ABS브레이크 시스템의 원리와 이해

 

ABS 뜻?

ABS = Anti lock Break System

Anti lock : 잠금을 방해하는,

Break : 자동차의 속도를 줄이거나 멈추게하는,

System : 장치

즉, 자동차를 멈추기 위해 잠김을 제어하는 장치입니다.

 

그 옛날, 자동차에 관심이 많아 따로 공부를 한 적이 있다. 알면 알수록 신기하고 신비로운 세계가 바로 이 자동차 세계였다. 엔진의 작동원리, 연비를 향상시키기 위한 기술들, 옥탄가, 측압, 기통수, 상사점, 행정, 차동장치, DOHC, V-TEC, AIR BAG, ABS 등 신기한 단어들과 안전장치들의 국내도입으로 신비함의 정도는 나를 흥분시키기까지 했다. 그중 어렵게 원리를 알아냈던 안전장치가 하나 있었는데 바로 ABS였다. 80년대 후반의 일이니 그 당시 ABS는 고급승용차에나 적용되던 최첨단 장치였다.

ABS가 어떤 단어의 약자일까? 궁금하여, CAR LIFE 등 잡지책을 뒤져(지금이야 스마트폰이나 컴퓨터 검색창에 단어를 입력하면 원하는 답을 쉽게 얻을 수 있지만, 그 시절 스마트폰은 아예 세상에 없는 단어였고, PC는 사전적 의미의 PC가 아니었다. 즉, 개인용 컴퓨터라는 의미지만 개인이 소유하기에는 요즘 말로 넘사벽이었다) ABS가 Anti lock Break System의 약자라는 것을 알게 되었다. 그러나, 무엇의 약자인지만 알면 바로 고개를 끄덕일줄 알았는데... 진짜 의문은 그 때부터 시작이었다. 왜냐하면, 브레이크 시스템이라는 것은 캘리퍼에 물려있는 두장의 패드가 디스크 드럼을 꽉 잡아주어야 자동차를 멈추게 할 수가 있는데, ABS의 의미는 꽉잡아주는 것을 Anti한다고 하니 대체 자동차를 멈추게 할 생각이 있는 시스템인가?.....하는 의문이 들었던 것이다. 이 의문은 CAR LIFE를 정독하게 만들었으며, 급기야 서점을 찾게 만들었고, 전문서적을 판매하는 대형서점(그 당시는 교보문고와 종로서적)까지 발길을 옮기게 했다. 비교적 상세하게 컬러로 그려진 그림과 외국서적을 번역한 느낌의 설명들을 읽고나서야 이 장치의 원리를 겨우 겨우 이해할 수 있었다.

 

 

ABS 원리?

ABS, 그 이해의 시작은 마찰력으로부터 시작한다. 마찰력이란 마주 닿아있는 두 물체가 서로 다른 방향으로 움직이려할 때, 그 움직임을 방해하려는 힘을 말한다. 여기서 하나의 핵심이 있다. 마주 닿아있는 두 물체가 브레이크 패드(보통 라이닝이라고 함)와 디스크 드럼을 말하는 것일까? 아니다. 마주하는 두 물체는 바로 타이어와 노면이다. 내 경우 ABS를 이해하는데 큰 혼란을 겪었던 부분이 어이없게도 바로 이 부분이었다. 브레이크 패드와 디스크 드럼으로 잘못 이해하여 많은 혼란에 빠졌던 것이다. 궁극에 차를 멈추게하는 즉, 마찰력이 작용하는 부분은 바로 타이어와 노면인 것이다.

 

마찰력을 조금 더 생각해보기로 한다. 미끄럼틀의 경사진 부분에 엉덩이를 붙이고 멈추어 있다가 양손을 조심스럽게 놓는다. 손을 놓았는데도 밑으로 내려가지 않고 그 상태를 지속하는 경험을 해본 적이 있을 것이다. 내려가지않자 몸을 들썩여 억지로 출발을 한다. 출발 후 차츰 속도가 붙는다. 그리고 일단 출발을 하면 경사로가 끝나기 전에는 멈추질 않는다. 미끄럼틀과 엉덩이(마주 닿아있는 두 물체)의 마찰력은 움직이지 않을 때와 움직일 때, 각기 다르게 작용하기 때문이다. 출발하지 않고 멈추어있을 때의 마찰력을 정지 마찰력(정적 마찰력)이라고 하고, 출발이후의 마찰력을 운동 마찰력(동적 마찰력)이라고 한다. 두 마찰력중 운동 마찰력보다 정지 마찰력이 훨씬 크다. 그러기에 경사진 미끄럼틀에서 내려가지 않고 멈추어 있을 수 있었던 것이다. 또 다른 예를 들어보자. 사무실에 있는 책상을 옮기고자 한다. 책상위의 사물과 서랍속의 물건들을 다 치우고 옮기면 쉽게 움직일 수가 있지만, 시간관계상 통채로 옮기려고하니 혼자서는 밀어도 밀리지가 않는다. 한사람이 더 가세한다. 둘이서 숨도 쉬지않고 힘껏 밀자 드디어 책상이 움직이기 시작한다. 일단 한번 움직인 책상은 혼자의 힘으로도 밀 수 있을 정도로 수월하게 이동한다. 여기서도 정지마찰력과 운동마찰력이 작용하며, 두 마찰력은 큰 차이를 보인다.

이렇게 두 물체가 서로 닿아 있고, 외부의 힘에 의해 움직이기 직전의 두 물체간의 마찰력을 정지마찰력, 움직이기 시작한 이후의 두 물체간의 마찰력을 운동마찰력이라고 한다. 자동차에 적용되는 ABS는 이 마찰력의 차이점을 이해하면 모두를 이해한 것이나 다름없다.

 

자동차가 달리고 있다. 출발할 때 차츰 차츰 차속을 높였던 것처럼 멈출 때도 서서히 속도를 줄이며 운전을 마치면 참 좋겠지만, 갑자기 아주 짧은 순간에 차를 멈추어야할 상황이 생긴다면, 운전자는 습관적 학습효과로 브레이크 페달을 힘껏 밟고만다. 브레이크 페달이 밟히면서 브레이크 패드는 드럼을 꽉 잡아줄 것이고 돌아가던 타이어는 멈출 것이다. 이 순간(아주 짧은 순간) 타이어와 노면과의 마찰력은 정지마찰력이 작용하지만, 타이어가 노면에서 미끄러지기 시작하는 순간부터는 마찰력이 운동마찰력으로 바뀌어 마찰력이 급격히 줄어든다. 따라서 제동거리는 멀어지고 타이어가 멈춰진 상태이기에 핸들은 말을 듣지 않고 조향성을 잃는다. 그렇다면 브레이크 페달을 밟는 순간부터 차가 완전히 멈출 때까지 마찰력을 최대한 유지할 수 있도록, 즉, 정지마찰력 상태로 유지할 수는 없는가? ..... 이론적으로는 가능하다. 타이어가 노면에서 미끄러지기 시작하는 순간 브레이크 페달에서 발을 떼고, 다시 타이어가 회전하면 그 때 브레이크 페달을 밟는 것이다. 다시 타이어의 회전이 멈췄을 때 브레이크 페달에서 발을 떼고 다시........ 이렇게 아주 빠른 속도로 브레이크 페달을 밟았다 떼었다를 반복하면 정지마찰력을 유지할 수가 있다. 음 ... 이론적으로는 가능하지만 실제로는 불가능에 가깝다.

너무도 짧은 시간에 이루어져야하고 정확하게 작동해야 하기 때문에 사람은 이를 해결할 수가 없다. 하지만 사람이 만든 기계장치는 할 수가 있다. 그 기계장치가 바로 ABS인 것이다. ABS는 타이어의 회전을 억제하지만 완전히 타이어가 완전히 멈추는 것을 Anti 한다. 그렇게 타이어와 노면의 마찰력을 최대한 유지하기위해 아주 빠른 속도(1초에 8~16회)로 타이어와 함께 회전하는 디스크 드럼을 제어한다. 운전자가 브레이크 페달을 힘껏 밟고 있으면 ABS는 자동차의 타이어가 온전히 회전하면서 짧은 제동거리(최대한 정지마찰력을 유지)를 이루며, 타이어의 회전으로 인한 조향성을 확보할 수가 있다. ABS가 장착된 자동차를 운전하던 중 뜻하지 않게 급브레이크를 밟았을 때 발생하는 두두두두 또는 드르르륵 하는 소리가 바로 이 ABS의 작동 소리다. 또한 간혹 도로상에 짧은 점선으로 만들어진 자동차의 스키드 마크(Skid Mark)를 본 적이 있을 것이다. 바로 ABS가 작동하면서 만들어낸 타이어 자국이다.

ABS(Anti lock Break System)는 브레이크 패드가 디스크 드럼의 회전을 멈추게 하는 것이 아니라 멈춤을 방해(Anti)하여, 타이어와 노면의 마찰력을 정지마찰력 상태로 유지하도록하는 장치인 것이다.

 

 

참고로

TCS : Traction Control System은 자동차가 급출발하려할 때 타이어가 노면에서 미끄러져 헛도는 현상(운동마찰력 상태)을 방지하기위해 헛도는 순간을 감지하여 엔진의 출력이 타이어의 회전으로 연결되는 것을 단속하여 정지마찰력 상태를 유지토록하는 장치다. 

 

 

그림 한장, 도면 한장 없이, 조금은 난해할 수 있는 ABS에 대해 알아봤습니다. 글 읽어주심에 감사드립니다 ^^*