 방법으로 동기화 작용을 한다. 동기물림식 중에는 키형식, 볼형식, 록킹스트립형식이 있다. 주로 키형 식을 사용한다. 키형식 싱크로메시 기구(Key type synchro-mesh mechanism)는 클러치 허브, 클러치 슬리브, 싱크로나이저 링, 싱크로나이저 키 등으로 구성되어 있다. ᄀ 클러치 허브(Clutch hub) : 클러치 허브는 허브 안쪽에 설치된 스플라 인에 의하 여 변속기 주축에 고정되어 주축의 회전속도와 동일한 회전을 한다. 외주(바깥둘레) 를 따라서 싱크로나이저 키가 3개 설치되며 스플라인을 통하여 클러치 슬리브가 바 깥둘레에 설치되어 있다.

42 38 제2장 동력전달장치 ᄂ 클러치 슬리브(Clutch sleeve) : 바깥둘레에 시프트 포크(Shift fork)가 끼워지 는 홈이 파져 있고 안쪽은 스플라인에 의해 클러치 허브에 끼워져 있다. 변속레버의 작동에 의해 앞 뒤로 미끄럼 운동을 하여 싱크로나이저 키를 싱크로나이저 링 쪽으 로 밀어줌으로써 주축을 연결 또는 차단시킨다. ᄃ 싱크로나이저 링(Synchronizer ring) : 주축기어의 원뿔 부(Cone)에 끼워져 있으며 기어 변속 시 시프트 포크가 클러치 슬리브를 미끄럼 운동 시키면 원뿔부와 접촉하 여 클러치 작용을 한다. ᄅ 싱크로나이저 키(Synchronizer key) : 뒷면에 돌기가 설치되어 있으며 클러치 허브에 설치된 3개의 홈에 끼워져 키 스프링의 장력으로 클러치 슬리브 안쪽에 압 착되어 있다. 또 양끝은 일정한 간극을 두고 싱크로나이저 링에 끼워지며 클러치 슬 리브를 고정시켜 기어 물림이 빠지지 않도록 한다. 싱크로나이저 키 클러치 슬리브 싱크로나이저 링 클러치 허브 키 스프링 (a) 클러치 허브 (b) 클러치 슬리브 (c) 싱크로나이저 링 (d) 싱크로나이저 키 그림 2-49 키형식의 동기물림식 구조 동기화 치합 1. 싱크로나이저 슬리브 2. 싱크로나이저 링 3. 스프링 기어 이 4. 단( 段 ) 기어 그림 2-50 동기치합식의 작동과정

43 2.4 수동변속기 39 b 작 동 ᄀ 제1단계 시프트 포크에 의하여 클러치 슬리브가 이동하면 클러치 슬리브의 돌기부와 맞물려 있는 싱크로나이저 키가 동시에 이동함과 동시에 싱크로나이저 키의 끝 면에서 싱크로나이저 링을 기어의 콘에 밀어 붙여 마찰이 발생되도록 함으로써 기어는 점차 클러치 슬리브와 동일한 속도로 회전하게 된다. 그러나 완전히 동기 될 때까지는 기어와 슬리브의 속도 차 이로 말미암아 싱크로나이저 링은 그 홈의 폭과 키 폭과의 차이만큼 벗어난 위치에 있기 때문에 키는 홈의 한쪽에 밀착된 상태로 회전하게 된다. 이 때문에 슬리브와 싱크로나이 저 링의 스플라인은 서로 마주보는 위치에 있게 된다. ᄂ 제2단계 클러치 슬리브가 더욱 이동하면 클러치 슬리브의 홈과 싱크로나이저 키 돌기의 물림이 풀 려나 스플라인으로 이동하는 상태이므로 클러치 슬리브 스플라인의 선단부가 싱크로나이 저 링의 콘 기어 선단부에 부딪쳐 이동이 저지되므로 싱크로 나이저 링이 더욱 강력하게 기어의 콘부를 압착하게 된다. ᄃ 제3단계 클러치 슬리브와 기어의 회전속도가 동일하게 되며, 싱크로나이저 링의 회전속도도 동일 하기 때문에 슬리브의 진행을 방해하지 않는다. 따라서 클러치 슬리브는 싱크로나이저 링 의 콘 기어를 원활하게 통과하여 기어의 스플라인과 맞물려 변속이 완료된다. 이와 같이 완전히 동기작용이 완료될 때까지 클러치 슬리브가 기어와 치합되지 않으므로 기어를 변 속하는데 무리가 없고 변속음이나 기어의 파손을 방지할 수 있다. 허브 슬리브가 원활하 게 메인 샤프트 기어와 맞물려 변속이 완료된다. 싱크로나이저 키 클러치 허브 클러치 샤프트 클러치 허브 슬리브 키 스프링 싱크로나이저 링 메인 샤프트 기어 메인 샤프트 싱크로나이저 키 돌기부 슬리브 싱크로나이저 링 싱크로나이저 링 슬리브 기어 스플라인부 기어스플라인부 슬리브 기어 스플라인부 싱크로나이저 링 싱크로 나이저 키 슬리브 스플라인부 싱크로 나이저 키 싱크로나이저 키 슬리브 스플라인부 싱크로나이저 링의 싱크로나이저 링의 스플라인부 스플라인부 슬리브 스플라인부 진입한다 싱크로나이저 링의 스플라인부 (a) 제1단계 (b) 제2단계 (c) 제3단계 그림 2-51 싱크로 메시 기구의 작동

44 40 제2장 동력전달장치 변속기의 구조와 기능 (1) 후륜구동 변속기 그림 2-52는 전진 5단 후진 1단의 후륜구동(FR형식) 변속기의 한 예를 나타낸다. 후륜 구동 변속차량은 차량 종류에 따라 다소 다르나 구동력의 입력방향과 출력방향이 일직선상 에 놓여있다. 앞 엔진 뒷바퀴 구동차량의 변속기는 입력축과 부축 및 출력축으로 구성되어 있다. 트랜스미션 케이스는 중량차의 경우 주철제를 사용하고 승용차에는 차량의 경량화를 위하여 알루미늄 합금제로 구성되어 있다. 오일수준(Oil level) 오일드레인 볼트 그림 2-52 후륜구동 전진 5단 변속기 슬리브 허브 싱크로 나이저 키 싱크로 나이저 링 클러치 축 주축 카운터 축 그림 2-53 후륜구동 변속기 구성 (2)전륜구동 변속기 FF차량에는 엔진의 구동력이 바로 앞바퀴에 전달되므로 변속기와 종감속기 차동장치가 일체화된 트랜스액슬이 장착된다. 오작동 방지를 위해 시프트 컨트롤에는 인터록 장치 및 후진기어로 변속되는 것을 방지하는 장치를 사용한다.

45 2.4 수동변속기 41 볼 베어링 5단 싱크로나이저 테이퍼 롤러 베어링 5단 기어 (드라이브) 5단 기어 (드리븐) 4단 기어 (드리븐) 4단 기어 (드라이브) 3단 기어 (드리븐) 2단 기어 (드리븐) 3/4단 싱크로나이저 3단 기어 (드라이브) 1/2단 싱크로나이저와 리버스 드리븐 기어 1단 기어 (드리븐) 2단 기어 (드라이브) 리버스 기어 (드라이브) 1단 기어 (드라이브) 인풋 샤프트 아웃풋 기어 파이널 드라이브 기어 그림 2-54 전륜구동차량 변속기 (3) 동력전달경로 후륜구동변속기와 전륜구동 변속기의 내부 동력전달 경로는 아래 순서의 파이널 드라이브 기어 전까지는 같다. 1 1속 클러치 인풋 샤프트 1단 드라이브 기어 1단 드리븐 기어 1/2단 싱크로메시 기구(우측이동) 아웃풋 기어(카운터샤프트 일체) 파이널드라이브 기어 디프렌셜 기어 등속 축

46 42 제2장 동력전달장치 그림 속 동력전달 순서 2 2속 클러치 인풋 샤프트 2단 드라이브 기어 2단 드리븐 기어 1/2단싱크로메시 기구(좌측이동) 아웃풋 기어(카운터샤프트 일체) 파이널드라이브 기어 디프렌셜 기어 등속 축(드라이브 샤프트) 그림 속 동력전달 순서 3 3속 클러치 인풋 샤프트 3/4단 싱크로메시 기구(우측이동) 3단 드라이브 기어 3 단 드리븐 기어(카운터샤프트 일체) 아웃풋 기어(카운터샤프트 일체) 파이널드라이 브 기어 디프렌셜기어 등속 축(드라이브 샤프트)

47 2.4 수동변속기 43 그림 속 동력전달 순서 4 4속 클러치 인풋 샤프트 3/4단 싱크로메시 기구(좌측이동) 4단 드라이브 기어 4 단 드리븐 기어(카운터샤프트 일체) 아웃풋 기어(카운터샤프트 일체) 파이널드라이 브 기어 디프렌셜기어 등속 축(드라이브 샤프트) 그림 속 동력전달 순서 5 5속(TOP) 클러치 인풋 샤프트 5단 드라이브 기어 5단 드리븐 기어 5단 싱크로메시 기 구(우측이동) 아웃풋 기어(카운터샤프트 일체) 파이널드라이브 기어 디프렌셜기 어 등속 축(드라이브 샤프트)

48 44 제2장 동력전달장치 그림 속 동력전달 순서 6 후진 클러치 인풋 샤프트 리버스 드라이브 기어 아이들기어(우측이동) 리버스 드 리븐 기어(1/2단 싱크로메시 기구 일체) 아웃풋 기어(카운터샤프트 일체) 파이널드 라이브 기어 디프렌셜기어 등속 축(드라이브 샤프트) 그림 2-60 후진 동력 전달순서 (3) 변속기 주요기구 및 조작기구 변속 조작 기구를 보면 인터록기구, 후진 원웨이기구와 후진 오동작방지장치가 있어 안전 한 변속을 할 수 있도록 되어 있다. 1 주요기구

49 2.4 수동변속기 45 ᄀ 록킹 볼(Rocking ball) : 시프트 레일에 각 기어를 고정시키기 위하여 홈을 설치한 후 이 홈에 기어가 빠지는 것을 방지하기 위해 설치한다. 스프링과 조합하여 사용한 다. ᄂ 인터 록(Inter lock) : 하나의 기어가 물려 있을 때 다른 기어는 중립에 서 이동 하지 못하도록 하여 기어의 이중물림을 방지한다. ᄃ 후진 오동작 방지기구 : 후진 변속 시 기어의 파손방지를 위해 변속레버를 누르거나 들어 올려 후진기어로 변속하게 하는 기구이다. 5-R 후진 아이들기어 후진 샤프트 레버 리스트리트 볼 R N 셀렉터 레버 2-4-R 시프트 레버 후진등 S/W 5단 기어 시프트 포크 레일 5 후진 시프트 러그 인터록 플린저 4 3 3속-4속 기어 시프트 포크와 레일 2 R 1 1속-2속 기어 시프트 포크와 레일 그림 2-61 주요 조작기구 컨트롤 샤프트 시프트 러그 중립 리턴 스프링 인터록 플레이트 컨트롤 핑거 인터록 플레이트 볼트 스톱퍼 보디 어셈블리 중립 리턴 스프링 스톱퍼 브라켓트 변속레버 록킹볼 스프링 1, 2속 변속시프트레일 볼 조인트 4 R 2 록킹볼 3, 4속 변속시프트레일 후진용 시프트 레일 시프트포크 그림 2-62 록킹 볼 그림 2-63 인터록 기구 2 변속 조작기구 ᄀ 직접조작기구 : 변속레버를 익스텐션 하우징 위에 설치하고 시프트 포크의 선택으로 변속하는 방식이다.

50 46 제2장 동력전달장치 ᄂ 간접조작기구 : 조향 칼럼에 변속레버를 설치하고 변속기와 변속레버를 별도로 설치 한 방식으로써 그 사이를 링크나 와이어로 연결하여 조작하는 방식이다. 시프트 레버 핀 로킹 스프링 클러치 하우징 변속레버 로킹 볼 클러치 축 변속기 케이스 시프트 레일 메인축 제 1, 2속용 제 3, 4속용 후진용 시프트 포크 시프트 로드 후진 시프트 암 카운터 축(부축) 익스텐션 하우징 추진축 그림 2-64 직접 조작기구 시프트 레버 익스텐션 바 컨트롤 로드 가이드 플레이트 컨트롤 샤프트 컨트롤 로드 시프트 레버 1단&2단 시프트 포크 3단&4단 시프트 포크 5단 시프트 포크 플로어시프트 링크식 컬럼시프트 링크식 노브 셀렉트 레버 시프트 레버 하우징 케이블 어셈블리 브라켓트 칼라 플로어시프트 케이블식 그림 2-65 간접 변속 조작기구

51 2.4 수동변속기 변속비 그림 2-66은 자동차가 필요로 하는 구동력과 변속의 이상적인 관계를 나타낸 것으로 변 속기의 변속비는 이 조건을 가능한 한 만족시키도록 결정할 필요가 있다. 구동력 (kg f) 0 속도(km/h) 그림 2-66 구동력과 속도관계 (1) 총감속비와 구동력 자동차의 경우 변속은 변속기 외에 최종 감속기어로도 감속을 하고 있으므로 엔진과 구동 바퀴 사이의 변속비를 총감속비라 하고, 다음 식으로 나타낸다. 총감속비 = (변속기의 변속비) (최종 감속기어의 감속비) 또한, 구동 휠이 발생하는 구동토크는 엔진의 축 토크에 총감속비를 곱한 것으로 다음과 같이 나타낸다. 구동토크 = (엔진의 축토크) (총감속비) (전달효율) 따라서 구동력(자동차를 구동바퀴가 추진하는 힘)은 다음 식으로 구해진다. 구동토크 kg f m 구동력 kg f 구동바퀴의 유효반경 m 전달효율 : 전동장치의 입력(엔진의 축출력)과 출력(구동바퀴의 출력)의 변속비나 종감속 비의 각 기어의 결합이나 베어링 등의 마찰손실 때문에 전달되는 토크가 감속하는 것이 원 인이며, 항상 100% 이하이다. (2) 변속비의 결정 감속비를 결정하는 데는 우선 그 자동차에 요구되는 최고속도, 가속능력 및 연료소비율 등이 얻어지도록 최종 감속기어의 감속비를 결정한다. 다음으로 그 자동차에 부여할 최대

52 48 제2장 동력전달장치 등판능력으로 부터 변속기의 최저기어의 변속비를 정한다. 이것에 의해 직결의 경우와 최저 속 기어의 경우가 결정되므로 그 중간기어의 변속비는 등비 급수적으로 부여해 주지만, 기 어의 설계상 형편이나 성능 및 운전방법에 대한 희망 등에 의해 어느 정도 수정한 값이 사 용된다. 다음의 그림 2-67은 전진 4단식 변속기의 일례이다. 그림 2-67에 대해서 각 기어 에 있어서 속도가 각각 V A, V B, V C, V D 일 때 최대 구동력 A, B, C, D가 얻어지며, 그 이외 의 속도에서는 구동력이 감소하게 된다. 또 E, F, G, H는 엔진의 최고출력을 발휘하는 점을 나타낸 것으로 이들의 점을 연결하는 곡선이 그림 2-67의 이상곡선에 합치하도록 변속비 를 결정하면 되는 것이다. 그러나 속도가 각각 V E, V F, V G, V H 일 때는 엔진의 출력을 유효 하게 이용하도록 할 수 있지만, 그 이외의 속도 즉, 그림 2-67에서 빗금을 그은 범위에서 는 엔진출력을 유효하게 이용할 수 없게 된다. 그 부분을 감속시키기 위해서는 변속단수를 많게 하면 되지만, 변속기의 구조가 복잡해지고, 동시에 운전조작도 번잡해지므로 이상적이 라고는 할 수 없다. 1st A E 구동력 (kg f) 2nd B F 3rd C G 4th D H V AV EV BV FV C V G V D 속도 V H 그림 2-67 속도 구동력 곡선(예) (3) 변속비와 주행속도 a 변속비 변속비(또는 기어비)는 엔진의 회전수(또는 입력축 구동기어의 회전수)와 추진축(또는 변 속기 출력축)의 회전수와의 비를 말한다. 즉 피구동 기어 잇수 엔진의 회전수 변속비 기어비 구동 전 기어 잇수 후륜구동 변속기 출력축 회전수 가 된다.

53 2.4 수동변속기 49 구동축 B A 토크 증대 수동축 그림 2-68 감속에 의한 구동력 증대 다수 결합에 의한 변속비는 각각 변속비의 곱이다. 후진 시 아이들 기어의 잇수는 계산하 지 않는다. 구동축 A B D C 수동축 전진시(a) 구동축 A D 수동축 E B C 후진시(b) 그림 2-69 다수 결합의 변속 기어 의 잇수 기어 의 잇수 변속비 기어 기어 의 잇수 의 잇수 입력축 출력축 추진축 A 25 F H B C E G 부축 그림 2-70 전진 4단 후진 1단 변속기

54 50 제2장 동력전달장치 그림 2-70과 같은 전진 4단 후진 1단의 변속기에서 엔진이 1,500회전(rpm)할 때 추진 축의 회전수는 다음과 같이 된다. 그림 2-70에 있어서 제1속에서는 기어 ABGH가 물리므로 기어 비는 제2속에서는 기어 ABEF가 물리므로 제3속에서는 기어 ABCD가 물리므로 제4속에서는 직결이므로 이 된다. 따라서, 추진축의 회전수는 다음과 같이 된다. 제1속에서 rpm 제2속에서 rpm 제3속에서 rpm 제4속에서 rpm b 자동차의 주행속도 자동차의 주행속도는 주행저항을 계산에 포함하지 않는다면 엔진의 회전수, 변속비, 종감 속비 및 바퀴 크기에 따라 정하여진다. 지금 =엔진의 회전수(rpm)

55 2.4 수동변속기 51 =변속기의 제 1기어비 =변속기의 제 2기어비 =변속기의 제 3기어비 =변속기의 제 4기어비 =변속기의 톱 기어비 =변속기의 후진 기어비 =종감속비 =바퀴직경(m) 라 하면 각 변속비에서의 차의 속도는 다음과 같이 된다. 제 1속에서의 주행속도 m min km h 제 2속에서의 주행속도 m min km h 제 3속에서의 주행속도 m min km h 제 4속에서의 주행속도 m min km h 2.5 추진축, 유니버설 조인트 엔진의 동력은 변속기를 거쳐서 추진축에 의해 구동바퀴로 전달되는데, 대부분의 경우 변 속기는 엔진, 클러치와 함께 프레임에 장치되어 있으며, 구동바퀴는 섀시 스프링을 통하여 차체에 장치되어 있으므로 노면으로부터의 충격이나 적재하중의 변화 등에 따라 상하로 움 직인다. 그 때문에 엔진동력을 지장없이 구동바퀴에 전달하기 위해서 추진축의 양 끝에 유 니버설 조인트가 장치되어 있다.

56 52 제2장 동력전달장치 변속기 프로펠러 샤프트 상하로 움직인다. 구동 휠 그림 2-71 후륜구동 차량의 구동 휠 작동 상태 유니버셜 조인트 플랜지 요크 더스트 커버 앞 추진축 프레임(사이드 멤버) 유니버셜 조인트 스파이더 니들 롤러 센터 베어링 유니버셜 조인트 플랜지 요크 리어 추진축 변속기 축 센터 베어링 하우징 슬리브 요크 차동축 그림 2-72 추진축과 유니버설 조인트 요크(2 분할식의 일례)

57 슬리브 요크 스파이더 조인트 베어링 2.5 추진축, 유니버설 조인트 추진축(Propeller shaft) 추진축은 끊임없이 변동하는 엔진의 토크를 받으면서 고속회전을 하므로 비틀림 진동을 일으키기 쉽고, 또 축이 구부러지거나 기하학적 중심과 질량적 중심이 일치하지 않을 때는 휠링(Wheeling)이라는 굽힘 진동을 일으킬 염려가 있다. 이들의 진동과 추진축의 고유진동 수와의 공명이 일어나면 파괴현상이 일어나므로 상용 회전속도에서는 공명진동(공진)이 일 어나지 않도록 해야 한다. 공진이 일어나는 회전속도를 위험 회전속도라고 하며, 이것을 상 용 회전속도보다 높게 설정해 놓을 필요가 있다. 추진축에는 회전력을 전달하기 때문에 중 심에 비해 비틀림이나 굽힘에 강한 중공( 中 空 )의 탄소강관이 일반적으로 사용되고 있으며, 축의 단면적이 정해져 있을 때는 길이가 길어지면 위험 회전속도가 낮아지는 경향이 있으므 로 2개로 분할하는 방법도 사용되고 있다. 소형자동차는 1개의 프로펠러 샤프트로 되어 있으나 변속기에서 구동축까지의 거리가 긴, 즉 휠베이스(Wheel base)가 긴 대형차 등에서 프로펠러 샤프트가 2개 또는 3개로 분할되 어 있으며, 샤프트의 후단은 레디얼 볼 베어링(Radial ball bearing)으로 프레임의 크로스 멤버(Cross member)에 지지되어 있다. 이 베어링을 센터 베어링(Center bearing)이라 하 며, 회전 시 진동을 흡수하여 프레임에 직접 진동이 전달되지 않도록 쿠션 러버를 끼워 취 부되어 있다. 이와 같이 프로펠러 샤프트를 분할하여 사용하는 것은 프로펠러 샤프트 회전수가 샤프트 자체의 고유진동수에 가까우면 공진현상을 일으켜 최악의 경우 파손되는 것을 방지하기 위 해서이다. 이러한 공진을 일으키는 회전수를 위험 회전속도라 하며 샤프트의 길이가 짧을수 록 고속회전이 가능하므로 위험 회전속도는 높아진다. 축방향 운동 유니버셜 조인트 요크 밸런스 피스 추진축 유니버셜 조인트 그림 2-73 추진축과 유니버설 조인트(소 중형차의 일례)

58 54 제2장 동력전달장치 그림 2-73은 프로펠러 샤프트의 구성부품을 나타낸 것으로 각도변화에 대응하기 위한 유니버셜 조인트, 축방향의 길이 변화에 대응하기 위한 슬리브 요크(Sleeve yoke) 그리고 프로펠러 샤프트(추진축) 등으로 구성되어 있다. 또 그림 2-73과 같이 제작할 때 고속회전 시 밸런스를 갖도록 밸런스 피스(Balance piece)를 취부 한 것도 있다. 추진축에 비틀림 진동이 발생하면 주행 중에 소음을 발생하며 심한 경우, 유니버셜 조인 트와 축의 파손을 초래할 위험이 있으므로 비틀림 진동을 억제하기 위한 토션 댐퍼 (Torsional damper)가 대형 자동차 등에 장치되어 있다. 토션 댐퍼는 그림 2-74에 나타낸 것과 같이 댐퍼 휠, 댐퍼 고무 등으로 구성되며 추진축 에 장치되어 있다. 추진축에 비틀림 진동이 발생하면 축에는 회전방향에 대해서 정 또는 부 의 큰 가속도가 생기지만, 댐퍼 휠은 일정한 속도로 회전을 계속하려고 하므로 중간의 댐퍼 고무가 변형을 반복하여 그 내부 마찰에 의해 비틀림 진동에너지를 열로 바꾸어 흡수하여 제진작용을 한다. 추진축 댐퍼 휠 센터 베어링 고무 부시 토션 댐퍼 레버 그림 2-74 토션 댐퍼 유니버설 조인트(Universal joint) 유니버셜 조인트는 변속기부터 디퍼런셜로 원활하게 회전력을 전달하는 것으로 구동축과 수동축이 어떠한 각도를 형성하여 연결되어 있는 부분에 반드시 사용되는 장치이다. 유니버 설조인트의 종류에는 다음과 같은 것이 있다.

59 2.5 추진축, 유니버설 조인트 55 (1) 플렉시블 조인트(Flexible joint) 플렉시블 조인트는 2개의 요크사이에 굽힘이나 원심력에 충분히 견딜 수 있는 강인한 삼 베직물을 여러 장 맞붙인 것 또는 가죽을 맞붙인 가소성원판을 집어넣고 볼트로 고정시킨 것으로써 마찰 부분이 없으므로 급유할 필요가 없으며 회전도 정숙하지만 전달토크에 비해 외관이 크고 축각도가 3 5도 정도로 제한되어 있다. 그러나 전달효율도 낮고 양축의 센터를 맞추기 어려워 진동이 일어나기 쉬운 결점이 있 다. 이와 같은 결점을 보완하기 위해서 그림 2-75와 같이 링 모양의 고무를 사용하여야 하 기 때문에 거의 사용되지 않는다. 커플링 요크 센터링 그림 2-75 플렉시블 조인트 (2) 훅 조인트 훅 조인트는 그림 2-76과 같이 구동축과 수동축의 2개의 요크 및 이들을 결합하는 스파 이더와 4개의 베어링 등으로 이루어져 있다. 베어링 레이스 니들 롤러 베어링 오일 실 오일 실 리테이너 플랜지 요크 수평 운동 요크 수직 운동 프로펠러 샤프트 그림 2-76 훅 조인트의 구조 구조적으로는 간단하고 작용도 확실하지만, 구동축이 일정속도에서도 수동축의 속도는 증 속과 감속을 반복하도록 변동하는 성질이 있으며, 이와 같은 훅 조인트의 부등속성을 그림 2-77에서 설명하면 다음과 같다. 구동축 쪽 조인트의 a축은 A면상에서 원운동을 하고, 수동축 쪽 조인트의 b축은 B면상에 서 원운동을 하고 있다. 이 경우 구동축의 운동이 수동축에 전달되는 상황은 a축의 운동을

60 56 제2장 동력전달장치 B면상에 투영하면 알 수 있으며 그림 2-77과 같이 타원이 된다. 지금 a축이 A면상에서 Z 로부터 45 회전한 X를 B면에 투영하면 Y가 되며 또 그 위치에서 90 회전한 위치 X'는 B면상에서는 Y 가 된다. 이때 A면상에서는 XOX =90 이지만 B면상에서는 YO Y >90 가 되면 수동축은 증속되는 결과가 된다. 그림 2-78은 구동축이 정속회전(1000rpm)일 때 수동축에 생기는 회전수의 변동을 나타 낸 것으로 1회전 동안에 최대 및 최소의 점이 2회 나타나며 가속기간, 감속기간도 2회 나 타난다. 구동축 회전면 구동축 수동축 회전면 수동축 θ A축 위의 a축 운동(원) X' X A면 B면 구동축 Z a축 b축 θ X' Y' 90 0 B면 위에 투영한 축의 운동(타원) 45 Y X 수동축 Z 그림 2-77 훅 조인트의 등속성 프로펠러 샤프트 1회전 30 1,200 구동축 1, rpm 일 때 1,000 수동축의 900 회전수 증속 감속 증속 감속 축각의 0일 때의 일정회전속도 그림 2-78 훅 조인트의 회전속도 변동

61 2.6 종감속기어와 차동장치 57 구동축 A θ 축각 θ 수동축 B 그림 2-79 동일한 회전속도 전달을 위한 조립상태 이상과 같은 결과로 변속기로부터 디퍼런셜 등에 회전력을 전달하는 경우에는 그림 2-79와 같이 2개의 훅 조인트의 요크를 같은 방향으로 조립하여 속도변화 등을 상쇄하도 록 되어 있다. 여기서, 구동축의 각속도( )와 수동축의 각속도( )의 속도비는 다음과 같이 표현된다. cos sin sin 여기서 는 구동축의 회전각이다. 2.6 종감속기어와 차동장치 종감속기어(Final reduction gear) 종감속기어는 추진축의 회전력을 직각으로 전달하며 엔진의 회전력을 최종적으로 감속시 켜 구동력을 증대시킨다. 이 장치는 구동 피니언(Drive pinion)과 링기어(Ring gear)로 구 성되며 구동 피니언과 링기어의 조합에 따라 웜과 웜기어, 베벨기어, 하이포이드 기어가 있 다. (1) 종감속기어의 종류 1 웜과 웜기어(Worm and worm gear) 이 기어는 추진축의 끝 부분에 웜을 설치하여 웜기어와 조합한 것이며, 웜은 강이고 웜기 어는 구리 합금이다. 이 기어의 특징은 큰 감속비를 얻을 수 있고 자동차의 높이를 낮출 수 있으나 전동 효율이 낮고, 발열 현상이 크며 역으로 동력전달이 불가능 하다.

62 58 제2장 동력전달장치 웜기어 웜 그림 2-80 웜과 웜기어 2 베벨기어(Bevel gear) 예전에는 스퍼(Spur) 베벨기어를 사용하였으나 최근에는 스파이럴(Spiral) 베벨기어를 사 용한다. 스파이럴 베벨기어는 스퍼 베벨기어에 비해 구동 피니언과 링기어가 서로 교차되어 있고, 기어의 이가 각각 비틀려 있어서 물림률이 크고, 회전이 원활하며, 전동효율이 높고 마모도 작다. 또한, 진동과 소음이 적고 제작이 간단하나, 구동 피니언이 회전할 때 스러스 트(Thrust)가 발생하므로 테이퍼 롤러 베어링(Taper roller bearing)을 사용해야 한다. 스퍼 베벨기어 스파이럴 베벨기어 그림 2-81 베벨기어 3 하이포이드 기어(Hypoid gear) 이 기어는 링기어의 중심보다 구동 피니언의 중심이 10 20% 정도 낮게 된 스파이럴 베 벨기어의 전위(Off-set) 기어이며, 장ᆞ단점은 다음과 같다. 장점 a 구동 피니언의 오프셋에 의해 추진축의 높이를 낮출 수 있으므로 자동차의 중심이 낮아져 안전성이 증대된다. b 동일 감속비, 동일 치수의 링기어인 경우 스파이럴 베벨기어에 비해 구동 피니언을 크게 할 수 있어 강도가 증대된다. c 기어의 물림률이 커 회전이 정숙하다.

63 2.6 종감속기어와 차동장치 59 단점 a 거의 이의 폭 방향으로 미끄럼 접촉을 하여 압력이 크기 때문에 극압 윤활유를 사용 해야 한다. b 제작이 어렵다. 링기어 구동 피니언 그림 2-82 하이포이드 기어 (2) 종감속비와 총감속비 종감속기어는 링기어의 잇수와 구동 피니언의 잇수비로 표시된다. 링기어의 잇수 종감속비 구동피니언의 잇수 종감속비는 나누어지지 않는 값으로 하는데 그 이유는 특정의 이가 항상 물리는 것을 방 지하여 이의 마멸을 방지하기 위함이다. 또한, 종감속비는 엔진의 출력, 차량중량, 가속성능, 등판능력에 따라 정해진다. 종감속비 를 크게 하면 가속성능과 등판능력은 향상되나 고속성능이 저하한다. 그리고 변속비와 종감 속비를 곱한 것을 총감속비(Total reduction ratio)라고 한다. 총감속비 = 변속비 종감속비 로 나타내며, 따라서 변속비가 1이면 엔진의 감속은 종감속기어에서만 이루어진다 차동장치(Differential) 자동차가 커브 길을 양쪽 바퀴가 미끄러지지 않고서 원활하게 선회하려면 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 더 많이 회전되어야 하며, 요철 노면을 주행할 때에도 양쪽 바퀴의 회전수가 달라져야 한다. 즉, 차동장치의 작용은 선회할 때 양쪽 바퀴의 회전수 차이가 발생되도록 하 며, 노면의 저항을 적게 받는 구동바퀴 쪽으로 동력이 전달될 수 있도록 하는 장치로써 차 동(디프렌셜)사이드기어, 차동(디프렌셜)피니언, 피니언축(디프렌셜 스파이더), 케이스 등으 로 구성되어 있다.

64 60 제2장 동력전달장치 셀프 록킹 너트 13. A/B 심 25. 디프렌셜 케이스, RH 2. O-링 14. 볼트 26. 디프렌셜 케이스 볼트 3. 컴패니언 플랜지 15. 스프링 와셔 27. 디프렌셜 기어 4. 더스트 커버 16. 핀 28. 디프렌셜 기어 와셔 5. 오일 실 17. 볼트 29. 디프렌셜 피니언 와셔 6. 피니언 베어링 18. 스프링 와셔 30. 디프렌셜 피니언 7. 피니언 베어링 칼라 19. 디프렌셜 칼라 31. 디프렌셜 스파이더 8. 피니언 인너 베어링 20. 조정 스크류 32. 사이드 베어링 캡 9. 베어링 리테이너 21. 사이드 베어링 33. 락 플레이트 10. 피니언 드라이버 22. 볼트 34. 볼트 11. 피니언 파일럿 베어링 23. 디프렌셜 케이스, LH 35. 스프링 와셔 12. 로크 링 24. 드라이브 기어 36. 베어링 캡 볼트 그림 2-83 차동장치의 구성도 (1) 원리 차동장치의 원리는 랙과 피니언(Rack and pinion)의 원리를 응용한 것으로써 이것은 양 쪽의 랙위에 동일한 무게를 올려놓고 핸들을 들어 올리면 피니언에 걸리는 저항이 같기 때 문에 피니언이 자전을 하지 못하므로 랙 A와 B를 함께 들어 올리게 된다. 그러나 랙 B의 무게를 가볍게 하고 피니언을 들어 올리면 랙 B를 들어 올리는 쪽으로 피니언이 자전을 하 며 양쪽 랙이 올라간 거리를 합하면 피니언을 들어 올린 거리의 2배가 된다. 이 원리를 이 용하여 양쪽 랙을 베벨기어로 바꾸고 여기에 좌우 양쪽의 액슬축(Axle shaft)을 연결한 후 차동피니언을 종감속의 링기어로 구동시키도록 한다.

65 2.6 종감속기어와 차동장치 61 구동 피니언측 추 구동 피니언 기어 A 피니언 B 랙 c B 차동 피니언 기어 차동 사이드 기어 2 차동 기어 케이스 링 기어 그림 2-84 차동기어장치의 원리 (2) 작용 차동장치의 작용은 자동차가 도로를 직진할 때는 좌우 구동바퀴의 회전저항이 동일하기 때문에 좌우 사이드기어는 동일 회전수로 차동 피니언의 공전에 따라 움직여 전체가 하나의 덩어리가 되어 회전한다. 그러나 차동작용은 좌우 구동 바퀴의 회전저항 차이에 의해 발생 되고, 바퀴는 통과하는 노면의 길이에 따라서 회전하므로 커브길을 선회할 때 안쪽 바퀴는 바깥쪽 바퀴보다 저항이 증대되어 회전수가 감소되며 그 분량만큼 반대쪽 바퀴를 가속시키 게 된다. 왼쪽 사이드 기어(고정) 공전 자전 왼쪽 사이드 기어 차동 피니언 오른쪽 사이드 기어 오른쪽 사이드 기어 왼쪽 액슬축 오른쪽 액슬축 한쪽 기어 고정 시 양쪽 구동바퀴를 잭으로 들었을 때 그림 2-85 차동장치의 작용 1 한쪽 사이드기어가 고정되면 가령, 오른쪽 바퀴가 진흙탕에 빠졌을 경우, 이 때는 차 동 피니언이 공전하려면 고정되어 있는 사이드기어(왼쪽) 위를 굴러가지 않으면 안되 기 때문에 자전을 시작하여 저항이 작은 오른쪽 사이드 기어만을 구동하게 된다. 2 양쪽 구동바퀴를 잭(Jack)으로 들고 한쪽 바퀴를 손으로 돌리면 차동 피니언이 공전을 하지 않기 때문에 다른 쪽 바퀴는 반대 방향으로 회전한다.

66 62 제2장 동력전달장치 자동제한 차동장치 일반적으로 차동장치는 도로의 노면이 양호한 곳을 주행할 때에는 좌 우 바퀴에 동일한 크 기의 동력이 분배되지만, 커브를 선회하거나 미끄럼이 생기기 쉬운 도로에서는 노면의 저항 이 작은 쪽 바퀴가 공전하여 구동력이 감소되면 다른 쪽의 구동바퀴는 저항이 증대되므로 회전을 하지 못하게 된다. 한쪽 바퀴가 진흙에 빠진 경우나 빙판에 있는 경우 좌, 우 바퀴의 저항차가 심하여 오히려 저항이 많은 쪽으로 동력이 전달되지 못하고 저항이 없는 쪽만 회 전하는 경우가 발생하는데 이 경우 차동장치의 작용을 정지시켜 동력이 양 바퀴에 균일하게 분배되도록 저항이 큰 구동바퀴에 미끄러지고 있는 바퀴의 감소된 분량만큼의 동력을 더 전 달시킴으로써 미끄럼에 따른 공전 없이 주행을 할 수 있게 하는 장치이다. 자동제한 차동장 치의 장점은 다음과 같다. 1. 미끄러운 노면에서 출발이 용이하다. 2. 미끄럼이 방지되어 타이어의 수명을 연장할 수 있다. 3. 고속 직진 주행 시 안전성이 양호하다. 4. 요철노면 주행 시 후부 흔들림을 방지할 수 있다. (1) 자동제한 차동장치의 종류 기계적인 구조만으로 작동되는 방식과 전자제어식 등 여러 가지 방식이 있으나 이장에서 는 사용빈도가 높고 기계적인 구조로 작동되는 방식을 다룬다. ᆞ마찰판식(Limited Slip Differential : LSD) Locking Ratio가 55% 이하이며 중, 소형 승용차와 지프, 3.5톤 이하의 트럭류에 주로 적 용한다. ᆞ도그 클러치식(Non Spin Differential : NSD) Locking Ratio가 100%이며 하중이 크거나 엔진토크가 큰 차량은 LSD의 기능으로는 미 끄럼 제한 차동의 효율이 떨어지기 때문에 5톤 이상의 대형 트럭류에는 NSD를 사용하고 있다. ᆞ헬리컬 기어 타입 차동제한장치(Helical gear type) 헬리컬식 차동제한장치는 마찰판식과 같은 특별한 클러치를 설치하지 않고 기어 각부의 마찰력에 따라 차동을 제한하는 것이다. (2) 마찰판식(Limited slip differential) 1 슈어 그립형(Sure-grip type) 자동적으로 차동을 제한하여 노면과의 점착력이 우수한 쪽의 구동륜에 구동 토크를 더 많 이 분배한다. 그림 2-86과 같이 구성되며 특징은 2개의 압력링과 사이드 기어 측 차동케이 스 내벽 사이에 설치되는 다판 클러치이다. 압력링의 외주에 가공된 도그는 차동케이스 내

67 2.6 종감속기어와 차동장치 63 면에 가공된 직선 그루브(Groove)에 끼워진다. 따라서 압력링은 차동케이스 내에서 좌/우 섭동할 수 있으나 회전방향으로는 고정되어 있다. 그리고 압력링은 차동 피니언축이 설치되 는 V형의 홈이 가공되어 있다. 4개의 차동 피니언은 2개의 피니언 축에 각각 2개씩 서로 마주 보도록 설치된다. 그리고 피니언 축의 끝부분(설치부분)은 원형이 아니고 사각형으로 서 2개의 압력링의 V형 홈이 만드는 사각형 공간에 끼워진다. 2개의 압력링 뒷면과 사이드 피니언 축 차동케이스 내벽 사이에는 다만 클러치가 설치된다. 외치형은 다판 클러치를 차 동케이스에 내치형은 다판 클러치를 사이드 피니언 스플라인에 각각 설치한다. 그리고 다판 클러치에 초기 장력을 작용시키기 위해 다판 디스크와 차동케이스 내측벽 사 이에 스러스트 와셔를 설치한다. 차동 피니언축 차동 피니언 확장작용을 하는 부분 차동케이스에 끼워지는 다판 클러치 액슬축에 끼워지는 다판 클러치 액슬축 커버 스러스트 와셔 액슬축 입력링 입력링 차동 피니언 축의 끝부분 링기어 차동케이스 스러스트 와셔 입력링 차동 사이드기어 (a) 구조 (b) 입력링의 확장 그림 2-86 슈어 그립형 차동제한장치의 구조 작동 개요 직진을 할 때에는 양 피니언 축은 각각의 클러치를 작동시키는 위치에 있으므로 차동작용 을 하지 않고 전체가 하나로 되어 구동하게 된다. 그러나 한쪽 바퀴의 저항이 작아져 다른 쪽 바퀴보다 회전이 빨라지면 보통의 차동장치에서는 링기어의 회전력이 양쪽의 액슬 축에 똑같이 분배된다. 그러나 이 형식에서는 양쪽의 클러치가 피니언 축에 의해 발생되는 압착 력에 의해 미끄러지면서 회전하게 되므로 회전이 빠른 쪽의 축이 클러치를 통해서 차동기어 케이스를 구동하기 때문에 그 회전력을 회전이 느린 쪽 축에 더하게 된다. 또 한쪽 바퀴가 진흙탕에 빠져 타이어와 노면과의 점착력이 감소되면 공전하는 쪽의 바퀴 저항과 비슷한 회 전력이 다른 쪽 바퀴에 더해지므로 쉽게 빠져 나올 수 있다.

68 64 제2장 동력전달장치 링 기어 구동 피니언 링 기어 구동 피니언 클러치판 차동기어 케이스 클러치판 차동기어 케이스 액슬축 액슬축 액슬축 액슬축 차동 사이드 기어 차동 사이드 기어 차동 피니언 차동 피니언 (a) 직진시 (b) 오른쪽 바퀴의 회전이 빠를 때 그림 2-87 마찰판식의 작동 2 유니반스 캠형(Univance cam type limited slip differential) 유니반스 캠형 차동제한장치는 양측 사이드 기어에 캠을 조합하고, 사이드 기어 외측면에 마찰판을 적용하고 사이드 기어의 우측에 액슬축을 사이드 기어의 좌측에 액슬축을 결합한 구조로 되어있다. 국내 무쏘, 포터 등에 적용되고 있다. 그림 2-88(a) 유니반스 캠형 내부구조

69 2.6 종감속기어와 차동장치 디프렌셜 클러치 사이드 트러스트 심 2. 디프렌셜 클러치 3. 스냅링 리테인너 4. 토크 리미팅 디스크 5. 웨이브 스프링 6. 클러치 캠 플레이트 7. 캠 사이드 기어 8. 디프렌셜 거버너 9. 라쳇 브라켓 10. 피니언 기어 디프렌셜 사이드 기어 12. 디스크 가이드 클립 13. 디프렌셜 피니언 샤프트 14. 로크 볼트 15. 트러스트 와셔 16. 트러스트 블럭 17. 디프렌셜 케이스 그림 2-88(b) 유니반스 캠형 내부구조 (3) 도그 클러치식(Non-spin differential) 논스핀 자동 차동제한장치는 도그 클러치를 이용하여 좌우 바퀴의 회전력 차이를 제한하 는 방식으로 스파이더는 4개의 돌기에 의해 차동케이스에 지지되어 있으며 스파이더 양쪽 면에는 도그 클러치가 결합되어 있고 내부에는 중심 캠이 스냅 링에 의해서 지지되고 있다. 또한 클러치는 사이드 기어 스플라인과 맞물려 스프링장력에 의해 스파이더와 중심캠에 압 착되어 있으며 사이드 기어는 액슬측 스플라인에 설치되어 있다. 도그 클러치 스파이더축 도그 클러치 사이드 기어 스프링 중심캠 중심캠 스프링 사이드 기어 그림 2-89(a) 도그 클러치식 구조

70 66 제2장 동력전달장치 사이드 기어 도그 클러치 스파이더 스파이더 축과 구동 클러치가 같은 속도 사이드 기어 도그 클러치 스파이더 축과 분리되어 빨리 회전 스파이더 축이 도그 클러치와 맞물림 그림 2-89(b) 도그 클러치식 구조 작동 개요 차동기어 케이스가 구성되면 직진 시에는 차동기어 케이스 스파이더 클러치 사 이드기어 액슬 축 순으로 동력이 전달된다. 그러나 자동차가 선회를 시작하면 바깥쪽 바 퀴가 안쪽 바퀴보다 빨리 회전하므로 액슬 축과 직결되어 있는 클러치는 이의 백래시 범위 에서 회전방향으로 진행을 한다. 이때 중심 캠도 회전하려고 하나 키에 의해 이동이 제한되 어 있고, 또한 다른 쪽 클러치와도 물려있어 움직일 수 없다. 이에 따라 바깥쪽 클러치가 중 심 캠의 이에 의해 밀어 올려져 스파이더와 클러치의 물림이 풀린다. 스파이더와 클러치 물 림이 풀리면 바깥쪽 클러치가 양쪽 바퀴의 회전차이로 말미암아 회전방향으로 진행하여 클 러치의 이가 빠지며, 이때 클러치 이가 빠지면 스프링의 힘으로 다음의 이와 치합된다. 이런 작동을 반복하여 차동작용을 하며 선회 시에는 바깥쪽 바퀴가 프리 휠링되어 안쪽만 구동된 다. 또 한쪽 바퀴가 진흙탕 길에 빠졌을 때에는 양쪽의 액슬 축이 직결된 것과 같이 되어 점착력이 작아진 쪽의 바퀴에 관계없이 주행할 수 있다. (4) 헬리컬 기어타입 차동제한장치(Axis helical gear type) 평행축으로 된 유성기어 타입의 헬리컬 기어가 케이스내에 지지된 형상으로 구성되어 있 다. 정상적인 운전 조건하에서는 차동기어 장치처럼 작동을 하고, 불균일한 운동조건하에서 피니언은 케이스내의 회전에 대해 저항하여 피니언들은 사이드 기어로부터 분리되려고 한 다. 이 힘에 의해 토르크는 다른 쪽으로 전달된다. 헬리컬식 차동제한장치는 다판식과 같은 특별한 클러치를 설치하지 않고 기어 각부의 마 찰력에 따라 차동을 제한하는 것이다. 따라서 구동 토크에 비례한 차동제한력을 발생시키는 토크 감응형이다. 헬리컬기어를 이용하며, 구동력 전달부위와 차동제한토크를 발생하는 부위 가 동일하기 때문에 구성부품이 적고, 차동 입력토크에 대한 차동제한 토크 발생의 응답성 이 양호하다. 또한 마찰력을 발생하는 부위가 분산되어 있고, 피니언기어를 차동케이스에 압 착함으로 큰 마찰력을 얻을 수 있기 때문에 통상 점성이 낮은 기어오일의 사용이 가능하다.

71 2.6 종감속기어와 차동장치 67 左 side gear Thrust Washer 右 pinion gear 右 side gear 左 pinion gear 右 pinion gear 右 side gear 左 pinion gear 左 side gear differential gear differential gear 그림 2-90 헬리컬 기어타입 구조 작동 개요 - 직진 시 사이드 기어 사이에 회전차가 발생하지 않으므로 디퍼렌셜 하우징과 일체로 회전한다(내 부기어는 자전하지 않음). - 차동 발생시 좌, 우륜 회전차가 발생하는 경우, 사이드 기어 사이에도 회전차가 발생한다. 이때 피니언 기어들이 상호 역회전(자전)하면서 사이드 기어 주위를 회전(공전)하여 속도차를 흡수하게 된다. 디퍼렌셜 하우징의 회전속도에 대해서 고속측은 피니언 기어의 자전만큼 증속되고 그 만큼 저속측은 감속되므로 차동이 이루어진다(일반 차동장치의 기본 작동원리와 동일함). - 차동제한 시 좌, 우륜의 노면 마찰계수가 다른 경우 또는 급격한 선회 등에 따라 좌, 우륜의 부하에 불 균형이 생기면 사이드 기어의 구동은 서로 영향을 주게 되고 각 사이드 기어와 피니언 기어 사이에 치합 반력이 발생한다. 이 반력에는 축 방향의 추력이 발생하는데 사이드 기어는 엔 드와셔를 밀어 마찰이 발생하며, 또한 반력에 의하여 피니언 기어 자신도 디퍼렌셜 하우징 에 축 방향으로 밀어지는 방향으로 힘을 받는다. 피니언 기어가 직각 방향으로 작용하면 기어의 합력에 의해 하우징 내의 포켓부분 사이에 서 마찰이 발생한다. 2.7 전( 前 )륜 구동차량의 동력전달기구 전( 前 )륜 구동차량은 변속기와 종감속기어, 차동장치가 일체화된 트랜스 액슬에서 앞바퀴 로 동력이 바로 전달된다. 후륜 구동의 프로펠러 샤프트와 유니버설 조인트 대신 드라이브 샤프트가 이를 대신한다. 특히 앞바퀴는 구동과 조향이 함께 이루어지므로 동력전달의 꺾임 각도가 크고 회전 각속도도 등속이어야 한다.

72 68 제2장 동력전달장치 그림 2-91 트랜스 액슬 드라이브 샤프트(좌) 2. 써클링 3. 트랜스액슬 4. 드라이브 샤프트(우) 그림 2-92 전( 前 )륜 구동차량의 동력전달 계통 드라이브 샤프트(Drive shaft) 드라이브 샤프트로 사용되는 등속 조인트는 구동축과 수동축과의 사이에 회전속도와 토크 의 변동이 없이 동력전달이 일정하게 전달되므로 FF자동차의 드라이브 액슬이나 FR 자동 차의 리어 서스펜션이 독립현가식인 액슬 샤프트 등과 같이 큰 각도로 동력을 전달하는 부 분에 주로 사용한다. 이러한 등속 조인트에는 여러 가지 종류가 있다. 그림 2-93과 그림 2-94에서 보는 바 와 같이 휠측(외측)에는 버필드 조인트(Birfield joint 또는 Ball joint)를 차동기어측(내측) 에는 더블 옵셋 조인트(Double offset joint) 또는 트리포드 조인트(Tripod joint)를 사용 한다.

73 2.7 전( 前 )륜구동차량의 동력전달기구 69 θ 구동축 O : 조인트의 각도 θ : 조인트 가 수동축 그림 2-93 버필드 조인트 휠측 디프렌셜측 버필드 조인트 A (a) 트리포드 조인트식 트리포드 조인트 더블 옵셋 조인트 휠측 (b) 더블 옵셋 조인트식(DOJ) 디프렌셜측 그림 2-94 등속 조인트의 연결상태 이들 조인트의 특징은 모두 등속성이 우수하며 소형이면서 취급이 용이하여 FF 자동차의 구동축에 널리 사용되고 있다. 이외에 버필드 조인트의 특징은 최대작동각도 45 (차종에 따라 다소 차이는 있다) 이상에서도 토크 전달이 우수하며, 트리포드와 더블 옵셋 조인트는 축 방향으로의 길이변화를 흡수할 수 있도록 되어 있다. 이 중 버필드형은 그림 2-95와 같 이 인너 레이스(Inner race), 아우터 레이스(Outer race), 6개의 스틸 볼(Steel ball) 그리 고 볼을 지지하는 볼 케이지(Ball cage) 등으로 구성되어 있다. 인너 레이스의 외면은 볼록형의 둥근면 사이에 등 간격으로 된 6개의 안내 홈이 있으며, 아우터 레이스의 내면은 오목형의 둥근면에 인너 레이스에 대응하는 위치에 안내 홈이 있 다. 이들 홈에 동력을 전달하는 볼이 1개씩 끼워져 있으며, 이들 볼은 케이지에 의해 항상 일정 위치에 있도록 유지된다. 2축 사이에 각도가 있을 경우에는 아우터와 인너 레이스의 둥근면이 미끄러지면서, 또 동시에 볼도 안내 홈에서 전동하면서 동력을 전달한다.

74 70 제2장 동력전달장치 아우터 레이스 아우터 레이스 스틸 볼 볼 케이지 인너레이스 그림 2-95 버필드 등속조인트 내부구조 구동축은 앞에서 설명하듯이 FF 자동차에서 차동기어로부터 구동바퀴에 동력을 전달하는 축으로 트랜스 액슬의 위치에 따라 대부분 좌우 축의 길이가 서로 다르다. 휠의 상하운동에 의한 드라이브 샤프트의 각도와 길이의 변화를 흡수하기 위해 휠측에는 버필드형 조인트를, 차동기어 측에는 트리포드형 또는 더블 옵셋형 조인트를 많이 사용하고 있다.. 그림 2-96 전륜 구동차량의 드라이브 샤프트 2.8 4륜구동(4 Wheel drive, All wheel drive) 4륜 구동방식은 파트타임 4WD와 풀타임 4WD로 대별된다. 파트타임 4WD는 앞 또는 뒤 의 2륜구동과 4륜구동 2개의 주행 패턴을 선택할 수 있는 방식을 말하며, 눈길이나 자갈길

75 2.8 4륜구동(4 Wheel drive, All wheel drive) 71 등 같은 미끄러지기 쉬운 도로에서 4륜구동을 사용하기 때문에 셀렉티브 4WD라고도 한다. 4륜구동으로 주행하는 경우 앞, 뒷바퀴의 회전수가 변하지 않기 때문에 건조한 포장로의 급커브 등의 주행에서는 그림 2-97과 같이 앞, 뒷바퀴의 선회 반경차이가 타이어 회전수 차이 및 구동축 회전차이가 되어 앞바퀴는 브레이크에 걸리는 느낌이 들며 또 뒷바퀴는 공 전하는 느낌이 든다. 이것을 타이트 코너 브레이킹(Tight corner braking)현상이라고 한다. 풀타임 4WD는 앞바퀴와 뒷바퀴에 구동력을 전달하는 부분으로 회전차이를 흡수하는 장치 를 붙여서, 타이트 코너 브레이킹 현상을 해소하고 항상 4륜구동으로 주행하는 방식을 말하 며, 이것에 의해 도로조건이나 기상조건 등에 좌우되는 일이 없이 안정된 주행이 가능하다. 4륜구동장치는 기계식, 전자식 등 여러 형식이 있으나 이 장에서는 기계식 4륜구동의 기본 구조만을 설명한다. 최소반경 최대반경 그림 2-97 앞, 뒷바퀴의 선회 반경차이 파트타임 4WD 전륜구동(FF) 및 후륜구동(FR) 자동차의 동력전달구조는 트랜스미션에 부착된 트랜스퍼 케이스에서 전륜 혹은 후륜으로 동력을 전달한다. 이 방식은 필요에 따라서 2WD와 4WD의 절환을 수동조작 등에 의해 전 후륜을 기계적으로 직결하며 직접 조작하는 기계식과 엔진 흡입부압을 이용하여 액추에이터와 솔레노이드로 조작하는 다양한 방식이 있다. 그림 2-98 은 후륜구동에서 전륜에 동력을 전달하는 기계식의 한 예를 나타내고 있다. 이 때 전, 후 차 동장치사이는 완충장치 없이 직결되므로 선회 시 타이트코너 브레이킹 현상이 일어난다.

76 72 제2장 동력전달장치 트랜스퍼 케이스 트랜스퍼 케이스 커버 리어 프로펠러축 컴패니언 플랜지 변속기 입력축 너트 볼트 프런트 프로펠러축 컴패니언 플랜지 그림 2-98 파트타임 4WD 구동부 체인 전륜 후륜 앞바퀴 구동 스프라켓 시프트 포크 앞 스프링 인터룩 핀 4륜 구동 스위치 뒤 스프링 2륜 구동 변속기 뒤 구동축 전륜 후륜 부축 기어 2륜-4륜 구동 시프트 포크 저속 트랜스퍼 케이스 시프트 레버 고속 기어 기어 구동 스프라켓 저ᆞ고속 시프트 포크 4륜 구동 4WD 셀렉트 레버 도그 클러치 트랜스퍼 드리븐 기어 리어 드라이브 기어 싱크로나이저 슬리브 싱크로 나이저 허브 트랜스퍼 드라이브 기어 (a) 2WD시 (b) 4WD시 그림 WD와 4WD의 절환

77 2.8 4륜구동(4 Wheel drive, All wheel drive) 73 디퍼렌셜 시스템 4WD 2WD 트랜스퍼 그림 전륜 구동차량의 후륜 동력전달 구조 (1) 로킹 허브(Locking hub, Hub lock, Free wheel hub) 바퀴와 구동축을 연결 및 끊어주는 장치를 로킹 허브(Locking hub)라 한다. 예를 들어 후륜 구동차량의 4륜구동 시는 구동력이 액슬 샤프트를 통해 모든 바퀴에 전달 되어야 하나 2륜구동에서는 트랜스퍼 케이스에서 앞 차동장치로 구동력을 끊어 전달되지 않 는다. 이때 앞바퀴는 차량의 주행에 의해 공회전하게 되고 앞바퀴의 회전에 의해 앞차축의 액슬 샤프트가 회전하면서 앞 차동장치의 내부장치가 회전하게 되고 앞 프로펠러 샤프트 까 지 회전하게 된다. 이로 인해 연비 및 소음, 마모를 발생시키게 되므로 공회전하는 바퀴에서 액슬 샤프트로 회전이 연결되지 않도록 하는 장치가 필요하다. 즉 로킹 허브는 액슬 샤프트 와 타이어 사이를 체결 및 해제시켜서 2륜구동 주행 때는 타이어와 휠만 회전하게 하는 역 할을 한다. (2) 로킹 허브의 종류 로킹 허브의 종류는 크게 수동식과 자동식으로 나눈다. 1 수동식 : 로킹 허브에 손잡이(다이얼)가 달려 있어 4륜구동이 필요할 때 하차하여 양 쪽의 손잡이를 돌려 로킹 시키는 타입이다. 국내 코란도, 록 스타 등에 적용되고 있다. 그림 수동식 로킹 허브

78 74 제2장 동력전달장치 2 자동식 : 롤러 타입, 캠 타입, 진공 타입으로 3가지가 있다. a 롤러 타입 : 테이퍼 롤러를 이용하여 회전 속도차이에 따라 4륜구동이 작동되는 기 계식 타입으로 무겁고 롤러의 마모가 많은 단점이 있다. b 캠 타입: 캠 형상을 한 기어의 이동에 따라 4륜구동이 작동되는 기계식 타입으로 주 행 중에도 4륜구동으로 전환이 가능하다. 구조가 복잡하고 2륜구동으로 해제할 때 후진을 해야 한다. 4륜구동으로 전환 시 구조적인 충격음이 들린다. 갤로퍼, 스포티 지(97년 이전), 레토나 등에 적용되고 있다. c 진공 타입 : 진공압을 이용하여 허브를 잡아주는 타입으로 로킹 허브의 구조는 간단하나 진공 액츄에이터 등 주변 부품이 많다. 무쏘, 뉴코란도 스타렉스 등에 적 용되고 있다. CADS(Center Axle Disconnect System) 이라고도 한다. 솔레노이드 밸브 진공탱크 차축 하우징 튜브 CADS 진공 액츄에이터 앞 차동장치 그림 진공 타입 CADS(Center Axle Disconnect System)

79 2.8 4륜구동(4 Wheel drive, All wheel drive) 75 프론트 브레이크 어셈블리 프론트 허브 어셈블리 록 너트 록 워셔 워셔 스페이서 액슬 심 부시 액슬 심 스냅링 자동 프리 휠 허브 어셈블리 그림 캠 타입 로킹 허브(프리휠) 풀타임 4WD 전 후륜의 회전 속도차를 흡수하면서 구동력을 전 후륜에 상시 전달하는 것으로서, 전 후륜의 구동력 배분이 항상 일정한 비율로 되는 고정 분배식과 노면 상황이나 주행 상 태 등에 따라서 구동력 분배가 가변으로 되는 가변 분배식으로 분류된다. 가변 분배식에는 비스커스 커플링을 이용하여 입, 출력축의 회전속도 차에 대응한 구동력 분배가 자동적으로 변하는 방식과 센터 디프방식, 전자제어방식 등이 있다. 그림 풀타임 4WD 승용차

80 76 제2장 동력전달장치 리어 액슬 샤프트 비스커스 커플링 No.1 프로펠러 샤프트 리어 디퍼렌셜 No.3 프로펠러 샤프트 No.2 프로펠러 샤프트 그림 비스커스 커플링 방식 4륜구동 (1) 비스커스 커플링(Viscous coupling) 방식 입출력 구동축의 회전속도 차이에 따라 내측 플레이트(Plate)와 외측 플레이트 사이의 회 전차이가 발생하게 되면 비스커스 커플링 내부에 충전되어 있는 점도가 매우 높은 유체(실 리콘)의 점성력에 의한 전단 저항력으로 전달토크가 발생되어 전 후 구동축의 구동력을 조 절한다. 타이트 코너 시 전 후륜의 회전차이를 흡수하면서 파트타임 4WD의 2WD, 4WD 절환조작을 없애 항상 4WD 주행을 가능하도록 하는 장치이다. 입력축 실리콘 오일 스페이서 링 인너 플레이트 케이스 출력축 아우터 플레이트 아우터 플레이트 베어링 베어링 샤프트 인너 플레이트 인너 플레이트 아우터 플레이트 그림 비스커스 커플링 내부 구조 비스커스 커플링을 그림 2-106과 같이 아우터 플레이트(Outer plate), 인너 플레이트 (Inner plate)라 하는 여러 개의 얇은 판과 고점도 실리콘 오일로 구성되어 있다. 아우터 플레이트는 케이스와 일체로 회전하도록 물리어 있으며, 인너 플레이트는 샤프트와 일체로 회전하도록 물리어 있다. 또 스페이서 링(Spacer ring)에 의해 아우터 플레이트는 등간격으 로 배치되며 인너 플레이트는 샤프트의 축 방향으로 움직이도록 되어 있다.

81 2.8 4륜구동(4 Wheel drive, All wheel drive) 77 외치형 다판 구동축(추진축에서) 하우징 액슬축 종감속기어 비스코-커플링 추진축 자재이음 자재이음 증감속장치로 허브 내치형 다판 시동장치 액슬축 (a) 구조 (b) 설치위치 그림 비스커스 커플링 외관 비스커스 커플링은 각 플레이트 사이에서 미끄러질 때 발생하는 마찰력(점성에 의한 저 항)으로 토크를 전달한다. 따라서 이러한 차동유체에는 내구성이 있고, 온도에 의한 점성변 화가 작은 실리콘 오일이 주로 사용된다. 비스커스 커플링의 입출력 회전차가 작을 때 안정적인 토크전달이 되나 회전차이가 커지 면 내부 실리콘의 온도상승으로 부피가 늘어나고 그 압력에 의해 내외측 플레이트가 밀착되 어 직결현상이 일어나고 입출력의 회전수가 동일해 진다. 파트타임 4륜구동과 동일한 조건 이 된다. 이를 험프(Hump)현상이라 한다. 험프현상이 일어나면 회전차가 없어지고 압력, 온도가 내려가 원상태로 회복이 된다. 험프 상태 인너 플레이트 아우터 플레이트 아우터 플레이트 인너 플레이트 그림 험프현상 (2) 센터 디프렌셜(센터디프, Center differential) 방식 4륜구동 주행 중 급선회 시 전 후륜의 회전 편차에 의해 발생되는 타이트 코너 브레이킹 현상을 방지하기 위해 트랜스퍼케이스 내에 있는 차동장치로서 항상 사륜으로 주행하는 풀 타임 방식에 적용되어지는 메커니즘이다. 베벨기어식과 유성기어식이 있다.

82 78 제2장 동력전달장치 파트타임 방식의 트랜스퍼 케이스 내에는 센터 디프 대신 후륜 출력 샤프트만 구성되어 있다. 센터 디프 장치가 있을 경우, 한 바퀴가 진흙탕에 빠져 헛바퀴를 돌 때, 나머지 바퀴 는 전부 가만히 있고 헛도는 바퀴로 모든 구동력이 몰려 빠진 바퀴 하나만 고속회전하게 된 다. 지면의 마찰계수가 제로인 상태에서 한 바퀴가 헛돌고 있다면 나머지 바퀴에는 동력이 전달되지 않아 빠져 나올 수 없게 된다. 이런 문제점을 개선하기 위해 센터 디프에 디프렌 셜기능을 제한하는 디프락(Diff. lock)이라는 기구가 장착된다. 그리고 앞 뒤 차동장치에 LSD기능을 동시에 추가하기도 한다. 트랜스퍼 구동기어 링 기어 앞 디프 피니언 변속기로부터 센터 디프 피니언 센터 디프렌셜 오른쪽 구동축 왼쪽 구동축 앞 디프 사이드 기어 센터 디프렌셜 케이스 트랜스퍼 수동기어 센터 디프 왼쪽 사이드 기어 추진축 그림 횡치엔진의 센터 디프렌셜 동력전달 저고속 변속기구 센터 디프 엔진동력 후차축으로 드라이브체인 앞차축으로 그림 센터 디프방식의 트랜스퍼 케이스 개략도

83 제3장 차축 및 현가장치 최근의 자동차에서는 차축식 외에는 구조상 차축과 현가장치를 구분하는 것이 곤란하므로 차축과 현가를 같이 설명한다. 차축은 바퀴를 통하여 자동차의 중량을 지지하고, 주행 중에는 노면으로부터의 충격하중 도 받으므로 그 하중에 충분히 견딜만한 강도와 강성이 필요하며, 일체 차축식(Rigid axle) 과 분할 차축식(Divided axle)으로 구분한다. 현가장치는 차축과 프레임(Frame)을 연결하고 주행 중 노면에서 받는 진동이나 충격을 흡수, 완화하여 차체와 화물의 손상방지, 승차감 및 안정성을 향상시킨다. 자동차의 현가장 치는 섀시 스프링(Chassis spring), 쇽업쇼버(Shock absorber), 스테빌라이저(Stabilizer) 로 구성된다. 현가장치는 구동바퀴의 구동력, 제동시의 제동력 등을 프레임에 전달하고 또 선회할 때의 원심력을 이겨내 바퀴가 차체에 대해 바른 위치를 갖게 하는 일도 한다. 3.1 스프링의 종류 스프링은 재질에 따라 강(Steel) 스프링, 가스(Gas) 스프링, 유압 스프링, 고무 스프링, 가스와 액체를 동시에 이용한 유공압 스프링 등으로 나누어진다. 합성수지를 재료로 한 판 스프링도 실용화되고 있다. 필요한 성질로는 피로에 강하고, 장시간 사용할 수 있어야 한다. 자동차에는 판 스프링, 코일 스프링, 토션바 스프링, 공기 스프링이 주로 사용되며 고무 스 프링은 보조 스프링으로 사용된다 리프 스프링(Leaf spring) (1) 강판의 탄성을 이용한 것이다. (2) 완충과 동시에 차축과 차체 상호간의 위치를 확보한다. (3) 강도를 높이기 위해 강판을 여러 장 겹쳐서 만든다. 장점 1 스프링 자체의 강성으로 차축을 정해진 위치에 보지할 수 있기 때문에 현가장치의 구 조가 간단하다. 2 판간 마찰에 의한 진동 억제작용이 크다. 3 내구성이 크다.

84 80 제3장 차축 및 현가장치 단점 1 판간 마찰 때문에 작은 진동은 흡수를 못한다. 2 너무 유연한 스프링을 사용하면 보지력이 부족하고 불안정하다. 폭 스팬 메인 리프 그립 밴드 U 볼트 스프링 아이 리프 스프링 새클 플레이트 판 스프링 어셈블리 U-볼트 러버 부싱 프론트 스프링 새클 어셈블리 러버 부싱 프론트 스프링 핀 그림 3-1 판 스프링 코일 스프링(Coil spring) (1) 승차감, 안전성을 크게 요구하는 현가장치에 사용한다. (2) 코일 스프링만으로 차축을 지지할 수 없으므로 조정 암(Control arm) 및 레터럴 로 드(Lateral rod)에 의해 지지한다. (3) 차축이 받는 반동 회전력이나 전후방의 힘은 조정로드를 거쳐 차체에 전달되고 옆방 향의 힘은 레터럴 로드 혹은 파나르 로드를 거쳐 차체에 전달된다.

85 3.1 스프링의 종류 81 레터럴 로드 스테빌라이저 바 차동기어 쇽업쇼버 어퍼 컨트롤 암 로워 암 설치볼트 마운트 설치판 패드 프레임 코일 스프링 설치핀 패드 마운트 뒷차축 하우징 설치볼트 그림 3-2 코일 스프링 설치상태 토션 바 스프링 스프링강의 막대로 되어 있으며, 비틀었을 때 탄성에 의해 제자리에 되돌아가려고 하는 성질을 이용한 것이다(그림 3-3). 4각형으로 되어 있다 프레임 레버 암 앵커 지지 베어링 토션바 4각형으로 되어 있다 그림 3-3 토션바 스프링

86 82 제3장 차축 및 현가장치 스프링의 힘은 바의 길이와 단면적에 따라 정해지고, 코일 스프링과 같이 진동의 감쇠작 용이 없기 때문에 쇽업쇼버를 병용하여야 한다. 토션 바 스프링은 단위 중량당의 에너지 흡 수율이 다른 어느 스프링에 비해 크기 때문에 가볍게 할 수 있고, 구조도 간단한 장점이 있 다. 또 설치방식에는 차체에 평행하게 설치하는 세로방식(그림 3-4)과 직각으로 설치하는 가로방식(그림 3-5)이 있는데 세로방식이 바의 길이에 제한이 없고 설치장소를 크게 차지 하지 않는 장점이 있다. 토션 바 스프링의 단면은 보통 원형이지만 평판 모양의 스프링강을 겹쳐서 만든 것은 사각형으로 되어 있다. 토션 바 스프링은 오른쪽의 것과 왼쪽의 것으로 구분되어 있다. 따라서 위치를 바꾸어 설치하지 않도록 하여야 한다. 각각 R(Right, 오른쪽) 과 L(Left, 왼쪽)의 표시가 되어 있다. 피벗지지 위 컨트롤 암 스핀들 아래 컨트롤 암 토션바 토션바 앵커 토션바 아래 컨트롤 암지지 볼이음 그림 3-4 세로방식 토션 바 스프링 세레이션으로 고정 베어링부 가로 부재 세로 부재 쇽 업쇼버 암 조정식 1 2 스핀들 그림 3-5 가로방식 토션바 스프링

87 3.1 스프링의 종류 83 드라이브 샤프트 후론트 디퍼렌셜 토션바스프링 인너 샤프트 너클 후론트 액슬 허브 그림 3-6 토션바 스프링 장착 구조 공기 스프링 공기 스프링의 구조 배관도는 그림 3-7, 3-8과 같으며 코일 스프링이나 판 스프링 등 다른 일반적인 스프링보다 스프링 상수 K를 변화함으로써 차고가 작용하는 하중에 따라 변 화하지 않고 일정하게 할 수가 있어 현재까지의 스프링 중 가장 승차감이 좋은 현가장치로 사용되고 있다. 그 작동상태는 다음과 같이 요약할 수 있다. (1) 차량 중량이 감소 : 차고가 높으면 레벨링 밸브가 작용하여, 공기 스프링 안의 공기 가 방출되므로 차고가 낮아진다. (2) 차량 중량이 증가 : 차고가 낮으면 공기탱크로 부터 공기를 보충하므로 차고가 높아 진다. (3) 특징 1 하중에 관계없이 차량의 높이를 일정하게 유지한다. 2 하중에 관계없이 스프링 상수가 일정하다. 3 하중의 증가에 관계없이 고유진동수가 일정하다. 4 고주파 진동을 흡수한다(K 자유변수). 5 진동완화로 인한 차의 수명이 연장된다.

88 84 제3장 차축 및 현가장치 어퍼 플레이트 레벨링 밸브 서지 탱크 버퍼 에어백 프로텍터 리저버 탱크로부터 벨로즈 피스톤 차축 그림 3-7 공기 스프링 구조 공기 탱크 압축 레귤레이터 공기압축 게이지 레벨링 밸브 안전 밸브 체크 밸브 레벨링 밸브 워터 트랩 공기 콤프레서 서지 탱크 공 기 서지 탱크 공기 스프링 레벨링 밸브 서지 탱크 스 프 링 그림 3-8 공기 스프링 배관(예) 에어 스프링 쇽업쇼버 레터럴 로드 에어 탱크 어퍼 레디어스 로드 스테빌라이저 바 어셈블리 로워 레디어스 로드 그림 3-9 공기 스프링

89 3.1 스프링의 종류 고무 스프링(Gum spring) 고무는 강에 비하여 자유로운 형상으로 만들 수 있고 작동이 정숙하며, 그 내부마찰에 의 한 감쇠작용을 할 수 있으며, 급유가 필요하지 않은 등의 이점이 있다. 또한, 철과의 접착기 술 진보에 의해 최근 많이 사용하게 되었으나, 큰 하중을 지탱하기 위해서는 부적당하기 때 문에 소형차량이나 그림 3-10과 같이 보조 스프링으로 사용될 때가 많다. 보조 스프링 그림 3-10 고무 스프링 암 (a)나이트 벨트 스프링 (b)할로우 스프링(Hollow spring) 그림 3-11 고무 스프링의 종류 그림 3-11(a)는 나이트 벨트 스프링이라고 불리는 것으로 스윙 암의 작동에 따라 캠을 회전시켜 그 주위에 삽입된 둥근 막대모양의 고무를 압축하여 충격을 흡수하게 되어 있다 섀클(Shackle)의 종류 (1) 압축섀클 : 차량중량에 의하여 섀클 바(Bar)가 압축하중을 받는 경우이다. (2) 인장섀클 : 차량중량에 의하여 섀클 바(Bar)가 인장하중을 받는 경우이다. (3) 고무 부싱섀클 : 스프링 아이와 스프링 아이 볼트사이에 고무부싱을 둔 것을 말한다. (4) 청동 부싱섀클 : 청동부싱이 스프링 아이와 볼트사이에 끼워지며 주기적으로 주유하 여야 한다.

90 86 제3장 차축 및 현가장치 (5) 나사섀클 : U자형 섀클의 양부분에 완만한 나사가 퍼져 있으며, 한쪽은 스프링 아이 에 다른 한쪽은 스프링 행어에 강재의 부싱을 사이에 두고 설치되어 있다. (a) 콤프레서 섀클 (b) 텐션 섀클 그림 3-12 섀클의 종류 3.2 앞 차축 및 앞 현가장치 (1) 차축식 현가장치 1 평행 리프 스프링형 2 가로놓인 리프 스프링형 3 코일 스프링형 4 공기 스프링형 평행 리프 스프링 가로놓인 리프 스프링 패널 로드 코일 스프링 공기 스프링 그림 3-13 차축식의 현가장치 종류

91 3.2 앞 차축 및 앞 현가장치 87 (2) 독립식 현가장치 1 위시본형 a 코일 스프링형 b 토션바 스프링형 c 가로놓인 리프 스프링형 2 맥퍼슨형 3 트레일링 암형(주로 뒷바퀴에 사용) 위시본형 맥퍼슨형 리어 서스펜션 어셈블리 쇽업쇼버 어셈블리 브레이크 캘리퍼 어셈블리 트레일링암 트레일링 암형 주차 브레이크 케이블 엔드 그림 3-14 독립식의 현가장치 종류 일체 차축식 (1) 앞 차축(Front axle) 앞 차축은 I형 단면형상의 양단에 조향너클을 장치하기 위한 킹핀 구멍과 리프 스프링을 부착하기 위한 스프링 시트를 장치한 것으로 특수강을 형단조하여 제작하거나, 또는 중공의 파이프에 킹핀 장치부나 스프링 시트를 용접한다.

92 88 제3장 차축 및 현가장치 킹핀 구멍 스프링 시트 킹핀 구멍 그림 3-15 앞 차축 1 조향너클 a 조향너클에는 바퀴가 장치된다. b 자동차 앞부분의 하중이나 노면에서 받는 충격을 지지함과 동시에 킹핀을 중심으로 회전하여 조향작용을 한다. c 크롬강 등의 특수강을 형단조하여 가공한다. 역 엘리오트형 엘리오트형 마몬형 르모앙형 그림 3-16 조향너클의 종류 킹핀 심 드래그 링크 킹핀 프런트 액슬 너클 너클 암 허브 캡 프런트 휠 허브 타이로드 그림 3-17 조향너클의 구조 (2) 앞 현가장치(Front suspension system) 1 평행판 스프링형 판 스프링은 차체에 평행으로 설치되어 스프링의 한 끝은 핀으로 프레임에 직접 설치하고 다른 한쪽은 스팬의 변화를 수용하기 위하여 섀클(Shackle)로 프레임에 설치하고 있다. 차 축은 스프링 중앙부에 U볼트에 의해 설치하고 그 사이에 캐스터 조정판을 끼워 조정한다.

93 3.2 앞 차축 및 앞 현가장치 89 브레이크 챔버 스테빌라이저 로드 프론트 액슬 어셈블리 드럼 및 브레이크 어셈블리 휠 및 타이어 스테빌라이저 어퍼 브라켓트 러버 부쉬 프론트 스프링 브라켓트 어셈블리 쇽업쇼버 어퍼 브라켓트 범퍼 스톱퍼 쇽업쇼버 어셈블리 스프링 어셈블리 스테빌라이저 로드 B A C 새클 링크 어셈블리 Section A-A 스테빌라이저 바 어셈블리 B A 새클 핀 C 스테빌라이저 케이스 스테빌라이저 부시 C 새클 핀 스테빌라이저 바 어셈블리 쇽업쇼버 어셈블리 스테빌라이저 어셈블리 Section B-B(RH) Section B-B(LH) Section C-C 쇽업쇼버 브래킷 프레임 쇽업쇼버 리바운드 고무 새클 스프링 브래킷 리프 스프링 어셈블리 새클 핀 앞차축 U볼트 캐스터 플레이트 그림 3-18 평행판 스프링 장착 형식

94 90 제3장 차축 및 현가장치 특징 a 특별히 차축을 지지하기 위한 장치가 불필요하다. b 구조가 간단하다. c 너무 유연한 스프링은 사용할 수 없다(기동력, 제동력 및 선회시의 횡항력 등은 모 두 스프링을 거쳐서 차체에 전달된다). 횡항력(Cornering force) : 선회 시 원심력에 의해 타이어가 사이드 슬립하여 발생 하는 힘이다. 2 가로놓인 판 스프링 스프링의 중앙에 U볼트로 프레임에 고정하고, 양쪽 끝은 섀클로 차축에 결합한 형식이다. 축의 위치를 정하기 위하여 프레스 로드(Press rod) 또는 토크 바(Torque bar), 파나르 로드(Panhard rod) 등을 설치하여 앞뒤 방향의 작용력, 브레이크 또는 구동할 때에 발생하 는 반동토크를 받도록 하여 자동차의 안전 상태를 유지한다. 안전성을 더욱 유지하기 위하 여 링크, 로드 등을 이용하여 액슬을 지지한다. 패널 로드 레디어스 타이로드 너클 암 리프 스프링 너클 그림 3-19 가로놓인 리프 스프링형 3 2축식 현가 대형트럭에 주로 사용하는 현가장치이며 앞 차축을 2축(바퀴는 4개)으로 하고 바퀴의 수 를 증가하여 1축 당 하중을 감소시킨다. 앞 4개의 바퀴를 조향 조작 하므로 동력조향장치 (Power steering)가 필요하다.

95 3.2 앞 차축 및 앞 현가장치 91 프런트 액슬 브레이크 드럼 판 스프링 스테빌라이저 그림 축식 현가장치 독립식 독립식은 차축과 현가장치의 구별이 명확하지 않으므로 같이 설명한다. 이 형식은 차축을 분할하여 양쪽 바퀴가 서로 관계없이 움직이도록 한 것으로써 승차감과 안전성이 향상되게 한 것이다. 그림 3-21 독립식 현가장치

96 92 제3장 차축 및 현가장치 독립식 현가장치의 장 단점은 다음과 같다. 장점 1 스프링 아래 부분의 질량(스프링 하중량)이 작아 승차감이 좋다. 2 바퀴가 시미를 잘 일으키지 않고 로드 홀딩(Rod holding)이 우수하다. 3 스프링 정수가 작은 유연한 것을 사용할 수 있다. 4 차고를 낮출 수 있으므로 안정성이 향상된다. 단점 1 구조가 복잡하므로 가격이나 취급 및 정비면에서 불리하다. 2 볼 이음부가 많으므로 그 마멸에 의한 앞바퀴 정렬이 틀려지기 쉽다. 3 바퀴의 상하운동에 따라 윤거(Tread)나 앞바퀴 정렬이 틀려지기 쉬워 타이어 마멸이 크다. 독립식 현가장치에는 위시본형, 맥퍼슨형, 트레일링 링크형, 스윙차축형, 듀보네형 등이 있 다. 주로 많이 사용하는 것은 위시본형식과 맥퍼슨형식이다. (1) 위시본형 이 형식은 아래, 위 컨트롤 암의 길이에 따라서 평행사변형 형식과 SLA형식이 있다. 바 퀴에 발생하는 제동력이나 코너링포스 등은 모두 암이 지지하며 스프링은 상하 하중만 지지 하는 구조이다. 스프링배치에 따라 그림 3-22와 같은 종류가 있으나 일반적으로 (a)의 형 식이 많이 사용된다. 조향 너클과 현가 암은 볼조인트(Ball joint)로 연결된다. 볼조인트는 현가 암의 상하운동 과 스티어링 휠을 꺽었을 때 너클의 회전베어링 기능을 겸한다. 위시본형은 상하 각각 장착 이 되며 어퍼 볼조인트는 피벗(Pivot) 작용을 하고 로어 볼조인트는 하중지지와 피벗 역할 을 겸한다. 프릭션 조인트(Friction joint)는 피벗역할만 하고 웨이트 캐링 조인트(Weight carring joint)는 하중지지와 피벗용이다. 휠 스프링 토션 바 쇽업쇼버 쇽업쇼버 (a) (b) (c) 그림 3-22 위시본 형식의 종류

97 3.2 앞 차축 및 앞 현가장치 93 어퍼 암 축 어퍼 현가 암 어퍼 볼 조인트 코일 스프링 조향 너클 로어 암 축 쇽업쇼버 스테빌라이저 로어 현가 암 로어 볼 조인트 그림 3-23 위시본 현가장치 구조 1 평행사변형 형식(Parallelogram type) 이 형식은 아래, 위 컨트롤 암을 연결하는 4점이 평행사변형을 이루고 있는 것이며, 바퀴 가 상하운동을 하면 조향너클과 연결되는 두 점이 평행 이동을 하게 되어 윤거가 변화되므 로 타이어 마모가 촉진된다. 그러나 캠버의 변화가 없으므로 커브 주행에서 안전성이 증대 된다. 위 핀 위 컨트롤 암 쇽업쇼버 스핀들 서포트 평행 이동한다. 아래 핀 아래 컨트롤 암 아래 핀 코일 스프링 윤거가 변화한다. 그림 3-24 평행사변형 위시본 현가장치 2 SLA형(Short Long Arm type) 이 형식은 아래 컨트롤 암이 위 컨트롤 암보다 긴 형식으로써 바퀴가 상하운동을 하면 위 컨트롤 암은 작은 원호를 그리고, 아래 컨트롤 암은 큰 원호를 그리게 되어 컨트롤 암이 움 직일 때마다 캠버가 변화하는 결점이 있다.

98 94 제3장 차축 및 현가장치 위 볼이음 위 컨트롤 암 조향너클 스핀들 아래 컨트롤 암 아래 볼이음 그림 3-25 볼 이음 조향너클 SLA 형식은 컨트롤 암이 주로 볼 이음(Ball joint)으로 조향너클과 연결되어 있다. 이 경 우 위, 아래 볼 이음의 중심선이 킹핀 중심선 역할을 하며 이 볼 이음의 중심선을 조향축 (Steering axle)이라고 한다. (a) 캠버가 변하지 않고 트레드가 변화한다. (b) 캠버는 변화하지만 트레드가 변화하지 않는다. 그림 3-26 SAL형, 평행사변형 비교 (2) 맥퍼슨형(Mcpherson type) 이 형식은 조향너클과 일체로 되어 있으며 쇽업쇼버가 내부에 들어있는 스트럿(Strut) 및 볼이음, 컨트롤 암 스프링 등으로 구성되어 있다. 스트럿 상부는 현가 지지를 통하여 차체에 설치되고 현가 지지에는 스러스트 베어링이 들어 있으므로 스트럿이 자유롭게 회전될 수 있 다. 그리고 하부는 볼 이음을 통하여 현가 암에 설치되어 있다. 스프링은 코일 스프링을 사용 하며, 스트럿과 스프링 시트 사이에 설치되고 스프링 시트는 현가 지지의 스러스트 베어링 과 접촉되어 있다. 따라서, 차량 중량은 현가 지지를 통하여 차체를 지지하고 조향을 할 때 에는 조향너클과 함께 스러스트가 회전한다. 그림 3-27은 맥퍼슨 현가장치이다.

99 3.2 앞 차축 및 앞 현가장치 95 맥퍼슨 형식 특징 1 구조가 간단하므로 마모되거나 손상되는 부분이 적고 정비하기에 쉽다. 2 스프링 밑 질량이 작아 로드 홀딩이 우수하다. 3 엔진실의 유효체적을 크게 할 수 있다. 스트러트 더스트 커버 서브 프레임 프론트 스트러트 스테빌라이저 바 링크 너클 스테빌라이저 바 로워 암 그림 3-27 맥퍼슨 현가장치 3.3 뒷차축 및 뒤현가 일체차축식 일반적인 FR 차량의 구동 부분이 뒤에 있으므로 뒷차축 및 현가장치는 구동력을 차체에 전달함과 동시에 하중을 지지하는 역할을 한다. 동력전달장치의 최종 감속기어, 차동기어 및

100 96 제3장 차축 및 현가장치 뒷 액슬축이 장치된 액슬 하우징으로 구성되어 있으며 양 끝에는 브레이크 및 스프링을 장 착한다. 종류는 벤죠우형(Banjo type), 스플릿형(Split type) 등이 있다. (1) 벤죠우형(Banjo type) 1 종감속기어를 캐리어와 같이 액슬 하우징에서 들어낼 수 있다. 2 취급과 기어의 조정이 쉽다. 3 강판을 프레스 가공 후 용접한 것과 주강제, 강과 주철로 제작한다. 4 대량 생산에 적합하며 현재 많이 사용된다. 5 윤활공급이 어렵다. 플랜저 볼트 구멍 베어링 액슬축 성형되지 않았다 하우징 스플라인 액슬축 그림 3-28 뒷차축 하우징 그림 3-29 벤죠우형 뒷차축 하우징 그림 3-30 스플릿형 뒷차축 하우징 (2) 스플릿형(Split type) 1 좌우의 하우징을 수직면에서 좌우로 분할한다. 2 종감속기어와 뒷차축을 견고히 지지한다. 3 공작이나 취급이 복잡하고 점검조정이 곤란하다. 4 현재는 사용하고 있지 않다.

101 3.3 뒷차축 및 뒤현가 97 (3) 뒤 액슬 샤프트(Rear axle shaft) 종감속기어와 차동기어로부터 구동력을 받아 구동바퀴에 전달하는 역할을 하며 안쪽 끝은 스플라인(Spline)으로 차동사이드기어에 물려 있고 바깥 끝은 구동바퀴에 연결되어 있다. 바깥 끝 모양은 너트 타입(Nut type)으로 된 것과 플랜지(Flange)로 된 것이 있다. 액슬 하우징과 액슬 샤프트의 지지방법은 전부동식, 반부동식, 3/4부동식이 있다. 차축 액슬 하우징 디퍼렌셜 종감속 기어 오일 실 뒷바퀴 와셔 허브 휠 바깥 실 브레이크 배킹판 볼트 하우징 액슬축 액슬축 플랜지로 되어있다 축에 끼워져 있는 강재의 링이 베어링을 지지한다. (a) 너트 키 (b) 볼 베어링 안 실 그림 3-31 뒷차축의 구성과 구조 1 전부동식(Full floating axle) a 하우징의 끝부분에 휠 전체가 베어링을 사이에 두고 설치한다. b 차축은 허브(Hub)에 볼트로 설치한다. c 수직, 수평 하중을 비롯하여 충격 및 휠에 걸리는 옆방향의 작용력 등 전부를 하우 징이 받는다. d 차축은 동력전달만 한다. e 바퀴를 빼내지 않고도 차축을 떼어낼 수 있다. f 하중이 크고 전달회전력이 큰 대형트럭, 버스 등에 사용된다.

102 98 제3장 차축 및 현가장치 베어링 휠 허브 액슬 하우징 2중 고정너트 차축 그림 3-32 전부동식 2 반부동식(Semi-floating axle) a 구동바퀴를 직접 차축 바깥 끝에 설치한다. b 차축은 베어링을 사이에 두고 차축 하우징에 설치한다. c 내부 고정 장치를 풀지 않고는 차축을 떼어 내지 못한다. d 차축은 구동회전력에 의해 비틀림과 수직, 수평하중과 충격 등의 외력을 받는다. e 구조가 간단하여 보통승용차, 소형트럭 등에 쓰인다. 베어링 액슬 하우징 차축 베어링 하우징 스플라인 휠 장착부 그림 3-33 반부동식 3 3/4부동식(Three-Quarter floating axle type) a 반부동식과 전부동식의 중간되는 구조이다. b 축의 바깥 끝에 바깥 허브를 설치한다. c 차축 하우징에 한 개의 베어링을 사이에 두고 허브를 지지한다. d 차축 하우징이 수직과 수평하중을 받는다. e 차축은 거의 외력을 받지 않는다. f 대형승용차, 소형화물차 등에 쓰인다. 휠 허브 베어링 액슬 하우징 차축 그림 /4부동식

103 3.3 뒷차축 및 뒤현가 99 (4) 데디온형 차축(Dedion axle) 1 뒷차축식으로 특수한 것이다. 2 좌우의 바퀴는 1개의 차축 튜브에 장치한다. 3 차축 튜브는 판 스프링에 의해 프레임에 지지한다. 4 동력전달은 차체 측에 장치된 종감속기어로 부터 유니버셜 조인트 붙임 축에 의해 전 달한다. 특징 a 이형식의 판 스프링은 평행판 스프링 현가와 같이 차축을 지지하며 제동 및 구동 토 크의 반력도 받지만, 뒷차축이 경량화 되므로 스프링 하중량이 작아지며 승차감이나 로드 홀딩이 좋아진다. b 승용차나 스포츠카에 사용된다. 베어링 하우징 허브 요크 차축 구동 피니언 액슬 튜브 링기어 그림 3-35 데디온 차축 (5) 뒤 현가장치 일체 차축식 앞 현가장치의 평행판 스프링형을 주로 사용하며 대형 화물차의 경우 화물 등으로 뒷부분의 하중이 크므로 보조 스프링을 추가 하거나 2축식(그림 3-20)을 채용한다. (a) 평행 리프 스프링형 (b) 가로놓임 리프 스프링형 (c) 코일 스프링형 (d) 데디온형 (e) 공기 스프링형 그림 3-36 차축식 뒤 현가장치의 종류

104 100 제3장 차축 및 현가장치 헬퍼 스프링 U볼트 메인 스프링 뒷차축 그림 3-37 보조 스프링 장착구조 1 호치키스 구동식(Hotchkiss drive), 토크튜브(Torque tube)식 차축을 스프링위에 설치하는 그림 3-38의 현수식(Underslung suspension)과 밑에 설 치하는 그림 3-39의 오버항식(Overhung suspension)이 있다. 일반적으로 지상고를 낮추 기 위해 현수식을 많이 사용한다. 유연한 스프링을 사용할 수 없는 단점을 보완하기위해 뒷 차축에 그림 3-40의 토크튜브(Torque tube)를 장치하여 유연한 스프링을 사용하는 방식 도 있다. 토크튜브가 뒷차축이 받는 반동토크나 전후방의 힘을 받아준다. 통상의 평행 스프 링방식을 호치키스 구동(Hotchkiss drive)이라 한다. 프레임 스프링 새클 리프 스프링 쇽업쇼버 스프링 U볼트 스프링 브레킷 그림 3-38(a) 현수식 구조(계속)

105 3.3 뒷차축 및 뒤현가 101 범퍼 고무 U볼트 스프링 섀클 섀클 핀 리어 스프링 센터 볼트 뒷차축 그림 3-38(b) 현수식 구조 U볼트 메인 스프링 뒷차축 쇽업쇼버 스테빌라이저 브라켓 판스프링 U볼트 리어 액슬 그림 3-39 오버항식 구조 (a) 토크 튜브식 구동 구동 휠 토크 튜브 변속기 토크 튜브 뒷차축 (b) 호치키스 구동 추진축 추진축 유니버설 조인트 그림 3-40 토크튜브 및 호치키스구동

106 102 제3장 차축 및 현가장치 할로우 스프링 그림 3-41 고무 보조스프링 그림 3-41은 보조 스프링으로 고무제의 할로우 스프링(Hollow spring)을 사용한 예이 다. 2 2축식 a 트리니언식(보기식) 트리니언 축에 스프링을 장착하고 스프링 양단에 차축을 각각 설치하는 구조이다. 차축 의 거리를 짧게 할 수 있는 장점이 있으나 하중이 트리니언 축에 집중되는 단점이 있으며 차축의 회전운동을 막기 위해 레디어스로드, 토크로드를 설치해야 한다. b 2축식 스프링 2개를 직렬로 연결하고 스프링 각각에 차축을 장착하는 구조이다. 하중을 3군데 분산하여 프레임에 전달하므로 하중분산의 장점이 있으나 차축의 거리가 길어지는 단점이 있다. 레디어스 로드 리어 리어 액슬 판 스프링 리어 프론트 액슬 트리니언 베이스 그림 3-42(a) 트리니언식 구조(계속)

107 3.3 뒷차축 및 뒤현가 103 스테빌라이저 V-암 로드 쇽 업소버 리어 액슬 로어 레디어스 로드 트리니언 리어 프런트 액슬 판 스프링 토크 로드 트리니언 브래킷 토크 로드 볼트 러프 스프링 트래니언 축 스프링 시트 토크 로드 리프 스프링 베이링 스프링 시트 그림 3-42(b) 트리니언식 구조 그림 3-43 대형트럭용 2축식 현가장치

108 104 제3장 차축 및 현가장치 3 코일 스프링식 승용차에서는 코일 스프링을 뒤 현가장치로 사용하지만 코일 스프링 만으로는 차축을 유 지할 수 없으므로 전후방향의 힘을 받는 컨트롤 암과 좌, 우 횡방향의 힘을 받는 레터럴 로 드를 동시 장착하는 구조이며 트레일링 링크식에 속한다. 쇽 업소버 코일 스프링 레테럴 컨트롤 로드 어퍼 컨트롤 암 뒷차축 어퍼 컨트롤 암 그림 3-44 일체차축 코일스프링 현가장치 독립식 차축을 분할하여 양쪽 바퀴가 서로 관계없이 움직이게 하여 승차감이나 안전성이 향상되 도록 한 것이다. 스윙 액슬형 트레일링 암형 세미트레일링 암형 다이어고널 링크형 그림 3-45 독립식 뒤현가

109 3.3 뒷차축 및 뒤현가 105 (1) 스윙 차축형(Swing axle type) 일체식 차축을 중앙에서 둘로 분할하고, 분할한 점을 중심으로 하여 양쪽의 차축이 스윙 하는 구조이다. 코너링 롤 중앙 그림 3-46 스윙 차축식 1 바퀴의 상하운동에 따라 캠버, 윤거 등이 크게 변화하기 때문에 앞차축에는 알맞지 않 아 주로 뒷차축 현가에 사용한다. 2 바퀴의 상하운동에 따르는 윤거의 변화는 타이어를 옆으로 미끄러지게 하고 또 마멸을 촉진시킨다. 3 하중변동이 큰 트럭 등에서는 캠버의 변화가 격렬하기 때문에 주행에 지장이 생기는 일이 있어 주로 승용차에 많이 사용된다. 4 차체의 롤링 중심이 높게 되기 때문에 선회할 때 차체의 경사가 작아 안정성이 향상된 다. 5 스프링은 코일 스프링을 사용한다. 래디어스 로드 그림 3-47 스윙 액슬과 래디어스 로드의 병용 예

110 106 제3장 차축 및 현가장치 (2) 트레일링 암형(Trailing arm type) 1 앞바퀴 구동차의 뒤 현가에 사용한다. 2 스프링은 코일 스프링, 토션 바 스프링을 사용한다. 3 횡방향의 강성관계 때문에 암의 길이가 제한되므로 토션 바 스프링에서는 변형이 커지 기 쉬우며 코일 스프링에서는 굽힘변형을 받기 쉽다. 4 바퀴 상하 운동으로 윤거, 토인 캠버가 불변한다. 트레일링 암 스프링 장착부 뒷바퀴 그림 3-48 트레일링 암 형식 (3) 세미 트레일링 암형(Semi trailing arm type) 1 트레일링 암형과 스윙 축형의 중간형이다. 2 독립식 뒤현가에 사용한다. 3 바퀴가 지지하는 암이 뒤쪽으로 비스듬히 튀어나온 형식이다. 4 바퀴가 상하운동을 하면 트레드, 캠버 및 토우각도가 변화하므로 축에는 2개의 자재이 음과 슬립조인트가 필요하다.

111 3.3 뒷차축 및 뒤현가 107 평면도 현가암 종감속기어 스테빌라이저 액슬축 쇽업쇼버 그림 3-49 세미 트레일링 암형 (4) 스트럿형(Strut type, 토션 바형) 스트럿형은 그림 3-50과 같이 트레일링 암은 전후방향의 위치를 결정하고, 래터럴 로드 (Lateral rod)는 횡방향의 위치를 결정한다. 또 양 휠을 연결하는 리어 액슬은 토션 바로 되어있기 때문에 토션 바형 또는 트레일링 암형이라고도 한다. 토션 바는 선회 시 트레일링 암의 비틀림을 보정해 주는 역할을 하기 때문에 차체의 경사를 억제하고, 캠버의 변화가 없 어 승차감이 우수하다. 주로 승합차에 많이 사용되며 아래와 같은 특징이 있다. 1 타이어가 항상 노면에 대하여 수직으로 접지하기 때문에 접지력이 우수하다. 2 스테빌라이저(Stabilizer; 차체의 요동방지) 효과가 우수하다. 3 장기간 사용하여도 소음이 적다. 4 구조가 간단하여 정비성이 우수하며 트렁크 룸을 크게 할 수 있다.

112 108 제3장 차축 및 현가장치 쇽업쇼버 래터럴 로드 트레일링 암 액슬 빔 토션바 그림 3-50 스트럿형 (5)다이어고널 형 이 형식은 세미 트레일링 형식에 비해 바퀴가 상하운동을 하였을 때 캠버, 트레드, 토우 각도의 변화가 큰 것이 특징이다. 캠버나 토우의 각도가 변화하여 액슬 조향효과를 이용한 조종 특성을 얻을 수 있다. 다이어고널 링크 디퍼렌셜 차축 그림 3-51 디이어고널 링크형

113 3.4 스테빌라이져(Stabilizer) 스테빌라이져(Stabilizer) 유연한 스프링을 사용하면 선회 시 원심력에 의해 차체의 기울기가 증가한다. 특히 독립 식 현가장치는 그 경향이 심하다. 스테빌라이져 스태빌라이져 그림 3-52 스테빌라이져 선회 시 차체의 기울어짐을 감소시키기 위하여 토션바를 이용한 스테빌라이져를 장착 한 다. 그림 3-52와 같이 양끝은 좌우의 로어 암에 연결하고 중앙부는 차체에 고정된다. 좌우 바퀴가 동시에 상하로 움직이면 작동하지 않지만 좌우의 상하작동이 틀릴 경우 스테빌라이 져가 비틀려짐으로 인해 그 스프링 힘으로 차체의 기울기를 감소시킨다. 3.5 쇽업쇼버 쇽업쇼버는 스프링이 받는 진동을 흡수, 완화하여 승차감을 좋게 하기 위하여 설치된다. 이것은 스프링의 피로를 작게 하고, 스프링의 상하 운동 에너지를 열로 변환시켜 진동을 감 쇠시킨다. 그림 3-53과 같이 가늘고 긴 실린더, 피스톤, 오일 오리피스, 오일 등으로 구성되어 있으 며, 스프링이 압축되었다가 원위치로 되돌아올 때 작은 구멍을 통과하는 오일의 저항으로 진동을 감쇠시키는 단동식과 압축시킬 때에도 감쇠 작용을 하도록 한 복동식이 있다. 그림 3-55는 쇽업쇼버가 있을 때와 없을 때의 스프링 진동과 시간을 나타내었으며 여기 서 쇽업쇼버는 스프링의 진동폭과 진동시간을 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있다.

114 110 제3장 차축 및 현가장치 그림 3-53 위시본 현가장치에 장착된 쇽업쇼버 및 내부구조 실린더 밸브 오일 오리피스 피스톤 오일 오리피스 단동식 그림 3-54 텔레스코핑 형식 복동식 스 프 링 진 동 Shock absorber 무 Shock absorber 유 시간 그림 3-55 차량의 진동특성

115 3.5 쇽업쇼버 속업쇼버 종류 고체 마찰식과 유압식이 있으며 고체 마찰식은 현재 사용되지 않고 있다. (1)유압식 쇽업쇼버 1 텔레스코핑 형식 단동식은 신장 시만 오일의 저항 작용을 하고 복동식은 압축, 신장 모두 오일의 저항 작 용을 한다. 장점 a 마찰손실이 적다. b 유압이 비교적 낮게 사용된다. c 구조가 간단하다. 단점 a 피스톤 행정이 길다. b 실린더 공작이 어렵다. 2 드가르봉식(가스봉입식) 특징 a 구조가 유압식에 비해 조금 복잡하다(오일, 체크밸브, 프리 피스톤, 가스). b 작동 시 오일거품의 발생이 없다. c 바깥 통이 한 겹으로 되어 방열효과가 양호하다. d 가스의 압력으로 인한 분해의 위험이 있다(질소가스를 사용). 압축 시 작동 밸브의 바깥둘레가 열림 오일 B실 이동 A실의 압축, 자유피스톤 하강 질소 팽창, 자유 피스톤 상승, A실 오일압이 상승함에 따라 서서히 피스톤 로드가 내려온다. 팽창 시 작동 오일은 B A실로 이동시 A실의 오일압력이 저하하고 자유피스톤은 원래의 위치로 돌아 간다. 일반적으로 성능이 좋아 고급자동차에 최근에 널리 사용되고 있다. (2) 레버타입 쇽업쇼버 1 피스톤식 그림 3-57에서 링크 로드가 차체의 하중을 받으면 앵커 레버가 좌측으로 이동하면서 리 턴 스프링의 작용에 의하여 오일은 릴리스 밸브를 통하여 서서히 우측으로 이동하며 하중 제거 시에는 오일흐름이 반대로 유동하여 차체의 진동을 흡수한다.

116 112 제3장 차축 및 현가장치 장점 : 차체에 설치가 용이하다. 단점 : 구조가 복잡하고, 무겁다. 압 축 시 로 드 오 일 실 B 피 스 톤 오일 프리 피스톤 질소가스 (30kgf/cm 2 ) 밸 브 오 일 실 A 압축시 팽창시 그림 3-56 드가르봉식의 작동 프레임의 사이드 멤버 로크 너트 로크 볼트 최대 작용 각도 링 로드 쇽 업소버 레버 섀시 스프링 브래킷 앵커ᆞ샤프트 릴리즈 밸브 레버 흡입밸브 앵커 레버 리턴 스프링 피스톤 피스톤 헤드 그림 3-57 피스톤식 쇽업쇼버

117 3.6 현가장치의 진동 회전 날개식 레버에 의해 날개가 움직이면, 케이스의 칸막이벽과 날개 사이에 있는 오일구멍을 통해 오일이 반대쪽 압력실에 유입되며, 이 때 오일의 유동저항이 진동의 감쇠작용을 한다. 이 형 식은 날개바퀴가 회전축의 일부로 되어 있어 구조가 간단하고 소형으로 할 수 있는 장점을 가지고 있으나 오일이 새기 쉽기 때문에 정밀하게 다듬질하여야 하고 높은 점도의 오일을 사용하여야하는 단점이 있다. 현재는 그다지 사용되지 않는다. 날개 바퀴 압력실 축 오일 탱크 밸브 스프링 칸막이 조정 스크류 밸브 레버 케이스 그림 3-58 회전날개식 쇽업쇼버 (3) 쇽업쇼버(Shock absorber)의 기초용어 1 행정 쇽업쇼버의 작동범위이다. 2 감쇠력 a 오버 댐핑(Over damping) : 딱딱한 느낌이 든다. b 언더 댐핑(Under damping) : 감쇠효과가 적다. 3.6 현가장치의 진동 스프링(Spring) 위 질량의 진동 1 상하 진동(Bouncing) 차체가 상하방향으로 평행운동을 하는 고유진동이다. 2 피칭(Pitching) 차체가 전후로 운동을 하는 고유진동이며 축거에 따라 영향을 많이 받는다. 3 롤링(Rolling) 차체가 좌, 우로 흔들릴 때 나타나는 고유진동이며 윤거의 영향을 많이 받는다.

118 114 제3장 차축 및 현가장치 4 요우잉(Yawing) 차체의 전면이 회전운동 시 일어나는 고유진동이며 차체의 전체가 중복되어 발생한다 스프링(Spring) 밑 질량의 진동 1 휠 하프(Wheel hop) : 뒷차축의 상, 하 평행운동 시 일어나는 진동이다. 2 휠 트램프(Wheel tramp) : 구동 피니언의 회전운동 시 일어나는 진동이다. 3 윈드 업(Wind-up) : 뒤 구동축의 회전 시 일어나는 진동이다 (a) 스프링 위 질량의 진동 (b) 스프링 밑 질량의 진동 그림 3-59 현가장치의 진동 진동수와 승차감 자동차가 주행 시 가장 좋은 승차감은 cyc1e/min로 보고 있다 스프링 고유진동수 여기서 : 질량(kg f ) : (cycles/sec) : 스프링상수(kg f /mm) : 9800(mm/sec) 의 식으로 나타낼 수 있다.

119 제4장 조향장치 조향장치는 자동차의 진행방향을 운전자의 의도에 따라 임의의 방향으로 바꾸어 주는 장 치이다. 스티어링 기어에 의해 회전을 감속하여 토크를 증대시켜 프런트 휠에 전달된다. 따 라서 스티어링 휠 조작력이 경감되어 조작이 용이하며, 노면으로 부터의 충격을 경감시켜 준다. (1) 조향장치 역할 1 전륜을 원하는 방향으로 조향한다. 2 운전자의 물리적인 힘에 의해 형성된 조향 모멘트를 바퀴로 조향하는데 필요한 모멘트 수준으로 증강시킨다. 3 커브주행 시 좌우차륜의 조향각이 차이가 나도록 한다. 그림 4-1 조향장치 (2) 조향장치 종류 1 애커먼 장토방식(Ackerman Jantoud type steering system) : 대부분 차량에 사용 된다. 2 5륜 조향방식(Fifth wheel steering system) : 트레일러에 사용된다. 3 4륜 조향시스템(All wheel steering system) : 회전반경이 작고 주행 안정성이 높다.

120 116 제4장 조향장치 (3) 애커먼 장토식 조향원리 현재 사용되고 있는 조향장치 원리는 애커먼 장토식이며 다음과 같은 구조로 되어 있다. 1 차량이 직진위치에 있을 때 조향너클암, 타이로드 그리고 앞차축이 사다리꼴 모양이라 는 데서 조향 사다리꼴 메커니즘이라는 말이 유래된다. 다른 말로는 애커먼 장토식 메 커니즘이라고도 한다. 2 조향너클암은 조향너클과 일체로 되어 있고, 조향너클은 볼트 또는 볼 죠인트로 현가 장치에 지지되어 있다. 3 직진 시에 타이로드는 앞 차축에 평행하다. 커브 주행 시엔 조향너클이 조향되고 따라 서 휠이 조향되어야 한다. 조향너클과 너클암이 90 가 아니면 어느 한쪽으로 조향할 경우 타이로드는 앞 차축에 대하여 더 이상 평행할 수 없게 된다. 따라서 양쪽 너클암 의 끝부분이 운동한 거리에는 큰 차이가 나게 된다. 이와 같은 원리에서 커브 내측륜 과 커브 외측륜의 조향각은 항상 서로 차이가 있게 된다. A 앞차축 α : 바깥쪽 휠 조향각 β : 안쪽 휠 조향각 B 최소 회전반경 L a b C 0 D 뒷차축 중심의 연장선 뒷차축 애커먼 장토식 원활하지 않는 선회 그림 4-2 애커먼 장토식 비교 선회하는 안쪽바퀴의 조향각(<b)이 바깥바퀴 조향각(<a)보다 크게 되어 뒷차축 연장선상 의 한 점 0을 중심으로 동심원을 그리며 선회함으로써 양쪽바퀴가 옆 방향으로 미끄러지는 것을 방지하고 핸들조작에 따른 저항을 줄일 수 있다. a. 좌회전 b. 직진 c. 우회전 그림 4-3 조향사다리꼴 기구

121 제4장 조향장치 117 (ᄀ) 최소회전반경(R) 조향각도( α)를 최대로 하고 선회했을 때 그려지는 동심원 중 맨 바깥쪽 바퀴가 그리는 원의 반경이다. 1 법규상(자동차 안전기준 규칙 제9조) a 소형자동차 : 6m 이내 2 실제상 a 소형승용차 : 4.5 6m 3 최소회전반경(R) b 소형 이외 : 12m 이내 b 대형트럭 : 7 10m sin 여기서 L : 축거 : 바깥쪽 바퀴의 조향각 : 바퀴 접지면 중심과 킹핀과의 거리 실제 최대회전각 는 회전방향의 바깥쪽 회전각임을 유의하여야 한다. (ᄂ) 코너링 포스(Cornering force) 자동차의 속도가 증가함에 따라 원심력이 작용하므로 자동차는 커브의 바깥쪽을 향하여 옆으로 미끄러지면서 진행한다. 이 미끄럼 결과 노면에서 각 타이어에 옆 방향 힘이 작용한 다. 이것을 코너링 포스(Cornering force)라 하며, 각 바퀴의 코너링 포스를 합성한 것과 원심력이 평형 된 상태에서 자동차는 선회한다. 바퀴가 옆으로 미끄러지면, 바퀴의 진행방향 은 그림 4-4와 같이 바퀴의 중심면의 방향과 일치되지 않는다. 이때 이 각도를 미끄럼각이 라 한다. 이와 같이 차가 옆으로 미끄러지고 있을 경우, 타이어는 그림 4-4와 같이 변형을 일으키므로 원상태로 되돌아가려고 한다. 이 결과 타이어와 노면의 마찰력 때문에 노면으로 부터 타이어의 오른쪽 방향으로 힘이 작용한다. 이것을 코너링 포스라 한다. 진행방향=바퀴의 중심선 진행방향 타이어 접촉면 바퀴의 중심선 그림 4-4 코너링 포스

122 118 제4장 조향장치 (ᄃ) 조향축의 회전력 조향축의 회전력은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다. 여기서 : 섹터축의 회전력(mᆞkg f ) : 휠의 반경(m) : 휠의 작용력(kg f ) : 감속비 : 기계 효율(%) (4) 조향장치의 조건 1 노면의 충격이 핸들에 전달되지 않아야 하며 적당한 회전감각이 있을 것 2 조작이 용이하고 방향전환이 원활하게 이루어질 것 3 좁은 곳에서도 방향전환을 할 수 있도록 회전반경이 작을 것 4 고속주행에서도 조향핸들이 안정될 것 5 조향 휠의 회전과 구동 휠 선회의 차가 크지 않을 것 6 선회 시 저항이 적고 선회 후 복원성이 좋을 것 통상의 선회 주행 시에는 원심력이 발생하며, 그 원심력에 해당하는 구심력을 발생하지 않으면 옆으로 미끄러질 것이다. 이 구심력을 일으키는 것이 그림 4-5에서 보는 바와 같이 타이어이다. 주행 중 일어나는 이러한 여러 가지 기구학적인 운동관계를 위해서 그림 4-5 와 같이 킹 핀과 타이로드의 양단을 잇는 그 연장선이 리어 액슬의 중심에 만나도록 하고, 너클 암과 타이로드를 둘러 싼 부분이 사다리꼴이 되도록 하여야 한다. θ 0 프런트 액슬 a f A>B A : 외륜 꺾임각 B : 내륜 꺾임각 V G C.G. F f r O' B' A B B A P B a r Fr O (a) 극히 저속 선회 시 (b) 통상의 선회 시 O : 선회중심 r : 선회반경 F : 원심력 β : 차의 자세각 F f : 전륜 코너링 포스(구심력) θ 0 : 타이어 꺾임각 α f : 전륜 옆 미끄럼각 α r : 후륜 옆 미끄럼각 그림 4-5 선회 시 자동차의 자세

123 제4장 조향장치 119 이러한 원리는 앞에 설명한 바와 같이 애커먼(Ackerman Rudoloh)에 의해 발명되고, 장 토(Jantoud Charles)에 의해 개량된 것으로 애커먼 장토의 원리라 한다. 킹핀 너클 암 타이로드 좌 회전시 코일스프링 조향핸들 스티어링 컬럼 기어장치 차체 스트러트 앞바퀴 타이로드 앞바퀴 리어액슬 그림 4-6 애커먼 장토 원리 및 조향장치 이들 원리를 기본으로 한 조향장치를 대별하면 그림 4-7과 같이 조향조작기구, 조향기어 기구, 조향링크기구 3가지로 구성되어 있다. 1 조향 조작기구 운전자의 핸들 조작력을 조향 기어 및 링크기구에 전달하는 부분이 스티어링 휠, 스티어 링 샤프트, 컬럼으로 구성된다. 2 조향 기어기구 조작력의 방향을 바꾸어줌과 동시에 토크를 증대시켜 조향 링크기구에 전달하는 기구이며 프레임에 고정된다. 3 조향 링크기구 기어기구의 작동을 프런트 휠에 전달함과 동시에 좌우 프런트 휠의 관계를 일정하게 유지 하는 기구이며 피트만암, 드래그링크, 너클암 및 타이로드 등으로 구성된다.

124 120 제4장 조향장치 조향 휠 조작기구 조향 휠 조향축 조향 칼럼 조향 기어 조향축 피트먼 암 킹핀 조향 기어 릴레이 로드 너클 드래그 링크 기어기구 피트먼 암 아이들러 암 타이로드 암 너클 암 링크기구 너클 암 타이로드 독립 현가식 일체 차축식 스티어링 휠 혼 패드 다기능 스위치 스티어링 컬럼 어퍼 쉬라우드 스티어링 컬럼 샤프트 마운팅 볼트 유니버셜 조인트 어셈블리 스티어링 휠 록크너트 스티어링 컬럼 로워 쉬라우드 키이록크 어셈블리 스티어링 컬럼 샤프트 어셈블리 로워 크래쉬 패드 스티어링 기어박스 어셈블리 그림 4-7 조향장치의 구성

125 4.1 조향 조작기구 조향 조작기구 조향 조작 기구는 그림 4-8과 같이 스티어링 휠, 조향 샤프트, 조향 컬럼(Column) 등으 로 구성되어 있으며 운전자의 조작력을 기어기구에 전달하는 부분이며, 운전자의 안전을 도 모하기 위해 여러 가지의 안전장치가 있다. 또 여기에는 핸들 로크, 혼 스위치(Horn switch), 라이트 스위치 등 여러 가지 스위치들이 설치되어 있다. 킹핀 조향너클 암 조향너클 암 휠 피벗 프론트 액슬 드래그 링크 타이로드 타이로드 피트먼 암 조향기어 피트먼 암 릴레이 로드 아이들 암 조향기둥 조향핸들 조향 기어 조향 휠 일체식 독립식 그림 4-8 조향기구 스티어링 휠 및 컬럼 스티어링 휠은 허브, 스포크(Spoke) 및 림(Rim)으로 되어있으며 조향축과의 설치는 보통 테이퍼축을 사용하고 키나 볼트로 고정하고 있다. 조향 컬럼은 조향핸들의 회전을 조향기어의 웜에 전달하는 축이며 웜과 스플라인을 통해 끼워져 있거나 용접되어 있다 조향 샤프트(Steering shaft) 조향 샤프트는 승용차인 경우 보통 의 경사로 장착되어 있다. 충돌사고 등이 일어났을 때 운전자가 관성에 의해 앞으로 넘어져 핸들에 신체가 닿았을 경우 부상을 경감 시키는 구조인 충격흡수식 스티어링 휠(Collapsible handle)의 장착을 의무화하고 있다. 충 격흡수식 스티어링 휠은 충돌시 차체파손(1차 충돌)이 되면 조향장치가 운전자 측에 돌출하 여 운전자에게 위해를 가하는 것을 방지함과 동시에 운전자가 관성으로 조향장치에 접촉(2 차 충돌)하였을 때 의충격을 완화시켜 주는 구조로 되어 있다. 충격흡수식 스티어링 휠에는

126 122 제4장 조향장치 스틸볼(Steel ball)식(볼 습동식), 벨로우즈(Bellows)식, 메시(Mesh)식이 있으며 어느 것 이나 컬럼 튜브와 조향 샤프트를 어퍼(Upper : 윗부분)와 로워(Lower : 아랫부분)로 2분 할하여 규정 이상의 충격력이 가해지면 수축하도록 되어 있다. 그림 4-10은 스틸볼식의 한 예로써 어퍼와 로워 컬럼 튜브 사이에 스틸볼을 압입하여 접속하였다. 또 어퍼와 로워 조향 샤프트는 플라스틱 핀으로 접속하였으며 어퍼 튜브는 일정 충격력이 차체에 가해지면 떨어 지도록 캡슐(Capsule)로 취부되어 있다. 자동차가 충돌하면 충격력에 의해 컬럼 튜브를 압 축하고, 이때 스틸볼이 어퍼와 로워 컬럼 튜브의 접촉면에 홈을 만들면서 전동하기 때문에 컬럼 튜브의 길이가 줄어든다. 이때의 저항에 의해 충격에너지를 흡수하는데 이때 어퍼와 로워 조향 샤프트를 접속시키고 있는 플라스틱 핀이 절단되어 로워 조향 샤프트 안으로 어 퍼 조향 샤프트가 압입되어 스티어링 휠이 운전석 측으로 돌출하는 것을 방지한다. 다음에 운전자의 몸이 스티어링 휠에 부딪치면 컬럼 브래킷의 캡슐이 떨어져 컬럼 튜브와 조향 샤 프트 사이를 다시 줄어들게 하여 재차 충격에너지를 흡수한다. 그림 4-11과 그림 4-12는 벨로우즈식과 메시식의 구조를 각각 나타낸다. 이 경우에는 벨로우즈부 또는 메시부가 변형 되면서 충격에너지를 흡수한다. 정상의 조향핸들 중심선의 위치 75mm 조향 핸들 릴리스 레버 그림 4-9 틸트, 틸트 및 텔레스코핑 스티어링 휠 로워 컬럼 튜브 어퍼 컬럼 튜브 스토퍼 어퍼 조향 샤프트 컬럼 커버 플라스틱 핀 캡슐 어퍼 조향 샤프트 브래킷 로워 조향 샤프트 컬럼부시 세레이션 어퍼 컬럼 튜브 로워 조향 샤프트 스틸 볼 로워 컬럼 튜브 그림 4-10 스틸볼식 충격흡수장치 그림 4-11 벨로즈식 충격흡수장치

127 4.1 조향 조작기구 123 충돌전 컬럼 수축량 충돌후 그림 4-12 메시식 충격흡수장치 4.2 조향 기어기구 조향 기어기구는 조향 휠의 작동을 감속하여 회전력을 키움과 동시에 운동방향을 바꾸어 링크기구에 전달하는 기구이며, 그 감속비를 조향 기어비라 한다. 조향 기어비는 다음 식으 로 구한다. 조향휠이 움직인 각도 조향기어비 피트먼암이 움직인 각도 핸들 조작력을 가볍게 하기 위해서는 조향 기어비를 크게 하면 좋지만, 위의 식에서 피트 먼 암(Pitman arm)의 움직임 양에 대하여 핸들의 작동량이 커지므로 조향 조작이 둔감해 진다. 자동차의 중량이 클 경우 프런트 휠을 킹핀의 중심으로 회전시키기 위해서는 큰 토크가 필요하다. 즉, 운전자의 핸들 조작력이 일정하다면 자동차 중량이 클수록 조향 기어비를 크 게 하여야 한다. 일반적으로 승용차, 소형트럭 등에서 12 21, 대형차에서는 정도 의 기어비로 되어 있다. 그러나 기어비를 크게 하면 핸들조작이 둔해지므로 보조기구로서 배력장치를 이용하고 있다. 기계식 조향기어의 형식은 다음과 같다. 1 랙 피니언형 2 웜 섹터형 3 웜 섹터 롤러형 4 볼 너트형 5 가변 기어비형

128 124 제4장 조향장치 조향기어의 형식 (1) 랙 피니언 형식(Rack and pinion type) 랙 피니언은 피니언의 회전을 랙의 직선운동으로 바꾸어 양단의 타이로드를 거쳐서 조향 바퀴를 선회시키는 구조이다. 랙이 조향 링키지의 일부가 되며 구조가 간단하고 경량이다. 타이로드 어셈블리 더스트 커버 A 더스트 캡 피드 튜브 C A 랙 하우징 C 타이로드 엔드 어셈블리 랙 하우징 오일씰 베어링 피드 튜브 베어링 너트 베어링 오일씰 벨로우즈 더스트 커버 더스트 캡 밸브 보디 하우징 피니언 밸브 어셈블리 서포트 요크 록크 너트 부싱 요크 플러그 랙 서포트 스프링 엔드 플러그 랙 타이로드 어셈블리 너트 타이로드 엔드 그림 4-13 랙 피니언 형식 스틸밴드 벨로우즈 클립 더스트 커버 특징 1 조향핸들의 회전운동을 랙을 통해 직접 직선운동으로 바꾼다. 2 소형 경량이며 낮게 설치 가능함 3 노면으로부터 충격이 직접 핸들에 전달된다. 4 소형승용차에 많이 이용된다. (2) 웜섹터 형식(Worm and sector type) 특징 1 웜의 회전운동이 섹터를 통해 피트먼 암에 전달된다.

129 4.2 조향 기어기구 핸들의 조작력이 많이 든다. 3 현재 거의 사용되지 않는다. 조향 웜 편심 조정 슬리브 조정 슬리브 죔 너트 섹터축 섹터 조정나사 스러스터 와셔 조향기어 하우징 조향기어 조정 리벳 섹터축의 부시 피트먼 암 기어 하우징 커버 조향 휠 조향 칼럼 조향 축 웜 섹터 프레임 피트먼 암 그림 4-14 웜섹터 형식

130 126 제4장 조향장치 (3) 웜섹터 롤러형식(Worm and sector roller type) 특징 1 웜섹터 형식의 발전형 2 웜과 섹터간의 섭동마찰을 전동마찰로 전환시킨 형식으로 소형승용차에 많이 이용된 다. 시임 웜 시임 조향축 웜 오프셋 기어 하우징 섹터 롤러 오일 시일 하 우 징 커 버 심 조정나사 섹터 롤러 (a) 섹터 축 피트먼 암 섹터 축 (b) 시임 조정나사 조향 주축 웜 기어 하우징 섹터 롤러 섹터 축 그림 4-15 웜섹터 롤러형식 (4) 볼 너트형식(Ball and nut type) 특징 1 큰 하중에 견디고 마멸이 작다. 2 볼이 순환하면 너트는 직선운동을 하고 섹터는 원호운동을 한다. 3 교환할 때는 세트로 교환한다.

131 4.2 조향 기어기구 127 웜 축 웜 베어링 조정나사 볼 볼 너트 로크 너트 섹터 그림 4-16 볼 너트형식 (5) 가변 기어비형식(Variable ratio type) L C D A B A>B C<D 직진시 L C D A B 최대 조향각 그림 4-17 가변 기어비 형식 가변 기어비형의 조향기어는 섹터 샤프트와 웜기어 형상이 그림 4-17과 같으며, 스티어 링 휠 직진 시에는 조향기어비가 작고 스티어링 휠을 최대로 돌렸을 때는 조향기어비가 크 도록 되어 있다. 특히 섹터 샤프트는 가운데 이의 피치반경이 바깥쪽 기어 이보다 작은 구 조로 되어 있다. 따라서 직진 시에는 섹터 샤프트의 피치 반경이 작은 가운데의 이가 웜기 어와 물리기 때문에 기어비가 작고, 스티어링 휠을 완전히 꺾었을 때는 섹터 샤프트의 피치 반경이 큰 바깥쪽 기어 이와 웜기어가 물리기 때문에 기어비가 크다. 그림 4-17과 같이 A>B, C<D의 관계가 있기 때문에 볼 너트를 L만큼 이동시키기 위해서는 운전자의 스티어링 휠 회전량은 동일하지만 섹터 샤프트의 피치 반경이 A>B로 되어 있기 때문에 섹터 샤프트

132 128 제4장 조향장치 의 회전각도는 다르다. 따라서 고속도로와 같이 주로 직진주행을 할 때는 기어비가 작기 때 문에 스티어링 휠의 조종성이 좋다. 반대로 시내주행에서 골목길을 돌 때나 차고에 넣을 때 등은 기어비가 크고, 토크가 증대되므로 스티어링 휠의 조작이 가벼운 이점이 있다 조향기어 운동방식 조향기어는 조향조작이 경쾌하고 운전자의 피로를 적게 하며 스티어링 휠을 놓치는 것을 방지하기 위해 앞바퀴가 노면에서 충격을 받았을 때 그 충격이 스티어링 휠에 미치지 않는 성질이 요구된다. 그 때문에 힘의 전달방향에 따라 기계효율이 다른 기어가 필요하다. 1 비가역식 스티어링 휠을 돌리면 앞바퀴를 움직일 수 있으나 그 반대로는 움직이지 않는 방식(바퀴 의 충격이 스티어링 휠에 전달되지 않는 형식)이다. a 스티어링 휠을 놓치는 일은 없다. b 각 부분에 마모가 쉽고, 복원성을 이용할 수 없다. c 대형차량에 주로 적용되고 있다. 2 가역식 바퀴의 힘이 스티어링 휠에 전달되는 방식이다. a 충격에 의해 스티어링 휠을 놓치기 쉽다. b 마모가 적고 복원성을 유효하게 이용한다. c 소형차량에 주로 적용되고 있다. 3 반가역식 바퀴의 힘이 스티어링 휠에 어느 정도 전달되는 형식이다. 4.3 조향 링크(Steering linkage)기구 조향 링크기구는 조향기어로부터의 힘을 프런트 휠에 전달하는 기구이며, 각종 로드 (Rod), 암(Arm) 등으로 구성되어 있다 차축현가식 조향링크 기구 차축현가식용 링크기구는 그림 4-18과 같이 피트먼 암, 드래그 링크(Drag link), 너클 암(Knuckle arm), 타이로드(Tie rod) 등으로 구성되어 있다.

133 4.3 조향 링크(Steering linkage)기구 129 조향 기어 피트먼 암 드래그 링크 너클 암 조향 너클 타이 로드 엔드 타이 로드 너클 암 그림 4-18 차축현가식 조향링크 기구 (1) 피트먼 암(Pitman arm) 피트먼 암은 조향 기어기구 작동을 드래그 링크 또는 릴레이 로드에 전달하는 기능을 한 다. 그림 4-19와 같이 한쪽 끝은 테이퍼로 된 세레이션을 이용하여 섹터 샤프트에 조립되 어 있고, 다른 한쪽 끝은 볼 스터드(Ball stud)로 드래그 링크와 조립되어 있다. 이 밖에 조 향기어 배치에 따라 피트먼 암이 상하로 움직이는 것과 좌우로 움직이는 것이 있다. 승용차 에서 드래그 링크를 사용하지 않기 때문에 피트먼 암이 좌우로 움직이는 것으로, 직접 릴레 이로드에 전달되어 타이로드를 거쳐 휠이 움직인다. 피트먼 암 세레이션 섹터축(중심축) 피트먼 암 그림 4-19 피트만 암 (2) 드래그 링크(Drug link) 드래그 링크는 피트먼 암의 작용을 너클 암에 전달하는 역할을 하는 것이다. 드래그 링크 의 양단은 그림 4-20과 같이 볼 죠인트로 결합되어 있으며 노면으로부터의 충격이 조향기 어에 전달되지 않도록 스프링이 들어 있다.

134 130 제4장 조향장치 너클 암측 피트먼 암측 볼 시트 플러그 코터핀 너클 암 스프링 드래그 링크 피트먼 암 스프링 스프링 시트 그림 4-20 드래그 링크 (3) 너클 암(Knuckle arm) 너클 암은 좌우에 있으며 스티어링 휠 측의 것은 드래그 링크와 조향 너클을 연결하며, 그 중간에 타이로드 엔드가 조립되어 있다. 반대 측의 것은 타이로드 엔드와 조향 너클을 연결하고 있다. 조향 기어 피트먼 암 드래그 링크 조향 너클 너클 암 그림 4-21 너클 암 (4) 타이로드(Tie rod) 타이로드는 좌우 너클 암이 동시에 움직이기 위한 로드로써 양단에 타이로드 엔드가 조립 되어 있다. 타이로드와 타이로드 엔드와의 결합부는 한쪽은 오른나사, 다른 한쪽은 왼나사로 되어 있기 때문에 타이로드를 회전시키면 토인(Toe-In)의 조정이 가능하다. 더스트 커버 볼 시트 그림 4-22 타이로드 엔드

135 4.3 조향 링크(Steering linkage)기구 독립 현가식용 조향 링크기구 조향 링크기구는 승용차의 독립현가장치 일 경우 좌우의 앞바퀴가 따로따로 상하 운동을 하므로 그림 4-23과 같이 타이로드 2개를 사용하여 각각의 타이로드 엔드로부터 좌우의 너클암과 접속 한다. 이 경우 만약 1개의 타이로드로 양 휠을 연결하면 휠이 상하로 움직일 때는 토인이 어긋나게 된다. 타이로드와 타이로드 엔드 사이에는 토우인을 조정 할 수 있는 볼트 너트로 이루어진 어져스팅 튜브가 있다. 피트먼 암은 기어기구의 작동을 릴레이 로드에 전달하는 역할을 하며 그 구조는 차축현가 식용과 동일하다. 릴레이 로드(Relay rod)는 아이들러 암(Idler arm)과 피트먼 암에 지지 되어 있으며, 피트먼 암의 움직임에 따라 양측 타이로드를 좌우로 움직이게 하는 역할을 한 다. 타이로드는 앞에서 설명한 바와 같이 좌우로 분할되어 있으며 각 타이로드 중간에는 토 인을 조정하기 위한 어져스팅 튜브(Adjusting tube)가 있다. 이 튜브의 양단에는 왼나사와 오른나사로 되어 있기 때문에 이 튜브를 돌리면 타이로드의 길이가 조정된다. 너클 암은 타 이로드와 조향너클을 연결하는 암이다. 프레임 아이들러 암 서포트 섹터와 섹터 샤프트 아이들러 암 조향 샤프트 웜 기어 피트먼 암 조향너클 타이로드(우측) 릴레이 로드 타이로드(좌측) 휠 스핀들 그림 4-23 독립 현가식용 조향 링크기구 전륜 2차축 차축현가식용 조향 링크기구 그림 4-24와 같이 전륜 2차축에는 앞에서 설명한 차축 현가식 프런트 액슬과 같은 구조 로 된 액슬이 2개인 경우이다. 주로 덤프트럭과 같이 적재중량이 큰 차량에 사용하며 회전 반경을 짧게 하고 적재하중 분포를 분산시키기 위한 장치이며, 조향 시 4개의 타이어가 조 향된다. 4륜을 연동시켜 조작하기 때문에 드래그 링크, 링크 로드 그리고 슬리브 레버 등으 로 연결되어 있으며 기구는 보통의 차축현가식용 링크기구와 동일하다.

136 132 제4장 조향장치 파워 스티어링 오일 리저버(메인 리저버) 파워 스티어링 부스터 스티어링 기어암 1차 드래그 링크 2차 드래그 링크 커넥팅 로드 이머젼시 리저버 파워 스티어링 오일 펌프 이머젼시 펌프 이머젼시 펌프 3차 드래그 링크 보조 실린더 그림 차축 차축현가식용 조향 링크기구(동력조향) 일체식 현가장치와 독립식 현가장치의 비교 일체식은 요즘에 와서 거의 사용되지 않는 실정이며 거의 대부분이 독립식 현가장치를 이 루고 있다. 일체식과 독립식을 요약해서 비교하면 다음과 같이 설명할 수 있다. (1) 일체식 현가 1 구성 a 조향기어(Steering gear) b 피트먼 암(Pitman arm) c 드래그 링크(Drag link) d 조향너클 e 타이로드 1개 2 동력 전달순서 조향축 피트먼 암 드래그 링크 타이로드 조향너클 타이어 순으로 전달된 다.

137 4.3 조향 링크(Steering linkage)기구 133 킹핀 조향 너클 암 드래그 링크 타이로드 피트먼 암 조향기어 조향기둥 조향핸들 그림 4-25 일체차축식 링크기구 (2) 독립식 현가 1 구성 a 조향기어 b 피트먼 암 c 아이들 암 d 타이로드 2개 e 조향 너클 2 동력 전달순서 조향축 피트먼 암 릴레이 로드 아이들 암 타이로드 조향너클 타이어 순으로 전달된다. 조향기어 박스 아이들러 암 너클 암 타이로드 피트먼 암 릴레이 로드 타이로드 너클 암 그림 4-26 독립현가식 조향장치

138 134 제4장 조향장치 각부의 기능 (1) 조향핸들 1 허브, 스포크, 림으로 구성된다. 2 조향축과 설치 : 테이퍼 축과 끼워지며 키나 볼트로 고정한다. 3 직경은 보통 450mm 정도이다. 4 핸들유격 : 30 60mm 정도이다. (2) 조향축 1 회전을 조향기어의 웜에 전달 2 축과 조향기어 사이에 탄성체 이음 3 설치 경사각 : (3) 조향기어 1 핸들의 운동방향을 바꾸고 조향력을 증대시킨다. 2 구비조건 a 선회 시 반력을 억제할 수 있어야 한다. b 선회 시 감각을 알 수 있어야 한다. c 복원성능이 있어야 한다. d 약간의 충격은 핸들에 전달하여 운전자가 감각을 느낄 수 있어야 한다. 3 조향기어비 핸들이 움직인각 피트먼암이 움직인각 조향기어비가 작으면 조향조작은 민첩하나 큰 회전력이 필요하고 조향기어비가 크면 핸들 조작은 가벼우나 조향조작이 늦어진다. 그림 4-27에서 조향기어비는 다음과 같다. 핸들이 1회전(360 )하면 피트먼 암이 30 가 된다. 따라서 조향기어비는 12:1이다. 4 핸들 조작력을 가볍게 하는 방법 a 타이어의 공기압을 높인다. b 동력 조향장치를 사용한다. c 주행속도를 높인다.

139 4.4 동력 조향장치 감속비= 기어상자 조향핸들 피트먼 암 30 그림 4-27 조향 기어비 4.4 동력 조향장치 자동차의 대형화 및 저압 타이어의 사용으로 앞바퀴의 접지압과 면적이 증가되어 조향 조 작력이 증대되므로 인하여 신속하고 경쾌한 조향이 어렵다. 따라서 가볍고 원활한 조향조작 을 하기 위하여 별도의 동력장치를 설치하여 스티어링 휠 조작 시 조작력의 일부를 동력으 로 대치시켜 운전자의 조작력을 경감하고 안전한 조향이 되게 한다. 일반적으로 엔진의 동 력으로 오일펌프를 구동하여 발생한 유압을 사용하고 있으며 오일펌프, 유압조절부, 동력실 린더, 스티어링 기어, 제어밸브와 상호 연결을 하는 유압 호스 등으로 구성 된다. 장점 1 조향 조작력이 작아도 된다. 2 조향 조작력에 관계없이 조향 기어비를 선정할 수 있다. 3 노면으로부터의 충격 및 진동을 흡수한다. 4 앞바퀴의 시미현상을 방지할 수 있다. 5 조향조작이 경쾌하고 신속하다. 단점 1 구조가 복잡하고 가격이 비싸다. 2 고장 시 정비가 어렵다. 3 오일펌프 구동에 엔진의 출력이 일부 소모된다.

140 136 제4장 조향장치 오일 저장탱크 오일펌프 너클암 타이로드 센터 링크 제어밸브 피트먼 암 동력 실린더 프레임 피스톤 로드 오일 통로 그림 4-28 동력조향장치 구조 핀 쿨러 오일 펌프 그림 4-29 동력조향장치 구조(독립현가장치) 파워 스티어링 오일 리저버 파워 스티어링 오일 펌프 파워 스티어링 부스터 드래그 링크 스티어링 기어 암 그림 4-30 동력조향장치 구조(일체 차축식)

141 4.4 동력 조향장치 동력 조향장치 분류 (1) 링키지형(Linkage type) 동력 실린더를 조향 링키지 중간에 설치한 형식으로써 조합형과 분리형이 있다. 1 조합형(Combined type) 동력 실린더와 제어밸브가 일체로 되어 있고 기어박스가 분리된 형식이며 취부 공간이 크 며 링크구조가 복잡하다. 오일 탱크 릴리프 밸브 오일 펌프 오일 파이프 앵커 브래킷 프레임 드래그 링크 링크 레버 피트먼 암 커넥팅 로드 그림 4-31 조합형 2 분리형(Separate type) 기어박스, 동력 실린더와 제어밸브가 각각 분리되어 있는 형식으로써 설치장소의 제한을 받는 소형 산업기계, 농기계 등에 주로 사용한다. 제어밸브 동력 실린더 오일 펌프 그림 4-32 분리형

142 138 제4장 조향장치 (2) 일체형(Integral type) 동력 실린더, 제어밸브를 조향기어 박스 내에 설치한 형식이다. 1 볼 너트형식(Ball and nut type) 조향기어 하우징과 볼 너트를 직접 동력기구로 사용하게 한 형식으로 조향기어 박스 상부 와 하부를 동력 실린더로 사용한다. 어큐뮬레이터 베인 펌프 동력 피스톤 너트 밸브 보디 웜 축 No.2 플래퍼 No.1 플래퍼 크로스 축 그림 4-33 볼너트 형식 기어박스 2 랙 피니언 형식(Rack and pinion type) 랙이 링크의 로드를 겸하여 구조가 간단하다. 승용차 등에 대부분 사용되고 있다. 타이로드 엔드 타이로드 벨로우즈 피드 튜브 유니버셜 조인트 벨로우즈 타이로드 타이로드 엔드 그림 4-34(a) 랙 피니언 형식 내부 구조(계속)

143 4.4 동력 조향장치 139 피드 튜브 파워 스티어링 기어박스 마운팅 클램프 밸브 보디 하우징 볼트 피니언 밸브 어셈블리 오일씰 요크 플러그 오일씰 타이로드 엔드 너트 벨로우즈 클립 랙 랙하우징 로크 너트 랙스포터 스프링 랙스포터 요크 더스트 커버 벨로우즈 와이어 클램프 오일씰 타이로드 씨클립 오일씰 랙스포터 그림 4-34 랙 피니언 형식 내부 구조 3 세미 인터그럴 타입(Semi-integral type) 제어밸브와 기어박스가 일체로 되어 있으며 동력실린더만 분리된 형식 오일 리저버 오일 펌프 제어 밸브 타이로드 동력 실린더 그림 4-35 세미 인터그럴 타입

144 140 제4장 조향장치 동력 조향장치의 구조 동력 조향장치는 작동부(Power cylinder), 제어부(Control valve), 동력부(Power pump)의 3주요부와 최고 유량을 제어하는 유량조절밸브(Flow control valve), 최고 유압 을 제어하는 압력조절밸브(Pressure relief valve), 동력부가 고장 났을 때 수동 조작을 가 능하게 해주는 안전체크밸브 등으로 구성되어 있다. (1) 오일펌프(Oil pump) 동력부 오일펌프는 유압을 발생시키는 기구로써 엔진의 크랭크축에 의하여 V벨트로 구동된다. 종 류에는 베인형, 로터리형, 슬리퍼형이 있으며 베인형(Vane type)을 주로 사용하므로 베인 형의 작동과 구조에 대해서만 설명하기로 한다. 베인형의 구조는 펌프보디, 펌프축, 로터, 캠링(Cam ring) 및 펌프축을 지지하는 베어링으로 구성되어 있다. 작동은 베인이 회전하면서 펌프 보디의 안쪽면과 접촉하고, 펌프 보디의 안쪽면은 타원형 으로 2개의 펌프실이 있어, 로터(Rotor)가 회전하면 베인이 방사선상으로 섭동하여 베인사 이의 공간을 증감시키게 된다. 공간이 증가될 때에는 오일이 저장탱크로부터 들어오고 감소 되면 출구를 통하여 내보내진다. (2) 동력 실린더(Power cylinder) 동력 실린더는 실린더 내에 피스톤과 피스톤 로드가 내장되어 있으며 오일펌프에서 발생 한 유압유를 피스톤에 작용시켜서 조향방향 쪽으로 힘을 가해주는 장치이다. 그리고 동력 실린더는 피스톤에 의해 2개의 방(Chamber)으로 분리되어 있으며 한쪽 방 에 유압유가 들어오면 다른 쪽 방에 들어있던 유압유는 오일 저장탱크로 복귀하는 복동식 실린더이다. (3) 제어밸브(Control valve) 제어밸브는 조향 휠의 조작력을 조절해 주는 기구이며 조향 휠을 돌려 피트먼 암에 힘을 가하면 오일펌프에서 보내준 유압유를 조향방향으로 동력 실린더의 피스톤이 작동하도록 유 로를 변환시킨다. 제어밸브의 구조는 밸브 보디와 그 속에서 축 방향으로 섭동하여 밸브작 용을 하는 밸브 스풀로 구성되며 피트먼 암의 움직임이 엑츄에이터를 거쳐서 밸브 스풀에 전달된다. 밸브 보디 안쪽 둘레에는 3개의 홈과 오일펌프에서 보내준 유압유를 동력 실린더 2개의 방으로 공급하기 위한 오일 통로가 있다. 밸브 스풀에는 밸브 보디에 있는 3개의 홈 에 대응하는 3개의 랜드가 있어 밸브 스풀의 이동에 따라 밸브 보디의 오일 통로를 개폐한 다. 그리고 밸브 스풀의 좌우에는 실 리테이너(Seal retainer)와 밸브 스풀 양끝 면으로 구 성되는 반작용실(Reaction chamber)이 있으므로 오일이 랜드에 있는 오리피스를 거쳐 유 출입되어 조향할 때 밸브 스풀에 대응하는 반력을 발생시켜 운전자에게 조향감각을 준다.

145 4.4 동력 조향장치 141 배출 캠링 흡입 흡입 회전 방향 배출 마운팅 볼트 O-링 캠 링 부쉬 커넥트 O-링 스프링 O-링 (아웃터) O-링 (인너) 오일 펌프 사이드 플레이트 록 핀 오일펌프 커버 어셈블리 풀리 및 드라이브 샤프트 어셈블리 베인 로터 사이드 플레이트 스프링 마운팅 볼트 오일씰 O-링 프론트 하우징 부쉬 흡입 파이프 그림 4-36 오일펌프 작동과 내부구조 리액션 챔버 볼 조인트 리액션 스프링 그루브 유로 오리피스 액추에이터 밸브 볼트 랜드 밸브 스풀 리액션 챔버 그림 4-37 동력실린더 구조

146 142 제4장 조향장치 반작용실 볼이음 반작용 스프링 홈 오일 동력 실린더 피스톤 로드 작동기 오리피스 랜드 밸브보디 밸브스풀 반작용실 피스톤 그림 4-38 제어밸브 구조 (4) 안전 체크밸브(Safety check valve) 안전 체크밸브는 제어밸브 속에 내장되어 있으며 엔진이 정지되었을 때 또는 오일펌프의 고장 및 회로에서의 오일누출 등의 원인으로 유압이 발생되지 못할 때 조향 휠의 작동을 수 동으로 할 수 있도록 해주는 장치이다. 작동순서는 동력조향부가 고장 났을 때 조향 휠을 조작하면 동력 실린더가 작동하여 실린 더 한쪽 방의 오일은 압력을 가하고, 반대쪽 방은 부압상태로 되므로 안전 체크밸브가 열려 압력이 가해진 쪽 방의 오일이 부압 쪽의 방으로 들여보내어 수동조작이 가능하도록 한다. 그러나 유압이 정상일 때는 유압에 의해 닫혀서 오일의 흐름을 차단한다. 오일저장탱크 안 전 체 크 밸 브 유입측 유출측 오일펌프 그림 4-39 안전 체크밸브 동력 조향장치의 작동 여러 형식이 있으나 주로 사용되는 일체형의 랙 피니언 형식(Rack and pinion type)만

147 4.4 동력 조향장치 143 설명 한다. 이 형식의 제어밸브는 로터리 밸브(Rotary valve)를 이용하며 유압유는 압력호 스가 고압 파이프를 거쳐 제어밸브로 유입되며 운전자가 조향 휠을 회전하면 유압유는 동력 실린더의 A나 B로 들어가 랙을 좌 또는 우측으로 이동시켜 배력작용을 얻는 방식이다. 1 작동원리 랙과 피니언의 동력 조향장치는 수동식에 오일펌프, 제어밸브 및 동력 실린더를 부착하고 있다. 즉, 랙과 피니언의 하우징 자체를 동력 실린더로 하고 오일펌프에서 발생한 유압을 제 어밸브가 조절하여 배력시키는 형식으로써 유량 조절밸브는 고속으로 주행할 때 저항이 큰 조향력으로 확보하기 위해 엔진의 회전수에 대하여 유량을 조절하며 작동원리는 다음과 같 다. a V벨트에 의해 오일펌프(1)가 구동되어 유압유가 토출된다. b 토출된 유압유는 오일펌프 내에 부착된 유량 제어밸브(2)에서 엔진회전 수 감응 작용으로 적당하게 유량이 조절되어 압력호스(12)를 경유하여 제어밸브(4)에 공급 된다. c 조향 휠을 회전시키면 피니언에 연결된 제어밸브(4)가 작동되고 조향방 향에 따 라 유압유의 회로가 형성된다. 유압유는 파이프(6)를 통해 동력 실린더 A에 가해지 거나 파이프(5)를 통하여 동력 실린더 B에 가해진다. d 동력 실린더 A에 유압유가 가해질 때에는 동력 실린더 B의 유압유는 파이프(5), 제 어밸브(4) 및 리턴호스(8)를 통해 오일 저장탱크(9)로 돌아오며 동력 실린더 B에 유압유가 가해지면 동력 실린더 A에 있던 유압유는 파이프(6), 제어밸브(4) 및 리 턴호스(8)를 통하여 오일 저장탱크로 복귀된다. 피니언측 랙(10) 동력 실린더(7) A B 동력 실린더(11) 제어밸브(4) 파이프 고압파이프(3) 오일저장탱크(9) 유압파이프(5) 유량제어밸브(2) 유압파이프(6) 커넥터 오일펌프(1) 리턴호스(8) 압력호스(12) 압력제어밸브 조향휠 조향축 엔진 그림 4-40 랙 피니언 형식 동력 조향장치 구조

148 144 제4장 조향장치 2 제어밸브의 구조와 작동 제어밸브는 조향축과 일체로 회전하는 로터, 로터와 피니언을 연결하는 토션바, 피니언과 일체로 회전하는 슬리브 등으로 구성되어 있으며 로터와 슬리브는 스플라인으로 연결되어 있다. 제어밸브는 다음과 같이 작동압력을 조절한다. 조향력을 감응하여 토션바가 비틀리고 로터와 슬리브사이에 발생하는 회전범위에 따라서 유로 Vl, V2, V3, V4의 단면적이 증감되 어 유압유의 유로를 개폐하여 작동압력을 조절한다. a 직진주행 시 자동차가 직진으로 주행을 할 때에는 로터와 슬리브가 중립상태이고 밸브 홈으로 형성된 유로 Vl, V2, V3, V4는 균일하게 충분히 열려있기 때문에 오일펌프로부터 공급되는 유압 유는 동력 실린더에 가해지지 않고 오일 저장탱크로 되돌아간다. b 조향 시 작동(우측으로 조향할 경우) 조향 휠을 우측으로 회전시키면 유로 V2, V4에 교차되는 유량에 감응하여 동력 실린더 A의 유량이 증가하여 랙을 우측으로 이동시킨다. 이때 동력 실린더 B의 유압유는 유로 V3을 통하여 오일 저장탱크로 복귀한다. 오일펌프에서 스플라인 슬리브 오일저장탱크로 피니언 로터 토션바 동력 실린더로 동력 실린더 A 동력 실린더 B 동력 실린더 A 동력 실린더 B V2 V1 오일펌프로 부터 V3 V4 오일펌프로 부터 오일펌프로부터 V2 V1 V3 V4 오일펌프로 부터 B로 A로 B로부터 A로 A로 B로 오일펌프로 부터 A로 B로부터 오일펌프로 부터 직진주행 시 우회전 시 그림 4-42 제어밸브 구조

149 4.5 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 휠 얼라이먼트는 차체 현가장치(Suspension)와 스티어링 시스템을 구성하는 각각의 부품 이 휠과 어떤 각도로 차체에 부착되어 있는지를 나타내는 것이다. 휠 얼라이먼트는 캐스터 (Caster), 캠버(Camber), 토우(Toe), SAI(Steering Axis Inclination), Included angle, 회전각도(20도 회전각 및 최대 회전각), Set back, Geometrical drive axis(thrust angle) 등으로 구성된다. 이러한 각도들은 차량의 중량이 현가장치의 가동부분에 적당히 배 분되도록 하며, 주행 시의 조종 안정성, 자기 직진성과 접지성, 그리고 최대의 타이어 수명 을 확보하도록 되어 있어야 한다. 전륜과 더불어 후륜에도 캠버와 토우인이 필요하다 캠버각(Camber angle) 앞바퀴를 전방에서 보면 그림 4-43과 같이 바깥쪽으로 비스듬하게 장치되어 있으며, 바 퀴의 중심선과 노면에 대한 수직선이 만드는 각도를 캠버라고 한다. 캠버 90 오프셋 Positive camber Zero camber Negative camber 그림 4-43 캠버 일반적으로 캠버는 차종에 따라 다르지만 정도로 되어 있다. 또한 그림 4-43과 같이 바퀴가 바깥쪽으로 기울어져 있는 경우를 정( 正 )의 캠버(포지티브 캠버), 바퀴가 안쪽 으로 기울어져 있는 경우를 부( 負 )의 캠버(네거티브 캠버)라고 한다. 캠버를 두는 목적은 1 앞바퀴가 하중에 의해 아래가 벌어지는 것을 방지한다. 2 주행 중에 바퀴가 빠져 나가는 것을 방지한다. 3 나중에 설명하는 킹 핀 경사각과 더불어 그림 4-43에 나타내는 오프셋 량을 작게 하 여 조향 휠 조작을 용이하게 한다.

150 146 제4장 조향장치 4 그림 4-43에서 알 수 있듯이 바퀴의 트레드 중심이 캠버가 0의 경우보다 안쪽으로 들어가므로 하중이 걸리는 점이 너클 스핀들의 근원에 가까워져 스핀들이나 너클을 구 부러지게 하는 힘이 경감된다 킹 핀 경사각(King-Pin angle) 앞바퀴를 전방에서 보았을 때 킹 핀 상부가 안쪽으로 비스듬히 장치되어 있는데, 노면에 대한 수직선과 이루는 각을 킹 핀 경사각이라고 한다. 킹 핀을 사용하지 않는 볼 죠인트 타 입에서는 그림 4-44에 나타낸 것과 같이 어퍼 볼 죠인트와 로어 볼 죠인트의 중심을 연결 하는 직선과 수직선이 이루는 각도가 킹 핀 경사각이다. 일반적으로 킹핀 경사각은 차종에 따라 다르지만 6 9 정도로 되어 있다. 킹 핀 경사각을 두는 목적을 들면 다음과 같다. 1 핸들 조작력의 경감과 주행 및 제동시의 충격을 적게 한다. 캠버와 함께 오프셋 량을 작게 하는 것이 되므로 조작력이 경감된다. 또한 주행 중에 타 이어가 노면의 요철에 의해 전후방향의 충격을 받는 경우 이것이 오프셋 량을 반경으로 한 킹 핀 주위의 회전충격이 되어 조향바퀴에 전달되는데, 오프셋 량을 작게 하면 그 충격을 줄일 수 있다. 또한 브레이크의 편제동에 의한 핸들의 빼앗김도 적게 할 수 있다. 2 핸들의 복원력의 증대 킹 핀 경사각이 있으면 핸들을 끊는 경우 그림 4-44와 같이 타이어의 접지점 M은 킹 핀 중심선에 대하여 직각인 평면의 M-N상에서 원을 그리게 된다. 따라서 핸들을 끊으면 바퀴 의 접지점 M은 아래쪽으로 내려가게 되므로 노면에 대하여 차체가 들려 올라가게 된다. 따 라서 핸들을 끊은 상태에서는 자동차의 중량에 의해 바퀴를 직전상태로 되돌리려는 힘(복원 력)이 작용하는 것이 된다. 이 힘이 핸들을 되돌릴 때 복원력이 되어 작용한다. 이 복원력은 킹 핀 경사각과 자동차의 중량에 비례하여 커지는데, 복원력이 커지면 당연히 핸들의 조작 력도 증가하게 된다. 킹핀각 캠버 연직선 킹핀 경사각 90 M A O N 그림 4-44 킹핀 경사각과 캠버

151 4.5 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 인클루디드 앵글(Included Angle) 킹핀각에 캠버의 각도를 합한 것이다. 킹핀각이 정상이라도 좌우 인클루디드 각이 다르면 차체의 변형을 예상할 수 있다 토우인(Toe-In) 앞바퀴를 위쪽에서 내려다 본 경우 그림 4-45와 같이 앞쪽이 뒤쪽보다 좁게 되어 있는 데 이 상태를 토우인이라고 한다. 토우인은 그림 4-45에 나타낸 것과 같이 타이어의 트레 드 중심선에 있어서 최후단의 길이 B와 최전단의 길이 A의 차이로 표시되며, 일반적으로 2 8mm 정도로 되어 있다. A 앞 Front Front Front B Toe-In Zero toe Toe-Out 그림 4-45 토우인 또한 바퀴의 앞쪽이 뒤쪽보다 넓게 되어 있는 경우를 토우아웃(Toe-out)이라고 한다. 토 우인을 두는 목적을 들면 다음과 같다. 1 캠버에 의한 토우아웃화의 방지 앞바퀴에 캠버를 주면 바퀴는 그림 4-46과 같이 원뿔의 일부로 생각되므로 전동하면 중 심방향(차체의 바깥쪽)으로 향하는 경향이 생긴다. 따라서 앞바퀴는 그림 4-46의 b방향으 로 전동하려고 하는 토우아웃화의 현상이 일어난다. 바퀴에 적절한 토우인을 주어 c방향으 로 주행하도록 하면 그것이 상쇄되어 바퀴는 자동차의 진행방향과 일치한 a방향으로 주행하 게 된다. 2 주행저항, 구동력의 반력 등에 의한 토우아웃화의 방지 구동력은 킹 핀에 전달되며 타이어 접지면 중심에 주행저항이 작용한다. 따라서 주행 중 에는 그림 4-48과 같이 바퀴를 토우아웃화하도록 모멘트(힘)가 발생한다. 토우인은 그것을 방지하는 작용도 하고 있다. 이와 같이 토우인은 앞바퀴에 사이드슬립을 방지하기 위해서 부여하는 것이다.

152 148 제4장 조향장치 b c a c a b 캠버각 앞 O a : 자동차의 진행방향 b : 캠버, 오프셋 등에 의한 바퀴가 진행하려는 방향 c : 토우인에 의해 진행하려는 방향 그림 4-46 캠버의 경향과 토우인의 작용 (a) 과대한 토우인 (b) 과대한 토우아웃 그림 4-47 토우인 부조화에 의한 타이어 마모형태 T T' P P' a a' O O' F F' O, O : 타이어 접지면의 중심 a, a : 킹 핀 중심선과 지면과의 교차점 P, P : 구동력 ao,a O : 휠 레버 암 T, T : 타이어가 전개되려고 하는 힘(롤링 프럭션) 그림 4-48 구동력의 반력 토우아웃화의 방지

153 4.5 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 캐스터(Caster angle) 킹 핀은 옆에서 보았을 때 그림 4-49에 나타낸 것과 같이 후방으로 기울어져 장치되어 있다. 이 노면에 대하여 수직인 선과 이루는 각도를 캐스터라고 하며, 일반적으로 정도로 되어 있다. 이때에 킹 핀 중심선의 연장이 노면과 교차하는 점을 캐스터 점, 캐스터 점과 타이어 접지면 중심 간의 거리를 트레일(Trail)이라고 한다. 캐스터 점은 타이어의 접 지면 보다 전방에 있으며, 바퀴에 작용하는 구름저항은 타이어 접지면의 중심에 작용하므로 주행 중 항상 바퀴를 진행방향으로 항하도록 하는 힘이 발생한다. 캐스터는 이와 같이 주행 중 바퀴에 복원성을 주는 것이다. 캐스터 90 그림 4-49 캐스터 캐스터에 의한 복원성 그림 4-50은 직진중의 좌우 타이어의 접지면을 나타내며 캐스터 링 a는 타이어 접지면 중심 O보다도 트레일 량만큼 전방에 있으며 또 오프셋 량만큼 안쪽에 있다. 구동력 P는 a 점에 작용하면 구름저항은 O점에 구동력과 반대의 방향으로 작용하므로 왼쪽의 바퀴에는 a 점을 중심으로 하여 좌회전의 모멘트가 작용하고 오른쪽 바퀴는 a'점을 중심으로 하여 우회 전의 모멘트가 작용한다. 이 모멘트는 크기가 같으며 방향이 반대이므로 상쇄되어 바퀴에 복원력은 발생하지 않는다. 또 그림 4-50에서 a-o, a'-o'를 휠 레버 암이라고 부른다. 조향 휠을 왼쪽으로 끊는 경우에는 캐스터 점을 중심으로 하여 타이어 접지면 중심은 휠 레버 암을 반경으로 이동하여 그림 4-51과 같은 위치를 잡게 되므로 오프셋량은 변화한다. 이 결과 왼쪽의 바퀴에 작용하는 모멘트(f)는 감소하고 오른쪽 바퀴에 작용하는 모멘트가 증대하게 되며, 전체로 좌우바퀴는 우회전의 모멘트를 받게 되어 복원력이 발생한다. 또한 조향각이 증대하면 그림 4-52와 같이 왼쪽바퀴는 우회전의 모멘트를 발생하게 되 어 복원력은 바퀴의 조향각에 비례하여 증대하게 된다. 캐스터를 크게 하면 트레일이 증대

154 150 제4장 조향장치 하여 바퀴 레버 암이 길어지므로 복원력은 커지지만, 과대 캐스터는 핸들 조작이 무거워지 고 시미(Shimmy)가 발생하였을 때는 그것을 지속시키게 된다. P 오프셋 진행방향 오프셋 P' O a 트레일 트레일 a' O' F F' P, P : 킹 핀에 걸리는 구동력 T, T : 타이어에 작용하는 저항 그림 4-50 직진 중의 타이어 접지면에 작용하는 힘 T P P' T' a a' O α O 1 (좌) (우) O' β O 1' F' F α, β : 안쪽, 바깥쪽 조향각 a, a' : 구동력의 작용점 P, P' : 구동력 F F ' : 왼쪽으로 꺾을 때의 반력 T, T ' : 반력에 의한 회전력 O, O' : 왼쪽으로 꺾을 때의 타이어 접지면 중심 그림 4-51 (+)캐스터, 조향각이 작은 경우 T P P' T' a a' β O 1 O α O 1 O' F' F 왼쪽으로 크게 꺾는 경우 그림 4-52 (+)캐스터, 조향각이 큰 경우

155 4.5 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 차축 평행도(Setback) 앞 차축과 뒤 차축과의 평행도는 뒤 차축을 기준으로 앞 차축이 기울어진 각도로 나타낸 다. 차축의 평행도가 어긋나면 차륜정렬에 있어서 제 각도들이 올바로 조정되어 있다 하더라 도 좌우 회전 반경이 달라지고 전륜 타이어에 이상 마모가 생기며, 선회 시에 타이어의 마 찰음이 울리기도 한다. + - A B C D E F 그림 4-53 차축 평행도(Setback) 후륜 토우 후륜의 토우는 전륜과 달리 좌우 독립적으로 존재하며, 자동차의 스러스트 라인(Thrust line, 진행선)을 결정하는 대단히 중요한 각도이다. 또한 타이어의 마모와 차량의 운동성능 에 영향을 미친다. 독립 현가식의 트레일링 암 서스펜션의 경우 직진 시에는 제로 토우이나 선회 시에 바깥 쪽 후륜은 토우인으로, 안쪽은 토우 아우트가 되도록 하여 선회 안정성을 도모한다. 후륜의 토우의 좌우 차가 크면 자동차는 기하학적 중심선과 진행선(Thrust line)이 일치 하지 않고, 똑바로 주행할 수 없게 된다. 그림 4-54의 (a)와 (b)와 같이 토우가 인 또는 아우트 되어 있더라도 좌우 대칭이면 기하학적 중심선과 진행선은 일치한다. 한편, 그림 4-54의 (c) 및 (d)에서와 같이 후륜의 토우가 좌우 어느 한쪽으로 쏠려져 있 으면 차체의 기하학적 중심선과 진행선이 일치하지 않아 자동차는 직진 시에도 차체가 비뚤 어진 상태로 진행하게 되며, 타이어의 편마모도 심하지만 코너링 시에는 주행이 불안정하게 되어 대단히 위험하게 된다. (a) 후륜 토우인 : 진행선과 중심선이 일치하므로 스티어링 휠 중립상태에서 차체 직진 (b) 후륜 토우아우트 : 진행선과 중심선 일치하므로 스티어링 휠 중립상태에서 차체 직진

156 152 제4장 조향장치 (c) 좌측 후륜 토우인, 우측 후륜 토우아우트 : 결과적으로 차체는 좌회전하므로 운전자는 스티어링 휠을 오른 쪽으로 돌린 상태에서 차체가 좌측으로 비뚤어진 상태로 진행 (d) 좌측 후륜 토우아우트, 우측 후륜 토우인 : 결과적으로 차체는 우회전하므로 운전자 는 스티어링 휠을 왼 쪽으로 돌린 상태에서 차체가 우측으로 비뚤어진 상태로 진행 (a) (b) (c) (d) 그림 4-54 후륜의 토우와 후륜 토우의 변화 스러스트 각(Thrust angle) 자동차의 진행선과 차체의 기하학적 중심선과의 편차각을 스러스트 각이라 하며 고속주행 시 대단히 중요한 부분이므로 이 편차각을 아주 적은 범위로 한정하고 있다. 스러스트 각의 변화는 주로 후륜의 토우의 불균형에 기인하나, 겉보기 차륜 정렬 상태가 올바르다 하더라 도 충격이나 사고 등으로 인해 차축이 밀리거나 서스펜션을 구성하는 부품이 손상을 받았을 때에도 일어난다. 스러스트 각이 큰 경우에는 다음과 같은 현상이 일어난다. (1) 스러스트 각이 커지면 자동차가 비뚤어진 상태로 진행한다. (2) 고속주행 시 스티어링 휠에서 손을 떼면 자동차가 어느 한쪽 방향으로 진행한다. (3) 직진 시에 스티어링 휠의 중심이 맞지 않는다. (4) 좌우 코너링 시에 한쪽으로는 오버스티어, 다른 한쪽으로는 언더스티어 현상이 일어 난다.

157 4.5 휠 얼라이먼트(Wheel alignment) 그림 4-55 스러스트 각 터닝 레디어스(조향각)(Turning-radius) 자동차가 선회하는 경우에도 각 바퀴가 사이드슬립을 일으키지 않는 것이 필요하게 된다. 이 때문에 그림 4-56에 나타낸 것과 같이 선회중심은 뒤 차축 중심선의 연장선에 있을 필 요가 있으며 좌우 앞바퀴의 선회중심도 그 점에 일치시켜야 한다. 이를 위해서는 그림 4-56에서 알 수 있듯이 선회 시에는 좌우 앞바퀴의 조향각도(터닝 레디어스)의 차이를 줄 필요가 있다. 또한 이 관계는 모든 선회반경의 조건에서도 성립하는 것이 필요하며 이것을 만족하는 장 치(애커먼 장토식 조향장치)가 일반적으로 사용되고 있다. 애커먼 장토식은 직진상태일 때 그림 4-56에 나타낸 것과 같이 좌우의 너클 암의 연장 선이 뒤 차축의 중심 부근에서 교차하도록 장치된 것이며 이와 같이 하면 조향 시에 좌우 앞바퀴의 조향각에 자동적으로 차가 주어지게 된다. 선회 시 얼라이먼트가 틀리게 되면 타 이어의 조기마모를 일으킴과 동시에 조향안정성을 해치게 되는데 특히 고속주행 시에 큰 영 향을 준다. A 앞차축 B a : 바깥쪽 휠 조향각 b : 안쪽 휠 조향각 최 소 회전 반 경 L D 뒤 차축 C a b O 뒤 차축 중심의 연장선 그림 4-56 선회 시 각 휠의 궤적

158 154 제4장 조향장치 코니시티(Conicity)와 플라이 스티어(Ply steer) (1)코니시티(Conicity) 코니시티는 타이어의 내측과 외측 사이드 월에서의 반발력의 불균형이나 스틸 벨트의 위 치가 한쪽으로 쏠린 경우 트레드의 두께가 다른 경우 등 주로 타이어 제조상의 결함에 기인 된다. Top view 그림 4-57 타이어 코니시티와 차량의 주행 쏠림 (2) 플라이 스티어(Ply steer) 플라이 스티어는 타이어 트레드 내부에 있는 스틸 벨트의 영향에 의하여 발생한다. 벨트 를 구성하는 피아노선이 타이어의 원주 방향으로 비스듬히 각을 이루고 감겨져 있으며 이 경사각에 의해 발생하는 것으로 벨트에 코드의 경사진 각도가 각 층간에 밸런스가 이루어 지지 않았을 때나 트레드 부분의 마모가 진행되면서 나타나 쏠림을 일으키게 된다. 쏠리는 방향은 스틸 벨트가 감겨질 때 이루는 각에 직각 방향으로 쏠리게 된다. 타이어를 좌ᆞ우 위치 교환하여도 쏠리는 방향은 동일하다. 플라이 스티어에 의한 쏠림 그림 4-58 플라이 스티어에 의한 차량 쏠림

159 제5장 제동장치 제동장치에는 운전자의 발로 조작하는 풋 브레이크(Foot brake)와 손으로 조작하는 핸드 브레이크(Hand brake)가 있는데 풋 브레이크는 주행 중에 사용되며 바퀴에 직접 제동 작 용을 하는 휠 브레이크(Wheel brake)로 사용된다. 핸드 브레이크는 주로 주차용으로 사용 되거나 제동장치의 고장 시 비상용으로 사용되며 핸드 브레이크에는 뒷바퀴만을 제동하는 휠 브레이크 방식과 추진축에 설치된 드럼(Drum)을 제동시키는 센터 브레이크방식(Center brake type)이 있다. 조작 기구에는 로드나 와이어를 사용하는 기계식과 유압을 이용하는 유압식으로 분류되며 기계식은 핸드 브레이크, 유압식은 풋 브레이크에서 사용된다. 또한 흡 기다기관의 부압이나 압축공기를 이용하는 서보 브레이크(Servo brake), 압축공기의 압력 을 사용하는 공기 브레이크, 제동장치의 안전성을 향상시키기 위해 ABS를 사용하고 있다. 브레이크 장치로써 갖추어야 할 조건은, 1 작동이 확실하고 효과가 좋을 것 2 신뢰성, 내구성이 뛰어날 것 3 점검, 조정이 용이할 것 등이 고려되어야 한다. 브레이크장치는 주행 중인 차량을 정지시키기 위해 타이어의 회전을 마찰에 의해 정지시 켜서 운동에너지를 열에너지로 변환시키게 된다. 오일탱크 플렉시블 호스 푸시로드 파이프 마스터 실린더 파이프 브레이크 페달 휠 실린더 배유기 휠 실린더 그림 5-1 승용차 브레이크 시스템(예)

160 156 제5장 제동장치 열 일 열 일 열 일 엔진 열 일 열 브레이크 열 그림 5-2 브레이크의 원리 5.1 브레이크의 종류 제동장치의 분류는 작동 및 설치, 구조, 기구의 구성조건에 따라 여러 가지로 분류할 수 있으나, 그 중 작동방식에 의한 분류가 가장 유효하며 여기서는 그 각각에 대해 간단히 개 요만 설명하겠으며 상세한 것은 뒤에서 다루기로 한다. (1) 작동방식에 따른 분류 핸드 브레이크 센터 브레이크 기계식 브레이크 휠 브레이크 와이어식 기계식 브레이크 로드식 마찰식 브레이크 브레이크 풋 브레이크 유압 브레이크 서보 브레이크 진공 서보식 공기 서보식 공기 브레이크 배기 브레이크 감속 브레이크 (Retarder) 와전류 브레이크 마찰식 이외의 형식

161 5.1 브레이크의 종류 157 (2) 설치 위치에 의한 분류 1 휠 브레이크 : 보통 뒷바퀴에 설치되어 있는 풋 브레이크용의 슈로 제동한다. 2 센터 브레이크 : 변속기 출력축에 외부 수축식의 제동력을 발생한다. (3) 조작방법에 의한 분류 1 핸드 브레이크 : 센터 브레이크식과 뒷바퀴를 직접 제동하는 휠 브레이크식이 있다. 2 풋 브레이크 : 브레이크 페달을 발로 눌러서 바퀴를 제동한다. (4) 구조에 의한 분류 1 확장식 브레이크 : 브레이크 슈가 양쪽으로 확장하여 제동하는 경우이다. 2 수축식 브레이크 : 센터 브레이크와 같이 출력축을 잡아 줌으로써 제동하는 경우이다. 3 디스크 브레이크 : 주로 승용차에 사용되며 휠을 디스크 패드가 압축하여 잡아준다. (5) 기구에 의한 분류 1 기계식 브레이크 : 브레이크 페달을 로드나 와이어로써 제동력을 발생시키는 것이다. 2 유압식 브레이크 : 마스터 실린더를 이용하여 제동력을 발생한다. 3 공기식 브레이크 : 압축공기를 이용하여 제동력을 배력 시키는 것이다. 4 진공식 브레이크 : 엔진의 흡기부압이나 압축공기를 이용하여 제동력을 발생시킨다. 5 배력식 브레이크 : 마스터 실린더에서 나오는 유압을 진공이나 압축공기로써 배력 시 켜 제동력을 발생하는 것이다 핸드 브레이크 (1) 센터 브레이크(Center brake) 이 형식은 주로 트럭, 버스에 사용되며 내부 확장식, 외부 수축식 등 모두 쓰이고 있다. 그림 5-3은 외부 수축식을 사용한 예를 나타낸다. 1 외부 수축식 이 형식에서 브레이크 드럼은 강판 프레스 제품, 또는 주조품이고 변속기 출력축의 뒷부 분에 설치되어 있다. 브레이크 밴드는 강제이고 그 안쪽 면에 수축 라이닝이 리벳팅 되어 있으며 브래킷을 거쳐 변속기 케이스에 지지되어 있다. 또 밴드의 양 끝에는 드럼을 조이기 위한 장치가 설치되어 있다. 그림 5-3에서 브레이크 레버를 잡아당기면 풀 로드(Pull rod) 가 작동 캠(Operating cam)을 어느 정도 회전시켜 브레이크 드럼의 윗부분을 밀어 내리고 동시에 조정 로드(Adjusting rod)는 밴드의 아래 끝부분을 위로 잡아당겨 드럼을 조인다. 브레이크 밴드와 드럼과의 간극은 앵커 볼트, 조정 로드 및 밴드 조정 볼트로 조정하고 레 버의 운동량(잡아당기는 양)은 풀 로드의 길이를 가감하여 조정한다. 외부 수축식은 마찰 부분에 수분이나 먼지가 묻기 쉽고 제동력이 안정되지 않는 결점이 있다.

162 158 제5장 제동장치 가이드 볼트 너트 앵커 캡 스크루 앵커 브레이크 레버 케이블 브레이크 케이블 조정너트 풀 백 스프링 래칫 그림 5-3 센터 브레이크의 구조 및 센터 브레이크식 핸드 브레이크의 레버 2 내부 확장식 이 형식은 바퀴 브레이크와 같이 브레이크 드럼과 브레이크 슈를 사용한다(그림 5-4). 브레이크 레버를 잡아당기면 와이어를 통해 캠축 레버가 움직여 슈를 드럼에 밀착시키게 되 어 있다. 이 형식에서 레버의 운동량은 와이어의 길이를 가감하여 조정한다. 핸드 브레이크 레버는 그림 5-3과 같은 구조로 되어 있으며 변속기 케이스 위에 설치되 어 있다. 또 아랫부분에는 래칫(Rachet)이 있어 작용된 레버 위치를 유지할 수 있게 되어 있다. 푸시로드 앵커핀 피벗 슈 브레이크 드럼 케이블 구동축 슈 슈 리턴 스프링 레버 브레이크 조정기 케이블 장력 스프링 그림 5-4 내부 확장식 브레이크 (2) 휠 브레이크식 휠 브레이크식은 뒷바퀴의 풋 브레이크 슈를 와이어나 링크를 사용하여 작용시키게 되어 있으며 보통 그림 5-5와 같은 구조로 되어 있다. 또 휠 실린더에 조립되어 있는 것도 있는

163 5.1 브레이크의 종류 159 데 이 형식에서는 양쪽 바퀴에 같은 조작력이 전달되도록 이퀄라이저(Equalizer)를 두고 있 다(그림 5-6). 그림 5-7은 핸드 브레이크 레버로 지렛대작용이 없는 스테이크 형식(Stake type)을 사 용한 예이며, 조작력이 중간 레버(Intermediate lever)를 거쳐 증대되게 되어 있다. 또 이 퀄라이저는 양쪽 바퀴에 설치된 브레이크 와이어와 연결되고 그 중간은 풀 로드에 의해 잡 아당겨지게 되어 있다. 레버 핀 스프링 익스텐션 토글 레버 슈 슈 케이블 그림 5-5 휠 브레이크식 핸드 브레이크 주차 브레이크 케이블 중간 레버 풀 로드 고정너트 이퀄라이저 휠용 케이블 조정너트 휠용 케이블 그림 5-6 이퀄라이저 주차 브레이크 케이블 이퀄라이저 고무부트 휠용 케이블 휠용 케이블 그림 5-7 뒤 차축에 설치되어 있는 이퀄라이저

164 160 제5장 제동장치 풋 브레이크(Foot brake) 브레이크 페달을 밟는 힘으로 바퀴를 제동하게 된 것이며, 제동력을 발생하는 드럼과 마 찰력을 발생시키는 브레이크 슈로 되어 있다. 휠 실린더 컵 마스터 실린더 브레이크 호스 휠 실린더 브레이크 드럼 브레이크 페달 타이어 브레이크 드럼 브레이크 슈 브레이크 호스 브레이크 슈 타이어 그림 5-8 풋 브레이크 (1) 풋 브레이크의 분류 기계식 직접식 내부 확장식 유압식 진공식 서보식 공기식 공기식 드럼 브레이크 기계식 풋 브레이크 외부 수축식 유압식 풋 브레이크에 그다지 사용되지 않는다. 직접식 디스크 브레이크 유압식 서보식

165 5.1 브레이크의 종류 161 열 회전방향 드럼 (바퀴와 함께 회전한다) 열 라이닝 (마찰물질) 브레이크 밴드 조정 스크루 라이닝(마찰물질) 로드 조정너트 조정볼트 열 열 고정판 열 열 브레이크 드럼 추진축 그림 5-9 내부 확장식과 외부 수축식 기계식 브레이크(Mechanical brake) 브레이크 페달의 조작력을 전달하는 과정에는 브레이크 페달 로드 혹은 와이어 휠의 순 으로 전달한다. 기계식 브레이크는 그림 5-10과 같이 브레이크 조작력을 로드 또는 와이어를 사용하여 각 바퀴에 전달하는 형식으로써 조작력이 크고 각 바퀴를 균등하게 제동하는 것에 어려운 점이 있으므로 현재는 거의 사용되지 않고 있다. 브레이크 조정나사 브레이크 라이닝 브레이크 캠 브레이크 슈 그림 5-10 기계식 브레이크 유압식 브레이크(Oil brake) 파스칼의 원리를 응용한 것이며 유압을 발생시키는 마스터 실린더(Master cylinder)와 그 유압을 받아 브레이크 슈를 드럼에 압착하여 제동력을 발생시키는 휠 실린더 및 이 두 부품을 연결하는 오일파이프 등으로 구성되어 있다.

166 162 제5장 제동장치 (1) 파스칼의 원리 밀폐된 액체의 일부에 압력을 가하면 그 압력은 모든 방향에 같은 압력으로 전달된다(P= F/A, P : 압력, A : 면적, F : 작용하는 힘). (2) 장점 1 제동력이 모든 바퀴에 균일하게 전달된다. 2 마찰손실이 적다. 3 조작력이 작아도 된다. (3) 단점 1 오일파이프 등의 파손으로 기능이 상실된다. 2 공기 유입 시 성능이 저하한다. 3 베이퍼 록 현상이 일어나기 쉽다. 베이퍼 록이란 브레이크장치 유압회로 내에서 브레 이크액이 증발하여 압력전달이 불가능하게 되는 것이다. (4) 유압 브레이크 일반적인 성질 1 공기는 압축된다. 2 액체는 압축할 수 없다(액체는 비압축성). 3 액체는 운동과 힘을 전달할 수 있다. 4 액체는 힘을 증대시키는데 사용할 수 있다. 5 액체는 작용력을 감소시킬 수 있다. 힘 페달 페달 레버 마스터 실린더 푸시로드 강제의 파이프 (또는 튜브) 뒤 왼쪽 휠 실린더 앞 왼쪽 휠 실린더 피스톤 A 피스톤 B 배유 블록 뒤 오른쪽 휠 실린더 앞 오른쪽 휠 실린더 그림 5-11 유압 브레이크 작용

167 5.1 브레이크의 종류 163 피스톤 5kg f 압력없음 5kg f 용기 용기 (a) (b) (a) (b) 그림 5-12 공기는 압축된다. 그림 5-13 공기는 압축되지 않는다. 100kg f 100kg f 20kg f 피스톤 A 연결튜브 피스톤 B 피스톤 A 연결튜브 60kg f 피스톤 B 그림 5-14 힘의 전달 그림 5-15 힘의 증대 (5) 마스터 실린더 1 유압식 브레이크의 조작기구 a 브레이크 페달(Brake pedal) 브레이크 페달은 지렛대의 원리를 이용하여 답력을 마스터 실린더에 전달하는 것으로 그림 5-16에서와 같이 플로어식(Floor type)과 펜던트식(Pendant type)이 있으며, 보통 클러치 페달과 거의 같은 높이로 장착되어 있다. 승용차 등 소형자동차는 주로 플로어식으로 되어 있다. 푸시로드 스톱퍼 볼트 (스톱 램프 스위치) 리턴 스프링 브레이크 페달 브레이크 페달 스톱퍼 볼트 (스톱 램프 스위치) 리턴 스프링 마스터 실린더 플로워식(A) 펜던트식(B) 그림 5-16 브레이크 페달의 구조

168 164 제5장 제동장치 C F=6kg C 50cm 30kg 지렛대비=5:1 B 10cm A 50cm B A 10cm 그림 5-17 지렛대비 적용점 C에서 지점까지의 거리와 작용되는 점 B까지 거리의 비를 지렛대비라고 한다. 그 림 5-17인 경우 5:1이다. [예제]그림 5-18과 같은 제원을 가진 브레이크 페달이 있다. 페달을 15kg f 의 힘으로 밟 았을 때에 다음 물음에 답하여라. a 푸시로드에 몇 kg f 의 힘이 작용 하는가? b 피스톤의 면적이 3cm 2 이라 하면, 이때의 유압은 얼마인가? 푸시로드 지점 A A 5cm 5cm B B 25cm 25cm 30cm 15kg C C 그림 5-18 브레이크 페달, 푸시로드와 지렛대 작용의 계산 [해답] a 지점 A가 위에 있어도 지렛대비의 원리는 마찬가지이므로 다음의 식이 성립된다(그 림 5-18). 5cm B = (5cm+25cm) C = 30cm 15kg f

169 5.1 브레이크의 종류 165 이 식에서 B를 구하면 B = 30cm 15kg f 5cm = 90kg f b 푸시로드에 작용하는 힘은 피스톤이 받으므로 피스톤 면적으로 푸시로드에 작용한 힘을 나누면 유압이 구해진다. 푸시로드에 작용하는 힘 kg f 유압 피스톤 cm kg 면적 f cm 이 유압은 파스칼의 원리에 따라 각 휠 실린더에 고루 전달된다. 마스터 실린더의 종류는 보통 마스터 실린더와 텐덤형 마스터 실린더로 나눌 수 있으며 보통 마스터 실린더는 피스 톤이 하나로 구성되는데 텐덤형 마스터 실린더는 피스톤이 2개로 나누어진다. 일반적으로 마스터 실린더는 자동차에 사용되지 않고 유압식 클러치에 주로 응용되며 자동차의 풋 브레 이크에는 텐덤형이 사용된다. 여기서 보통 마스터 실린더의 구조 및 작동원리를 간단히 설 명하고 텐덤형 마스터 실린더는 뒤편에서 설명하기로 한다. 브레이크 페달을 밟으면 푸시로 드(Push rod)와 피스톤이 작동되어 오일탱크의 브레이크 오일은 실린더에서 오일이 압축되 어 오일의 출구를 통해 휠 실린더로 작동되고 페달을 놓으면 실린더에 있던 오일은 오일탱 크로 리턴 되어 들어옴으로써 유압호스에 있던 오일의 압력은 약해진다. 이때 피스톤은 리 턴 스프링에 의하여 이동한다. 그리고 유압호스에 있던 오일은 체크밸브에 의하여 역류가 방지됨으로써 유압호스에 잔압이 유지되고, 다음 제동 시 신속히 작용하도록 한다. 그림 5-19 보통 마스터 실린더 그림 5-20 텐덤 마스터 실린더 유압 실린더의 상세도는 그림 5-21과 같다. 또한 마스터 실린더의 주요부품은 1 푸시로 드 2 피스톤 3 피스톤 컵 4 리턴 스프링 5 체크밸브 6 오일탱크 등이다.

170 166 제5장 제동장치 주유구 캡 공기구멍 가스킷 플러그 보상구멍 브리더 구멍 피스톤 스톱판 고정링 밸브시트 와셔 체크밸브 1차 컵 구멍 2차 컵 부트 푸시로드와 클레비스 그림 5-21 유압 실린더의 상세도 2 텐덤 마스터 실린더의 구조 a 상부 : 오일을 저장하는 레저버 탱크(Reservoir tank) b 아래 : 실린더(피스톤, 피스톤 컵, 리턴 스프링 등을 내장하고 있다) 레저버 캡 레저버 어셈블리 1차 피스톤 어셈블리 리테이너 씰 2차 피스톤 어셈블리 그림 5-22 텐덤 마스터 실린더 분해도 레저버 세컨더리 피스톤 세컨더리 체임버 프라이머리 피스톤 마스터 실린더 체크밸브 스토퍼 볼트 프라이머리 체임버 푸시로드 그림 5-23 텐덤 마스터 실린더 구조

171 5.1 브레이크의 종류 작용 a 브레이크 작용을 하지 않는 정지 상태 프라이머리 컵은 리턴 포트(Return port : 챔버에서 레저버 탱크로 되돌아가는 구멍)와 인렛 포트(Inlet port : 오일 공급 구멍) 사이에 위치한다. b 페달을 밟으면 프라이머리 피스톤은 좌측으로 이동하고 우선 프라이머리 컵으로 리 턴 포트를 막고 더욱 좌측으로 이동하면 세컨더리 피스톤과의 사이의 압력실(프라이머리 챔버)의 브레이크 오일을 압축하여 유압을 발생한다. 이 유압에 의해 리어 브레이크(후륜)를 작동시킴과 동시에 세컨더리 피스톤을 좌측으로 이동시켜 세컨더리 피스톤의 앞쪽 압력실(세컨더리 챔버)의 오일을 압축하여 프런트 브 레이크(전륜)를 작동시킨다. c 페달을 놓으면 피스톤은 리턴 된다. 스프링과 유압에 의해 우측으로 되돌아오지만 브레이크 오일은 피스톤이 되돌아오는 속 도만큼 빨리 따라오지 못하기 때문에 일시적으로 피스톤 컵의 앞부분에 압력이 저하한 다. 따라서 레저버 탱크 내의 오일이 인렛 포트를 통하여 프라이머리 컵의 외주를 따라 쳄버내로 유입된다. 이렇게 유입된 오일에 의해 피스톤은 보다 빨리 되돌아올 수 있다. 따라서 보다 신속하게 제동 작용을 해제시키는 중요한 작용을 한다. 이 때문에 인렛 포 트는 보정구멍(Compensating port)이다. 한편 휠 실린더 내의 오일은 브레이크 슈의 리 턴 스프링에 의해 마스터 실린더로 되돌아온다. 마스터 실린더내의 피스톤이 원래의 위 치로 되돌아오면 휠 실린더의 오일은 리턴 포트를 통하여 레저버 탱크로 되돌아간다. 4 오일 누유시의 작동 a 프런트 계통에 누설이 있을 경우 프런트 계통에는 유압이 발생하지 않기 때문에 세컨더리 피스톤은 실린더에 닿을 때까지 이동한다. 따라서 유압은 프라이머리 피스톤과 세컨더리 피스톤 사이인 프라이머리 쳄버 에만 발생하므로 리어 계통에는 정상적인 제동 작용이 된다. b 리어 계통에 누설이 있을 경우 리어 계통(프라이머리 피스톤과 세컨더리 피스톤사이)에 유압이 발생되지 않기 때문에 프라이머리 피스톤이 세컨더리 피스톤에 닿을 때까지 이동하여 직접 세컨더리 피스톤을 눌러 세컨더리 피스톤의 앞쪽 2차실에만 유압이 발생하므로 프런트 계통 브레이크는 정 상이다. 이와 같이 텐덤 마스터 실린더는 어느 한쪽에 유압이 발생하지 않더라도 제동효 과는 떨어지지만 최소한의 제동 작용을 유지하여 안전을 도모한다. 5 체크밸브(Check valve) 체크밸브는 마스터 실린더와 휠 실린더로 통하는 오일 토출구에 있으며 스프링에 의해 눌리어 있다. 마스터 실린더 오일은 압력이 상승하면 열리고 마스터 실린더 내 오일은 압력 이 내려가면 휠 실린더로부터의 유압에 의해 제자리로 되돌아와서 오일을 마스터 실린더로

172 168 제5장 제동장치 되돌아오게 한다. 브레이크 파이프(휠 실린더) 내의 유압이 체크밸브를 누르고 있는 스프링 힘보다 약하면 체크밸브는 닫히고 브레이크 파이프 내에는 어느 정도의 압력을 남겨 잔압을 유지한다. 주유구 캡 공기구멍 가스킷 플러그 보상구멍 브리더구멍 피스톤 스톱판 고정링 밸브시트 와셔 체크밸브 1차 컵 구멍 2차 컵 부트 푸시로드와 클레비스 그림 5-24 체크밸브 페달을 밟았을 때 페달을 밟았을 때(1) 압력이 낮아진다. 오일 페달을 밟았을 때(2) 오일이 체크밸브를 밀고 그 주위를 통해 들어온다. 오일 그림 5-25 체크밸브 작동형태 6 제동 시 텐덤 마스터 실린더(Tandem master cylinder)의 작용 순서 a 피스톤 전진 b 피스톤 컵이 보상구멍을 지나면서 유압발생 c 체크밸브의 구멍을 통하여 오일이 휠 실린더 쪽으로 들어간다. d 브레이크 작동 e 페달을 놓으면 순간적으로 좌측방에 낮은 압력이 형성되므로 우측방에 있는 오일이 구멍을 통하여 피스톤 컵의 가장자리를 밀고 좌측방으로 들어간다.

173 5.1 브레이크의 종류 169 f 피스톤이 어느 정도 후퇴하였을 때 체크밸브가 뜨면서 휠 실린더 오일이 들어온다. g 끝난 시점에서 체크밸브는 닫히고 유압회로 내에는 잔압이 존재한다. 그리고 텐덤 마스터 실린더의 이상 유무는 그림 5-26과 같은 회로로 구분한다. 회로 2 회로 2 회로 1 회로 1 회로 2 회로 1 그림 5-26 텐덤 마스터 실린더 기능 (6) 앤티 롤(Anti roll)장치 오르막길에서 정차 후 출발 시 사용하며 출발 시 차가 뒤로 후진하는 것을 방지하는데 링 키지 R은 클러치 페달과 연동하게 되어 있으며 그 작동은 다음과 같다. 언덕길에서 브레이 크 페달을 밟은 다음 클러치 페달을 밟으면 볼 케이지가 오른쪽으로 움직여 그것에 설치되 어 있는 실의 M과 W사이의 구멍을 커버한다. 또 차가 조금이라도 경사져 있으면 볼이 중 력에 의하여 실에 있는 통로를 완전히 폐쇄한다. 따라서 클러치 페달을 밟고 있는 한 브레 이크 페달을 놓아도 휠 실린더에 유압은 그대로 남게 된다. 출발 시 클러치 페달을 놓으면 휠 실린더 유압이 저하되어 브레이크가 풀린다. S R R L L V W S V W B B (a) M (b) M 그림 5-27 앤티 롤장치

174 170 제5장 제동장치 (7) 브레이크 오일 주로 식물성 오일로써 아래와 같은 조건의 구비사항이 필요하다. 1 조건 a 화학적으로 안정이 되고 침전물이 생기지 않아야 한다. b 점도 변화가 적어야 한다. c 윤활성이 있어야 한다. d 비점이 높아야 한다(Vapor lock 방지). e 빙점은 낮고 인화점은 높아야 한다. f 부식성이 없고 연화, 팽윤 등을 일으키지 않아야 한다. 2 성분 알콜용제+피마자 기름이 가장 널리 사용되며 에칠알콜이나 메칠알콜을 포함한 것은 비점 이 낮기 때문에 베이퍼 록을 일으키기 쉽다. (8) 휠 실린더(Wheel cylinder) 마스터 실린더로부터 보내주는 유압을 받아서 브레이크 슈를 드럼에 밀어붙이는 역할을 한다. 브레이크 본체의 형식에 따라 여러 가지 구조의 것이 있으나 가장 일반적인 것에 대 해서 설명한다. 휠 실린더의 본체 중앙부에는 오일구멍과 브레이크액내에 혼입한 공기를 빼 기 위한 에어브리더 스크류가 설치되며 리턴 스프링은 피스톤 및 피스톤 컵을 항상 바깥쪽 으로 밀어 벌리도록 되어 있다. 종류로는 동일 직경형, 계단 직경형, 단일 직경형이 있으며 휠 실린더의 구성부품은 다음과 같다. 1 실린더 본체 (Cylinder body) 2 피스톤(Piston) 3 피스톤 컵(Piston cup) 4 확장 스프링(Expanding spring) 피스톤 컵 본체 푸쉬로드 피스톤 확장 스프링 그림 5-28 휠 실린더의 구조

175 5.1 브레이크의 종류 171 동일 직경형 Back plate 계단 직경형 Back plate 단일 직경형 그림 5-29 휠 실린더의 종류 (9) 브레이크 슈의 분류 1 설치형식에 의한 분류 a 더블앵커(앵커 핀 조정형식) 이것은 가장 기본적인 형식이며 브레이크 슈의 힐을 배킹판에 앵커핀으로 피벗한 것이 다. 또 대개의 경우는 앵커핀은 슈 드럼의 관계 위치를 조정할 수 있도록 편심 되어 있 다. 적용 차종으로는 승용차에 주로 사용되고 있다. 편심 앵커핀 그림 5-30 앵커핀

176 172 제5장 제동장치 b 앵커링크(자동 얼라인 시스템) 이 형식은 2개의 슈가 각각의 링크와 하나의 앵커를 통해 배킹판에 설치되어 있다. 슈가 링크핀과 앵커핀을 중심으로 피벗운동을 하고 또 마찰핀과 스프링에 의해 어느 정도의 저항을 받아 정해진 운동을 하게 된다. 즉 유압이 작동되며 휠 실린더의 피스톤에 의해 브레이크 슈가 확장됨으로써 2개의 링크(Link)가 확장되어 브레이크 라이닝 간극이 얼 라이닝된다. 슈 링크핀 (빡빡함) 앵커핀 링크 그림 5-31 앵커링크 c 단동 투 리딩 슈(Single acting two leading shoe) 휠 실린더의 피스톤이 한 개가 작동되고 휠 실린더를 그림 5-32와 같은 위치에 2개를 설치하며 두 슈(Shoe)가 모두 리딩 슈(Leading shoe)이고, 반대 회전에서는 모두 트 레일링 슈(Trailing shoe)이다. 적용 차종으로는 화물차에 주로 사용되고 있다. 두 슈가 모두 리딩 슈 반대회전에서는 모두 트레일링 슈 앵커핀 그림 5-32 단동 투 리딩 슈 d 복동 투 리딩 슈(Double acting two leading shoe) 휠 실린더를 상하에 2개 설치하고 각 휠 실린더마다 2개의 피스톤이 작동되는 경우로써 전진방향, 후퇴방향 모두 리딩 슈이다. 적용 차종으로는 주로 화물차에 적용되고 있다.

177 5.1 브레이크의 종류 173 전진 방향 후퇴 방향 공히 리딩슈 그림 5-33 복동 투 리딩 슈 2 작동상태에 의한 분류 a 넌 서보 브레이크 전진 슈가 하나인 것으로 2개의 슈와 2개의 앵커 형식이다. 더블앵커(Double anchor), 앵커링크(Anchor link) 등이 있고, 전진 슈에 긴 라이닝을 사용한다(마모 균일화). b 서보 브레이크(Servo brake) 브레이크 작동시 모든 슈에 자기작동작용이 일어나게 되고 그 작용상태에 따라 유니 서 보 형식과 듀오 서보 형식으로 구분된다. 자기작동이 일어나는 슈를 1차 슈라 하고 다음 의 것을 2차 슈라 한다. ᄀ 유니 서보형(Uni servo type) : 단일 직경형 휠 실린더를 사용하며 조정기로 두 개의 슈를 연결한다. 1차 슈, 2차 슈 모두 리딩 슈로 작용하며 후퇴시는 모두 트 레일링 슈이다. ᄂ 듀오 서보형(Duo servo type) : 동일 직경형 횔 실린더를 사용하며, 조정기로 두 개의 슈를 연결한다. 앵커 핀은 1개를 사용하며 전진, 후퇴 모두 리딩 슈로 작용 한다. 3 자기작동작용 회전중인 드럼에 브레이크를 걸면 슈는 마찰력에 의해 드럼과 함께 회전하려는 경향이 생 겨 확장력이 커지기 때문에 마찰력이 증대된다. 이와 같은 작용을 자기작동이라 하고 한편, 그림 5-34의 슈는 드럼에서 떨어지려는 힘을 받아 확장력이 감소된다. a 리딩 슈 : 자기작동작용에 의해 확장력이 커져 마찰력이 증대된다. b 트레일링 슈 : 확장력이 감소되어 마찰력이 감소된다. 4 브레이크 슈와 라이닝 브레이크 슈는 주철이나 강판을 용접한 것이 많이 사용되며 그 위에 드럼과의 마찰력을 발생하는 브레이크 라이닝이 압착되어 있다. 라이닝은 내열성, 내마모성 그리고 마찰계수가 클 것 등의 조건이 요구된다. 라이닝의 재료는 석면섬유와 금속분말을 혼합하여 고무나 합 성유지 등의 결합체로써 굳힌 것이 많이 사용된다. 최근 석면이 발암의 원인이 된다하여 비 석면 재질로 바뀌고 있다.

178 174 제5장 제동장치 모멘트 드럼회전방향 작용력 앵커핀 확장력 커짐 작용력 마찰력 리딩 슈 그림 5-34 전진 시 자기작동작용 전진방향 전진방향 1차 슈 2차 슈 전진 슈 후진 슈 조정 스크류 전진시 : 리딩 후진시 : 트레일링 전진시 : 트레일링 후진시 : 리딩 1차 슈의 자기작동이 2차 슈에 미쳐 2차 슈에 더 큰 자기작동이 발생한다. 전진시와 후진시의 제동력이 같다 그림 5-35 후진 시 자기작동작용 브레이크 슈 브레이크 라이닝 그림 5-36 강판 용접된 브레이크 (10) 브레이크 드럼 브레이크 드럼은 휠과 일체로 회전하며 브레이크 슈와의 마찰력에 의해 제동력을 발생한 다. 1 브레이크 드럼의 조건 a 회전 밸런스가 잡혀 있어야 한다. b 슈가 확장 되었을 때 변형되지 않도록 강성이 충분해야 한다.

179 5.1 브레이크의 종류 175 c 방열성, 내마모성이 우수해야 한다. d 가벼워야 한다. e 마찰계수가 높아야 한다. 2 슈와 드럼의 조합 a 자기작동작용(Self energizing) b 슈의 명칭 ᄀ 리딩 슈 : 자기작동작용에 의해 확장력이 커져 마찰력이 증대된다. ᄂ 트레일링 슈 : 확장력이 감소되어 마찰력이 감소된다. 회전중인 드럼에 브레이크를 걸면 회전방향으로 확장되는 슈는 마찰력에 의해 드럼과 함 께 회전하려는 회전 모멘트를 발생시켜 확장력이 증가되고 마찰력이 증대(자기작동)된다. 그리고 회전 반대방향은 마찰력이 감소된다. F R 마찰력 확장력 원주방향의 힘 두 힘의 합성 1 n M M 2 r r F R (a) 자기작동작용의 원리 (b) 리딩 슈와 트레일링 슈 그림 5-37 드럼 브레이크의 자기작동작용 (11) 드럼형 브레이크 드럼형 브레이크의 구조는 그림 5-38과 같이 되어 있으며 종류에 따라 조금씩 응용 개 발되어 있다. 작동은 마스터 실린더에서 오는 유압이 휠 실린더를 통하여 횔 실린더 피스톤 이 브레이크 슈를 밀어 브레이크 라이닝이 브레이크 드럼에 마찰을 일으킴으로써 감속 및 제동이 된다.

180 176 제5장 제동장치 스프링 시트 스프링 슈 홀드 핀 브레이크 슈 백 플레이트 브레이크 드럼 슈 어저스터 휠 실린더 슈 리턴 스프링 그림 5-38 드럼형 브레이크 (12) 자동조정 브레이크 브레이크 라이닝이 마멸되면 슈와 드럼의 간극이 크게 되어 브레이크 페달을 밟는 양이 커진다. 따라서 알맞은 제동조작을 할 수 있도록 필요시마다 조정해야 한다. 자동조정 브레 이크는 이와 같은 불편을 덜기 위하여 자동조정 장치를 둔 것이며 조정이 필요할 경우에는 전진과 후진 시 브레이크를 작용하면 자동적으로 조정된다. 1 스타 휠형(Star wheel type) 스타 휠형은 자동조정 브레이크의 대표적인 것으로 그림 5-39와 같은 구조로 되어 있다. 브레이크를 밟은 후 놓을시 케이블은 당겨지고 조정레버는 우측으로 이동함으로써 조정 스 크루가 회전된다. 이때 브레이크 슈는 브레이크 드럼과 간극이 조정된다. 전진할 때 의 회전방향 앵커핀 조정 케이블 스프링 케이블 가이드 2차 슈 1차 슈 슈 홀드 다운 스프링 조정용 스프링 조정 스크루 그림 5-39 스타 휠형 2 리딩 트레일링 슈용 자동조정장치 리딩 트레일링 슈용 자동조정장치는 조정레버, 래칫 및 스프링 등으로 구성되어 있다. 조 정레버는 리딩 슈에 장치되어 있으며 하부 래칫과 접하는 부분은 레버의 장치핀을 중심으로

181 5.1 브레이크의 종류 177 원호로 만들어지며 래칫과 물리는 잇날은 절삭되어 있다. 중앙부는 주차 브레이크 슈 스트 럿에 연결된다. 브레이크를 밟으면 브레이크 슈는 앵커 플레이트를 중심으로 하여 상부가 벌어짐으로써 슈와 드럼의 틈새가 한도 이상이 되면 슈 스트럿에 의해 조정레버가 당겨져 래칫에 대하여 잇날 하나만큼 이동한다. 이렇게 됨으로써 브레이크 라이닝 간극은 mm로 조정된다. 주차 브레이크를 당김으로써 작동하는 형식은 조정레버는 주차 브레이크 레버와 함께 슈 에 장치되어 있으며 일단은 리턴 스프링에 브레이크 슈가 장치되며 타단은 조정나사의 잇날 에 접하고 있다. 또한 조정나사는 주차 브레이크 슈 스트럿에 조립되어 있다. 주차 브레이크를 당기면 브레이크 레버가 오른쪽으로 당겨져 레버와 함께 조정레버도 움 직여 조정나사의 잇날에 접하고 있는 부분이 들려 올라간다. 이 때 슈와 드럼의 간극이 클 때는 한번 작동 중에 조정나사의 래칫장치가 1노치씩 움직이므로 주차 브레이크 작동을 반 복할 필요가 있다. 휠 실린더 어저스터 레버 어저스터 레버 어저스팅 스크류 리딩 슈 트레일링 슈 어저스팅 스크류 브레이크 슈 레버 텐션 스프링 앵커 그림 5-40 자동조정식 구조의 한 예 어저스터 레버 어저스터 레버 어저스팅 스크류 어저스팅 스크류 슈 스트러트 슈 스트러트 (a) (b) 그림 5-41 자동조정 작동

182 178 제5장 제동장치 슈 스트러트 틈새 크다 0.4mm 이상 래칫 슈 스트러트 레버 스트러트 스프링 조정 레버 레버 주차브레이크 레버 (a) (b) 그림 5-42 리딩 트레일링 슈의 자동조정장치 조정 케이블 조정레버 그림 5-43 자동조정 브레이크의 구성부품 공기 브레이크(Air brake) 기관으로 압축공기를 구동하여 발생한 압축공기를 동력원으로 사용하는 형식이다. (1) 장점 1 극대형 차량에도 사용이 가능하다. 2 안전성이 높으며 조작이 쉽다. 3 베이퍼 록이 발생되지 않는다. 4 압축공기를 다른 작동기기에도 사용할 수 있다. 5 공기압을 높이면 더 큰 제동력을 얻는다.

183 5.1 브레이크의 종류 179 (2) 종류 1 원격 조작형 2 일체 구조형 : 페달과 브레이크 밸브가 붙어 있다. 브레이크 페달 브레이크 밸브 공기탱크 브레이크 챔버 압축기 그림 5-44 공기 브레이크 (3) 공기 브레이크의 일반적 구조 1 압축공기 계통 a 공기 압축기 : 엔진에 의해 구동되며 작동원인 압축공기를 만든다. 압축공기의 출구 에 언로우더 밸브가 부착되어 있다. b 공기탱크 : 공기 압축기에서 생성된 압축공기를 저장한다. c 압력 조정기(Unloader) : 공기 압력을 제어한다. 2 브레이크 계통 a 브레이크 밸브 : 운전대에 있는 브레이크 페달에 의해 조작되며 페달이 움직인 양에 따라 압축공기를 도입하여 제동력을 제어한다. b 릴레이 밸브, 퀵릴리스 밸브 : 브레이크 작용을 신속하게 해제하는 일을 한다. c 브레이크 챔버, 푸시로드, 슬랙(조정기) : 공기 압력을 제동력으로 바꾸는 일을 한 다. d 기타로는 캠축, 휠 브레이크 등이 있다. 3 안전 계통 a 저압 표시기 : 브레이크용의 공기 압력이 규정보다 낮다는 것을 알려주는 일을 한다. b 체크밸브, 세이프티 밸브, 압력계 : 공기 압력의 안전에 관한 작용을 한다.

184 180 제5장 제동장치 듀얼 브레이크 밸브 에어탱크 에어탱크 배기 릴레이 밸브 퀵 릴리스 밸브 배기 슬랙 어저스터 S캠 브레이크 드럼 브레이크 슈 리턴 스프링 배기 브레이크 챔버 에어 콤프레셔 브레이크 슈 브레이크 드럼 리턴 스프링 브레이크 챔버 S캠 슬랙 어저스터 그림 5-45 공기 브레이크 회로 4 조정계통 슬랙 조정기, 브레이크 밸브, 압력 조정기 등의 조정장치가 있다. 5 압력 조정기와 언로우더 밸브 공기탱크의 압력이 규정치(압력 조정기에서 결정) 이상이면 언로우더 밸브에 압력이 가해 져 흡기 밸브를 완전 개방하여 압축작용을 중지시킨다. 공기 탱크내의 압력이 규정치 이하 가 되면 밸브는 밸브 로드를 통하여 스프링에 의해 시트에 밀어붙여져 있으며 공기탱크와 언로더 밸브의 공기통로를 차단하고 있다. 밸브는 그 압력으로 스프링의 힘에 저항하여 밀 려 올라가고 하부시트에서 떨어져 상부시트에 밀착하도록 공기탱크에서의 공기는 언로더 밸 브로 보내지고 압축기는 다시 공기 압송 작용을 한다. 공기탱크에서 공기 청정기에서 조정 스크류 공기 압축기 실린더 그림 5-46 압력 조정기와 언로우더(Unloader)

185 5.1 브레이크의 종류 브레이크 밸브 a 페달 행정에 따라 브레이크 챔버압을 결정(브레이크 홀딩)한다. b 리턴 시 공기 누출 구조 그림 5-47(a)는 브레이크 페달을 놓았을 때로써 브레이크 챔버로 들어간 공기는 2차 스 프링 쪽에 있는 밸브의 중앙 구멍을 통하여 대기로 배출됨으로 제동력은 해제되고 동시에 밸브가 닫혀 압축 탱크의 공기는 브레이크 챔버로 들어가지 못한다. 그림 5-47(b)는 브레 이크 페달을 밟았을 때 스프링 장력을 이기고 챔버가 아래로 작용하면 밸브가 아래로 작용 하여 밸브 시트가 대기구멍을 막고 압축탱크 내 공기는 밸브 시트의 틈새를 통하여 브레이 크 챔버로 들어감으로 제동력이 생긴다. 브레이크 페달 주 스프링 배출밸브 리턴스프링 브레이크 챔버로 압축탱크에서 대기 공급밸브 배출 스프링 (a) 풀린상태 (b) 작용상태 그림 5-47 브레이크 밸브작동 7 릴레이 밸브 브레이크 밸브를 통하여 들어온 압축공기는 밸브의 스템을 하향으로 움직이고 이 밸브 스 템은 밸브를 하향 작동한다. 이때 밸브 시트 틈새로 공기가 유입되어 브레이크 챔버로 들어 간다. 브레이크 페달을 놓으면 브레이크 밸브에서 들어오는 압축공기는 대기로 빠지면서 밸 브가 상향으로 다시 돌아갈 때 밸브 중앙 구멍을 통하여 챔버로 들어간 압축공기는 배출구 멍을 통하여 배출된다. 8 퀵 릴리스 밸브 브레이크 밸브 및 공기탱크에서 오는 공기의 압력은 밸브가 스프링 장력을 이기고 배출구 멍을 막음으로써 챔버로 직송되어 캠을 작동시켜 제동력을 얻고 브레이크 페달을 놓을 때는 밸브가 그림 5-49와 같이 챔버로 들어간 공기가 배출구멍을 통하여 대기로 배출된다. 이로 써 제동력은 해제된다.

186 182 제5장 제동장치 브레이크 밸브 브레이크 밸브 배출 브레이크 챔버로 브레이크 챔버로 공기탱크에서 배출 그림 5-48 릴레이 밸브작동 그림 5-49 퀵 릴리스 밸브 9 저압 표시기 압력 S.W로서 공기압이 낮으면 계기판에 점등하며 공기압이 높으면 점점 개방된다. 10 슈와 드럼 브레이크 밸브를 통하여 퀵 릴리스 밸브(전륜 계통) 및 릴레이 밸브(후륜 계통)를 통하여 들어온 공기는 챔버 내의 다이어프램을 밀므로써 캠 로드의 링크를 통하여 캠이 요동한다. 따라서 브레이크 슈가 작동되어 제동력이 걸리고 브레이크 밸브, 퀵 릴리스 밸브, 릴레이 밸 브에서 압축공기가 배출되면 캠 포드에 의해 캠은 정상 주행 시로 돌아가게 된다 배력식 브레이크 (1) 진공식 배력장치 이 형식은 보통의 유압 브레이크 장치에 하이드로백(Hydro-vac)을 설치한 것이며, 하이 드로백 작용을 위한 부압은 엔진의 흡기다기관이나 엔진에 의해 구동되는 전용의 진공 펌프 에서 얻도록 되어 있다. 디젤엔진에서는 높은 부압을 얻을 수 없기 때문에 이젝터(Ejector)를 부가하기도 한다. 이것에는 그림 5-51에 하이드로백이 마스터 실린더와 일체로 된 직접조작형이 있다. 그림 5-50과 같이 하이드로백을 마스터 실린더와 별개로 설치하는 주로 대형차량에 사용되는 원격 조작형과 소형차량에 사용되고 있는 직접 조작형이 있다. 하이드로백 : 미국 벤딕스(Bendix)사에서 제작되는 진공식 배력장치의 상품명이며, 진공 식 배력장치의 대명사처럼 사용되고 있다. 1 진공식 배력장치의 원리 마스터 실린더의 유압을 높이는 장치에는 이미 설명한 바와 같이 진공식과 압축공기식이

187 5.1 브레이크의 종류 183 있다. 이것은 어느 것이나 대기압과의 압력차를 이용하고 있으며 진공식인 경우 진공원을 엔진의 흡기다기관에 주로 두고 있다. a 진공과 대기압 진공은 용기 안의 공기나 가스를 완전히 배출하여 물질이 존재하지 않게 된 공간 상태를 뜻하며, 실제에 있어 완전 진공을 만들 수는 없다. 따라서 여기서 진공이라고 하는 것은 대기압보다 낮은 경우의 부분진공을 뜻한다. 또 진공상태를 대기압의 정기압에 대해 부 압이라고도 한다. 자동차에서는 엔진 피스톤의 상하운동에 의한 펌프작용으로 흡기행정 에서 부분진공을 만든다. 따라서 엔진 흡기다기관에 발생된 부분진공이 수은주 500mm 이면 대기압(760mmHg)과의 사이에는 0.7kg f /cm 2 의 압력차가 생긴다. b 부압의 세기 a에서 설명한 진공을 직경 240mm의 실린더 내의 피스톤에 작용시키면 피스톤에는 그 아래쪽에 작용하는 대기압으로 약 300kg f 의 중량을 지지할 수 있는 힘이 발생된다. 이것 은 엔진 흡기다기관의 진공이 이 무게를 잡아 올리고 있는 것이다. 파이프를 이으면 피 스톤 양쪽의 진공도가 같게 된다. 따라서 피스톤은 스프링의 작용으로 아래로 내려가게 된다. 이와 같이 파이프의 연결과 떼어냄으로 피스톤을 작동시킬 수 있다. 이러한 관계를 이용하는 것이 하이드로백이다. 2 하이드로백(Hydraulic vacuum)의 구조와 작동 하이드로백의 구조는 유압계통과 진공계통으로 대별되며 유압계통은 하이드롤릭 실린더 (Hydraulic cylinder)를 제외한 마스터 실린더 등 원래의 유압 브레이크와 동일 부품으로 되어 있다. 진공계통은 진공 탱크(없는 것도 있음), 동력 실린더, 동력 피스톤, 릴레이 밸브 및 릴레이 밸브 피스톤, 체크밸브 등으로 되어 있다. 구조 a 진공계통 : 하이드로백의 진공계통은 다음과 같은 부분으로 구성되어 있다. ᄀ 동력 실린더(Power cylinder) : 강판 프레스제이며 그 끝부분에 엔드판(End plate) 이 설치되어 있고, 내부에는 동력 피스톤, 리턴 스프링 등이 들어 있다. ᄂ 동력 피스톤(Power piston) : 2매의 둥근 강판을 그 둘레 사이에 가죽 패킹을 끼우 고 합친 구조(기밀이 유지되도록)로 되어 있으며 그 중심부에서 푸시로드와 리벳으 로 연결되어 있다. 패킹 내부에는 보혁유를 적셔두는 펠트(Felt)나 심지(Wick)를 두어 작동중의 윤활을 돕고, 가죽이 굳어지는 것을 방지하고 있다. 또 패킹 안쪽에는 패킹을 바깥쪽으로 벌려 실린더와의 기밀을 잘 유지시키기 위한 판스프링 모양의 링 이 설치되어 있다. 동력 피스톤은 그 양쪽의 압력차에 의해 작동하여 하이드롤릭 피 스톤을 움직여 강력한 유압이 발생되도록 한다. ᄃ 릴레이 밸브, 릴레이 밸브 피스톤(Relay valve and relay valve piston) : 릴레이 밸 브와 릴레이 밸브 피스톤은 마스터 실린더에서의 유압에 의해 동력 피스톤의 뒤쪽에

188 184 제5장 제동장치 부압을 도입하거나 차단하는 일을 한다. 릴레이 밸브는 공기 밸브(Air valve)와 진 공 밸브(Vacuum valve)로 되어 있으며 공기 밸브가 스프링에 의해 닫혀 있는 상태 로 설치되어 있다. 진공 밸브는 중앙에 밸브 시트를 가지고 있는 막(Diaphragm)과 상대하는 위치에 있고, 막은 릴레이 밸브 피스톤에 의해 작동하게 되어 있다. 페달 서포트 멤버 와셔 스톱퍼 페달 서포트 멤버 리저버 탱크 2.5~3.5 클러치 페달 장착볼트 리턴 스프링 2.1~2.8 이그니션 록크 스위치 0.8~1.0 부싱 클레비스 핀 브레이크 페달 스플리트 핀 와셔 클러치 페달 페달 패드 리턴 스프링 부싱 배력장치 (부스터) 마스터 실린더 휠 실린더 그림 5-50 직접 조작형

189 5.1 브레이크의 종류 185 마스터 실린더 배력장치 (하이드로 백) 휠 실린더 부스터 어셈블리 클레비스 핀 2.1~2.8 진공호스 그림 5-51 원격 조작형 마스터 실린더 엔진 흡기다기관 체크밸브 릴레이밸브 오일라인 휠 실린더 하이드롤릭 실린더 동력실린더 하이드롤릭 피스톤 동력 피스톤 그림 5-52(a) 제동력 정지(계속)

190 186 제5장 제동장치 막 진공밸브 공기밸브 릴레이밸브 피스톤 체크 볼 피스톤 푸시로드 스톱와셔 요크 피스톤 그림 5-52(b) 제동력 정지 마스터 실린더 엔진 흡기다기관 체크밸브 릴레이밸브 공기청정기 휠 실린더 동력실린더 하이드롤릭 피스톤 하이드롤릭 실린더 동력 피스톤 막 진공밸브 공기밸브 릴레이밸브 피스톤 체크 볼 피스톤 푸시로드 스톱와셔 요크 마스터 실린더로부터 피스톤 그림 5-53 제동력 발생

191 5.1 브레이크의 종류 187 ᄅ 체크밸브(Check valve) : 하이드로백의 성능은 진공 실린더 내의 부압에 따라 정 해지기 때문에 엔진이 만드는 최고의 부압을 유지하고 주행 중 엔진 흡기다기관 내 의 부압 변화가 하이드로백에 영향을 주지 않도록 하여야 한다. 체크밸브는 이와 같 은 일을 위해 둔 것이며 엔진의 흡기다기관(또는 부압원)과 진공 탱크 사이에 설치 되어 있다. 체크밸브에서 엔진이 기동되면 하이드로백 내의 공기는 엔진 쪽으로 흡 입되어 부압상태가 된다. 엔진이 정지되면 하이드로백 쪽은 부압상태이기 때문에 반 대로 공기가 들어가려 한다. 이때 체크밸브의 둥근 부분이 공기의 유동을 막아 하이 드로백이 부압을 유지하도록 한다. 체크밸브는 수직 방향으로 설치되어 있어 밸브 자체의 무게로 밸브 시트에 밀착되어 있으나 상당히 작은 부압에서도 작용한다. b 유압계통 ᄀ 하이드롤릭 실린더(Hydraulic cylinder) : 하이드롤릭 실린더는 주철로 되어 있고 그 내부에 동력 피스톤의 푸시로드에 의해 작동되는 하이드롤릭 피스톤을 포함하고 있다. ᄂ 하이드롤릭 피스톤(Hydraulic piston) : 이것은 동력 피스톤 푸시로드의 끝 부분에 핀을 통해 설치되어 있고 그 내부에는 체크밸브와 요크가 설치되어 있다. 체크밸브 는 동력 피스톤이 작용하지 않을 때에는 열려져 있어 마스터 실린더에서의 오일이 휠 실린더로 흐를 수 있게 하고 동력 피스톤이 작용되어 하이드롤릭 피스톤이 움직 이면 요크가 스톱 와셔에서 떨어지기 때문에 닫혀 진다. 따라서 이때부터 하이드롤 릭 피스톤이 각 휠 실린더에 오일을 압송하게 된다. ᄃ 오일 파이프 : 하이드롤릭 실린더 내의 압력이 100kg f /cm 2 이상이 되므로 충분한 강도를 가진 강제의 파이프로 되어 있고 접속부도 충분한 유밀이 유지되도록 되어 있다. 작용 a 브레이크를 작용시키지 않았을 때 동력 실린더 내의 동력 피스톤의 양쪽은 릴레이 밸브를 거쳐 엔진의 흡기 부압이 도입되 기 때문에 모두 똑같은 부압이 작용되고 있다. 따라서 동력 피스톤은 리턴 스프링의 힘 으로 왼쪽에 밀려져 있다. 하이드롤릭 피스톤도 스톱 와셔에 닿는 위치에 있게 되므로 요크를 오른쪽으로 밀고 체 크밸브(볼 체크)를 연 상태로 한다. 따라서 마스터 실린더에서의 오일이 하이드롤릭 피 스톤의 중심에서 체크밸브를 거쳐 휠 실린더로 통하게 된다. 또 릴레이 밸브의 공기 밸 브는 닫혀 있고 진공 밸브도 막이 그 스프링에 의해 왼쪽으로 밀려져 있는 상태가 되어 있기 때문에 열려있다. 따라서 동력 피스톤의 양쪽에 엔진의 흡기부압이 도입된다. b 브레이크를 작용시켰을 때 브레이크 페달을 밟으면 오일의 하이드롤릭 피스톤의 체크밸브를 거쳐 휠 실린더에 보내

192 188 제5장 제동장치 어지고 동시에 엔드판 내의 오일 구멍을 거쳐 릴레이 피스톤의 왼쪽에도 유압이 작용된 다. 릴레이 피스톤에 작용되는 유압이 높아지면 피스톤이 오른쪽으로 움직여 먼저 막을 사이에 두고 진공 밸브가 닫혀져 동력 피스톤의 양쪽 방을 차단한다. 다음 공기 밸브가 열려져 공기 청정기에서의 대기압이 동력 피스톤의 왼쪽 방에 유입된다. 따라서 오른쪽 방과의 압력차로 동력 피스톤이 움직여 푸시로드를 거쳐 하이드롤릭 피스톤을 왼쪽으로 민다. 하이드롤릭 피스톤이 움직이면 스톱 와셔에 닿아 있던 요크가 떨어지게 된다. 이때 체크밸브 오른쪽의 작은 스프링이 볼을 밀어 체크밸브를 닫아 마스터 실린더와 휠 실린 더 쪽의 오일을 차단하여 휠 실린더 쪽에서의 역류를 방지하고, 동시에 하이드롤릭 실린 더 내의 오일을 휠 실린더에 보내어 브레이크 작용을 하게 한다. 이때 유압은 동력 실린 더에서 푸시로드에 전달되는 추력과 마스터 실린더에서 직접 하이드롤릭 피스톤에 걸리 는 압력의 합이 된다. c 브레이크를 풀었을 때 브레이크 페달을 놓으면 릴레이 밸브 피스톤에 작용하는 유압이 내려가 피스톤이 막 스 프링에 의해 원래의 위치로 돌아간다. 릴레이 피스톤이 원래의 위치로 돌아가면 공기 밸 브가 닫혀져 대기의 유입을 막고, 그 다음에 진공 밸브가 막에서 떨어지며 진공 밸브구멍 을 연다. 따라서 A방의 대기는 컨트롤 튜브를 통해 B방으로 들어가고 다시 흡기다기관을 거쳐 엔진에 흡인되어 하이드로백 내부는 부압이 된다. 또 동력 피스톤은 A, B 양방의 공 기 압력이 평형이 되므로 리턴 스프링의 작용으로 왼쪽에 밀려지고 동시에 하이드롤릭 피 스톤도 원래의 위치로 돌아간다. 이때 요크가 피스톤 스톱 와셔와 접촉하여 그 앞 끝 부 분에서 체크 밸브를 밀어 올린다(밸브가 열린다). 체크밸브가 다시 열리면 브레이크 오일 이 마스터 실린더에 유입된다. 브레이크를 작용시켰을 때 릴레이 밸브의 움직임은 유압의 반작용에 의해 발로 느낄 수 있다. d 고장 시 작동 배력장치에 고장이 발생하면 파워 피스톤에 압력차가 생기지 않으므로 배력작용은 일어 나지 않는다. 페달을 밟으면 밸브 작동 로드와 밸브 플런저를 거쳐 파워 피스톤에 조립되 어 있는 스토퍼에 전달된다. 이는 파워 피스톤에 전달되며 이어서 리턴 스프링을 압축하 여 리액션 디스크, 푸시로드, 마스터 실린더 피스톤의 순으로 전달되므로 마스터 실린더에 유압이 발생하여 제동 작용을 하게 된다. 따라서 제동 배력장치가 고장이어도 배력 작용 은 없지만 브레이크 작용은 그대로 작용한다. (2) 기타 브레이크 시스템 이외에 브레이크 시스템에는 과다한 제동력이 스키드 현상을 일으킴으로써 제동거리 및 정지거리를 길게 하므로, 앤티스키드(Anti skid) 장치로써 브레이크 시스템 라인에 다음과 같은 장치가 장착되는 경우도 많이 있다.

193 5.1 브레이크의 종류 리미팅 밸브(Limiting valve) 앤티스키드(Anti skid) 장치로써 브레이크 페달을 강하게 밟을 때 후륜이 고착되지 않도 록 후륜에 유압이 상승하지 못하게 제한한다. 리어 브레이크로 마스터 실린더에서 리어 브레이크로 그림 5-54 리미팅 밸브의 작동 2 프로포셔닝 밸브(P 밸브) 마스터 실린더와 리어 휠 실린더 사이에 장착하며 주로 승용차에 장착한다. 마스터 실린 더 유압이 낮을 경우 밸브와 휠 실린더 유로가 관통하고 마스터 실린더 유압이 상승한 경우 밸브가 휠 실린더 유로를 차단한다. 따라서 후륜 타이어의 록(Lock)이 방지된다. 마스터 실린더에서 휠 실린더로 압축 스프링 로드 밸브보디 피스톤 밸브(열려 있다) 밸브 스프링 그림 5-55 프로포셔닝 밸브의 구조 3 이너셔 밸브(Inertia valve)(g 밸브) 이너셔 밸브는 조정밸브의 작동 개시점을 자동차의 감속도에 따라 결정하는 것으로 감속 도가 어떤 값 이상에 달하면 그림 5-64와 같이 밸브내의 강구가 이동하여 마스터 실린더 로부터의 오일을 차단하여 리어 휠 실린더로 들어가는 출력 유압을 제어하는 장치이다. 이 유압제어 개시점 이후는 마스터 실린더에서의 오일은 피스톤을 밀어 리어 브레이크로 유압 을 보낸다.

194 190 제5장 제동장치 리어 브레이크로 마스터 실린더에서 밸브 관성질량(강구) 차량진행방향 그림 5-56 G밸브 4 로드 센싱 프로포셔닝 밸브(L.S.P.V) P 밸브의 일종으로 뒤 바퀴측의 유압제어 개시점을 하중에 따라 변동하도록 한 형식을 로 드 센싱 프로포셔닝 밸브라고 한다. 그 구조는 그림 5-57에 나타낸 것과 같이 피스톤, 볼 밸브, 리턴 스프링, 밸브 가이드 등을 내장한 밸브 보디, 레버, 조정 스프링 및 메인 스프링 으로 구성되어 있다. 휠 실린더로 조정 스프링 마스터 실린더에서 레버 메인 스프링 밸브 가이드 볼 F 뒤 스프링 리턴 스프링 밸브보디 피스톤 그림 5-57 L.S.P.V의 구조 a 작동전의 상태 휠 실린더측의 유압이 낮은 경우에는 그림 5-57과 같이 피스톤은 조정 스프링의 힘

195 5.1 브레이크의 종류 191 으로 왼쪽으로 밀리며 볼 밸브는 밸브 가이드에 의해 열려 있다. 따라서 마스터 실린더 에서 브레이크액은 볼 밸브를 통하여 휠 실린더 측으로 보내지므로 마스터 실린더측의 유압은 그대로 휠 실린더측으로 전달된다. b 작동상태 브레이크 페달을 밟아 유압이 규정 치에 도달하면 바퀴 실린더측의 유압이 피스톤의 오른쪽으로 미는 힘(휠 실린더측의 유압 피스톤의 단면적 A)이 피스톤을 왼쪽으로 미는 힘(조정 스프링의 힘+마스터 실린더측의 유압 피스톤의 A와 B의 면적 차)보다 커져서 그림 5-58과 같이 피스톤은 오른쪽으로 밀려서 볼 밸브가 닫히고 마스터 실린 더측과 휠 실린더측의 유로가 차단된다. 이때의 마스터 실린더측의 유압과 휠 실린더측 의 유압은 같아져 있으며 제어의 개시점이다. 이 점으로부터 또 다시 마스터 실린더의 유압이 상승하여 피스톤은 왼쪽으로 밀려서 볼 밸브가 열리고 휠 실린더측으로 브레이 크액을 유입하는데, 휠 실린더측의 유압이 상승함에 따라 피스톤은 오른쪽으로 미는 힘 이 커지므로 또 다시 오른쪽으로 밀려서 볼 밸브가 닫히게 된다. 이때의 균형은 P 밸브 와 마찬가지로 휠 실린더측의 피스톤 유압면적(A)이 마스터 실린더측의 유압면적(A- B)보다 크므로 휠 실린더 측의 유압증가율은 마스터 실린더측보다 작아진다. 이 밸브의 특징은 그림 5-59와 같이 제어개시점이 하중에 의해 변동하는 점이며, 이것은 하중이 증가하는데 비례하여 조정 스프링의 피스톤을 왼쪽으로 미는 힘이 증가하도록 장치되어 있기 때문에 하중이 일정한 경우에도 감속도에 따라 뒤 스프링이 변형하므로 이때에도 제어개시점이 변화하게 된다. 피스톤을 왼쪽으로 미는 힘 F+R (A-B)(kgf) 피스톤을 오른쪽으로 미는 힘 P A(kgf) P P (A-B)cm 2 Bcm 2 Ccm 2 Fkgf Acm 2 Acm 2 Ccm 2 와 같다 그림 5-58 L.S.P.V에 작용하는 힘의 관계(유압에 의한 힘)

196 192 제5장 제동장치 점선은 이상곡선 S 정적재 후 륜 제 동 력 S S 공차시 70% 적재 40% 적재 S 마스터 실린더 유압 그림 5-59 적재량에 따른 제동력의 분해 디스크 브레이크(Disc brake) 디스크식 유압 브레이크는 드럼 대신에 휠과 함께 회전하는 원판형 브레이크 디스크를 한 쪽 혹은 양쪽에서 유압에 의해 작동하는 패드(Pad)를 강하게 압착하여, 이때의 마찰력으로 제동력을 얻는 장치이다. 디스크식은 드럼식에 비해 다음과 같은 장단점이 있다. 연결 튜브 실린더 피스톤 마찰패드 마스터 실린더에서 유압 브레이크 풀린 위치 작동된 위치 그림 5-60 디스크 브레이크 (1) 장점 1 자기배력(Self servo) 작용이 없으므로 좌우 휠의 제동력이 안정되어 제동시 한쪽으로 쏠리는 현상이 적다. 따라서 방향 안정성이 좋다.

197 5.1 브레이크의 종류 디스크 플레이트가 노출되어 있기 때문에 방열성이 우수하여 페이드(Fade)현상이 잘 일어나지 않는다. 따라서 고속주행 중 반복제동을 하더라도 안정된 제동력을 얻을 수 있다. 3 드럼에 비해 마찰열에 의한 변형이 거의 일어나지 않으므로 제동력이 우수하다. 4 디스크에 물이나 진흙 등이 묻어도 원심력에 의해 잘 떨어져 나가므로 제동효과의 회 복이 빠르다. 5 구조가 간단하여 패드 교환 등 점검, 정비가 용이하다. (2) 단점 1 패드 면적이 작고, 제한되어 있으므로 충분한 제동효과를 얻기 위해서는 높은 유압이 필요하다. 따라서 페달 답력이 크거나 브레이크 부스터의 용량이 커야 한다. 2 패드의 마모가 빠르고 또 마찰면이 노출되어 있기 때문에 패드의 수명이 다소 짧다. 3 구조상 가격이 다소 비싸다. (3) 디스크 브레이크의 종류 1 캘리퍼(Caliper) 일체형 캘리퍼가 일체로 되어 있으며 휠의 양면에 피스톤이 작동한다. 이 피스톤 작동은 텐덤형 마스터 실린더에서 배력장치를 통하여 가압된 유압에 의해서 휠에 작동된다. 2 캘리퍼(Caliper) 분할형 캘리퍼가 2개로 분할되어 있으며 2개를 결합 시 오일의 통로는 일치가 되고 캘리퍼 일체 형과 똑같은 방법으로 피스톤이 작용된다. 3 캘리퍼(Caliper) 부동형 이 방법은 휠의 한쪽면에서 텐덤형 마스터 실린더에 배력이 되어 나오는 유압에 의해서 피스톤이 작용된다. 피스톤 유압 피스톤 피스톤 캘리퍼 유압 패드 디스크 캘리퍼 일체형 캘리퍼 분할형 캘리퍼 부동형 그림 5-61 디스크 브레이크의 종류

198 194 제5장 제동장치 (4) 부동 캘리퍼형의 장단점 1 장점 a 베이퍼 록의 우려가 적다. b 부품수가 적어진다. 2 단점 a 피스톤 이동량이 커야 한다(2배). b 패드 편마모가 우려된다. (5) 자동 간극 조정장치 브레이크 실린더에 유압이 작용하지 않을 때는 부싱 하우징이 압축 스프링의 작용으로 피 스톤과 접촉상태를 유지한다(그림 5-62(a)). 브레이크 페달을 밟아 유압이 작용되면 피스 톤이 오른쪽으로 움직인다. 이때 리트랙터 핀과 부싱과의 섭동저항이 압축 스프링의 장력을 이기고 부싱과 핀의 위치는 변하지 않고 피스톤이 움직임에 따라 스프링은 압축된다. 만일 패드와 디스크 사이의 간극이 크면 피스톤의 이동량이 커지기 때문에 부싱 하우징과 지지판 이 접촉하여 피스톤이 리트랙터 부싱의 접촉저항을 이기고 패드를 디스크에 밀착시킬 때까 지 부싱을 섭동시킨다. 이 상태에서 브레이크 페달을 놓으면 피스톤은 압축 스프링의 장력 으로 부싱 하우징과 지지핀의 간극만큼 되돌아가게 하여 새로운 위치를 결정한다. 따라서 패드가 마멸되어도 디스크와 패드의 간극은 항상 일정한 값을 유지한다. 피스톤 압축 스프링 t(0.25~0.30mm) 패드 t(0.25~0.30mm) 부시 하우징 리트렉터 부시 디스크 리테이닝 플레이트 (a) 그림 5-62 자동 틈새 조정장치 (b) (6) 디스크 브레이크의 작동 디스크 브레이크는 드럼 대신에 바퀴와 함께 회전하는 강주철에 원판(디스크)을 장치하여 그 양쪽의 바깥쪽 가까운 부분에 유압 피스톤으로 작용하는 브레이크 패드(Brake pad)를 밀어붙여 그의 마찰력에 의해 제동하는 것이다. 그 구조는 디스크, 캘리퍼, 피스톤, 패드 등 의 주요부품으로 구성되어 있다.

199 5.1 브레이크의 종류 195 유압 피스톤 시일 피스톤 패드 브레이크 디스크 그림 5-63 디스크 브레이크의 기본원리 1 디스크 브레이크의 원리 캘리퍼내의 실린더에 유압을 거는 피스톤은 패드를 그림 5-63의 화살표 방향으로 이동 시켜 양쪽에서 디스크를 압착시킨다. 또한 실린더내의 유압을 없애면 그림 5-64와 같이 피 스톤은 피스톤 시일의 탄성변형에 의해 생기는 힘, 즉 원형으로 되돌아가려는 힘으로 피스 톤을 원래의 위치로 되돌아가게 된다. 패드가 마모하면 브레이크 페달의 페달 스트로크가 증대하므로 디스크 브레이크에서는 디 스크와 패드 틈새를 자동으로 조정하는 기능을 가지고 있어야 한다. 패드와 디스크 사이를 항상 일정하게 하기 위하여 피스톤은 패드의 마모분 만큼 진행할 필요가 있으며 이와 같은 경우에는 피스톤과 피스톤 시일 사이에 미끄럼이 생겨 그림 5-64의 오른쪽 그림 상태로 또 다시 피스톤이 안으로 들어오게 된다. 이 결과로 브레이크 페달을 놓아줌으로써 실린더 내의 유압이 없어지면, 시일의 변형분 만큼 피스톤이 되돌려 져서 패드와 디스크의 틈새를 유지하게 된다. 피스톤 시일 피스톤 시일 탄성변형개소 실린더 실린더 브레이크 페달을 놓았을 때 피스톤 브레이크 페달을 밟았을 때 피스톤 피스톤 그림 5-64 피스톤 복원량 (7) 패드마모 시 작동 제동 시 피스톤 이동량 B는 그림 5-65(b)와 같이 피스톤 실의 변형량 A보다 커지기 때 문에 피스톤은 실위를 미끄러지면서 이동한다. 제동 작용을 해제하면 피스톤은 피스톤 실의 탄성 변형량 A만큼만 되돌아온다. 이것으로 인해 패드의 마모량에 상당하는 B-A만큼 피스 톤은 좌측으로 이동하기 때문에 실 변형량 A의 간극은 항상 일정하도록 자동으로 조정된다.

200 196 제5장 제동장치 제동전 제동시 제동후 B A (a) 패드가 신품일 때 제동전 제동시 제동후 B A (b) 패드가 마모되었을 때 조정값(B-A) 그림 5-65 패드마모 유무에 따른 피스톤의 작동과 자동간극 조정 (6) 벤틸레이티드 디스크(Ventilated disc) 그림 5-66(b)와 같이 종전의 자동차에는 솔리드 디스크(Solid disk)를 사용하였으나 최 근에는 제동시 디스크에 발생하는 마찰열을 보다 빨리 발산시키기 위하여 그림 5-66(a)와 같이 디스크 원주에 공기통로(Air cooling passage)를 둔 벤틸레이티드 디스크를 모든 차 종에 사용하고 있다. 벤틸레이티드 디스크 브레이크는 장시간 제동을 하여도 디스크나 패드 의 열변형이 적어 제동력이 우수하며 페이드 방지와 패드의 수명이 향상되는 장점이 있다. 공기통로 (a) 벤틸레이티드 (b) 솔리드 디스크 그림 5-66 벤틸레이티드 디스크와 솔리드 디스크 (7) 패드마모 경보장치(Pad wear warning system) 패드가 사용한계까지 마모되었을 경우 그림 5-67(a)는 검출단자의 도체가 디스크에 접 촉하면 경고등을 점등하고, 그림 5-67(b)는 검출단자의 도체가 디스크에 닿아 끊어지면 경 고등을 점등하는 형식이다. 이러한 전기식인 (a), (b)형은 외국자동차에 주로 사용하는 형

201 5.2 브레이크 이론 197 식이며, 우리나라 자동차는 주로 그림 (c)와 같이 음향식으로 패드가 마모되어 잔류두께 약 3mm가 되면 패드마모 인디케이터(Indicator)가 디스크에 접촉하여 기계적으로 경고음을 발생하도록 되어 있다. 디스크 (신품) 라이닝 검출단자 경고등 전자회로 인디케이터 (마모) (a) (b) (c) 그림 5-67 패드마모 경보장치 5.2 브레이크 이론 브레이크 슈의 작용 휠 실린더에 의해 의 힘으로 드럼에 압착되면 마찰력이 발생된다. 브레이크 라이닝의 중 앙부에 제동력, 가 집중하여 작용한다고 생각하면 리딩 슈에는 의 크기를 가 진 마찰력이 발생된다. 앵커 핀 중심의 모멘트의 평형에서 다음 식이 성립된다. ( : 마찰계수), 브레이크 총력을 라 하면 가 된다. 위 식에서 가 되어 의 차이만큼 제동력이 마찰력에 의하여 도움을 받은 것이 된다. 트레일링 슈에 대해서도 마찬가지로

202 198 제5장 제동장치 가 성립된다., 총제동력 를 구하면, 가 된다. 위 식에서 > 가 되어 와 의 차이만큼 제동력이 마찰력에 의하여 감 소된다. 리딩 슈의 자기작동을 유효하게 이용하면 작은 페달 답력으로 큰 제동력을 얻을 수 있다. F F 2=μP 2 P 1 a P 2 c b F 1=μP 1 그림 5-68 브레이크 슈의 작용 제동력 및 제동거리 브레이크 장치의 능력이 아무리 크다 해도 얻을 수 있는 최대의 제동력은 타이어와 노면 과의 마찰력에 의해 정해지며 바퀴가 고정되었을 때의 제동거리에는 다음 식이 성립된다. 여기서 : 차량 총중량(kg f ) : 중력 가속도(9.8m/sec 2 ) : 제동 초속도(m/sec) : 정지거리(m) : 타이어와 노면과의 점착계수

203 5.2 브레이크 이론 199 위 식에서 을 얻을 수 있다. 여기서 는 포장도로에서는 0.5~0.7이다. 타이어가 굴러가면서 브레이크 되는 경우와 완전히 고정되었을 때의 값은 그림 5-69와 같이 달라진다. 미끄럼률 여기서 : 주행속도 : 타이어의 회전각속도 : 타이어 반경 : 타이어 주속도 그림 5-69에서 점착계수 는 미끄럼률이 30~40%인 부근에서 최대가 되고 그 후에는 급격히 감소되는 경향이 있다. 한편 브레이크 토크는 다음 식과 같다. 여기서 : 브레이크 토크 : 드럼과 라이닝의 마찰계수 : 드럼 반경 : 드럼에 걸리는 전 브레이크 압력 Pr 제동력 위 식에서 는 라이닝의 면적과 휠 실린더의 압착력에 비례하고, 휠 실린더에 발생되는 힘은 페달을 밟는 힘과 페달의 지렛대비, 마스터 실린더와 휠 실린더의 면적비 등에 따라 정해진다. 구조상 밟는 힘, 지렛대비는 그렇게 크게 할 수 없다.

204 200 제5장 제동장치 1.0 노 면 과 의 점 착 계 수 μk 0.2 건조 비 진흙 미끄럼률 % 그림 5-69 노면과 타이어와의 점착계수 브레이크의 경과 운전자가 위험을 느끼고 브레이크를 조작하여 자동차가 정지할 때까지의 경과는 다음과 같이 나누어 생각할 수 있다. (1) 반응시간 인간의 생리에 관한 것이며 보통 0.4~0.5초 정도이다. 성별로 본다면 여자의 반응시간은 남자의 2배이다. (2) 바꿔 밟기 시간 페달의 배치에 따라 영향을 받는다. 일반적으로 0.2~0.3초 정도이다. (3) 밟기 시간 페달, 브레이크 슈와 드럼의 간극 등에 영향을 받는다. 보통 0.1~0.2초 정도이다. (4) 과도 브레이크 및 주요 브레이크 제동력이 최대값에 이를 때까지는 어떤 시간이 필요하며, 이때의 상태를 과도 브레이크라 하고, 제동력이 최대가 되어서부터 자동차가 정지할 때까지의 사이를 주요 브레이크라고 한 다. 그림 5-70은 앞의 관계를 나타낸 것이다.

205 5.2 브레이크 이론 201 시간 또는 거리 감 속 도 페이드 차체의 피칭 발 견 반응시간 공주시간 가 속 페 달 에 서 발 을 떼 다 옮 겨 밟 는 시 간 브 레 이 크 페 달 을 밟 다 제 동 개 시 밟 는 시 간 과도 제동 주 요 제 동 개 시 정지거리 또는 시간 제동시간 주요제동 정 지 그림 5-70 운전자의 동작, 시간 및 감속도의 관계 1 제동거리의 산출식 속도 V(km/h)의 자동차가 제동력 F(kg f )의 작용으로 운동거리 S(m)에서 정지하였다고 하면 그 때의 일은 다음과 같다. 자동차가 한 일= 또 질량 의 자동차가 속도 (m/sec)로 운동하고 있을 때의 에너지는 자동차가 가지는 에너지 그런데 질량 은 지구의 중력에 의한 가속도 (9.8m/sec )가 작용하여 자동차의 중량 W(kg f )이 되므로 자동차의질량 이 된다. 따라서 자동차가 가지는 에너지 이 된다.

206 202 제5장 제동장치 에너지 불변의 법칙에 의하여 여기서 : 제동력(kg f ) : 제동거리(m) : 자동차의 총중량(kg f ) : 중력 가속도(9.8m/sec 2 ) : 자동차의 속도(km/h) 운동 에너지는 속도의 자승에 비례하므로 단위를 고치면, 이 된다. 이것을 간단히 하여 풀어보면, 제동거리 m 이외에 브레이크를 걸면 자동차 자체의 운동을 정지시키고 동시에 추진축, 각종 기어, 바 퀴 등도 정지된다. 이들 회전부분 상당중량( )을 더한 제동거리( )는 제동거리 (m) 여기서 의 값은 승용차의 경우 차량중량의 5% 이고, 대형차는 차량중량의 7%( )이다. 2 공주거리의 산출식 공주거리란 가속페달을 놓고서부터 제동력이 발생될 때까지의 시간사이에 주행한 거리를 말한다. 속도 Vkm/h의 자동차가 공주시간에 주행한 거리는 거리 = 속도 시간 공주거리(S 2 ) 공주시간

207 5.2 브레이크 이론 203 공주시간을 sec라 하면 공주거리(S 2 ) 3 정지거리의 산출식 정지거리는 공주거리와 제동거리를 합한 것이며 반응시간은 운전자에 따라 개인차가 있으 므로 주의하여야 한다. 정지거리 제동 초속도 차량중량 회전부분 상당중량 제동 초속도 정지거리 제동력 [예제] 다음과 같은 드럼 브레이크의 제동 토크와 제동 가능마력은 얼마인가? W W D L 1 L 2 L 2 휠 실린더내 압력 22kg f /cm 2 휠 실린더 내경 25mm 240mm 180mm 90mm 마찰계수 0.35 드럼의 회전수 300rpm 1 리딩 슈의 제동 토크(kg f ᆞm)는 얼마인가? 2 트레일링 슈의 제동 토크(kg f ᆞm)는 얼마인가? 3 전 제동 토크(kg f ᆞm)는 얼마인가? 4 제동 마력(PS)은 얼마인가?

208 204 제5장 제동장치 [풀이] 1 리딩 슈의 제동 토크 에서 kg f kg f mm kg f m 2 트레일링 슈의 제동 토크 kg f mm kg f m 3 전 제동 토크 이므로 kg f m 4 제동 마력 PS

209 5.2 브레이크 이론 페이드 현상 브레이크 조작을 계속 반복하면 드럼과 슈의 마찰열이 축적되어 제동력이 감소된다. 이 현상을 브레이크 페이드(Brake fade)현상이라 하며, 다음과 같은 원인으로 발생한다. (1) 열팽창 브레이크가 작용될 때에는 드럼과 슈의 온도가 상승된다. 브레이크 드럼은 온도가 올라가 면 열변형에 의해 내경이 커지고 동시에 드럼과 슈의 간격이 증가되기 때문에 브레이크 페 달을 많이 밟아야 되고 제동력도 감소된다. 온도 ( ) 파이로미터에 의한 측정 브레이크 해제 브레이크를 걸다 200 더머 커플에 의한 측정 시간(S) 그림 5-71 드럼 표면온도 상승의 예 (2) 마찰계수의 저하 드럼과 라이닝의 마찰계수는 온도가 상승되면 저하된다. 따라서 제동력은 페달을 밟는 힘 을 일정하게 하면 온도 상승에 따라 감소된다. 브레이크 드럼과 라이닝의 마찰계수의 감소 는 듀어 서보형식이나 2리딩 슈형식과 같이 슈의 자기작동작용을 크게 이용한 것에서는 온 도상승에 의한 페이드 현상이 현저하게 나타난다. (3) 페이드 현상의 방지 1 드럼의 방열성을 높인다. 2 열팽창에 의한 변형이 작은 형상으로 한다. 3 열팽창이 작은 재질을 사용하여야 한다. 4 라이닝도 온도상승에 의한 마찰계수의 변화가 작은 것을 사용한다. 휠 브레이크에 자기작동작용을 하지 않는 형식을 사용하면 페이드에 의한 제동력의 감소 는 억제할 수 있으나 브레이크 페달을 밟는 힘을 크게 하여야 한다.

210 206 제5장 제동장치 브 레 이 크 100 능 력 % 80 ( ) 디스크 브레이크 드럼 브레이크 km/h부터의 페이드 시험(1분 간격) 정지횟수 그림 5-72 디스크 브레이크와 드럼 브레이크의 페이드 성능의 차 베이퍼 록(Vapor lock) 베이퍼 록은 연료회로 또는 브레이크 장치 유압회로 내에 생기는 것이며 사용 액체가 증 발되어 송유 또는 압력의 전달 작용이 불가능하게 되는 현상을 뜻한다. 브레이크 장치의 베 이퍼 록은 긴 내리막길 주행 등에서 유압 브레이크를 과도하게 사용하였을 때 드럼과 슈의 마찰열에 의해 일어나는 일이 많다. 또 이때 페이드 현상도 발생되기 쉬우므로 주의하여야 한다. 베이퍼 록이 일어나면 브레이크 페달을 밟아도 브레이크 작동이 매우 둔해진다. 이를 방지하기 위해서는 1 브레이크 장치가 과열되지 않게 한다. 2 액체는 가압하면 비점이 높아지므로 브레이크 회로 내에 잔압을 유지하도록 한다. 3 비점이 높은 좋은 질의 브레이크 오일을 사용하여야 한다.

211 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 6.1 개요 자동변속기란 자동차에서 클러치 조작 기구를 조작하지 않아도 쉽게 운전할 수 있는 동력 전달기구의 일종으로 운전자의 가속페달에 의해 주행속도를 조절할 수 있으며 엔진 동작을 단속 및 동력조정, 후진 등을 할 수 있게 하는 장치이다. 자동변속기의 구조는 토크 컨버터, 변속제어기구(유압제어, 전자제어), 유성치차장치, 작동기구(클러치, 브레이크)로 구성되어 있다. 자동변속기 즉 풀 오토매틱 트랜스미션은 토크 컨버터, 유성치차장치, 각종 제어장치가 조 합된 것으로, 조건에 따라서 자동적으로 변속이 이루어지는 것이다. 현재 국내에서 운용되고 있는 자동 변속기들은 기본 원리는 동일하나 차종에 따라 기능, 구조, 작동방식이 다소 상이하며 특히 동일 차종이라도 제작 년도에 따라 기능이 개선되어 내부 구조가 상이한 부분이 있다. 전륜구동 자동변속기는 차동장치가 내장되어 있다 자동변속기 장단점 (1) 장점 1 기어변속이 간단하고, 엔진 스톨이 없다. 2 구동력이 크다. 따라서 등판 발진이 쉽고, 등판능력이 크다. 3 발진, 가속, 감속이 원활하다. 4 진동 및 충격흡수가 크다. 또 과부하 상태라도 엔진에 무관하다. (2) 단점 1 구조가 복잡하고, 가격이 비싸다. 2 가속성이 낮고, 최고속도가 다소 낮다. 3 연료소비량이 수동에 비해 약 10%정도가 증가한다.

212 208 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 자동변속기 시프트 레버위치와 그 기능 셀렉트 패턴은 운전자가 변속레버를 수동으로 선택할 때의 변속기 기능을 표시한 것으로 서 [P-R-N-D-3-2-L], [P-R-N-D-2-L], [P-R-N-D- - ] 등이 있으며 종류 와 차종에 따라 Hold, O/D(Over Driver), P/E(Power Economy), Winter 등의 기능이 추가되어 있다. 운전 모드 셀렉터 (Winter/Normal/Power) 기어 변속레버 표시등 셀렉터 레버 게이트 그림 6-1 시프트레버 예 (1) 주차(Parking, P) 1 P 위치에서는 각 작동요소가 완전히 작동하지 않는다. 따라서 엔진 동력은 출력기구 에 전달되지 않는다. 2 출력기구는 기계적으로 파킹(Parking)기구에 의해 완전히 고정되어 있으므로 차량은 전, 후진되지 않는다. 3 엔진시동은 가능하다. (2) 후진(Reverse, R) 1 R 은 후진 레인지이다. 2 엔진을 시동할 수가 없다. (3) 중립(Neutral, N) 1 N 위치에서는 P 위치에서와 같이 엔진 동력이 출력축으로 전달되지 않는다. 2 엔진시동은 가능하다.

213 6.1 개요 209 (4) 주행(Drive, D) 1 D 위치에서는 액셀레이터의 밟는 양(드로틀 개도) 및 차속에 따라서 자동적으로 전 진 1속부터 2속, 3속, 4속 변속이 이루어진다. 단, 4단 자동변속기에서의 O/D SW.가 off일 때에 전진 3단, on일 때 전진 4단까지 변속되며, 시프트 패턴에 따라 자동 변속 된다. 2 출발은 1속으로 출발하고 4단 자동변속기에서는 공전상태에서 2속 홀드로 되어 차의 클립현상을 줄이도록 되어있다. 3 킥 다운은 4속, 3속, 2속으로 주행 중 액셀레이터를 약 85% 이상 밟을 때 이루어지 며, 다운 시프트점을 초월함으로써 저속기어로 다운 시프트 되고 구동력이 상승되어 결국 추진력이 증가된다. 4 1속에서 엔진 브레이크가 작동되지 않는다. 5 댐퍼 클러치는 2속 이상에서 댐퍼 클러치 작동영역에 진입되면 자동적으로 작동한다. (5) 세컨드(Second, 2) 1 1속 2속 구간에서 자동변속이 이루어지며, 3속으로의 변속은 되지 않는다. 2 발진은 1속으로 발진하고 4단 자동변속기인 경우는 공전상태에서 2속으로 홀드, 클립 상태이며 진동현상을 줄이도록 되어있다. 3 3단 자동변속기에서 3속으로 주행 중 2 레인지로 시프트하면 바로 2속으로 다운 시 프트 된다. 4 4단 자동변속기는 D 레인지 3속 또는 4속으로 주행 중에 2 레인지로 시프트하면 미리 설정된 시프트 패턴상의 저속 이하에서 2속 또는 3속으로 다운시프트 하도록 되 어있다. 5 엔진 브레이크는 D 레인지와 같이 1속에서 작동되지 않는다. 6 댐퍼 클러치는 2속에서 댐퍼 클러치 작동영역에 진입되면 자동적으로 작동한다. 7 빙판길 등에서 주로 사용된다. (6) 록업(Lock up, L) 1 2속에서 1속으로 다운 시프트는 되지만 1속으로부터 2속 또는 3속으로 업시프트는 되 지 않는다. 2 발진은 1속 발진이며, 이 1속은 엔진 브레이크가 작동한다. 3 4단 자동변속기는 D (4속) 또는 2 (2속)레인지로 주행 중에 L 레인지로 시프 트하면 4속 3속, 3속 2속, 2속 1속으로의 다운 시프트 되며, 이러한 다운 시프트는 미리 설정된 규정 차속 이하에서 이루어지도록 되어 있다. 또 L 레인지 공 전상태는 1속 상태이다. 4 3단 자동변속기는 D 또는 2 레인지의 고속(약 45km/h 이상)으로 주행 중 L

214 210 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 을 선택하면 바로 2속으로 다운 시프트 되고, 규정 차속(약 45km/h) 이하로 되면 1 속으로 다운 시프트 된다(레인지 컨트롤 밸브기능). 5 계속적인 내리막길 등 엔진 브레이크를 필요로 할 때 주로 사용한다. (7) Sport mode (+, -) 1 Manual T/M처럼 운전할 수 있도록 자유도를 높여 변속을 실현하도록 했다. 2 그림 6-1에서 보는 것처럼 Select lever가 D 에서 오른쪽으로 이동하게 되면 Sport mode로 인식하게 된다. 그 상태에서 위쪽(+)으로 Lever를 올리면 Up-shift가 되고 아래쪽(-)으로 내리게 되면 Down-shift가 되게 된다. Manual T/M처럼 운전할 수 있도록 인식하게 된다. 그리고 (+)쪽으로 계속 두 번 올리면 UP-shift가 두 번 이 루어지게 된다. 예를 든다면 현재 상태가 1속인데 (+)쪽으로 두 번 올리면 3속으로 변속이 이루어진다. 또한 D 3속에서 Sport mode쪽으로 이동하면 그 변속단 그대로 3속으로 유지된다 자동변속기의 기본구조 자동변속기는 기관의 회전력을 단속하는 클러치와 회전속도 및 회전력을 변화시켜 구동바 퀴에 전달하는 변속기의 작용이 자동적으로 이루어지도록 만든 것이다. 그 구성요소는 다음 과 같이 이뤄진다. 1 토크 컨버터(Torque converter) 2 유성기어장치 3 작동기구 (클러치, 브레이크) 4 제어기구 (유압시스템, 전자제어 시스템) 6.2 유체클러치와 토크컨버터 유체 클러치 유체의 유동력을 이용하여 회전력을 전달한다. 그때 에너지변환은 다음과 같이 변한다. 기 관의 기계적 에너지 펌프에서 유체의 유동에너지 터빈에서 다시 기계적 에너지 변 속기에 입력 등이다. (1) 유체 클러치의 작동원리와 구조 1 작동원리

215 6.2 유체클러치와 토크컨버터 211 그림 6-2는 유체 클러치의 작동원리를 알기 쉽게 보인 것이다. 그림 6-2(a)는 2개의 선 풍기를 마주 놓고 한 쪽 (1)을 전원에 연결하여 회전시키면 다른 한 쪽 (2)도 회전되는 것 이 보인다. 이것은 공기가 에너지 전달의 매체가 되기 때문이다. 그림 6-2(b)는 선풍기대신에 펌프실 안에 날개바퀴(펌프) A와 날개바퀴(터빈) B를 마주 놓고, 물(또는 클러치 오일)을 채운 다음 A를 회전시키면 B가 회전되는 것이 보인다. A의 회전이 어떤 속도에 달하면 B도 유체가 가지고 있는 유체 운동에너지에 의해 회전하게 된 다. 이것이 유체 클러치의 작동원리이다. 폄프(A) 터빈(B) 펌프실 (1) (2) (a) 오일 (b) 그림 6-2 유체클러치 작동원리 2 유체 클러치의 구조 유체 클러치는 강철로 만든 중공의 도우넛을 가로 자른 다음, 그 중공부에 등간격으로 날 개(베인)를 붙이고 마주 놓은 것과 같은 형태로 되어있다(그림 6-5). 도우넛의 한 쪽을 엔진의 크랭크축에 설치하고 다른 한 쪽을 변속기 쪽의 축(터빈축)에 설치하면 유체 클러치 가 구성되며 크랭크축에 설치된 것을 펌프 또는 임펠러라 하고 변속기축에 설치된 것을 터 빈 또는 런너라고 한다.

216 212 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 펌프(구동멤버) 터빈(피동멤버) 크랭크 축 변속기 입력축 플라이 휠 날개 (a) (b) 그림 6-3 유체클러치 구조 3 유체 클러치의 작동 엔진에 의해 펌프가 회전을 시작하면, 그 속에 가득 찬 오일이 원심력에 의해 밖으로 튀 어 나간다(그림 6-4). 그런데 펌프와 터빈은 서로 마주하고 있으므로 그림 6-4에서 보는 것과 같이 펌프에서 나온 오일은 그 운동에너지를 터빈의 날개에 주고 다시 펌프 쪽으로 돌 아오게 되며, 이에 따라서 터빈도 회전하게 된다. 이때 오일은 맴돌이 흐름(볼텍스 플로우) 을 하면서 회전 흐름(로터리 플로우)을 한다. 그리고 오일의 순환을 원활히 하고 마찰손실 및 충돌손실을 최소로 하기 위하여 형상을 원형으로 하였다. 또 맴돌이 흐름의 내부에서는 그림 6-4에서 보이는 바와 같이 유체 충돌이 일어나 효율을 저하시킨다. 그래서 그림 6-4 에서 보는 것과 같은 가이드 링 또는 가이드 코어를 그 중심부에 두어 유체충돌이 감소되도 록 하고 있다. 유체 클러치의 날개는 모두 반경방향으로 방사선 상을 이루고 있다. 유체 클러치 안에서 유체에 주어지는 운동에너지의 크기는 아래 그림 6-5에서와 같이 설 명된다. 즉 펌프 날개위의 A, B, C, 및 D의 각 점이 날개와 함께 90 회전하여 각 A', B', C' 및 D'점에 달하였다고 하면 AA', BB', CC' 및 DD'의 길이는 A, B, C 및 D점에서는 그 접선방향으로 연장하여 얻은 Aa, Bb, Cc 및 Dd의 궤적 Od로 표시된다. 이것은 날개의 각 점이 표시하는 속도가 중심으로부터 멀수록 빨라진다는 것을 뜻한다. 따라서 오일의 운동에 너지는 펌프의 직경이 커짐에 따라 커지고, 또 같은 크기일 때에는 회전속도가 빠름에 따라 증가한다. 유체 클러치는 일종의 자동클러치다. 따라서 터빈의 회전속도가 증가하여 펌프와 같은 속 도가 되었을 때에는 오일의 순환운동이 정지된다. 이러한 때의 회전력(토크)의 변환율은 1:1이 되어, 마찰 클러치와 같은 역할을 한다. 그러나 클러치 작용이 원활(충격적이 아니 다)하고, 엔진 크랭크축의 비틀림 진동을 완화하는 등의 장점이 있다.

217 6.2 유체클러치와 토크컨버터 213 펌프 임펠러의 날개 ATF 터빈 런너 ATF 순 환 한 다 원심력에 의해 밖으로 날아간다. 펌프 임펠러 회전방향 외류 회전방향 회 전 방 향 ATF의 와류는 코일모양으로 회전한다. 외류 터빈 런너 펌프 임펠러 가이드 링 펌프 난류 엔진측 와류가 혼잡하게 일어난다. ATF의 흐름 중앙에 가이드링을 두어 난류를 정리한다. 그림 6-4 유체클러치 작동

218 214 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 날개 접선 방향 D d C c B b A a A' B' C' D' 0 크랭크축 그림 6-5 펌프날개의 크기와 오일의 운동에너지 (2) 유체 클러치의 성능 유체 클러치는 터빈 회전수가 펌프의 회전수와 거의 같게 되었을 때 최대 효율로 회전력 을 전달한다. 펌프가 터빈보다 훨씬 빨리 회전할 때는 터빈에 전달되는 회전력 효율은 작아 진다. 그것은 펌프가 터빈보다 빨리 돌때 오일은 터빈 날개에 상당히 큰 힘으로 던져진다. 그 오일은 터빈 날개를 때리고 나서 펌프를 회전방향과 반대방향으로 다시 친다. 이 힘은 펌프가 효율적으로 일하는 것을 방해하고, 펌프와 터빈의 회전수 차이가 클 때는 펌프 회전 력의 많은 부분이 이 힘을 이기기 위해 사용된다. 그래서 유체 클러치에 의해서 회전력의 감소가 생긴다. 이것을 방지하고 유체 클러치와는 반대로 회전력을 증대시키기 위하여 토크 컨버터를 제작하였다. 유체 클러치에서는 오일이 순환운동을 하지 않으면 회전력이 전달되지 않는다. 따라서 오 일에 항상 순환운동을 할 만큼의 운동에너지를 남겨 두지 않으면 안 된다. 따라서 이 오일 이 보유하는 순환운동의 에너지만큼 미끄럼(슬립)이 되어 터빈이 받는 에너지는 엔진의 에 너지보다 작게 된다. 실제에 있어 유체 클러치의 펌프와 터빈사이의 토크비는 그림 6-6에 서와 같이 미끄럼 때문에 1:1이 되지 못한다. 미끄럼의 값은 2 3%이며 따라서 전달효율 η는 최대 98%정도이다. 유체 클러치의 동력 전달효율은 어떤 경우이든 100%는 되지 못 한다. 자동차에 유체 클러치만을 설치하고 변속기를 두지 않으면 구동 회전력이 부족하기 때문 에 엔진을 원활하게 운전할 수 없게 된다. 그래서 유체 클러치를 설치한 자동차에서는 변속 기를 두어야 한다. 그런데 엔진속도를 아무리 낮추어도 유체 클러치 내의 오일이 움직이기 때문에 터빈도 약간 회전하게 된다. 따라서 터빈축이 종래의 섭동식 변속기를 연결하면 변 속기 중립에서 부축이 회전하기 때문에 변속조작이 어렵게 된다.

219 6.2 유체클러치와 토크컨버터 토 크 비 ( t ) 2 η 50 효 율 η ( % ) 토크비(t)=Tt/Tp Tt : 터빈 토크 Tp : 펌프 토크 1 t 25 nt : 터빈 회전수 np : 펌프 회전수 속도비(nt/np) 그림 6-6 유체 클러치의 성능곡선 토크 컨버터(Torque converter) (1) 토크 컨버터의 역할 토크 컨버터는 엔진과 자동변속기 사이에 설치되어 있고 펌프 임펠러, 터빈런너, 스테이 터로 구성되어 있다. 펌프 임펠러는 컨버터 하우징 내에 용접 되어 있고 컨버터 하우징은 플라이휘일에 볼트로 체결되어 있다. 따라서 엔진의 기계적 에너지를 유체의 유동에너지로 변화시키는 역할을 하며, 변속기 입 력축과 연결되어 있는 터빈은 유체의 유동에너지를 다시 기계적 에너지로 변화시키는 역할 을 한다. 스테이터는 펌프와 터빈 사이에서 유체의 유동방향을 변환시켜 터빈 출력 토크를 증대 시 켜주는 역할을 한다. 즉, 유체의 유동방향을 변환하는 토크 컨버터 영역과 스테이터가 회전 하는 유체 커플링 영역이 있다. 그리고 토크 컨버터 내부에는 록 업 클러치가 내장되어 동 력 손실 방지 및 연료 절감 효과가 있다. (2) 유체 클러치와 토크 컨버터의 차이점 유체 클러치와 토크 컨버터는 얼핏 보기에 비슷하다. 그림 6-7은 이 두 가지를 비교한 것이다. 유체 클러치는 이미 설명한 바와 같이 펌프와 터빈이 마주하고 날개는 각도가 없이 방사선으로 되어 있다. 토크 컨버터는 펌프와 터빈의 날개에는 일정한 각도가 주어져 있고, 또 이들 사이에는 스테이터가 있다. 또 토크 변환율은 유체 클러치가 1:1을 넘지 못하는데 비해 토크 컨버터는 2 3:1의 토크 변환을 한다.

220 216 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 그 이유는, 유체클러치에서는 펌프 날개에서의 유체가 평면 모양의 터빈 날개에 그림 6-8 1과 같이 충돌하여 터빈에 충격력 P를 준다고 생각할 수 있다. 이때 터빈이 움직인다 고 하여도 그 속도가 유체의 속도보다 빠르게 될 수가 없고, 또 충격력도 유체가 가지는 운 동량보다 크게 되지 않는다. 따라서 유체 클러치에서는 전달 토크가 구동쪽(펌프)과 피동쪽 (터빈)이 대체로 동일하게 되어 토크를 크게 하지 못한다. 그러나 날개에 각도를 두어 그림 6-8 2와 같이 하고, 오일을 그림에서 표시한 대로 흐르게 하면, 유입에 있어 오일이 그 방향을 90 바꾸는 사이에 충격력 P를 피동쪽에 주고, 다시 90 의 방향 변환을 하여 유출 할 때까지 반동력 R을 준다.(이때 날개면과의 사이에 마찰이 없다고 가정한다.) P=R이므로 피동쪽 날개에 주는 힘을 더 증가시키려면 구동쪽 날개에도 각도를 두고 대향시키면 된다. 이와 같은 이유로 토크 컨버터는 토크를 변환시킬 수 있다. 그런데 각도를 두는 것만으로 는 마찰손실이 증가하든가 흐름의 간섭이 생기든가 하여 계획대로 토크변환을 얻을 수 없 다. 그래서 실제로 오일의 흐름방향을 적극적으로 바꾸어 피동쪽 날개에서 나오는 흐름의 속도를 빨리하여 구동쪽 날개로 돌아가게 하는 스테이터를 두고 있다. 펌프(구동멤버) 터빈(피동멤버) 하우징 터빈 펌프 크랭크축 터빈축 일방향 클러치 스테 이터 오일 터빈축 엔진 크랭크축 플라이 휠 날개 날개 (a) 유체 클러치 (b) 토크 컨버터 그림 6-7 유체 클러치와 토크 컨버터

221 6.2 유체클러치와 토크컨버터 217 U P U P 유입 4P 유출 U R 1 평면날개 2 곡면날개 3 곡면날개를 대향시킨다. (a) (b) 그림 6-8 유체 클러치 및 토크 변환기의 날개형상 (3) 토크 컨버터(Torque converter) 구조 및 작동 1 구조 토크 컨버터는 그 이름과 같이 유체의 운동에너지를 이용하여 토크를 변환하는 것으로 펌 프, 터빈 그리고 스테이터(Stator)가 셀 내에 조립되어 있으며 셀 내에는 작동유체로서 오 일을 충만 시키고 있다. 유체 커플링과 다른 점은 펌프와 터빈사이에 스테이터를 장착하고 있는 점이다. 이 스테 이터는 일방향 클러치(One way clutch)에 의해 고정축에 부착되어 있다. 특히 펌프, 터빈의 베인의 형상은 유체 커플링의 경우 평판으로 각각 중심에서 방사상으 로 부착되어 있는 것에 비하여 토크 컨버터의 경우는 3차원적인 각도로 만곡판으로 되어 있 어 그 형상이 복잡하다. 토크 컨버터의 형식에는 여러 가지가 있지만 그림 6-10은 승용차에 가장 많이 사용되고 있는 3요소 1단 2상형을 나타낸 것이다. 이 형식은 구조는 간단하나 비교적 높은 효율을 얻을 수 있다. 여기서 3요소란 펌프, 터빈, 스테이터를 말하고 1단은 터빈의 수, 2상은 컨버 터 레인지와 커플링 레인지 2개를 말한다.

222 218 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 드러스트 와셔 원 웨이클러치 어셈블리 터빈런너 커버 어셈블리 펌프 임펠러 스테이터 록업기구 임펠러 스테이터 터빈 댐퍼크러치(록업기구) 그림 6-9 토크컨버터 내부 구조 스테이터 고정 스테이터 펌프 임펠러 터빈 런너 그림 6-10 토크 컨버터의 베인형상

223 6.2 유체클러치와 토크컨버터 작동 토크 컨버터는 펌프에 의하여 입력축으로 부터 기계적 에너지를 작동유에 운동에너지로 주어, 터빈에 의하여 다시 기계적 에너지로 변환시켜 출력축에 동력을 전달한다. 즉, 엔진과 일체로 되어 있는 펌프가 회전하면 셀 내에 충만 되어 있는 오일을 원심력에 의하여 터빈으 로 보내서 출력축에 동력을 전달한다. 터빈을 나온 오일은 정지하고 있는 스테이터를 통과 하면서 그 방향이 바뀌어 다시 펌프로 들어가 순환한다. 이때 펌프, 터빈, 스테이터가 받는 토크의 크기를 각각 T P, T t, T s 라 하고 그 회전방향을 고려하여 +, -로 하면 다음의 관계 가 성립된다. T t = T P + T s 단, 이 경우 마찰 등으로 인한 에너지 손실은 없는 것으로 한다. 따라서 터빈이 받는 토 크, 즉 피동축이 받는 토크 T t 는 펌프를 회전시키는 데 필요한 엔진토크 T P 에 스테이터가 유체로부터 받는 토크 T s 만큼 크게 된다. 앞에서 설명한 유체클러치의 경우는 스테이터가 없기 때문에 T s = 0이고, 따라서 T t = T P 가 되고 T t 는 T P 보다 크게 될 수 없다. 이것이 토크 컨버터를 사용하면 토크를 변환할 수 있는 이유이다. 그림 6-11과 같은 장 치에서 물을 분출할 때를 생각하면 단위시간에 출구로부터 질량 m의 유체가 유속 V의 속 도로 분출되면 반대방향으로 P=mV의 반력이 발생한다. 따라서 이 용기는 앞으로 전진하게 될 것이다. 한편 그림 6-11에서는 베인이 평판일 때는 P의 힘만 발생되지만, (c)와 같이 만곡형 베 인일 때는 노즐에서 같은 P를 분출하여도 반력 R이 발생하여 P+R의 힘이 발생된다. 또 여 기에 스테이터를 부착하게 되면 2P+2R이라는 큰 힘이 발생되어 결국 토크가 크게 증대된 다. 그러나 이 경우 엔진의 발생마력 L은 일정하므로 엔진으로부터의 입력이상의 출력을 출 력축으로부터 얻을 수 없다. 즉, 에서 L이 일정할 때 토크 T가 크게 되려면 회전수 n이 작아야 한다. 따라서 터빈토크 Tt가 펌프토크 Tp보다 크게 되려면 그 회전속도 nt는 펌프 회전속도 np 보다 작아야 한다. 즉, 마찰 등에 의한 에너지 손실이 없다고 하면 이들 양자 사이에는 항상 의 관계가 성립한다.

224 220 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 이 관계는 그림 6-12와 같이 2개의 대소 기어로 회전시킬 경우 큰 기어 쪽은 작은 기어 쪽보다 전달토크는 크게 되고 회전속도는 작게 되는 경우와 같은 원리이다. 이 대소 기어를 이용(수동변속기)하는 것 대신에 무단계 연속적으로 작동되도록 한 것이 자동변속기이다. F=mV 반력 V 노즐 P P 스테이터 터빈 P P P P P R R R R R R (a) 물 탱크차 (b) 평판일 때 (c) 만곡판일 때 (d) 스테이터가 있을 때 그림 6-11 토크 증가의 원리 토크를 준다(엔진) 토크를 준다(엔진) (속도는 작아진다) 토크 토크 (속도는 같다) 기어 잇수가 배로 되면 토크도 배로 증가 (a) 유체커플링 (b) 토크 컨버터 그림 6-12 유체 커플링과 토크 컨버터의 토크 비교 펌프P 터빈T 펌프P 터빈T 충돌한다 입력축 출력축 입력축 출력축 스테이터 (a) 유체 클러치 내 오일의 흐름 (b) 토크 컨버터 내 오일의 흐름 그림 6-13 유체 커플링과 토크 컨버터 내 오일 흐름의 비교

225 6.2 유체클러치와 토크컨버터 221 오일의 흐름 펌프P 터빈T 오일 스테이터 T가 저속일 때 입력축 출력축 T가 중속일 때 T가 고속일 때 펌프 스테이터 터빈 회전속도 회전속도 일정 변함 (고정) 오일은 스테이터 뒷면에 닿는다. (a) (b) 그림 6-14 토크 컨버터의 오일 흐름과 베인의 관계 3 터빈이 정지하고 있을 때 오일흐름 그림 6-15는 각 베인을 병렬로 표시한 것으로 오일의 흐름, 토크전달, 각 베인의 회전방 향을 나타낸 것이며, 그림 6-15 (a)는 엔진에 의해 펌프가 회전하면 오일은 화살표 P 1 방향 으로 분출하면서 운동에너지를 전달하고 P 2 방향으로 나오면서 반동력에 의해 터빈이 회전한 다. 이 오일은 다시 스테이터의 앞면으로 들어가 처음의 방향, 즉 P 1 과 같은 P 3 방향으로 바 꾸게 한다. 스테이터를 나온 오일은 펌프날개의 뒷면에 작용하므로 펌프에는 엔진에 의한 운동에너지 외에 오일순환에 의한 운동에너지가 첨가되어 회전력을 증가시키고 오일의 속도 도 빨라진다. 펌프로부터 분출되는 오일의 속도가 빨라지면 터빈으로 분출될 때의 충격력과 터빈으로부터 나올 때의 반동력이 더욱 증가하여 터빈축에는 최대토크(엔진토크의 2 3배) 가 발생한다. 즉, 터빈 토크(Tt)=펌프 토크(Tp)+스테이터 토크(Ts)의 관계가 성립된다. 4 터빈이 펌프의 1/2회전을 할 때 오일흐름 그림 6-15(b)는 터빈 정지 시와 같이 펌프회전에 의해 P 1 방향으로 분출하여 터빈에 운 동에너지를 전달한 후 P 2 및 P 3 방향으로 흐른다. 그러나 이 경우에는 터빈 회전속도가 펌프 회전속도의 1/2이므로 P2의 방향이 (a)의 경우보다 터빈 회전방향으로 1/2정도 커브를 가 지고 스테이터에 분출한다. 따라서 스테이터를 거쳐 나온 오일의 방향변환이 감소되어 토크 변환율은 터빈 정지시의 절반정도(1:1.5)가 된다. 5 터빈과 펌프의 회전속도가 거의 같을 때 오일흐름 터빈의 회전속도가 점차 증가하여 엔진에 의해 구동되는 펌프의 회전속도와 거의 같아지 면, 즉 속도 비 nt/np가 9/10정도가 되면 터빈을 거쳐 나온 오일의 방향 P 2 는 터빈의 회전 방향과 같은 방향으로 분출된다. 따라서 오일은 스테이터의 뒷면에 부딪히며, 프리 휠링 (Free-Wheeling)작용을 하여 펌프 및 터빈과 함께 회전한다. 즉 스테이터에 의해 오일의 흐름이 변환되지 못하므로 그 오일은 펌프 회전방향과 반대방향으로 분출하여 펌프 회전을

226 222 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 방해한다. 이는 회전력 변환기로서의 기능은 정지되고 유체 커플링으로써 작동하므로 토크 변환율은 1:1이 된다. T T=T P+T S 스테이터 정지 P 3 스테이터에 의해 그 방향을 바꾸어 펌프 뒷면에 작용한다. (운동 에너지를 더한다) 터빈 정지 P 2 터빈이 운동 에너지를 얻는다. 펌프 회전 P 1 엔진에서 운동 에너지를 얻는다. (a) 터빈 정지 T T=T P 스테이터 정지 P 3 스테이터를 거쳐 그 방향을 바꾼다. (운동 에너지를 더한다) 터빈은 펌프의 1/2회전 P 1 P 2 터빈이 운동 에너지를 얻는다. 엔진에서 운동 에너지를 얻는다. 펌프 회전 (b) 터빈이 펌프의 1/2회전시 스테이터 회전 P 3 오일이 날개 뒤에서 작용하여 스테이터 회전 터빈회전 P 2 터빈이 운동 에너지를 얻는다. 펌프 회전 P 1 엔진에서 운동 에너지를 얻는다. (c) 터빈과 펌프의 회전속도가 거의 같을 때 그림 6-15 토크 컨버터내 오일의 작동 6 성능 그림 6-16은 토크 컨버터의 성능곡선으로 터빈과 펌프와의 회전 속도비 e=nt/np에 대하 여 그 토크비 T=Tt/Tp 및 동력 전달효율 η=t e를 나타내고 있다. 토크비 T는 e=0에서 최대가 되며 이 점을 스톨 포인트(Stall point)라 한다. T는 e가 증가함에 따라 감소하고, 어떤 속도비에서 T=1이 된다. 이 점을 클러치 포인트(Clutch point)라 한다. 그 이상의 e 에서는 T=1 이하로 된다.

227 6.2 유체클러치와 토크컨버터 223 효율 η는 스톨 포인트에서는 0이 되고 e가 증가함에 따라 효율이 증가하며 일반적으로 클러치 포인트보다 낮은 e에서 최고가 되고 그 이후 급격히 저하한다. 일반적으로 1조의 유체 토크 컨버터로 얻을 수 있는 토크 변환의 비율, 즉 토크비 T는 그림 6-16의 예에서도 나타난 바와 같이 보통 2 3 정도이다. 그러나 이 정도의 토크비로 서는 치차식(수동식)변속기 만큼 큰 토크비(수동변속기에서 감속비)를 얻을 수 없고, 또 후 진하기 위해서는 후진용 기어장치도 필요하다. 이상의 이유 때문에 토크 컨버터를 사용하는 오토메틱 트랜스미션에서는 토크 컨버터만이 사용될 수 없고 반드시 기어장치를 포함한 보조변속기를 사용하여 토크비의 증대와 회전방 향의 변환을 도모하고 있다. Torque Converter 영역 유체 클러치 영역 스톨 토크비 효 율 η ( % ) 변환기η 클러치η 4 3 토 크 비 ( t ) 스톨 포인트 속도비(n t/n p) 클러치 포인트 그림 6-16 토크 컨버터의 성능곡선 [예제 1] 속도비가 0.2이고 토크비가 2.0이다. 이 때 펌프가 5000rpm으로 회전하고 있 으면 이 때 토크 변환기의 효율(η)과, 터빈의 rpm은 얼마인가? rpm

228 224 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 6.3 유성기어 세트(Planetary gear set) 유성기어는 선기어, 링기어, 피니언과 캐리어 3요소로 구성되어 있다. 유성기어 세트는 레 비뉴 Ⅱ형과 심프슨형으로 구분할 수 있으며, 레비뉴 Ⅱ형의 구조는 포워드(전진) 선 기어, 리버스(후진) 선 기어, 쇼트 피니언, 롱 피니언과 2개의 피니언축을 지지하는 캐리어 및 애 뉼러스(링) 기어로 구성되어 있다. 리버스 선 기어는 킥다운 드럼을 중개로 프런트 클러치 리테이너에 연결되어 있고, 포워드(전진) 선 기어는 리어 클러치 허브에 연결되어 있다. 캐 리어는 로우&리버스 브레이크의 허브 및 원웨이 클러치의 아웃 레이스와 일체로 되어있다. 또 4단 자동변속기의 캐리어는 엔드 클러치 샤프트를 중개로 엔드 클러치에 연결되어 있다. 애뉼러스(링) 기어에는 아웃푸트 플랜지가 연결되어 있어, 아웃푸트 플랜지에 장착된 트랜 스퍼 드라이브 기어에 구동력을 전달한다. 애뉼러스(링) 기어 외주에는 주차 스프래그용 기 어가 설치되어 있다. 유성기어캐리어 링기어 치합 유성기어캐리어 치합 롱피니언 링기어 후진선기어 후진선기어 전진선기어 전진선기어 치합 쇼트피니언(아이들기어) 그림 6-17 유성기어 구조 롱 피니언 역전 선기어 주차 스프라그 캐리어 엔드 클러치 샤프트 원 웨이 클러치 전진 선기어 쇼트 피니언 애뉼러스 기어 출력 플랜지 그림 6-18 유성 기어 세트

229 6.3 유성기어 세트(Planetary gear set) 225 이 유성치차 변속장치는 유압 기구에 의한 변속제어장치에 의하여 자동차의 주행상태에 따라 자동적으로 변속이 일어난다. 이것에 의하여 토크 컨버터의 토크 변환 능력 부족분을 보충하여 자동차의 구동력 증대를 기하고, 또 후진시 회전방향을 변환하여 오토매틱 트랜스 미션의 기능이 충분히 발휘될 수 있도록 한다 Planetary Gear(플래니터리 기어, 유성기어)의 기본구조와 작동 태양을 중심으로 일정한 괘도를 따라 자전하면서 공전하는 별을 유성(Planter)이라 한다. 이와 유사한 운동을 하는 기어를 플래니터리 기어(유성치차)라 한다. 자동변속기의 보조 변 속기로 플래니터리 기어가 주로 사용되고 있는 이유는 다음과 같다. (1) 유성치차열의 각 치차는 항상 물려있기 때문에 동력전달 중이라도 변속이 가능하다. (2) 1조의 유성치차열로 2중의 변속비를 얻을 수 있다. 예를 들면 2조의 유성 기어인 경 우 전진 3단, 후진 1단의 변속비를 얻을 수 있다. 유성치차열은 그림 6-19와 같이 보통 선기어(Sun gear : 태양치차)와 링기어( Ring gear : 내치차) 그리고 이들과 동일한 축에서 회전하는 캐리어(Carrier)에 지지되어 있는 여러 개의 유성기어를 피니언(Pinion)이라고도 한다. 선기어 A 링기어 B 피니언 C 캐리어 (a) 피니언 1개인 경우 링기어 피니언 캐리어 선기어 선기어 링기어 피니언 캐리어 (b) 피니언 3개인 경우 (c) 피니언 4개인 경우 그림 6-19 유성 치차열

230 226 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 선기어, 링기어, 캐리어 중 어느 하나를 고정 또는 구동시키면 표 6-1과 같이 6가지의 변속이 가능하다. 또 3요소 중 2개를 고정시켜 회전시키면 어느 기어에 구동력을 주더라도 플래니터리 기어 전체가 일체로 되어 회전하기 때문에 직결상태가 된다. 또 3요소 중 어느 것도 고정시키지 않으면 그 중 어느 하나의 기어에 구동력을 주더라도 나머지 기어 모두가 회전하기 때문에 출력을 얻을 수 없다. 즉 중립 상태로 된다. 표 6-1 유성기어의 기본작동 (싱글피니언방식) A잇수=20 B잇수=80 작 동 선기어(A) 링기어(B) 캐리어(C) 변속비 1 A D C B 고 정 증 속 (OUT) 구 동 (IN) 2 고 정 구 동 (IN) 감 속 (OUT) 3 구 동 (IN) 고 정 감 속 (OUT) 4 증 속 (OUT) 고 정 구 동 (IN) 5 구 동 (IN) 역전 감속 (OUT) 고 정 6 역전 증속(OUT) 구 동(IN) 고 정 7 2요소 상호 고정 1(직결) 8 3요소 자유 0(중립)

231 6.3 유성기어 세트(Planetary gear set) 유성기어의 변속비 유성기어 변속비는 표 6-1에 나타난 바와 같이 각 요소 사이에 고정부분과 구동(입력)부 분을 여러 가지로 변화시켜 6가지의 변속비를 얻을 수 있으며, 2요소 고정 또는 3요소 자 유로 하여 2종류, 모두 8가지의 변속비를 얻을 수 있도록 되어 있다. 플래니터리 기어 변속 비를 구하는 방법은 기구학적 고정법이 있으나 이 방법은 복잡한 순서가 필요하며 초보자는 이해하기가 좀 어렵다. 따라서 여기서는 그 해법으로서 비교적 쉽게 구할 수 있는 방법으로 상대 속도선도법을 소개한다. (1) 직선운동의 상대속도 그림 6-20과 같이 자동차 a는 차속 50km/h, 자동차 b는 30km/h, 자동차 c는 0km/h에 서 모두 같은 방향으로 주행하고 있다. 이들 속도를 그림 6-20 (a)와 같이 그려보면 이 그 림은 자동차 a, b, c의 절대속도를 나타내고 있다. 이것을 자동차 a, b, c의 절대속도선도라 한다. 이것에 대하여 지금 자동차 b에 타고 있는 사람이 본 자동차 a, c의 속도, 즉 자동차 b에 대한 자동차 a, c의 상대속도를 구하면 각각 V=20km/h, V=-30km/h 가 된다. 이들 상대속도를 그림 6-20 (b)와 같이 나타내면 이 그림은 자동차 b에 대한 자동차 a, c의 상대속도를 나타내므로 이것을 상대속도선도라 한다. 50km/h a a 50 a km/h b b 30 b ±0 c 0km/h c 0-30 c 그림 6-20 직선운동의 속도선도 이와 같은 그림 6-20 (a)에 나타난 절대속도선도에서 그림 6-20 (b)의 자동차 b에 대 한 상대속도선도를 기계적으로 구하는 방법으로는 우선 그림 6-21 (a)와 같이 점선으로 표시된 절대속도선도로부터 자동차 b의 속도가 0이 되도록, 즉 30km/h만큼 종축을 우측으 로 이동한다. 다음에 그 중축 상에서 a, b, c에 대응하는 점을 각각 a', b', c'로 하고 a'와

232 228 제6장 자동변속기(Auto Transmission) a, c'와 c를 화살표로 연결하여 그 선분의 길이와 방향을 본다. 이와 같이 하면 그림 6-21 (b)와 같이 b를 0km/h로 하였을 때 b차에 대한 a차는 +20km/h, c차는 -30km/h로 되어 소위 상대속도선도를 구할 수 있다. a 30 a' 50 a'+20 a b b' b 30 b' ±0 c c' c -30 c' 그림 6-21 상대속도선도 화법 (2) 회전운동의 상대속도 앞에서 설명한 바와 같이 자동차가 주행할 경우의 직선운동일 때만 적용되는 것이 아니고 치차와 같은 회전운동일 때도 적용된다. 즉 직선운동의 속도 대신에 회전운동의 회전수(각 속도)를 놓으면 된다. 직선운동의 자동차 주행인 경우는 그 절대속도 Va, Vb, Vc사이에 아 무런 관계도 없었지만 플래니터리 기어 회전운동인 경우에는 그 구성요소인 선기어, 캐리어, 링기어의 운동은 항상 서로 물려있기 때문에 어떤 일정 조건하에서 운동한다. 예를 들면 캐 리어가 회전하든 고정되어 있든 캐리어에 대한 선기어와 링기어의 상대속도(상대 회전수)에 는 변함이 없다. 그래서 캐리어에 대한 선기어와 링기어의 상대속도를 나타내는 예는 앞에 서 설명한 자동차 b에 대한 자동차 a와 c의 상대속도 관계와 같이 캐리어 정지, 즉 캐리어 의 회전수가 0일 경우 선기어와 링기어의 회전수를 고려하면 좋다. 이와 같이 캐리어 정지 (고정)조건을 생각하면 플래니터리 기어 운동도 보통의 평치차로 내치차 경우와 같은 운동 으로 생각할 수 있어 변속비를 쉽게 구할 수 있다. 이와 같이 캐리어 고정의 경우를 기준으 로 하여 플래니터리 기어 각 요소의 상대속도를 고려하면 쉽게 이해할 수 있다. (3) 상대속도 선도법에 의한 플래니터리 기어 변속비 구하는 방법 1 싱글피니언(Single pinion) 방식 상대 속도선도법을 적용하여 기본적인 플래니터리 기어 변속비를 구해본다. 그림 6-22와 같은 싱글피니언 방식의 플래니터리 기어에서 선기어, 링기어의 잇수를 각각 20, 80개로 한 다. 지금 링기어 고정, 선기어 입력, 캐리어 출력조건인 경우 변속비를 구해본다.

233 6.3 유성기어 세트(Planetary gear set) 229 링기어(고정) 80 캐리어(출력) 1회전 캐리어 고정 4회전 선기어(입력) 20 (a) 링기어 고정 (b) 캐리어 고정 (-) (+) R -1 R R' R R' ±0 R C ±0 C C' C C' ±1 C (1) S S S S' S' S (2) (3) (4) (5) (c) 상대속도선도화법 그림 6-22 싱글피니언 유성기어와 그 상대속도 선도 a 종축을 긋고, 축의 우측을 (+)측(시계방향 회전), 좌측을 (-)측(반시계 방향 회전) 으로 한다(그림 6-22 중 (c)의 (1)). b 이 플래니터리 기어는 선기어, 캐리어, 링기어가 각각 1개이므로 S(선 기어 정점), C(캐리어 정점), R(링기어 정점)의 3점을 종축상에 정한다(그림 6-22 중 (c)의 (2)). c 우선 캐리어를 고정하였을 경우의 링기어와 선기어의 회전상태를 고려한다. 이때의 링기어와 선기어와의 회전방향은 반대이다. 따라서 그림 6-22 (b)와 같이 캐리어를 고정하고, 예를 들면 링기어를 반시계방향으로 1회전시키면 선기어는 시계방향으로 4회전한다. 그림 6-22 (c)의 (3)과 같이 R점에서 축의 직각으로 -1선분, S점에서 축의 직각으로 +4선분을 긋고 선단에 화살표를 표시한다(이 경우 최초 1회전시키 는 기어는 R, S 어느 쪽이라도 상관없으며, 그 회전방향도 +, -임의로 선택할 수 있다). d 이 플래니터리 기어 조건은 링기어를 고정하였으므로 종축을 좌로 1만큼 이동하여 링기어 회전수가 0이 되도록 한다. 이동한 축에 R, C, S에 대응하는 점을 각각 R', C', S'로 한다(그림 6-22 (c)의 (4)). e C'와 C, S'와 S를 화살표로 연결한다. 이동한 종축을 기준(이 경우 링 기어 고정)으 로 하면 링기어 회전수를 나타내는 선분 +1의 길이를 가지고 선기어 회전수를 나타

234 230 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 내는 선분은 +5의 길이를 갖는다(그림 6-22 (c)의 (5)). 이는 링기어를 고정하고 선기어를 시계방향으로 5회전 시키면 캐리어는 시계방향으로 1회전하는 것을 의미 한다. f 변속비는 입력축 회전수 선기어 회전수 출력축 캐리어 회전수 회전수 이므로 이 경우는 변속비 R=+5/+1=5가 된다. 이 싱글피니언 플래니터리 기어는 입력축(구동축), 출력축(피동축), 고정 축을 변화시켜 표 6-1과 같이 8가지의 변속비를 얻을 수 있으며 어느 것이나 위의 상대속도 선도법에 의 하여 쉽게 변속비를 구할 수 있다. 2 더블피니언(Double pinion)방식 그림 6-23과 같은 더블피니언방식 플래니터리 기어에서 선기어, 링기어의 잇수를 각각 20, 80개라 하면 링기어 고정, 선기어 입력, 캐리어 출력인 경우의 변속비를 구한다. 이 경 우에는 전항의 경우와 똑같이 우선 캐리어 고정의 경우를 기준으로 하여 구하면 쉽다. 링기어(고정) 80 1회전 캐리어(출력) 캐리어 고정 4회전 선기어(입력) 20 (a) 링기어 고정 (b) 캐리어 고정 (-) (+) R R +1 R R' R ±0 R' C C ±0 C C' C -1 C' (1) S S +4 S' S S S' (2) (3) (4) (5) (c) 상대속도선도화법 그림 6-23 더블피니언 플래니터리 기어와 그 상대속도 선도 +3 단, 더블피니언인 경우는 캐리어 고정일 때 링기어와 선기어와의 회전방향은 싱글피니언 과는 달리 같은 방향으로 회전하는 것에 주의하여야 한다. 그림 6-23 (c)의 (1) (5)의 순서에 따라 변속비를 얻을 수 있다.

235 6.3 유성기어 세트(Planetary gear set) 231 선기어 회전수 캐리어 회전수 여기서 변속비가 (-)인 경우는 입력축과 출력축의 회전방향이 반대이며 자동차에서는 후 진의 경우에 해당한다. 이와 같이 상대속도 선도법을 이용하면 플래니터리 기어의 어떤 조건하에서 자동차가 전 진하는가, 후진하는가를 시각적으로 판단할 수 있다. 3 3요소가 회전하고 있을 경우의 변속비 앞에서 기본형 플래니터리 기어에서 선기어, 캐리어, 링기어 3요소 중 한 요소가 고정되 어 있는 조건일 때의 변속비 구하는 방법을 설명하였다. 그런데 싱글피니언 방식의 플래니 터리 기어를 몇 세트 조합(보통 승용차인 경우 2세트의 플래니터리 기어로 되어 있다)한 복 합식 플래니터리 기어에 서는 3요소 모두 회전하는 경우가 많다. 이런 경우 상대 속도 선도 법을 적용하여 그 변속비를 구해본다. 예를 들면 링기어, 캐리어의 회전수가 주어졌을 경우 선기어 회전수를 구해본다. 그림 6-24의 플래니터리 기어에서 링기어가 반시계방향으로 nr 회전, 캐리어는 시계방향으로 nc회전할 때 선기어 회전수를 구한다. 단 선기어, 링기어 잇수 를 각각 Zs, Zr라 한다. 여기서도 캐리어 고정인 경우의 상대속도 선도를 그려서 그것을 기 준으로 R, C, S의 종축을 평행 이동하면 링기어, 캐리어, 선기어의 상대속도와 회전 방향과 의 관계를 쉽게 알 수 있다. 그림 6-24 (c) (1) (3)은 그 해법의 예이다. 우선 3요소 회 전의 (1)상태에서 선기어 회전수 ns를 모르기 때문에 종축 R, C, S를 오른쪽으로 nc만큼 이동하여 종축 R', C', S'를 그어 캐리어 고정인 상태 nc'=0일 때의 상대속도선도 (2)를 그 린다. 이때 링기어 회전수는 그림 6-24(c)(2)와 같이 반시계방향으로 nr'=nr+nc 로 된다. 이때 선기어는 시계방향으로 돌고, 그 회전수 ns'는 링기어와의 잇수비만큼 증속 되므로 ns'=nr' Zr/Zs = (nr+nc) Zr/Zs 이 된다. 다음에 캐리어 고정인 C'에서 그림 6-24 (3)과 같이 원래의 종축선 C점으로 되돌아오면 3요소가 동시에 회전하는 경우가 된다. 따라서 선기어 회전수 ns는 ns=nc+ns'=nc+nr' Zr/Zs =nc+ (nr+nc) Zr/Zs 이 된다.

236 232 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 위의 식에서 nr는 반시계방향으로 회전하므로 (-)를 붙여서 정리하면 nszs+nrzr=nc(zr+zs) 이 되며 이 식은 싱글피니언 플래니터리 기어의 3요소의 회전수와 회전방향을 구하는 일 반식이다. 회전수 n 대신에 각속도 ω를 대입하면 윗식은 ωszs+ωrzr=ωc(zs+zr) 로 표시할 수 있다. 표 6-1의 변속비를 위의 식 3요소 중 고정요소의 회전수 n 또는 각속도 ω를 0으로 놓 으면 간단히 구할 수 있다. n r n' r n c n' c=0 n' s n s (a) 3요소 회전 (b) 캐리어 고정 n' r=n r+n c R R' n r R R R' n r C n r n c n' c=0 n c n c C nc C C' C' (1) S n s S n c S' Zr n s n r Zs (2) (3) (c) 상대속도 선도화법 S S' Zr n s n c n r n c Zs 그림 요소 회전 플래니터리 기어와 그 상대속도 선도 자동변속기용 유성기어 자동변속기용 유성기어는 입력과 출력 방향이 고정되어 있으므로 표 6-2와 같이 유성기 어 한 세트로 입출력방향을 바꾸어 여러 종류의 변속단을 만들 수 없다.

237 6.3 유성기어 세트(Planetary gear set) 233 출력은 대부분 링기어이며 입력은 선기어와 유성기어 캐리어가 담당하고 레비뉴타입 한 세트로 1 4단, 후진을 만들 수 있다. 작동기구인 클러치나 브레이크에 의해 유성기어의 3요소를 고정하거나 동력을 전달, Free상태로 만들어 적절한 변속비를 얻는다. 롱 피니언 기어 쇼트 피니언 기어 링 기어 롱 피니언 기어 스몰 선 기어 라지 선 기어 쇼트 피니언 기어 프래네터리 캐리어 쇼트 피니언 기어 롱 피니언 기어 프래네터리 캐리어 라지 선 기어 링 기어 스몰 선 기어 그림 6-25 레비뉴타입 유성기어

238 234 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 표 6-2 레비뉴타입 유성기어 입출력 예 변속 출력 고정 입력 입력 비고 1단 링기어 유성 캐리어 전진 선기어 2단 링기어 후진 선기어 전진 선기어 3단 링기어 전진 선기어 유성 캐리어 1:1 4단 링기어 후진 선기어 유성 캐리어 O/D 후진 링기어 유성 캐리어 후진 선기어 6.4 작동기구 변속을 하기 위하여 유성기어 각 요소에 동력의 전달, 고정, 출력을 하려면 여러 종류의 클러치와 브레이크가 필요하다. 대부분 여러 세트의 습식마찰클러치와 원웨이클러치, 밴드브레이크 등이 사용되며 차종에 따라 클러치 및 브레이크의 명칭이 다르고 작동기구가 다를 수 있다. 또한 클러치의 한쪽이 고정 되어 있으면 작동 시 브레이크 역할을 하는 경우도 있다 클러치 유압으로 클러치판을 접촉시켜 엔진(토크컨버터 출력)의 동력을 각 요소에 전달 및 절단 한다. 작동유압은 피스톤(Piston)과 리테이너(Retainer) 사이의 피스톤 유압실에 작용하여 피스 톤을 클러치 디스크로 밀어 붙여 구동력을 리테이너로 부터 허브로 전달한다. 토오크 컨버터 클러치 드럼 토오크 컨버터 인터널 기어 터빈 런너 인풋 샤프트 드라이브 플레이트 드라이브 플레이트 드리븐 플레이트 선 기어 그림 6-26 클러치 기본구조

239 6.4 작동기구 235 클러치 드럼과 결합 허브와 결합 (a) 드라이브 플레이트 (b) 드리븐 플레이트 클러치 디스크의 마찰력으로 내측의 스플라인이 동력을 전달한다. 클러치 마찰판 브레이크 마찰판 그림 6-27 유압에 의한 클러치의 작동

240 236 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 밴드브레이크 회전체를 잡아주는 외부 수축식 브레이크이다. 2, 4단에서 작동되므로 2-4브레이크라고 도 한다. 차종에 따라 1개 이상 장착 되는 것도 있다. 서보 피스톤 서보 리테이너 브레이크 밴드 앵커 엔드볼트 밴드 스트레트 밴드 서보 트랜스 액슬 케이스 해제시 작동시 리턴 스프링 그림 6-28 밴드브레이크 프론트 클러치 드럼 브레이크 밴드 프론트 클러치 드럼 브레이크 밴드 서보 피스톤 서보 리테이너 서보 피스톤 서보 리테이너 앵커 엔드 볼트 밴드 스트레트 변속기 케이스 앵커 엔드 볼트 밴드 스트레트 변속기 케이스 브레이크해제 브레이크작동 그림 6-29 밴드브레이크 작동 로 리버스 브레이크(습식 마찰클러치) 1단과 후진 시 유성기어 캐리어를 고정한다(변속기몸체와 캐리어 사이). 드리븐 플레이트는 트랜스퍼 케이스에 결합되어 회전하지 않는다. 드라이브 플레이트는 캐리어에 결합되어 있다.

241 6.4 작동기구 237 변속기 하우징 변속기 하우징 피스톤 피스톤 센터 서포트 센터 서포트 유성기어 캐리어 연결부 유성기어 캐리어 연결부 브레이크 플레이트 브레이크 플레이트 리턴 스프링 압력판 클러치 디스크 리턴 스프링 압력판 클러치 디스크 그림 6-30 로 리버스 브레이크 원웨이 클러치 한쪽 방향으로만 동력이 전달되는 구조이다. 포워드클러치(전진) 작동 시 전진선기어로 동력을 전달하며 반대방향으로는 전달되지 않는다. 인너레이스가 빠를 때 동력이 전달되지 않으므로 엔진브레이크 작동되지 않는다. 유성기어캐리어의 시계방향 회전을 고정한다. 유성 기어 캐리어의 반시계 방향으로만 회전가능하다. 동력이 연결될 때 아웃더 레이스의 회전속도가 엔진측(구동) 더 빠를 때 아웃터 레이스 아웃터 레이스 스프라그 스프라그 아웃터 레이스 인너 레이스 동력이 연결되지 않을 때 아웃터 레이스 회전속도가 더 느릴 때 전진 선기어측(피동) 엔드 베어링 스냅링 스프라그 인너 레이스 인너 레이스 그림 6-31 스플러그타입 원웨이 클러치

242 238 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 파킹장치 변속레버 P 위치 시에 기계적으로 유성기어의 링기어를 고정시킨다. 고속에서는 작동불가하며, 아주 낮은 속도 및 정지 상태에서만 작동 가능하다. 풀 리턴 스프링 파킹 풀 샤프트 파킹 풀 매뉴얼 샤프트 파킹 어시스트 레버 캡 P 이외 레인지 파킹 기어 (아웃풋쉘) 파킹 기어 (아웃풋쉘) 서포트 액츄에이터 매뉴얼 플레이트 파킹 로드 P 레인지 그림 6-32 파킹장치 6.5 유압 제어기구 자동변속기의 제어시스템은 크게 유압제어부와 전자제어부로 나눌 수 있으며 유압제어부 는 차종마다 다소 상이하나 기본적으로 다음과 같이 구성되어 있다. - 유압의 발생원인 오일펌프 - 발생유압을 제어유압으로 컨트롤하는 레귤레이터밸브 - TCU의 전기신호를 유압으로 변환하는 솔레노이드 밸브 - 솔레노이드 밸브의 유압으로부터 작동 요소에 작용하여 유압을 제어하는 프레셔 컨 트롤 밸브 - 라인압을 받아 유로의 절환을 행하는 각종 밸브 - 이것들을 내장하는 밸브 바디로 구성되어 있다 자동변속기에 주로 사용되는 밸브 - 오일의 흐름방향을 제어하는 방향제어밸브(매뉴얼밸브, 변속밸브, 변속조절밸브, 체크 밸브.. 등) - 오일의 압력을 제어하는 압력제어밸브(레귤레이터 밸브, 토크컨버터컨트롤밸브.. 등) - 유량을 제어하는 유량제어밸브(댐퍼클러치 솔레노이드 밸브, 압력컨트롤 솔레노이드밸 브.. 등)로 구분된다. 이런 밸브들은 Valve body에 장착되어있다.

243 6.5 유압 제어기구 239 토크 컨버터 프론트 클러치 리어 클러치 로우리버스 브레이크 엔드 클러치 킥다운 서보밴드 브레이크 라인압력 댐퍼 클러치 제어 슬레노이드 오일 쿨러 윤활(후) 토크 컨버터 조절밸브 오일 팬 레귤레 이터밸브 오일펌프 댐퍼 클러치 제어 밸브 감압 밸브 라인압 릴리프 밸브 2-3/ 3-4 변속밸브 리어 클러치 해방밸브 변속제어 솔레 노이드-A 변속제어 솔레노이드 -B N-R 제어밸브 1-2 변속 밸브 매뉴얼 밸브 엔드 클러치 밸브 N-D 제어밸브 압력 제어밸브 압력제어 솔레노이드 라인압력 (2차유지압력) 라인압력 ( L 위치) 토크 컨버터 및 윤활압력 댐퍼 클러치압력 펌프 흡입 압력 컨트롤 압력 감 압 그림 6-33 자동변속기의 유압제어시스템 예 SCSV "B" DCCSV PCSV-A SCSV "A" PCSV-B SCSV "C" 그림 6-34 Valve Body (1) 체크밸브(Check valve) 체크밸브(또는 체크볼 이라고도 함)는 일방향으로만 흐를 수 있도록 하는 소위 방향성을 가진 밸브로써 디렉셔널 밸브(Directional valve)라고도 하며, 밸브 통로의 직경에 따라 유 량을 컨트롤하기도 한다. 또 일방향으로만 흐르게 하는 체크밸브를 싱글 액티브 밸브 (Single active valve)라 하고, 2개의 통로에서 제3의 통로로 역류를 방지하는 형을 더블 액티브 밸브(Double active valve)라 한다.

244 240 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 1 작동 그림 6-35 (a)형은 단지 작동유압에 의해 밸브를 개폐한다. 즉 유압이 a방향에서 흐를 때는 유압에 의해 볼이 시트에서 떨어져 밸브가 열리고, 반대로 흐를 경우에는 볼이 시트부 에 닿아 역류를 방지한다. 그림 6-35 (b)의 스프링식 체크밸브는 a방향에서 흐르는 유압 이 스프링 힘보다 크면 밸브가 열리게 된다. 즉 스프링의 장력에 따라 유압을 컨트롤한다. 그림 6-35 (c)형은 (b)형과는 달리 위의 나사에 의해 유압을 컨트롤하는 방식이다. 즉 나 사를 조이면 스프링 장력이 강해지고, 반대로 풀면 스프링 장력이 약해진다. 이를 어저스터 블 프레셔 릴리프 밸브(Adjustable pressure relief valve)라고도 한다. (d)형은 포핏 밸브 (Poppet valve)라 하며 (c)형과 같은 작용을 하는 밸브이다. 또 그림 6-36과 같은 형은 유압이 작용할 때는 체크밸브가 닫히고 작동유압을 해제하면 체크밸브가 열리어 작동부에 남아 있는 잔류압력이 빠져 나가게 함으로써 작동부를 신속하게 해제하는 작용을 한다. 이와 같이 여러 가지 체크밸브가 있지만 이러한 체크밸브보다 약간 발전시킨 것이 스풀 밸브이다. a a (a) (b) (c) (d) 그림 6-35 체크밸브의 작동 예 Ⅰ 라인압 작동부로 체크밸브 그림 6-36 체크밸브의 작동 예 Ⅱ (2) 스풀 밸브(Spool valve) 1 스풀 밸브의 형상 스풀 밸브란 그림 6-37 (a)와 같이 그 모양이 실패와 비슷한데서 유래된 것으로 여러 개의 실패를 조합한 형이다. 이들 스풀 밸브는 밸브 보디내의 보어에 정확하게 피트(Fit)하

245 6.5 유압 제어기구 241 도록 정밀하게 제작하여 유로를 개폐한다. 스풀 밸브는 그림 6-37 (b)와 같이 랜드(Land) 또는 라운드(Round)라 하는 부분과 그루브(Groove:홈)와 페이스(Face)로 되어 있으며, 오 일은 이 홈을 통해 흐르도록 되어 있어 편리하다. 밸브 보디내에서 스풀 밸브를 자동적으로 가동시키기 위해서는 랜드 직경이 일률적으로 똑같이 되어있지 않고 다르게 되어있다. 예를 들면 동일한 유압이 2개의 수압면적(페이스)에 작용한다면 페이스가 큰 쪽으로 이동할 것이 다. 이와 같이 유압에 의해 스풀 밸브가 움직이는 것을 프레셔 리액션(Pressure reaction) 이라 한다. 밸브 보디내 스풀 밸브는 필요한 프레셔 리액션을 얻기 위해 홈의 형상 등은 여 러 가지의 형태로 설계되어 있다. 또 ATF를 밸브 보디내의 복잡한 유로를 통과시켜 스풀 밸브로 보내어 변속을 자동적으로 제어하고 있다. 스프링 랜드 (a) (b) 그루부(홈) 페이스(면) 그림 6-37 스풀 밸브 2 작동 그림 6-38은 유압과 스프링 힘에 의해 자동적으로 작동하는 형이다. 그림 (a)의 3과 4 에서 들어가는 유압이 낮으면 스프링 힘에 의해 우측으로 밸브가 이동하여 랜드는 출구 1과 2를 닫는다. 반대로 그림 6-38 (b)는 3, 4의 유압이 상승하여 스프링 힘을 이겨 밸브를 좌측으로 이동시킨 상태이며, 오일은 3에서 1로, 4에서 2로 통과한다. 이 외에 스프링 없이 유압만으로 작동하는 스풀 밸브도 있다. 작동은 스풀 밸브의 양측 끝에 유압이 작용하고, 어 느 한쪽 유압이 높으면 밸브는 낮은 쪽으로 이동하는 등 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 이를 셔틀 밸브라고도 한다 (a) (b) 3 4 그림 6-38 스풀 밸브의 작동

246 242 제6장 자동변속기(Auto Transmission) (3) 유량조절 밸브(Flow control valve) 이 밸브는 일정한 유량을 흐르게 할 경우에 사용하며, 그림 6-39에서 라인압력이 스풀 밸브로 유입되어 오리피스(Orifice)를 통해 일정유량으로 조절된다. 이 때 유압이 일정하면 오리피스를 통과하는 유량은 일정하다. 이것에 대해 필요 이상의 유량이 흐를 경우 스풀 밸 브는 우측으로 이동하여 드레인(Drain) 구멍을 통해 오일은 배출된다. 따라서 A점을 통과 하는 유량은 일정하다. 라인 압 오리피스 드레인 홀 스풀의 이동 일정유량 A점 그림 6-39 유량조절 밸브의 예 (4) 오리피스(Orifice)의 작용 그림 6-40과 같이 통로의 일부분을 좁게 하여 유체의 흐름을 컨트롤하는 것을 오리피스 라 한다. 자동변속기의 유압제어회로에는 여러 개소에 설치되어 있으며 일종의 시간을 컨트 롤한다고 보면 된다. 이것은 유압이 일정하면 오리피스를 통과하는 유량은 일정하다. 즉, 필 요 이상의 유체가 흐르지 않도록 하며, 오리피스를 통과하는 유량과 시간과의 관계는 같다. 예를 들면 클러치를 해방하고 브레이크 밴드를 작용 시키려고 할 때 클러치 해방 직전에 브 레이크 밴드를 작용시키지 않으면 변속이 다소 지연될 수도 있다. 따라서 오리피스에 의해 오일의 흐름을 컨트롤하고 그 지연을 방지하는데 이용된다. 오리피스 일정유압 일정유량 그림 6-40 오리피스 (5) 릴리프 밸브(Relief valve) 릴리프 밸브는 일종의 압력조절 밸브이며 그림 6-41 (a)와 같이 일정압력 이상이 되면 볼 밸브가 열리어 드레인으로 오일이 빠져나가 최고압력을 조정한다. 이러한 형은 체크밸브 가 채터링(Chattering : 떨림)을 일으켜 밸브 시트를 손상시키기 때문에 그림 6-41 (b)와

247 6.5 유압 제어기구 243 같은 스풀 밸브를 많이 사용한다. 그림 6-41 (c)는 오리피스를 이용하여 스풀 밸브의 채터 링을 방지하는 예이다. 유입되는 라인압이 너무 높으면 밸브는 위로 이동하여 A부가 열리어 드레인으로 오일이 빠져나가 압력이 내려간다. 따라서 밸브는 닫히게 된다. 이 때 오리피스 에 의해 밸브 아래에 작용하는 유압맥동을 억제하고 일정유압이 되도록 조정한다. 즉, 라인 압은 일정하지 않으므로 오리피스에서 시간차를 주어 유압이 급격하게 변하지 않고 서서히 작용하도록 한다. 드레인 스프링에 의해 압력을 조정 라인압 유입 라인압 라인압 드레인 라인압 라인압 A 드레인 오리피스 (a) 체크볼을 이용한 경우 (b) 스풀밸브를 이용한 경우 (c) 오리피스를 이용한 경우 그림 6-41 릴리프 밸브의 작동 오일펌프 오일펌프는 토오크 컨버터와 유압제어 기구에 필요한 작동 유압을 공급하며 유성기어세 트, 입력축, 각종 요소 등의 마찰부분에 윤활유압을 공급한다. 가이드 드리븐 기어 드라이브 기어 토출구 흡입구 토출구 흡입구 그림 6-42 트로코이드타입 오일펌프

248 244 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 6.6 밸브의 기능 자동변속기 유압제어 시스템에는 여러 종류의 제어 밸브들이 있으며 차종에 따라 명칭의 차이가 있으나 기능은 기본적으로 동일하다. 현대자동차 하이백 F4A42-2 자동변속기의 예 를 설명한다 레귤레이터 밸브(Regulator valve) : 압력조절 밸브 레귤레이터 밸브는 오일펌프에서 발생된 유압을 라인압으로 조정한다. 밸브의 우측에는 라인압이 작용하는 포트가 3개(1A, 5A, 18A)가 있어, 이 유압이 스프링력에 대항해서 라 인압을 각 변속단에 맞는 유압으로 조정한다. 표 6-3 변속단별 라인압력 예 변속단 라인압(kg/cm 2 ) 라인압 포트 P, N 3.1 1A, 5A, 33A 1속, 2속 A, 5A 3속, 4속 8.5 1A, 5A, 18A 후진 A (1) 작동 1 주차 & 중립 a 매뉴얼 밸브에는 밸브가 N, P 위치에 있을 때에 5번 및 33번 포트가 열려 레귤레이 터 밸브에 라인압이 공급된다. b 레귤레이터 밸브에는 오일펌프부터의 유압이 1번 및 1A번 포트로부터 공급된다. 다시 1번 포트로부터 공급된 유압은 3번 포트로부터 토오크 컨버터 프레셔 컨트롤 밸브 를 경유하여 토오크 컨버터로 공급된다. 또한, 매뉴얼 밸브를 경유한 라인압이 5A, 33A 포트에서 공급된다. 1A, 5A, 33A번이 포트로부터 유압이 공급되면 #3라인에 작용하는 유압에 의해 밸브를 좌방향으로 미는 힘이 발생한다. 이 힘과 밸브를 우방향으로 미는 스프링력에 의해 라인 압이 조정된다. c 파킹 & 중립 시에는 밸브를 좌방향으로 미는 힘이 다른 변속단 보다 크게 되기 때 문에 라인압은 낮게 조정된다.

249 6.6 밸브의 기능 245 T/C 밸브 25 3A 5A 3 18A 33 매뉴얼 밸브 레귤레이터 밸브 A R P D N 오일펌프 오일스트레이너 오일팬 그림 6-43 주차 & 중립 매뉴얼밸브 2 1속 & 2속 오일펌프로 부터의 유압은 1번 및 1A번 포트로 부터 레귤레이터 밸브로 공급된다. 또 공 급된 유압은 3번 포트에 의해 토오크 컨버터 매뉴얼 밸브를 경유한 라인압이 5A번 포트에 의해 레귤레이터 밸브로 공급된다. 1A번, 5A번으로 포트로 부터 라인압이 공급되면 #1랜 드와 #3랜드의 면적차에 의해 밸브를 좌방향으로 미는 힘이 생기게 된다. 이 힘과 밸브를 우방향으로 미는 스프링력으로 라인압이 조정된다. 엔진회전수 즉, 오일펌프의 회전수가 상 승하여 유압이 높게 되면 1A번, 5A번 포트에 걸리는 유압도 높게 되어 스프링력을 이기고 밸브를 좌방향으로 밀게 된다. 그래서 토오크 컨버터로의 통로 a를 크게 열어 토오크 컨버 터 유량을 공급한다. 다시 유압이 높게 되면 밸브는 보다 세게 좌방향으로 밀게 되고 따라 서 2번 포트로의 통로 b가 열리고 압력은 오일펌프 측으로 나가게 되어 라인압이 저하된다. 라인압이 저하되면 1A, 5A 포트에 걸리는 유압되 저하되기 때문에 밸브는 스프링력에 의 해 우방향으로 되밀려서 통로b가 닫히게 된다. 이렇게 하여 라인압이 일정하게 조정된다. 1번 라인 중에 설치되어 있는 라인 릴리프 밸브는 라인압이 레규레이터 밸브에서 조정되 는 압력 이상으로 높게 되었을 때 개방해 유압이 빠지게 하여 유압회로를 보호한다. 매뉴얼 밸브로부터 매뉴얼 밸브로부터 a b 18A 5A 18A 5A # A 라인압 #3 T/C 압력 컨트롤 밸브 라인압 오일 펌프로 (오일 펌프로부터) T/C 압력 컨트롤 밸브 A 라인압 오일 펌프로부터 라인압 (오일 펌프로부터) 그림 속 & 2속 매뉴얼밸브

250 246 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 3 3속 & 4속 1A번, 5A번 포트에 추가로 18A번 포트로도 라인압이 공급된다. 이에 따라 밸브를 좌방 향으로 미는 힘은 #1 랜드와 #4 랜드의 면적차로 된다. #4 랜드는 #3 랜드보다도 면적이 크기 때문에 같은 압력이 작용되어 있어도 b 1속 & 2속 보다도 낮은 유압으로 통로 b가 열리게 되기 때문에 그만큼 라인압이 낮게 된다. 라인압이 상승한 경우의 레귤레이터 밸브 작동은 b 1속 & 2속과 같다. 매뉴얼 밸브로부터 스위치 밸브로부터 18A 5A #1 T/C 압력 컨트롤 밸브 #4 라인압 (오일 펌프로부터) 1A 라인압 오일 펌프로부터 그림 속 & 4속 매뉴얼밸브 4 후진 매뉴얼 밸브가 R 레인지의 경우 5번 포트로의 통로가 닫히게 되기 때문에 5A번 포트 로의 라인압 공급은 없어지게 된다. 이에 따라 밸브를 좌방향으로 미는 힘은 #1 랜드와 #2 랜드의 면적차로 된다. #2랜드는 #3랜드 보다 면적이 작기 때문에 5포트 같은 압력이 작용해도 b 1속 & 2속 보다도 높은 유압이 아니면 통로 b가 열리지 않게 되므로 그만큼 라인압이 높게 된다. 이렇 게 하여 후진시의 작동 요소에 필요한 높은 라인압을 만들어 낸다. 라인압이 상승했을 때의 레귤레이터 밸브 동작은 b 1속 & 2속과 동일하다. 매뉴얼 밸브로부터 스위치 밸브로부터 18A 5A #1 T/C 압력 컨트롤 밸브 #4 1A 라인압 라인압 오일 펌프로부터 (오일 펌프로부터) 후진 그림 6-46 후진 매뉴얼밸브

251 6.6 밸브의 기능 토오크 컨버터 압력 제어 밸브 (Torque converter pressure control V/V) 토오크 컨버터 압력 제어 밸브는 T/C(댐퍼 클러치 해방 시) 및 윤활유압을 일정하게 조 정한다. (1) 작동 1 레귤레이터 밸브에 의한 라인압 조정 시 나머지 유량은 토크 컨버터 압력조절 밸브로 부터 T/C로 공급된다. 이때 3번 라인에서 분기한 유압이 오리피스를 통과하여 3A 포 트로 밸브 우측의 챔버로 공급된다. 이 챔버에 작용하는 힘이 스프링력에 대항하여 밸 브를 움직여 T/C압을 조정한다. 챔버에 작용하는 힘이 스프링력 보다 작을 경우는 스 프링력에 의해 밸브로 부터의 유압이 T/C로 공급된다. 2 레귤레이터 밸브로 부터의 유압이 높게 되어 이 유압에 의한 힘이 스프링력 보다 강하 게 되면 밸브를 좌측으로 밀게 된다. 그러면 2번 포트가 열려 유압은 오일펌프 쪽으로 빠지게 되어 유압이 저하된다. 압력이 저하되면 챔버에 작용하는 유압도 낮아지기 때 문에 밸브는 스프링력에 의해 우방향으로 되돌아가서 2번 포트를 닫게 된다. 이렇게 하여 T/C압이 조정되어 유압이 일정치를 넘지 않게 컨트롤 된다. 3 댐퍼 클러치 컨트롤 밸브는 댐퍼 클러치에 작용하는 유압을 제어한다. 댐퍼 클러치 솔레노이드 밸브는 TCU신호에 의하여 듀티 제어되어 전기신호를 유압신호 로 변환된다. 댐퍼클러치 제어 밸브 댐퍼클러치 제어 밸브 A A 오일펌프로 레규레이터 밸브로부터 오일펌프로 레규레이터 밸브로부터 그림 6-47 댐퍼 클러치 컨트롤 밸브 a 댐퍼 클러치 해방 시 즉, 댐퍼 클러치 솔레노이드 밸브 Off 상태에서는 24A 및 4A 포트에 라인압이 걸리기 때문에 #7랜드에 걸리는 유압의 힘과 스프링력의 합이 #2 랜드와 #3랜드의 면적차에 작용하는 유압에 의한 힘을 이겨 밸브는 우측방향으로 밀리게 된다. 그러면 토오크 컨버터 압력조절 밸브로 부터의 유압이 3번 라인에서 20번 라인으로 들어가 T/C의 프론트 커버와 댐퍼 클러치사이로 유압이 공급된다. 따라서 댐퍼 클러치는 작동 시키지 않고 보통의 토오크 컨버터로서 작동하게 된다.

252 248 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 20 #7 21 5A 라인압력 점검 포트 #3 3 cooler 4A # Off 그림 6-48 댐퍼클러치 유압회로 b 댐퍼 클러치 작동영역에 들어가면 TCU의 지령에 의해 댐퍼클러치 솔레노이드 밸브 가 듀티 제어되어 24A 포트에 공급되는 유압이 저하된다. 이에 따라 #7 랜드에 작 용하는 유압에 의한 힘과 스프링력의 합에 의해 #2 랜드와 3# 랜드의 면적 차에 작용하는 유압에 의한 힘을 이겨서 밸브는 좌측 방향으로 밀리게 된다. 그러면 T/C 프레셔 컨트롤 밸브의 유압은 3번 라인으로 부터 22번 라인을 경유하여 오일 쿨러 로 빠지고, 그와 동시에 1번 라인의 유압은 23번 라인을 경유하여 21번 라인에 의 해 T/C에 공급된다. 이에 따라 댐퍼 클러치와 터빈사이로 유압이 작동하여 댐퍼 클 러치가 프론트 커버에 밀려 붙여서 댐퍼 클러치가 작동한다. 20 #7 21 5A 라인압력 #3 3 cooler 4A # On 그림 6-49 댐퍼클러치 유압회로

253 6.6 밸브의 기능 매뉴얼 밸브(Manual valve) : 수동제어 밸브 Manual V/V는 운전석의 셀렉트 레버와 연동해서 각 셀렉트 레버의 위치마다 유로를 절 환하여 각 밸브에 라인압을 보낸다. P, R, N, D, 3, 2, L의 포지션이나 매뉴얼 밸브는 매뉴 얼 컨트롤 레버의 움직임에 의하여 P와 N 및 D, 3, 2, L의 밸브위치가 그대로 같게 되기 때문에 R, NP, D32L의 3포지션 밖에 없다. (1)작동 1 매뉴얼 밸브의 위치가 N, P 에 있을 때에는 5번 포트가 열려 라인압이 레귤레 이터 밸브, 페일 세이프 밸브-A에 공급된다. 2 매뉴얼 밸브가 D 위치에 있을 때에는 4번 포트 및 5번 포트가 열려 위 1 밸브에 더해 세컨드 브레이크 엔드 클러치, 오버 드라이브 클러치, 댐퍼 클러치, 페일 세이프-A의 각 솔레노이드 밸브 및 프레셔 컨트롤 밸브에 공급된다. 3 매뉴얼 밸브가 R 위치에 있을 때에는 6번 포트가 열려 라인압이 리버스 클러치 및 페일 세이프 밸브-B에 공급된다. P R N D 3 2 L R NᆞP Lᆞ2ᆞ3ᆞD L 2 3 D N R P 매뉴얼 밸브 매뉴얼 밸브 매뉴얼 밸브 P/N D R 그림 6-50 매뉴얼밸브 위치 프레셔 컨트롤 밸브 & 솔레노이드 밸브 (1) 프레셔 컨트롤 밸브와 솔레노이드 밸브는 리버스 클러치를 제외한 각 작동요소에 1 조씩 있다.

254 250 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 1 LR, UD용 PCV 클러치 유압 해제 시 유압이 급격하여 떨어지는 것을 방지하여 클러치와 클러치 제어 시 입력축 회전수의 상승률을 억제하는 밸브이다. 2 OD, 2nd용 PCV LR, UD용 PCV와 같은 기능을 실행하고 있다. (2) 솔레노이드 밸브 솔레노이드 밸브는 TCU로 부터의 신호에 의해 듀티로 제어되어 전기신호를 유압으로 변 환함으로써 각 클러치 및 브레이크를 작동시킨다. 1 작동 프레셔 컨트롤 밸브의 형상은 각 밸브마다 다소 다르지만 작동 원리는 같다. 여기서 OD 클러치를 예를 들어 설명한다. a 오버 드라이브 밸브가 비작동시 즉, 솔레노이드 밸브가 On상태에 솔레노이드 밸브에 의해 유로가 막히기 때문에 17번 라인에 유압은 공급되지 않는다. 이때 프레셔 컨트 롤 밸브는 스프링력에 의해 밸브가 우방향으로 밀리기 때문에 16번 포트가 닫혀 오 버 드라이브 클러치에 유압이 공급되지 않는다. b 오버 드라이브 클러치가 작동상태가 되면 TCU로 부터의 명령에 의해 솔레노이드 밸브가 듀티 제어되어 체크 볼을 밀어 17번 라인이 유로를 열고 프레셔 컨트롤 밸브 로 유압을 공급한다. 17번 포트에서 프레셔 컨트롤 밸브로 유압이 공급 되면 #1랜드 와 #2랜드의 면적차에 의해 밸브를 좌측으로 미는 힘이 생기고 이 힘이 스프링 반력 을 이겨서 밸브는 좌방향으로 밀리게 된다. 그러면 16번 포트가 열리기 때문에 4번 라인의 라인압은 16번 라인을 경유하여 오버 드라이브 클러치로 공급된다. 변속이 완 료되면 솔레노이드 밸브는 Off상태로 되기 때문에 오버 드라이버 클러치에 공급되는 유압은 라인압과 같게 된다. 0D 클러치 16A D 클러치 16A # #2 라인 압 솔레노이드 밸브 On 라인 압 솔레노이드 밸브 Off 그림 6-51 OD Clutch 솔레노이드 밸브

255 6.6 밸브의 기능 스위치 밸브(Switch valve) : 절환밸브 오버 드라이브 클러치 작동 시에 스위치 밸브를 경유한 유압이 레귤레이터 밸브에 공급된 다. 이에 따라 3속, 4속 에서는 라인압이 감압된다. Fail safe시(control relay off시)는 로우&리버스 프레셔 컨트롤 밸브에서 로우&리버스 브레이크의 유압공급을 차단한다. (1) 작동 1 3속, 4속 이외의 경우는 1B 포트에 의해 밸브의 우측 챔버에 유압이 공급되기 때문에 밸브는 좌측으로 밀리게 된다. 또, 로우&리버스 프레셔 컨트롤 밸브로 부터 7A번 포트 에 유압이 공급되는 경우에도 #2랜드와 #3랜드의 면적차가 같기 때문에 밸브는 움직 이지 않는다. 2 3속, 4속의 경우는 16B 포트로 부터 밸브 좌측의 챔버에도 유압이 공급되기 때문에 #1랜드와 #4랜드의 면적차에 의해 밸브는 우측으로 밀리게 된다. 이에 따라 18번 포 트가 열려 레귤레이터 밸브의 18B번 포트에 유압이 공급된다. 3 Fail safe시(control relay off시) 각 솔레노이드 밸브는 Off 상태로 되기 때문에 7번 라인을 경유해 7A포트로 유압이 공급된다. 그러나 3속시에는 로우&리버스 솔레노이드 밸브의 상태에 관계없이 밸브는 우방향으로 밀려있다. 또 #2랜드와 #3랜드의 면적은 같기 때문에, 7A포트에 유압이 공급되어 로우&리버스 프레셔 컨트롤 밸브로 부터의 유압은 스위치 밸브에서 차단된다. Fail safe V/V로 Line압 16B #3 8 2B 1B Chamber A 25 #2 LR Pressure control V/V로 부터 Line압 Chamber #4 16B A 25 2B 1B Fail safe V/V로 #1 Regulator V/V로 LR Pressure control V/V로부터 그림 6-52 스위치 밸브

256 252 제6장 자동변속기(Auto Transmission) Fail valve-a : 안전밸브-A Fail safe 발생 시에 로우&리버스 브레이크의 유압을 해방한다. 또한, 해방 시에 로우&리 버스 브레이크의 유로를 변경해 더 빠른 변속을 실현한다. (1) 작동 1 Neutral 및 1속시 매뉴얼 밸브를 경유한 라인압이 5B번 포트에서 밸브우측의 챔버에 공급되고, 또 로우&리 버스 컨트롤 밸브로부터의 유압이 스위치 밸브를 경유하여 8A 포트로 공급된다. 이 때문에 #1 랜드에 작용하는 유압에 의한 힘이 #2 랜드와 #3 랜드의 면적 차에 의한 유압에 의해 작용하는 힘과 스프링력에 합을 이겨서 밸브 A1 및 A2는 좌측으로 밀리게 된다. 그러면 9 번 포트가 열리기 때문에 로우&리버스 프레셔 밸브로 부터의 유압은 로우&리버스 브레이 크로 공급된다. LR Brake로 Valve A2 16A A 9 30EX Chamber Switch V/V로부터 25 8A #2 5B #1 #3 Line압 Manual V/V로부터 그림 6-53 Fail safe valve-a 1속 2 2속시 5B번 포트에 추가로 세컨드 브레이크에 유압을 공급하는 12번 라인으로 부터 분기한 유 압이 12A 포트에 공급 된다. 이 때문에 #1 랜드에 작용하는 유압의 힘이 #4랜드와 #5랜 드의 면적 차에 작용하는 유압에 의한 힘과 스프링력의 합을 이겨 밸브 A1 및 밸브 2는 좌 측으로 밀린다.

257 6.6 밸브의 기능 253 Line압 16A A 9 30 EX #5 25 #4 8A 5B Line압 그림 6-54 Fail safe valve-a 2속 3 3, 4속 5B번 포트에 추가로 오버 드라이브 클러치에 유압을 공급하는 16번 라인으로 부터 분기 한 유압이 16A 포트에 공급된다. 이 때문에 #1 랜드에 작용하는 힘이 #6 랜드에 작용하 는 유압에 의한 힘과 스프링력의 합을 이겨 밸브 A1 및 밸브 A2는 좌측으로 밀린다. LIine압 16A A 9 30 EX #6 25 8A 5B Line압 그림 6-55 Fail safe valve-a 3, 4속 4 후진 시 후진 시에는 5번 랜드가 해방되어 5B번 포트에는 유압이 공급되지 않는다. 이에 따라 유 압은 8A번 포트로 부터만 공급된다. 따라서 밸브 A2는 스프링력과 #2랜드와 #3랜드의 면 적 차에 작용하는 유압의 힘에 의해 우측으로 밀린다. 한편 밸브 A1은 스프링력에 의해 좌 측으로 밀린다. 그러나 로우&리버스 브레이크압은 9번 포트를 경유하여 25번 포트에서 더 빠르게 해방되어 그 후 공급 유압은 30번 포트 및 31번 포트를 통하여 로우&리버스 브레 이크에 연결된다. 이렇게 로우&리버스 브레이크의 유압공급 라인을 절환하여 로우&리버스 브레이크의 유압 을 일단 빠르게 해방하고 그 후 다시 공급하게 되어 N R, P R시 변속 쇼크가 없고 더 빠른 변속유압제어가 가능해졌다.

258 254 제6장 자동변속기(Auto Transmission) LR Breke로 Damping valve 16A A 9 30 EX 25 8A 5B Switch V/V로부터 그림 6-56 Fail safe valve-a 후진 5 Fail safe시(low & RVS brake solenoid V/V 고장 시) a 브레이크 솔레노이드 밸브가 고장나 7번 포트로부터 유압이 공급된 경우 스위치 밸 브에는 #2 랜드, #3 랜드의 면적차가 같이 때문에 밸브는 움직이지 않고 8A번 포트 로부터 휄 세이프 밸브-A에 유압이 공급된다. 휄 세이프밸브-A에 #2 랜드와 #3 랜 드의 면적 차에 작용하는 유압의 힘 및 밸브 A1의 #4, #5 랜드의 면적 차에 작용하 는 유압의 힘에 의해 밸브 A1, 및 A2는 우측으로 밀려 9번 포트가 닫히기 때문에 로 우&리버스 브레이크의 유압 공급이 차단된다. b 3, 4속 7번 포트로 부터 스위치 밸브에 유압이 공급되지만 #2 랜드와 #3 랜드의 면적차가 같 기 때문에 밸브는 움직이지 않고 유압은 스위치 밸브에서 차단된다. 16A A 9 30 EX Line압 25 8A 5B Switch V/V로부터 Line압 그림 6-57 Fail safe시 유로 Fail safe valve-b : 안전밸브-B Fail safe시(control relay off시)세컨드 프레셔 컨트롤밸브로부터 세컨드 브레이크로의 유압을 차단한다.

259 6.6 밸브의 기능 255 (1) 작동 1 Neutral시 라인압이 1B번 포트에서 밸브우측 3 챔버에 공급되기 때문에 밸브는 좌측으로 밀린다. 14B 16B 12 Chamber 6B 25 11A EX 1B Line압 그림 6-58 Fail safe valve-b 중립 2 1속시 1B번 포트에 추가로 4 언더 드라이브를 클러치에 유압을 공급하는 14번 라인에서 분기 한 유압이 14B번 포트로 공급된다. 이 때문에 #1 랜드에 작용하는 유압에 의한 힘이 #5 랜드와 #6 랜드의 면적 차에 작용하는 유압에 의한 힘을 이겨 밸브는 좌측으로 밀린다. Line압 14B 16B 12 #1 #6 6B # A EX 1B Line압 그림 6-59 Fail safe valve-b 1속 3 2속시 1B번 포트에 추가로 14B번 포트가 작용되었고 또 세컨드 프레셔 컨트롤러 밸브로부터 11A 포트에 유압이 공급된다. 이 때문에 #1 랜드에 작용하는 유압에 의한 힘이 #2번 랜드와 #3번 랜드의 면적 차에 작용하는 유압에 의한 힘과의 합을 이겨 밸브는 좌측으로 밀린다. 그러면 12번 포트가 열리 기 때문에 세컨드 프레셔 컨트롤러 밸브로부터의 유압에 의한 힘은 세컨드 브레이크로 공급 된다.

260 256 제6장 자동변속기(Auto Transmission) Line압 2nd brake 14B 16B 12 #2 6B # A EX 1B 2nd pressure control V/V로부터 Line압 그림 6-60 Fail safe valve-b 2속 4 3속, 4속 시 1B번 포트에 추가로 14B번 포트가 적용되었고 또 오버 드라이브 클러치 유압을 공급하 는 16A번 라인으로부터 분기한 유압이 16B번 포트로 공급된다. 이 때문에 #1 랜드에 작용하는 유압의 의한 힘이 #4 랜드와 #6 랜드의 면적 차에 작용 하는 유압에 의한 힘에 이겨 밸브는 좌측으로 밀리게 된다. Line압 14B 16B 12 6B 25 11A EX 1B Line압 그림 6-61 Fail safe valve-b 3, 4속 5 후진 시 1B번 포트에 추가로 매뉴얼 밸브를 경유한 라인압이 6B번 포트에서 밸브 우측의 챔버에 공급된다. 이 때문에 #1 랜드와 #6 랜드의 면적 차에 의해 밸브는 우측으로 밀린다.

261 6.6 밸브의 기능 B 16B 12 6B 25 11A EX 1B Line압 그림 6-62 Fail safe valve-b 후진 6 Fail safe시(control relay off시) Fail safe에 들어가면 각 솔레노이드 밸브는 Off 상태가 되기 때문에 11번 랜드를 경유해 서 11A번 포트 및 14B, 16B번 포트에 유압이 공급된다. 이 때문에 #3 랜드의 면적 차에 작용하는 유압의 힘과 #4 랜드와 #6 랜드의 면적 차에 작용하는 유압의 합을 이겨 밸브 는 우측으로 밀린다. 이에 따라 12번 포트는 25번 포트에 연결되기 때문에 유압을 배출시 키고 또, 세컨드 프레셔 컨트롤 밸브로 부터의 유압은 페일 세이프 밸브에서 차단된다. LINE압 14B 16B 12 6B 25 11A EX 1B 2nd Pressure control V/V로부터 그림 6-63 Fail safe 시 유로 어큐뮬레이터(Accumulator) : 측압기 어큐뮬레이터는 자동변속기의 유압제어 시스템에서 자주 사용되는 장치로 클러치 및 브레 이크의 작동유로에 설치되어 변속 시 클러치에 공급되는 유압을 일시적으로 축적하여 클러 치 및 브레이크가 급격히 작동하는 것을 방지함으로써 부드러운 변속이 이루어지도록 한다.

262 258 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 또한, 신세대 A/T는 독립제어를 실시하면서 각 솔레노이드 밸브 작동 시 맥동이 발생하는 데 이를 흡수해주고 해제 시 급격한 유압 저하를 방지한다. TCU가 솔레노이드 밸브를 정밀하게 듀티 제어하여 유압을 조절하는 시스템에서는 어큐 뮬레이터가 장착되지 않는다 피스톤 스프링 압력 c d g f 오리피스 e b 클러치 회로 배출구 0 시간 어큐뮬레이터의 구조 클러치 작동법 어큐뮬레이터의 작동 번호 어큐뮬레이터 이름 스프링 수 1 LR BRAKE용 어큐뮬레이터 2 2 UD CLUTCH용 어큐뮬레이터 2 3 2ND BRAKE용 어큐뮬레이터 2 4 OD CLUTCH용 어큐뮬레이터 1 그림 6-64 어큐뮬레이터 밸브바디(Valve Body)와 오일 필터 (1) 유압제어 장치는 유압의 발생원인 오일펌프에서 발생된 유압을 제어유압으로 제어하 는 레귤레이터 밸브, TCU의 전기신호를 유압으로 변환하는 솔레노이드 밸브, 솔레노이드

263 6.6 밸브의 기능 259 밸브로부터 유압에 따라 Element에 작용하는 프레셔 컨트롤 밸브, 라인압을 받아 유로를 절환하는 각종 밸브, 이런 것을 모두 내장 하고 있는 것이 밸브바디이다 N 9 10 N N N N N 8 ) 0D UD LR 2ND RED DCC (분해순서 및 명칭) 유온센서 1. Solenoid valve support 2. UD Clutch solenoid valve 3. 2ND Brake solenoid valve 4. Damper clutch control solenoid valve 5. OD Clutch solenoid valve 6. L&R Brake solenoid valve 7. Manual valve 8. Cover 9. Plate 10. Out side valve body ASS'Y 11. Still ball(orifice check ball) 12. Spring 13. Plate 14. Damping valve 15. Damping valve spring 16. Steel ball 17. Spring 18. Spring(orifice check ball) 19. Spring 20. Inside valve body ASS'Y 그림 6-65 Valve body (2) 오일필터(Oil filter) A/T 내부에 매인 오일 필터에 추가로 케이스 외벽에 탈착식 서브 오일 필터를 장착하였 다. 이에 따라 매인 필터에서 걸리지 않는 오일중의 미립 불순물을 상시 여과한다. 재질은 부직포를 주로 사용 한다.

264 260 제6장 자동변속기(Auto Transmission) Oil filter 그림 6-66 오일필터 6.7 변속단별 작동요소 각 변속단별 작동요소(현대자동차 하이백 F4A42-2 자동변속기) 변속레버 작동요소 언더 오버 드라이브 드라이브 클러치(U/D) 클러치(O/D) 세컨드 브레이크 (2ND) 로우&리버스 브레이크(L/R) 리버스 클러치 (REV) 원웨이 클러치 (OWC) P, N 레인지 D, 3, 2, L 레인지 1속 D, 3, 2, 레인지 2속 D, 3 레인지 3속 D 레인지 4속 R 레인지(후진) 6.8 전자제어 시스템 전자제어 시스템은 각종 센서, 솔레노이드 밸브, 트랜스미션 컨트롤 유닛(TCU)으로 구성 되어 있고, 이들 센서의 정보를 근거로 TCU가 연산을 하여 그 결과에 따라서 솔레노이드 밸브를 작동시켜 클러치, 브레이크, 변속패턴제어, 변속시 유압제어를 한다.

265 6.8 전자제어 시스템 261 입 력 제 어 출 력 입력축 속도센서 T C U A/T 제어 릴레이 출력축 속도센서 변속 패턴 제어 DCCSV 인히비터 스위치 유온 센서 브레이크 스위치 스포츠 모드 선택 스위치 스포츠 모드 UP 스위치 변속시 유압제어 D/C 제어 HIVEC 제어 엔진 총합 제어 고장 진단 제어 L&R 솔레노이드 밸브 2ND 솔레노이드 밸브 UD 솔레노이드 밸브 OD 솔레노이드 밸브 스포츠 모드 DOWN 스위치 자기 진단 ENG ECU (CAN 통신) ABS ECU (CAN 통신) CAN을 통한 입력요소 - 엔진회전수 - A/CON 신호 - TPS - 수온센서 - 흡입 공기량 - 변속단 유지신호 - 차속 CAN을 통한 출력요소 - 토크 저감 요구 신호 - ATF 온도 - 댐퍼클러치 작동유무 - TCU 형식 그림 6-67 자동변속기 전자제어시스템 예 TCU에 의하여 전자적으로 제어하는 항목은 다음과 같다. - Damper Clutch(D/C) 제어 - Pressure Control(P/C) 제어 - Shift pattern 제어부 - Torque reduction 제어부 - Fuzzy 제어부(혹은 Neural network 제어) - 릴레이제어 - 자기진단 - 통신 제어부 최근의 자동 변속기의 전자제어 시스템은 다양한 도로조건의 주행상태에 가장 적합한 변 속패턴을 만들어 준다. 다양한 도로 및 기후 조건을 분석해 변속을 제어하는 신경망 제어시

266 262 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 스템과 개별 운전자의 운전습관을 기억했다가 그에 맞춰 최적의 변속을 시행하는 학습기능 과 4단에서 2단, 3단에서 1단 등으로 중간 단계를 거치지 않고 자동변속이 이루어져서 가 속력을 높여주는 스킵 시프트 기능을 갖춘 변속기도 최근 적용되고 있다. 자동변속기 차량 의 안전한 출발을 유도하는 시프트 록과 수동변속기 차량과 기능을 발휘하는 클러치 록 기 능도 일반적으로 적용되고 있다 입력장치 (1) 입력축 속도센서 & 출력축 속도센서 출력축과 입력축의 센서가 별도로 구분 되며 Hall 센서를 주로 사용한다. 1 입력축 속도센서 : 변속 시 유압제어를 위해 입력축 회전수(Turbin RPM)를 UD 리테 이너부에서 검출한다. 2 출력축속도센서 : 출력축 회전수(T/F Drive gear RPM)를 T/F Drive gear부에서 검 출한다. 피드백제어, 클러치 to 클러치제어, 댐퍼클러치제어, 변속단제어, 동기 어긋남 연산, 기타 센서의 고장 판정 기준신호로 이용된다. 커넥터 터미널 모듈커버 오 링 서킷 파트 마그네트 홀 IC 에어 캡 Sensing portion 그림 6-68 센서의 구조 및 출력파형

267 6.8 전자제어 시스템 263 (2) 인히비티 스위치 셀렉터 레버의 위치를 파악하고 접점식 스위치로 검출하여 주차, 중립에서만 시동이 가능 하도록 한다. 1 형식 : 절환 접점식 N R P Switch body 2 3 L D 그림 6-69 인히비티스위치 2 변속단별 단자 접속 예 항목 단자번호 P R N D 3 2 L 그림 6-70 변속단별 단자 접속 (3) 유온센서 ATF센서는 변속기내의 오일의 온도를 더미스터로 감지하여 TCU로 신호를 전송하며 TCU는 유온센서의 신호를 기초하여 구동 패턴 선택 및 토크 컨버터 클러치(댐퍼클러치)를 제어한다.

268 264 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 70 저항 60 (Ω) ATF 온도( ) 150 ATF온도 { }) ATF 저항(kΩ) -20 {-4} 15.87~ {32} 5727~ {68} 2.375~ {104} 1.102~ {140} 0.561~ {176} 0.308~ {212} 0.181~ {248} 0.112~ {236} 0.089~0.09 그림 6-71 유온별 출력저항 예(차종에 따라 다름) TCM 6 유온센서 14 그림 6-72 유온센서 (4) 브레이크스위치 브레이크 작동 시 12V의 전압이 TCU에 입력되어 운전자의 의지를 TCU가 파악 한다. (5) 모드 선택스위치 운전자의 요구에 맞는 변속패턴을 설정하기 위해 Hold mode 및 Auto mode 여부를 인 식하는 검출신호로 쓰인다.

269 6.8 전자제어 시스템 265 BATT 브레이크 CPU TCU 12V 브레이크 전구 그림 6-73 브레이크스위치 구조 출력장치 (1) 솔레노이드 밸브(Solenoid valve) 형식은 Normal open type(3 WAY)로써 DCC, LR, 2ND, UD, 및 OD 솔레노이드 밸브 는 동일한 것으로 사용한다. LR, 2ND, UD, OD, RED 솔레노이드 밸브는 변속제어를 위한 유압제어밸브이며 DCC 솔 레노이드 밸브는 댐퍼클러치 제어를 위한 유압제어밸브이다. OD L&R UD 2nd RED (5A/T) DCCSV 유온센서 솔레노이드 리턴스프링 니들밸브 니들밸브(가동부) 제어 Port(out put) 배출 Port 공급 Port(in put) 그림 6-74 솔레노이드밸브

270 266 제6장 자동변속기(Auto Transmission) (2) 오토 컨트롤 릴레이(A/T Control relay) A/T 컨트롤 릴레이는 TCU에서 전원을 공급받아 릴레이가 On 되면 접점까지 대기하고 있던 배터리 전원을 각 솔레노이드까지 공급하는 역할을 한다. 또한 TCU에 릴레이 및 배선이 정상인지 모터링 할 수 있는 전원도 인가된다. 상시 전원 전원 배분도 엔진 룸 SD-11참조 정선 박스 퓨즈 13 20A 8 E/R-B 펄스 제너레이터 SD-140에서 2.0R A B 3 2.0G 1 0.5R/B 0.5B 4 C42 23 C42 A/T 컨트롤 릴레이 0.5B/W 10 MFI 컨트롤 회로 SD-117 참조 0.5B/W C21 C21 조인트 컨넥터 2.0G 1.25G 1.25G G08 0.5B/W 0.5B/W 8 C29 조인트 컨넥터 10 9 C C C C08-3 E/TCM C L/B 2.0G 0.85L/B 0.85W 0.85R/W 0.85Y 0.85Lg 0.85G 0.5Y/B 0.5B/W C40 A/T 솔레노 이드 오일 온도 센서 그림 6-75 오토 컨트롤 릴레이 회로

271 6.8 전자제어 시스템 댐퍼 클러치(Damper clutch) 제어(록업제어) 댐퍼(록업)클러치 제어는 저회전 영역에서 정숙성을 좋게 하기 위한 미세하게 슬립하는 Partial lock-up 제어와 고회전 영역에서 연비효율을 높이기 위한 완전직결로 되는 Full lock-up 제어로 구성되어 있다. 5 4 스 로 틀 개 도 (V) 3 2 미소 슬립 구간 PULL LOCK-UP 구간 감속 직결 구간 구배 5% 이상의 언덕길을 1.5초 이상 유지하면 미소슬립 구간은 삭제되고 직결구간만 제어된다. 또한 이 상태로 제어 중에 2.5% 이하의 구배를 1초 이상 유지하면 삭제되었던 미소슬립 구간을 다시 제어한다. 그림 6-76 댐퍼클러치 작동영역 (1) 댐퍼클러치 작동조건 전진레인지이며 2속 이상일 것(단 2속에서 DC작동은 유온이 125 이상이어야 함) - N D, N R 제어 중이 아닐 것 - 완전직결 시 유온이 50 이상일 것 - 미소슬립 시 유온이 70 이상일 것 - Fail Safe(3속 Hold)상태가 아닐 것 (2) 감속 직결 구간 조건 - 변속 중이 아닐 것 - 변속단이 3속 이상 일 것(5A/T는 4속 이상) - 유온이 70 이상일 것 - 공회전 상태 On - 엔진 rpm 1050rpm - 1,380rpm<출력축회전수 2,150rpm - TPS 전압 980mV

272 268 제6장 자동변속기(Auto Transmission) Torque reduction 제어 Up shift나 Down shift 중 원활한 승차감 및 부품의 수명을 위해 엔진출력의 순간적인 저감이 필요하다. 이때 ECU는 점화시기를 변화시켜 엔진 토크를 떨어뜨린다. 이로 말미암 아 Shift 중의 토크 변화가 작게 되어 부드러운 변속 Feeling을 얻을 수 있다. 차 량 구 동 T o r q u e Torque retard 제어 있을 때 Torque retard 제어 없을 때 시간 그림 6-77 Torque reduction 제어효과 CAN 통신(Controller area network) 차량 내에서 System간의 정보를 교환하기 위해(TPS, 엔진회전수 등) 지금까지는 각 신호 교환 시 배선이 일일이 필요했으나 하나의 ECU와 다른 ECU사이에서 연결라인을 2개 의 배선을 통한 통신 시스템이다. 배선 간소화 및 다량의 정보 교환이 가능해 졌다. (1) CAN 통신의 목적 자동차내의 ECU들 사이에 신속한 정보교환 및 전달을 목적으로 한다. (2) CAN 통신의 구조 ECU 120Ω TCU ABS(TCS) 커넥터 CAN bus line high CAN bus line low 120Ω Twisted cable 그림 6-78 CAN 통신 배선 개략도

273 6.8 전자제어 시스템 269 (3) Twisted cable Twisted cable은 ECU간의 송 수신하는 연결 Line으로써 전파 방해 등을 방지하기 위 해 2개의 배선이 꼬여 있는 형태를 가지고 있다. 종단 저항: 120Ω 케이블 최대길이 40m 일반배선 40m(125Ω) 그림 6-79 TWISTED CABLE (4) CAN 통신 데이터 파형 CAN 통신 high CAN 통신 low CAN 통신 high 3.5V 2.5V CAN 통신2.5V low 1.5V 인식전압 0V =2V 2V 0V =0V 2V 0V 그림 6-80 CAN 통신 데이터 파형 (5) CAN 통신을 통한 입출력 데이터 T C U 엔진 회전수(상ᆞ하위 RPM) 드로들 개도(TPS) 엔진 토오크(A/N) 차속(차속 리드 S/W) 변속단유지 요구신호(TCS 작동) 엔진 온도(수온) 기어 위치 토크저감 요구신호(총합제어) ATF 온도 댐퍼 클러치 작동유무 TCU TYPE TCU ERROR 유무 C A N b u s l i n e ENG ECU ABS ECU (TCS 포함) 그림 6-81 입출력

274 270 제6장 자동변속기(Auto Transmission) (6) 전기배선도 자기진단 14 A18(1) HI 54 B1(41) HI CAN LO 73 B2(40) LO CAN ECU HI 11 CAN LO 15 HECU B9 HI B10 LO 5 4 HI LO CAN CAN () : MB 기준 계기판 셀렉터 레버 유니트 TCU 그림 6-82 CAN 배선 개략도 6.9 변속선도 자동변속기는 엔진성능 및 운전상황에 맞추어 가장 적절한 변속이 이루어지도록 변속 패 턴을 설정하고 있다. 차종 특성에 맞게 변속 패턴이 설정 되어 있으며 저연비, 저소음 상태의 주행을 하는 노 말레인지, 보다 스포티한 주행을 가능케하는 파워레인지 의 외에 새로운 시스템에는 미 끄러운 노면의 출발을 용이하게 하는 기능 및 언덕길 위험로 등을 주행하기에 알맞도록 하 는 홀드 외 친환경을 고려한 여러 모드가 있다. 다음은 현대자동차 하이백 자동변속기의 변속선도 예 이다 일반모드 스로틀밸브 개폐 정도, 차속(=변속기 출력축회전속도)에 따라 변속점이 다르다.

275 6.9 변속선도 D 쉬프트 패턴 스 로 틀 개 도 % (L) 2 3(2,L) 3 4(3) 트랜스퍼 드라이브 기어 속도 RPM 그림 6-83 일반모드 변속선도 배기가스 저감 변속 패턴 엔진의 배기가스 저감을 위해서는 엔진수온과 삼원촉매장치의 온도를 빨리 상승시켜야 하 므로 IG Key on 시 수온이 35 이하이면 100초간 Standard shift pattern 보다 더 저단 영역을 확보함(Shift pattern 우측이동) 배기가스 저감 SHIFT PATTERN 스 로 틀 개 도 % 트랜스퍼 드라이브 기어 속도 RPM 그림 6-84 배기가스 저감 변속모드 변속선도

276 272 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 유온제어 가변 변속패턴 3, 4속으로 등판 시 토오크 컨버터의 슬립상태에서 장시간 연속 운전에 따른 유온상승을 방지하기 위해 4속 해제 및 2 3, 3 2 Shift 선을 변경한다(토오크 컨버터 슬립 구동력 확보 저속). 이행조건 가 변속단이 3속 또는 4속 나 D 또는 3 레인지 다 유온이 125 이상 라 600RPM 출력축 속도 2010RPM 해제조건 가 3속 상태를 3초 이상 지속 시 나 유온이 110 이하 다 출력축 속도 2100RPM 또는 출력축 속도 240RPM(3 1 Shift선) 라 P, R, N, L 레인지 신호 검출 시 위 해제 조건 중 어느 하나라도 만족하면 통상의 Shift Pattern으로 복귀한다. 100 유온가변 Shift Pattern 스 로 틀 개 도 % 그림 6-85 유온제어 가변 변속모드 변속선도 극 저온모드 변속패턴 ATF 온도가 -29 이하일 때 오일의 성능이 떨어지므로 2속으로 고정 시킨다.

277 6.10 오일점검 및 교환 스 로 틀 개 도 % 트랜스퍼 드라이브 기어 속도 RPM 그림 6-86 극 저온모드 변속모드 변속선도 Hold mode 변속패턴 눈길 출발 시 사용하는 변속패턴으로 운전자가 홀드 스위치를 작동시킬 경우 홀드 변속패 턴 으로 돌입한다(단 Sports mode가 적용된 차량에서는 스포츠 모드를 이용하여 2속 출발 이 가능하므로 홀드 스위치 삭제) 오일점검 및 교환 오일 점검 및 교환은 각 차량별 정비지침서에 준하여 작업함을 원칙으로 한다. 다음은 일 반적인 방법을 설명한다. (1) 오일 량 점검 1 오일량 점검 a ATF 온도가 통상온도(70 80 )가 될 때까지 주행한다. b 차량을 평탄한 장소에 정차시킨 후 주차 브레이크를 당긴다. c 변속레버를 각 위치에서 순환시킨 후 P 또는 N 위치에 둔다. d 오일 레벨 게이지 주변부의 오염물을 제거한 후 오일 레벨 게이지를 닦고 ATF의 상태를 점검한다. 참고 ATF가 타는 냄새가 날 때는 부시(메탈)및 마찰 재료 등의 미세한 가루에 의해 오염되어 있기 때문에 트랜스 액슬의 오버홀 및 쿨러 라인의 세정이 필요함.

278 274 제6장 자동변속기(Auto Transmission) e ATF 레벨이 오일 레벨 게이지의 Hot 사이에 있는지 점검한다. ATF량이 적을 때는 Hot 범위가 되도록 보충한다. EXAP059A 그림 6-87 레벨게이지 (2) 오일 변색관련 판단기준 및 점검 사항 1 자동변속기 오일에는 타 오일(엔진오일, 부동액 등등..)과 구분하기 위하여, 붉은 염료 가 추가되어 있어서 초기에는 자동변속기 오일의 색깔이 투명한 적색이고, 주행거리가 증가 함에 따라 자동변속기 오일의 색깔은 점점 검붉은색으로 변하게 되고, 연한 갈색을 나타내 는 경향이 있다. 또한, 붉은 염료는 영구적인 것이 아니기 때문에 내부 온도 변화에 의한 산 화나 열화로 변색된다. 따라서 변속기 오일 색깔로 오일 교환여부를 판단해서는 안 된다. 변속기 오일의 상태가 아래와 같을 경우는 자동변속기를 점검할 필요성이 있다. - 자동변속기 오일의 색깔이 진한 갈색이나 검은색일 경우 - 자동변속기에서 심한 탄 냄새가 날 경우 - 오일 레벨 게이지에 마모된 금속 부스러기가 묻혀 나오거나 만져질 경우. 2 ATF량이 적을 때는 오일펌프가 ATF와 함께 공기를 흡입하여 유압 라인 안에 기포를 만들기 때문에 유압이 저하되어 변속의 지연이나 클러치 및 브레이크의 슬립이 발생되는 원 인이 된다. 3 ATF량이 과다하면 기어가 ATF를 끌어 올려 거품이 생기기 때문에 ATF량이 적을 때와 동일한 현상이 발생한다. 4 양쪽 모두의 경우 기포가 오버 히트나 ATF를 산화시키는 원인이 되며 밸브, 클러치 및 브레이크가 정상으로 작동할 수 없게 된다. 또한 ATF가 거품이 일어나면 트랜스 액슬의 에어브리더 또는 오일 필터 튜브로 ATF가 흘러넘치고 이것은 누유와는 다른 것이다. 5 오일 레벨 게이지를 확실히 끼워 넣는다. 6 트랜스 액슬 오버홀 시 또는 오일의 열화 및 오염이 심할(가속 운전 했을)때 ATF를 교환할 때는 서브필터는 교환하고 메인필터는 완전히 세정 또는 교환한다.

279 6.10 오일점검 및 교환 275 (3) 오일교환 ATF 체인저가 있는 경우는 ATF 체인저를 사용하여 교환한다. ATF 체인저가 없는 경우는 아래의 방법으로 한다. 1 오일을 충분히 난기 시킨다(유온 70~80 ). 2 변속기와 오일 쿨러(라디에이터 내장)사이를 연결하고 있는 그림 6-88의 호스를 빼 낸다. HEW 그림 6-88 오일 쿨러 호스 3 엔진을 시동하여 ATF를 방출한다. 운전조건 : N레인지,아이들링 주의 엔진의 시동 후 1분 이내로 정지할 것 그 이전에 ATF의 배출이 끝날 경우는 그 시점에서 엔진을 정지할 것(배출량:3.5l) 4 트랜스 액슬 케이스 하부의 방출 플러그를 빼내어 ATF를 방출한다.(방출량 : 2.0l) EXA90009A 그림 6-89 방출 플러그 5 오일 필터를 교환한다. 6 방출 플러그에 가스켓트를 끼워 설치하고 기준 토오크로 조인다. 7 신품 ATF를 주입한다(주입량:5.5l). 주의 5l가 다 들어가지 않을 경우 주입을 중단할 것 항의 작업을 다시 한 번 실시한다.

280 276 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 참고 냉각기 호스에서는 최저 7l이상 배출시킨다. 그 후 ATF를 소량 배출시켜 오염을 점검한다. 오염상태의 경우는 7, 8 항을 다시 한 번 실시한다. 9 신품 ATF를 오일 주유 튜브로 주입한다(주입량 : 약 3.5l). 10 2항에서 빼어낸 호스를 조립하고 오일 레벨 게이지를 확실히 끼워 넣는다. 11 엔진을 시동하여 1 2분간 아이들 운전한다. 12 선택레버를 각 위치에서 순환시킨 후 P 또는 N 위치에 둔다. 13 오일 레벨 게이지의 ATF량이 COLD 마크 위치에 있는 것을 확인한다. 부족할 경우 는 보충한다. 14 ATF온도가 통상온도(70 80 )가 될 때까지 주행하고 ATF량을 재점검한다. ATF 레벨은 HOT 범위가 되어야 한다. 참고 Cold 레벨은 어디까지나 참고로 하고 Hot 레벨을 기준으로 한다. 15 오일 레벨 게이지를 오일 주유 튜브에 확실히 끼워 넣는다. Cold HEW 그림 6-90 레벨게이지 6.11 하이백제어(Hyundai intelligent vehicle electronic control) 현대자동차 자동변속기로써 하이백제어는 다양한 도로조건(굴곡, 오르막, 내리막길)을 운 전할 경우 운전자가 원하는 최적의 변속단을 얻을 수 있도록 전운전영역의 최적제어 운전자 의 기호와 습성에 맞게 변속시점을 변환시켜주는 학습제어로 구성되어 있다. (1) TCU에 다수의 운전자가 다양한 도로 조건하에 주행 하였을 때 최적의 매뉴얼 변속 (Manual shift) 조작을 미리 입력 (2) TCU는 Accel개도, 차속, 브레이크 등의 신호를 받아 현재의 주행 조건을 판단하여 최적의 변속단을 출력 (3) 어떠한 도로 조건하에서 주행 하여도 최적의 변속단을 얻는다.

281 6.11 하이백제어(Hyundai Intelligent Vehicle Electronic Control) 277 TCU에 의해 이러한 최적의 변속단을 출력하기 위한 연산은 매우 복잡하기 때문에 기존 의 Fuzzy같은 논리회로만으로는 실현이 불가하므로 하이백은 최신의 논리회로인 Neural network를 채용하여 최적의 변속단을 출력한다. 참고 Neural network(신경망) 컴퓨터의 판단을 인간 뇌의 판단에 근접하게 한 논리 회로로 인간의 뇌와 같이 복수의 입력 정보를 가공하여, 상호 정교하게 관련시켜 순간적으로 적절한 판단을 내리는 시스 템이다. Fuzzy 제어 1, 0 외에 중간 영역까지 파악할 수 있는 개념을 적용시킨 제어방법 최적제어 Neural network Accel 개도 다수 Driver 수동조작 Accel 개도 정보가공 차 속 차 속 상호 관련 Computer 판단 최적의 변속단 최적의 변속단 Brake 도로 운전 조건 Brake Computer 판단 그림 6-91 제어개념도 학습제어 전 운전영역의 최적제어에 의해 미리 입력된 최적의 변속조작이 실현 가능하게 되었지만 운전자의 기호에 맞는 운전, 운전자와 운전의 숙련도, 복수의 운전자가 1대의 차량을 운전 하는 경우, 운전자의 기분이 변함 등으로 운전 형태가 달라질 수 있다. 하이백에는 TPS, Brake 등의 신호를 받아 운전자의 특성을 판단하여 현재 운전자가 원 하는 주행기능을 갖추고 있다. 엔진 부하도와 타이어 부하도의 최대치를 학습하여 그 크기 와 비율로 운전자의 활발도를 판단한다.

282 278 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 학습제어 운전자 활발정도 판단 Accel 개도 타이어 부하 차 속 운전자의 기호, 습성판단 입 력 정 보 엔진 부하 비교 판단 최적의 변속단 Brake 그림 6-92 학습제어 개념도 학습의 목적 자동변속기의 양산편차(유압, 클러치 유격 등)에 의한 영향을 최소화하여 변속감 향상과 일정한 변속감의 유지와 주행거리 증가에 의한 내구력의 저하를 방지하기 위한 일종의 자동 변속기 길들이기이다. 학습이 필요한 경우 1 출고 초기 차량에서 변속 충격 또는 슬립 발생 시 2 정비 시 배터리 리셋 등의 작업으로 학습 Data가 초기화 된 후 변속 충격 또는 슬립 발생 시 3 TCU 리프로그램 이후 변속 충격 또는 슬립 발생 시 기술적 배경 자동 변속기의 학습이라는 것은 아래 그림과 같이 하한 또는 상한 사이의 유압을 Base 유압으로 수렴하는 과정을 말한다. 자동 변속기 작동 유압이 Base에 근접할수록 학습이 쉬우며 충격의 강도 또한 약하다. 유압이 높을 때 : 변속 충격이 크다 유압이 낮을 때 : 작동요소가 슬립, 변속이 늦게 되거나 연결이 부분적으로 되어 울렁거림

283 6.11 하이백제어(Hyundai Intelligent Vehicle Electronic Control) 279 上 限 유압(5.9bar) - TIE UP 충격 BASE 유압(5.1bar) - 정상 下 限 유압(4.3bar) - FLARE 충격 그림 6-93 유압 상하한선 하이백 제어의 종류 및 기능 (1) 내리막 Down shift 기능 1 기능 내리막길 주행 시 적당한 엔진 브레이크를 작동시키기 위해 Shift down하는 기능 2 제어 도로 기울기, 제동력, 차속 등을 신경망에 의해 종합적으로 연산한 엔진 브레이크 필요에 따라 Down shift 여부를 판정한다. (2) 내리막 Down shift 학습 기능 1 기능 내리막길 주행 시 운전자 성향에 맞는 Down shift가 되도록 작동 조건을 학습하는 기능 2 제어 Throttle 조작과 브레이크 조작으로부터 엔진 브레이크의 과부족을 판정해서 운전자 성향 에 맞는 Down shift 조건을 학습

284 280 제6장 자동변속기(Auto Transmission) ENG BRAKE를 좋아하는 운전자 4속 3속 2속 3속 4속 평균적인 운전자 4속 3속 4속 ENG BRAKE를 좋아하지 않는 운전자 4속 그림 6-94 하이백 제어 (3) Sporty도에 따른 Shift patten 연속 변환기능 1 기능 운전자 성향(Sporty도)에 맞도록 Shift patten을 연속적으로 변환하는 기능 2 제어 엔진 성능과 타이어 성능의 한계에 대하여, 그 정도의 주행상태에 있는가를 구하는 Sporty에 의거 Up shift선을 저속 측에서 고속 측으로 연속적으로 이동함. 스 로 틀 Sporty도(운전성향) CALM SPORTY calm : 정숙모드 개 도 차속 그림 6-95 운전성향 (4) 오르막길에서의 불필요한 Up shift 방지 기능 1 기능 오르막 주행 시 Lift foot에 따른 불필요한 Up shift를 방지하고 구동력을 확보 하는 기능 2 제어 구배에 따라 Up shift선을 저속 측에서 고속 측으로 연속적으로 이동하는 것에 따라 불필 요한 Up shift를 방지

285 6.11 하이백제어(Hyundai Intelligent Vehicle Electronic Control) 281 Coner 탈출시 구동력 Delay of upshift Lift foot up에 따른 Up shift를 방지 그림 6-96 하이백 기능 하이백 제어 금지 구간 표 6-4 하이백 제어 금지 구간 NO 금 지 조 건 1 유온이 40 이하인 경우 2 표준 패턴(Standard Pattern) 이외의 경우(변속패턴 참조) ㆍ인히비터 스위치(Inhibitor switch)신호가 P", "R", "N", "L"인 경우 ㆍ극 저온 Mode인 경우 ㆍ유온제어 가변 변속 패턴(Shift Pattern)인 경우 3 Fail safe인 경우 4 HIVEC 제어 금지인 경우 ㆍTPS의 쇼트(Code No.1702)인 경우 ㆍTPS의 단선(Code No.1701)인 경우 ㆍ유온센서의 단선(Code No.1712)인 경우 ㆍ브레이크 스위치의 쇼트(Code No.0703)인 경우 ㆍ통신 배선의 단선(Code No.1749)인 경우 IG Key off시까지 HIVEC 제어를 금지한다. 5 TCU가 고장일 경우(엔진 경고등 점등) 6 IG Key on 후 처음으로 브레이크 스위치가 On Off로 될 때까지 기간 동안

286 282 제6장 자동변속기(Auto Transmission) 하이백제어 시스템 제어 특징 (1) 변속 시 결합, 고정요소를 풀고 다른 결합, 고정요소를 동시에 개별 제어하므로 응답 성이 양호한 변속과 Run-up, Clutch inter lock 현상을 방지한다. (2) 각 클러치(Clutch)에 솔레노이드 밸브를 적용함으로써 킥 다운 시 또는 하이백 제어 에 의한 스킵 시프트(Skip Shift)가 가능하다. (예 : 킥 다운때 4단 2단 또는, 3단 1단으로 중간 변속단을 거치지 않고 이를 뛰어넘는 변속을 가능케 함으로써 변속시간을 단축, 주행 가속성능 향상) (3) 각 변속단으로 변속 시 변속기 입력축의 속도변화(터빈 회전속도)를 미리 설정된 목 표 변화치에 일치하도록 솔레노이드 밸브의 듀티율을 피드백 제어한다. 이에 따라 변속 중에 토오크(Torque) 변화를 이상적으로 제어하는 것이 가능하여 변속감 (Shift feeling)을 향상 (4) 엔진 또는 자동변속기의 노후에 따른 성능 변화에 대해서도 자동적으로 보정함으로써 변속감(Shift feeling) 안정 (5) N D, N R 때에도 피드백 제어를 적용 정숙한 변속 실현 (6) TCU는 차속, 기어 변속단, 엔진 토크 등의 여러 가지 상황을 판단해 Up shift시 가 장 적절한 점화시기 지각량을 엔진 ECU에 요구하여 엔진 토크를 낮춘다. (7) 변속 중 토크 변화가 적도록 하여 부드러운 변속 실현

287 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable Transmission) 연속적으로 변속을 수행하는 변속기이다. 변속의 형태를 자동변속기와 비교해보면 자동변 속기는 고정 변속단이 설정되어 있고, 각 변속단간의 기어비 이동을 주행상황에 맞추어 자 동적으로 이루어진다. 즉, 고정 변속단이 설정되어 있으므로 디지털 방식이라 할 수 있다. 반면 무단변속기는 기어변속을 아나로그와 같이 미리 설정 되어진 변속단이 없이 저속에서 고속으로 고속에서 저속으로 연속적으로 변속을 한다. 초기의 금속 벨트식 CVT의 발진부는 단판 및 다판 클러치 또는 전자 클러치를 사용하였 으나, 요즈음은 초기 발진감을 자동변속기와 동일하게 하기 위하여 토크 컨버트를 적용하고 있다. 하지만 CVT는 자동변속기와 달리 저속에서 댐퍼 클러치(Damper clutch)를 결합시 키는 것이 가능하여 연비를 향상시킬 수 있으며 저속 시 직결 작동압을 미세 제어함으로서 쇼크 없이 운행이 가능하다. 오일 펌프 전ᆞ후진 변환 기구 전지 마그네틱 파우더 클러치 기관 구동축 입력축 풀리 출력축 풀리 중간축 스틸 벨트 액슬축 토크컨버터 타입 전자클러치 타입 그림 7-1 무단변속기 CVT의 종류인 자동차용 무단변속기는 이제까지 여러 종류의 형식이 발표되었지만, 많은 종류가 기존의 변속기와 비교하여 한 가지 또는 그 이상의 단점, 예를 들면 소음(Noise),

288 284 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable ransmission) 효율(Efficiency), 내구성(Durability), 중량(Weight), 탑재성(Packaging), 제작원가 (Production cost), 제어의 용의성(Ease of control) 등으로 인하여 승용차에 적용하여 양 산 하는데 실패하였다. 현재 자동차용으로 양산에 성공한 방식은 벨트 구동과 트랙션 구동 방식의 두 종류에 불가한 실정이며 벨트 구동방식이 많이 적용되고 있다. 7.1 CVT 구성요소 동력 전달부 1. 토오크 컨버터 2. 입력 축 3. 댐퍼 클러치 2 오일펌프와 밸브바디 4. 오일펌프 5. 오일펌프 드리븐 체인 중립 및 전 후진 장치부 포워드 클러치 7. 리버스 브레이크 8. 유성기어셋 9. 1차 축(고정시이브) 10. 1차 풀리(가변시이브) 11. 2차 축 12. 2차 풀리 13. 스틸벨트 출력축(차동장치) 14. 파킹 기어 15. 아이들 기어 16. 디퍼런셜 기어 16 그림 7-2 CVT 구성부품 무단변속기의 구성요소는 크게 5 개의 부분으로 나눌 수 있다. 1. 엔진의 동력을 변속기로 전달하는 동력 전달부 - 토크 컨버터, 입력 축, 댐퍼 클러치 2. 중립과 전후진을 선택할 수 있는 중립과 전 후진 장치부 - 포워드 클러치, 리버스 브레이크, 유성기어세트, 1차 축(고정 쉬이브 Fixed sheave) 1차 풀리(가변 쉬이브 Movable sheave), 2차 축, 2차 풀리, 스틸벨트

289 7.2 시스템 구성 기어비가 제어되는 변속부 4. 변속부에서 출력된 동력을 바퀴로 전달하는 차동장치부 - 파킹기어, 아이들 기어, 디퍼런셜 기어 5. 유압을 제어하는 밸브바디와 오일펌프 - 오일펌프, 오일펌프 드리븐 체인 7.2 시스템 구성 시스템의 구성은 입력부, 제어부, 출력부로 구성되며, 입출력 구성도는 다음과 같다. PCM(Power train Control Module)을 작동시키기 위해 작동 전원이 있고, 입력부분과 출력부분으로 구성되어 있다. 변속레버스위치 스포츠 모드 스위치[A/M, UP, DOWN] 스로틀 포지션 센서 엔진 회전수 센서 입력 속도센서 프라이머리 속도 센서 출력 속도 센서 프라이머리 압력 센서 세컨드리 압력 센서 유온센서 브레이크 스위치 A/CTMDNLCL ABS작동시 배터리 전원[ON/OFF,A/T릴레이,BACK UP] P C M 기아 단수 표시창 라인 프레셔 컨트롤 솔레노이드 밸브 클러치 컨트롤 솔레노이드 밸브 시프트 컨트롤 솔레노이드 밸브 댐퍼 클러치 컨트롤 솔레노이드 밸브 A/T 컨트롤 릴레이 자기 진단 센서 작동전원 (TPS, 1/2차 압력센서, 유온센서) 접지 그림 7-3 입출력 구성도 7.3 CVT의 특징 1) 변속단이 없으므로 변속 충격이 없다. 설정된 변속단이 없이 연속적으로 변속이 일어 나므로 변속 시 토크변화도 연속적으로 변한다. 따라서 불연속적인 변속단에서 발생하 는 큰 토크 변동이 없어 변속 충격을 느끼지 못한다. 2) A/T 대비 연비가 우수하다. 기존의 자동변속기는 댐퍼작동구간을 변속기의 충격이나 내구성 변속 시 엔진의 토크 저감 문제로 제한을 두었지만 CVT는 중간에 끊어지는

290 286 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable ransmission) 변속이 없어 록업구간을 기존 자동변속기 보다 많은 영역을 가질 수 있고 최소 연비곡 선을 따라 이동 제어가 가능하여 연비 향상을 시킬 수 있다. 3) 가속성능이 우수하다. 무단변속기는 변속이 연속적으로 이루어지기 때문에 엔진의 속 도를 일정하게 유지하면서 변속할 수 있어 운전자의 성향에 따른 필요한 구동력 구간 에서 운전이 가능하다. AT/CVT Car driving performance diagram 엔 진 회 전 수 A/T1 CVT A/T2속 A/T3속 A/T4속 D r i v i n g F o r c e 1st 2nd 4 speed AT 3rd CVT High light merit of CVT 4th 시간(차속) Speed 그림 7-4 CVT 특성 위의 좌측 그림은 자동변속기와 무단변속기의 업시프트 시 엔진회전수 변화를 나타낸 것 이다. 자동변속기는 업시프트 시 변속 초기마다 엔진회전수가 하강하며 엔진회전수는 변속 전 회전수(떨어지기 직전의 회전수로)가 회복되기 까지는 연료의 추가적인 동력손실로 나타 나며 이 구간에서 연료소비가 증대 되는 것이다. 수동변속기 또한 동일 현상이 발생된다. 무단변속기에서는 이러한 단점을 보완하여 전자 제어장치인 컨트롤 모듈 PCM을 통하여 여러 개의 센서신호를 입력받아 순간순간의 엔진 토크를 제어하므로 가속 성능이 우수하다. 우측 그림에서는 차속과 엔진의 구동력을 나타낸 그림인데 저단에서는 기어비가 크기 때 문에 엔진의 구동력은 크고 고속일수록 구동력은 떨어지게 된다. 수동변속기나 자동변속기는 구동력이 각 변속단에 따라 크게 변화함을 알 수 있다. 즉 일 정한 커브를 그리지 않고 떨어진다. 그러나 무단변속기는 일정한 커브를 그리며 떨어짐을 알 수 있다. 또한 동일 변속단 이라도 속도가 증가하면 구동력은 서서히 감소함을 보인다. 수동변속기나 자동변속기에서 추월하거나 급가속을 할 경우에는 변속단을 저단으로 떨어뜨 려 구동력을 만회시킨 다음 변속하여야만 원활한 가속성능을 발휘할 수 있다. 7.4 변속방식 변속방식으로 무단변속기를 분류하면 다음과 같다.

291 7.4 변속방식 287 (1) 벨트방식(고무벨트, 스틸벨트, 체인) 변속장치인 풀리는 구동풀리, 종동풀리로 구성되어 있고 벨트에 의하여 동력이 전달된다. 먼저 구동풀리는 고정 쉬이브와 유압실을 갖는 가변 쉬이브로 구성된다. 가변 쉬이브의 유 압실은 고압에 견디도록 설계된 오일씰, 피스톤 및 실린더로 구성된다. 구동풀리에는 변속비 제어압에 의하여 벨트와 풀리의 접촉반경이 변화되어 변속되고 종동풀리의 유압실에는 라인 압이 작용되고 고속회전에서도 제어성능을 향상시키도록 유압실에 연동하여 작동하는 벨런 스 챔버가 설치되어 원심유압을 상쇠 시키는 구조로 되어 있다. Primary pulley 구동축 Primary pulley Secondary pulley Secondary pulley 종동축 Push belt 저속 변속 Push belt 고속 변속 그림 7-5 CVT 변속 개념 2) 토로이달 방식(Toroidal Type) 트랙션 구동방식이라고도 하며, 후륜구동에 많이 적용된다. 또한 넓은 변속 범위에 적용되 고 정숙성이 뛰어나다. 큰 출력, 높은 강성이 필요하며 변속기의 무게가 크고 슬립방지를 위 한 특수한 오일이 사용된다. 트랙션 구동의 의미는 탄성유막을 통하여 금속의 전동체를 이 용한 동력전달을 말한다. 기본적인 구조는 입력 디스크와 출력 디스크에 롤러를 이용하고, 압력에 의해 위상의 변화를 주어 접촉 유효반경의 변화에 의하여 변속된다. 토로이달 트랙 션 구동방식의 종류에는 On 센터 타입(Full Toroidal)과 Off 센터 타입(Half Toroidal)으 로 나누어진다. 아래의 그림은 토로이달 방식(Off 센터 타입)의 저속 및 고속시의 구조이다. 이 방식은 엔진에 연결된 원뿔 모양의 디스크를 대칭으로 설치하고 그사이에 롤러를 설치하여 그 위상 변화를 이용하여 변속하는 방식이다.

292 288 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable ransmission) Roller Roller Input R in R out Output Input R in R out Output Input disk Output disk Input dist Output disk Toroidal type의 저속 변속 Toroidal type의 고속 변속 저속 엔진 고속 엔진 그림 7-6 OFF 센터 타입 Traction roller R out R in Ouput Input Input Toroidal disk Output toroidal disk 그림 7-7 Off 센터 타입(Full Toroidal) 개념도

293 7.5 1차 풀리 차 풀리 1차 풀리를 구동풀리라 한다. 1차 풀리의 역할은 구동 중 변속비를 제어한다. 예를 들어, 저단으로 운행 중인 차량을 고속으로 변속하기 위해서는 1차 풀리의 유압실에 유압을 증가시켜 벨트 측면에 압력을 가하여 1차 풀리와 2차 풀리에서 벨트를 측면에서 누 르는 힘이 1차 풀리가 커지면서 고속으로 변속된다. 1차 풀리는 이동 쉬이브와 가변 쉬이브 로 구성되어 있으며 가변 쉬이브(Sheave)에는 축 방향을 가변될 수 있도록 볼 스플라인에 120도 간격으로 설치된 3개의 홀에 총 9개가 설치되어 있으며 이동 쉬이브와 고정 쉬이브 가 회전방향을 일정하게 한다. 고정 쉬이브에는 유성기어의 캐리어와 직결되도록 가공되어 있다. 유압실 유압실 풀리 벨트 [1차 풀리 단면도] [1차 풀리 단품분해도] 풀리 그림 7-8 1차 풀리 7.6 2차 풀리 2차 풀리는 벨트가 슬립하지 않도록 유압이 제어된다. 내부구조는 1차 풀리와 유사하지만 역할은 다르다. 1차 풀리가 변속비 제어가 주 역할이었다면 2차 풀리는 장력을 제어하여 벨 트가 슬립하지 않도록 한다. 피스톤 유압실 내부에는 리턴스프링이 있어 유압이 최소 유압 일 때 이동 쉬이브 축 방향이동을 제한한다. 유압실에 작용하는 유압은 정압요소와 피스톤 회전에 의해 발생되는 원심 유압요소로 구분 된다. 2차 풀리가 고속 회전하게 되면 원심유 압은 벨트의 정밀제어에 영향을 미치므로 원심유압을 상쇠 시키기 위하여 반대방향의 원심 유압을 발생시키는 유압실이 설치되어 있다.

294 290 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable ransmission) 유압실 유압실 풀리커버 풀리 풀리커버 [2차 풀리 단면도] [2차 풀리 분해도] 그림 7-9 2차 풀리 7.7 CVT용 벨트 구조 벨트-풀리식 무단변속 시스템은 가변 쉬이브(Movable sheave)와 고정 쉬이브(Fixed Sheave)로 이루어진 두 쌍의 풀리에 V-벨트가 끼워져 구동 되는 구조로, 가변 쉬이브의 축 방향 이동에 따라 벨트와 풀리와의 유효 접촉반경의 변화로 변하는 변속장치를 말한다. 이러한 벨트-풀리 변속 시스템에 이용되고 있는 벨트에는 고무벨트, 금속체인 및 금속벨트 등이 있으며, 이들 중에 가장 널리 사용되고 있는 것은 네덜란드 VDT사에서 개발한 금속벨 트이다. 벨트는 금속의 조합으로 이루어져, 고무벨트보다 강도가 매우 높다. 금속벨트는 강철 밴드 상에 금속불럭을 배열한 형상을 가지고 있다. 강철밴드는 원주길이가 조금씩 다른 두께 0.2mm의 밴드를 10~14 개 겹쳐 큰 인장강도를 가지면서 유연성이 크도록 하였다. 평균두 께 3mm인 금속 블럭은 핀과 구멍을 가진 구조로 벤드 위에서 서로 힌지점을 갖고 밴드와 함께 굽혀질 수 있다. 금속 V벨트는 동력 전달에 있어 다음을 가정한다. 1. 금속 블럭과 밴드의 모임은 연속적인 벨트로 가정한다. 2. 금속 블럭과 밴드 사이의 마찰력은 무시한다. 3. 운전 중 밴드 길이는 일정하다. 4. 블럭과 블럭 사이의 전접촉각은 비활동 구간과 활동 구간으로 나뉘어지고 비활동 구 간에서 블럭의 압축력은 일정하다 5. 풀리와 블럭 사이의 윤활유에 의한 유막을 형성한다.

295 7.8 변속부 291 벨트 고정 시이브 F 가변 시이브 [벨트의 이동방향] [금속벨트의 외관] 그림 7-10 CVT용 벨트 기능은 1. 1차 풀리에서 2차 풀리로 동력을 전달한다. 2. 벨트 길이가 변하지 않도록 한다. 3. 1, 2차 풀리의 이동 쉬이브에 유압이 가해져 벨트를 누르는 힘이 상대측 풀리의 힘보 다 크게 되면 벨트의 접촉면은 풀리의 접촉면에서 이동되게 한다. 7.8 변속부 1차 풀리와 2차 풀리는 금속벨트로 구성되어진다. 유압을 제어하여 1, 2차 풀리의 간격을 변경하면 벨트의 접촉반경이 변하게 된다. 풀리와 벨트의 접촉반경에 따라 변속비가 구성된 다. 1차 풀리와 2차 풀리는 벨트로 연결하여 동력을 전달하며 풀리는 벨트와 풀리가 접촉하 는 지름을 가변시킬 수 있다. 풀리의 직경변화는 1차 풀리 피스톤과 2차 풀리 피스톤에 의 해 변경될 수 있도록 하였다. 그림 7-11에서 보면 1차 풀리와 2차 풀리는 모두 고정 쉬이 브와 가변 쉬이브로 구성되어 있다. 고정 쉬이브와 가변 쉬이브 사이에는 볼 스플라인을 사 용하여 축 방향 이동은 자유스럽고 회전방향은 제한된다. 변속 시 1차 풀리와 2차 풀리의 축과 벨트의 길이가 고정된 조건이라면, 1차 풀리와 2차 풀리에 유압이 변화되면서 이동 쉬 이브가 고정 쉬이브의 축 방향으로 이동하면 접촉반경이 바뀌고 결국 풀리의 변속비가 변하 게 된다.

296 292 제7장 무단변속기(CVT : Continuously Variable ransmission) 유압실 1차 풀리 1차 풀리 벨트 2차 풀리 유압실 2차 풀리 [변속장치] 그림 7-11 변속부 저속 시 동력전달 1차 풀리의 유압이 적어지게 되면 2차 풀리의 접촉반경이 적어지면서 변속비는 커지고 구동력 또한 커지게 된다. 저속 변속비 2.3:1 837kg/접촉면적 1차 풀리 R1 1차 풀리 압 R2 2차 풀리 라인 압 1143kg/접촉면적 그림 7-12 저속 시 동력전달 고속 시 동력전달 1차 풀리의 유압이 커지게 되면 2차 풀리의 접촉반경이 적어지면서 변속비는 적어지고 구동력 또한 적어지게 된다. 입출력 상호 풀리의 홈 폭을 유압제어에 의해 변화시켜 서로의 유효반지름을 변화시킨다. 가속 시나 고부하시 변속비를 크게 하여 강력한 구동력을 얻고 싶을 때에는 입력축 풀리의 홈 폭을 넓게 하여 유효반지름(Y1)을 작게함과 동시에 출력축 풀리의 홈 폭을 좁게 하여

297 7.8 변속부 293 유효반지름(Y2)을 크게 한다. 그 결과 변속비(Y2/Y1)는 크게 되어 저단 상태로 된다. 반대로 부분 부하 등 변속비를 작게 하고 싶을 때는 입력축 풀리의 홈 폭을 좁히고 출력 축 풀리의 홈 폭을 넓힌다. 그 결과 변속비는 작게 되어 고단 상태로 된다. 따라서 이 풀리 홈 폭의 변화를 무단계로 함으로써 변속비를 저단에서 고단까지 연속적으 로 얻을 수 있다. 고속시 변속비 0.47:1 3800kg/접촉면적 1차 풀리 R1 쉬프트 압 2차 풀리 R2 라인 압 1900kg/접촉면적 그림 7-13 고속 시 동력전달

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299 제8장 4륜구동장치 (4WD : Four Wheel Drive) 4륜구동방식은 비포장도로 또는 도로가 아닌 곳 즉, 들판이나 산악지역을 주행하는 특수 목적의 자동차에 주로 적용되었으나 최근에는 승용자동차에서도 경량화와 고출력화됨에 따 라 전륜구동 또는 후륜구동에서 구동륜의 슬립과 주행안정성 저하가 발생하여 4륜구동장치 의 적용이 늘어나는 추세이다. 4륜구동은 상시구동식과 필요시에만 4륜구동이 되는 방식인 선택구동식으로 구분한다. 조작에 있어서는 기계식과 전자제어식이 있으며, 본장에서는 전기 식 및 전자제어식의 제어부분만을 다룬다. 엔진의 구동력을 전, 후륜 차축으로 구동력을 적절히 배분하여 4륜구동이 가능하게 하는 장치를 트랜스퍼 케이스라고 한다. 그림 8-1 4륜구동장치 예

300 296 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) 후 륜 출 력 전륜출력축 전 륜 출 력 축 후 륜 출 력 그림 8-2 4륜구동 트랜스퍼 케이스 8.1 4륜구동장치 구분 선택 치합식(Part time 4WD) (1) 수동식(Manual free wheel hub) 1 차량의 외부(바깥쪽)에서 앞바퀴 허브에 있는 LOCK/FREE 다이얼을 돌려 드라이브 샤프트와 허브 록이 연결/해지됨 2 4WD 2WD 전환은 차량정지 상태에서 전환해야함 3 적용차량 : 구형 겔로퍼, 구형 코란도, 록스타 (2) 기계식(Cam type free wheel hub) 1 40km/h 이하에서 주행 중 2WD 4WD 전환이 가능 2 4WD 2WD 전환 시는 차량정지 후 뒤로 1~2m 주행하여야 전환이 가능함 3 적용차량 : 스포티지, 겔로퍼, 코란도 (3) 진공식(Vacuum type auto free wheel hub) 1 2WD 4WD 전환은 솔레노이드밸브를 On시켜 휠 엔드부의 프리휠 허브가 진공상태 로 되어 4륜구동이 됨 2 4WD 2WD 전환은 솔레노이드밸브를 OFF시켜 휠 엔드부의 진공라인에 대기압이 작용하여 4WD가 해제됨 3 적용차량 : 스타렉스

301 8.1 4륜구동장치 구분 297 (4) 전기식 트랜스퍼(EST, ESOF) 1 구동모드로는 2H, 4H, 4L이 있으며 주행 중 80km/h이하에서 2WD 4WD 절환이 가능하며 4WD(4H) 4WD(4L)로 절환 시는 반드시 차량 정차 후 절환이 필요함 2 적용차량 : 테라칸, 쏘렌토 참고 EST: Electric Shift Transfer, ESOF : Electric Shift On Fly 상시 4륜식(Full Time 4WD) (1) 토크분배 고정식(Center diff. + Viscous) 1 별도의 4WD 절환이 필요없이 상시 4WD로 작동 2 적용차량 : 싼타모, 싼타페, 무쏘 (2) 전자제어식 트랜스퍼(ATT, TOD) 1 구동모드로는 AUTO / LOW가 있으며 전, 후륜 구동력을 각종 노면조건에 대응하여 주행이 가능하다. AUTO LOW로 절환 시는 반드시 차량 정차 후 절환이 필요함 2 적용차량 : 테라칸, 쏘렌토 참고 ATT : Active Torque Transfer, TOD : Torque On Demand (3) 능동형 토크제어식(ITM : Inter Active Torque Management) 각 센서들의 데이터를 실시간으로 받아서 ECU로 하여금 4WD 커플링 내부에 장착 된 마 그네틱클러치를 듀티 제어하여 노면조건 및 주행상황에 따라 전 후륜 구동력을 가변 배분 한다. 이로써 주행 시 발생될 수 있는 다양한 상황에서 최상의 주행성능을 발휘한다. 또한 전 후륜의 회전차로 인해 일반적인 4WD 장착 차종에서 선회시나 주행 시 발생되던 타이 트 코너 브레이킹(Tight corner braking)현상과 드라이브 와인드업(Drive wind up)현상 등을 효과적으로 대응할 수 있게 만든 것이 특징이다. 파트타임 4WD는 2륜구동(2H), 고속 4륜(4H), 저속 4륜(4L)으로 스위치가 구분돼 있 다. 평소에는 2륜으로 운행하다 눈길이나 오프로드같이 필요할 때만 수동으로 4륜으로 작동 시켜 사용한다. 파트타임 방식은 평상시 2륜으로 구동하기 때문에 연비 절감에 유리하지만 운전자 판단에 의해 직접 조작해야 하므로 편의성이 조금 떨어지는 단점이 있다. TOD는 고속 4륜(4H)과 저속 4륜(4L) 버튼이 있는 항시 4륜구동 시스템이다. 평소에는 4H 모드로 거의 2륜과 같이 운행하다 도로 조건에 따라 전 후륜에 구동력이 자동 배분된 다. 상시 4륜구동으로 인해 우수한 접지력을 확보할 수 있지만 2륜구동에 비해 연비 측면이 다소 불리한 단점이 있다. TOD와 달리 항상 전 후륜 4대 6의 엔진 구동력 배분이 이뤄지는 AWD(All Wheel Drive)4륜구동도 있다.

302 298 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) 전기식 및 전자제어식 4WD 비교 구동방식 항목 구동모드 구동상태 사용조건 2H 2WD, 후륜구동 일반도로 주행 시 사용 비포장로(Off road), 눈길, 빗길, 미끄러지기 구동 모드 4H 4WD HIGH 쉬운 노면에서 사용 포장로에서 저속선회 시 TCB 현상에 의한 진동, 소음발생 전기식 트랜스퍼 (EST) 4L 4WD LOW 2WD 2H 4H 4WD 험로탈출, 견인 시와 같이 최대구동력이 필 요한 조건에서 사용 주행 중 80km/h이하에서 2WD 4WD 절환 가능 반드시 정차 후 절환필요 절환시 4WD(H) - MT차량 : 클러치 페달을 밟은 상태에서 스위 치 절환 4H 4L - AT차량 : 변속레버를 N 위치로 변속 후 스 4WD(L) 위치 절환 4L 모드가 있는 모든 차량은 정차후 절환 함 일반도로 및 비포장로(Off road), 눈길, 빗길, 구동 모드 AUTO 2WD 4WD 미끄러지기 쉬운 노면 등, 각종 노면조건에 서 사용 전, 후륜 간 회전력차이를 다판 클러치를 이용하여 전자제어 함으로써 각종 노면조건 에 대응하여 주행가능 전자 제어식 트랜스퍼 (ATT) LOW 4WD LOW 험로탈출, 견인 시와 같이 최대 구동력이 필요한 조건에서 사용 전기식 트랜스퍼의 4L모드와 동일 반드시 정차 후 절환필요 - MT차량 : 클러치 페달을 밟은 상태에서 스위 AUTO 4WD(H) 치 절환 절환시 - AT차량 : 변속레버를 N 위치로 변속 후 스 LOW 4WD(L) 위치 절환 4L 모드가 있는 모든 차량은 정차 후 절환 함 참고 TCB(Tight Corner Braking) : 포장로에서 저속 풀턴 선회주행 시 멈칫 멈칫거 리며 차량의 울컥거림과 이음이 발생하는 현상

303 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 전기식 트랜스퍼(EST) EST 4WD는 운전자의 선택에 의해 2륜구동과 4륜구동이 이루어지며 4륜구동 시는 고 속주행이 가능한 4H 모드와 저속주행을 위한 4L 모드가 있다. 전 후륜의 구동력은 4H 모 드나 4L 모드에서 모두 50:50으로 고정된 구동력으로 전달된다. EST 4WD 구성은 크게 시스템제어 부분과 시스템제어에 따라 구동력을 전달하는 기구학 적 메카니즘의 두 부분으로 나누어진다. (1) 시스템제어 부분 TCCU(Transfer Case Control Unit)를 중심으로 각종 센서 및 스위치 신호를 입력받아 운전자가 선택한 주행모드로 시프트 모터를 작동시킨다. (2) 기구학적 메카니즘 부분 모드선택 스위치의 4H 선택 시는 직결, 4L 선택 시는 유성기어세트에 의한 지정된 감 속이 이루어지며 전륜으로의 출력은 트랜스퍼 케이스내의 구동체인에 의해 동력이 전달된 다. 모드스위치 조작에 의해 주행 중(Shift on the fly)에 2H/4H 변속이 손쉽게 이루어지며 시스템 고장발생 시 경고등을 점등시켜 운전자에게 알려 준다. D1AGNOST1C EST System 구성 INDICATOR-4H.4I. 4H 4L 2H 스위치 "N" ECU Output Input FRRD 펌프 EMC 모터 그림 8-3 EST 시스템 구성

304 300 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) 시스템 구성 입력부 전원 제어부 출력부 Shift motor Motor Position Sensor Position 1 Position 2 Position 3 Position 4 2H-4H-4L switch T C C U EMC 4L 지시등 4H 지시등 K-Line A/T "N" 신호 Clutch interlock switch FRRD 에어펌프 / CADS 솔레노이드밸브 Speed sensor 4L 신호 그림 8-4 시스템 제어도 (1) 입력부 입력부는 전원과 센서 및 스위치 신호로 구성되어 있다. 센서 및 스위치로는 MPS(Motor Position Sensor), 스피드센서, 모드선택 스위치, 클러치, 인터록 스위치가 있으며, 자동변 속기의 경우는 중립신호를 TCCS(Transfer Case Control System) 릴레이로 부터 받는다. 1 MPS(Motor Position Sensor) 시프트 모터의 회전방향과 위치를 ENCODER에 의한 4개의 스위치신호를 이용하여 시프 트 모터의 작동상태를 TCCU에 피드백 시켜주는 센서이다. 영구자석 TCCU 워엄기어 5V 전기자 5V 5V 5V 캠판 MPS 접점판 그림 8-5 MPS 및 회로 2 모드선택스위치 운전자의 의지에 따라 2WD, 4WD HIGH, 4WD LOW의 선택여부를 TCCU에 입력한다.

305 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 301 a 2H 모드 : 리어휠 구동모드 b 4H 모드 : 주행 중에 2WD에서 4WD로 변환이 가능하며 차속 80km/h 이내에서 선택 한다. 변속이 완전히 종료되면 4WD HIGH Lamp를 점등한다. c 4L 모드 : 차속 3km/h이내의 속도에서 변환이 가능하며 AT차량의 경우 N 위치, MT차량의 경우는 클러치 스위치 On 시 변환된다. 변속이 완전히 종료되면 4WD LOW Lamp를 점등한다. 그림 8-6 모드스위치 3 자동변속기 N 신호와 클러치 인터록스위치 TCCS 릴레이는 A/T 차량에만 장착되어 있으며 4H 모드에서 4L 모드로 변환할 때 변속 레버가 N 위치에 있을 경우에만 릴레이가 작동하여 4L 모드로의 변환이 가능하다. M/T차 량의 경우에는 TCCS 릴레이가 없고 클러치 인터록스위치가 같은 역할을 수행한다. 4 스피드센서 펄스제너레이터 타입이며 트랜스퍼 케이스 하우징에 설치되어 있다. TCCU는 이 센서를 이용하여 출력축 속도를 검출하며 4WD LOW 작동시 3km/h이하에 서만 작동이 되도록 한다. [4L 모드] [4H 모드] 그림 8-7 스피드센서 출력파형

306 302 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) (2) 출력부 1 시프트 모터 DC MOTOR로써 TCCU에 의해 제어되며 모드선택 스위치의 조작에 따라 모터가 회전하 여 시프트 샤프트와 시프트 캠을 거쳐 리덕션 포크와 록업 포크를 제어하여 4WD를 변화시 킨다. 모터 내부에는 모터의 위치를 TCCU로 피드백하기 위한 MPS가 있으며 모드선택위치 와 상이한 위치신호가 TCCU로 입력되면 경고등을 점등시키고 페일코드를 저장한다. 워엄기어 영구자석 전기자 구동점 4L 4H 2H 캠판 MPS 접점판 TCCU TCCU 12V M - 12V M + [2H 4H 4L] [4L 4H 2H] 그림 8-8 시프트 모터(MPS 내장) 및 작동회로 2 EMC(Electric Magnet Clutch) 4WD HIGH 모드에서 작동하며 TCCU에 의해 EMC COIL에 전류가 흐르게 되면 코일이 자화되어 록업 허브를 잡아당기게 된다. 그러면 구동력이 출력축 스플라인을 통해 드라이브 기어로 전달된다.

307 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 303 TCCU 4 EMC COIL 그림 8-9 EMC 외관 및 작동 회로 3 4WD HIGH, LOW 지시등 지시등은 4WD HIGH와 4WD LOW 램프가 계기판에 장착되어 있다. 운전자의 모드선택에 따라 점등 및 소등이 되며 시스템 고장 시는 4WD HIGH와 4WD LOW 램프를 동시에 점등시켜 운전자에게 알려 준다 동력전달경로 동력전달계의 구성은 변속기, 트랜스퍼 케이스, 프론트 & 리어 프로펠러 샤프트, 프론트 & 리어 액슬로 구성되어 있다. [2륜구동 동력전달경로] 변속기 트랜스퍼 케이스 리어 프로펠러 샤프트 리어 액슬 리어 휠 [4륜구동 동력전달경로] 변속기 트랜스퍼 케이스 리어 프로펠러 샤프트 리어 액슬 리어 휠 프론트 프로펠러 샤프트 프론트 액슬 프론트 휠 (1) 2WD 작동 시(2H 모드) 구동력은 트랜스퍼가 직결되어 일반 FR구동차량과 동일하게 리어 휠로만 전달된다. 2H 모드는 일반도로 주행 시 사용하는 모드로써 트랜스퍼가 1:1로 직결되어 구동력은 후륜으로 만 전달된다.

308 304 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) 주) 작동요소 동력흐름 전달계통 모드선택스위치 (2H) TCCU 변속기 출력축 시프트 모터 시프트캠, 레일, 포크 유성기어세트 마그네틱 클러치 체인 및 프론트 샤프트 메인 샤프트 FRRD 또는 CADS 프론트 프로펠러 샤프트(전륜) 리어 프로펠러 샤프트(후륜) 구동력 그림 WD 작동 시(2H 모드) (2) 4WD HIGH 작동 시(4H 모드) 구동력은 트랜스퍼 4WD HIGH 작동부를 경유하여 전/후륜으로 50 : 50으로 배분된다.

309 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 305 운전자에 의해 4H 모드가 선택되면 TCCU는 EMC와 시프트 모터를 순차적으로 작동시키 고 FRRD나 CADS에 전원을 공급한다. 이 때 트랜스퍼 케이스 내부의 기구학적 메카니즘의 동력전달을 살펴보면 시프트 모터 시프트 캠 록업 포크 록업 허브 드라이브 기 어 체인 전륜 프로펠러 샤프트로 동력이 전달된다. 모드선택스위치 (2H 4H) TCCU 변속기 출력축 시프트 모터 시프트캠, 레일, 포크 유성기어세트 마그네틱 클러치 체인 및 프론트 샤프트 메인샤프트 FRRD 또는 CADS 프론트 프로펠러 샤프트(전륜) 리어 프로펠러 샤프트(후륜) Driving force 그림 WD HIGH 작동시(4H 모드)

310 306 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) (3) 4WD LOW 작동시(4L 모드) 트랜스퍼 4WD LOW 작동부와 유성기어세트를 경유하여 기어비가 감속되고(예 2.48:1) 구동력은 전/후륜으로 50:50으로 배분된다. 모드선택스위치 (4H 4L) TCCU 변속기 출력축 시프트 모터 시프트 캠, 레일, 포크 유성기어세트 마그네틱 클러치 체인 및 프론트 샤프트 메인 샤프트 FRRD 또는 CADS 프론트 프로펠러 샤프트(전륜) 리어 프로펠러 샤프트(후륜) Driving force 그림 WD LOW 작동 시(4L 모드)

311 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 307 운전자에 의해 4L 모드가 선택되면 TCCU는 시프트 모터를 구동시켜 리덕션 허브를 작 동시킨다. 그러면 유성기어세트는 2.48:1로 감속된다. 따라서 유성기어에 의해 감속된 구동 력이 전/후륜으로 50:50으로 전달되어 4H 모드보다 큰 구동력을 얻을 수 있다. 이 때 트랜 스퍼 케이스 내부의 기구학적 메카니즘의 동력전달은 4H 모드와 동일하며 유성기어 작동경 로는 시프트 모터 시프트 캠 리덕션 포크 리덕션 허브 유성기어이다. 리덕션허브 (4H-4L 절환) 리어 스피드센서 마그네틱 클러치 (EMC코일) 유성기어 (4WD LOW) 록업허브 (2H-4H 절환) 오일펌프 시프트캠 구동체인 시프트 모터 그림 8-13 전기식 트랜스퍼(EST) 내부구조 예 EMC : Electric Magnet Clutch FRRD : Free Running Differential CADS : Center Axle Disconnect System (4) 감속 유성기어의 작동 1 2WD 작동 시(2H/4H 모드) 1:1 유성기어세트의 1:1 직결은 2H/4H 모드일 때 이루어진다. 동력은 변속기 출력축으로부터 트랜스퍼 입력축으로 전달된다. 2H 또는 4H 모드에서는 유성기어세트의 리덕션 허브가 유 성기어의 안쪽으로 이동하여 동력은 유성기어 캐리어를 거치지 않는다. 그러므로 입력축은 출력축과 일체로 회전하게 되어 1:1의 회전수가 된다.

312 308 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) 유성기어 리덕션 허브 리덕션 허브 입력 선기어 피니언기어 리덕션 포크 링기어(고정) 시프트 캠 유성기어 캐리어 그림 WD 작동 시 2 4WD 작동 시(4L 모드) 감속 유성기어세트의 2.48:1 감속은 4L 모드일 때 이루어진다. 동력은 변속기 출력축으로부터 트랜스퍼 입력축으로 전달된다. 4L 모드에서 유성기어세트의 리덕션 허브가 유성기어의 바 깥쪽으로 이동하여 동력은 유성기어 캐리어를 거쳐 2.48:1로 감속되어 출력축으로 전달된 다.

313 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 309 4L 모드시 리덕션 허브의 이동방향 유성기어 리덕션 허브 리덕션 허브 입력 선기어 피니언기어 링기어(고정) 리덕션 포크 유성기어 캐리어 시프트캠 그림 WD 작동 시 주행 중 치합장치 (1) FRRD(Free Running Differential)의 구조와 작동 전기식트랜스퍼에 장착되어 있으며 주행 중 2WD 4WD의 변환을 가능하게 한다. 에어 펌프와 엑츄에이터로 구성되어 있으며 TCCU의 제어에 의해 작동한다. 에어펌프는 FRRD로 압축공기를 공급해주는 역할을 하며 내부에 압력스위치를 내장하고 있다. 에어펌프에서 FRRD로 압축공기가 공급되면 내부 도그클러치가 치합되어 전륜으로 동력이 전달된다.

314 310 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) R TCCU M Motor Release Valve PRESSURE SW B P 에어펌프 회로도 압축공기 도그클러치 액츄에이처 프론트 액슬 FRRD 내부 그림 8-16 FRRD [작동원리] 1 운전자가 4WD(4H)를 선택하면 에어펌프로 전원인가 2 이 때, 정지하고 있던 프론트 프로펠러 샤프트가 회전하기 시작하고, FRRD의 내부 케 이스와 외부 케이스의 회전차가 거의 동등하게 됨 3 엑츄에이터 내부에 공기압이 충진됨 4 엑츄에이터가 캠링을 밀고, 내부케이스와 도그클러치가 치합을 이루어 4WD 상태로 됨 5 운전자가 2WD를 선택하면, 트랜스퍼에서 구동력을 끊게 되고, 엑츄에이터의 작동을 위한 에어펌프의 전원이 "OFF" 됨 6 리턴스프링에 의해 캠링이 밀려나고, 내부케이스와의 치합이 해제되어 2WD 상태로 변 환됨

315 8.2 전기식트랜스퍼(EST) 311 (2) CADS(Center Axle Disconnect System)의 구조와 작동 엔진룸 내에 위치한 솔레노이드밸브, 발전기에 장착된 진공펌프, 진공탱크, 프론트 액슬에 장착된 액츄에이터로 구성되어 있으며 TCCU에 의해 제어된다. 액츄에이터 드라이브 샤프트 CADS 어댑터 프론트 액슬 DIFF CAFF ASSY INNER SHAFT ASSY CADS ADAPTER SLEEVE TUBE ASSY CADS CLUTCH CADS SHAFT CADS ROD ACTUATOR ASSY CADS FORK 액츄에이터 작동범위 [4WD] [2WD] 그림 8-17 CADS 외관 및 내부구조, 2/4WD 작동상태

316 312 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) [작동원리] 4WD의 상태 : Solenoid valve는 다같이 Off 상태 부압이 Sole valve B를 지나서 Actuator A에 작 동하여 Sleeve가 결합하여 4WD 상태 Solenoid valve A Actuator B On 2WD의 상태 Off Solenoid valve B Actuator A Check valve Vaccum tank : Solenoid valve는 다같이 On 상태 부압이 Sole valve A를 지나서 Actuator B에 작 동하여 Sleeve가 떨어져서 2WD 상태 그림 8-18 CADS 작동 (1) 2WD의 상태(그림 Fork 검정색) 내측 ACTUATOR A ACTUATOR B 4WD 2WD 그림 WD의 상태 1 Actuator A실에는 부압발생, B실에는 대기압이 작용 2 Actuator내의 Diaphragm이 오른쪽으로 이동함에 따라 Rod, Fork도 함께 이동하여 Clutch gear와 Shaft의 연결이 Sleeve에 의해 끊김

317 8.3 ITM(Inter Active Torque Management) LH CV Joint는 Tire의 구동력에 의해 회전(LH Side gear로 들어온 회전은 Diff. Pinion, Side gear(rh)로 전해져 Shaft는 반대방향으로 회전) 4 T/F측에서도 FRONT로의 동력을 끊고 있기 때문에 Diff. case, Drive pinion 등도 정지 상태 (2) 4WD 상태 1 Front P/Shaft가 회전하여 Diff. case도 회전을 시작 2 역회전하고 있던 CADS Shaft는 좌우 Side gear가 동일회전수가 되면 같은 방향으로 회전 3 이때, Actuator A실은 대기압, B실은 부압이 발생되어 Diaphragm 등의 관련 부품이 왼쪽으로 이동하여 Sleeve가 CADS Shaft와 Clutch gear를 연결하여 4WD 상태 4 이로써 P/Shaft에서의 구동력은 좌우 Side gear로 나뉘어져 RH측은 CADS Shaft Sleeve Clutch gear Inner shaft Tire로 전달 내측 ACTUATOR A ACTUATOR B 4WD 2WD 그림 WD 상태 8.3 ITM(Inter Active Torque Management) 상시 치합식 4륜구동장치로써 ITM의 특징으로는 각 센서들의 데이터를 실시간으로 받아 서 ECU로 하여 4WD 커플링 내부에 장착된 마그네틱 클러치를 듀티제어해서 노면조건 및 주행상황에 따라 전 후륜 구동력을 가변 배분한다. 타이트 코너 브레이킹(Tight corner braking)현상과 드라이브 와인드업(Drive wind up) 현상 등을 효과적으로 대응할 수 있게 만든 장치이다.

318 314 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) FRT CVJ ASSY Propeller shaft 4WD Coupling & Diff. carrier ASSY Diff. mounting Transfer case T/M RR CVJ ASSY 그림 8-21 장착위치 [드라이브 와인드업(Drive wind up)] 직진 주행 시 4륜 각 타이어의 공기압 차이와 전, 후륜타이어의 사이즈 차이에 의한 회전 반경의 차이 회전차를 흡수하지 못하여 Drive line의 구동력이 상충되는 현상. [주요특징] 1 모든 속도영역에서 Torque 전달이 가능하다. 2 EMC를 Duty 제어를 통한 간단한 Torque 조절이 가능하다. 3 저온에서도 반응속도의 변화없이 사용이 가능하다. 4 On road에서의 선회시나 출발 주행안정성이 뛰어나다. 5 4WD LOCK 스위치를 장착해서 운전자 임의대로 4WD로 고정시킬 수 있다. 6 구조가 간단하다. FF구동차량에서 AT의 전륜출력을 후륜으로 빼내주는 트렌스퍼 케이스가 있고, 그 동력 을 전달해주는 프로펠러 샤프트가 있다. 이 동력은 곧 4WD 커플링의 입력동력이 된다.

319 8.3 ITM(Inter Active Torque Management) 315 Coupling case Clutch housing From front wheel Secondary clutch To rear wheel Back plate EMC coil Primary clutch Armature Apply cam [Housing] Primary clutch [Primary clutch] 그림 8-22 ITM의 4WD 커플링 장치 구조(계속) [Armature] Base cam [Apply cam] Apply cam Back plate To rear differential 그림 8-22 ITM의 4WD 커플링 장치 구조 EMC connector 개요 정속 주행 시 FF 2WD 구동상태에서 급발진, 저마찰로 주행 등에 따라 ECU Logic 제어 에 의해 전 후륜간의 동력 배분비를 조정하면서 자동으로 2/4 WD 전환이 이루어진다.

320 316 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) (1) 작동원리 1 EMC와 1차 클러치의 작동 프로펠러 샤프트를 통해서 들어온 구동력을 전자 클러치기구(Coil + Rotor)가 1차 클러 치를 작동하고 이러한 1차 클러치의 작동으로 전후 회전수 차이로 인한 Cam의 벌어지는 양을 제어함으로써 후륜 구동력을 제어한다. 2 구동력배분 ECU는 EMC의 듀티를 제어해서 2개의 캠인 어플라이캠, 베이스캠 그리고 이사이에 6개 의 볼을 제어한다. EMC는 ECU가 듀티제어량에 따라 베이스캠은 전륜과 일체화 되려는 힘 이 가변된다. 즉 듀티가 커지면 일체화 되려는 힘이 증가되고 작아지면 일체화 되려는 힘이 약화된다. 이 결과로 전륜과 일체화된 베이스캠과 후륜과 연결된 어플라이캠이 회전수의 차 이를 보인 차이만큼 볼이 이동되어 좌우캠이 벌어지게 된다. 이에 캠이 벌어진 만큼 우측에 있는 다판클러치와 플레이트를 압착해서 후륜구동력을 배분한다. Primary clutch Front wheel Rear wheel Force multiplier 1차 클러치 아마추어 Secondary wet friction clutch 어플라이캠 EMC 2차 클러치 Front wheel 베이스 캠 볼 Rear wheel 그림 8-23 ITM 내부구조

321 8.3 ITM(Inter Active Torque Management) 317 어플라이 캠 베이스 캠 Force Ball Transfer the torque to BASE CAM 평상시 배력시 그림 8-24 캠 작동 3 2차 클러치 작동 어플라이캠의 작동으로 우측으로 압착해서 2차 Clutch내 Inner 및 Outer plate의 Slip을 제어하여 전 후륜 간 구동력이 최적이 되도록 구동력을 배분 가변 제어한다. 클러치 하우징 Pressing 클러치 플레이트 2차 클러치 어플라이 캠 Rear axle 그림 8-25 클러치 작동 전자제어 시스템 (1) 입출력요소 입 력 상시 전원 IG ON 전원 조향각 센서 4WD LOCK S/W (CAN 통신) TPS 휠 스피드 센서 ABS 작동 신호 제 어 ECU 그림 8-26 입출력요소 출 력 EMC 4WD 경고등 자기 진단 4WD LOCK 지시등

322 318 제8장 4륜구동장치(4WD : Four Wheel Drive) (2) 구성부품기능 1 휠 스피드센서(Wheel speed sensor) 휠 스피드센서는 차속 및 전 후륜의 회전차를 검출하는 기능을 수행한다. ABS 비장착 차량에는 휠 스피드센서에서 센서신호를 직접입력 받고 ABS, TCS 장착차량에는 CAN통신 을 통해서 입력받는다. 이 때 전 후륜의 회전수연산은 좌우 휠 스피드센서 회전수 2로 검 출한다. 페일 시 조치로는 EMC 전류를 차단해서 2WD로 제어된다. 그림 8-27 휠 스피드센서 2 4WD LOCK 스위치 4WD LOCK 스위치는 운전자가 약간의 견인력이나 비포장 도로 주행 시 사용되며 작동 되면 EMC 듀티를 100%로 4WD 상태로 고정된다(구동력 50:50 고정). 그림 WD LOCK 스위치와 표시등 3 조향각 센서(Steering angle sensor) 스티어링 휠 내부에 장착되어 조향각도, 직진을 검출하여 TCB현상을 방지하고 직진 주행 성 향상 등을 위해 EMC 듀티제어에 사용된다. ESP사양만 ESP ECU에서 CAN통신으로 받고 나머지 사양은 조향각 센서에서 직접 받는다. 페일 시 조치로는 EMC 전류를 차단해서 2WD로 제어된다.

323 8.3 ITM(Inter Active Torque Management) 319 stopped CH1=2V DC 1:1 CH2=2V DC 1:1 CH3=2V DC 1:1 (500ms/div) ST1 ST2 STN 그림 8-29 조향각 센서와 출력 파형 4 EMC(Electric Magnetic Clutch) EMC는 EMC Coil에 흐르는 전류량을 제어하여 적절한 토크를 전륜으로 분배한다. 이때 EMC 듀티율에 의해 어플라이캠이 다판 클러치를 압착하는 힘이 변하게 된다. 그러면 다판 클러치가 슬립하게 되면 이 슬립량에 따라 전 후륜으로의 구동력이 100:0~50:50으로 제 어된다. EMC 그림 8-30 EMC (Electric Magnetic Clutch) 5 드로틀 포지션센서(Throttle position sensor) 운전자의 가감속 의지를 판단하는 신호로써 엔진 ECU로부터 CAN통신을 통해서 받는다. 페일 시 조치로는 EMC 전류를 차단해서 2WD로 고정제어 된다. 6 ABS 작동신호 ABS 작동 시 안정된 구동력 확보와 ABS 제어의 정확성을 위해서 EMC 구동듀티를 100:0으로(2WD) 유지시킨다. 이 후 ABS제어가 끝나면 다시 정상적인 제어를 수행한다. 이 ABS 작동신호는 CAN통신을 통해서 ABS ECU로부터 받는다.

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325 제9장 전자제어현가장치 (ECS : Electronic Control Suspension) 9.1 개요 오늘날의 자동차는 소비자의 욕구를 충족시키기 위하여 주행 안정성, 조정 안정성을 비롯 하여 승차감이 좋은 자동차를 선호하고 있다. 따라서 현가장치는 차체와 차축사이에서 노면 으로부터의 진동이나 충격을 완화하여 승차감을 향상시키는 등의 기능이 있으며, 여기에는 스프링, 쇽업쇼버, 스테빌라이저 등으로 구성되어 있다. 일반적으로 승차감과 조정 안정성은 서로 반대되는 경향이 있다. 예를 들면, 노면의 미세 한 진동까지 흡수하기 위하여 스프링을 유연하게 하면 승차감은 좋으나, 선회 시 롤링이 심 하며, 제동 시에는 다이브 현상 등 조정 안전성이 불안하게 되며, 스프링 상수가 클수록 조 정 안전성은 좋으나 승차감이 좋지 않다. 따라서 현가장치 설계 시 차량의 특성에 따라 양 자를 적절하게 해야 하나 기구학적으로 한계가 있어 전자기술을 이용하여 주행상태에 따른 현가특성을 제어하여 양자를 만족시키는 것이 전자제어 현가장치이다. 전자제어 현가장치의 특징은 다음과 같다. 1 급제동 시 노스다운(Nose down)을 방지한다. 2 급선회 시 원심력에 의한 차체의 기울어짐(롤링)을 방지한다. 3 노면으로부터의 차량 높이를 조정할 수 있다. 4 노면의 상태에 따라 승차감을 조절할 수 있다. 기술의 발전에 따라 전자제어 현가장치는 여러 형태로 발전되어 독립인 시스템에서 차체 자세 제어시스템(VDC, ESP 등)에 통합되어 제동, 조향 등과 유기적인 관계를 갖게 되었다. 본장에서는 기본적인 시스템과 발전된 시스템을 소개하고 차체자세 제어시스템은 다른 장 에서 다루기로 한다. 9.2 전자제어 현가장치의 구성과 기능 구성

326 322 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 차속센서 차고센서 가속센서 지시등, 경고등 브레이크센서 ECU 액츄에이터 (스텝모터) 조향휠 감속센서 쇽업쇼버 중력센서 모드 스위치 그림 9-1 전자제어 현가장치의 블록선도 5. ECU 6. 브레이크 센서 7. 조향휠 각속도센서 8. 쇽업소버 1. 차속센서 2. 스텝모터 3. 차고센서 4. 가속센서 그림 9-2 전자제어 현가장치의 구성 기능 일반적으로 전자제어 현가장치는 제작사나 차종에 따라 그 기능에 약간의 차이가 있으나 스프링상수, 댐핑력(감쇠력, 여기에는 오버 댐핑과 언더 댐핑이 있다)과 차고를 조정하는 제 어 등 3가지 기능을 가지고 있다. 그 기능을 살펴보면 다음과 같다.

327 9.2 전자제어 현가장치의 구성과 기능 323 (1) 현가 특성(스프링 상수와 댐핑력) 제어 기능 1 Hard : 안정된 조향성 2 Soft : 좋은 승차감 3 Auto : 주행조건에 따라 자동으로 Hard, Soft 선택 (2) Sensors 1 차속센서 변속기 출력축 또는 속도계 구동축에 설치되며, 차량의 주행속도를 검출하여 ECU에 전달 하여 급발진, 가감속도를 ECU에서 연산 처리한다. 2 차고센서 일반적으로 자동차의 서브 프레임에 설치하여 하중 또는 부하변동에 따라 차체의 높이변 화를 검출하고, ECU에서 차체 높이를 판정하여 차고를 제어한다. 3 가속센서 엔진의 급가속 또는 급감속(운전자의 의지) 여부를 검출한다. 가속페달에 별도의 센서부 착 또는 TPS의 출력신호를 이용한다. 드로틀 밸브 개도, 시간적 변화율(가속, 타행 시간)에 관한 정보를 제공한다. 4 브레이크 센서 브레이크 회로압력의 변화 또는 제동등 스위치 On/Off 여부로부터 신호를 얻는다. 5 조향휠 각속도 센서 직진위치를 기준으로 하여 조향휠의 회전각, 회전 각속도에 관한 정보를 ECU에 제공한 다. ECU에서 이 정보를 이용 롤링 여부를 판단하여 제어한다. 조향휠 각속도 센서는 대부분 2개의 포토단속기와 1개의 슬릿(Slit) 원판으로 구성된다. 포토단속기를 포함한 컬럼 스위치는 조향컬럼에 고정되어 있고, 슬릿 원판은 조향축에 설치 되어 조향휠을 회전시키면 같이 회전하도록 되어 있다. 그림 9-3에서는 2개의 포토단속기가 사용되고 있다. 따라서 조향휠의 회전각속도에 의해 단속기 A와 B에서 발생되는 파형의 동시성이 결정되게 된다. 조향휠의 회전각속도가 느릴 경우에는 2개의 파형 발생시각이 서로 다르고, 반대로 조향휠의 회전각속도가 아주 빠르면 2개의 파형 발생시각은 거의 같아지게 된다. 또 조향휠의 회전각속도가 아주 느릴 때는 출 력신호가 발생되지 않는다. 6 중력센서(Gravity sensor) 차체의 상하운동에 관한 정보를 ECU에 제공한다. 대부분 압전소자가 외력에 의해 압축 또는 신장될 때의 출력전압 특성을 이용하는 센서를 사용한다. ECU는 압전 소자의 출력전 압을 기준전압(예:2.5V)과 비교하여 차체의 상하운동을 제어한다.

328 324 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 슬릿원판 발광소자 수광소자 조향칼럼 포토단속기 A 포토단속기 B 슬릿원판 홈 조향휠 작동속도가 완만한 경우 빛이 통과하지 못함 포토단속기 A 포토단속기 B 빛 통과 조향휠 각속도센서 컨트롤 유닛 센서전원공급 5V 조향휠 작동속도가 빠를 경우 빛이 통과하지 못함 포토단속기 A 빛 통과 조향휠 각속 도 계산 및 급조향 감지 회로 포토단속기 B 시간 센서작동에 따른 출력신호 조향휠 각속도 센서회로 그림 9-3 조향휠 각속도 센서의 구조 7 모드선택 스위치 운전자가 손으로 조작할 수 있는 위치에 설치된다. 모드는 일반적으로 컴포트 모드 (Comfort Mord)와 스포츠 모드(Sport mode)로 구분한다. a 컴포트 모드(Comfort mord) : Soft Medium Hard 통상 주행 시 승차감을 향상시키기 위해 쇽업쇼버의 감쇠력을 유연한(Soft) 수준으로 유지하나 주행조건과 노면상태가 변하면 쇽업쇼버의 감쇠력은 자동적으로 필요한 수 준으로 제어된다. b 스포츠 모드(Sport mode) : Medium Hard 주행 안정성을 향상시키기 위하여 주행조건 및 노면상태에 따라 쇽업쇼버의 감쇠력을 필요한 수준으로 제어된다. [참고] 감쇠력(Damping force)이란 : 쇽업쇼버를 천천히 잡아당기면 저항력을 느끼게 된 다. 이것이 스프링에 생긴 진동을 흡수하게 되며 이 작용을 감쇠작용이라 한다. 이 감쇠작용 때문에 세게 잡아당길수록 큰 저항력을 느끼게 되며 이 저항력(또는 작동력)을 감쇠력이라 한다.

329 9.2 전자제어 현가장치의 구성과 기능 325 G센서 전원공급 출 력 접 지 5±0.5V (1~4V) 접 지 출력전압(V) G 0 0.6G 그림 9-4 중력센서의 출력특성 (3) 지시등과 경고등 지시등은 시스템이 동작중임을 지시하고, 점화스위치가 'On' 되면 수 초(3초)동안 점멸한 다음 계속 점등상태를 유지한다. 만약 시스템이 고장일 경우 고장개소에 따라 경고등은 점 등 또는 점멸된다(각 제작사 정비지침서 참조). (4) ECU 각각의 센서로부터 입력된 정보를 처리하여 쇽업쇼버 감쇠력 제어용 스텝모터의 동작전압 을 출력시킨다. 스텝모터는 쇽업쇼버의 피스톤로드를 중공으로 하고 그 내부에 설치하거나 또는 쇽업쇼버의 상단에 설치한다. 쇽업쇼버의 감쇠력 특성은 제어시스템에 따라 차이가 있으나 일반적으로 주행조건과 노면 의 상태에 따라 2단계(Soft Hard) 또는 3단계(Soft Medium Hard)로 제어된다. 다음은 ECU의 주요 제어기능을 설명한 것이다

330 326 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) Anti-Rolling 제어 Anti-Pitching 제어 자기진단 기능 Squat 기 능 Anti-Shake 제어 Dive 차속감응 제어 Bouncing 그림 9-5 ECU의 주요 제어기능 1 안티롤링(Anti-rolling) 제어 : 커브 선회 시 규정 속도(15km/h) 이상에서 규정각도 이상으로 조향시킬 경우 2개의 모드(Comfort와 Sport)에서 감쇠력은 모두 강(Hard)으로 절환 되고, 해제된 다음 일정시간(2초) 경과 후에 감쇠력은 원상복귀 된다. 그림 9-6 롤링 2 안티피칭(Aanti-pitching) 제어 : 요철노면 주행 시 차고변화를 차고센서가 감지한다. 차고변화와 주행속도를 고려하여 감쇠력을 강(Hard)으 로 절환 한다. 즉, 차고변화가 20mm이고, 주행속도가 50km/h 이상일 때 감쇠력은 강 (Hard)으로 절환 한다. 그림 9-7 피칭

331 9.2 전자제어 현가장치의 구성과 기능 스쿼트(Squat) : 급가속 시 자동차가 규정 속도 이하에서 급발차 할 경우 차체의 앞부분이 올라가고 뒷부분이 낮아지 는 현상을 스쿼트라고 한다. ECU는 스로틀밸브 개도와 주행속도를 검출하여 급발차 여부를 판정한다. 규정 속도 이하에서의 급발차로 판정되면 스쿼트를 방지하기 위하여 ECU는 쇽업 쇼버의 감쇠력을 증가시킨다(Comfort mode에서는 Soft Medium으로 절환). 그림 9-8 스쿼트 4 다이브(Dive) : 제동 시 주행 중 급제동하면 관성에 의해 차체의 무게중심이 앞부분으로 이동되는 현상(차체의 앞 부분은 크게 낮아지고 뒷부분은 높아짐)을 다이브라고 한다. 규정 속도(60km/h) 이상에서 브레이크 회로압력이 일정수준(약 150bar)을 초과하면 2개의 모드(Comfort, Sport mode) 에서 감쇠력은 모두 강(Hard)으로 절환 된다. 그림 9-9 다이브 5 바운싱(Bouncing) 중력센서가 검출하고, 바운싱 이라고 판정되면 감쇠력을 제어한다. 컴포트 모드로 운전 중 일 경우 감쇠력은 약(Soft)에서 중(Medium) 또는 강(Hard)으로 절환 되며, 스포츠 모드에 서 감쇠력은 처음부터 강(Hard)으로 제어되므로 변화가 없으나 조건이 해제되면 일정시간 (약 2초) 경과 후 다시 처음의 감쇠력으로 절환 된다.

332 328 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 그림 9-10 바운싱 6 차속감응 제어(Vehicle speed response) 컴포트 모드로 운전 중 고속주행하면 차체의 안정성이 결여되기 쉬우므로 쇽업쇼버의 감 쇠력을 증대시켜야 한다. 예를 들면 컴포트 모드에서 규정 속도 이상으로 고속 주행할 경우 감쇠력은 약(Soft)에서 중(Medium) 또는 강(Hard)으로 절환된다. 주행속도가 규정값 이하 로 낮아지면 감쇠력은 다시 원래의 상태로 복귀한다. 그림 9-11 차속감응 7 안티 셰이크(Anti-shake) 제어 승차자가 승하차시 하중변화에 의해 차체가 흔들리는 현상을 셰이크(Shake)라고 한다. 차량이 감속하여 규정 속도 이하가 되면 승/하차에 대비 어느 모드에서나 감쇠력은 강 (hard)으로 절환 된다. 주행속도가 규정값 이상으로 상승하면 감쇠력은 선택된 모드의 초기 값으로 절환 된다. 8 자기진단기능(Self-diagnosis function) 고장 내용을 기억하여 정비사가 고장 내용을 확인할 수 있으며, 수리 후 기억된 고장 내 용은 지우거나, 또는 점화 스위치를 일정횟수(50회) 이상 On-Off 시키면 자동적으로 지워 지도록 할 수 있다. 또한, 제작사와 차종에 따라 다르지만 컴포트 모드에서 스포츠 모드로 절환 되는 시간은 대략 100m/sec 정도이며, 스포츠 모드에서 컴포트 모드로 절환하기 위해 서는 센서들은 안정 상태를 유지하고 있어야 한다. 상태에 따라 변수 지연이 있으나 일반적 으로 2초 이내이다. 페일세이프(Fail safe)기능으로, 회로가 고장일 경우 시스템은 자동적으로 스포츠 모드로 절환 되어 쇽업쇼버의 감쇠력을 강으로 고정된다. ECU가 고장일 경우, 고장 전 절환상태를 그대로 유지하는 시스템도 있다.

333 9.2 전자제어 현가장치의 구성과 기능 329 (5) 전자제어용 쇽업쇼버(Shock absorber) 1 구조 제작사와 형식에 따라 그 구조가 크게 다르나, 기본적인 구조는 피스톤 로드가 중공이고 그 내부에 컨트롤 로드(Control rod)와 일체인 회전밸브가 설치되는 것이다. 컨트롤 로드를 좌우로 일정 각도로 회전시키는 액츄에이터는 중공축 내부 또는 쇽업쇼버 상단에 설치된다 (Step motor, 감속기어, 클러치, 회전밸브 등). 2 동작원리 그림 9-12에 나타낸 쇽업쇼버의 경우에는 스텝모터(Step motor)에 의해 좌우로 일정각 도(60 )로 선회 가능한 회전밸브(8)에 의해 상(3)/하(2) 압력실이 연결되도록 되어 있다. 컴포트 모드의 경우에는 그림 9-13(a)에서 회전밸브(8)가 오리피스(9)를 막지 않기 때 문에 동작유체는 피스톤 오리피스(9)와 피스톤밸브(10)를 통해 흐르게 된다. 따라서 오리 피스의 총 단면적이 커지므로 쇽업쇼버의 감쇠력은 상대적으로 감소하는 약(Soft)상태로 된 다. 스포츠 모드의 경우에는 그림 9-13(b)에서 회전밸브(8)가 오리피스(9)를 폐쇄하므로 상(3)/하(2) 압력실 간의 유체유동은 단지 피스톤밸브(10)과 (11)에 의해 제어된다. 따라 서 오리피스의 총 단면적이 축소되므로 쇽업쇼버의 감쇠력은 상대적으로 증가하는 강 (Hard)상태로 된다 그림 9-12 쇽업쇼버의 구조 (a) (b) 그림 9-13 쇽업쇼버의 작동원리 (6) 공기압축기 제어 기능 공기 저장탱크 내의 압력이 기준치(8kg/cm 2 ) 이하로 내려가면 공기압축기를 작동시켜 저 장탱크 내 공기압력을 기준치로 유지시킨다.

334 330 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) (7) 솔레노이드 밸브 이 밸브는 쇽업쇼버에 부착되어 차고를 조정하거나, 현가 특성을 Hard, 또는 Soft로 변화 하는 기능을 한다. 차고 조정용 밸브는 ECU에 전원이 공급되면 열려짐과 동시에 압축공기 를 공기실로 공급하거나 배출시킨다. Hard-Soft 변환용 밸브는 ECU에서 전원이 공급되면 열려 압축공기를 액츄에이터에 가하여 Hard로 변환시키고 전원이 차단되면 닫혀 액츄에이 터 내의 압축공기가 밸브상부에 있는 배출구멍을 거쳐 대기 중으로 방출되므로 Soft가 된 다. 그리고 페일세이프(Fail safe)장치가 작동되면 이 밸브를 계속 열려있게 하여 현가 특성 은 Hard를 유지시킨다. 9.3 능동제어 현가장치 일반 자동차에서는 방진, 진동 절연에는 스프링, 댐퍼계의 수동요소에 의한 방법이 일반적 으로 사용되고 있다. 이것과는 달리 외부에서 에너지를 공급하고 적극적으로 제진하는 방법 이 진동의 능동제어이다. 이것을 자동차의 현가장치에 적용한 것이 능동 현가장치이다. 이 능동 현가장치를 실용화하는데 사용되는 종류를 크게 분류하면 다음과 같이 구분할 수 있다. (1) 완전 능동 현가장치(Full active suspension) 이것은 차체와 차륜사이에 유압실린더를 설치하여 제어를 고주파 영역까지 하는 것으로 제어의 입장에서 본다면 이상적인 시스템이다. 단점으로는 고주파까지 제어하기 때문에 소 비마력이 상당히 커지고 응답성, 고정밀도의 유압 서보 밸브가 필요해지므로 비용이 높다는 것이다. (2) 저주파 능동 현가장치 이것은 저주파의 진동만 능동적으로 제어하고 고주파의 진동은 수동적(Passive)으로 흡 수하는 것으로 슬로우 액티브 또는 하이브리드(Hybrid) 제진법이라고도 불린다. 공기 스프 링이나 가스 스프링을 가진 하이드로 뉴매틱 등 제어계에 압축성 항목을 포함한 것은 제어 가 고주파까지 추종하지 않고 필연적으로 이 방식이 된다. 이 방식에서도 차체의 자세제어 를 하는 데에는 충분한 능력을 갖고 있고 이 점은 저주파밖에 제어되지 않기 때문에 약간의 소비마력으로 가능하다. 더욱이, 서보 밸브보다 저가인 제어 밸브로 대응할 수 있어 비용면 에서도 유리하다. (3) 반능동 현가장치(Semi-active suspension) 기존의 감쇠력 제어를 반능동이라 부른 경우도 있지만, 학회 등에서는 감쇠력 가변 쇽업 쇼버를 이용하여 스카이훅 댐퍼와 동등한 기능을 발휘하는 시스템을 반능동이라 하는 것이

335 9.4 무단감쇄 전자제어현가장치 331 정설로 되어 있다. 다시 말하면 반능동은 소프트웨어가 능동과 같고 하드웨어가 수동과 같 다고 할 수 있다. 수동인 감쇠력 가변 쇽업쇼버로 스카이훅을 실현하려 한다면 감쇠력, 즉 차체를 밀어 올리거나 밀어서 내리거나 하는 능동적인 힘이 필요한 경우가 생기지만 그것은 실현 불가능하기 때문에 그 때에는 감쇠력이 0이 되도록 제어한다. 반능동은 감쇠력 가변 쇽업쇼버를 제어하여 행하는 것이기 때문에 소비마력은 거의 0에 가깝게 되는 이점이 있다. 게다가 승차감은 능동에 상당히 가까운 성능을 얻을 수 있으므로 장래 배기량이 적은 소형차에 보급될 것이라고 생각된다. 그러나 반능동에서는 차체 자세의 제어를 할 수 없는 단점이 있다. 9.4 무단감쇄 전자제어현가장치 개요 지금까지의 일반적인 ECS는 소프트(Soft), 미디엄(Medium), 하드(Hard)등의 감쇄력 구 간을 두어 차량상황에 따라 몇몇 구간의 감쇄력을 선정하는 방식을 이용하였으나 댐퍼솔레 노이드밸브를 이용하여 임의의 차량상황에서 최적의 감쇄력을 모든 영역 즉 무단의 감쇄력 영역에서 선정하게 함으로써 최적의 차량상태를 유지하도록 개발된 첨단시스템이다. 버티칼 가속도 센서 (뒤) ECS 컨트롤 유니트 모드 스위치 버티칼 가속도 센서 (앞 우측) ECS 경고등 브레이크 스위치 래터럴 가속도 센서 그림 9-14 구성부품

336 332 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) ECS시스템은 차량의 횡방향을 감지하는 래터럴 가속도센서(Lateral Acceleration Sensor)와 상하방향의 가속도를 감지하는 버티칼 가속도센서(Vertical Acceleration Sensor), 차량 속도센서 등을 장착하여 주행상태를 정확히 감지한 후 ECS 컨트롤 유니트 (ECS Control Unit)로 신호를 보낸다. ECS 컨트롤 유니트는 이 신호를 토대로 감쇄력의 변환과 전환기간을 판단하여 쇽업쇼버에 장착되어 있는 댐퍼솔레노이드밸브에 구동전압을 가함으로써 최적의 차량자세를 실현시킨다. 운전자는 ECS 모드스위치로 소프트모드 또는 하드모드를 선택을 할 수 있다. ECS 컨트롤 유니트는 일반적인 도로를 주행할 때 승차감을 부드럽게 제어하고(소프트모드, SPORT 램프소등), 험로운전, 커브길 운전 등 조정안전성 을 향상시키고자 할 때에는 ECS 모드스위치를 눌러 하드모드를 선택하면, 계기판에 있는 SPORT 램프는 점등되고 ECS 컨트롤 유니트는 하드한 상태에서 댐퍼솔레노이드밸브를 제어(무단제어)하여 조향안정성과 승차감을 항상 시킨다. 만약 시스템에 결함이 발생하면 계기판에 있는 ECS 경고등을 점등시켜 운전자에게 시스템에 결함이 있음을 알려주고, 쇽업 쇼바는 가장 하드한 상태로 작동한다. 또한 정비사의 고장진단 능력을 향상시키기 위해 결 함코드를 제공하는 자기진단기능을 포함하고 있다 제어특성 (1)차량상태 감지와 차량자세 제어 차량의 최앞단에 횡방향의 가속도를 감지하는 래터럴 가속도센서, 그리고 앞, 뒤쪽 각각에 상하방향의 가속도를 감지하는 버티칼 가속도센서 등을 장착시켜 주행상태를 정확히 감지한 후 ECS 컨트롤 유니트로 신호를 보낸다. ECS 컨트롤 유니트는 감쇄력의 변환과 전환시간 을 판단하여 쇽업쇼버에 장착되어 있는 댐퍼솔레노이드밸브의 구동전압을 가감함으로써 최 적의 차량의 자세를 실현한다. 1 무단 감쇄력 전환시스템(Continuous variable damping control) 노면의 상황과 차체의 움직임에 따라 쇽업쇼버의 감쇠력을 무단으로 전자 제어하는 시스 템으로 노면의 돌기와 단차의 검출 수단으로 센서를 이용하고 감쇄력의 전환을 위해 댐퍼솔 레노이드밸브를 적용하였다. 지금까지는 일반적인 ECS는 소프트, 미디움, 하드 등의 감쇄력 구간을 두어 차량상황에 따라 몇몇 구간의 감쇄력을 선정하는 방식을 이용하였으나 CDC(Continuous Variable Damping Control) 시스템은 댐퍼솔레노이드밸브를 이용하여 임의의 차량상황에서 최적의 감쇄력을 모든 영역, 즉 무단의 감쇄력 영역에서 감쇠력을 선정함으로써 최적의 차량상태를 유지시키도록 개발된 최첨단의 시스템이다. 또한 운전자가 노면 및 운전조건에 따라 스포츠 모드를 선택할 수 있다.

337 9.4 무단감쇄 전자제어현가장치 333 모드 스위치 ECS 경고등 ECS 컨트롤 유니트 센서 ᆞ차량속도 ᆞ차체 바운싱 ᆞ차체 피칭 ᆞ차체 롤링 ᆞ조향가속도 그림 9-15 ECS 시스템 솔레노이드 코일 내부튜브 댐퍼솔레노이드 밸브 아마추어 가변통로 (Variable bleed) 코일 스프링 입구 홀 밸브바디 체크밸브 1 체크밸브 2 소켓 프리밸브 (Pre-valve) 그림 9-16 CDC용 쇽업쇼버 구조도

338 334 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 2 감쇄력제어 효과 a 피칭, 바운싱제어 전후 2개의 버티컬 가속도센서에서 나오는 정보를 기본으로 전 후륜을 독립하여 감 쇠력을 아주 세밀히 전환하여 피칭, 바운싱을 억제한 플래트한 승차감을 만든다.(노말 모드는 일반적인 최적의 감쇄력으로 스포티한 모드는 전체를 하드한 감쇠력에서의 최 적상태로 조절한다.) b 안티롤 제어 Z 횡방향의 가속도와 차속의 정보에 의해 롤 상태를 초기에 검출하여 범프되는 쪽의 감쇄력을 하드로 바꾼다(회전 시). c 안티다이브제어 제동 시의 다이브현상을 전후의 버티칼 가속도센서와 차속에서의 정보에 의해 차량 앞쪽의 감쇄력을 하드로 전환하여 차량의 스쿼드를 억제한다. d 안티스퀴드제어 가속 시의 스쿼드현상을 전후의 버티칼 가속도센서와 차속센서에서 정보에 의해 차량 뒤쪽의 감쇄력을 하드로 전환하여 차량의 스쿼드를 억제한다. e 고속감응제어 고속 시 감쇄력을 하드로 전환하여 고속 직진 안정성 및 조정 안정성을 향상 시킨다 구성부품 (1) 프론트 버티컬 센서 : 차량 앞쪽의 상하의 가속도 감지 1 방향성이 있으므로 장착 시 주의 그림 9-17 프론트 버티컬 센서

339 9.4 무단감쇄 전자제어현가장치 335 (2) 리어 버티컬 센서 : 차량 뒤쪽의 상하의 가속도 감지 방향성이 있으므로 장착 시 주의 그림 9-18 리어 버티컬 센서 (3) 래터럴 센서 : 차량의 횡방향 가속도 감지 방향성이 있으므로 장착 시 주의 그림 9-19 래터럴 센서 (4) ESC 컨트롤 유니트 : ECS 컨트롤 유니트는 각종센서(래터럴, 버티칼) 및 ECS 스위 치로부터 신호를 받아 쇽업쇼버를 소프트모드 또는 하드모드로 무단 전환하여 승차감 및 주 행안정성을 향상시키는 역할을 한다. 또한 ECS 시스템에 결함이 발생하면 운전자에게 ECS 경고등을 점등시켜 경고를 해 주고 정비사에게는 결함코드를 제공하여 고장진단능력을 향상 시키는 기능을 가지고 있다. 그림 9-20 ESC 컨트롤 유니트

340 336 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) (5) ESC 스위치 : 험로운전, 커브길 운전 등에서 조향안정성을 향상 시키고자 할 때 ECS 스위치를 누르면 계기판에 있는 SPORT 램프가 점등되고 하드모드로 전환된다. 그 리고 스위치를 한 번 더 누르면 계기판에 있는 SPORT 램프가 소등되고 소프트모드로 전 환된다. 소프트모드는 일반적인 도로에서 승차감을 부드럽게 할 때 사용한다. 그림 9-21 ESC 스위치 (6) 경고등 : ECS 경고등은 계기판에 위치해 있으며 점화스위치를 On 위치로 하면 2 초 동안 점등 된 후 소등된다. 만약 주행 중에 ECS 시스템에 이상이 발생하면 ECS 경고등 은 점등되고, 결함코드가 ECS 컨트롤 유니트에 저장된다. 또한 감쇄력은 가장 하드한 상태 로 유지된다. ECS 그림 9-22 경고등 9.5 EAS(Electronic Air Suspension) 현가장치 개요 EAS(Electronic Air Suspension)는 스틸 스프링을 에어 스프링(Air spring)으로 대체 한 것으로 공기압력을 형성하는 컴프레셔와 에어 순환을 제어하는 밸브블록, 에어의 저장역 할을 하는 리져버탱크, EAS ECU 및 센서류 그리고 댐퍼 컨트롤 기능(CDC, Continuous Variable Damping Control))을 위한 장치로 구성되어 있다. 각각의 바퀴에 에어스프링이 장착되는 4코너 형식의 시스템이며 기본적으로 주행상태 및

341 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 337 차속, 기타 편의 사항을 추가하여 상태별 차고를 조정하는 기능과 댐퍼 제어 기능이 있다 쌍용자동차 체어맨에 채택된 시스템을 소개한다 EAS 주요기능 (1) 높이제어 기능 1 자동 차고높이 조정(Automatic leveling) 하중에 관계없이 일정하게 차고 및 액슬 운동성을 유지하며 야간 주행 시 헤드램프의 조 사각도를 일정하게 유지할 수 있다. 2 차량높이 조정(수동/자동) 고속 주행 시 별도의 조작 없이 자동으로 차고 및 무게중심을 낮추고, 주행조건에 따라 운전자가 차고높이를 임의로 조정할 수 있다. 승차 및 물건을 적재 시에도 편리하게 이용할 수 있게 차고높이가 조정된다. 3 스프링 성능의 최적화 하중과 차량의 이동에 따라서 스프링 상수가 최적화되어 주행 안정성이 향상된다. 4 EAS 높이 조절 단계 예 에어 스프링의 공기를 주입하거나 배출하여 모두 6단계의 차고높이를 조절할 수 있다 Normal 모드 프런트 : 0mm 리 어 : 0mm Parking 모드 프런트 : -15mm 리 어 : -20mm Off road 모드 프런트 : +25mm 리 어 : +25mm Easy entry 모드 프런트 : +25mm 리 어 : +15mm Highway 모드 프런트 : -15mm 리 어 : -15mm Easy loading 모드 프런트 : +25mm 리 어 : -20mm 그림 9-23 EAS 높이조절 단계 (2) ECS 기능 스카이 훅 무단 제어 (Sky-hook continuous damping control) Normal 및 Sport 모드로 구분되며 EAS ECU에 의해 노면변화에 따른 차체의 진동을 감 쇄력 가변제어로 적극적으로 흡수하여 노면변화에 따른 차체의 움직임을 최소화하여 승차감 을 극대화 한다. [Sky-hook continuous damping control] 차체가 마치 공중에 매달려 주행하는 것처럼 어떠한 주행 여건에서도 노면의 충격을 효과

342 338 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 적으로 흡수하는 즉, 노면 상황에 의한 차체의 진동을 감쇄력 가변제어로 적극적으로 흡수 하여 노면 변화에 따른 차체의 움직임을 최소화시킬 수 있도록 구성한 시스템이다 EAS 구성도 (1) 시스템 구성도 에어 컴프레셔(1) & 밸브 블록(2) 2. EAS ECU 3. 프론트 에어 스프링(1) & 높이 센서(2) 4. 리어 에어 스프링(1) & 높이 센서(2) 조향휠각 센서 5. 리저버 탱크 6. G-센서(프런트바디) 7. G-센서(리어바디) 8. 프런트 댐퍼스트럿 및 리어 쇽업쇼버 그림 9-24 시스템 구성도

343 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 339 (2) 입출력요소 압력 센서 배터리(B+) 접지 IGN 1 밸브 블록 높이 센서(Hight sensor) 시그널 FL 높이 센서(Hight sensor) 시그널 FR 높이 센서(Hight sensor) 시그널 RL 높이 센서(Hight sensor) 시그널 RR G 센서 프런트 바디(FL) E A S E C U 컴프레셔 릴레이 리버싱 밸브 (컴프레셔 내부) 감쇄력 가변솔레노이드(FR) 감쇄력 가변솔레노이드(FL) 감쇄력 가변솔레노이드(RR) G 센서 프런트 바디(FR) 감쇄력 가변솔레노이드(RL) G 센서 리어 바디 ECS 스위치 발전기 충전전압 CAN HI CAN LO EAS 스위치 계기판 그림 9-25 입출력 요소

344 340 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) (3) 제어특성 1 높이제어 a 높이제어로직 높이 표 9-1 제어특성 설정 레벨 프론트 액슬 리어 액슬 설명 값 값 - 차량과 노면의 간섭을 피하고 충격 및 오프로드 레벨 (Off-road level) +25mm +25mm 진동을 최소화하기 위한 레벨 - 운전자가 스위치 조작으로 작동 - 속도 약 60km/h 이하 및 기준레벨에서 만 작동 가능 승차편의 레벨 (Easy entry level) +25mm +15mm - 탑승편의를 돕기 위한 레벨 - 리모콘의 도어 언락 신호로 작동 - 주차레벨에서 변환 가능 기준 레벨 (Normal level) 0mm 0mm - 평상시 주행위치 레벨 - 시동을 걸면 작동 - 승차편의 레벨에서 기준레벨로 이동 - 자동모드 약 100km/h 이상속도로 30초 이상 주 행 시 기준레벨 보다 차고 낮아짐(조 하이웨이 레벨 (Highway level) -15mm -15mm 종 안정성 확보) 약 80km/h 이하에서는 기준레벨로 환 원 - 수동 모드 약 80km/h 이상에서 스위치 조작에 의하여 높이거나 낮추는 것이 가능 주차 레벨 (Parking level) -15mm -20mm - 시동을 끄고 리모콘의 도어 락 신호에 의해 자동으로 이동 - 화물을 트렁크에 쉽게 적재하거나 내 릴 때 사용하는 레벨 적재 레벨 (Easy loading level) +25mm -20mm - 시동을 걸고 차량이 정지 상태에서 트 렁크 스위치가 조작되면 작동 - 트렁크가 닫히거나 차속이 약 5km/h 이상 되면 기준레벨로 전환

345 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 341 [주 의] 1. 기준 레벨(Normal level)에서 주차 레벨(Parking level)로 전환 시 1) 도난 경계모드 진입과는 무관하게 리모콘 록(LOCK) 신호만 있으면 변화된다. 즉, 트렁크가 열려 있거나, 엔진 후드가 열려있어도 주차 레벨로 전환된다. 2) 편의성을 위해서 제공되는 기능 중 승차 편의 모드(Easy entry mode), 주차 모드(Parking mode), 적재 모드(Easy loading mode)는 이그니션 오프 하기 전의 상태가 작동하며, 오프로드 모드(Off-road mode)에서는 작동하지 않고, 기준 모드(Normal mode)에서만 작동한다. 2. 각각의 레벨로의 자동 또는 수동 변환 시 작동 과정 중 과정이 완전히 끝나지 않 은 상태에서 출발 또는 다른 모드로의 변환은 시스템 에러가 발생할 수 있으며, 이럴 경우 시동을 Off한 후 재시동해 봐야 한다. b EAS ECU 작동 모드 가 슬립 모드(Sleep mode) ECU는 이그니션 OFF 후 약 60초가 지나서 슬립모드로 들어가는데 이 슬립모드 상태에서 ECU는 최소 전원만을 소비하며 레벨 컨트롤(높이 조정)은 하지 않는다. 나 포스트 런 모드(Post run mode) 이 모드는 슬립모드와 정차 1모드(이그니션만 On 상태)의 중간 상태로 리모콘에 의해 도어록 또는 언록으로 차량상태가 변했을 경우 EAS ECU는 주차 모드 또는 기준 모드로 높이를 조정한다. 그리고 슬립 모드에서 2시간, 5시간, 10시간이 지 났을 때 차량의 상태를 점검하여 설정된 높이와 다를 경우 설정된 높이로 맞추기 위해서 레벨 컨트롤을 시도한다. 다 정차 1 모드(Stand 1 mode) 엔진 시동을 걸지 않고 단순히 이그니션 On을 했을 때의 상태로 이 모드에서는 수동 높이 조정은 불가능 한다. 라 정차 2 모드(Stand 2 mode) 이그니션 On 후 시동을 걸었을 때의 상태로 이 모드에서는 수동 높이 조정은 가 능하다. 마 정차 3 모드(Stand 3 mode) EAS ECU는 주행 모드(Drive mode)를 인식한 후 속도가 점차적으로 낮아져서 약 5km/h이하로 도달하게 되면 주행 모드에서 정차3 모드로 바뀌고 수동 높이 조 정은 가능하다. 바 주행 모드(Drive mode) 차속이 점차적으로 증가하여 약 10km/h이상 도달하게 되면 주행 모드로 바뀌며 수동 높이 조정은 가능하다.

346 342 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 사 리프팅 플랫폼 모드(Lifting platform mode) 레벨 컨트롤(높이조정) 동안 측정된 높이 시그널이 변화가 없을 때의 모드로, 시 동을 Off 하였을 때는 수동 또는 자동 레벨 조정은 불가능 하고 시동을 걸었을 때 는 오직 수동 조작으로만 높이 조정이 가능하다. 아 특수 모드 : (Special mode ALI, HSC, AD) 특수 모드는 조립라인에서 초기화 작업과 정비작업 시에 사용된다. c 레벨 변환의 조건 표 9-2 레벨 변환 EAS 시스템의 상태 레벨 변환에 대한 영향 1. 리저버 탱크에 충분한 압력이 없을 때 - 주차레벨에서 적재레벨로 자동 변환이 되지 않는다. 2. 시스템에 공기량이 충분하지 않을 때 - 기준 레벨보다 높은 레벨로는 변환이 되지 않는다. [예외] 조건 1에 의해서 기준 레벨에서 적재 레벨로의 레 벨 변환 3. 시스템에 공기량이 너무 많을 때 - 기준 레벨 보다 낮은 레벨로의 변환이 되지 않는다. 4. 밸브 전원 공급 시간 초과 - 높이 상승에 대한 수동 변환과 자동 변환이 되지 않고, 높이 하강에 대한 자동 변환만 가능하다. 5. 엔진 시동 - 레벨 변환이 이루어 지지 않는다. 6. 이그내션 On 그리고 시동 Off 시에 리 프팅 플랫폼이 감지되는 경우 - 레벨 변환이 되지 않는다. 7. 이그니션 On 그리고 시동 On 시에 리 프팅 플랫폼이 감지되는 경우 - 자동 레벨 변환이 이루어 지지 않는다. 8. 컴프레셔 과열 - 레벨 변환은 이루어지지만, 과열이 감지되는 동안 변 환이 되지 않는다. 180 이상일 때 정지 140 이하일 때 작동 9. 커브길 주행이 감지되었을 때 - 레벨 변환은 이루어지지만, 커브길 주행이 감지되는 동안은 변환이 되지 않는다. 횡가속도 2.5m/s 2 이상일 때 커브 인식 횡가속도 2.0m/s 2 이하일 때 리셋

347 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 ECS(Electronic Control Suspension) 제어 EAS에 장착된 ECS기능은 스카이 훅(Sky-hook)방식의 무단제어방식을 채택(CDC : Continuous Damping Control)하였다. 3개의 G 센서 변화량 4개의 하이트 센서 변화량 CAN 신호 신호 및 변화량 조절 스카이 훅 적응 제어 댐퍼 제어 일반 서스펜션 (Conventional suspension) 스카이 훅 이론 (Sky-hook theory) 스카이 스카이 훅 댐퍼 차체 차체 코일 스프링 일반댐퍼 (쇽업쇼바) 코일 스프링 휠 휠 일반적으로 노면의 굴곡으로 인한 상하 및 좌우 방향의 차량 운동변화를 코일 스프링과 오일 또는 가스 스프링으로 감소 노면 변화와 주행 중 발생될 수 있는 기타 차량 운동변화를 스카이 훅 이론에 입각하여 차체의 상 하 또는 좌우 움직임을 최소화하고자 도입된 이론 스카이 훅 무단 제어(Sky-hook continuous damping control type) 스카이 차체 스카이 훅 댐퍼 노면과 차량 상황에 따른 차량 움직임과 기타 정보를 각 센서로부터 받아 전용 유 니트에서 댐퍼를 무단으로 제어하여 상황 변화에 따른 승차감의 변화를 최소화 할 수 있도록 한 장치 코일 스프링 무단 감쇄력 가변 댐퍼 휠 그림 9-26 ECS 제어비교

348 344 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) (4) 공기 배관회로 1 공기 배관 회로 구성장치 EAS의 공기배관 회로는 에어 컴프레셔, 밸브블록, 리저버 탱크 및 4개의 에어 스프링과 의 공기계통으로 이루어져 있으며, 시스템은 기본적으로 폐회로(Close loop)로 구성되어 신 속한 압력 형성 및 조정이 가능하도록 구성되었다. 즉, 개회로(Open loop)에 비하여 작고 빠른 컴프레셔의 사용으로 컴프레셔의 운동량 감소로 소음 및 관련 에너지 소모가 감소하고 이로 인해 빠른 레벨링이 가능한 장점이 있다. 그러나 시스템 작동압력의 조정을 위해서 외부공기의 유입과 방출과정을 할 수 있도록 구 성되어 있지만 기본적으로는 폐회로 내에서 이루어진다. 공기배관에서의 정상적인 시스템 작동압력은 에어매스로 표현되며, 정상 에어매스 작동값 은 약 95.4bar l~ 114bar l이다 M 컴프레셔(Compressor) 2. 에어 드라이어(Air dryer) 3. 트로틀/체크 밸브(Throttle/check valve) 4. 리버싱 밸브 1(Reversing valve 1) 5. 리버싱 밸브 2(reversing valve 2) 6. 리저버 탱크(Reservoir tank) 7. 대기압 밸브(Ambiance valve) 8. 에어 스프링 밸브(Air spring valve) 9. 압력센서(Pressure sensor) 10. 압력해제 밸브(Relief pressure valve) 11. 에어주입 밸브-T커넥터 (Air Filling valve-t connector) 12. 대기 연결라인(Ambient air connected line) 13. 에어 필터(Air filter) 그림 9-27 공기 배관회로

349 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 구성부품의 개요 a 컴프레셔(Compressor) 시스템 압력을 공급 또는 빼주는 역할로 작동은 높이 조정 및 시스템에 압력이 추가되 어야 할 경우(약 94 bar l이하) 작동된다. 시스템 내에 압력이 과대할 때 안전장치 로 압력해제밸브(Relief valve)가 내장되어 있다. b 에어 드라이어(Air dryer) 공기 중의 수분 등을 흡수하는 역할로 대기압 밸브를 통해 내부공기가 외부로 방출될 때 내부습기도 동시에 배출된다. c 리버싱밸브(Reversing valve) 컴프레셔 내부에 장착되며, 시스템 내 공기 흐름의 방향을 바꾸는 역할을 한다. d 밸브블록(Valve block) 한 개의 압력센서와 에어 스프링 작동 밸브, 대기압 밸브 등으로 구성 되며 EAS ECU 에 의해 제어된다. e 압력센서(Pressure sensor) 밸브블록 내부에 장착되며 시스템 내부의 압력을 감지하는 기능으로 높이조정이 없을 때는 리저버 탱크와 관련 시스템의 압력을 그리고, 높이조정이 있을 때는 에어 스프링 과 관련 시스템의 압력을 감시한다. f 리저버 탱크(Reservoir tank) 컴프레셔을 통해서 에어 스프링에 압력을 공급하고, 반대로 에어 스프링의 공기가 빠 지게 되면 공기를 저장하는 기능으로 최대 작동압력은 약 16bar이다. g 에어주입 밸브-T커넥터(Air filling valve-t connector) 컴프레셔 하단부에 장착되어 시스템 내에 공기를 주입하거나 리저버 탱크의 압력을 해 제할 때 사용되며, 에어 스프링에 공기를 주입할 때는 스캔장비를 이용하여 관련 밸브 를 작동시키면 공기가 주입된다. 3 작동과정별 배관회로 a 에어 스프링 공기공급 : 에어 스프링 높이 상승 해당 에어 스프링의 높이가 증가해야 될 경우에는 컴프레셔의 모터(1)가 작동을 하게 되고 컴프레셔는 리저버 탱크의 공기를 리버싱 밸브 2(5)와 리버싱 밸브 1(4)를 통해 밸브블록에 보내게 된다. 이때, 밸브블록의 솔레노이드 밸브는 각각의 에어 스프링과 연결되어 있으며, 작동시키고자 하는 밸브를 제어하여 공기를 공급한다. 솔레노이드 밸 브가 작동하여 공기가 공급되는 에어 스프링의 높이는 증가하게 된다. 이때, 리저버 탱 크의 압력은 감소하고 공기가 공급되는 에어 스프링의 압력은 증가하게 된다.

350 346 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) M 컴프레셔(Compressor) 2. 에어 드라이어(Air dryer) 3. 트로틀/체크 밸브(throttle/check valve) 4. 리버싱 밸브 1(Reversing valve 1) 5. 리버싱 밸브 2(Reversing valve 2) 6. 리저버 탱크(Reservoir tank) 7. 대기압밸브(Ambiance valve) 8. 에어 스프링 밸브(Air spring valve) 9. 압력센서(Pressure sensor) 10. 압력해제 밸브(Relief pressure valve) 11. 에어주입 밸브-T커넥터 (Air filling valve-t connector) 12. 대기 연결라인(Ambient air connected line) 13. 에어 필터(Air filter) 그림 9-28 공기 배관회로 상승 시 b 에어 스프링 공기배출 : 해당 에어 스프링 높이 감소 해당 스프링의 높이가 감소해야 될 경우에는 컴프레셔의 모터(1)가 작동을 하게 되고 에어 스프링의 공기는 리버싱 밸브 1(4)을 지나 컴프레셔 내부 및 에어 드라이어를 거쳐 리버싱 밸브 2(5)를 통하여 리저버 탱크에 보내게 된다. 이때, 높이 센서(Height sensor)는 감소되는 에어 스프링의 높이를 모니터링하고 제어하게 된다. 리저버 탱크 에서 각각의 에어 스프링으로 들어간 공기는 다시 리저버 탱크로 유입되는데 이때는 에어 드라이어를 거친다. 에어 스프링의 압력은 감소하고 리저버 탱크의 압력은 다시 증가하게 된다.

351 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 M 컴프레셔(Compressor) 2. 에어 드라이어(Air dryer) 3. 트로틀/체크 밸브(throttle/check valve) 4. 리버싱 밸브 1(Reversing valve 1) 5. 리버싱 밸브 2(Reversing valve 2) 6. 리저버 탱크(Reservoir tank) 7. 대기압밸브(Ambiance valve) 8. 에어 스프링 밸브(Air spring valve) 9. 압력센서(Pressure sensor) 10. 압력해제 밸브(Relief pressure valve) 11. 에어주입 밸브-T커넥터 (Air filling valve-t connector) 12. 대기 연결라인(Ambient air connected line) 13. 에어 필터(Air filter) 그림 9-29 공기 배관회로 감소 시 c 시스템 내부의 외부 공기 보충 밸브 블록내의 압력센서는 시스템 내부의 압력이 자연적인 미세한 에어 누기 또는 시 스템 에어압력 보정과정에서 공기의 질량(Air mass)이 부족하다고 판단하면, 외부 에 어 필터를 통하여 대기 중의 공기를 시스템 내에 유입시켜 시스템 압력을 보충하는 과 정으로 EAS의 작동과정이 없음에도 불구하고 컴프레셔가 작동한다. 이 과정은 밸브블 록내의 솔레노이드 밸브는 고정이 된 상태에서 에어 스프링의 높이는 변화가 없고 컴 프레셔 내 리버싱밸브 1(4)도 고정이 된다. 이때, 컴프레셔가 작동이 되면 외부공기는 컴프레셔 내부의 체크 밸브를 밀고 들어오며, 에어 드라이어를 통해 수분 등이 걸러지 게 된다. 수분 등이 제거된 공기는 리버싱밸브 2(5)를 통해 리저버 탱크에 보충이 되 며 EAS시스템의 정상작동 범위는 시스템 내 에어메스(bar.l)로 나타내는데 그 범위 는 약 95.4~114(bar.l)이며, 기준값은 104(bar.l)이다. 시스템 규정 에어 매스값이

352 348 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 약 95.4bar.l 이하가 되면 공기 압력 보충을 위해 컴프레셔가 작동이 된다. 시스템 에어메스값은 IGN On하고 레벨링이 완전히 종료된 후 초기 모니터링 한다. 이때, 공 기를 재 주입(Refilling)하는 경우, 이 작업이 끝나면 EAS ECU는 에어매스를 재계산 하고 매 30분마다 에어매스값을 모니터링 한다 M 컴프레셔(Compressor) 2. 에어 드라이어(Air dryer) 3. 트로틀/체크 밸브(throttle/check valve) 4. 리버싱 밸브 1(Reversing valve 1) 5. 리버싱 밸브 2(Reversing valve 2) 6. 리저버 탱크(Reservoir tank) 7. 대기압밸브(Ambiance valve) 8. 에어 스프링 밸브(Air spring valve) 9. 압력센서(Pressure sensor) 10. 압력해제 밸브(Relief pressure valve) 11. 에어주입 밸브-T커넥터 (Air filling valve-t connector) 12. 대기 연결라인(Ambient air connected line) 13. 에어 필터(Air filter) 그림 9-30 공기 배관회로 보충 시 d 시스템 내부의 공기를 외부로 배출 EAS 작동 중 밸브 블록내의 압력센서는 시스템 압력과 계산값으로 또는 외부온도의 상승, 주행 및 승차인원으로 인한 부하 등으로 공기의 질량(Air mass)이 과하다고 판 단될 때, 외부 에어 필터를 통하여 EAS 시스템 내의 공기를 대기 중에 방출한다. 밸 브블록내의 솔레노이드 밸브는 고정이 되어 에어 스프링의 높이는 변화가 없으며 폐회 로인 EAS 시스템의 에어 배출은 공기 보충 때와는 달리 컴프레셔 내 리버싱 밸브를 사용한다. 이는 컴프레셔 내 체크밸브 때문이며, 리버싱밸브 1(4)을 사용하게 되고 이

353 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 349 에 따라 이와 연결된 대기압 밸브(7)를 통해 에어가 외부로 방출된다. 외부공기와의 통로는 에어 필터 부분만 있으므로 이때도 에어 필터부를 통해 방출하게 된다 M 컴프레셔(Compressor) 2. 에어 드라이어(Air dryer) 3. 트로틀/체크 밸브(throttle/check valve) 4. 리버싱 밸브 1(Reversing valve 1) 5. 리버싱 밸브 2(Reversing valve 2) 6. 리저버 탱크(Reservoir tank) 7. 대기압밸브(Ambiance valve) 8. 에어 스프링 밸브(Air spring valve) 9. 압력센서(Pressure sensor) 10. 압력해제 밸브(Relief pressure valve) 11. 에어주입 밸브-T커넥터 (Air filling valve-t connector) 12. 대기 연결라인(Ambient air connected line) 13. 에어 필터(Air filter) 그림 9-31 공기 배관회로 배출 시 e 관련 시스템 초기 장착 시 시스템 내부의 공기 주입 이 과정은 관련 시스템 초기 장착 시 해당 시스템에 공기를 주입하는 과정을 나타내는 회로이다. 시스템 초기 공기주입(Filling)은 밸브 블록 하단부의 T형 커넥터(11)를 이 용하여 주입을 하게 되며, 이때 시스템 공기주입 순서는 리저버 탱크 - 프론트 에어 스프링 - 리어 에어 스프링 순으로 충진 된다. 컴프레셔 내 리버싱 밸브(4, 5)와 밸브 블록내의 각각의 솔레노이드 밸브들을 달리 작동시킴으로서 시스템 내 해당부분만 에 어를 주입하거나 빼낼 수 있다. 이 부분은 스캔장비를 이용하여 해당 시스템의 밸브를 잠그거나(Lock) 여는(Unlock) 명령을 수행할 수 있는데, EAS 시스템 내의 에어를 주입하거나 배출하는 과정은 아래처럼 5개로 구성되어 있다.

354 350 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 1. 리저버 탱크와 4개의 에어 스프링에 에어 주입 2. 프론트 에어 스프링 내부 에어 주입 3. 리어 에어 스프링 내부 에어 주입 4. 프론트 에어 스프링만 에어 배출 5. 리어 에어 스프링만 에어 배출 6. 리저버 탱크의 에어 배출(수동모드) : 리저버 탱크는 시스템 압력의 메인 저장고 로서 보조 밸브를 열어 시스템 내부의 공기를 배출시키데에는 시간이 많이 걸리 게 되고 이에 따른 밸브 전원인가 시간도 많이 걸려 밸브의 내구성도 약해지게 된다. 이에 따라 에어주입 밸브 T커넥터의 에어 주입부분의 인서트를 눌러 에어 를 방출한다 M 컴프레셔(Compressor) 2. 에어 드라이어(Air dryer) 3. 트로틀/체크 밸브(throttle/check valve) 4. 리버싱 밸브 1(Reversing valve 1) 5. 리버싱 밸브 2(Reversing valve 2) 6. 리저버 탱크(Reservoir tank) 7. 대기압밸브(Ambiance valve) 8. 에어 스프링 밸브(Air spring valve) 9. 압력센서(Pressure sensor) 10. 압력해제 밸브(Relief pressure valve) 11. 에어주입 밸브-T커넥터 (Air filling valve-t connector) 12. 대기 연결라인(Ambient air connected line) 13. 에어 필터(Air filter) 그림 9-32 공기 배관회로 공급 시

355 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 351 (5) 구성요소 1 컴프레셔(Compressor) 시스템 압력을 공급 또는 빼내는 역할을 하는 것으로 RH부 끝단에 장착되며, 3개의 마운 팅 포인트로 지지된다. 컴프레셔의 용량은 오픈 시스템(Open system)에 비해 그 크기와 용량은 작아도 작동 시 소음 및 진동이 발생하므로 차체에 직접적으로 장착하지 않고 진동 패드와 와셔 및 스프링 등을 사용하여 차체에 마운팅 한다. 공기 포트는 3개가 있으며, 리 저버 탱크, 밸브블록 및 외부공기와 연결된다. 또, 시스템 내부압력이 과대할 때, 그 압력을 배출하는 릴리이프밸브(Relief valve)가 내장되어 있다. 압력해제 밸브 (Relief pressure valve) 밸브블록과 연결 (직경 6mm파이프체결) 조임토오크 : 2Nm±0.5 밸브블록과 연결 (직경 6mm파이프 체결) 커넥터 조임토오크 : 2Nm±0.5 에어필터부와 연결-외부공기 (직경 8mm파이프로 끼워 넣는 타입) 그림 9-33 컴프레셔 장착위치 및 외형

356 352 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) [시스템 정상압력을 위한 컴프레셔 제어] EAS 시스템의 정상작동 범위는 시스템 내 에어메스(bar.l)로 나타내는데 그 범위는 약 95.4~114(bar.l)이며, 기준 값은 104(bar.l)이다. 시스템 작동상태, 장기주차로 인한 미 세한 공기방출, 승차인원, 주행상태 및 외부 온도 등에 따라 시스템 내부의 작동압력은 다소 차이가 날 수 있으며, 공기가 규정 시스템 압력과 차이가 날 경우, 공기를 대기로 방출하거 나, 시스템 내로 보충하기도 한다. EAS ECU는 엔진시동 후 레벨링이 완료된 후에 밸브블록내의 압력센서로 부터 시스템 내 에어매스 값을 읽고, 이 때 시스템 내 압력 값이 규정 값 보다 작은 값 (95.4bar.l)으 로 측정되면 컴프레셔는 기준 값인 104bar.l가 될 때까지 작동을 하여 공기를 보충하게 되며, 이 과정은 EAS 작동상태가 아니더라도 컴프레셔는 자동으로 작동하게 된다. 2 밸브 블록(Valve block) 밸브 블록은 6개의 압력호스 장착 포트와 10핀 커넥터로 구성되며, 6개의 압력호스 장착 포트 중 4개는 각각의 에어 스프링과 연결되고 나머지 2개는 컴프레서 및 외부 에어 필터 부와 연결되어 있다. 또한, 각 포트와 압력 파이프에는 장착성을 위하여 색상으로 매칭되어 있으며 밸브 블록의 압력 파이프 장착 부위는 플라스틱 재질로 되어 있으므로 조임 토오크 에 주의해야 한다(조임 토오크 : 3.5Nm ± 0.5). 외기 에어 필터(흰색) 컴프레셔(보라) 에어 스프링-RR(황색) 에어 스프링-RL(적색) 에어 스프링-FL(청색) 에어 스프링-FR(녹색) 그림 9-34 밸브 블록 3 휴즈 및 릴레이(Fuse & Relay) EAS용 휴즈 및 릴레이는 엔진룸 내부 EAS ECU근처에 별도로 구성되며 그 용도는 40A 휴즈는 컴프레셔 구동용으로, 15A 휴즈는 EAS ECU B+전원으로 사용된다.

357 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 353 EAS용 휴즈 및 릴레이 엔진 ECU EAS ECU EAS 슬로우 블로우 휴즈 40A EAS 휴즈 15A EAS 컴프레셔 릴레이 그림 9-35 휴즈 및 릴레이 및 내부구성 4 높이 센서(Height sensor) 높이 센서(Height sensor)는 각각의 에어 스프링 주변에 장착되어 각도의 변화를 측정하 는 센서로써 높이 센서는 차량바디부에 마운팅되어 있고 반대편 로드부분은 리어 서브프레 임부에 장착되어 차량의 높이(레벨 : Level)를 측정하게 된다.

358 354 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) FR FL RR RL 그림 9-36 장착위치 [높이 센서의 전기적 특성] 높이 센서(Height sensor)의 작동전압은 5V이며, 센서출력은 PWM신호만을 사용한다. 높이 센서(Height sensor)의 고장이 발생하면 EAS ECU는 컴프레셔 릴레이의 전원을 차 단하여 차량 레벨링(높이조정)은 이루어지지 않도록 한다. 핀11 설명 1 GND 4 아날로그 시그널(사용 안함) 5 +5V(ECU) 6 시그널 PWM 그림 9-37 높이센서

359 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 리저버 탱크(Reservoir tank) 리저버 탱크는 EAS 시스템 작동 매체인 공기(Air)를 저장하는 탱크로 폐회로 시스템 (Closed loop)에서 에어 스프링에 공기의 공급과 배출을 보다 신속하게 할 수 있도록 하는 역할을 하며, 시스템 회로 내에 어느 정도의 압력을 형성하게 하여 작은 용량의 컴프레셔를 사용하여도 시스템 작동이 가능하도록 하는 역할을 한다. 시스템의 공기 공급 및 배출시 리 저버 탱크로 하게 되고 리저버 탱크의 압력 및 에어매스 값은 리저버 탱크와 연결된 밸브블 록내의 압력센서에 의해 모니터링 된다. 커버 리져버 탱크 그림 9-38 외관 및 장착 위치 6 EAS ECU 스카이 훅(Sky-hook)방식의 ECS 기능을 포함하여 차고조정 역할을 제어한다. 그림 9-39 장착위치

360 356 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 7 G센서(Body acceleration sensor) 각각의 에어스프링 근처에 장착된 높이센서(Height sensor)는 기존의 ECS시스템에서 휠 G센서 역할 즉, 스프링 밑 질량의 변화량을 감지하는 역할도 하도록 구성되었으며 ECS기능 을 위하여 차량 바디의 상하 움직임 양을 감지하기 위하여 총 3개의 G센서를 차량에 장착 하였다. G센서는 가속도 센서로서 EAS ECU의 소프트웨어에 의해서 모니터링 되는데 EAS ECU는 G센서로부터의 출력값이 100m/s 이상 잘못된 출력값이 입력될 경우, 고장으로 인 식한다. 항 목 센서 타입 측정 범위(g) 출력 전압(V) 작동온도 구간 규 정 값 가속도 센서 g V 공급 전압(V) 5±0.25 그림 9-40 프론트 바디 G센서(Front body G-sensor) 항 목 센서 타입 측정 범위(g) 출력 전압(V) 작동온도 구간 규 정 값 가속도 센서 g V 공급 전압(V) 5±0.25 그림 9-41 리어 바디 G센서(Rear body G-sensor) 8 조향휠 각 센서(SWAS : Steering Wheel Angle Sensor) 조향휠 각 센서는 스티어링 컬럼과 스티어링 컬럼 샤프트 사이에 장착되며 스티어링 컬럼 어셈블리를 탈거한 후, 조향휠 각 센서를 탈거한다. 또한, 조향휠 각 센서는 EAS 시스템과 ESP(Electronic Stability Program) 시스템 모두 공통적으로 사용되는 센서로서 기본적으 로 ESP HECU(Hydraulic & Electronic Control Unit)에서 조향 각 센서의 신호를 받고 EAS 유니트에 스티어링 조작속도와 휠 각 속도를 CAN를 통해 전달한다. 이 신호는 주행 중 조향휠 조작에 따른 차량 좌우 움직임의 변화에 따른 감쇄력을 제어하는 주요 신호가 된 다.

361 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 조향휠 각 센서 2. 스티어링 컬럼 3. 텔레스코픽 스티어링 자동 모터 4. 멀티펑션 스위치 5. 스티어링 휠 6. 키 실린더 그림 9-42 조향휠 각 센서 조향휠 각 센서 내부에는 포토 트랜지스터(Photo transistor)와 발광 다이오드(LED)가 있으며, 그 사이에 홀이 가공되어져 있는 슬리트 판이 있다. 조향 스티어링을 회전함에 따라 홀이 가공되어져 있는 내부 슬리트 판이 스티어링 컬럼 샤프트와 같이 회전하면 내부의 홀 을 통해 전압이 발생하게 된다. 검출되는 전압은 3개의 단자로부터 펄스 형태로 HECU 유 니트에 전송된다. 그 전송된 신호를 CAN을 통해서 EAS ECU가 인식하게 된다. 이때, 2개 의 전압 펄스는 조향휠의 위치와 그 각속도를 검출하기 위해 평균값을 얻기 위함이고, 나머 지 하나의 펄스 유형은 조향휠의 센터 정렬 유무를 확인하는 역할을 한다.

362 358 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) 항 목 규 정 값 작동 전압 범위 9 16V 최대 출력 전류 10mA 검출 최대 각속도 1500 /S 동작 온도 범위 공급전압 9 16V(배터리 전압) 발광다이오드 포토트랜지스터 전원 단선시 0V 센서 접지 단선시 전원전압 -0.7V 스티어링 컬럼 슬로트판 출력 전압(HI) 약 3.50V( V) 출력 전압(LO) 약 1.50V( V) ST1 ST2 STN VHIGH V LOW V HIGH V LOW V HIGH V LOW 펄스수/1회전 45Pulses/1rev 듀티(Duty) 약 50% ST1과 ST2 평균값으로 조향휠 각도와 각속도 검출 조향휠 중심 STN 조향휠 센터값 검출 그림 9-43 조향휠 각 센서 특성 9 감쇄력 가변 솔레노이드 밸브 감쇄력 가변 솔레노이드 밸브는 EAS 관련 센서로부터 신호와 CAN 라인을 통한 참고값 을 기준으로 EAS ECU는 내부적으로 초기 신호값을 계산하여 감쇄력값으로 전환한 후, 다 시 전류값으로 전환하여 각 감쇄력 가변 솔레노이드 밸브로 출력값을 보낸다. 이 작용은 프 론트 댐퍼 스트러트와 리어 쇽업쇼버의 압축 또는 팽창과정에서 EAS 유니트의 출력 전류 값에 따라 솔레노이드 자화량이 변경되고 이에 따라 아마츄어 내부의 슬라이더의 움직임 또 한 변화된다. 슬라이더의 움직임 량이 변경됨에 따라 슬라이더 끝단의 밸브로 인하여 유체 의 통로 또한 변경되고 또 이 양에 따라 내부 스프링의 압축력 또한 변경되어 메인 밸브 시 트를 통한 유체의 흐름 양 또한 변경된다.

363 9.5 EAS(Electronic Air Suspension)현가장치 359 솔레노이드 밸브 댐퍼스트러트 슬라이더 아마츄어 피스톤 첵크 밸브 메인 벨브시트 베이스 첵크 밸브 그림 9-44 밸브 내부 구조 10 표시창과 스위치 a ECS 스위치 및 표시등 험로운전, 커브길 운전 등에서 조향 안정성을 향상 시키고자 할 때 ECS 스위치를 누 르면 계기판에 있는 PORT P램프가 점등 되고 하드모드(Hard mode)로 전환된다. 그리고 스위치를 한 번 더 누르면 계기판에 있는 PORT P램프가 소등되고 소프트 모드로 전환 된다. 소프트 모드(Soft mode)는 일반적인 도로에서 승차감을 부드럽게 할 때 사용한다. ESC 스위치 SPORT 표시등 SPORT 그림 9-45 ECS 스위치 및 표시등

364 360 제9장 전자제어현가장치(ECS : Electronic Control Suspension) b EAS 경고등 EAS 경고등은 계기판에 위치해 있으며 점화 스위치를 N 위치로 하면 약1.8초 동안 점 등된 후 소등된다. 만약 주행 중에 EAS 시스템에 이상이 발생하면 EAS 경고등은 점등되 고, 결함코드는 EAS ECU에 저장된다. EAS 경고등 EAS 그림 9-46 EAS 경고등 c EAS 스위치 및 레벨링 표시 EAS 스위치를 조작함에 따라 차고 높이를 조정할 수 있으며 그 상태를 계기판의 EL 전 시창에 표시하도록 구성하였다. EAS 스위치 하이웨이 모드 (Highway mode) 기준 모드 (Normal mode) 오프로드 모드 (Off-road mode) 그림 9-47 EAS 스위치 및 레벨링 표시

365 제10장 전자제어 조향장치 조향장치의 스티어링 조타력 증대를 위해 가장 보편화된 방식은 엔진의 구동력을 이용하 여 오일펌프를 구동시켜 발생된 유압을 이용한 유압 제어방식이다. 이 방식은 엔진의 회전 수 증가에 따라 조향휠의 조작력이 가벼워져 여러 운행조건에서 조향의 안정감이 줄어드는 단점이 있다. 전자제어 조향장치는 이러한 단점을 개선하기 위해 개발된 시스템이다. 오일펌 프를 전동모터로 구동하는 시스템으로 큰 조타력을 얻으면서도 불필요한 동력손실을 막는 장점이 있다. 차종에 따라 같은 원리의 제어시스템이라도 명칭 등이 다르며 또한 동일 명칭 이라도 시스템이 다른 경우가 있으므로 참고하여야 한다. (1) 엔진의 회전수에 따라 유압제어를 하는 방식 [예] ERSP(Engine RPM Sensing Power Steering) (2) 차량속도에 따라 유압을 제어 하는 방식 [예] SSPS(Speed Sensitive Power Steering) ECPS(Electronic Control Power Steering) EPS(Electronic Power Steering) (3) 오일펌프를 전동모터로 구동하는 방식 [예] EHPS(Electric Hydraulic Steering) (4) 전동모터로 직접 조타력을 증대시키는 방식 [예] MDPS(Motor Driven Power Steering) EPS(Electric Power Steering) 10.1 SSPS(Speed Sensitive Power Steering) 차량의 속도에 따라 파워스티어링의 특성을 변화시켜 저속이나 고속 시에도 안정감이 있 도록 조정되는 장치를 속도 감응형 파워스티어링 이라고 한다. 즉 정차시나 차량의 속도가 낮을 때는 파워스티어링이 가벼워지고 고속주행 시는 파워스티어링이 무거워지게 제어하는 시스템이 SSPS, ECPS, EPS시스템이다. 일반적으로 SSPS 시스템은 유압 반력식 타입으로 차속센서로부터 차량의 속도를 입력받아 파워스티어링 컨트롤모듈에서 파워기어박스에 위치 한 압력 솔레노이드밸브를 전류 제어하여 반력 플런저로 가는 유압을 조절함에 따라 최적의 조타력을 실현할 수 있는 시스템이다.

366 362 제10장 전자제어 조향장치 구성 및 작동 (1) 구성도 EPS ECU 2 솔레노이드 밸브 3 파워펌프 4 호스 5 리저버 6 핸들 컬럼 샤프트 7 핸들 컬럼 8 기어박스 (2) 입출력 입력 제어 출력 IG 전원 접지 E P S PCV (압력조절솔레노이드밸브) 차속센서 TPS E C U 고장진단

367 10.1 SSPS(Speed Sensitive Power Steering) 차속센서 차속센서는 홀소자를 이용한 센서로서 변속기에 장착되어 있다. 센서 내부에는 4개의 돌 기를 가진 로터가 회전하면서 홀 효과를 유발 디지털 펄스를 출력하여 차량의 속도를 EPS ECU로 입력한다. 로터 흡소자 센서 동력 센서입력 12V 5V ECU 항 목 로터 회전당 펄스 주기 소모전류 센서제원 4HZ 637rpm/60km/h 최대 10mA 출력파형 5V 0V 50% 1HZ 로터 1회전 출력전압 ON : 0V OFF : 5V 듀티(Duty) 50±20% 그림 10-1 차속센서 특성 2 TPS 스로틀 개도를 알기 위한 신호로 ECU가 TPS를 감시하므로 차속센서 고장 시 조향력을 적정하게 유지하기 위한 센서이다. 3 솔레노이드밸브 a 솔레노이드밸브는 EPS ECU가 제어하며 EPS 컴퓨터는 차속에 따라 솔레노이드밸 브의 전류량을 제어한다. b 솔레노이드밸브는 전류량에 따라 내부의 유로가 변하므로 반력플런저에 가해지는 유 압이 변하게 된다. c 반력플런저에 가해지는 유압의 변화에 의해 입력축에 가해지는 압력이 변하므로 전 류량에 따라 각기 다른 조향력을 얻을 수 있다. 그림 10-2 솔레노이드밸브

368 364 제10장 전자제어 조향장치 파워스티어링 밸브 스프링 스풀 조정밸브 압력 밸런스 라인 밸브 보디 좌측 실린더 필터 오리피스 플런저 우측 실린더 반력기구부 솔레노이드 밸브 리액션 인 라인 스티어링 기어박스 그림 10-3 단면도 [작동원리] a Parking, 저속주행 시 가 ECU에서 Maximum에 가까운 전류를 출력 나 솔레노이드밸브의 작동으로 솔레노이드 로드가 PCV의 스풀을 우측으로 밀어낸다. 다 펌프로부터 들어오는 유압이 스풀의 오리피스가 차단되어 반력부로 공급되지 않는 다. 라 유압의 공급이 차단되어 가벼운 조향력을 제공한다. 솔레노이드 밸브 리액션 챔버 유압(차단) 그림 10-4 솔레노이드밸브 작용 b 중, 고속 시 가 ECU의 출력전류가 저하하여 솔레노이드의 로드축력이 감소 나 스프링에 의해 PCV(압력조절밸브)의 스풀이 솔레노이드 밸브 쪽으로 열림 다 펌프유압은 열린 오리피스를 거쳐 피니온 반력부로 이동 반력플런저에 반력을 가하 게 된다. 라 이 때 반력플런저는 입력축의 V-홈에 반력이 전달되어 무거운 조항력을 제공한다.

369 10.1 SSPS(Speed Sensitive Power Steering) 365 솔레노이드 밸브 리액션 챔버 유압(공급) 그림 10-5 솔레노이드밸브 작용 4 EPS ECU a 차속센서 신호를 근거로 현재의 차속을 검출하여 차속에 맞는 가장 적절한 조향력을 확보하기 위해 솔레노이드밸브를 제어한다. b 차속센서 고장 시 TPS를 통한 자기보정(Fail safe) 기능이 있으며 고장발생 시 고장 코드를 출력하는 기능을 수행한다. EPS ECU 블로워 모터 그림 10-6 EPS ECU 제어 전자제어 파워스티어링은 전자기술을 활용하여 일반 파워스티어링의 기능에 추가된 기어 박스의 입력축(Input shaft)에 설치된 반력 플런저(Reaction plunger)에 작용하는 유압을 제어함으로써 조향력에 대한 유압특성을 차속에 따라 변화시켜 차속 및 조향상태에 따라 적 절한 조향특성을 얻을 수 있도록 한 시스템이다. 즉 EPS ECU는 솔레노이드밸브에 대하여 전류제어를 행하며 전류제어는 듀티제어 방식으로 차속이 증가할수록 전류값은 낮게 출력시 켜 조향력을 적당히 무겁게 하여 안정감을 주고 차속이 저하될 때는 전류값을 높게 출력시 켜 조향력을 가볍게 하여 주차 편의성을 증대시킨다.

370 366 제10장 전자제어 조향장치 1.0 전 류 차 속 그림 10-7 속도대비 EPS ECU 출력 전류 예 (1) 정차 시 또는 저속주행 시(0~60km/h) 정차 및 저속주행 시는 솔레노이드에 컨트롤 유니트로부터 약 1A의 전류가 보내져 솔레 노이드 플런저에 최고로 큰 축력이 상 방향으로 작용한다. 이 때문에 PCV(압력조절밸브)는 상부에 위치한 스프링을 압축하며 위로 상승하여 오일펌프의 오일압력이 작용하는 유로와 반력플런저로 가는 유로를 막은 위치에 있게 되어 반력플런저에 작용되는 유압을 제한하게 된다(압력 0). 이 결과 반력플런저가 입력축을 누르는 힘이 없기 때문에 이때 가장 경쾌한 조향을 할 수 있다. 다우웰핀 챔버 A 플런저 입력축 토션바 로터리밸브 랙크 하우징 리턴 오리피스 A 피니온 기어 오일 리저버 오일펌프 반력 플런저 A PVC a b c d e 단면 A-A 플런저 입력축 챔버 토션바 리턴 오리피스 반력 플런저 피니온 기어 솔레노이드코일 ECU에서 그림 10-8 반력플런저 및 솔레노이드밸브

371 10.1 SSPS(Speed Sensitive Power Steering) 367 (2) 중고속 주행 또는 보통 조향 시 솔레노이드밸브 플런저 및 PCV(압력조절밸브)의 위치는 중고속 중립의 경우와 동일하며 유로 A에서 유로 D에의 통로는 열리게 된다. 이 상태에서 스티어링휠을 통상의 조향범위 내에서 조작하면 오일펌프 토출압은 저속주행시의 경우와 같게 스티어링 조향각에 대해서 상승한다. 이 결과 조향력에 비례한 출력유압이 얻어져 중고속 주행시에 적절한 조향감각을 얻을 수 있다. (3) 고속주행 큰 조향 시 1 솔레노이드 플런저 상방에의 축력은 차속의 증가에 따라 적어지므로 PCV는 하단으로 이동하고 유로 B가 열리면서 유로 D로 오일이 공급되어 반력 플런저의 뒷면을 밀게 되어 플런저는 입력축을 잡게 되어 토션바와 피니온 기어가 일체가 되도록 조향력은 무겁게 된 다.(완전 수동과 동일) 따라서 험한 길을 주행할 경우나 타이어가 펑크가난 경우 노면에서 큰반력이 작용하면 펌프 토출압이 보통 조향시보다 상승하여 반력플런저에 작용하는 유압을 규정압력이하로 제어한다. 2 이 결과 주행 시에 노면에서 큰 힘이 작용한 경우에도 조향력을 일정 이하로 조절하여 험한 길 등을 주행하면서도 핸들을 놓치는 일이 없도록 한다. 오일 펌프 오일 리저버 A 오일 리저버 오일 펌프 A 스프링 B 입력축 D PVC 토션바 로터리 밸브 C 단면 A-A 오리피스 C A A 솔레노이드 B B 반력 플런저 피니온 기어 파워 실린더 단면 B-B 단면 C-C 차속 센서 TPS 콘트롤 유니트 그림 10-9 작동도

372 368 제10장 전자제어 조향장치 10.2 EPS(Electric Power Steering), MDPS(Motor Driven Power Steering) 전동식 동력조향 시스템(EPS SYSTEM)은 차량의 주행속도에 따라 스티어링 휠의 조타 력을 전자제어로 모터를 구동시켜 주차 또는 저속 시에는 조타력을 가볍게 해주고, 고속 시 에는 조타력을 무겁게 하여 고속 주행 안정성을 운전자에게 제공하는 시스템으로 차량의 연 비 향상과 전기 자동차에 적극적으로 대응하기 위한 System이다. 기존의 유압식 파워 스티 어링과 달리 엔진의 작동과 관계없이 독립적으로 기능을 수행한다. 토크 센서, 조향각 센서 및 페일 세이프 릴레이 등과 같은 EPS 시스템 구성 부품은 스티어링 컬럼 & EPS 유닛 어 셈블리 내부에 위치한다. 자동 주차장치, 전기자동차 등에 유리하게 활용할 수 있다. 경고등 토크 센서 IG DN TSV TSM TSS TSE 차속 B M1 M2 12V M 모터 자기진단 배 터 리 IG-ON RPM IG 퓨즈 퓨즈 접지 아이들 업 그림 EPS 제어도 EPS SYSTEM의 종류 EPS는 Steering system에 있어서 모터의 부착 위치에 따라 그 종류를 구분한다. (1) 칼럼 구동식(C- TYPE) 전동모터를 스티어링 칼럼축에 부착하여 클러치, 감속기구(웜 & 웜휠) 및 토크센서 기구 등을 통하여 조향력 증대를 수행한다. 경차 및 소형차에 주로 적용한다. 입력부, 제어부, 출 력부로 구성되어 있으며 입력부는 입력센서 신호로부터 운전상황을 판단하는 역할을 하며, 제어부는 입력센서 정보를 바탕으로 유니트에 설정된 제어로직에 따라 출력부를 제어한다.

373 10.2 EPS(Electric Power Steering), MDPS(Motor Driven Power Steering) 369 출력부는 EPSCM(Control module)의 신호를 받아 모터를 구동하며 경고등, 아이들 업, 자기진단기능을 수행한다. <감속기 구조> 모터 모터 ECU 차속 토크 엔진회전수 모터 키 박스 토크센서 감속기 스티어링 칼럼 샤프트 ECU 그림 칼럼 구동식 EPS 장점 - 연비저감과 낮은 에너지 소모 그리고 단순한 형식이 가능하다. - 엔진정지 시에도 조향력 증대가 가능하다. - 조타 특성 튜닝이 용이하다. - 엔진룸 레이아웃 설정용이 및 모듈화가 용이하다. - 오일 및 유압관련기구 삭제로 환경친화 및 소음저감실현이 가능하다.

374 370 제10장 전자제어 조향장치 단점 - 유압 배력식 대비하여 복귀력 열세로 핸들링이 저하된다. - 토크의 한계로 중대형차에 적용이 불가능하다. - 조향성 향상 및 경량필요, 그리고 저관성 모터 개발이 필요하다. 1 입력부 입력부의 입력신호로는 토크센서, 차속센서, 엔진회전수로 구성된다. a 토크센서 토크센서는 스티어링 칼럼 중앙에 일체로 달려 있다. 이 센서는 운전자가 조향휠을 돌 려 스티어링 컬럼을 통해 랙과 피니언의 증대로 바퀴를 돌릴 때 생기는 토크를 측정하 도록 되어 있다. 컬럼에 비접촉식으로 부착된 형식으로 전류에 생기는 자기장을 이용 하여 축의 비틀림에 걸리는 전류의 값을 이용하여 측정하게 되어 있으며 증폭회로가 내장되어 있다. 그림 토크센서 b 차속센서 차속센서는 변속기 출력축에 장착되어 있으며 홀센서 방식이다. 차량속도를 엔진 ECU 로 입력하며 주행상태를 판정하여 점화시기 및 연료분사량을 보정하는데 공회전 속도 보정을 비롯하여 냉각팬 제어의 신호로 사용한다. EPS시스템에서는 속도에 따른 조타 력제어를 위한 신호로 사용한다. c 엔진회전수 실린더 블록에 장착되어 있는 크랭크샤프트 포지션(CKP)센서는 각 실린더의 크랭크각 (피스톤위치)을 감지하여 이를 펄스신호로 ECU에 입력한다. 엔진 ECU는 이 신호에 입각하여 엔진속도(회전, 정지)를 계산하고 연료분사 시기와 점화시기를 제어한다. EPS 시스템에서는 엔진 ECU로부터 엔진회전수를 입력받으며 500 RPM이상 시 시스 템이 정상적으로 작동한다.

375 10.2 EPS(Electric Power Steering), MDPS(Motor Driven Power Steering) 제어부 제어부는 EPS 시스템을 제어하는 유니트인 EPSCM으로 구성된다. EPSCM은 입력부의 입력센서 신호로서 운전상황을 판단하고 유니트에 설정된 제어로직에 따라서 출력부의 모터 를 구동시킨다. 또한 제어로직에 따라 경고등 및 아이들 업제어 등을 수행한다. a EPSCM 운전자는 핸들을 돌릴 때 토크센서로부터 조향력을 감지받는다. 이때 ECU는 핸들의 세기를 측정하여 모터를 구동하게 된다. 모터의 구동력은 핸들을 조작하는 토크에 비 례하여 구동하게 된다. 장착위치는 스티어링 컬럼에 부착되어 있다. 그림 EPSCM(EPS Control Module) 3 출력부 출력부는 EPSCM의 제어로직에 따라 구동모터를 제어하며 경고등 제어, 아이들업 제어, 자기진단기능을 수행한다. a 모터 운전자는 조향휠을 돌릴 때 모터에 의해 핸들의 구동력을 보조받도록 되어 있다. 이때 사용되는 모터가 구동모터이다. 브러쉬 타입의 직류 모터로써 스티어링 컬럼에 웜과 웜기어로 컬럼을 구동하도록 되어 있다. 장착위치는 컬럼 중앙에 달려 있다. b 경고등 계기판에 위치하며 EPS 시스템의 고장유무를 운전자에게 알려준다. 이 경우 전동식 파워 핸들은 작동하지 않으나 기계적인 조향은 가능하다. 경고등 점등조건 - IG On시 EPS 경고등 4~5초간 점등 후 소등 - 고장진단기 연결 시 EPS 경고등 점등 - 시스템 고장 시 EPS 경고등 점등

376 372 제10장 전자제어 조향장치 그림 구동모터와 감속기어부 (2) 피니언 구동식(P-TYPE) 전동 모터를 STRG Gear의 피니언 축에 부착해 클러치, 감속기구 및 Torque sensing 기구 등을 통하여 Power assist 한다. 경차 및 소형차에 주로 적용한다. 그림 피니언 구동식 ECU가 각 Sensor(차속, 조향 Torque) 등을 통하여 운전상황을 감지하여 전동 모터의 구동 토크를 제어함으로써 적절한 Power assist 한다. (3) 랙 구동방식(R-Type) 전동 모터를 스티어링 기어의 랙 축에 부착해 감속기구(Ball nut & Ball screw), 토크 센싱 기구 등을 통하여 Power assist 한다. 중대형 승용차에 사용 가능하다.

377 10.2 EPS(Electric Power Steering), MDPS(Motor Driven Power Steering) 373 그림 랙 구동방식 ECU가 각 Sensor(차속, 위치, 조향 Torque) 등을 통하여 운전상황을 감지하여 전동 모 터의 구동 토크를 제어하며, 복원력 및 댐핑제어로 Kick back과 Shimmy를 저감한다 제어특성 ECU가 차속센서, 위치센서, 조향 토크센서 등을 통하여 운전상황을 감지하여 전동 모터 의 구동 토크를 제어하며, 복원력 및 댐핑제어로 킥백, 시미 등의 저감 및 최적 조향력 증대 를 수행한다. 여러 가지의 장점 외에 고전압(42V 전원)에 대응 및 사이즈 축소가 가능하다. 단점으로는 유압배력식에 비하여 복귀력 열세로 핸들링이 저하되고 매뉴얼 타입에 대비 가 격이 상승, 조타감 향상 및 경량 그리고 저관성 모터 개발이 필요하다. - 킥백(Kick back) : 요철이 있는 노면을 주행할 경우 등에 스티어링휠 주방향에 발생하 는 쇼크를 말한다. 타이어가 노면의 요철에 의해 킥(발로 참)함으로써 백(되돌아가는 것)하 고, 스티어링휠을 충격적으로 돌리는 데에서 이렇게 불리고 있다. - 시미(Shimmy) : 전륜의 옆 흔들림에 따라서 스티어링휠의 회전축 주위에 발생하는 진 동으로 이 진동은 그 발생이유로 구별하면 저속시미와 고속시미로 분류할 수 있다. 저속시 미는 노면의 요철부분을 지나갈 때의 외란에 의해, 고속시미는 차륜의 회전 불균형 등에 의 해서 발생하기 쉽다. (1) 제어회로의 구성과 동작 Micro computer를 중심으로 차속과 조타 토크신호 등의 입력회로, 모터의 구동회로, 모 터전류와 전압 등의 검출과 감시회로로 구성되어 있다. 토크신호와 차속신호에 의해서 Micro computer가 Assist량을 결정하고, 모터가 작동되 면서 파워스티어링이 된다.

378 374 제10장 전자제어 조향장치 EPS의 제어는 여러 가지가 있으나 분류를 해보면 다음과 같다. 1 아이들업 제어 EPS는 45A를 사용하기에 아이들 시 작동을 하게 되면 발전기에 걸리는 부하가 커서 엔 진 회전수가 다운될 우려가 있다. 이를 방지하기 위해서 모터에 걸리는 전류가 25A 이상이 되는 경우는 엔진의 아이들업 신호를 준다. 모터에 걸리는 전류가 다시 20A 이하로 되거나 차량의 속도가 5km/h 이상이 될 경우는 아이들업을 하지 않는다. 엔진 ECU는 걸리는 전압 을 어스함으로서 아이들업 신호를 받도록 되어 있다. 2 모터 제어 a 차속에 따른 모터 구동전류 제어 모터에 가해지는 전류의 세기는 스티어링 토크에 의해 결정되고 있다. EPSCM은 운전 자가 돌리는 조향 휠의 세기를 토크센서를 통해 감지하도록 되어 있다. 이 세기는 전 류로 환산되어 ECU로 들어오게 된다. 이 값은 기본 자료로 사용되고 여기에 차속이 결합하여 하나의 테이블형식의 표가 형성된다. b 과부하보호 제어 차량 정지상태에서 비정상적인 연속 조타 시 모터에 걸리는 전류가 최대 45A이므로 발생하는 열 또한 많게 된다. 이러한 전류는 ECU 내부에 열에 의한 영향을 미치게 된 다. 이는 회로의 고장을 야기함으로 지양해야 한다. ECU는 내부에 더미스터를 장착하 여 ECU에 걸리는 온도를 직접 측정하게 된다. 모터에 일정 시간동안 계속해서 작동을 하게 되면 일정 시간 후에 전류를 제한하기 시작한다. 이 전류는 약 8A 정도까지 제 한하게 된다. 미조타 상태에서 최대 20분 정도가 흘러가면 정상상태로 복귀된다. 비정 상적인 상태이므로 실 주행 및 주차에는 문제가 되지 않는다. 이 시간은 ECU내부에 걸리는 온도에 따라서 시간제어가 달라진다. c 인터록 회로 기능(Interlock circuit function) 중 고속 주행 시 시스템 이상(ECU 고장 등)에 의한 예기치 않은 급조타를 방지하기 위한 기능으로 모터전류가 흐르지 못하게 전류 제한범위를 설정해놓은 기능이다. d 보상 제어 모터가 정지상태에서 작동을 하거나 또는 작동상태에서 정지를 할 때, 모터의 속도가 변하고 이에 따라 회전가속도가 변하게 된다. 모터를 정밀하게 제어하기 위해 모터의 속도나 가속도에 따라 보상을 수행하는 제어를 보상제어라 한다. 즉 조타감을 향상시 키기 위한 보상을 행하는 것이다. 가 마찰보상 제어 마찰보상 제어는 모터가 회전을 할 때 생기는 마찰값에 대한 보상을 의미한다. 기계 적으로 모든 물체는 최초로 움직일 때 마찰을 갖게 되는데 이를 보상해주는 제어를 말한다. 이 보상값은 모터의 전류에 계산되어 모터가 회전을 원활하게 돌아가는 것

379 10.2 EPS(Electric Power Steering), MDPS(Motor Driven Power Steering) 375 을 도와준다. 마찰제어는 최초 움직이는 값을 도와주는 것이다. 나 관성보상 제어 모터의 회전속도에 따라서 모터의 관성이 상이하기 때문에 원활한 회전을 시키기 위 하여 전류보상을 행한다. EPSCM은 일정한 상수를 두어 제어 시 그 값에 맞는 데이 터 값을 주어 제어하는 것을 관성보상이라 하며 속도에 따른 가속도를 정밀하게 제 어하기 위해서 있다. 다 댐핑보상 제어 고속에서 급격한 차선변경과 같은 조타를 하였을 경우 저속에 비해 상대적으로 큰 복원력이 발생한다. EPS 시스템에서는 모터와 같이 관성이 큰 부분에 영향을 미쳐 조향휠이 중립을 벗어나게 되며 이는 차량의 거동에 물고기 꼬리(Fish tailing)와 같 은 영향을 미친다. 따라서 전류값을 빼주는 보상을 하여 모터의 속도에 따른 진동을 흡수하기 위한 제어이다. 조타속도 즉, 모터가 회전하는 각속도가 12.2rad/s를 기준 으로 각속도가 느릴 때와 빠를 때에 따라 제어를 달리한다.

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381 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 11.1 ABS의 개요 CBS 브레이크 장치(Conventional Brake System)는 급제동 및 노면 악조건 하에서의 제동 시 바퀴의 잠김 현상이 발생하면 이로 인하여 차량은 방향 제어 불능상태에 빠지게 되 고 제동거리 또한 길어지게 된다. ABS(Anti-Lock Brake System)는 이러한 바퀴의 잠김 을 미연에 방지하고 최적의 제동력 및 조정 안전성을 유지하여 사고의 위험성을 줄이는 예 방 안전장치이다. [급제동 시 ABS 장착차량과 CBS 와 비교] CBS(Conventional Brake System) 차량 ABS 비 장착차량에서는 슬립율 λ가 100%가 되므로 타이어 제동력 손실로 인하여 제동 력 길이가 길어지며 또한 타이어 횡 마찰력 상실로 인하여 조향능력을 상실하게 된다. ABS 장착 차량 ABS System을 이용하여 브레이크 압력을 증압, 감압을 통하여(바퀴 속도 조절 가능) λ 를 통상 아스팔트(Asphalt) 기준 10~20% 정도를 유지시켜 타이어 제동력을 극대화하고 타이어 횡 마찰력 손실을 최소화하여 제동거리 단축 및 조향 안정성을 확보한다 ABS의 필요성 ABS란 Anti-lock Brake System의 머리글자로 주행 중 제동 시 타이어의 록(lock)을 방지하는 것으로 급제동 또는 노면의 악조건 상태에서의 제동 시 타이어의 록으로 인하여 차량은 제어불능 상태로 진행이 되어 조향력 상실은 물론 제동거리 또한 길어지는 경우가 있다. ABS는 이러한 타이어 록 현상을 미연에 방지하여 최적의 그립(Grip)력을 유지하므로 사전에 사고의 위험성을 감소시키는 예방 안전장치이다 ABS의 목적 1 제동거리 단축(Stopping distance) 2 방향 안정성 확보(Stability)

382 378 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 3 조종성 확보(Steerability) ABS의 효과 ABS의 효과는 주행조건 및 노면상태에 따라 차이가 크며, 노면 마찰계수(μ) 이상의 제 동성능 기대는 금물이며 차량방향 안정성 확보에는 운전자의 조향능력이 조금은 필요하다는 것을 반드시 명심해야 한다. (1) 직진주행 제동 시 차량이 직진방향으로 주행 중 한쪽 타이어의 노면이 미끄러지기 쉬운 상태에 있고 다른 한쪽 타이어의 노면이 통상 상태에서 제동 시, 마찰계수가 낮은 차륜이 록 되어 ABS 비장 착 차량은 마찰계수가 높은 방향으로 쏠려서 그림 11-1과 같이 스핀을 일으킨다. 이와 반대로 ABS 장착차량은 제동 시 각 차륜의 제동력이 독립적으로 제어되므로 직진상 태로 제동되는 것은 물론 제동거리 또한 단축된다. 1 마찰계수가 낮음 : 빙판 노면 2 마찰계수가 높음 : 일반 노면 미 끄 러 운 노 면 미 끄 러 운 노 면 미끄러운 노면 제동 개시 제동 개시 ABS 비장착 차량 ABS 장착차량 ABS 비장착 차량 ABS 장착차량 직진주행 제동 시 선회주행 제동 시 그림 11-1 ABS 효과 (2) 선회주행 제동 시 주행 중 미끄러운 노면에서 선회 제동 시 급제동을 하면 ABS 비장착 차량은 차륜이 록 되어 그림 11-1과 같이 선회코스의 접선방향으로 미끄러진다. 이에 반해서 ABS 장착차량 은 차륜의 록이 방지되어 선회코스를 따라 운전자의 의지대로 주행할 수 있다. (1), (2)의 내용을 요약하면 제동제어 시 노면의 상태에 따라 자동적으로 제동력을 제어하여 제동 안정 성을 보다 높게 확보할 수 있는 시스템이다.

383 11.1 ABS의 개요 379 (3) ABS 비장착 차량과 장착차량의 제동 시 비교(노면 빙판상태) 1 ABS가 장착되지 않은 차량(그림 11-2) 2 ABS 장착차량(1채널로 후륜만 제어방식)(그림 11-3) 3 ABS 장착차량(2채널로 전륜 제어방식)(그림 11-4) 4 ABS 장착차량(3또는 4채널 제어방식)(그림 11-5) 2채널방식과 3 또는 4채널 제어방식을 비교하면 3 또는 4채널 제어방식이 효과적인 제어 를 한다. 1 1 그림 11-2 ABS가 장착되지 않은 차량 2 2 그림 11-3 ABS 장착차량(1채널로 후륜 제어방식) 3 3 그림 11-4 ABS 장착차량(2채널로 전륜 제어방식)

384 380 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 4 4 그림 11-5 ABS 장착차량(3채널로 전륜 제어방식) 11.2 ABS 제어원리 슬립률과 노면과의 관계 주행 중 제동 시 타이어와 노면과의 마찰력으로 인하여 차륜속도가 저하되면서 차량속도 가 저하된다. 이때 차량속도와 차륜속도에 차이가 생기는 것을 슬립현상이라 하며, 그 슬립 의 양을 백분율로 표시하는 것을 슬립률(%)이라 한다. 이 슬립에 의해 타이어와 노면사이 에 발생하는 마찰력이 제동력이 된다. 그러므로 제동력은 슬립의 크기에 의존하는 특성을 나타내며 슬립률은 슬립의 크기를 나타내는 것으로 아래의 식으로 정의한다. 슬립률 여기서 : 차량속도, : 차륜속도 A : 차체속도 B : 차륜속도 B A 그림 11-6 슬립률 슬립률을 한마디로 요약한다면 주행 중 제동 시 차륜은 록 되나 관성에 의해 차체가 진행 하는 것을 말한다. 슬립률은 차량속도가 빠를수록 제동토크가 클수록, 노면의 마찰계수가 낮 을수록 크다.

385 11.2 ABS 제어원리 제동력 및 코너링 포스(Cornering force)의 특성곡선 다음에 보이는 특성곡선은 제동특성 및 코너링 특성에 대하여 타이어와 노면간의 마찰계 수와 타이어의 슬립률의 관계를 보여주는 예이다. 1 가로축은 타이어의 슬립률을 표시하는데 0%는 차륜이 노면에 대하여 완전히 회전하는 상태를 나타내고 100%는 차륜이 록된 상태를 보여준다. 2 브레이크 특성에 따라 슬립률이 약 90% 전후에서 최대의 마찰계수가 얻어지지만 이후 에는 감소되어진다. 코너링의 특성에 따라서는 슬립률이 증대하면 마찰계수는 감소되 어 슬립률 100%에서는 마찰계수가 0이 된다. 차륜이 록(Slip 100%)이 되면 제동력이 저하되어 제동거리가 길어지며 코너링 포스를 잃 어 조종 및 방향 안정성이 상실되어 차량의 스핀(Spin)이 일어날 수 있다. 코너링 포스란 주행 중 선회 시 생기는 원심력에 견디는 힘이며 타이어의 진행방향에 직각으로 생기는 그 립(Grip)력이다. 3 즉 코너링 포스는 슬립 0%에서 최대가 되고 슬립률 증가와 함께 감소하여 슬립 100%에서는 거의 0이 된다. ABS는 이러한 원리를 기본으로 하여 차륜이 록되는 현상이 발생할 때에 브레이크 유압을 제어하며 슬림률이 최적의 값인 빗금친 부분에서 유지되도록 제동력을 최대한 발휘하여 사 고를 미연에 방지한다. ABS 컨트롤 범위 1.0 안정 불안정 젖은 노면 마른 노면 브 레 이 크 와 브레이크 포스 마 찰 계 수 눈 얼음 % 슬립 코 너 링 포 스 코너링 포스 0 슬립 100 (a) (b) 그림 11-7 슬립률, 제동력과 코너링 포스의 특성곡선

386 382 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 전자식 ABS의 기본 제어원리 (1) 작동방식에 따른 제동력 변화 1 ABS 비장착 차량 급제동시 제동유압은 일반적으로 타이어의 록이 발생할 정도로 과대해진다. 따라서 제동 상태는 비정상이 된다. 이로 인하여 뜻하지 않은 사고가 발생될 가능성이 매우 높다(그림 11-8(a) 참조). a 주행 중 제동 시 차속이 감소한다. b 주행 중 제동 시 제동유압이 상승한다. c 타이어의 록 포인트(차륜 고착). 2 ABS 장착차량 급제동시 차륜속도 센서를 통해 전자제어 유닛(ECU)으로 전달될 차륜의 감속도가 과대 하여 타이어가 록되는 순간 그 차륜의 브레이크 압력이 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유 지되므로 인하여 적정한 그립력이 형성되어 제동거리의 단축에 영향을 준다(그림 11-8(b) 참조). a 주행 중 제동 시 차속이 감소한다. b 주행 중 제동 시 제동유압이 상승한다. c 제어시점에서 제동유압을 제어한다. 차속 c a 차속 a c b b 시간 시간 (a) ABS 비장착차량 (b) ABS 장착차량 그림 11-8 작동방식에 따른 제동력 변화 (2) 작동상태의 Cycle(ABS 장착차량) 1 그림 11-9 (a) : 주행 중 급제동시 차륜의 속도를 연산하여 차륜속도가 저하되고 차 륜 가속도가 설정치 (-b)를 초과하면 A 시점에서 감압한다. 2 그림 11-9 (b) : 감압에 의하여 차륜 가속도가 증가하여 타이어 록으로부터 회복경향 이 있다고 판단되면 B 시점에서 증압을 시작한다. 3 그림 11-9 (c) : 증압에 의하여 다시 타이어의 록 경향이 보이면 C 점에서부터 압 력감압을 개시한다.

387 11.3 시스템 구성 및 기능 383 속도 (a) 속도 (b) (c) 속도 급제동시점 차륜속도 차체속도 차량가속도 차량가속도 차량가속도 -b -b -b 중압 감압 중압 감압 중압 감압 휠 실 린 더 압력 A 시간 휠 실 린 더 압력 B 시간 휠 실 린 더 압력 A B C 시간 그림 11-9 작동상태의 사이클 그림 11-9 (a) (c)(감압 및 증압)의 동작을 반복제어하며 최적 슬립률 범위 내에서 제 동력을 제어한다 시스템 구성 및 기능 시스템 구성 G SENSOR Wheel Sensor(FL) Wheel Sensor(RR) Signals Lines Hydraulic Lines Wheel Sensor(FR) 그림 차량 장착도

388 384 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 앞 우측 휠 스피드 센서 부스터 마스터 실린더 뒤 우측 휠 스피드 센서 HECU 앞 좌측 휠 스피드 센서 뒤 좌측 휠 스피드 센서 그림 ABS 구성 센서 ECU 액츄에이터 디지털 컨트롤러 휠 스피드 센서 입 력 연산제어 회로 1 출력 회로 1 출 력 솔레노이드 밸브 회 부 휠 스피드 센서 로 연산제어 회로 2 출력 회로 2 솔레노이드 밸브 안전릴레이 배터리 전원 감시 회로 전압 조절 회로 경고등 그림 ABS-ECU 블록다이어그램 구성품 세부기능 (1) HECU 유압 유니트(HECU)는 모터를 포함한 유압발생장치인 오일펌프와 제어밸브, ECU, 어큐뮬레이터가 통합되어 있다.

389 11.3 시스템 구성 및 기능 385 펌프하우징 솔레노이드 밸브( 12) 밸브 코일( 12) 모터 펌프( 2) 피스톤 압력센서 전자제어 장치(ECU) 그림 HECU 1 ECU 4개의 휠 스피드 센서와 G센서의 입력을 받아 각 차륜의 속도를 연산하여 급감속 및 어 느 한 쪽의 휠이 고착(Lock)발생 시, 하이드롤릭 유닛(HU)의 솔레노이드 밸브를 제어하여 슬립이 발생하지 않도록 제어한다. 엔진 ECU와 통신으로 정보를 공유 한다. 시스템에 고장 이 발생하면 경고등을 점등시켜 운전자에게 시스템의 이상을 알려주며 이때는 ABS 미장착 시와 동일한 브레이크가 작동하도록 Fail Safe를 실행한다. 제어로는 ABS(Anti-Lock Brake System)제어, TCS(Traction Control System)제어, EBD(Electronic Brake force Distribution)제어를 수행한다. 내부 구조는 2개의 CPU로 구성되며 1개는 연산, 제 어, Fail Safe를 실행하고, 다른 CPU는 Fail Safe만 수행하며 상호간에 Simulation 방식으 로 체크한다. ECU 내부에서 TR로 직접 솔레노이드, 모터 등을 구동한다.

390 386 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 배터리 전원 배터리 전원 점화 스위치 브레이크 스위치 FL스피드 센서 FR스피드 센서 RL스피드 센서 RR스피드 센서 파워 블록 모니터 신호 입력 센서 신호 입력 CP 메인 CPU 페일 세이프 CP 버스(CAN) 솔레노이드 밸브 구동 신호 블록 M 자기진단 -K 자기진단 입력 보조 CPU 표시등 구동 신호 블록 ABS(EBD) TCS OFF TCS 그림 ECU 개요도 2 하이드로닉 유니트(Hydraulic unit) 기본 유압 회로는 1차와 ABS 작동 시 사용되는 2차 회로로 구성되어 있다. 실제로 각 바퀴로 전달되는 유압을 제어하는 부품들의 집합체이다. 센서로부터 전달된 검출 신호에 의해 ECU가 연산 작업 실시, 슬립상태를 판단하고 ABS 작동 여부가 결정되면, ECU의 제어 로직에 의하여 밸브와 모터가 작동되면서 증압, 감압, 유지형태 및 펌핑 등이 제어된다. D H C G B F A E A : INLET VALVE (FR) B : INLET VALVE (RL) C : INLET VALVE (RR) D : INLET VALVE (FL) E : OUTLET VALVE (FR) F : OUTLET VALVE (RL) G : OUTLET VALVE (RR) H : OUTLET VALVE (FL) 그림 ABS 하이드로닉 유니트 a NO(Normal Open) 솔레노이드 밸브 통전되기 전에는 밸브 유로가 열려있는 상태를 유지하는 밸브로, 마스터 실린더와 캘리퍼 휠 실린더사이의 유로가 연결되어 있는 상태에서 통전이 되면 유로를 차단시키는 밸브이다.

391 11.3 시스템 구성 및 기능 387 b NC(Normal Close) 솔레노이드 밸브 통전되기 전에는 밸브 유로가 닫혀 있는 상태를 유지하는 밸브, 캘리퍼 휠 실린더와 LPA(Low Pressure Accumulator) 사이의 유로가 차단되어 있는 상태에서 통전이 되면 유로를 연결시키는 밸브이다. 내부 구조는 전원이 인가되는 코일과 전원에 의해 작동하는 플런저로 구성되어 있으며, 유압이 전달되는 부분에는 공급 밸브가 설치되어 있고 복귀시키는 부분에는 해제 밸브가 설 치되어 있다. 솔레노이드 밸브는 전원을 인가하면 솔레노이드 중심에 설치된 플런저는 자계 에 의해 흡인력이 발생되어 밸브의 구멍을 개폐한다. 마스터 실린더로 고정 철심 마스터 실린더로 마스터 실린더로 리턴 스프링 솔레노이드 코일 솔레노 이드 코일 솔레노 이드 코일 어큐뮬 레이터로 휠 실린더로 플런저 (가동철심) 휠 실린더로 증압사 솔레노이드 코일에 전류는 0 유지시 솔레노이드 코일에 전류는 작다 감압시 솔레노이드 코일에 전류는 많다 솔레노이드 밸브의 작동 그림 솔레노이드 밸브작동 c LPA(Low Pressure Accumulator) 제동 압력이 과다하여 감압하는 경우에 캘리퍼 휠 실린더의 압력을 NC밸브를 통하여 Dump된 액량을 저장시키는 챔버. 어큐뮬레이터 및 댐퍼 챔버는 하이드로닉 유닛의 아래 부 분에 설치되어 있으며, 어큐뮬레이터는 ABS가 작동 중 감압 사이클일 경우 휠 실린더로부 터 복귀된 오일을 일시적으로 저장하는 장치이다. 또한 증압 사이클의 경우에는 리턴 펌프 의 작동에 의해 휠 실린더에 신속하게 오일을 공급하여 ABS가 지연됨이 없이 작동되도록 하며, 이 과정에서 발생되는 브레이크 오일의 파동( 波 動 )이나 진동을 흡수하는 기능도 한다.

392 388 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 200~220kg/cm 2 어큐뮬레이터 고압질소 가스 충전압력 : 103kg/cm 2 그림 LPA d 펌프(Pump) LPA로 Dump되어서 저장되어 있는 액량을 마스터 실린더 회로 쪽으로 퍼내는(순환시키 는) 기능을 수행한다. e 펌프 모터(Pump motor) 펌프를 구동 시키는 전기 모터로 ABS, TCS 작동 시 ECU의 신호에 의해 모터가 회전하 고 브레이크 오일을 순환 시킨다. ECU MOTOR HU 그림 펌프 모터 (2) 휠 속도센서(Wheel speed sensor) 픽업코일을 사용한 인덕티브 타입과 홀센서 타입이 있다. [픽업코일 타입]

393 11.3 시스템 구성 및 기능 389 프런트 휠 스피드 센서 센서 로터 드라이브 샤프트 리어 휠 스피드 센서 허브 스핀들 센서 로터 그림 휠 속도센서 1 센서는 마그네트와 코일로 구성되어 있고 톤 휠(Tone wheel)에 mm 정도의 작은 간극이 유지되게 장착되어 있다. 톤 휠이 회전하면 스피드센서로부터 나오는 자 속이 변화하고 코일 교류전압이 발생한다. 2 이 교류전압은 드라이브 샤프트의 회전수에 비례하여 주파수가 변화하기 때문에 이것 에 의해 4륜 개개의 차륜속도를 검출한다(그림 참조). 고속 전압 영구자석 저속 픽업 픽업 클리어런스 센서 로터 센서 로터 그림 휠 속도센서의 기능 참고 센서는 그 기능상 각 휠의 액슬 샤프트에 가깝게 장착되기 때문에 런 아웃에 특 히 신경을 써야 하고(조립성), 내열성, 내충격 및 오염환경에도 감지성능이 유지될 수 있어 야 한다.

394 390 제11장 ABS(Anti lock Brake System) [홀센서 타입] N N S S N Hall Sensor stopped CH1=2V DC 1:1 CH2=200m/V DC 1:1 휠 센서 공급전원 14mA (5ms/div) N S 7mA 구조 및 출력 파형 그림 휠 속도센서 (3) G센서(Gravity sensor) ABS 시스템에서는 급제동 시 모두 Slip되므로 차량 바퀴간의 속도 차를 알 수가 없으며, 휠 스피드 센서 이외에 다른 센서의 속도 참고가 필요하다. 2WD 차량은 앞뒤에 구동륜이 있으므로 제동 중 차속과 실제 휠의 감속이 큰 차이가 없 으므로 ABS ECU에서 충분히 계산값에 의해 제어하나, 4WD 차량은 앞, 뒤의 감속으로 인 해 다른 축의 휠도 영향을 받아 뒤가 제동된다면 그 영향으로 앞에도 감속도가 크게 발생되 는 경우가 생긴다. 이때 사용되는 센서가 ABS 횡축 감지 G-Sensor로서, 급제동, 급가속 시 센서에서 나오는 신호를 이용하여 ABS 시스템 제어에 이용한다. G-Sensor 자체의 동작 원리는 여러 방식이 있으나 최근에는 센서 내부에 차량의 전, 후 움직임을 Sensing 할 수 있는 IC 타입을 주로 사용한다. 이 IC는 초정밀 반도체 기술로 기 계적 구조물 형태로 만들어져 있다. 차량의 움직임에 따라서 직선적으로 Output voltage가 출력 되며 범위는 V이며, 측정 G Range는 -2G +2G까지 측정된다.

395 11.3 시스템 구성 및 기능 391 [종류] 1 용량형 G센서 검출 부분은 이동 전극과 고정 전극으로 구성되어 있으며, 횡 가속도가 가해지면 이동 전 극이 이동하여 고정 전극과 이동 전극 사이에 전위차가 발생하여 두 전극의 용량 차이가 발 생한다. 이 차이의 크기로 가속도의 크기를 검출하며, VDC 제어용 횡 가속도 센서, ECS에 서 피치 및 바운스 제어 신호로 이용되는 상하 가속도 센서로 이용된다. 절대값의 검출 형 이며, 직류(DC) 출력의 검출이 가능하다. 실리콘 전극 4.0 고정전극 출 력 2.5 전 압 (v) 글래스 각속도(m/s 2 ) 그림 용량형 G센서 G-Sensor IC 상측 전극 Mass 차량 전방 공간 하측 전극 게이지 저항 R S R C 캔틸레버 R S R C 가속도α t m R C R S 그림 IC 타입

396 392 제11장 ABS(Anti lock Brake System) 2 IC 타입 반도체 피에조 저항 효과를 이용한 것으로 캔틸레버 구조를 한 N형 실리콘 기판에 P형 실리콘 층을 확산하여 게이지 저항이 형성되어 있다. N형 실리콘 결정의 가로 및 세로방향 에 게이지 저항 Rc 및 Rs를 형성하여 브리지 회로로 되어 있다. 브리지 회로의 출력은 캔 틸레버의 질량 m과 여기에 걸리는 가속도 α의 곱에 비례하고 게이지 저항부의 두께 t에는 반비례한다. 반도체식 센서는 ECS, 에어백 G센서에 사용한다. 3 기계식 G센서 평상시에는 회전 롤러가 플레이트 스프링에 의해 스토퍼에 눌려 있으며, 회전 롤러에는 가동 접점이 설치되어 있다. 또한 플레이트 스프링의 고정부분에는 고정 접점이 설치되어 있다. 그림 11-24에서 회전 롤러가 화살표 방향으로 일정 값 이상의 가속도를 가하면 회전 롤러는 플레이트 스프링에 저항하여 회전한다. 이때 가동 접점과 고정 접점을 접촉시켜 폐 회로가 형성된다. 따라서 회전 롤러의 질량과 스프링의 장력의 설정 값을 미리 ECU에 입력 시킨 값과 비교 연산하여 가속도를 검출할 수 있다. 이 형식은 에어백 G센서로 이용된다. 가속도 회전롤러 가동접점 스토퍼 플레이트 스프링 고정접점 그림 기계식 G센서 (4) ABS 경고등(Warning lamp) 1 표시기능 ABS 관련 시스템에 이상 시 ABS 경고등을 점등시켜 운전자에게 이상을 알려줌과 제동 시 일반브레이크 시스템으로 작동됨을 의미한다. 2 진단결과 표시기능 경고등 점등으로 시스템에 이상이 발생됨을 알 수 있으며 MUT 또는 핸디나 슈퍼패드를 이용하여 검사라인에 연결하여 고장코드로 고장부위를 발견하여 정비지침서에 따라 고장부 위를 수리할 수 있다.

397 11.3 시스템 구성 및 기능 유압제어회로 (1) 평상 제동 시 마스터 2차 실린더 유압 마스터 1차 실린더 유압 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 고압 어큐 뮬레 이터 모 터 및 펌 프 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 체크 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 앞 좌 휠 실린더 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 저압 어큐 뮬레 이터 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 FL RR RL 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 뒤 우 휠 실린더 뒤 좌 휠 실린더 앞 우 휠 실린더 그림 평상 제동 시 유압회로 FR 1 브레이크 페달을 밟으면 마스터 실린더에서 발생된 유압은 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 를 통하여 휠실린더(캘리퍼)에 공급되어 브레이크가 작동한다. 이때 ABS-ECU는 노 멀 오픈 솔레노이드 밸브와 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브에 전류를 보내지 않기 때문 에 마스터 실린더에서 발생된 유압이 그대로 휠 실린더(캘리퍼)에 전달된다. 노멀 오 픈 솔레노이드 밸브는 평상시 유로( 流 路 )가 열려 있다가 ABS-ECU의 구동신호에 의 해 작동하게 되면 유로를 차단시킨다. 또한 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브는 평상시 유 로가 닫혀 있다가 ABS-ECU의 구동신호에 의해 작동하게 되면 유로가 열리게 된다. 2 브레이크 페달을 놓으면 각 바퀴의 휠 실린더(캘리퍼)에 공급되었던 유압은 노멀 오픈 솔레노이드 밸브를 경유하여 마스터 실린더에 복귀되어 압력이 감소된다. 3 노멀 오픈 솔레노이드 밸브와 노멀 크로즈 밸브가 Off 상태에서 평상 제동 상태가 되 도록 한 이유는 ABS 시스템에서 고장이 발생되면 노멀 오픈 솔레노이드 밸브와 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브를 ABS-ECU가 제어할 수 없는 경우를 대비하여 평상 제동 이 가능하도록 하기 위함이다. 4 ABS 비 작동(평상 제동)시는 모터 및 펌프는 작동하지 않는다.

398 394 제11장 ABS(Anti lock Brake System) (2) 감압모드 작동 시 마스터 2차 실린더 유압 마스터 1차 실린더 유압 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 고압 어큐 뮬레 이터 모 터 및 펌 프 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 FL 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 RR 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 저압 노멀 크로즈 노멀 크로즈 어큐 솔레노이드 밸브 솔레노이드 밸브 뮬레 이터 RL FR 앞 좌 휠 실린더 뒤 우 휠 실린더 뒤 좌 휠 실린더 앞 우 휠 실린더 그림 감압모드 시 유압회로 1 휠 스피드 센서의 신호에 의해 ABS-ECU가 바퀴의 로크를 감지하면 노멀 오픈 솔레 노이드 밸브 및 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브에 구동 전류를 보내어 휠 실린더(캘리 퍼)의 유압을 감압하게 된다. 이 때 ABS-ECU는 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 및 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브로 전류를 흐르게 하는 동시에 모터 및 펌프를 구동시켜 저압 어큐뮬레이터에 차있는 브레이크 오일을 마스터 실린더로 순환시킨다. 이 경우 브레이크 오일의 순환에 의한 페달 퀵 백(Pedal Kick Back)이 발생한다. 2 차량의 바퀴가 로크 현상이 발생할 정도로 브레이크 유압이 증가하였거나 차량의 바퀴 와 노면의 마찰계수가 감소하면 차량의 바퀴는 차량의 속도에 비해 급격하게 감소하면 서 바퀴에 로크 현상이 발생하려 한다. 3 이러한 상태에 이르면 ABS-ECU에서 바퀴의 유압을 감소시키려는 명령이 하이드로 닉 유닛에 전달된다. 즉, 노멀 오픈 솔레노이드 밸브의 유로를 차단시키고 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브의 유로는 열어서 휠 실린더(캘리퍼)의 유압을 낮춘다. 이때 휠 실린 더(캘리퍼)에서 방출된 브레이크 오일은 저압 어큐뮬레이터에 일시적으로 저장된다. 4 저압 어큐뮬레이터에 저장되어 있는 브레이크 오일은 모터가 회전함에 따라 작동되는 펌프의 토출에 따라 마스터 실린더로 다시 복귀된다. 5 브레이크 오일이 복귀되는 유로상의 고압 어큐뮬레이터는 펌프의 작동에 의해서 발생

399 11.3 시스템 구성 및 기능 395 하는 강한 압력과 파장을 고압 어큐뮬레이터의 오리피스에 유체의 흐름 저항을 이용하 여 감소시킨다. 고압 어큐뮬레이터가 없는 시스템도 있다. (3) 유지모드 마스터 마스터 2차 1차 실린더 실린더 유압 유압 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 고압 어큐 뮬레 이터 모 터 및 펌 프 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 체크 밸브 FL 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 앞 좌 휠 실린더 RR 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 저압 어큐 뮬레 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 이터 RL FR 뒤 우 휠 실린더 뒤 좌 휠 실린더 앞 우 휠 실린더 그림 유지모드 시 유압회로 1 휠 실린더(캘리퍼) 내의 브레이크 유압이 최적의 압력까지 감압(또는 증압)되면 ABS-ECU는 노멀 오픈 솔레노이드 밸브를 구동시켜 휠 실린더(캘리퍼)의 압력을 그 대로 유지한다. 이때 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브에는 구동 전류는 흐르지 않기 때문에 저압 어큐뮬 레이터의 유로가 차단된다. 2 브레이크 유압의 증압 작동 및 유압의 감압 작동을 실시하는 사이에 차륜의 휠 실린더 (캘리퍼) 유압이 최적의 상태에 도달했거나 또는 유압을 감압의 중간 상태의 압력으로 유지시켜 ABS 제어를 효과적으로 실시하기 위하여 휠 실린더(캘리퍼) 유압의 변화를 정지시키는 제어를 한다. 3 ABS-ECU는 휠 실린더(캘리퍼)의 압력을 유지시키려는 명령을 하이드로닉 유닛에 전달한다. 즉 노멀 오픈 솔레노이드 밸브와 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브의 유로를 닫 아서 휠 실린더(캘리퍼)의 유압을 일정하게 유지한다. 4 이때 모터 및 펌프는 작동하지 않는다.

400 396 제11장 ABS(Anti lock Brake System) (4) 증압모드 마스터 2차 실린더 유압 마스터 1차 실린더 유압 체크 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 고압 어큐 뮬레 이터 모 터 및 펌 프 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 체크 밸브 앞 좌 휠 실린더 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 저압 어큐 뮬레 이터 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) 뒤 우 휠 실린더 뒤 좌 휠 실린더 앞 우 휠 실린더 그림 증압모드 시 유압회로 1 휠 실린더(캘리퍼) 내의 유압에 증압이 필요하면 ABS-ECU는 노멀 오픈 솔레노이드 밸브와 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브의 전류를 차단시켜 마스터 실린더의 유압이 휠 실린더(캘리퍼)에 공급되도록 하여 브레이크 유압을 증가시킨다. 2 감압 모드의 작동을 실시했을 때 휠 실린더(캘리퍼)에서 너무 많은 브레이크 오일을 빼거나 차륜과 노면 사이의 마찰계수가 증가하면 각 차륜의 휠 실린더(캘리퍼) 유압을 증가시켜야 한다. 3 ABS-ECU는 휠 실린더(캘리퍼)의 유압을 증가시키려는 명령을 하이드로닉 유닛에 전달한다. 즉, 노멀 오픈 솔레노이드 밸브의 유로를 열어서 마스터 실린더의 유압이 공급되도록 하여 휠 실린더(캘리퍼)의 유압을 증가시킨다. 4 감압 모드의 작동을 수행하여 저압 어큐뮬레이터에 저장되어 있는 브레이크 오일은 증 압 모드의 상태에서도 계속 모터를 회전시켜 브레이크 오일을 토출 시키며, 이때의 브 레이크 오일은 노멀 오픈 솔레노이드 밸브를 거쳐 휠 실린더(캘리퍼)로 공급된다.

401 제12장 EBD(Electric Brake-Force Distribution) EBD는 제동력배분 장치로써 프로포셔닝 밸브, 로드 센싱 프로포셔닝 밸브 등은 모두 기 계적인 장치로 이상적인 뒤 차륜의 제동력 배분을 실현하지 못한다. 특히 경트럭에 적용하 고 있는 로드 센싱 프로포셔닝 밸브(LSPV) 등은 자동차의 하중에 따른 뒤 차륜의 제동력 을 어느 정도 배분하였으나 승용차의 프로포셔닝 밸브(P 밸브)는 중량 증가에 따른 제동력 의 배분을 수행하지 못하여 승객이 증가하였을 때 제동력의 열세가 문제점으로 대두되었다. 또한 브레이크 라이닝 및 패드의 마찰재 산포( 散 布 )에 따라 각 차륜에서 발생되는 제동력 의 차이가 발생하여 각 차륜에 따라 이상적으로 제동하기 위한 요구 유압의 배분곡선은 차 이가 발생하지만 기계적인 프로포셔닝 밸브나 로드 센싱 프로포셔닝 밸브로서는 일정한 유 압의 배분곡선만 유지되는 방법이 전혀 없으므로 고장상태에서 급제동을 할 때 차체에 스핀 이 발생될 수도 있다. 이로 인한 문제점을 해결하기 위해 뒤 차륜이 앞 차륜과 동일하거나 또는 늦게 제동되도록 별도의 장치 없이 ABS ECU가 제어하게 되는데 이를 EBD라 한다. 그림 12-1 기계적인 프로포셔닝 밸브 12.1 EBD의 필요성 주행 중 급제동시 차량의 중량 이동으로 인하여 후륜이 전륜보다 먼저 고착되어 차량의 스핀 발생으로 인한 사고를 발생할 수 있어 이에 대한 대응책으로 P-밸브(Proportioning

402 398 제12장 EBD(Electric Brake-Force Distribution) valve)나 LCRV(Load Conscious Reducing Valve), LSPV(Load Sensing Proportioning Valve)를 장착하여 후륜의 브레이크 유압을 전륜의 브레이크 유압보다 감소시켜 후륜이 먼 저 고착되는 것을 방지하였다. 그러나 이는 모두 기계적인 장치로서 이상적인 후륜 브레이 크 유압의 배분을 실현하지 못하였다. 특히 소형 상용 차량에 적용한 LCRV 및 LSPV는 차량의 하중에 따른 후륜 브레이크의 압력을 어느 정도는 배분하였으나 승용 차량의 P-밸브는 중량 증가에 따른 제동력의 배분 을 수행하지 못하여 제동력의 열세가 문제시 되었다. 또한 브레이크 라이닝 및 패드의 마찰 재 산포에 따라 각 차륜에 발생되는 제동력의 차이가 발생되어 각 차륜에 따라 이상적으로 제동하기 위한 요구 유압 배분 곡선은 차이가 발생되지만 기계적인 P-밸브나 LCRV 또는 LSPV만 가지고는 일정한 브레이크 유압의 배분 곡선만 유지되어 이상적인 제동을 수행할 수 없었다. P-밸브, LCRV, LSPV 등의 고장 시 운전자가 알 수 없으며, 고장 중 급제동시 차체의 스핀이 발생될 수 있는 등 상기 사항들의 문제점을 해소하기 위하여 전륜과 후륜이 동일하 거나 또는 늦게 고착되도록 ABS-ECU가 제어하게 되는데 이를 EBD 제어라 한다 EBD 제어의 효과 1 프로포셔닝 밸브보다 후륜의 제동력을 향상시키므로 제동 거리가 단축된다. 2 후륜의 유압을 좌우 각각 독립적인 제어가 가능하므로 선회하면서 제동할 때 안전성이 확보된다. 3 브레이크 페달을 밟는 힘이 감소된다. 4 제동할 때 후륜의 제동 효과가 커지므로 전륜의 브레이크 패드의 마모 및 온도 상승 등이 감소되어 안정된 제동 효과를 얻을 수 있다. 5 프로포셔닝 밸브를 사용하지 않아도 된다 EBD 제어의 원리 1 프로포셔닝 밸브를 설치할 때 이상 제동 배분 곡선보다 낮은 유압에서 감압을 수행하 므로 그 부분만큼 뒤 차륜 쪽의 제동력이 손실된다. 2 EBD는 ABS ECU에 논리를 추가하여 뒤 차륜의 제동 유압을 요구 유압 배분 곡선(이 상 제동 배분 곡선)에 근접 제어하는 원리이다. 3 제동할 때 각각의 휠 스피드 센서로부터 슬립률을 연산하여 뒤 차륜 슬립률이 앞 차륜 보다 항상 작거나 동일하게 유압을 제어한다.

403 12.3 EBD 제어의 원리 따라서 뒤 차륜이 앞 차륜보다 먼저 고착되지 않으므로 프로포셔닝 밸브를 설치하였을 경우보다 EBD 제어를 할 때 뒤 차륜에 대한 제동력 향상 효과가 크다. 5 그림 12-2의 제동력 배분 곡선에서 나타난 바와 같이 프로포셔닝 배분선 만큼 후륜 의 제동 유압을 크게 할 수 있어 결과적으로 제동력이 향상된다. 6 또한 마찰재 산포에 따른 각 차륜의 요구 곡선대로 제동 유압을 조절할 수 있어 결과 적으로 제동력이 향상된다. 마스터 실린더 배분선 이상제동 배분선 후 륜 제 동 유 압 EBD 제어 배분선 프로포셔닝 밸브 배분선 전륜 제동유압 그림 12-2 제동력 배분곡선 12.4 EBD 제어 1 후륜이 전륜보다 먼저 고착되기 직전에 ABS-ECU는 고착되려는 차륜 쪽의 노멀 오 픈 솔레노이드 밸브를 On시켜서 후륜의 브레이크 유압을 유지시켜 후륜이 전륜보다 먼저 고착되는 것을 방지한다. 2 전륜에 비하여 후륜의 제동력이 감소하여 후륜이 회전하면 다시 노멀 오픈 솔레노이드 밸브를 Off시켜 마스터 실린더에서 가해진 유압을 다시 휠 실린더(캘리퍼)로 공급하여 후륜의 브레이크 유압을 증압 시킨다. 3 이때 모터 펌프는 작동하지 않는다. 일반적으로 EBD 경고등은 주차브레이크 경고등과 동일한 램프로 제어된다. 따라서 사이 드 브레이크 스위치가 ON 되거나 브레이크 오일부족으로 브레이크 오일레벨 스위치가 On 되면 EBD 시스템에 결함이 없더라도 경고등이 점등된다.

404 400 제12장 EBD(Electric Brake-Force Distribution) 저압 액추에이터 M 모터 점프 고압 액추에이터 NO NC NO NC P P 솔레노이드 밸브 NO NC ON OFF 모터 펌프 OFF 리더밸브만 구동 앞 우측 휠 실린더 뒤 좌측 휠 실린더 그림 12-3 EBD 유지 모드 유압 회로

405 제13장 HBA(Hydraulic Brake Assist System) 13.1 개요 HBA는 운전자의 갑작스러운 브레이크 작동으로 인한 브레이크 작동압력을 보정해주는 장치로서, 운전자가 제동할 때 초기 제동력을 향상 시키는데 그 목적이 있다. 즉, 차량의 상 태가 비상 상황임에도 불구하고 운전자가 브레이크를 천천히 작동시킨다고 판단하면 ECU 는 유압 모듈레이터 내부의 솔레노이드 밸브를 조절하여 각 휠에 최대의 브레이크 압력이 작동될 수 있도록 해주는데 만약, 부스터를 강화하여 초기 제동력을 크게 한다면 약한 브레 이크 페달의 작동으로도 차량이 급정거하는 상황이 발생되므로 이러한 경우를 예방하기 위 해 긴급한 브레이크 조작 시에만 브레이크력을 보조하도록 구성된 시스템이다. 별도의 시스 템보다는 대부분 ABS 시스템에 추가되어 작동된다. 10 감 속 8 도 -m/s 숙련된 운전자 초보 또는 미숙련자 4 노약자 시간(s) 그림 13-1 운전 숙련도 별 제동력 13.2 작동 HBA가 작동하기 위한 중요한 요소는 브레이크를 작동시킬 때 발생되는 브레이크의 작동 변화율이다. 즉, 마스터 실린더 하단부에 2개가 장착되어 있는 압력 센서에 의해 긴급한 제 동을 걸게 되면 ESP ECU는 압력 센서의 변화율을 감지하게 되고, 그 변화량이 일정한 값

406 402 제13장 HBA(Hydraulic Brake Assist System) 이상으로 넘게 되면 긴급한 상황에서 제동을 하는 것이라고 ECU가 인지하게 되어 펌프가 작동하게 된다. 따라서 마스터 실린더의 브레이크 오일이 펌프 쪽으로 전달되고 인렛 밸브 (Inlet valve)를 통하여 각 휠에 브레이크 압력이 전달된다. 만약, 브레이크를 천천히 작동 시키게 되면 압력의 변화가 적게 되므로 이때는 단순히 부스터의 압력으로 제동시키게 된 다. 저압챔버 셔틀 밸브 펌프 세퍼레이션 밸브 인렛밸브 아웃렛밸브 인렛밸브 아웃렛밸브 리어 휠 프론트 휠 그림 13-2 HBA 유압회로 위 그림 13-2는 프런트와 리어 휠을 각각 1개씩만 표현한 것으로 ABS 작동 시와 같은 유압회로가 구성된다. HECU가 브레이크 압력 센서의 압력 값과 압력 센서의 시간에 따른 압력변화에 따라 급브레이크를 밟아야 하는 급박한 상황이라고 인식하면 곧바로 펌프를 작 동시켜 각 휠에 브레이크 압력이 작동하도록 한다. 이때 펌프는 해당 휠이 록되는 한계 이 전까지 증압과정이 계속된다. 이때까지 모터는 계속 회전하게 되고 아웃렛 밸브와 세퍼레이 션 밸브는 닫혀있다. 휠이 록 되려고 하면 HBA의 기능은 중단되고 통상의 브레이크 기능으 로 전환된다.

407 제14장 TCS (TRACTION CONTROL SYSTEM) 14.1 TCS 개요 TCS는 구동력을 조절하여 눈길 빙판길 등의 미끄러운 노면에서 원활한 주행이 가능하게 만드는 시스템이다. ABS의 반대 개념이다 주요 성능 (1) 구동슬립 슬립이 제어되므로 차체의 흔들림이 적고 발진성, 가속성, 등판성이 향상된다. (2) 선회 추월 성능 안전한 코너링 주행 및 추월가능(미끄럼이 발생하는 가속주행으로 슬립하는 바퀴를 제동 하여 접지력을 향상시킴) (3) 조향 안정 성능 조향핸들을 돌릴 때 구동력에 의한 횡력을 우선적으로 제어하므로 회전이 용이하다 기능 TCS(Traction Control System)은 엔진의 여분 출력을 제어하는 모든 시스템을 지칭하 며, 미끄러지기 쉬운 노면에서 가속성 및 선회 안정성을 향상시키는 트랙션제어 기능과 일 반도로에서의 주행 중 선회 가속 시 차량의 횡 가속도 과대로 인한 언더와 오버 스티어링을 방지하여 조향성능을 향상시키는 스테빌러티 제어기능이 있다.(F-TCS에서 엔진의 토크를 저감시켜서) 14.2 특징 (1) 미끄러운 노면에서 발진 및 가속 시 미세한 가속페달의 조작빈도를 감소시켜 선회능 력을 향상시킨다.

408 404 제14장 TCS (TRACTION CONTROL SYSTEM) (2) 미끄러운 노면에서 선회가속 시 운전자의 의지대로 가속을 보다 안정되게 하여 선회 능력을 향상시킨다. (3) 선회 가속 시 핸들의 조향력을 감지하여 가속페달의 조작빈도를 감소시켜 선회능력을 향상시킨다. (4) 미끄러운 노면에서 구동륜과 피동륜의 속도를 비교하여 구동륜의 미끄럼 비가 적당하 도록 엔진의 출력을 제어한다 구조 모터 접지 9 25 흡입밸브 (앞좌측) 흡입밸브 (뒤우측) 흡입밸브 (뒤좌측) 흡입밸브 (앞우측) 송출밸브 (앞좌측) 송출밸브 (뒤우측) 송출밸브 (뒤좌측) 송출밸브 (앞우측) 트럭션 밸브(좌) 트럭션 밸브(우) 모터 전원 그림 14-1 BTCS-ECU의 외부 구조 1 BTCS(Brake Traction Control System)는 하이드롤릭 유닛과 ABS ECU를 통합한 형식으로 엔진룸에 장착되어 있으며, ABS, EBD, TCS의 기능은 모두 있다. 2 BTCS의 구조는 ECU 1개, 모터 1개, 펌프 어셈블리 1개, 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 4개, 노멀 크로즈 솔레 노이드 밸브 4개, 트랙션 컨트롤 밸브 2개, 하이드롤릭 셔틀 밸브 2개, 저압 어큐뮬레이터 2개 및 고압 어큐뮬레이터 2개로 구성되어 있다. 3 BTCS는 TCS 작동 영역에서 앞바퀴의 유압을 자동으로 제어하여 출발이나 가속할 때 구동 바퀴와 피구동 바퀴의 회전 차이에 의해 발생되는 슬립을 방지하여 구동력이 노 면에 효율적으로 전달되도록 한다.

409 14.4 작동원리 작동원리 타이어구동력과 구동력 슬립율에 관련되는 힘 (1) 구동력은 타이어와 노면 사이의 슬립현상에 의해 발생된다. 즉, 엔진에 구동력은 타 이어에 구동력을 전달시켜 자동차를 가속할 경우 속도를 유지하고 있는 상태에서는 정도의 차이는 있지만 슬립이 발생한다고 볼 수 있다. (2) 자동차가 주행할 때 타이어가 노면에 대하여 슬립상태이면 타이어의 회전속도와 접지 점 속도와는 속도 차가 발생한다. 트렉션 제어영역 마 찰 계 수 μ 건조한노면 코너링포스 0 슬림율(%) 100 그림 14-2 마찰계수와 슬립율 슬립율 (1) 타이어의 회전속도에 대한 미끄러짐 속도의 비율임 B/A=미끄럼속도 / 타이어의 회전속도 (2) 슬립율(%)=(구동륜의 속도-차륜속도) / 구동륜의 속도 100 (3) 슬립율과 구동력 횡력의 관계 구동력 : 슬립율이 0일 때는 전혀 발생하지 않으며 구동력은 슬립율에 비례하여 증가하다 가 슬립율을 15~20%정도에서 최대가 되며 그 이상 증가하면 구동력은 저하된다. (4) 횡력 슬립율이 0%일 때 최대가 되며 슬립율이 증가하면서 저하된다.

410 406 제14장 TCS (TRACTION CONTROL SYSTEM) (5) 슬립율 제어 슬립율 제어시의 큰 구동력을 얻는 경우는 슬립율 20% 정도이고 큰 코너링 포스가 되는 것은 슬립율 0%일 때 최대가 된다 TCS 유압제어 마스터 1차 실린더 유압 마스터 2차 실린더 유압 트랙션 컨트롤 밸브 트랙션 컨트롤 밸브 TC 셔틀 밸브 셔틀 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 고압 어큐 뮬레 이터 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 모 터 및 펌 프 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브 저압 어큐 FL RR 뮬레 이터 RL FR 앞 좌 휠 실린더 뒤 우 휠 실린더 뒤 좌 휠 실린더 앞 우 휠 실린더 그림 14-3 TCS 유압회로 (1) BTCS는 미끄러운 노면에서 차량이 출발할 때 차륜의 스핀을 방지하기 위해 스핀이 일어나는 쪽 차륜의 휠 실린더(캘리퍼)에 휠 스피드 센서에 의해서 ECU가 차륜의 스핀을 감지하면 모터를 구동시켜 브레이크 유압을 휠 실린더(캘리퍼)로 전달하여 제동한다. (2) 이때 트랙션 컨트롤 밸브는 닫히고 하이드롤릭 셔틀 밸브(HSV : Hydraulic Shuttle Valve)를 통해서 마스터 실린더의 브레이크 유압이 펌프 쪽으로 전달된다. (3) 트랙션 컨트롤 밸브는 ABS 작동 시나 평상시는 열려 있다가 BTCS 작동 시에 닫힌 다. 그리고 하이드롤릭 셔틀 밸브는 기계적인 밸브로 인렛 쪽과 아웃렛 쪽으로 압력차가 있 으면 닫히고 압력차가 없을 때만 유로가 열리는 밸브이다. (4) BTCS 작동 중에는 모터 펌프에서 발생한 유압에 의해 휠 실린더(캘리퍼)에 보내진 다.

411 14.4 작동원리 유압제어모드 (1) 평상 제동 모드(TCS 비작동) 저압 어큐뮬레이터 체크 밸브 하이드롤릭 셔틀 밸브 마스터 실린더 고압 어큐 뮬레이터 P 트랙션 컨트롤 밸브 노멀 오픈 (NO) 솔레노 이드 밸브 노멀 크로즈 (NC) 솔레노 이드 밸브 노멀 오픈 (NO) 솔레노 이드 밸브 노멀 크로즈 (NC) 솔레노 이드 밸브 P 체크 밸브 체크 밸브 솔레노이드 밸브 NO NC OFF OFF 펌프 모터 OFF 트랙션 컨트롤 밸브 OFF 앞 좌측 휠 실린더 뒤 우측 휠 실린더 그림 14-4 평상 제동 모드(TCS 비작동) 유압 회로 1 트랙션 컨트롤 밸브는 Off되어 마스터 실린더와 전륜 및 후륜의 휠 실린더(캘리퍼) 사 이의 유로가 모두 열려있다. 2 노멀 오픈 솔레노이드 밸브는 Off되어 마스터 실린더와 휠 실린더(캘리퍼) 사이의 유 로는 연결된다. 3 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브는 Off되어 휠 실린더(캘리퍼)와 저압 어큐뮬레이터 사이 의 유로는 차단된다. 4 브레이크 페달에 의해 마스터 실린더에서 발생된 브레이크 유압은 노멀 오픈 솔레노이 드 밸브를 통하여 각 휠 실린더(캘리퍼)로 전달되어 브레이크가 작동된다. 5 제동 해제 시 동일한 통로를 통하여 오일이 리턴 되어 브레이크가 해제된다. 6 모터 펌프는 작동하지 않는다.

412 408 제14장 TCS (TRACTION CONTROL SYSTEM) 페달 부스터 마스터 실린더 NO 밸브 휠 실린더 (후륜) TC 밸브 NO 밸브 휠 실린더 (전륜) 그림 14-5 평상 제동 모드 유압경로 (2) 증압 모드(TCS 작동) 저압 어큐뮬레이터 체크 밸브 하이드롤릭 셔틀 밸브 마스터 실린더 고압 어큐 뮬레이터 트랙션 컨트롤 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) P P 체크 밸브 체크 밸브 솔레노이드 밸브 NO NC OFF OFF 펌프 모터 ON 트랙션 컨트롤 밸브 ON 앞 휠 실린더 뒤 휠 실린더 그림 14-6 증압 모드(TCS 작동) 유압 회로 1 모터 펌프가 작동되어 유압이 형성된다. 2 트랙션 컨트롤 밸브는 On되어 모터 펌프와 후륜 측(피동륜)이 차단되어 전륜 측(구동 륜)만 제동 제어된다. 3 하이드롤릭 셔틀 밸브의 유로가 열려서 마스터 실린더와 모터 펌프 입력 측의 유로가 열려 모터 펌프 작동 시 브레이크 오일이 부족하지 않도록 한다. 4 노멀 오픈 솔레노이드 밸브는 Off되어 모터 펌프와 휠 실린더(캘리퍼) 사이의 유로가 연결되어 브레이크 유압이 휠 실린더(캘리퍼)에 가해져 트랙션 컨트롤 시스템의 제어 가 실행된다.

413 14.4 작동원리 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브는 Off되어 휠 실린더(캘리퍼)와 저압 어큐뮬레이터 사이 의 유로는 차단된다. 마스터실린더 셔틀밸브 펌프 HPA TC 밸브 (후륜) LPA NO 밸브 휠 실린더 (전륜) 그림 14-7 증압 모드(TCS 작동) 유압 경로 (3) 유지 모드(TCS 작동) 저압 어큐뮬레이터 체크 밸브 하이드롤릭 셔틀 밸브 마스터 실린더 고압 어큐 뮬레이터 P 트랙션 컨트롤 밸브 노멀 오 픈 솔레 노이드 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) P 노멀 크로 즈 솔레노 이드 밸브 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) 솔레노이드 밸브 펌프 모터 NO NC ON OFF ON 트랙션 컨트롤 밸브 ON 앞 좌측 휠 실린더 뒤 우측 휠 실린더 그림 14-8 유지 모드(TCS 작동) 유압 회로 1 트랙션 컨트롤 밸브는 On되어 모터 펌프와 후륜측(피동륜)은 차단된다. 2 하이드롤릭 셔틀 밸브의 유로가 열리기 때문에 마스터 실린더와 모터 펌프 입력측의 유로가 열려 모터 펌프 작동 시 브레이크 오일이 부족하지 않도록 한다. 3 노멀 오픈 솔레노이드 밸브는 On되어 모터 펌프와 휠 실린더(캘리퍼) 사이의 유로는 차단된다.

414 410 제14장 TCS (TRACTION CONTROL SYSTEM) 4 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브는 Off되어 휠 실린더(캘리퍼)와 저압 어큐뮬레이터 사이 의 유로 또한 차단된다. 5 현재 휠 실린더(캘리퍼)에 가해진 브레이크 유압이 그대로 유지된다. 6 모터 펌프는 작동된다. (4) 감압 모드(TCS 작동) 저압 어큐뮬레이터 체크 밸브 하이드롤릭 셔틀 밸브 마스터 실린더 고압 어큐 뮬레이터 P 트랙션 컨트롤 밸브 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) 노멀 오픈 솔레노이드 밸브(NO) 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브(NC) P 체크 밸브 앞 좌측 휠 실린더 체크 밸브 뒤 우측 휠 실린더 솔레노이드 밸브 펌프 모터 NO NC 트랙션 컨트롤 밸브 ON ON ON ON 그림 14-9 감압 모드(TCS 작동) 유압 회로 1 트랙션 컨트롤 밸브는 On되어 모터 펌프와 후륜측(피동륜)은 차단된다. 2 하이드롤릭 셔틀 밸브의 유로는 열려서 마스터 실린더와 모터 펌프 입력 측의 유로가 연결되어 모터 펌프 작동 시 오일이 부족하지 않도록 한다. 3 노멀 오픈 솔레노이드 밸브는 On되어 모터와 휠 실린더(캘리퍼) 사이의 유로는 차단 된다. 4 노멀 크로즈 솔레노이드 밸브도 On되어 모터와 휠 실린더(캘리퍼) 사이의 유로는 차 단된다. 5 모터 펌프는 작동된다. 휠 실린더 NC 밸브 LPA 펌프 HPA NO 밸브 그림 감압 모드(TCS 작동) 유압 경로

415 13.2 작동 TCS 제어방법 BTCS (Brake Traction Control System) 과도한 슬립이 발생 시 해당 차륜에 제동력을 가하여 과도한 슬립을 방지하도록 하는 것 이 Traction Control System이다(ABS Modulator에서 확장된 TCS Modulator 이용 제동 압력 발생). 특징으로는 브레이크에 의한 슬립 저감효과는 매우 빠르며, 엔진제어만으로 불가능한 구 동륜 좌 우바퀴의 제어가 가능하고 기존시스템을 이용할 수 있다. 단점으로는 브레이크 과 열문제로 저속이거나 제어초기에만 사용된다. 통상 제어하지 않는 차속은 30KPH 이상이고 4분 이내로 제어한다 ETCST (Engine Traction Control System) 과도한 슬립의 발생 근원인 과다한 엔진출력을 줄여서 슬립을 방지하도록 하는 것이 Traction Control System이다(TCS ECU와 엔진 ECU간의 CAN통신 이용하여 Engine Torque 줄임) FTCS (통합제어방식, Full Traction Control System) 제동력 및 엔진 출력 모두 제어하여 과도한 슬립을 방지하도록 하는 Traction Control System을 말한다. 브레이크 제어+트로틀 스로틀제어를 메인으로 하고 브레이크 제어를 보 조수단으로 채택하는 방식이다.

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417 제15장 차량자세제어시스템 (ESP, Electronic Stability Program) 15.1 개요 차량자세제어시스템(ESP : Electronic Stability Program)은 위험 상황에서 비상운전 상태를 인식하여 브레이크 작동이나 엑셀이 더 이상 기능을 할 수 없을 때, 각 바퀴의 브레 이크와 엔진 출력을 통제하여 차량을 안정화 시키는 시스템이다. 가속 TCS 좌회전 ESP 작 동 범 위 ESP 우회전 ABS 제동 그림 15-1 ESP 작동 범위 즉, 차량 회전 시 발생될 수 있는 언더스티어링(Under steering)과 오버스티어링(Over steering)으로 인하여 차량의 스핀 또는 자세 불량으로부터 오는 운전자의 불안감을 해소시 키기 위한 것이다. 이는 차량에 오버스티어링, 언더스티어링 및 회전 시 외측 또는 내측 바 퀴에 스핀(Spin)이 발생하게 되면 센서 클러스터 내부의 요레이트 센서(Yaw rate sensor) 와 횡방향 가속도 센서(Lateral sensor), 종방향 가속도 센서(Longitudinal Sensor) 그리 고 스티어링 컬럼 하단부의 조향휠 각 센서 등의 센서가 차량의 상태를 감지하게 되고 ESP ECU는 이런 센서 값들을 조합하여 각각의 차륜에 독립적으로 제동을 가해 차량의 자세를

418 414 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 제어하고(ABS 기능과 연계) 차량 선회 시 오버스티어링 또는 언더스티어링이 되지 않도록 한다. 또한 스핀 한계 직전에 엔진 출력을 제어(TCS 기능과 연계)하여 자동 감속함으로써 차량 선회 시에도 차량 주행 자세가 안정될 수 있도록 한다 자동차의 진동 차량에서 발생되는 주요 진동을 살펴보면 크게 네 가지로 나누어지는데 롤링, 피칭, 바운 싱은 ECS에서 각종제어를 통해 극복하고 있다. ESP에서 제어하는 주된 진동은 차량의 중 심을 기준으로 차량의 앞, 뒤 부분이 좌, 우로 이동 되려는 힘 즉 요모멘트를 제어한다. 바운스(Bounce)) 요(Yaw) 롤(Roll) 피치(Pitch) 그림 15-2 자동차의 진동 (1) 요모멘트는 차량의 앞 뒤가 직진 주행 시는 차량 중심을 기준으로 좌측 또는 우측으 로 이동하려는 힘이고 선회 주행 시는 내륜 측 또는 외륜 측으로 이동하려는 힘이다. (2) 요모멘트의 영향으로 차량에서는 언더, 오버스티어와 횡력(Drift out)이 발생된다. (3) 요모멘트가 발생하면 엔진 측 토오크 저감 제어도 실시하지만 결정적으로 제동압을 이용 운전자의 브레이크 작동여부와 상관없이 고압의 제동 배력을 바퀴 측에 공급함 으로써 반대 요모멘트를 발생시켜 언더, 오버스티어에서 해방시킨다. (4) 이러한 제어는 차량의 긴박한 상태에서 가능하며 일반적인 주행 시는 운전자가 느끼 기 어렵고 아주 위험한 상황에선 운전자가 당황할 정도로 느낄 수 있음을 알아 두어 야 하겠다.

419 15.3 제어 제어 제어의 개요 ESP 시스템은 ABS제어, 트랙션컨트롤(TCS), 요컨트롤(AYC, Active Yaw Control)기 능을 포함하며 주행 상황에 따라 각각의 시스템이 작동할 수 있다. 고속주행에서 브레이크 페달을 밟으면서 코너링하는 상황을 예를 들면 먼저 ABS가 작동되고 슬립되는 바퀴에 구 동력을 감소시키기 위해서 TCS가 작동될 수 있다. 또한, 이 상태에서 요레이트 센서가 초 당 일반적으로 4 이상의 요레이트를 감지하면 ESP의 차량자세제어 기능 또한 작동되어 요모멘트를 보상하려는 방향으로 해당 바퀴에 제동력을 가하게 된다. Braking Assist ABS TCS ESP 그림 15-3 ESP 제어 개념 TCS제어 : 미끄러지지 않고 부드럽게 출발가능 ESP제어 : 자동차를 더욱 안전하게 도로위에 머물게 해준다. ABS제어 : 제동하면서 주행 방향조절 Brake assist제어 : 제동거리 단축 즉, 하나의 상황에서 여러 가지 시스템이 동시에 작동할 수 있으므로 이는 시스템 내부의 오류 또는 동시에 작동함으로써 차량 제어에 문제를 유발할 수도 있다. 그래서 ESP 시스템 은 작동하는 시스템에 다음과 같은 우선 순위를 두었다. TCS > ESP > ABS 순으로 작동 되나 차량 주행 상태 및 주행 조건에 따라 그 작동 순서는 변화될 수 있다. 또한 전진에서 만 작동하고 후진 시에는 작동하지 않는다.

420 416 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 제어 원리 (1) 1단계 운전자의 의도파악 ESP ECU는 스티어링 휠 센서, 차량의속도, 가속페달, 브레이크페달신호를 입력받아 운전 자 의도를 분석한다. 스티어링 휠 센서 가속페달 브레이크 페달 휠 스피드 센서 그림 15-4 제어원리 1 (2) 2단계 차량의 거동상태 분석 ESP ECU는 차량의 속도, 요레이트 & 횡 G센서를 입력받아 차량의 거동상태를 파악한다. 그림 15-5 제어원리 2

421 15.3 제어 417 (3) 3단계 차량의 자세제어 ESP ECU는 1단계와 2단계에서 입력된 데이터를 가지고 운전자의 의도와 차량의 거동상 태를 파악하여 이를 기초로 4륜 각각의 제동압력 및 엔진의 출력을 제어함으로써 차량의 안 정성을 확보한다. 그림 15-6 제어원리 3 Yaw moment Yaw moment ᆞOver steering 전륜 대비 후륜의 휭 Slip이 커서 과다 조향 발생 반시계 방향 Yaw control 필요 ᆞUnder steering 후륜 대비 전륜의 휭 Slip이 커서 조향 부족 발생 시계 방향 Yaw control 필요 그림 15-7 제어 개념도 오버스티어 제어 (1)오버스티어링(Over Steering) 일정한 조향각으로 선회하며 속도를 높였을 때 선회반경이 작아지는 것을 말한다. 스티 어링 조작에 대한 자동차의 반응으로 앞바퀴의 슬립각보다 뒷바퀴의 슬립각이 커지는 현상 을 말한다. 일반적으로 살펴보면 오버스티어는 스티어링 휠의 꺾는 각도를 일정하게 유지하

422 418 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 여 가속하고 있을 때 리어 타이어가 제어력을 잃고 코너링 라인 바깥쪽으로 미끄러지기 시 작하는 특성을 말한다. 큰 배기량의 RR(리어엔진 리어드라이브 차)에서 흔히 있는 현상으 로 현재 대부분의 FF 차에서는 볼 수가 없다. 오버스티어의 차는 스티어링 휠에 민감한 반 응을 보이며 샤프하지만 절대속도는 낮다. 언더스티어의 차가 최종적으로 리어의 그립력 제 어를 놓쳐서 스핀 상태가 되는 것을 Reserve Steer라 한다. 스티어링 휠을 꺽은 대로 코너 링 할 수 있는 것은 뉴터러스티어라 한다. (2) ESP 제어 과도한 차체 선회각 발생은 A방향인 이상곡선에서 벗어난 B방향으로 차량의 진로를 결 정하게 된다. 자동차는 반시계방향으로 진행하고 있을 때 차량은 각종 영향으로 진행하려는 궤도를 벗어나게 된다. 이 벗어난 궤도는 조향각속도센서와 요레이트 센서 그리고 횡가속도 센서를 이용하여 감지한다. 차량의 속도 대비해서 급격하게 선회시킬 때 요모멘트값은 더욱 높이 생기게 되고 이를 감지한 ECU는 ESP 제어를 시작하게 된다. 반시계방향으로 진행을 하는 과정에서 앞바퀴의 외측바퀴를 제동함으로써 차체는 시계방향으로 회전하려고 한다. 그러므로 차량은 진행방향을 잃지 않고 이상적인 A방향으로 차량을 이동할 수 있는 것이다. A방향 이상곡선 ESP 장착 A방향 이상곡선 B방향 B방향 ESP 미장착 브레이크 포스 요 모멘트 제어방향 ESP 장착 브레이크 포스 요 모멘트 제어방향 오버스티어 제어 언더스티어 제어 그림 15-8 ESP 제어 예

423 15.3 제어 언더스티어 제어 (1) 언더스티어링(Under steering) 일반적으로 스티어링 휠의 돌리는 각도를 일정하게 유지하여 가속해 가면 프런트 타이어 가 서서히 밖으로 흐르는 현상을 말한다. 타이어가 노면에 확실히 밀착된 듯이 보이지만 실 제는 약간씩 슬립하고 있다. 속도가 빨라지는 만큼 슬립의 양도 많아진다. 대부분의 차는 안 전성을 생각하여 약간 언더스티어가 되도록 설정 되어있다. 후미가 급격히 미끄러지는 것을 컨트롤하는 것은 일반적인 운전기술로는 어렵다고 여겨지기 때문이다. 언더 스티어의 차는 프런트가 코너링라인 밖으로 밀려도 스티어링 휠을 코너링 안쪽으로 돌리면 다시 본래의 코 너링 라인 안으로 되돌아 갈 수 있다. 이 때, 핸들을 많이 돌리면 스티어링이 둔감한 차라고 느껴지며 스포티함을 잃어버릴 수 도 있다. (2) ESP 제어 둔감한 차체 선회각 발생시 A방향인 이상곡선에서 벗어난 B방향으로 차량의 진로를 결 정하게 된다. 자동차는 반시계 방향으로 진행하고 있을 때 타이어의 접지력에 비해 원심력 이 많아진다면 진행하려는 궤도를 벗어나게 된다. 이 벗어난 궤도는 조향각속도 센서와 요 레이트 센서 그리고 횡가속도 센서를 이용하여 감지한다. 차량의 속도 대비해서 핸들을 돌 린다면 횡가속도 값은 더욱 높이 발생되고 이를 감지한 ECU는 제어를 시작하게 된다. 반시 계방향으로 진행을 하는 과정에서 뒷바퀴의 내측바퀴를 제동함으로써 차체는 반시계방향으 로 회전하려고 한다. 그러므로 차량은 진행방향을 잃지 않고 이상적인 A방향으로 차량을 이 동할 수 있는 것이다. [참고] (1) ESP 작동 시 경고등 점멸 및 경고음 차량 주행 상태에서 ESP가 작동하게 되면 계기판의 ESP경고등이 점멸하고 0.1초 간격으 로 부저음이 울리게 된다. ESP가 작동된다는 것은 차량의 자세가 상당히 불안정함을 의미 하는 것으로 운전자에게 주의를 주기 위함이다. ESP시스템은 단지 차량 주행의 보조 장치 일 뿐이며 ESP라 하더라도 물리적 한계를 넘어서는 차량제어는 불가능 하다. (2) ESP 작동 시 주행 느낌 ESP가 작동할 때, 그 주행 느낌과 상태는 차량 주행상태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들 어 같은 커브길 주행 시에도 브레이크를 밟아, ABS가 작동된 상태에서 차량자세 제어를 위 한 ESP가 작동된 상태와 브레이크를 밟지 않은 상태에서 ESP제어가 될 때는 주행 느낌상 차이가 날 수 있다. 브레이크를 작동한 상태에서 ESP가 작동하게 되면 이미 제동압력이 걸

424 420 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 린 바퀴에 ESP 제어를 위해 해당 바퀴에 브레이크 압력을 증압 시키게 된다. 즉, 브레이크 압력을 가하지 않은 상태에서 해당 바퀴에만 브레이크 압력을 가하게 될 경우와 비하면 후 자가 ESP 제어가 잘 되는 것을 느낄 수 있다. (3) ESP작동 시 운전자가 느끼는 소음 및 진동 ESP는 내부 모터의 작동과 짧은 시간 내에 밸브 작동의 변화에 따른 유압의 변화가 페달 및 기타 소음으로 전달될 수 있다. 급격한 코너링 등으로 앞에서 설명한 바와 같이 ESP가 작동될 경우 운전자는 순간적인 브레이크 작동에 의한 차량 진동 및 소음을 들을 수 있다. 또한 ESP가 작동 시에는 악셀 페달을 밟고 있어도 필요시 엔진 RPM이 상승되지 않고 속 력이 저하될 수 있다 시스템 구성 1. HECU 2. 압력 센서 3. 휠 스피드 센서 센서 클러스터 5. 조향휠각 센서 6. ESP OFF 스위치 그림 15-9 시스템 구성도

425 15.4 시스템 구성 421 입력 ESP ECU 출력 휠 스피드 센서(앞좌) 휠 스피드 센서(앞우) ESP 제어 모터 펌프 휠 스피드 센서(뒤좌) ABS 제어 각종 밸브 요레이트&휭 가속도 센서 TCS 제어 조향 휠 각속도 센서 경고등(EBD/ABS/ESP OFF) 마스터 실린더 압력센서 EBD 제어 모터 펌프 브레이크 스위치 ASSIST 제어 ESP OFF 스위치 그림 ECU 입출력도 ESP ECU ESP ECU는 압력센서 조향각 센서, 요레이트 센서, 횡가속도 센서 및 각 바퀴에 장착된 4개의 휠 스피드 센서로부터 신호를 입력받아 각 바퀴의 제동력(ABS제어), 구동력(TCS제 어), 요모멘트(ESP제어)를 제어하는 기능을 기본 기능으로 하고 페일 세이프기능, 자기진단 기능, 외부진단기와의 인터페이스기능을 가진다.

426 422 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 프론트 휠 RH 마스터 실린더 1차 프론트 휠 LH ESP에만 적용 (리어 휠 RH) 마스터 실린더 2차 리어 휠 RH/LH (ESP 적용시 리어 휠 LH) 그림 HECU 액티브 휠 스피드 센서 (Active wheel speed sensor) 차륜의 회전에 따라 Tone wheel이 회전하면 Hall effect를 이용한 Hall 소자로부터 전류 가 발생하고 이를 신호처리에 의해 구형파의 전압을 얻는 액티브 휠 스피드 센서가 장착되 었다. 이러한 구형파의 전압은 Tone wheel의 회전수에 비례하여 주파수가 변화하기 때문 에 이것에 의해 차륜의 속도를 검출하게 된다.

427 15.4 시스템 구성 423 (액티브 휠 센서의 구성 및 기능) 그림 액티브 휠 스피드 센서 조향 휠 각도센서 운전자의 조향각도를 검출하는 센서이다. MR 소자 혹은 포토센서가 이용된다. MR 소자 는 비접촉식 아날로그 조향각 센서로서 MR 효과를 이용하여 절대각을 측정한다. 자기적 성 질과 결합되어 서로 다른 비율을 갖는 측정 기어를 이용하여 절대각을 측정한다. 자기장의 방향에 따라 그 전기적 저항이 변화하는 대응된 MR 소자는 측정기어의 각도와 위치를 검출 한다. 메인기어 서브기어1 서브기어2 마그네틱 그림 MR 소자 조향 휠 각도센서

428 424 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) 포토센서는 조향휠각 센서 내부에는 포토 트랜지스터(Photo transistor)와 발광 다이오드 (LED)가 있으며, 그 사이에 홀이 가공되어져 있는 슬리트판이 있다. 조향핸들을 회전함에 따라 홀이 가공되어져 있는 내부 슬리트판이 스티어링 컬럼 샤프트와 같이 회전하면 내부의 홀을 통해 전압이 발생하게 된다. 1 발광다이오드 포토트랜지스터 스티어링 컬럼 슬리트판 그림 포토센서 조향휠 각도센서 요레이트(Yaw rate)센서 & 휭(Lateral) G센서 요레이트 센서와 횡 G센서는 일체형으로 되어 있으며 차량의 회전 각속도를 감지하는 센 서로 계산된 목표 선회량과의 차이를 계산하고 횡 G센서는 차량의 횡 미끌림을 감지하는 센서로 노면 추정에 의한 목표 선회량을 보완하는 기능을 한다. (1) 요레이트 센서(Yaw rate sensor) 작동 차량이 코너링 하는 동안 요레이트 센서 내부에 장착되어 있는 미세 진동 포크는 차량 수 직축을 중심으로 발생하는 속도(Yaw rate)를 감지하고 이를 전기적인 신호로 CAN라인을 통해 ESP 유니트로 전송한다. 차량의 요잉 움직임이 발견되어 요 속도가 4 /s 정도 도달하 면 ESP 컨트롤이 시작된다. 결함이 있는 요레이트 센서는 0V의 출력 시그널을 내보내고, 오 장착 시 잘못된 컨트롤을 야기할 수 있기 때문에 최대 ±3 허용오차를 가지고 포크를 수직으로 세우면서 장착을 해야 한다. 요레이트 센서는 미세한 소리굽세의 작동에 의존하며 차가 수직축 주위를 움직일 때 포크 진동이 있는 평면이 변형되면 이 변형을 전기적으로 계 산하여 이용한다.

429 15.4 시스템 구성 동반석 시트 2. 센서클러스터(레터럴 센서+요레이트 센서) 3. 센서 클러스터 커넥터 4. 센서 클러스터 장착 볼트 5. 플로워 카멧트 센서 클러스터 장착 상태 6. 센서 클러스터 내부 모습 그림 요레이트 센서와 횡 G센서 (2) 횡 가속도 센서+ 종 가속도 센서 작동 차량의 횡/종 가속도를 감지하는 센서로서 센서 클러스터에 포함되어 있다. 4WD 차량은 종가속도 센서가 센서 클러스터에 포함되며 내부 작동은 방향만 차이만 날 뿐 동일하다. 즉, 횡 가속도 센서는 가로 방향의 움직임을, 그리고 종 가속도 센서는 세로 방향(차량 진행 방 향)의 움직임을 파악한다. 같은 극성을 가진 두개의 자화된 정지 평판 사이에 다른 극성을 가진 실리콘 원소가 외팔보의 끝에 다가가면, 이들 사이에 있는 두개의 전기장 C1, C2가 횡 가속에 상응하여 변화한다. 이 변화를 통하여 차량에 작동하는 횡/종 가속의 양과 방향 을 계산할 수 있다. ESP 시스템의 센서 클러스터는 하나의 모듈 개념으로 볼 수 있다. 내부 의 요레이트 센서와 횡 가속도 센서 그리고 종 가속도 센서를 이용하여 측정값을 두개의 CAN 라인을 통하여 ESP 유니트로 전달한다. 시동키 ON 상태에서 ESP 유니트로 부터의 공급전원은 약 12V이며, CAN 라인을 통한 출력범위는 ±1.7G 이다.

430 426 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) C1 C2 그림 센서 작동 개념도 V V 4 4.3V 4 4.3V V 1 0.7V 1 0.5V V 요레이트 센서출력 횡-G센서 출력 그림 MR 센서 출력 압력센서 운전자의 브레이크 의도를 감지하여 작동하는 브레이크 압력을 제어한다. 장착위치는 HECU 어큐뮬레이터 내부에 장착되는 타입과 마스터 실린더에 장착되는 타입 이 있다.

431 15.4 시스템 구성 마스터 실린더 2. 1차 압력 센서 3. 2차 압력 센서 4. 압력센서 내부 5. 커넥터 그림 압력센서 (1) 작동원리 1 센서는 두 개의 세라믹 디스크로 구성되어 있는데 하나는 고정되어 있고, 마스터 실린 더 측의 세라믹 디스크는 움직일 수 있게 되어 있다. 이들 디스크 사이의 거리는 압력 이 적용될 때 변화한다. 2 두 디스크 사이의 거리(s)는 제동 작동에 의해 마스터 실린더 측의 디스크에 압력이 가해질 때 선형적으로 변화한다. 3 마스터 실린더에 브레이크 압력이 생성되면 마스터 실린더 측의 세라믹 디스크가 고정 되어 있는 세라믹 디스크 쪽으로 움직이게 되고 두 세라믹 디스크 사이의 전하량은 변 화하게 된다. s s c 브레이크 미작동 c 브레이크 작동 그림 작동원리

432 428 제15장 차량자세제어시스템(ESP, Electronic Stability Program) HECU는 압력 센서의 두 신호를 비교하여 만약 규정 값의 범위와 다르면, 센서의 고장으 로 감지한다. 센서 출력은 공급 전압에 비례하는 아날로그 신호이며, HECU는 공급전압 대 비 신호값의 비율에 의해 압력 값을 인식한다. 최대 측정 가능 압력 : 170bar 브레이크 미작동시는 약 0.5V, 브레이크 작동 시에는 4.75V까지 선형적으로 변화한다 ESP OFF스위치 ESP OFF 스위치는 센터 스위치 판넬에 위치하고 있고, 스위치 작동을 하면 계기판에 ESP 경고등이 점등 되면서 ESP 작동은 중지된다. 이 때, ABS 기능은 작동한다. 선택 스위치 계기판 경고등 ABS 경고등 ESP 작동등 ESP ESP OFF ESP OFF등 그림 ESP 스위치 및 경고 작동등

433 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 16.1 타이어의 역할 (1) 고무의 탄력성과 공기의 수축성을 이용하여 노면의 충격을 완화시킴과 동시에 차체의 무게를 지탱 (2) 고무의 마찰력에 의해 구동력과 제동력을 제공 (3) 마찰력과 탄력성 그리고 수축성에 의한 자동차의 방향전환 기능 승차감을 중시하여 타이어의 수축성을 크게 하면 코너링 성능이 약화되고, 코너링 성능을 좋게 하기 위해 수축성을 작게 하면 승차감이 나빠진다. 또한 타이어의 폭이 넓으면 구동력 과 제동력은 좋으나 핸들 조작이 무거워지고 연비가 나빠지는 단점이 있다. 타이어의 세 가 지 역할에는 서로 상반되는 성격이 있다 승용차용 타이어의 구조 일반적으로 타이어는 트레드(Tread), 브레이커(Braker), 벨트(Belt), 사이드 월 (Sidewall), 카커스(Carcass;골격), 비드(Bead)로 구성되어 있으며 이 중에서 타이어의 골 격(카커스:Carcass)을 구성하는 플라이(Ply)의 특성이 타이어의 강도, 안정성, 충격, 피로, 온도 등에 대한 내구성을 결정한다. (1)트레드 두꺼운 고무로 만들어진 타이어의 가장 바깥 부분으로 지면에 닿는 가장 중요한 부분이 다. 구동력을 확보하면서 회전 저항을 줄이며 옆 방향 미끄러짐에 강해야 하고, 배수 능력이 우수하여야 하며, 또한 주행 시 소음이 작도록 설계한다. 트레드의 패턴(홈의 모양) 중에서 실제 땅에 닿는 부분을 Land area(contact patch area), 움푹 파인 부분을 Sea area라 한다. [패턴의 종류] 1 리브패턴(Rib pattern) 포장도로, 고속용이며 승용차용 및 버스용으로 많이 사용되고 있고, 최근에는 일부 소형 트럭용으로도 사용되고 있다.

434 430 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 장점 : 회전 저항이 적고 발열이 낮다. 옆 미끄럼 저항이 크고, 조종성 및 안정성이 좋 다. 진동이 적고 승차감이 좋다. 단점 : 다른 형상에 비해 제동력과 구동력이 떨어진다. 홈부에 균열이나 파열이 발생하 기 쉽다. 2 러그패턴(Rug pattern) 일반도로, 비포장도로용이며 트럭용, 버스용, 소형트럭용 타이어에 많이 사용되고 있다. 대부분의 건설차량용 및 산업차량용 타이어는 러그형이다. 장점 : 구동력과 제동력이 좋다. 비포장도로에 적합하다. 단점 : 다른 형상에 비해 회전 저항이 크다.(연료비가 많이 든다) 옆 미끄럼 저항이 적다. 비교적 소음이 크다. 3 리브 러그 패턴(Rib rug pattern) 포장도로, 비포장도로용이며 트럭용, 버스용에 많이 사용되고 있다. 장점 : 리브와 러그 패턴의 장점을 살린 타이어로 조종성 및 안정성이 우수하다. 포장 및 비포장도로를 동시에 주행하는 차량에 적합하다. 단점 : 리그 끝부분의 마모발생이 쉽다. 리그 홈 부에서 균열이 발생하기 쉽다. 4 블럭 패턴(Block pattern) 스노우 및 샌드서비스 타이어 등에 사용되고 있다. 장점 : 구동력과 제동력이 뛰어나다. 눈길 및 진흙에서의 제동성, 조종성, 안정성이 좋 다. 단점 : 리브형과 러그형에 비해 마모가 빠르다. 회전저항이 크다. 5 비대칭 패턴(Asymmetrical pattern) 승용차용 타이어(고속)이며 일부 트럭용 타이어로 사용된다. 장점 : 지면과 접촉하는 힘이 균일하다. 마모성 및 제동성이 좋다. 타이어의 위치 교환 불필요. 단점 : 현실적으로 활용이 적다. 규격간의 호환성이 적다. 리브 패턴 러그 패턴 리브 러그 패턴 블럭 패턴 비대칭 패턴 그림 16-1 패턴 형상

435 16.2 승용차용 타이어의 구조 431 (2)브레이커와 벨트 브레이커는 트레드와 카커스 사이에 넣는 것으로 폴리에스터, 나일론, 레이욘 등의 화학섬 유나 스틸 같은 금속섬유를 정형한 것을 사용한다. 이는 트레드로 부터 오는 충격을 완화시 키고 카커스를 보호할 목적으로 넣는다. 벨트는 주로 레디얼 타이어에 사용되는 것으로, 강 도가 높은 스틸 등의 금속 코드를 사용하여 트레드 바로 아래쪽에서 카커스를 둘러싸고 있 다. 이는 트레드와 카커스를 보강하며 변형을 방지한다. (3) 사이드 월 타이어 측면의 고무부분으로, 내구성의 고무로 만든다. 탄력성이 좋으면 승차감은 좋으나 횡방향 지지력이 약하고, 강성이 높은 고무는 그 반대가 된다. (4) 카커스 트레드의 안쪽에서 타이어의 골격을 형성하며 타이어의 변형을 방지한다. 카본 화이버나 스틸 코드(Cord, 끈 또는 줄)로 짠 조직을 여러 겹으로 겹쳐서 만든다. 겹친 조직의 층수를 플라이 수로 표시하며 타이어의 강도를 나타내는 수치로 활용된다. 스틸 코드의 경우는 이 와 동등한 강도를 갖는 면 코드의 층수로 Ply rating을 표시한다. 현재 쓰이고 있는 타이어 에는 플라이를 짠 모양에 따라서 세 가지 형태가 있으며, 바이어스 플라이(Bias-ply), 바이 어스 벨트(Bias-belted), 그리고 레디얼 플라이(Radial-ply) 타이어로 구분한다. (그림 16-2) Shoulder Tread Tread Sidewall Tread Braker Belt Belt Carcass Carcass Carcass (a) 일반 바이어스 플라이 (b) 바이어스 벨트 플라이 (c) 레디얼 벨트 플라이 그림 종류의 타이어 구조 바이어스 타이어 바이어스 타이어는 그림 16-3에서와 같이 골격을 이루는 코드를 타이어의 중앙선에 대 해서 정도 기울어지도록 하여 서로 교차되게 겹쳐서 만든 타이어이다. 원래 미국 에서 승차감을 중시하여 만든 타이어로 일반적인 주행조건에서는 별문제가 없으며 정숙성이 뛰어나고 모래 도로 등에서 옆 방향 충격에도 강하다.

436 432 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 그러나 코너링 중에 횡력에 대한 트레드 접지면의 강성이 낮아 타이어가 변형하기 때문에 슬립(Slip) 각도가 레디얼 타이어 보다 커서 미끄러지면서 회전하게 되므로 코너링 특성이 좋지 않다. 과거에는 대부분의 승용차가 일반 바이어스 타이어를 사용했으나 오늘날은 기술 의 발전으로 레디얼 타이어의 승차감이 향상되고 가격도 싸졌기 때문에 바이어스 타이어는 거의 사용하지 않고 있다. 그림 16-3 바이어스 벨트 타이어의 플라이 코드의 배열 구조 바이어스 벨트 타이어 바이어스와 레디얼의 중간적인 존재로, 바이어스 구조의 플라이 상에 코드의 각도가 8 10 기울어진 벨트를 두른 타이어이다. 벨트의 재질은 레이욘, 나일론, 폴리에스터, 또는 화 이버 글라스 등을 사용한다 레디얼 벨트 타이어 골격을 이루는 코드를 타이어 진행방향에 대해서 직각으로, 즉 그림 16-4에서와 같이 타 이어의 옆면에서 볼 때 중심에서 방사상으로 하여 조직을 짜고, 그 위를 고강성의 벨트나 브레이커 스트립을 감은 구조의 타이어다. 이 벨트나 브레이커 스트립은 강철이나 직물 코 드를 정도 경사지게 하여 만든다. 레디얼 타이어는 벨트에 의해 보강되어 있기 때 문에 트레드면의 변형이 적고 따라서 회전저항이 작아 일반 바이어스 타이어 보다 연비도 좋다. 특히 코너링시도 트레드의 변형이 작아 노면과의 밀착성이 우수하여 슬립 한계 속도 가 높고 주행에 의한 발열량도 적어 트레드의 수명도 길다. 현재는 거의 모든 승용차에 표 준으로 장착하고 있다. 레디얼 타이어는 형상 유지를 담당하는 플라이와 트레드의 강성을 유지하는 벨트가 각자의 역할을 분담하기 때문에 지극히 유연한 사이드 월과 강인하고 안정 된 트레드와의 조화를 이룰 수 있어 가장 좋은 승용차용 타이어라 할 수 있다.

437 16.2 승용차용 타이어의 구조 433 그림 16-4 레디얼 타이어의 플라이 코드의 배열구조 (a) (b) 그림 16-5 비드와 비드 와이어 및 밸브 (1) 비드 휠 림과 접하는 타이어의 안쪽 테두리 부분을 말한다. 사이드 월이나 카커스가 변형하더 라도 타이어가 휠로부터 벗겨지지 않도록 확실히 고정되어야 하기 때문에 여러 개의 가느다 란 강철 와이어로 되어 있다. 특히 튜브리스 타이어에서는 공기가 새지 않도록 하기위해 비드와 림과의 밀착성이 대단 히 중요하다. 또한 레디얼 타이어의 경우 림과의 접촉부위에서는 강성이 필요하고, 사이드 월과의 관계에서는 사이드 월의 변형에 따른 유연성이 타이어의 성능에 큰 영향을 준다. (2) 밸브 타이어에 공기를 넣고 빼는 밸브는 통상 림 부분에 붙어있다. 밸브 속에는 돌기 코아가 들어있고, 평소에는 이 돌기 코아에 붙어있는 패킹을 스프링 힘으로 내측에서 밸브 스템 쪽 으로 밀고 있기 때문에 밸브는 닫혀져 있다. 공기를 넣을 때는 입구 중앙에 있는 돌기 코아 를 누르면 밸브가 열리도록 되어 있다. 타이어에 공기가 들어 있을 때는 스프링 힘과 공기 압력이 함께 작용하여 밸브가 닫히므로 밀폐성이 좋아 공기가 새지 않는다.

438 434 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 밸브 스템의 내측과 밸브 코아 및 패킹은 밀폐성이 좋도록 정밀하게 가공되어 있기 때문 에 이 사이에 먼지 등이 들어가면 공기가 누설될 수 있다. 따라서 밸브의 캡을 반드시 씌워 두어야 한다. Shoulder Tread Under tread Belt Side wall Inner liner Carcass Bead core Bead heel Bead toe Protector Bead base Snap-in valve 그림 16-6 튜브리스 레디얼 타이어의 단면도 16.3 타이어 코드의 재료 타이어의 골격유지를 위한 코드 재료로는 레이욘, 나일론, 폴리에스터, 화이버 글라스 또 는 스틸이 사용된다 레이온 레이욘은 정상적인 사용조건, 즉 도회지나 포장도로 등에서 중저속 이하에서는 좋은 성능 을 나타내나, 고속 주행이나 장거리 주행 또는 비포장도로에서 요구되는 강도를 갖지 못해 한때 사라졌으나 나일론보다 가격이 싸면서 고장력의 특수 레이욘이 개발되면서 바이어스 타이어나 레디얼 타이어에 사용되어 오고 있다.

439 16.4 타이어의 사이즈와 규격 표시 나일론 가장 질기고 강인한 타이어 코드 재료이다. 또한 스틸보다 강하면서도 탄력이 있고 가혹 하게 사용할 수 있어 대부분의 고성능 고속용 타이어는 나일론 코드로 만들고 있다. 나일론 타이어의 유일한 단점은 플랫 스팟(Flat spot) 현상이 일어난다. 이 현상은 주행에 의해 가 열되어 다시 팽창될 때 까지 지속된다. 보통의 조건에서는 아주 추운 계절에 한두 번 일어 나는 현상이지만, 나일론 타이어의 플랫 스팟에 의해 주행 시 탁탁 치는 소리가 날 수 있다. [참조] 플랫 스팟(Flat spot) : 저온에서 일정시간 이상 장기 주차시키는 경우 지면과 맞 닿는 부분이 평평해지는 현상 폴리에스터 폴리에스터 코드는 레이욘과 나일론의 장점만을 고루 갖추고 있어, 레이욘 타이어와 같이 부드러운 주행을 할 수 있으면서도 나일론 타이어와 같은 강인성을 골고루 갖고 있다. 장시 간(수주일) 동안 주차시켜도 나일론 타이어와 같은 플랫 스팟 현상은 없다 화이버 글라스 및 스틸 화이버 글라스는 고무의 보강재로서 일반 바이어스 타이어의 트레드 밑의 벨트에 많이 사 용되나 현재는 스틸 벨트 레디얼 타이어를 대부분 장착하고 있다. 화이버 글라스 타이어는 스틸 타이어보다 가격이 저렴하여 코드와 벨트에 모두 화이버 글라스를 사용한 타이어도 있 다. 스틸은 레이욘이나 화이버 글라스 보다 훨씬 강인한 벨트 재질이다. 스틸 벨트는 레이욘 이나 화이버 글라스 벨트보다 충격 흡수력이 다소 부족하여 타이어 자체만으로 비교하면 승 차감이 약간 딱딱하다. 그러나 고급의 현가장치를 갖는 고성능 고속 승용차에는 스틸 벨트 레디얼 타이어가 오늘날 가장 잘 알려져 있고 또 가장 많이 사용된다 타이어의 사이즈와 규격 표시 타이어의 사이드 월에는 일반적으로 메이커 이름, 상표명, 제조번호, 사이즈, 최대 공기압, 최대 하중 플라이수 등이 표시되어 있다.

440 436 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) Width. W Hight, H Inner diameter 그림 16-7 타이어의 높이, 폭 및 내경의 정의 타이어의 편평비(Profile 또는 Aspect ratio) 편평비는 타이어 단면의 횡폭에 대한 높이의 비를 퍼센트로 표시한다. 타이어의 횡폭은 사이드 월과 사이드 월 사이의 거리를 나타내고, 높이는 트레드에서 비드까지의 거리이다. 한국의 KS마크 튜브 없이 사용하는 제품 상호명 생산지 일본의 JIS마크 일반 타이어 마모한계 최고 속도기호 최대 하중지수 타이어 규격 규격 코드 생산공장 코드 미국 교통성의 약자 트레드 패턴 레디얼 구조 제조년도 및 주 NO. 옵셔날 코드 올드번호 E-마크 승인번호 E-마크 트레드 플라이수 스노우 타이어 마모한계 카커스 플라이수 최대 공기압 최대 하중 타이어 강도 타이어 코드지 그림 16-8 타이어의 규격 표시 예 따라서 이 수치가 작을수록 편평하게 된다. 일반 승용 타이어에서는 편평비가 70-80% 정도이나 고성능 타이어에서는 60%인 것도 있으며 특수한 스포츠 카에서는 45%의 것도

441 16.4 타이어의 사이즈와 규격 표시 437 있다. 편평비를 작게 하는데는 타이어의 횡폭을 늘리는 방법이 있으나, 일반적으로는 횡폭을 일정한도 내로 하면서 높이를 낮게 하는 것이 보통이다. 따라서 타이어의 크기를 변화 시키 지 않고 편평비를 낮출 경우 휠의 직경을 크게 해야만 한다. 이렇게 하여 편평비를 낮추면 코너링 시에 타이어가 변형되는 부분이 적어지므로 스티어링 반응이 예민하고 노면을 움켜 쥐는 그립(Grip)력, 즉 접지력이 강하여 고속 코너링이 가능해진다. 그러나 편평비가 낮은 타이어는 충격을 흡수하는 부분이 작아져 승차감이 나쁘며, 회전저항이 다소 증가하는 경향 이 있다 일반 바이어스 타이어의 규격 표시 (1) 숫자 표시 1967년 이전까지는 보통 타이어의 사이즈를 수치만을 사용하여 또는 등으로 표시하였다. 여기서 첫 번째 수치는 적정압력의 공기를 주입했을 때의 타이어의 폭 을 인치로 나타낸 것이다. 두 번째 수치는 림의 직경을 역시 인치로 표시한 것이다. 이렇게 표시하는 타이어의 편평비는 83%이다. (2) 문자 및 숫자 표시 1967년 광폭 타이어의 출현으로 표시하기 시작한 방법으로, 편평비 78시리즈에서 50시 리즈까지의 타이어 사이즈를 크기 순서로 문자 A에서 N까지를 대응시킨 것이다. A는 가장 작은 타이어이고 N이 가장 큰 것이다. 예를 들면 F78-14로 표시된 타이어는 사이즈가 F, 편평비 78%이고, 14인치 직경의 휠 림에 맞는 것임을 나타낸다. 또 다른 예로서 PR로 나타낸 경우는 타이어의 폭이 5.60인치, 휠의 직경이 13인치이고 4PR은 사이드 월 카커스의 플라이 매수가 4매임을 나타낸다 레디얼 타이어의 규격 표시 레디얼 타이어 메이커들은 여러 가지의 사이즈 표시방법을 사용하는데 인치와 미터를 혼 용하기도 한다. 오늘날 가장 널리 쓰이고 있는 P-metric 타이어는 1977년에 도입 된 것으 로 표시 방법은 다음과 같다. P 205 / 65 H R 15 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1)의 P는 Passenger-car, 즉 승용차용임을 나타낸다. (2)의 205는 타이어의 폭을 밀리미터로 표시한 수치.

442 438 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) (3)의 65는 편평비를 퍼센트로 나타 낸 수치. (4)의 표시는 사용 가능한 최고속도를 나타낸다. S는 180km/hour, H는 210km/hour, V는 60 km/hour의 속도까지 안전함을 나타낸 다. 이것은 최대 부하상태에서 표시값의 속도로 24시간 연속 동작시험을 거친 경우에 표시한다. (5)의 R은 레디얼 타이어를 나타낸다. (6)의 15는 타이어의 내경이 15인치이며 15인치 폭의 휠 림에 맞음을 나타낸다 휠(Wheel) 휠은 타이어을 끼워 넣는 림 부분과 차축과 연결되는 스포크 또는 디스크 부분으로 이루 어져 있다. 디스크는 림에 결합되는데, 림은 자동차의 하중과 함께 타이어의 압력을 받기 때 문에 충분한 강도를 가져야 한다 스포크 휠(Spoke wheel) 자전거와 같이 림과 차축 연결부분 사이에 여러 개의 가느다란 스포크(Spoke, 가느다란 살)로 연결한 휠이다. 이는 강성이 부족하여 자동차의 무게와 출력의 증대로 오늘날은 거의 사용하지 않고 있으 며 일부 경량의 클래식 카(Classic car)나 오토바이에 사용되고 있다. 그림 16-9 스포크 휠 디스크 휠(Disk wheel) 현재는 프레스와 다이캐스팅 기술의 발달로 디스크를 쉽게 제작할 수 있기 때문에 스틸이

443 16.5 휠(Wheel) 439 나 알루미늄 디스크 휠이 주류를 이루고 있다. 그림 16-10에 스틸과 알루미늄으로 만든 휠 의 단면도를 보였다. 디스크 휠은 한복판이 空 洞 (우물, Well)으로 되어 있어 이 공간 속에 브레이크 장치와 속도 센서 등이 들어간다. 휠은 림의 폭과 가장자리 테두리의 모양, 그리고 디스크 空 洞 의 위치와 크기 등으로 정의된다. 테두리는 충격이나 코너링 시에 타이어의 사 이드 월이 손상되지 않도록 둥글게 되어 있다. 휠은 디스크와 림을 용접한 원피스 휠이 가장 일반적이나 이들을 볼트로 연결한 투피스 휠이나 2매의 디스크를 합쳐서 붙인 스리피스 휠도 있다. 알루미늄 휠은 스틸 휠보다 가볍 고 방열성이 우수하다. 일반적으로 알루미늄은 스틸 보다 강도가 약하나 특수합금의 알루미 늄은 일반 스틸보다 강한 것도 있다. 오늘날 고급 승용차에는 연비, 승차감, 방열성 등이 우 수한 알루미늄 휠을 표준 장착하고 있다. 림 내부 폭 플랜지 높이 림 림 의 의 외 내 경 경 림 외부 폭 Offset Inset 그림 대표적인 스틸 휠 및 알루미늄 휠의 구조 16.6 타이어의 종류 스퀘어 쇼울더(Square shoulder) 타이어와 라운드 쇼울더(Round shoulder) 타이어 스퀘어 쇼울더 세미스퀘어 쇼울더 라운드 쇼울더 그림 타이어 쇼울더의 여러 가지 모양

444 440 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 타이어의 단면에서 트레드의 끝 부분을 쇼울더(어깨)라고 한다. 스퀘어 쇼울더 타이어는 어깨 부분이 직각에 가까울 정도로 각이 져있다. 이 타이어는 동일 규격의 라운드 쇼울더 타이어 보다 접지 면적이 넓기 때문에 노면을 움켜쥐는 그립력이 크다. 따라서 코너링 시에 횡 방향 미끄러짐이 적어 고성능 타이어나 경주용 타이어 등에 사용된다. 그러나 코너링 시 에 사각 사각하는 잡음이 난다. 라운드 쇼울더 타이어는 쇼울더 부분이 둥글게 생긴 타이어 이다. 이 타이어는 부드러운 코너링이 이루어지기 때문에 일반 타이어에는 이 형태가 많다. 스포츠성을 강조한 고성능 타이어에는 쇼울더부의 둥근 정도를 적당히 가감한 세미 스퀘어 쇼울더로 한 것도 있다. 이것은 부드러운 코너링과 그립력을 양립시킨 것이다 튜브리스(Tubeless) 타이어 타이어 안쪽면의 밀폐층이 튜브를 대신한다. 하중압으로 인해 공기가 튜브와 타이어 사이로 빠져나간다. 림에 고정된 밸브 공기가 순간적으로 빠져나간다. 공기가 서서히 빠져나간다. 튜브리스 타이어 튜브식 타이어 그림 펑크시 튜브리스 타이어의 장점 튜브리스 타이어는 1947년 미국에서 개발된 것으로, 현재는 승용차 타이어의 주류를 이 루고 있다. 이 타이어는 공기를 넣는 고무튜브를 사용하지 않고 카커스 내측에 기밀성이 좋 은 고무로 인너 라이너(Inner liner)를 부착한 타이어이다. 또한 비드 부분에는 공기가 새지 않도록 비드 베이스(Bead base)라는 재료를 사용한다. 따라서 튜브리스 타이어를 휠에 장 착된 상태에서 공기를 넣으면 공기압력에 의해 비드부분이 휠에 빈틈없이 딱 들어맞아 공기 가 새지 않도록 되어있다. 튜브리스 타이어는 공기압이 다소 떨어지더라도 휠 림으로부터 타이어가 빠지지 않도록 하기위해 비드부분의 강성을 높게 제작함으로 안전상 유리하다. 이 타이어에서는 공기를 넣는 밸브가 휠 림에 부착되어 있다. 튜브리스 타이어는 튜브가 없는 만큼 가벼워져 좋지만 최대 장점은 역시 주행 중 펑크가 난 경우의 안전성이다. 튜브를 사 용한 타이어의 경우, 못 같은 것에 찔려 구멍이 생기면 풍선과 같이 공기가 급격히 빠진다. 그러나 튜브리스 타이어에서는 작은 구멍이라면 공기의 압력에 의해 인너 라이너가 표면 의 고무를 밀어서 구멍을 막기 때문에 공기가 서서히 빠진다. 따라서 못 같은 것에 찔린 경

445 16.6 타이어의 종류 441 우 못이 다시 빠지지 않은 상태에서는 한참 동안 저속으로 주행이 가능하므로 안전한 곳까 지 이동하여 예비 타이어로 교환하거나 수리할 수 있다 스노우 타이어(Snow tire) 스노우 타이어는 눈길에서도 주행할 수 있도록 고안한 타이어이다. 트레드 부분의 폭은 넓고 홈은 깊게 만들어져 있고 타이어의 어깨 부분을 각지게 한 스퀘어형으로 되어 있어, 접지 면적을 늘리고 어깨부분도 눈을 깨물도록 하고 있다. 트레드 패턴은 블록형으로 홈이 일반 타이어보다 깊고 넓게 파여져 있어 설면에 잘 파고들며 홈에 눈이 잘 채워지지 않는 다. 일반 타이어는 저온에서 고무가 딱딱하게 되어 그립력이 떨어지나, 스노우 타이어에서는 저온에서도 부드럽고 탄력을 유지하는 합성고무를 사용하고 있다. 따라서 타이어가 회전하 여 트레드가 설면에 접촉할 때는 고무의 탄성에 의해 블록이 눈을 벗겨내듯이 파고들고, 설 면에서 떨어질 때는 블록이 홈에 들어박힌 눈을 뱉어낸다. 이런 기능으로 인하여 스노우 타 이어는 빙판길이나 매우 깊게 쌓인 눈길이 아니라면 충분히 주행이 가능하다. 즉 타이어가 회전하면 눈 기둥은 트레드 홈 속에서 잘려 나가지 않으려고 어떤 종류의 저항을 하게 된 다. 이것을 눈의 전단 저항이라고 하며, 스노우 타이어의 기능을 발휘시키는 기본적인 원리 이다. 눈이 많이 쌓인 도로에서는 일반적으로 체인을 감는 편이 유리하나, 승차감, 소음, 연 비, 타이어의 마모 등의 문제가 있다. 또한 제설장비의 보급으로 시가지에서는 눈이 없는 곳 이 많아, 그 때 마다 체인을 탈부착하기란 매우 귀찮아 진다. 스터드 스노우 타이어 그림 스노우 타이어의 역할과 스파이크의 모양 스노우 타이어는 마모되어 홈의 깊이가 새 타이어의 1/2이 되면 그 기능을 상실하므로 주 의 하여야 한다. 홈의 마모 정도를 나타내기 위한 플랫폼이 트레드 부위에 4군데 이상 설치 되어 있다. 이 플랫폼이 노출되면 스노우 타이어로서는 사용이 곤란하나 일반 타이어로서는 사용이 가능 하므로 슬립 사인도 함께 설치되어 있다. 그러나 고무가 저온에서도 탄력을 유

446 442 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 지하는 합성 고무라면 완전한 일반 타이어로서 기능을 다하지 못하기 때문에, 특히 고속도 로 주행 시는 보통 때보다 속도를 줄여서 운행해야 하며, 또한 제동 시에는 충분한 거리를 유지해야만 한다 스파이크 타이어(Spike tire) 빙설도로에서의 성능만을 추구한다면 역시 스파이크 타이어다. 스파이크 타이어는 빙판길 에서 미끄러지지 않도록 금속제의 스파이크(Spike, 못)를 스노우 타이어의 트레드 표면에 심어 넣은 것이다. 눈이 얕게 쌓인 도로나 제설된 도로에서는 스파이크가 노면과 부딪히는 소음이 심하고 승차감이 나쁘다. 더욱이 금속제 스파이크는 노면상에서 미끄러지기 때문에 타이어의 접지력이 오히려 떨어진다. 그러나 무엇보다도 가장 중요한 문제는 아스팔트 등과 같은 포장도로 표면을 깎아 노면의 손상과 함께 발암물질인 분진 공해를 일으킨다는 것이 다. 이 때문에 국가나 지방에 따라서는 스파이크 타이어의 사용금지 조치를 취하는 경우가 대부분이다 스터드리스(Studless) 또는 스파이크 리스 타이어 (Spikeless tire) 스파이크를 사용하지 않고도 스파이크 타이어와 동일한 성능의 타이어로 만든 것으로, 이 는 트레드에 일반 스노우 타이어보다도 더욱 부드럽고, 특히 빙점하에서도 딱딱해지지 않고 탄력성을 유지하는 특수 합성고무를 사용한 타이어이다. 스터드레스 스노우 타이어 그림 스터드리스 타이어

447 16.7 레이싱 타이어 443 이 타이어에서는 트레드 홈에 들어간 눈을 고무의 탄력으로 스파이크상태로 만들어 버린 다. 또한 트레드의 land area에는 특수한 모양의 칼집을 내어 미끄러운 노면을 움켜쥐도록 되어 있다. 또한, 이 타이어는 건조한 일반도로에서도 사용될 수 있어 매우 편리하다. 다만 트레드의 고무가 부드럽기 때문에 일반도로 주행 시 가속능력과 브레이크력이 다소 떨어지 므로 주의하여야 한다. 또한 트레드가 잘 닳고 비교적 고가이므로 겨울에만 사용하는 것이 상식으로 되어 있다. 최근에는 타이어가 얼음 표면을 누르는 압력에 의해 얼음이 녹아 수막이 생길 때 이를 즉시 흡수하도록 함으로써 완전 빙판길에서도 주행이 가능하도록 트레드를 초미세 다공질의 표면 으로 제조한 타이어도 등장하였다. 겨울철 운전요령을 습득한 운전자라면 이 타이어로 웬만 한 눈길이나, 빙판길을 체인 없이도 주행 가능한 최고 성능의 겨울용 타이어라 할 수 있다 레이싱 타이어 레이싱 타이어는 빨리 달리는 것이 주목적이고 승차감은 별로 고려하지 않는 것이 특징이 다. 일반 타이어와 현저한 차이점은 접지 면적을 늘리기 위해서 트레드를 넓게 하고 타이어 의 직경을 크게 하여 Low profile화 되어 있다. 더욱이 고성능화를 위해 트레드와 사이드 월의 강성을 높게 하며, 스티어링 반응이 민감하게 되어있다. 레이싱 타이어의 특성상 슬립 앵글이 작은 것이 좋으나, 노면으로부터 오는 충격이 충분히 흡수되지 않기 때문에 승차감 은 매우 나쁘다. 트레드 폭이 넓어서 핸들을 꺾는 데도 상당한 힘이 요구된다. 그림 레이싱타이어 슬릭크(Slick) 타이어와 레인(Rain) 타이어 슬릭크 타이어는 경주용 자동차에 사용되는 타이어이다. 이 타이어는 접지면적을 극한까 지 늘리기 위해서 트레드 표면에 홈이 전혀 없도록 만든 것이다.

448 444 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 슬릭크 타이어는 고속주행 중 트레드 표면의 온도가 적당히 상승하였을 때 컴파운드를 조 금씩 녹게 하여 강력한 접지력을 얻고 있다. 따라서 너무 낮은 온도에서 녹기 시작하면 고 무분자가 분해되는 소위 블로우(Blow)상태가 되어 골인하기도 전에 타이어가 파열하는 수 도 있다. 이 때문에 레이스에서는 외기온도와 노면온도, 그리고 타이어의 표면온도 등을 측 정하여 그 조건에 알맞는 컴파운드의 타이어를 사용하도록 하고 있다. 슬릭크 타이어는 건 조한 노면에서는 탁월한 접지력을 가지지만, 젖은 노면에서는 배수가 되지 않아 수막을 형 성하여 접지력이 거의 없어지므로 젖은 노면에서는 레인 타이어가 사용된다. 레인 타이어는 수막을 자르기 위해 슬릭크 보다 트레드 폭이 약간 좁으며, 배수효율이 좋도록 폭 넓게 직 선적인 홈을 낸 타이어이다. 또한, 물 때문에 노면온도와 타이어 표면온도가 낮아지기 때문 에 부드러운 컴파운드를 사용한다. 습기를 약간 품은 정도의 노면에서는 슬릭크와 레인의 중간적인 성격을 지닌 인터미디어트(Intermediate) 타이어가 사용된다. 이 타이어에는 홈이 레인 타이어보다 얕은 것이나 슬릭크 타이어에 홈을 살짝 낸 타이어 등이 있다. 인터미디어 트나 레인 타이어는 트레드의 고무가 두껍고, 컴파운드가 다른 타이어를 슬릭크 타이어의 금형으로 만든 다음, 전용의 공구로 홈을 조각하듯 파낸다(Grooving). 이렇게 함으로써 경 주용 자동차 성격에도 맞고, 더욱이 기후 조건에도 맞는 패턴을 만든다. 그림 슬릭크 타이어와 레인 타이어 스페어(예비) 타이어 스페어 타이어라고 하면 일반적인 타이어와 동일한 것이다. 그러나 튜브리스 타이어의 보 급으로 펑크가 잘 일어나지 않는다는 점과 수납공간을 작게 하여 트렁크 공간이나 거주 공 간을 넓게 사용하기 위해 개발된 스페어 전용 타이어도 등장하고 있다. 그 중 하나가 템퍼 러리 타이어로 그림 16-17에 보였다. 이는 표준 타이어 보다 작은 바이어스 타이어를 직경 은 동일하나 4인치 정도의 좁은 림 폭의 휠에 부착한 것이다. 이 타이어는 통상의 타이어보 다 약 2배의 공기압(4.2kg/cm )에서 사용하며, 수납시의 부피는 사용 시의 약 1/2 정도로 작고, 80km/h 이하의 속도에서 안전하도록 만든 것이다. 또 다른 하나는 접이식 타이어로,

449 16.7 휠 및 타이어의 주행 상 문제점과 재난 445 이는 대형 타이어를 장착하는 미국산 승용차는 물론이고, 트렁크 룸이 작은 스포츠카 등에 최적인 스페어 타이어이다. 구조는 2플라이의 바이어스 타이어를 표준 림에 장착한 상태에 서 그림 16-18에서와 같이 접어 둔 것으로, 부피가 보통 타이어의 약 1/2 정도가 된다. 사 용 시에는 에어 컴프레셔나 전용의 가스 봄배로 공기를 주입하면 된다. 이 타이어 역시 80km/h 이하의 속도에서 안전하도록 만들었으며, 트레드 패턴의 홈 깊이는 보통 타이어의 반 정도이고, 사용 후 공기를 뽑으면 저절로 원래 접힌 형태로 되기 때문에 여러번 사용할 수 있는 편리한 스페어 타이어이다. 그림 템퍼러리 스페어 타이어 그림 접이식 스페어 타이어 16.7 휠 및 타이어의 주행 상 문제점과 재난 타이어와 휠의 조합 타이어와 휠은 주행 시 이상적인 노면 충격 흡수성과 부드러운 추종성을 가져서 차체와는 격리되어야 좋다. 그러나 실제적으로는 타이어와 휠, 회전축, 브레이크 등 회전체 제조 시에 불균일성이 존재하며 특히 타이어와 휠에는 탄력성의 불균일, 질량 분포의 불균일 및 기하 학적 불균일성이 존재할 수 있다. 타이어와 휠이 노면상에서 회전할 때는 이러한 불균일성 으로 인하여 복합적으로 여러 가지 형태의 진동으로 나타난다. (1) 탄력성의 불균일 타이어를 레디얼 방향으로 수많은 스프링이 나열된 탄성체로 모델링하는 경우, 그림 16-19에 보인 것과 같이 원주상에서 탄력성의 변화를 나타낸다. 그림에서 타이어가 지면에 닿는 부분은 압축되므로 지면에 닿지 않는 부분과는 레디얼 방향으로 스프링의 길이가 달라 지므로 이것이 회전 불균일성을 결정짓는다. 또한 각 스프링의 특성이 조금씩 다른 경우 지 면과 접촉 시 생기는 충격 흡수력이 달라지는 탄력성의 불균일로 나타난다. 이 탄력의 불균 일은 작용 방향에 따라 타이어의 수직방향 강성변화(Radial force variation) 및 수평방향

450 446 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 강성변화(Lateral force variation)로 나누어진다. 수직 및 수평방향의 강성변화는 스티어링 휠에 전달되어 각각 상하 및 좌우 회전 진동을 일으킨다. Free radial run out Loaded radial run out 그림 타이어의 레디얼 스프링 모델 (2) 질량 분포의 불균일 B8 A B1 A1 2 5 B2 A2 3 4 B3 A3 (a) (b) 그림 타이어/휠 조합체의 질량 불균일 및 비대칭성 타이어/휠 조합체를 그림 16-20(a)에서와 같이 회전축을 중심으로 동일한 각도로 많은 조각으로 나누었을 때, 각 조각의 질량은 각기 다를 수 있다. 이와 같이 회전축에 대한 질량 분포의 비균일 비대칭성은 정적 불평형(Static imbalance)으로 관찰된다. 정적 불평형은 회 전 시에 타이어의 레디얼 방향과 진행축 방향에 진동을 일으키는데, 이 진동을 쉐이크 (Shake)현상이라 한다. 한편, 그림 16-20(b)에서와 같이 타이어/휠 조합체를 다시 타이어 폭 방향으로 이등분 해보면 좌우 조각 사이에도 질량 분포가 다를 수 있다. 좌우 조각 사이에 질량 분포가 다르 고 또한 회전축에 대해서 비대칭이면 각 조각이 서로 다른 회전 운동량을 갖게 되어 동적 불평형(Dynamic imbalance)이 일어나 휠에 회전 토크를 발생시키며, 휠 회전 주파수에서 오버터닝 모멘트와 차륜정렬 토크의 진동으로 나타난다. 이 진동이 승차감에는 큰 영향을

451 16.7 휠 및 타이어의 주행 상 문제점과 재난 447 미치지 못하나 전륜에서 발생하는 경우 조향계통에 진동을 일으키는 소위 시미(Shimmy)현 상을 초래하여 결과적으로는 핸들이 떨리는 현상으로 쉽게 나타나므로 특히 주의 하여야한 다. 일반적으로 타이어 및 휠 조합체의 질량 분포 불균일성은 휠 원주상에서 가벼운 부분의 안쪽이나 바깥쪽에 납으로 된 추를 부착하여 보정 해줄 수 있다. 이 보정 작업이 휠 밸런스 를 맞추는 것이다. 밸런스를 맞춘 타이어라 할지라도 사용함에 따라 타이어의 편마모 등으 로 인하여 밸런스 값이 달라지므로 일정 거리 주행 후에는 재 보정해야 한다. (3) 기하학적 불균일 그림 16-21에 보인 것과 같이 타이어의 회전 중심이 기하학적으로 편심 되어 있거나 타 이어/휠 조합체가 기하학적으로 완전한 원이 아닌 경우에도 레디얼 방향의 불균일성으로 인 해 여러 가지 하모닉 진동을 일으킨다. 타이어와 휠, 그리고 차축이 각각 편심 되어 있는 경 우는 차축상에 레디얼 방향 및 구동력에 회전속도에 따른 기본 주파수 성분의 불균일성을 나타낸다. Eccentric Triangular 1st Harmonic 3rd Harmonic Oval or Elliptical Square 2nd Harmonic 4th Harmonic 그림 여러가지 형태의 타이어 레디얼 불균일성 이 경우 그림 16-22에서와 같이 한 쪽의 편심은 다른 한쪽의 편심을 이용하여 부분적으 로 보상시킬 수 있다. 이 보상 방법을 매치 마운팅(Match mounting)이라 부르며, 승용차용 타이어와 휠을 조립할 때 기본 주파수의 불균일성을 최소화 할 목적으로 자주 사용된다. 이 경우, 양산 타이어의 평균적인 편심에 대응하여 사용될 휠을 의도적으로 편심 시켜 만든다. 이 때 타이어와 휠을 조립할 때 편리하도록 하기위해 타이어는 회전중심 거리가 먼 곳에, 그리고 휠 측에서는 회전 중심 거리가 짧은 곳에 각각 표시가 되어있다. 타이어나 휠이 타원 형태인 경우는 매치 마운팅 방법으로 보상될 수 없다. 이 경우는 휠 회전 주파수의 2배에 해당하는 주파수, 즉 제 2고조파 성분의 진동이 발생한다. 제 3고조파 는 삼각형, 그리고 제 4고조파는 사각형의 원주 형태에 기인 한다. 그러나 제 3고조파 이상 의 진동은 타이어 자체의 중요한 문제이다. 왜냐하면 휠에서의 제 3고조파 진동은 대부분

452 448 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) 타이어에서 흡수되기 때문이다. 타이어의 여러 가지 원주 형태는 의도적으로 만드는 것이 아니고, 타이어의 구조와 제조방식에 의해 달라질 수 있는 것이다. 예를 들면 여러 겹의 플 라이를 갖는 타이어를 만들 경우 각각의 플라이가 겹치는 부분이 타이어의 원주상의 몇 군 데에 분산되는데 이 때문에 원주의 형태가 달라질 수 있는 것이다. 이로 인해 플라이가 겹 치는 부분은 타이어의 탄력성의 변화도 있게 된다. (a) Tire (b) Wheel (c) Tire와 Wheel 조합체 그림 편심 위치 표시와 매치 마운팅(Match mounting) 타이어의 소음 자동차가 주행할 때 발생하는 타이어의 소음 중에는 타이어 자체로 부터 직접 발생하는 것과 간접적으로 발생하는 것이 있으며 일반적으로는 다음과 같은 것이 있다. (1) 패턴 소음(Pattern noise) 패턴 소음은 타이어가 접지 됐을 때 트레드 홈 안에 공기가 압축되었다가 방출될 때 발생 하는 것이다. 이 소음은 트레드 홈의 형상과 크기에 따라 소음 주파수가 다르며, 타이어 회 전 속도가 빠를수록 소리도 커지게 된다. 일정한 크기의 패턴이 트레드상에 연속해 있으면 특정 주파수의 소음이 크게 난다. 승용차용 타이어에서는 이런 소음을 줄이기 위해서 패턴 을 복잡하게 하거나 같은 모양의 피치 크기를 비선형적으로 서로 달리하여 소음이 작게 발 생하도록 설계하고 있다. 매끄러운 노면에서는 트레드에 홈이 없는 패턴이 가장 조용하므로 딱딱한 고무를 사용하고 트레드의 홈 깊이를 얕게 하여 소음을 줄인다. 한편 스노우 타이어 의 경우는 성능향상을 위하여 홈을 깊게 하므로 상대적으로 소음이 크게 발생한다.

453 16.7 휠 및 타이어의 주행 상 문제점과 재난 449 (2) 스퀼 (Squeal) 급격한 가속이나 제동, 또는 선회 시에 타이어가 노면 상에서 미끄러질 때 발생하는 소음 이다. 이 경우에는 스퀼음과 함께 타이어의 급속한 마모를 동반하기 때문에 습관적인 과격 운전은 하지 않는 것이 좋다. (3) 험(Hum) 직진 주행 시 발생되는 소음으로 트레드 설계 시 같은 간격으로 배열된 피치가 노면을 규 칙적으로 칠 때 발생되는 소음이다. (4) 스퀠치(Squelch) 타이어의 접지되는 부분이 찌부러질 때 나는 소음이다. 트레드 표면은 곡률을 가지는데 접지 시에는 평면으로 변형되기 위해서는 노면과 미끄러짐이 생기는데 이때 트레드 패턴의 리브(Rib)가 진동하여 소음을 발생 시킨다. (5) 럼블(Rumble) 거친 노면을 주행할 때 타이어가 노면이나 자갈 등을 치는 소리로 차량의 현가장치나 차 체를 통하여 차실 내에 전달되는 소음이다. (6) 섬프(Thump) 평탄한 도로를 주행할 때 차량의 구동축이 회전하면서 생기는 타이어 소음의 일종으로 실 내 바닥이나 좌석, 핸들을 통하여 느껴지는 소음이다 코너링포스(Cornering force) 커어브를 돌때 타이어의 진행 궤적은 원운동이므로 원심력의 영향을 받아서 그림 에서와 같이 타이어가 향한 방향으로부터 바깥쪽으로 약간 어긋난 방향으로 미끄러지면서 진행한다. 이때 타이어가 향한 방향과 실제 진행 방향과의 어긋난 각도를 슬립(Slip) 앵글이 라 한다. 한편, 타이어의 마찰력에 의해, 원심력에 대해서 반대 방향인 커어브의 안쪽으로 작용하는 힘이 존재하는데 이것을 코너링 포스라 한다. 코너링 포스의 방향은 타이어 진행 방향에 대해서 직각이다. 그리고 타이어 방향에 대해 직각으로 작용하는 힘을 횡력(Side force 또는 Lateral force)이라 한다. 코너링 포스의 대 소에 따라서 슬립 앵글의 크기도 달라진다. 일반적으로는 코너링 포스가 큰, 즉 슬립 앵글이 작은 타이어가 스티어링 휠을 꺾었을 때 타이어 방향과 동일하게 자동차가 진행하는 예민성 이 있다. 코너링 포스의 크기는 타이어의 내부구조, 특히 바이어스 타이어냐 레디얼 타이어 냐에 따라서 큰 차이가 있다. 일반적으로 레디얼 타이어 쪽이 슬립 앵글이 훨씬 작다.

454 450 제16장 타이어(Tire)와 휠(Wheel) Direction of tire travel Direction of tire heading Slip angle Central force (cornering force) Side force 회전시 바이어스 접지면적이 좁아짐 회전시 레디얼 접지면적이 변화없음 그림 코너링시의 타이어의 슬립 앵글과 접지 형상 바이어스 타이어 레디얼 타이어 그림 바이어스 타이어와 레디얼 타이어의 접지력 비교 타이어의 변형과 에너지 손실 타이어를 측면에서 보면 접지면이 자동차의 무게 때문에 변형되어 있음을 알 수 있다. 주 행 중에는 접지면이 연속해서 변화하는데, 고무의 탄력에 의해 타이어에 힘이 가해지는 순 간보다 시간적으로 약간 지연된 시점에서 변형이 된다. 따라서 주행 중에는 접지면의 조금 뒤쪽 부분의 트레드가 변형되어 나타난다. 타이어는 규정치의 공기압력을 유지하더라도 어 느 정도는 보통 변형되지만 공기압력이 부족한 경우는 변형이 더욱 심하다. 공기 압력이 낮 을 경우 접지면적이 증가하기 때문에 타이어의 회전저항이 커져서 연비가 나빠진다. 또한 변형은 타이어 내부 구조에도 영향을 끼쳐 구동력을 노면에 충분히 전달하지 못하여 에너지