횡방향 제어 기초(능동 조향, 토크 벡터링, 오버스티어)

횡방향 제어란 차량이 주행할 때 좌우 조향을 제어하는 것을 말한다.
이를 위해 능동 조향 시스템과, 토크 벡터링이 무엇인지, 

1. 조향 시스템의 발전 및 능동 조향 장치

 

① 능동 조향 시스템 (Active Steering System) 이란

스티어 바이 와이어 (SBW: Steer by Wire)

• 최종적으로는 Steer By Wire 시스템이 목표라고 할 수 있다.
  • 개념: 기계적 연결 장치(샤프트 등)를 배제하고, 운전자의 핸들 조작을 전기 신호로 바꾸어 모터로 바퀴를 조향하는 완전 전자식 제어 방식입니다.
  • 장점: 다양한 제어 전략 구현이 가능하며, 기계 부품이 줄어들어 차량 무게 감소 및 연비 향상을 가져옵니다.
  • 단점 및 한계: 전원 고장이나 전자식 모터 구동 불능 시 보조 제어가 불가능해지므로, 이를 보완할 높은 신뢰성(Redundancy)이 요구되며 단가가 비쌉니다.

 

능동 조향 시스템(ASS 혹은 AFS)

• 능동 조향 시스템은 현재 많이 쓰이는 MDPS(모터 구동 파워 스티어링)와 미래의 SBW의 중간 단계이다. 
• 앞바퀴 조향이기에 AFS(Active Front Steering) 이라고도 한다.
• 목적
  • 최적의 조향각을 구현하고 안정적인 움직임을 갖게 하 것이 궁극적 목적이다. 
  • 운전자의 조향 입력에 능동 조향각을 가감해 차량의 조향 성능 및 횡방향 안정성을 향상시킨다.
  • 빙판길 등 미끄러운 노면에서 응답성을 높여 운전자가 조향 불능 상태에 빠지지 않도록 돕는다.
• 특징
  • 유성 기어에 의해 기계적 연결 유지
  • 때문에 입력 조향각 대비 출력 조향각 크기 가변 가능 
  •  SBW 대비 기계적 고장에 대처 가능한 장점

② 능동 조향 시스템 구성 및 제어

• 능동 조향 시스템에는 브레이크, 요 레이트, 속력, 조향 등의 입력이 들어온다.
  • 요레이트(Yaw rate), 브레이크, 차속 센서 등의 정보를 파악합니다.
• 들어온 정보를 바탕으로 제어기가 VGR과 VDC를 이용해 제어 입력을 정한다.
  • VGR (가변 조향비 제어): 저속에서는 조향비를 낮춰 작은 핸들 조작으로도 바퀴가 크게 돌아가게(편의성), 고속에서는 조향비를 높여 핸들을 크게 움직여도 바퀴가 적게 돌아가게(안정성) 제어한다.
  • VDC (차량 동특성 제어): 미끄러짐이나 과도한 조향을 감지하여 능동적으로 출력 조향각을 조절하고 최적의 자세를 유지다.

③ 연동 가변형 조향 장치 (4WS: 4-Wheel Steering)

• 앞바퀴뿐만 아니라 뒷바퀴도 함께 움직이는 시스템도 있다.
  • 저속 주행 (주차 시 등): 뒷바퀴를 앞바퀴와 반대 방향(역상)으로 조향하여 선회 반경을 줄여줍니다.
  • 고속 주행: 뒷바퀴를 앞바퀴와 같은 방향(동상)으로 조향하여 차량의 회전(요잉)을 완화하고 주행 안정성을 높입니다.

2. 토크 벡터링

자동차는 차동장치를 이용해 바깥 바퀴를 빠르게, 안쪽 바퀴를 느리게 회전하게 한다.
도로 노면과 타이어 마찰 등 저항에 따라 수동적으로 움직이는 시스템이다.

운전자 의지와 별개로 좌우 토크가 다르다.
수동 차동기어의 한계를 극복하기 위해 토크 벡터링 기술이 나왔다. 

• 파악한 주행 상태를 바탕으로 전자 장비로 좌우 바퀴에 차동 장치를 제어한다.
• 목적
  • 선회 시 차동 기어 기능 포함
  • 언더스티어 오버스티어 발생하지 않도록 적정 토크 
• 방법
  • 주행 속도, 스티어링 속도, 스티어링 각도, 횡방향 가속도 등을 입력으로 받는다. 
  • 상황을 바탕으로 각 바퀴에 최적 토크를 전달한다. 

먼저 벡터는 크기와 방향을 갖는 양을 말한다.
때문에 토크 벡터는 바퀴로 전달되는 토크의 크기와 방향을 말한다.
엔진의 출력과 구동력의 크기와 방향을 표현하기 위해 사용하는 용어다.
벡터링 이란 토크에 변화를 주어서 벡터의 크기와 방향을 변화하는 것을 말한다.
다음으로 언더&오버스티어를 알아보며 토크 벡터링이 왜 필요한지 알아보겠다.

역할과 종류

토크 벡터링은 차동기어 제어 방식과, 브레이크 제어 방식으로 구분할 수 있다.

차동기어 제어

• 차동장치에 추가적인 클러치 이용해 제어
• 한쪽이 작으면 다른 하나가 커지는 방식 
• 구동력 100% 활용하는 방식

 

브레이크 제어

• 좌우 개별적 제동하여 토크 조절
• 추가 클러치 없이 가볍고 간단하게 구현 가능
• 배분된 토크를 브레이크로 줄이기에 구동력 100%활용 불가 

예를 들어 차동기어 제어 방식은 100 구동력을 좌우 60 40으로 나누지만
브레이크 제어 방식은 좌우 50 50 을 주고 브레이크를 이용해 50 30과 같이 토크를 주는 효과 

 

 

3. 언더&오버스티어

먼저 언더스티어, 오버스티어는 자동차가 접지력을 잃었을 때 생기는 현상을 말한다.

• 언더스티어
  • 회전 시 목표한 조향값보다 덜 돌아간 것을 말한다. 
  • 앞바퀴의 접지력을 잃어 발생한다.
  • 코너의 바깥쪽으로 밀려나가는 것을 생각하면 된다.
• 오버스티어
  • 회전 시 목표한 조향값보다 더 돌아간 것을 말한다. 
  • 뒷바퀴의 접지력을 잃어 발생한다.
  • 주로 원심력이 큰 경우 발생한다.
  • 언더스티어와 달리 저속에서도 발생할 수 있다.(후륜구동 자동차가 눈길 달릴 때)
  • 코너의 안쪽으로 미끄러지는 것을 생각하면 된다.