[자동차상식]차체 자세 제어 장치에 대해 알아보자

기사입력 2017.07.07 21:51
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독자 여러분은 운전 중 갑작스럽게 출현한 장애물이나  눈 앞에서 일어난 사고를 회피해야 하는 상황에 직면해 본 경험이 있는가? 이러한 경우에는 신속한 제동을  통해 이러한 상황들을 회피하며, 그것만으로도 대부분의 위급 상황에 대처가 가능하다. 하지만 제동거리가 부족한 상태에서 이러한 상황에 처했다면? 이 때에는  제동을 통해 충돌 피해를 최대한으로 줄이거나 가능한 한 빠르게 스티어링 휠을 조타하여 안전한 공간으로 회두(回頭)하여  상황을 회피하는 것이 그나마 최선이라 할 수 있다.


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하지만 회피 기동을 하는 동안, 자동차는 운전자의 갑작스러운 조타로 인한 급격한 하중 이동 등에 따라 타이어가 가진 접지력의 한계를 넘어버리는  경우가 발생한다. 이로 인해 차체가 원하는 방향으로 진행하지 못하는 것은 물론, 심하면 차종에 따라 전복 사고로 이어지기도 한다. 이러한 상황은  매우 위험하다. 운전자가 이미 그 차에 대한 제어력을 상실했다는 뜻이기 때문이다. 특히, 경험이 부족한 운전자일수록 이러한 상황에 직면한 경험 역시  거의 없기 때문에 더욱 위험하며, 경험이 풍부한 운전자라고 할 지라도 순간의 판단 착오나 실수로 인해  위와 같은 상황에 얼마든지 빠질 수 있다. 이러한 상황은 폭설이나 호우 등, 악천후로 인해 노면 접지력이 저하된 상태에서 더욱 나타나기 쉽다.


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2015년을 기하여 대한민국에 출시되는 모든 자동차(일부 제외)들은 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS) 함께 ‘차체 자세 제어 장치’의 설치가 전면 의무화되었다. 차체 자세 제어 장치는 주행 중인 자동차가 미끄러지는 것을 방지하고 안정적인 주행을 돕기 위한 장비다. 특히, 위와 같이 자동차가 원하는 방향으로 진행하지 못하는 상황에서  상실한 제어력을 회복하는 데 있어 중요한 역할을 담당한다.


차체 자세 제어 장치는 (이미) 충돌한 경우에 승객을 보호하는 수동적인 안전 개념이 아닌, ‘사고가 일어나기 전에 사고를 미연에 방지하는’ 개념의 능동적 안전장치다. 이와 같은 개념의 대표적인 안전장치로는 바퀴가 잠기는 현상을 방지함으로써 선회하면서도 제동이 가능하도록 한  잠금방지 브레이크 시스템(Anti-lock Brake System, ABS), 엔진 출력을 제어하여  구동륜의 미끄러짐을 방지함으로써 안정적인 발진 가속을 돕는 트랙션 컨트롤 시스템(Traction Control  System, TCS)이 있다.


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차체 자세 제어 장치(Elektronisches Stabilitäts Programm(獨), Electronic Stability Program(英), ESP)는 1995년, 독일의 종합 기계제조사 보쉬(Bosch)와 자동차 제조사 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)가 합작하여 세계 최초로 개발되었다. 현재  보쉬 외에도 차체 자세 제어 장치를 생산하는 기업으로는 컨티넨탈(Continental), 아이신(AISIN), 히타치(Hitachi), 닛신 공업(Nissin Kogyo), 현대 모비스, 만도 등이 있다.


차체 자세제어장치는 특허권의 이유 등으로 제조사마다  부르는 이름이 서로 다른 경우가 많다. 물론, 원조인 독일  메르세데스-벤츠에서는 그대로 ESP라는 명칭을 사용하지만, BMW그룹은 DSC(Dynamic Stability Control), 폭스바겐AG 계열에서는 ESC(Electronic Stability Control)이라는  명칭을 사용하며, 포르쉐의 경우에는 아예 자사의 이름까지 넣은  PSM(Porsche Stability Management)이라는 명칭을 사용한다. 토요타자동차그룹은  VDIM(Vehicle Dynamics Integrated Management)라는 명칭을 사용하고  있으며, 안전으로 유명한 볼보자동차의 경우, DSTC(Dynamic  Stability and Traction Control)라고 칭하고 있다. 국내 업계의  경우, 현대자동차그룹은 VDC(Vehicle Dynamic  Control, 초기), VSM(Vehicle Stability Management, 현재)이라는 명칭을 사용하고 있고, 이  VDC를 번역한 차체 자세 제어 장치라는 용어가 통상적으로 사용되고 있다. 한국지엠에서는  S-ESC(Sensitive-Electronic Stability Control)로, 르노삼성자동차에서는 ESC로 표기하며, 쌍용자동차에서는 ESP로 표기한다.


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차체 자세 제어 장치는 단순한 ‘장치’가 아닌, 수많은  전자 장비와 기계장치로 구성되며, 이 모든것을이 유기적으로 움직이는 하나의 ‘시스템’이다. 차체 자세  제어 장치는 ABS와 TCS 등의 차량 제어 장치를 포함하며, 이 외에 각종 정보를 수집하기 위한 센서류와 차량에 운동에 직접 개입하기 위한 별도의 전자 장비 및 기계장치를  필요로 하며, 이 모든 하드웨어들을 통합적으로 제어할 수 있는 소프트웨어까지 갖춤으로써 비로소 하나의  시스템으로 기능할 수 있다.


차체 자세제어장치의 원조인 보쉬의 ESP를 기준으로, 시스템을 구성하는 데 필요한 센서들은 다음과 같다. 달리고 있는 자동차의 바퀴 회전을 감지하는 휠 스피드 센서(Wheel  Speed Sensor)와 차량의 회전 정도를 감지하기 위한 자이로 센서(Gyro Sensor), 차량의  ‘요(Yaw, 빗놀이, 수직축  회전)’와 ‘롤(Roll,  옆놀이, 세로축 회전)’, 그리고 ‘피치(Pitch, 키놀이, 가로축  회전)’를 감지하기 위한 가속도 센서(Acceleration  Sensor)가 필요하다. 여기에 운전자가 스티어링 휠의 조타각을 얼마나 입력했는가를 계산할  때 필요한 스티어링 각도 센서(Steering Angle Sensor)도 필요하다. 여기에 가속 페달의 조작 정도를 감지하는 가속페달 센서와 압력센서 등도 필요하다. 뿐만 아니라, 가속도 센서의 보정을 위한 지자기 센서(Geomagnetic Sensor)까지 동원된다.


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여기에 차량의 주행에 직접 개입하기 위한 각종 기계장치들로는  ESP 컨트롤러와 더불어, 특정 바퀴에만 제동력을 가하기  위한 독립적인, 혹은 그러한 기능을 수행 가능한 유압 제어 시스템 등이 설치된다. ESP 컨트롤러는 위의 각종 센서들로부터 획득한 정보와 차량의 ECU(엔진  제어 유닛) 및 TCU(변속기 제어 유닛)에서 얻은 엔진 출력과 기어 단수 등의 정보 등을 분석 및 종합하여 자세제어 장치의 개입 여부를 판단하는 두뇌의  역할을 한다. ESP 컨트롤러가 자세제어 장치를 작동시켜야 한다고 판정을 내리면, TCS를 이용하여 엔진 출력의 제어하고, 유압 분배 장치를 제어하여  제동력이 필요한 바퀴에 각각 유압을 보내 제동을 가하는 식으로 작동하게 된다.


이렇게 구성된 차체 자세 제어 장치는 달리고 있는  자동차의 속도와 바퀴 회전, 차체에 가해지고 있는 가속도, 미끄러짐  등의 수많은 정보를 수십 분의 1초 단위로 연산히고 모니터링한다. 그리고  운전자가 의도하고 있는 값과 실제 값에 차이가 생길 경우, 즉 제어력을 상실하거나 상실하기 직전에 엔진  출력과 제동 시스템을 스스로 제어, 운전자가 의도하고 있는 방향대로 차를 기동할 수 있도록 제어력을  회복시킨다. 또한, 오늘날의 차체 자세 제어 장치 중에서는  운전자의 취향에 따라 개입의 민감도를 조정할 수 있는 것도 존재한다.


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자동차의 차체 자세 제어 장치는 그들이 메르세데스-벤츠가 1995년 내놓은 S클래스  쿠페(C140)를 통해 처음으로 상용화되었다. 이 당시만  해도 차체 자세 제어 장치는 대단히 고가의 장비였다. 그래서 메르세데스-벤츠는 이 값비싼 신기술을 상대적으로 고가의 자동차에 제한적으로 적용할 수밖에 없었다.


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하지만 이러한 방침은 2년 뒤에 출시한 새로운 소형차 때문에 뒤집어지게 된다. 1997년  출시한 메르세데스-벤츠의 첫 소형 승용차 모델인 초대 A클래스가  엘크 테스트(야생동물 출현을 상정한 긴급 회피 테스트) 중  전복되는 사고가 일어난 것이다. 메르세데스-벤츠는 A클래스의 약점을 보완하기 위해 서스펜션을 보강하고 보다 정밀한 제어 시스템을 갖춘 차체 자세 제어 장치를 전  모델에 기본 적용했다. 또한, 이미 판매된 약 3천여대의 A클래스를 리콜하여 자세제어 장치 설치와 서스펜션을 보강하는  조치를 취했다.


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독일에서 처음 개발된 차체 자세 제어 장치는 독일을  넘어, 전세계 각국의 자동차 제조사에서 사용하고 있다. 독일의  연방고속도로연구소는 차체 자세 제어장치의 보급으로 인해 자국 내 국도에서 발생하는 교통사고의 48%가  감소되었다는 보고를 올린 바 있으며, 독일 쾰른 대학에서는 차체 자세 제어 장치의 도입으로 인해 유럽에서 1년에 4천명의 인명 피해를 막을 수 있었다는 연구결과를 발표하기도  했다. 또한, 미국 연방고속도로교통안전청(NHTSA)의 조사에 따르면, 차체 자세 제어 장치를 탑재한 자동차의  사고율은 미탑재 차량 대비 승용차 약 35%, SUV 차량 약 67%의  감소 효과를 보였으며, 일본 국토교통성에서는 자동차 단독 및 정면 충돌 사고율이 36%가량 감소했다는 조사 결과를 발표한 바 있다.


*사진 출처: 다임러AG(http://www.daimler.com/)

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