Current Issue

새로운 EPB 시스템의 컨셉 설계를 위하여 아래의 Fig. 2에서와 같이 기존 2가지 EPB 시스템에 대한 기능 분석(Function Analysis)을 실시하였다.

Fig. 2 
Function analysis for existing EPB systems

먼저, Fig. 2의 (a)에서와 같이 캘리퍼 타입 EPB 시스템의 기능 분석을 검토한 결과 운전자의 제동 의지에 의하여 EPB Switch를 통한 신호가 시스템 내에 입력이 되면 ECU에서 차량 구배, 필요 제동력 등의 연산을 통하여 엑추에이터에서 제동력을 발생시키게 된다. 발생된 제동력은 순차적으로 엑추에이터와 일체형으로 구성되는 캘리퍼의 클램핑력으로 변환되고 최종적으로 디스크를 압착하여 차량을 정지시키게 됨을 알 수 있다.

반면에, Fig. 2의 (b)의 케이블 풀러 EPB 시스템의 경우, 엑추에이터가 별도의 브라켓을 통하여 서브프레임과 같은 차체에 따로 마운팅 되며, 엑추에이터에서 발생한 제동력이 파킹케이블을 통하여 DIH를 거쳐 디스크에 전달되는 방식이다.

본 연구에서는, 앞서 언급한 EV의 중량 증대 및 차량 정숙성을 고려하여 새로운 EPB 시스템의 기능 분석시 케이블 플러형 EPB 시스템의 장점인 제동력 증대 및 작동 소음 저감 효과를 유지하면서 동시에 단점인 브라켓 및 파킹케이블을 트리밍(Trimming)하여 시스템의 구조적인 효율성을 향상시켜 중량 및 원가 저감 효과를 극대화하고자 하였다.

한편, Fig. 3의 (a)와 (b)는 케이블 풀러 EPB 시스템과 새로운 EPB 시스템과의 물질-장 모델 분석 결과를 각각 나타내고 있다.

Fig. 3 
Substance-field model analysis for new EPB system concept

Fig. 2의 기능 분석을 수행한 후 순차적으로 물질-장 모델 분석을 실시하는 이유는 트리밍 후 발생한 시스템의 전체적인 불완전성 문제를 다시 완전한 상태로 구성하기 위함이다.

Fig. 3의 (a) 케이블 풀러 EPB 시스템은 트리밍 및 물질-장 분석을 통하여 Fig. 3의 (b)와 같이 새로운 물질-장 모델로 나타낼 수 있다.

도시된 바와 같이, 엑추에이터를 DIH에 바로 직결하도록 하였으며, 이를 통해서 캘리퍼 타입 EPB 시스템과 같은 부품수 축소를 구현함과 동시에 케이블 풀러 EPB 시스템의 DIH를 표준화하여 활용할 수 있도록 함으로써 제동력 향상을 구현할 수 있도록 하였다.

최종적으로 상세 설계를 마친 새로운 EPB 시스템에 대하여 Fig. 4에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 기능 분석 및 물질-장 모델 분석을 통해서 도출된 결과를 기반으로 엑추에이터가 DIH와 직접 마운팅 되는 방식으로 설계됨을 나타내고 있다.

Fig. 4 
Design result for new EPB system mounted actuator to DIH

아래의 Fig. 5의 (a)에서부터 (c)는 3.1의 분석을 통하여 새롭게 개발된 EPB 시스템의 상세 작동 원리를 나타내고 있다.

Fig. 5 
Working mechanism for New EPB system

먼저 Fig. 5의 (a)는 엑추에이터에 의해서 발생된 제동력이 DIH의 작동 레버에 인가되어 슈를 확장하여 차량을 정지시키는 원리를 나타내고 있다.

여기서, 좀 더 상세한 해설을 위하여 Fig. 5의 (b)에 구체적인 작동 원리를 도시하였다.

도시된 바와 같이 모터, 감속기, 스핀들 등으로 구성되어 있는 엑추에이터가 하우징내에 구성되어 DIH에 장착 되어 있다. 그리고 엑추에이터가 DIH의 작동 레버와 최종적으로 상호 연결 상태를 이루고 있게 된다.

모터의 토크는 감속기를 통하여 증폭되며, 증폭된 토크는 감속기에 연결되어 있는 스핀들을 회전시키면서 스트로크를 발생하게 된다. 한편, 스핀들의 끝단은 너트와 함께 구성되어 있으며, 너트는 스핀들의 스트로크 발생에 의하여 좌⋅우로 이동하게 된다.

그리고 최종적으로 DIH의 작동 레버를 당기면서 순차적으로 슈의 확장을 통하여 차량을 정차시키게 된다.

여기서, Fig. 5의 (c)는 엑추에이터에 적용된 감속기의 상세 구조를 나타내고 있으며, 2단 유성 기어(Planetary gear)를 사용하여 제동력을 증대시킬 수 있도록 하였다.^10,11)

본 연구 결과의 실용성 확인을 위하여 새로운 EPB 시스템을 실차에 장착하여 주차 성능을 검증하였다.

Hill hold 성능 평가의 신뢰성 확보를 위해서 차량 중량은 최대 G.V.W를 갖는 대형차의 G.V.W를 반영하여 평가를 수행하였다.

평가 결과 법규 요구 조건인 20 % 이상 Up/down hill 조건에서 차량의 끌림이나 밀림 등이 없으면서 차량의 자세 유지를 하였으며, 최종적으로 주차 성능이 기존 EPB 시스템 동등 수준으로 만족함을 확인하였다.

또한, 디스크를 압착하는 캘리퍼 타입 EPB 시스템은 가혹 제동 후 디스크의 팽창 상태에서 주차를 수행하였을 때, 디스크 냉각에 따른 제동력이 점진적으로 감소할 수 있다는 우려가 있는 점에 비하여, DIH를 압착하는 새로운 EPB 시스템은 이와 같은 우려를 구조적으로 차단할 수 있는 추가적인 장점을 갖고 있다.

아래의 Fig. 7은 Up/down hill에서의 주차 성능 평가 개념도를 나타내고 있다.

Fig. 7 
Test results for up and down hill hold

작동 소음은 주차 성능과 무관하게 여겨질 수 있지만 작동 소음이 심할 경우 운전자에게 심한 불쾌감을 주게 되며 결과적으로 운전자의 감성 품질 불만을 초래하여 상품성 저하를 낳게 된다.

따라서, 작동 소음에 대한 평가는 선행 개발 단계에서 Hill hold성능과 함께 제일 중요하게 확보해야 할 성능이라 할 수 있다.

평가 결과의 신뢰성을 위하여 외부와 소음이 차단된 무향실에 차량을 세팅 한 후 전석과 후석에 각각 마이크로폰을 설치하였다.

아래의 Fig. 8은 실차 작동 소음에 대한 평가 결과를 나타내고 있다. 측정값의 신뢰성 확보를 위하여 3회 연속 작동 및 해제를 반복하였으며, 그 측정값들의 평균값을 가지고 평가 기준에 만족함을 확인하였다.

Fig. 8 
Test results for working noise of new EPB system

한편, 작동 소음에 대한 평가 기준은 차급에 따라 차별화 되어 있다. 일반적으로 대형 승용과 SUV를 별도로 분리하여 작동 소음 평가 기준을 관리하고 있으며, 이는 차급에 따라 전달계가 틀리기도 하지만 차급에 맞는 목표 작동 소음을 전략적으로 가져가기 때문이다.

평가 결과 평균 36.3 dB로 계측되어 대형 승용 차량의 작동 소음 요구 조건에 만족함을 확인하였다.

이와 같이 EPB 시스템의 주요 성능인 Hill hold 및 작동 소음 평가 결과를 통하여 본 연구에서 개발한 새로운 EPB 시스템의 설계 적합성을 확인할 수 있었다.

작동 시간은 운전자가 작동 버튼을 누르고 난 후 얼마 후에 차량이 정차할 수 있는지를 확인하는 평가이다. 아래의 Fig. 9에 작동 시간에 대한 상세 실차 평가 결과를 도시하였다.

Fig. 9 
Test results for working time of new EPB system

평가는 평지와 Hill 두가지 조건에 각각 작동 시간을 측정하여 평가 기준에 만족함을 확인하도록 하였다.

작동 시간 평가도 작동 소음 평가와 마찬가지로 측정 결과의 신뢰성을 위하여 3회 연속으로 작동 및 해제를 하였으며, 계측된 값들의 평균값을 이용하여 평가 기준에 만족함을 확인하였다.

평가 결과 평지 및 Hill 상태에서 모두 작동시 1 sec 전⋅후로 확인되어 작동 시간이 요구 조건이내에서 작동함을 확인하였다.

주차 제동 장치는 유사시 주제동 기능이 Fail될 때에 보조 제동 역할을 수행하여 차량의 비상 정지가 가능할 수 있도록 하는 성능도 요구 된다.

다이나믹 평가는 바로 이러한 요구 성능을 검증하기 위한 평가이며, 앞서 언급하였듯이 자율주행 고려한 리던던시 측면에서도 필히 확보해야하는 중요한 EPB 시스템의 성능이다. 아래의 Fig. 10은 다이나믹 주차 실차 평가에 대한 결과를 나타내고 있다.

Fig. 10 
Test results for dynamic parking of new EPB system

일반적으로 다이나믹 평가는 주행 중 주차 제동 장치에 의한 제동시 일정 수준 이상의 감속도를 갖도록 요구 되고 있다.

평가 결과 차량 정지까지 최대 감속도는 4.61 m/s²까지 도달하였으며, 평균 3.23 m/s²의 감속도를 갖는 것으로 나타났다. 이와 같은 평가 결과를 통하여 비상 제동을 위한 다이나믹 주차 요구 성능이 평가 기준을 만족함을 확인하였다.

작동 내구 평가는 선행 개발에 대한 필수 검증 항목 중에서도 양산성을 검증할 수 있는 평가란 점에서 매우 중요한 의미를 갖는다.

특히, EPB 시스템의 경우 차량의 안전과 제일 밀접한 시스템임으로 내구성은 선행 개발 단계에서 필히 검증해야 하는 중요한 성능이다. 본 연구에서는 작동 내구 평가를 위하여 10만회를 연속해서 작동하게 한 후 Hill hold 성능을 만족하는 필요 토크가 확보되는지를 확인하였다.

일반적으로, 연속해서 10만회를 작동하는 조건은 실제 상황에서는 발생하지 않으나, 가혹 조건 상태에서도 본 연구에서 개발된 시스템이 어느 정도 성능 수준을 확보할 수 있는지를 직접적으로 확인할 수 있기 때문에 매우 중요한 의미를 갖는 평가라 할 수 있다.

Fig. 11은 작동 내구 평가를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 새로운 EPB 시스템을 작동 내구 평가 장비에 설치하여 연속적으로 엑추에이터를 작동시켰다.

Fig. 11 
Test for working durability of new EPB system

평가 결과 10만회 연속 작동 후 Hill hold 성능 만족을 위한 필요 요구 토크 확보 및 부품의 균열과 파단 등이 없음을 확인하였으며, 이와 같은 내구 평가 결과를 통하여 본 연구의 결과가 양산성을 확보하였음을 확인하였다.