1. 전자제어 현가장치(Electronic Control Suspension :ECS)

전자제어 현가장치의 구성

컴퓨터(ECU), 각종 센서, 액추에이터 등을 설치하고 노면의 상태, 주행 조건, 운전자의 선택 등과 같은 요소에 따라서 자동차의 높이와 현가 특성(스프링 정수 및 감쇠력)이 컴퓨터에 의해 공기 또는 유압 스프링의 회로 압력 등을 변화시켜 차의 높이나 차체의 자세를 제어하여 주행의 안정성과 승차감을 동시에 향상시키는 전자제어 장치이며, 주행 조건과 노면 상태에 따라 차의 높이와 현가장치가 자동으로 조정된다. 현가장치의 자동조정은 제작사나 차종에 따라 그 기능에 다소 차이가 있으나 스프링 정수, 감쇠력, 차고 조정을 제어한다. 이 장치의 기능은 다음과 같다.

① 급제동을 할 때 노스다운(nose down)을 방지한다.

② 급선회를 할 때 원심력에 대한 차체의 기울어짐을 방지한다.

③ 노면으로부터의 차량 높이를 조절할 수 있다.

④ 노면의 상태에 따라 승차 감각을 조절할 수 있다.

1.1. 전자제어 현가장치의 센서

(1) 차속 센서

변속기 주축이나 속도계(speed meter) 구동축에 설치되어 있으며, 자동차 주행속도를 검출하여 컴퓨터로 입력시킨다. 컴퓨터는 이 신호에 의해 차고, 스프링 정수 및 쇽업소버 감쇠력 조절에 이용한다.

(2) 차고센서

자동차 높이 변화에 따른 보디(body차체)와 차축의 위치를 검출하여 컴퓨터로 입력시키는 일을 하는 것이다. 종류에는 보디와 노면 사이를 직접 검출하는 초음파 검출방식과 현가장치의 신축량을 검출하는 광 단속기 방식이 있다. 광 단속기방식은 레버와 연결되는 로드와 센서 보디로 구성되며, 앞뒤 차축에 1개씩 두고 있다. 작동은 레버의 회전량이 센서 보디로 전달되므로 차고 변화에 따른 보디와 차축의 위치를 검출한다.

앞 차고센서                                                          뒤 차고센서

 (3) 조향핸들 각 속도 센서

조향핸들의 조작 정도를 검출하는 것으로, 2개의 광 단속기와 1개의 디스크로 구성되어 있으며 광 단속기는 조향 칼럼 스위치의 보디에, 디스크는 조향 축에 고정되어 조향핸들과 함께 회전한다. 작동은 광 단속기의 발광 다이오드와 포토 트랜지스터사이에 설치된 디스크가 조향핸들의 회전속도에 따라 회전하면 발광 다이오드의 빛이 포토 트랜지스터 쪽으로 통과 여부에 따라 전기적 신호(조향핸들의 각 속도에 따른 신호)가 발생하는데 이 신호에 의해 조향핸들의 회전방향도 감지 된다. 그러나 조향핸들의 유격과 같은 작은 이동은 감지되지 않는다.

조향핸들 각 속도 센서

(4) 스로틀 위치센서(TPS)

기관의 급가속 및 감속상태를 검출하여 컴퓨터로 보내면 컴퓨터는 스프링의 정수 및 감쇠력 제어에 사용한다.

(5) G(gravity)센서(중력센서)

차체의 바운싱에 대한 정보를 컴퓨터로 입력시키는 일을 하며, 피에조 저항형 센서를 사용한다. 피에조 저항형 센서의 압전 효과를 이용한 센서의 위치에 변화를 주면 약 2ms(milli second)에서 노면 위의 요철을 판별할 수 있으므로 역압전 효과를 이용한 액추에이터에 고전압을 주면 유압회로 내에서 약 50μm의 변화를 5ms의 응답성으로 작동할 수 있는 능력이 있다. 피에조 저항형 센서의 고속 응답성을 이용하여 평상시에는 Hard의 감쇠력에 의해 조향 안정성을 높이고, 도로 면의 요철에 의하여 압력이 큰 경우에만 순간적으로 Soft로 변환시켜 승차 감각을 향상시킨다.

1.2. 컴퓨터(ECU)

컴퓨터는 각종 센서들로부터 보내 온 신호들을 이용하여 쇽업소버 감쇄력 제어용 액추에이터를 작동시킨다. 컴퓨터로 입력되는 신호에는 주행속도, 조향핸들 각 속도, 브레이크 압력 스위치 신호, 전조등 릴레이, 도어(door)스위치, 스로틀위치 센서 등이 있다. 컴퓨터의 제어 기능(자세 제어)은 다음과 같다.

(1) 앤티 롤링 제어(anti-rolling control)

선회할 때 자동차의 좌우방향으로 작용하는 가로 방향 가속도를 G센서로 감지하여 제어하는 것이다. 즉, 자동차가 선회할 때에는 원심력에 의하여 중심 이동이 발생하여 바깥쪽 바퀴 쪽은 목표 차고보다 낮아지고 안쪽 바퀴는 높아진다. 이에 따라 바깥쪽 바퀴의 스트럿의 압력은 높이고 안쪽 바퀴의 압력은 낮추어 원심력에 의해서 차체가 롤링하려고 하는 힘을 억제한다.

(2) 앤티 스쿼트 제어(anti-squat control)

급출발 또는 급 가속할 때에 차체의 앞쪽은 들리고, 뒤쪽이 낮아지는 노스 업(nose-up)현상을 제어하는 것이다. 작동은 컴퓨터가 스로틀 위치 센서의 신호와 초기의 주행속도를 검출하여 급출발 또는 급가속 여부를 판정하여 규정 속도 이하에서 급출발이나 급가속상태로 판단되면 노스 업(스쿼트)를 방지하기 위하여 쇽업소버의 감쇠력을 증가시킨다.

앤티 롤링 제어                          앤티 스쿼트 제어                          앤티 다이브제어

(3) 앤티 다이브 제어(Anti-dive control)

주행 중에 급제동을 하면 차체의 앞쪽은 낮아지고, 뒤쪽이 높아지는 노스다운(nose down)현상을 제어하는 것이다. 작동은 브레이크 오일압력스위치로 유압을 검출하여 쇽업소버의 감쇠력을 증가시킨다.

(4) 앤티 피칭 제어(anti-pitching control)

자동차가 요철 노면을 주행할 때 차고의 변화와 주행속도를 고려하여 쇽업소버의 감쇠력을 증가시킨다.

(5) 앤티 바운싱 제어(anti-bouncing control)

차체의 바운싱은 G센서가 검출하며, 바운싱이 발생하면 쇽업소버의 감쇠력은 소프트(soft)에서 미디움(medium)이나 하드(hard)로 변환된다.

(6) 차속 감응 제어(vehicle speed control)

자동차가 고속으로 주행할 때에는 차체의 안정성이 결여되기 쉬운 상태이므로 쇽업소버의 감쇠력은 소프트(soft)에서 미디움(medium)이나 하드(hard)로 변환된다.

(7) 앤티 쉐이크 제어(anti-shake control)

사람이 자동차에 승하차할 때 하중의 변화에 따라 차체가 흔들리는 것을 쉐이크라고 한다. 자동차의 속도를 감속하여 규정 속도 이하가 되면 컴퓨터는 승차 및 하차에 대비하여 쇽업소버의 감쇠력을 Hard로 변환시킨다. 그리고 자동차의 주행속도가 규정 값 이상 되면 쇽업소버의 감쇠력은 초기 모드로 된다.

1.3. 쇽업소버(shock absorber)

쇽업소버는 공기실(air chamber)과 감쇠력 2단 변환밸브를 포함하고 있으며, 스프링 정수 및 감쇠력을 Hard 또는 Soft로 선택하는 기능과 차량 높이를 조절하는 스위칭 로드, 액추에이터 등이 부착되어 있다.

(1) 액추에이터(air actuator)

쇽업소버 위쪽에 설치되며 Hard-Soft 스위칭 로드를 규정 각도만큼 회전시켜 주는 부분이다. 작동은 공급밸브로부터 액추에이터로 공기가 들어오면 스프링 장력을 이기고, 피스톤이 작동하며 이에 따라 스위칭 로드가 회전하여 Hard나 Soft로 현가특성을 선택한다.

(2) 스위칭 로드(switching rod)

액추에이터에 의해 피스톤 내에서 약 60° 정도 회전하며 이 회전에 의해 스프링 정수와 쇽업소버 감쇠력이 Hard나 Soft로 변화한다. 스프링 정수의 변환은 스위칭 로드가 Soft에 있을 때에는 공기 통로(공기실과 보조 탱크 사이)가 열려 보조탱크 내의 공기로 인해 공기실의 공기량이 증가하여 스프링 정수가 감소하며, Hard위치에 있을 때에는 공기 통로가 닫혀 공기실의 공기뿐이므로 스프링 정수가 증가한다. 감쇠력 변환 작동은 Soft에서는 쇽업소버의 바이패스 밸브가 열려 감쇠력은 주 밸브에서만 발생되어 Soft로만 작동하며, Hard에서는 바이패스 밸브가 닫혀 오일은 보조밸브로 흘러 감쇠력은 주 밸브와 보조밸브에서 발생하므로 Hard로 작동한다.

(3) 공기실(air chamber)

공기실의 유동 부분에는 롤링 다이어프램(rolling diaphragm)이 설치되어 있으며 공기실 내의 공기는 스위칭 로드의 구멍을 거쳐 흡입 또는 배출된다. 이 공기실 내의 공기가 흡입 또는 배출됨에 따라 쇽업소버 커버 바깥쪽에 있는 롤링 다이어프램이 작동하여 공기실의 체적이 증가하거나 감소하여 차고가 조절된다. 

1.4. 공기 압축기와 릴레이

릴레이는 컴퓨터로부터 전원이 공급되면 전동기에 전원을 공급하여 공기 압축기에서 압축 공기를 생산하여 공기탱크로 보낸다. 전동기 내에서는 서모(thermo)스위치가 있어 전동기가 가열되면 압축기를 정지시키고 냉각되면 압축기를 작동시킨다. 또 압축기 내에는 배출 솔레노이드밸브가 있어 차량 높이를 낮출 때 공기실 내의 공기를 방출시킨다.

1.5. 공기탱크

압축기에서 생산된 압축 공기를 저장하며 드라이어(dryer), 어큐뮬레이터, 체크밸브, 압력 스위치, 공기 공급 솔레노이드밸브 등이 부착되어 있다.

1.6. 솔레노이드 밸브(solenoid valve)

쇽업소버에 부착되어 차고를 조정하거나 현가 특성을 Hard나 Soft로 변환하는 작용을 한다. 차고 조종용 밸브는 컴퓨터에서 전원이 공급되면 열림과 동시에 압축 공기를 공기실로 보내거나 배출시킨다. 현가 특성 변환용 밸브는 컴퓨터에서 전원이 공급되면 열려 압축 공기를 액추에이터에 가해 Hard로 변환시키고, 전원이 차단되면 닫혀 액추에이터 내의 압축공기를 배출시켜 Soft로 변환시킨다.

1.7. 전조등 릴레이

전조등의 ON, OFF상태를 컴퓨터로 입력시켜 차량 높이 조절에 사용된다.

1.8. 발전기 L단자

발전기 L단자의 전압 발생신호에 의해 기관의 작동여부를 감지하여 차량높이 조절에 사용된다.

1.9. 도어 스위치(door S/W)

모든 도어 스위치는 병렬로 연결되어 있으며 한쪽의 도어만 열려도 컴퓨터에 입력되며, 컴퓨터는 앤티 쉐이크 제어를 한다.

1.10. ECS 지시 패널

운전석 계기판에 있으며 운전자가 직접 선택하여 조작할 수 있으며, 현가 특성, 차량 높이 조절을 할 때 등에는 지시등이 점등되며 부저가 울려 작동을 표시한다.

1.11. 현가특성 조절 및 차고 조절

(1) 현가 특성 조절(스프링 상수 및 감쇠력 조절)

현가 특성 조절은 자동차의 주행속도, 조향핸들의 각 속도, 가속페달을 밟는 정도, 차량 높이, 바운싱, 롤링 등의 값이 규정 값 이상 되면 현가특성은 Hard로, 규정 값 이하로 되면 Soft로 변환한다. Hard 또는 Soft의 변환은 각종 센서와 스위치에서의 신호가 Hard조건에 만족하면 컴퓨터는 Hard-Soft 솔레노이드 밸브를 작동시켜 압축 공기를 액추에이터로 보낸다. 이에 따라 공기실 내의 스프링정수와 쇽업소버의 감쇠력이 Hard로 변환된다. 또 Soft 조건이 만족될 경우에는 액추에이터 내의 공기가 배출되어 스프링 정수와 쇽업소버 감쇠력이 Soft가 된다.

(2) 차량 높이 조절

자동차의 주행속도가 규정 값 이상 되면 차량 높이는 Low로, 컴퓨터가 노면상태가 불량함을 검출한 때에는 High로 변환시킨다. 차량 높이를 높일 경우에는 컴퓨터가 공기 공급 솔레노이드 밸브와 차고 조절 공기밸브를 열어 공기실에 압축공기를 공급하여 공기실의 체적과 쇽업소버 길이를 증가시킨다. 반대로 차량 높이를 낮출 경우에는 컴퓨터가 배출 솔레노이드 밸브와 차고 조절 공기밸브를 열어 대기 중으로 공기를 배출시킨다.