에어백의 제어시스템
■ 작동원리
차량이 상대차량 또는 장애물과 정면 충돌하는 경우 탑승원은 정면으로 튕겨져 나거나 차실내의 돌출물과 부딪혀 상해를 입게 되는 현상은 차량과 차량, 차량과 장애물의 충돌시 충돌에 따른 충격에너지가 차량을 반대방향으로 밀어붙이게 된다.
이 때 차량에 탑승하고 있는 운전자와 탑승원은 차량이 충돌시에 운동하는 반대 방향으로 튕겨져 나가게 되며, 운전자는 앞으로 튕겨져 나가면서 스티어링 휠에 가슴부위와 머리 부분이 충돌하여 상해를 입게 되고, 앞좌석 탑승원은 차량의 인스트르먼트 판넬 부분에 부딪치거나 앞 유리창을 뚫고 밖으로 튕겨져 나가서 상해를 입게 된다.
이러한 탑승원의 상해를 줄이고 생명을 보호하는 보조장치로 충돌시 에어백을 가스로 부풀려 탑승원과 돌출물 사이에 완충작용을 하여 탑승원의 안면과 가슴을 보호하는 장치가 에어백이다.
충돌 사고시 에어백의 작동원리는 다음과 같다.
+----------+
| 충돌 발생|
+----------+
+-------------------------+
| 차체를 통한 충격파 전달|
+-------------------------+
+-----------------------+
→ |탑승원의 상해 판단검증|
+-----------------------+
+---------------------+
→ | 에어백 작동 여부 판단|
+---------------------+
+-----------------------------+
→ | 가스발생장치 착화 및 화약연소|
+-----------------------------+
+-------------------+
→ | 화약 연소 가스 발생|
+-------------------+
+-----------------------+
→ | 백내로 가스 분출및 팽창|
+-----------------------+
+------------------+
→|커버를 뚫고 백 돌출|
+------------------+
+-----------+
→ |탑승원 보호|
+-----------+
□ 충돌
충돌 사고시 차량의 전면 또는 차량내부에 부착된 센서로 충격의 크기를 감지한다. 충격의 크기는 충돌에 의한 차량의 감속도 크기로 판단하며 센서가 감지하는 감속의 크기는 충돌된 장벽의 등가 장벽속도 또는 차량의 감속도에 의해 표시된다.
□ 진단
충돌 후 센서가 설정된 감속(센서의 문턱치)을 만나면, 센서에서 오는 신호를 분석 판단하게 된다. 감속의 크기가 설정된 값보다 클 경우에는 작동기체 팽창장치(INFLATOR)로 신호를 보낸다.
충돌 후 센서가 문턱치를 만날 때까지 소요 시간은 10 - 20ms이다.
센서에 설정된 문턱치는 차량구조 특성이나 센서부착위치에 따라 다르며 일반적으로 8-14mph의 등가장벽속도나 4-10g의 감속도이다.
□ 가스 생성
센서로부터 작동신호를 받은 작동기체 팽창장치는 폭발되며 폭발된 가스는 냉각층을 통과하여 백에 이른다. 센서가 신호를 보낸 후 작동기체가 폭발하여 가스를 백에 공급하기 시작할 때 까지 소요되는 시간은 약 5ms 정도이다.
□ 백(BAG) 팽창
작동기체 팽창장치로부터 공급받은 가스로 백을 팽창시킨다. 백이 완전히 팽창하는데 소요되는 시간은 약 30ms인 것으로 알려져 있다.
□ 충격흡수
충돌 후 탑승원은 차의 무게 중심에 대하여 전방으로 상대운동을 한다. 백이 완전히 팽창되는 순간에 탑승원은 백과 접촉됨으로써 탑승원의 운동을 구속하며, 탑승원의 감속도를 팽창된 백이 충격을 흡수하여 상해도를 감소시킨다. 충돌발생 후 탑승원과 백이 접촉되는 순간까지 총 소요시간은 약 40-60ms인 것으로 알려져 있다.
□ 탑승원의 원위치로 복귀
탑승원은 팽창된 백과 접촉한 후, 반발되고 원위치로 복귀한다. 이때 발생되는 반발력이 작을수록 탑승원의 상해도는 감소하므로 우수한 에어백 시스템이 된다. 이상과 같이 모든 현상이 완료되는 데는 약 120-135ms정도의 시간이 소요되며, 이 시간은 눈 깜박할 정도의 짧은 시간으로 알려져 있다.
■ 구성요소
에어백 시스템은 검지 시스템과 작동 모듈로 크게 2가지 기능으로 분류된다.
+-- 센서 +- 주전원 공급장치
+-- 검지 시스템 -+- 에너지 공급 장치 -+ (배터리)
| +- 진단 장치 +- 보조 전원 공급장치
에어백 시스템-+ +- 오작동 기록 장치 (BACK UP CAPACITOR)
|
| +- 작동기체 팽창 장치
+-- 작동체 모듈 -+- 백
+- 백 덮게
* 단순기계식 시스템일 경우에는 에너지 공급장치, 진단 및 오작동 기록 장치는 없다.
세부기능별로 구성요소를 분류하면 다음의 4개 부분으로 나누어 진다.
+-충격 감지부(SENSOR) : 차량 충돌시 충격량을 감지하여 AIR
| BAG 시스템을 작동시키는 부분
+-------+ |
|에어백 +--+- 고장 진단부(DIAGNOSTIC): 시스템의 이상유무를 진단하고 전선
|시스템 | | 절단시 보조 전원을 공급하는 장치
+-------+ |
+- 가스발생장치(INFLATOR): 화약을 연소시켜 고온고압의 질소
| 가스를 발생시키는 장치
|
+- 백(BAG): 발생된 가스를 저장하여 운전자나 탑승원을 직접적으로 구속하는 주머니
그림은 센서/ CPU 분리형 에어백 구성도이며, 센서/CPU 일체형 에어백 구성도이다.
그림 센서/CPU 분리형 에어백 구성도
그림 센서/CPU 일체형 에어백 구성도
■충격 감지부 (센서)
차량 충돌시 충격량을 감지하는 부분으로 감지 방법에 의한 분류는 다음과 같다.
□ 충돌 예지 센서
자동차가 충돌하기 전에 충돌의 불가피성 및 충돌의 강도를 예측 감지하는 것으로 이는 빛, 음파, 전파의 신호매체로 차량과 차량, 차량과 장애물간의 상대속도를 측정하여 충돌을 예측하는 센서로 에어백 시스템으로의 실용적으로 차량에는 적용되지 않고 있으며, 이 센서는 충돌방지 시스템에 적용하기 위한 연구가 되고 있다.
□ 충격 검지 센서
현재 에어백 시스템을 채택하고 있는 대부분의 자동차가 이용하고 있다. 센서의 종류를 분류하면 다음과 같다.
◆ 전기 기계식 센서
◇ 점성 댐핑식
이 센서로 BREED사에서 개발한 것으로 FORD, GM등이 채용하고 있으며 구조는 실린더 안을 구상의 매스가 충격에 의해서 움직이는 방식으로 평상시에는 한쪽의 마그네트에 의해 잡아당겨져 있는 구조이다.
이 센서는 충격을 받게되면 매스는마그네트의 흡인력과 실린더와 매스간의 공기 점성력의 합이 충격에 의한 감속도보다 적게되면 매스는 접점까지 이동하여 접점을 닫게 된다. 그림은 점성 댐핑식 구조도이다.
그림 점성 댐핑식 센서 그림 스프링 메스 댐핑식 센서
◇ 로울러 마이트식
이 센서는 TRW 테크나(TECHNA)사에서 개발한 것으로 혼다(HONDA), 도요다(TOYOTA), MMC, BMW, 크라이슬러(CHRYCLER)사에서 채용하고 있으며 구조는 롤러 형태의 매스에 판 스프링을 둘로 분리하여 감아 놓은 형태로 이는 판의 폭 차이에 의한 스프링 힘 차이로 한쪽에 밀착되는 구조이다.
이 매스는 충격(감속도)을 받게되면 반대쪽으로 회전하여 접점을 닫게된다. 또한 스프링의 형상과 두께를 임의로 설정할 수 있으므로 스프링 상수를 차량 특성에 맞추어 설정하기가 용이하다. 그림은 롤러 마이트식 센서의 작동 구조이다.
그림 롤러 마이트식 센서 작동 구성도
◇ 스프링 매스 댐핑식
이 센서는 TRW 테크나사에서 개발한 것으로 구조는 매스를 판스프링과 다이아프램에 고정한 것으로, 충돌시 충격에 의해서 매스가 움직이기 시작해서 다이아프램이 왼쪽으로 이동할 때 발생하는 부압에 의해서 제어된다.
그림은 스프링 댐핑식 센서의 구조이다.
◇ 편심로터 방식
이 센서는 도요다와 마즈다(MAZDA)에서 채용한 것으로 구조는 감속도를 검출 할 수 있는 편심 매스를 설정된 감속도까지 매스를 잡아주는 코일 스프링, 감속도에 대응하여 회전하고 편심 로터, 편심 로터를 지지하는 축, 편심 로터와 일체로 구성된 회전 접점, 그리고 고정 접점으로 구성된다.
작동방법은 정상 상태에서는 코일 스프링 힘이 편심 로터상의 편심 매스가 스토퍼에 해당하여 정지하고 있다.
충돌시에는 감속 충격을 편심 매스가 힘을 받은 후 로터를 회전시켜 고정 접점에 접촉하면 시스템은 작동한다.
그림은 편심 로터방식의 구조도이다.
그림 편심 로터 방식 센서 구조도
◇ 바이어스 마그네틱 매스(Bias magnetic mass)식
이 센서는 닛산(NISSAN)과 마즈다에서 채용한 것으로 구조는 감속도를 검출하는 센싱 매스, 센싱 매스를 설정된 감속도 까지 유지시키는 바이어스 마그네틱, 센싱 매스의 운동에 에어 클램핑작용을 시키는 실린더, 여기에는 2극단자로 구성되어 있다.
(그림) 통상시에는 바이어스 마그네틱의 자력이 센싱 매스를 잡아당겨서 후방(Magnetic측)에 유지시킨다.
통상시에는 단자의 접점이 OFF 되어 있다.
충돌시에는 센싱 매스의 감속도가 바이어스 마그네틱의 자력을 이겨서 마그네틱에서 분리된 후, 단자를 접속시켜 접점을 ON 시킨다.
그림 바이어스 마그네틱(Bias magnetic) 센서의 구성도
◇ 가스 댐퍼식
이 센서는 HONDA에서 적용한 것으로 구조는 불활성 가스를 봉입한 금속 케이스에 내장하며, 충돌 시에는 스프링력과 감쇄력이 충돌시 감속력보다 작을 경우 중량이 슬라이드(Slide)되어 접점을 ON 시킨다.
그림은 가스 댐퍼 방식의 센서 구조도이다.
그림 가스 댐퍼방식의 센서구성도
◆ 기계식 센서
◇ 볼 및 바이어스 스프링식
이 센서는 스즈키(SUZUKI), 수바루(SUBARU), 도요다에서 적용한 기계식 에어백용이며 그 구성은 센싱 볼(Sensing ball), 바이어스(Bias) 스프링, 토리카 샤프트, 파이어링 핀(Firing pin)으로 구성되며 작동방법은 다음과 같다.
센서에 충격이 가해지면, 관성에 의해서 센싱 볼이 아래방향으로 이동을 하여, 토리카 샤프트을 움직여서 파이어링 핀이 스프링을 움직인다.
센싱 볼이 토리카 샤프트를 움직이는 충격력이 크면 바이어스 스프링이 작동한다.
센서는 같은 것이 두개가 있으며 한쪽방향이 고장이 나면 반대방향이 작동하도록 되어 있다. 이 센서의 구성은 그림과 같으며 절대 분해할 수 없다.
그림 기계식 센서의 작동 구성도
◆ 전기식 센서
◇ 왜 게이지식
이 센서는 보쉬(BOSCH)에서 개발하여 GM, 벤츠에 장착된 것으로 서로 길이가 다른 게이지와 하부에 매스가 구성되어 있으며, 충격에 의해 매스가 관성에 의해 이동을 할 때 게이지마다 나오는 전기신호를 분석하여 에어백작동 여부를 파악하여 작동한다.(그림 )
그림 왜 게이지식 센서
◇ 피애조식
이 센서는 보쉬(BOSCH), TRW에서 개발하여 GM, 벤츠에 장착된 것으로 구조는 세라믹과 박막 피에조엘렉트릭 아날로그 센서(Thin-Film Piezoelectric Analog Sensor)로 충돌시 가속도와 속도를 얻을 수 있는 센서로 구성은 센서, 시그날 컨디션, 템퍼리쳐 콤펜세이션, 시그날 앰플리케이션 으로 구성된다.
◇ 실리콘 마이크로매치메드(SILICON MICROMACHIMED) 센서
이 센서는 IC 센서, 루카스 노바(LUCAS NOVA) 센서, 아날로그 기구는 노르우드(NORWOOD), 모타로라(MOTOROLA), INC에서 개발된 것으로 대량생산시 약 $5-6로 가능하고 제작 방법중 마이크로매칭(MICROMACHING)은 화학적 에칭(ETCHING, 부식 동판법) 프로세스로 세미 컨덕터(SEMI CONDUCTORS)와 유사하다.
■ 센서의 부착 위치에 따른 분류
□ 압착 영역(CRUSH ZONE)센서
차량 전면 구조물이 연성일 때 주로 사용되며, 경사충돌이나 센타 폴 충돌시에도 적절히 감지된다.
□ 비압착 센서
차량 전면 구조물이 강성일 때 주로 사용되며, 탑승원실 내부 구조물에 위치한다.
■ 센서의 부착 댓수에 따른 분류
□ 일점 검지식
현재 사용되는 것으로는 볼보와 벤즈에 설치된 전자식과 브리드(BREED)사가 개발한 순기계식이 있다. 가격은 저렴하나 검지가 어렵다.
특히 에어백 모듈에 내장되는 것은 차체 개량이 요구되고, 단기 개발이 어렵다.
□ 다점 검지식
충돌검지 측면에서 충돌 특성이 나쁜 차량일 때, 충돌조건은 엄격히 관리하고 시스템 전체의 신뢰성을 높이고자 할 때, 단기간 내에 시스템을 개발하고자 할 때 이용된다. 특히 백의 팽창속도를 단계별로 제어코자 할 때 이용된다.
다점 검지식의 유효성은 포드사의 T, G, 아단스(ADANS)등의 응답 특성 실험에서 알 수 있으며, '86년형 타우르스(TAURUS)/세이블(SABLE)에서 투-로케이션(TWO-LOCATION), 투-캘리브레이션(TWO-CALIBRATION) 이상의 다점 검지식이 적당함을 입증하였다.
□ 센서의 문턱치
센서의 문턱치는 트리거링(TRIGGERING)을 지시해야 할 최소의 감속조건을 말 하는 것으로, 센서의 부착위치에 따라 달라진다.
센서가 에어백 모듈에 가깝게 부착될수록 문턱치는 낮게 설정되어야 한다. 포드 자동차의 경우 에어백의 전개속도는 차량의 충돌속도가 22km/hr이상의 속도로 고정 벽에 충돌할 때 작동하도록 하고 있다.
소위 22km/hr의 속도를 "등가 장벽 속도(barrier eguivalent velocity)" 즉 BEV라 한다.
0-22km/hr로 충돌시 에어백이 작동하지 않는다.
즉 에어백은 모든 충돌에 전개되도록 설계되지 않으며, 에어백 시스템은 측면, 후면, 전복, BEV이하 속도에서 정면 충돌시 작동하지 않는다. 센서의 문턱치는 등가장벽속도나 감속도로 표시한다.
포드 '89년형 타우르스/세이블 에는 12MPH(라디에이타, 레일, 브라켓트에 부착), GM의 올즈모빌(OLDSMOBILE)에는 14MPH(범퍼부근 부착)로 설정하고, 브리드사가 개발한 일 점검지 기계식 센서는 7g, NHTSA의 J,모리스(MORRIS)에 개발된 센서(헤드라이터 부근 부착)는 10g로 설정되었으며, 닛산의 소형 승용차에 이용되는 센서는 20g 로 설정되었다.
□ 5-30ms 조건
2차 충돌(탑승원과 탑승원석 전방 구조물과의 충돌)이 있기 전에 탑승원이 움직일수 있는 최대가용 전방 이동거리가 큰 중, 대형 승용차에 적용되는 조건으로 에어백 팽창에 30ms전에 센서가 트리거링되어야 탑승원을 적절히 보존할 수 있다는 조건이다.
최대 가용 전방이동거리가 작은 소형 승용차에서는 센서가 더 빨리 트리거링 되어야 한다.
이 조건은 적용차량의 특성에 따라 검지시간과 작동기체 팽창 장치, 백에 따른 팽창 소요시간이 다르므로 적용대상에 따라 변경할 필요가 있다.
□ 센서의 성능 평가
충격 검지 센서의 성능 평가 방법에는 풀사이즈 프로토 타입(FULL SIZE PROTO TYPE) 시헙법과 축소 모텔 시험법이 있다.
센서 특성의 비재현성과 불안정성 때문에 풀사이즈 프로토 타입 시험에 의하여 충격 검지 센서의 설계 유효성을 입증하는데는 힘들고, 비용이 많이 소요되므로 GM사의 T.M JONES는 축소된 물리적 모델을 이용하여 센서의 성능평가와 최적의 검지 위치를 설정하는 방법을 제시하고 있다.
□ 검지 기술의 동향
검지 기술은 기계식에서 전기식으로, 다점 검지식에서 일점 검지식으로, 에어백 모듈과 센서의 분리형에서 일괄 탑재형으로 선택되고, 발전되어 가고 있다.
■ 고장진단(DIAGNOSTICS)장치
전기식 충격검지 센서를 사용할 경우에는 시스템이 정상 가동상태를 유지하고 있는지 여부를 항상 점검하는 진단/모니터링 회로와 시스템에 전원을 공급하는 와이어 절단시 보조전력을 공급하는 카파시터(CAPACITOR)로 구성되어 있다.
이튼사에 의해 개발된 진단장치는 충돌검지, 전기식 기폭장치, 가스 압력 모든회로의 접속 상태등의 주요 특성이 항시 점검되고 요구되는 성능의 한계를 벗어날 때는 운전자에게 알려주도록 설계되어 있다. 그림은 진단 유니트를 보여주고 있다.
그림 진단 유니트 그림 인플레이터(TALLY사)
■ 팽창 장치(INFLATOR)부
작동기체의 팽창장치로는 고체식, 기체식, 혼합식, 공기 흡입식으로 분류되고 경량차및 소형화의 목적으로는 고체식이 유리하며, 어린이 보호성능을 높이기 위한 특수목적으로 공기 흡입식이 사용되는 경우도 있다.
생산업체는 탤리(TALLY)사(FORD, GM, HONDA 에 공급), 모던 사이콜사(BENZ에 공금), 바이에른 케미컬사가 대표적이며 주로 고체식을 채용한다.
□ 기체식
150-240 kg/㎠이상의 고압용기에 질소, 알곤등의 불활성기체를 저장하고 충돌 사고시 순간적으로 개방하여 에어백을 팽창시키는 방식이다.
적용된 차량은 1994년 보이져 카라반(VOYAGER CARAVAN), 타운 및 컨트리 미니밴(COUNTRY MINIVAN)을 생산한 크라이슬러와 GM 오펠(OPEL) 디비젼에서 장착했다.
인플레이터 생산업체로 벤딕스-아틀란틱 인플레이터사(BENDIX-ATLANTIC INFLATOR CO) 이다.
이 방식의 장점은 기체의 단순한 물리적 변화만 고려되므로 계산 및 설계가 쉽고 화학반응을 수반하지 않으므로 성능이 안정되어 있다.
단점으로는 단열팽창에 따른 비 용적이 너무 작고 가스분출속도가 음속이 되므로 초기의 에어백 전개력이 너무 강해서 팽창하는 에어백에 의한 탑승원의 상해 위험성이 있으므로 제어밸브에 의한 백 전개제어가 요구된다.
□ 혼합식
기체식에서 비용적 저하를 방지할 목적으로 소량의 가스 발생제를 연소시키는 고체식을 추가한 방식이다.
기체식 보다는 소형차가 가능하고 충돌강도에 따라 발생가스를 증감시키는 듀얼 모드 시스템이 가능하다.
□ 공기 흡입식
가스 발생기에서 나오는 고속의 가스흐름으로 생기는 부압을 이용해서 차실내의 공기를 흡입하는 방식이다.
장점으로는 가스발생기의 소형차, 에어백 전개시 소음이 작고, 차 실내압의 상승이 작으며 서있는 어린아이의 경우에 공기흡입이 작아지므로 구속 성능향상을 기대할 수 있다. 단점으로는 백의 내압이 대기압 보다 크게 하는 것이 제한되므로, 고속 충돌시 탑승원의 구속 성능이 저하된다