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ABS모듈은 급제동이나 눈길 같이 미끄러운 노면에서 제동할 때 바퀴가 고정되어 슬립 되는 현상을 방지하여 안전을 확보해주는 전자제어 브레이크 시스템이다. 좌우 바퀴의 노면 상태가 다를 때, 각각의 노면에 알맞게 제동으로 타이어가 고정되지 않도록 제어하여 차량을 스핀을 방지하며, 선회 주행 중 제동 시 타이어가 고정되지 않아 코너링 포스를 충분히 유지하여 조향성을 유지해 준다. 또한, 타이어의 슬립률을 노면 마찰계수가 최대인 상태에서 제동하여 제동거리를 단축시키는 효과가 있다.

ABS모듈은 Fig. 3과 같이 크게 전자제어장치인 ECU와 유압회로장치인 HCU로 구분된다. ECU는 PCB 회로판, Solenoid valve coil(솔레노이드밸브코일), 커넥터 핀으로 구분할 수 있고, HCU는 Valve block(밸브 블록)을 중심으로 NO/NC solenoid valve(솔레노이드밸브), Motor(전기모터), LPA(Low Pressure Accumulator), Pump(펌프)가 결합되어 있는 구조로 구성되어있다. ABS모듈의 재제조에서 ECU는 분해 및 보수⋅조정이 불가능하여 본 연구에서는 HCU의 재제조 방안에 대해 중점적으로 연구하였다.

Fig. 3 
ABS module main components and functions

Fig. 4의 Valve block은 Solenoid valve, Motor, LPA, Pump 등 Component 조립을 위한 Bore를 제공하는 Housing기능과 Component간 유로를 연결하는 기능을 하는 부품이다.

Fig. 4 
Valve block of HCU

솔레노이드 밸브는 Fig. 5와 같이 NO(Normal Open)밸브와 NC(Normal Close)밸브로 구분된다. NO(Normal Open) 솔레노이드 밸브는 통전되기 전에는 밸브 유로가 열려있는 상태를 유지하는 밸브로, 마스터 실린더와 캘리퍼 휠 실린더 사이의 유로가 연결되어 있는 상태에서 통전이 되면 유로를 차단시키는 밸브이다. NC(Normal Close) 솔레노이드 밸브는 통전되기 전에는 밸브 유로가 닫혀 있는 상태를 유지하는 밸브로, 캘리퍼 휠 실린더와 LPA사이의 유로가 차단되어 있는 상태에서 통전이 되면 유로를 연결시키는 밸브이다.

Fig. 5 
Solenoid valve(NO/NC) of HCU

Fig. 6의 LPA(Low Pressure Accumulator)는 제동 압력이 과다하여 감압하는 경우에 캘리퍼 휠 실린더의 압력을 NC밸브를 통하여 Dump된 액량을 저장시키는 챔버이다.

Fig. 6 
Low pressure accumulator of HCU

Fig. 7의 펌프는 LPA로 Dump되어서 저장되어 있는 액량을 마스터 실린더 회로 쪽으로 퍼내는(순환시키는) 기능을 수행 한다. 펌프모터는 펌프를 구동시키는 전기모터이다.

Fig. 7 
Pump & pump motor of HCU

재제조 ABS모듈의 기술개발요소 및 품질성능 평가방안을 도출하기 위하여 먼저 재제조 ABS모듈에 대하여 부품별 불량요인 분석을 수행한 결과를 Table 2에 나타내었다.

고장모드 조사를 위하여 ABS모듈 코어 363개의 고장현상을 조사한 결과 아래 Fig. 8과 같이 압력센서 손상 및 접촉미흡으로 인한 고장이 21 %로 가장 많았으며, 그 뒤를 Valve block 손상으로 인한 누유가 16 %, 펌프 누유 13 %, Solenoid valve 고착 및 막힘 손상이 11 %로 4가지 고장현상이 40 %를 차지했다. 그 밖에 펌프손상, LPA누유, ECU PCB회로 손상, ECU케이스 파손, Solenoid valve coil 손상 등의 고장현상이 발생함을 확인하였다.

Fig. 8 
ABS module breakdown status(remanufacturing a company standard)

고장이 가장 많은 압력센서 접촉미흡으로 인한 고장은 복잡한 재제조 공정을 거치지 않고 간단한 보수⋅조정 및 재조립만으로 정상작동이 가능하므로 본 연구에서는 배재하였다. 따라서 본 논문에서는 압력센서 관련 고장 이외에 가장 많은 고장인 HCU block, Sol valve의 고착/막힘 손상을 복원하기 위한 세척공정에 대해 연구하였다.

재제조 ABS의 주요 고장현상인 Valve block 내 유관 막힘 현상은 주로 브레이크액 Port로 이물질이 유입되거나, 작동시 발생된 브레이크액 슬러지가 유관내에 축적되어 LPA 및 밸브로 이동해야 할 브레이크액을 방해하여 제 역할을 못하는 기능불량을 야기 시켰다.

이물질의 정의는 브레이크 계통내의 이물질과 제재조품의 유통과정에서의 외부 유입으로 분류할 수 있다.

계통내의 이물질은 수분 흡수성 강한 브레이크액이, 배관계통 낮은 곳에 고이게 되어 금속부분을 부식시켜 발생한다.

수분 유입경로는 자동차 사용 시 물리적인 팽창/수죽 발생으로 마스터실린더 통기공을 통해 수분이 유입된다. 또한, 공기 중 도로 아스팔트, 타이어, 배기가스 탄소 미분진, 미립광물질, 연기에 함유된 화학물질에 의한 오염을 들 수 있다.

현재까지는 세척이나 보수공정으로 막힘 고장을 해결할 수 있는 기술이 부족하여 재제조가 불가능하며, 생산성을 하락시키는 주요 원인이기도 하였다.

Valve block은 ABS의 여러 부품들을 연결할 때 Body가 되는 부품으로 Valve의 재사용율이 높지 않으면 ABS의 채산성이나 생산성이 저하되어 Valve block의 세척공정 기술개발이 효과가 높을 것으로 판단하여, Valve block 내 유관 세척을 위한 전용장비를 개발하였다. 종래 ABS모듈에서 ECU를 탈착하고, 세척할 ABS모듈에 더미 ECU를 결합하여 ABS 클램프에 장착 한 후 포트를 통해 ABS 모듈의 내측으로 깨끗한 오일을 순방향 또는 역방향으로 교차 강제 이동시켜 ABS모듈 내부에 침착된 슬러지를 세척할 수 있도록 장치를 구현하였다.

본 논문에서 제시한 세척방법론은 화학적인 용해방법이 아닌 유로에 흐르는 유량의 압력을 이용하여 청소하는 방법으로 제한한다.

브레이크 오일 탱크와 에어마스터, ABS클램프, 드레인 탱크, 컨트롤러 등으로 구성되어 있으며 각 부분의 역할은 다음과 같다. 브레이크 오일탱크는 케이블을 통해 ABS모듈에 구비된 복스의 포트에 세척용 오일을 공급하는 역할을 하며, ABS 클램프는 자체 구비된 ECU가 분리되고 더미 ECU가 장착된 ABS모듈을 장착하는 결합지그 역할을 한다. 에어마스터는 세척용 오일이 이송되는 케이블에 이송압력을 공급하는 역할을 위해 장착하였으며, 드레인 탱크는 세척과정에서 오염된 오일을 저장하는 역할을 한다. ABS모듈 Valve block 세척공정장비의 가장 주요한 부분인 컨트롤러는 조절스위치의 선택모드에 따라 더미 ECU를 제어하여 상기 Front left 포트 및 Front right포트와 Rear left 포트 및 Rear right 포트에 각각 연결된 4개의 액츄에이션 밸브를 통해 각각의 포트를 개방 또는 폐쇄하고, 흡기 및 배기 기능이 있는 1쌍의 매니폴드 1, 2를 동작시켜, 케이블이 연결된 Front left 포트 및 Front right, Rear left, Rear right포트와 MC1포트, MC2포트에서 오일을 순방향 또는 역방향으로 강제순환시키는 명령을 한다. ABS모듈 Valve block 세척공정에서 가장 중요한 부분은 유관을 정방향, 역방향으로 양방향 모두 세척하는 방법이 필수 인데 이를 위해서는 NO/NC밸브, TCS/ESC밸브 등 모든 밸브의 개폐를 제어하며 세척유를 고압으로 흘려주어야 한다. 이때 밸브의 개폐를 컨트롤러가 담당한다. 이때 세척압력은 일반적인 자동차 브레이크에서 발생하는 120 bar보다 20 bar 높은 140 bar로 수회에 걸쳐 실시한다.

본 연구를 통해 개발된 ABS모듈 세척장치를 이용하여 HCU세척결과 기존 재제조시 폐기해야 했던 코어를 재사용 할 수 있게 되어 재제조율을 50 %에서 80 %까지 상승됨을 확인하였다.

본 연구에서 진행한 Valve block의 복원 정도를 시험하기 위해 NC밸브/펌프 누유시험, 어큐뮬레이터/펌프피스톤 외부 누유시험, 압력감압시험, 압력유지시험, 압력증압시험 등을 통해서 성능을 확인하고 작동내구시험을 통해 내구성을 확인하였다. 시험장비는 자체개발한 시험장비를 활용하였으며, 시험장비의 시스템 구성도는 하기 Fig. 10과 같다.

Fig. 9 
Forward direction

Fig. 10 
Reverse direction

NC 밸브/펌프 누유시험은 NC밸브 및 펌프부의 누유여부를 확인하는 시험으로서 MC에서 150 bar의 압력을 가하여 압력 저하량(Max-Min)을 측정하는 방법으로 압력 저하량이 5 bar 이내이어야 한다. 재제조 전 시험결과는 하기 Table 3과 같으며, 3개의 시료 모두 평가조건을 만족하지 못하였다.

Fig. 11 
HCU performance tester hydraulic system configuration diagram

재제조 전 시료를 본 연구에서 개발된 Valve block의 세척공정을 거친 후 동일한 시험조건으로 시험한 결과 하기 Table 4와 같이 3개의 시료모두 평가조건을 만족하였다.

어큐뮬레이터/펌프피스톤 누유시험은 어큐뮬레이터 및 펌프피스톤부의 외부 누유여부를 확인하는 시험으로서 어큐뮬레이터를 채우면서 시험압(10, 150 bar)까지 압력을 올린 후 NC밸브를 열고 압력을 측정하는 방법으로 압력 저하량(Max-Min)이 2 bar 이내이어야 한다. 재제조 전 시험결과는 하기 Table 5와 같으며, 3개의 시료 모두 평가조건을 만족하지 못하였다.

재제조 전 시료를 본 연구에서 개발된 Valve block의 세척공정을 거친 후 동일한 시험조건으로 시험한 결과 하기 Table 6과 같이 3개의 시료모두 평가조건을 만족하였다.

솔레노이드밸브 압력 감압 / 유지 / 증압시험은 솔레노이드 밸브의 압력 변화량을 측정하는 시험으로 감압시험은 MC압력을 80~90 bar까지 가한 후 NC밸브를 Open시키는 작업을 Outlet port쪽의 압력이 70 bar를 통과하는 시점의 압력(P1)부터 20 bar를 통과한 후의 시점의 압력(P2)까지 실시하여 Pulse당 압력변화량을 (P1-P2)/N으로 계산하여 그 값이 1~10 bar/pulse 이어야 한다. 유지시험은 압력 강하시험의 마지막 Pulse부터 실시하여 NO밸브와 NC밸브를 닫은 상태에서 3초 동안 압력의 변화량이 ±3 bar 이내 이어야 한다. 증압시험은 감압시험과 반대로 압력유지시험뒤에 연속으로 실시하며 20 bar를 통과하는 시점의 압력(P3)부터 70 bar를 통과한 후의 시점의 압력(P4)까지 실시하여 Pulse당 압력변화량을(P4-P3)/N으로 계산하여 그 값이 1~10 bar/pulse 이어야 한다. 본 시험도 앞선 누유시험과 마찬가지로 세척 전 시료를 시험 한 후 세척 후 동일한 조건하에 시험하여 세척공정을 통해 Table 7과 같이 불량이었던 제품을 Table 8과 같이 정상화시키는 것을 확인할 수 있었다.

세척 전 시료#1은 LF와 RR모드에서 감압성 결과값이 88.30, 86.23으로 감압성능이 아예 안되는 것으로 나타났으며 압력유지성도 4.32, 3.89로 기준에서 약간 벗어난 것으로 나타났다. 시료 #2는 RF와 LR모드에서 증압성 결과값이 40.63, 38.44로 기준치를 한참 벗어나 증압성능이 안되는 것으로 나타났으며, 압력유지성도 4.10, 3.94로 시료#1과 유사하게 기준치를 약간 벗어났다. 시료 #3은 시료 #2와 유사하게 RF와 LR모드에서 증압성능이 기준치를 한참 벗어났으며, 압력유지성능 역시 4.27, 4.43으로 기준치를 약간 벗어나 불량으로 판명되었다.

세척 후 시료#1은 세척전 문제가 되었던 LF와 RR모드의 감압성이 88.30, 86.23에서 4.62, 4.23으로, 압력유지성이 4.32, 3.89에서 1.11, 1.74로 모두 기준치 안으로 들어왔다. 시료 #2는 세척전 문제가 되었던 RF와 LR모드의 압력유지성이 4.10, 3.94에서 1.34, 1.23으로 개선되었으며, 증압시험에서는 40.63, 38.44에서 3.44, 3.67로 개선되었다. 시료 #3역시 문제가 되었던 RF와 LR모드의 압력유지성이 4.27, 4.43에서 1.28, 1.66으로 개선되었으며, 증압시험 역시 69.92, 68.58에서 3.56, 4.10으로 개선되어 세 개의 시료 모두 양품으로 판명되었다.