DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle-2013.29.3.180
배선 단선과 에어 누설에 관련된 자동차 ECS 시스템의 고장사례 고찰
이일권†·박종건·신명신·장주섭*‡ 대림대학교 자동차공학과
*가천대학교 기계자동차공학부
Study of Failure Examples of Automotive Electronic Control Suspension System Including Cases with Wiring Disconnection
and Air Leakage
IL Kwon Lee†, Jong Geon Park, Myung Shin Shin and Joo Sup Jang*‡ Department of Automotive Engineering, Daelim University College
*Department of Mechanical and Automotive Engineering, Gachon University (Received April 27, 2013; Revised May 15, 2013; Accepted May 17, 2013)
AbstractsThe purpose of this study was to analyze the tribological characteristics of the Electronic control suspension System in a car. In the first example, the cilp used to attach the front electronic control sus- pension(ECS) system's control actuator was fastened very tightly. Thus, the wire was cut because of continual rotation of the shock-up shover piston rod used to adjust the height of the car. This verified the disconnection phenomenon where wire damaged makes it impossible for the ECS system to send signal to the actuator. The second example, involved a minute hole that allowed gas to leak from the ECS system . As a result, the height of the car verified the down phenomenon. In the third example, the resistance of a wire measured at 0.21, when the G sensor was disconnected from the system. This verified the system shutdown and lighting of the ECS warn- ing lamp because of body interference caused by a slight pressure on the battery cover. Therefore, quality control is always necessary to ensure safety and durability of a car.
KeywordsECS system(ECS 시스템), warning lamp(경고등), vehicle height sensor(차고센서), actuator (작동기), ECS computer(ECS 컴퓨터)
1. 서 론
운전자가 운전을 할 때 자동차는 빠른 속도와 편안 함을 느낄 수 있도록 시스템을 작동해야 한다. 또한, 운전자가 자동차를 이용하여 운행할 때 자동차의 안정 성과 지면에서 전달되는 진동과 충격을 잘 흡수하여 편
안함을 주며, 선회할 때 부드럽게 선회할 수 있도록 자 동차의 자세를 잡아주는 시스템이 전자제어 현가장치 (electronic control suspension; ECS)이다. 이 현가장치 의 스프링을 최근의 운전자들의 제어 시스템을 맞추고 운전자가 운전을 할 때 자동차의 높이와 자세를 가장 최적의 상태로 제어하기 위하여 센서의 신호를 받아 컴 퓨터로 보내면 이신호를 컴퓨터에서 받아 최적의 신호 를 액츄에이터에 보내 제어를 하게 된다. 이러한 시스 템을 통하여 운전자는 운전에서 느끼는 최대의 편의성 을 느끼게 되고, 이러한 시스템 제어기술은 급속도로 다
†Author : [email protected]
‡Corresponding Author : [email protected]
◎이 논문은 한국윤활학회 2013년도 춘계학술대회 (2013.4.26 서울테크노파크) 발표논문임.
더욱, 향상된 현가장치의 성능을 위해 스프링의 탄성 율(spring rate)을 제어할 수 있는 에어 서스펜션을 개 발하였다[3,4]. 이후 전자제어 기술이 발전하면서 차고 제어, 자세제어와 전방의 물체를 초음파 센서를 이용 하여 도로 조건에 맞게 제어하는 액티브 제어방식을 사용하였다. 이러한 액티브(active) 제어 기술 적용은 안정성과 주행 편의성을 향상시키기 위해 계속 발전되 고 있다[5,6].
최근의 이러한 시스템은 엔진과 변속기의 작동조건 및 제동장치와 조향장치를 통합하여 제어하는 최적제 어 시스템으로 진화하고 있다[7,8].
따라서 이 논문은 전자제어 현가장치 시스템에서 발 생되는 트라이볼로지적인 현장의 고장사례를 조사하고, 분석하여 이에 대한 개선 및 연구방향을 제시하고자 한다.
2. 이론적 배경
2-1. 현가장치의 개요
자동차의 현가장치(suspension system)는 승객의 안 락함과 주행안정성을 추구하는 주요한 장치로 자동차 를 구성하는 매우 중요한 부분이다. 자동차는 주행조 건에 따라 승차감과 핸들링(handling)에 많은 변수를 가지고 있다. 그러나 현가장치의 특성상 안락함과 주 행안정성을 동시에 만족시키는 어려운 문제점을 가지 고 있다. 예를 들면, 현가장치를 부드럽게 튜닝(tuning) 하게 되면 안락함은 확보할 수 있으나, 주행안정성은 나빠지게 되고, 반대로 주행안정성을 확보하기 위해 현 가장치를 딱딱하게 튜닝하게 되면 안락함은 저하될 수 밖에 없는 것이다. 이 두 가지를 동시에 만족시키기 위해서 도로 사정이나 주행 조건에 맞게 현가장치의 특성을 변화시켜야 되는데 기계적으로는 불가능하다.
결국, 현가장치의 특성을 가변시키기 위해서는 어떠한
형태로든 제어가 필요하며, 이러한 목적으로 개발된 것 이 전자제어 현가장치(electronic control suspension
system)이다. 전자제어 현가장치는 차량의 주행 조건의
변화에도 승차감과 안정된 핸들링을 확보하는데 그 목 적이 있다고 할 수 있다[9,10].
2-2. 현가장치의 구성부품
일반적으로 현가장치는 자동차의 바퀴와 연결되어 자동차의 차체를 지지하여 자동차의 진동을 줄여주고 이를 흡수하여 주는 쇽업소버와 쇽업소버를 바퀴와 자 동차 차체와 고정시켜 주는 암(arm)등으로 구성되어 있다. 또한, 자동차가 선회할 때 자동차의 중심을 잡아 주는 스테빌라이저(stabilizer) 등으로 이루어져 있다.
Fig. 1. Assembled example of suspension system.
Fig. 2. Inner construction of shock absorber.
이러한 부품들은 각각의 역할에 의해 현가장치 시스템 을 효과적으로 작동시킨다. Fig. 1은 현가장치 구성부 품의 조립상태를 보여주며, Fig. 2는 쇽업소버의 내부 구조를 보여주는 것이다.
2-3. ECS 장치의 종류
차체의 좌우, 앞뒤 차고, 조향 휠 각속도, 액셀러레 이터 페달 조작속도, 차속 노면상태 등을 판단, 연산하 여 주행 상태에 따른 쇽업소버의 감쇄력과 공기 스프 링의 압력을 조정하여 자세제어를 수행한다[11-14].
Fig. 3은 감쇠력 가변방식의 시스템 구성도를 보여주는
것이다.
3. ECS 장치의 고장사례
3-1. 배선 단선으로 인한 ECS 경고등 점등 사례 1) 현상
운전자가 자동차를 운전하던 중 간헐적으로 운전석 계기판에 ECS 경고등이 점등되는 현상이 발생되었다.
2) 분석
이 자동차는 3,200 km를 주행하였으며, 운행하는 동 안 운전자는 간헐적으로 ECS 경고등이 점등되는 것을 확인하였다. 고장현상을 확인하기 위하여 자기진단기 를 이용하여 확인한 결과 “프런트 액츄에이터(front actuator) 이상”으로 고장코드가 출력되었다. 또한, 저 항측정기를 이용하여 저항을 측정한 결과 저항이 무한 대로 측정되었다. 일반적으로 정상적으로 전기적인 흐
름이 있다면, 이 사례의 경우에는 저항을 측정할 때 약 6.1의 저항이 측정되어야 한다. 그러나 이 사례의 경우에는 프런트 액츄에이터를 작동시키는 배선이 액 츄에이터 내부에서 단선되었기 때문에 전기적인 흐름 이 없어 커넥터에서 회로 저항을 측정할 때 저항이 무 한대를 나타내는 것으로 볼 수 있다.
시스템의 정상화를 위해 자기진단기를 이용하여 이 고장코드를 삭제하려 하였으나, 삭제되지 않고 반복적 으로 고장코드가 출력되었다. 원인을 찾기 위하여 자 동차의 프런트 쇽 업소버 상단의 부위를 확인한 결과 Fig. 4와 같이 프런트 액츄에이터의 배선을 고정하는 클립의 유격불량으로 배선내부가 단선되었으며, 프런 트 좌우 액츄에이터를 교환한 다음 정상으로 확인되었 다. Fig. 4는 액츄에이터를 고정하는 클립(clip)의 배선 을 너무 팽팽하게 고정하고 있어 배선의 여유가 없음 으로 인해 자동차가 운행할 때 액츄에이터의 작동으로 인해 배선도 함께 움직여야 한다. 그러나 클립으로 팽 팽하게 고정함으로써 쇽 업소버의 유로를 변화시키기 위해 액츄에이터가 작동할 때 배선이 움직임으로써 배 선이 팽팽해지면서 이것이 반복되어 배선이 끊어지는 현상이 발생된 것으로 판단되었다.
Fig. 5는 ECS 작동 액츄에이터의 장착상태를 보여 주는 것이다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 액츄에이터 배선을 잡아 당겨 확인한 결과 배선의 유격이 너무 없 어 자동차가 상하로 유동할 때 쇽업소버의 운동에 의 해 배선이 움직일 때 배선이 이와 같이 단선되는 현상 이 발생될 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서, 이 고 장사례의 개선방법은 고정클립으로 고정되는 액츄에이 터의 배선에 대하여 유격을 주어 배선이 자유롭게 움 Fig. 3. Components schematic of damping force
variation suspension.
Fig. 4. Wire cutting example by end-play of actuator fixing clip.
직일 수 있도록 개선되어야 할 것으로 판단된다.
3) 고찰
고장현상의 원인을 찾기 전에 먼저 자동차 타이어의 크기, 타이어의 공기압이 정상인지 또는 타이어의 편 마모가 없는지를 확인해야 한다. 그리고 시스템이 정 상이라도 과적재, 급한 비탈길이나 경사진 곳에 시동 을 건 상태에서 정차하였을 때, 여름철 고온 등의 조 건에서 차고조정을 빈번하게 하였을 때, 산악지역이나 굴곡로를 자동(automatic) 또는 스포츠(sport) 모드로 연속적인 주행을 할 때 등의 조건에서 경고등 점등 현 상이 발생될 수 있으므로 각각의 사례 조건에 맞게 세 심하게 점검하도록 하여야 한다.
3-2. 쇽업소버 에어 누설로 인한 차고 낮아지는 사례 1) 현상
운전자가 자동차를 주차시킨 상태에서 몇 시간 정도 지난 다음 시동을 걸었을 때 차고가 50 mm 정도 상승 하는 현상이 발생되었다.
2) 분석
자동차의 차고라 하면 타이어의 접지면에서 시작하 여 자동차의 가장 높은 부분까지의 길이를 차고라고 한다. 일반적으로 차고는 현가장치의 쇽업소버 행정에 따라 차고가 달라진다. 쇽업소 내부에 있는 오일이나 가스 압력에 의해 내부의 실린더가 상하로 움직이면서 이 실린더의 압축력과 신장력에 의해 차고의 높이는 변화하는 것이다. 이 차량은 1,330 km를 주행한 자동 차로 주차한 다음 12시간 정도 지난 후 시동을 걸었
을 때 앞 차고가 50 mm 정도 상승하는 현상이 발생 되며, 이 현상은 잠시 주차한 다음 확인하면 차고가 상승하는 현상은 발생되지 않았다. 즉, 운행한 다음 장 기주차하였을 때 앞차고가 약 50 mm정도 내려오는 현 상이 발생되었으며, ECS 스위치 최고높이(extra high) 스위치를 눌러 올려 놓으면 내려오지 않는 현상이 발 생되었다. 정확한 진단을 위하여, 자기진단기를 이용하 여 진단하였을 때 정상으로 확인되었다. 노말(normal) 상태의 차고 후 12시간 정도 지나서 자기진단기를 이 용하여 확인한 결과 프런트(front)의 경우에는 낮은 차 고 LL(low level)0001, 리어(rear)는 N(normal)1111의 코드의 차고 레벨(level) 코드가 출력되었다. 이것은 정 비이력을 확인한 결과 프런트 솔레노이드(front solenoid) 교환, 프런트 쇽업소버 좌(left)측과 우(right) 측을 교환한 다음 동일현상이 발생되었다. 또한, 원인 을 찾기 위해 자동차 리프트(lift)를 이용하여 들어 올 린 다음 스텝모터(step motor)를 탈거한 다음 공기 누설 시험을 하였을 때 공기가 누설되는 것을 확인하였다.
또한, 쇽업소바의 상단부 O링을 교환한 후 4시간이 경과한 다음 다시 공기가 누설되는 것을 확인하였으며, 고장코드 L(low)0011의 코드가 출력되었다. 따라서, 쇽 업소버의 실린더 내부의 로드를 작동시키는 액츄에이 터와 연결되는 상단에 있는 호스를 교환한 다음 12시 간 정도 주행한 후 차고가 내려오는 현상은 제거되었 다. 따라서, 고장원인은 쇽업소버 내부에 있는 로드 실 린더를 작동시키는 액츄에이터에 에어를 공급하는 호 스 삽입부가 미세하게 찢어져 미세한 홀(hole)이 형성 되어 이 곳을 통해 에어가 누설되어 쇽업소버의 피스 톤 로드가 하부로 내려가는 것으로 확인되었다. Fig. 6 Fig. 5. Installing example of ECS operating actuator.
Fig. 6. Air leakage example of air hose assembled with shock absorber.
은 쇽업소버에 에어를 공급하는 호스에서 에어의 누설 이 발생되는 사례를 보여주는 것이다.
3) 고찰
일반적으로 공기에 의한 차고를 조정하는 방식에서 정상적인 공기의 유동은 시스템의 안정성에 매우 중요 한 역할을 한다. 따라서, 쇽업소버를 제어하기 위하여 각 부에 연결되어 있는 에어밸브, 튜브와 에어 작동부, O링의 마모와 손상 등의 문제가 발생하면 차고가 내 려갈 수 있으므로 ECS 시스템의 내구성이 문제가 없 도록 시스템의 안정적 제어를 위해 철저하게 관리하여 야 한다.
3-3. G 센서 전원선 단락으로 경고등 점등사례 1) 현상
운전자가 자동차를 운행중 간헐적으로 ECS 경고등 이 점등되는 현상이 발생되었다.
2) 분석
이 차량은 47,840 km를 주행한 차량으로 운행중에 간헐적으로 ECS 경고등이 점등되는 현상이 발생되었 다. 원인을 찾기 위하여 자기진단기를 이용하여 점검 한 결과 고장코드C(code)11, C12 센서전원이상으로 확 인되었다. 조향 각도 센서(steering angle sensor)의 출 력을 점검하였을 때 이상 현상은 확인되지 않았다. 시 스템을 정상화하기 위해, 자기진단기를 이용하여 기억 을 소거하였을 때 기억이 소거되었다. ECS 시스템의 ECU(electronic control unit) 쪽 커넥터 전원, 접지 입출력 요소 및 핀을 점검한 다음 시운전한 결과 이상 이 없어 정상으로 판정하여 자동차를 운행하기 위하여 운전자에게 인도하였다. 그러나, 운전자는 하루가 지나 ECS 시스템의 경고등이 다시 점등되어 다시 입고하였 다. 진단기를 이용하여 점검한 결과 동일한 진단코드
C1112 센서전원 이상으로 출력이 되었다. 센서 출력값
을 확인하였을 때 자동차가 선회할 때 좌우 방향으로 발생하는 가속도량을 검출하는 센서인 G(gravity) 센서 값 3개 모두 -1.0 g로 출력되었고, 자동차의 좌우 유동 시 변화는 없었다. ECU 쪽에서 G 센서 전원을 점검 하였을 때 0 mv로 출력되다가 메인 컨트럴(MC ; main control)와이어링(wiring)의 MCO1 커넥터를 탈 거하였을 때 센서 전원 4.8 V가 정상으로 출력되었다.
따라서, 정확한 원인을 규명하기 위하여 멀티 테스터 를 이용하여 MC01 커넥터의 9번 핀 단자 G센서 배
선의 저항을 측정하였을 때 차체와 도통됨을 확인하였 다. 이 때 배선에 걸리는 저항이 G 센서를 탈거하여 측정하였을 때 0.21로 측정되었다. 따라서, 이것은 G 센서 전원 배선이 배터리 하부커버에 미세하게 눌려 차체와의 간섭에 의해 센서전원이 차체로 흘러 시스템 이 중지되고 경고등이 점등되는 것을 확인할 수 있었 다. Fig. 7은 배터리 하부 커버에 배선이 눌려 단락된 사례를 보여주구 있다.
3) 고찰
자동차에 적용되는 제어 시스템의 배선은 구성 라인 을 설계할 때 작동성과 관련하여 고장현상이 발생하지 않도록 여러 가지를 고려하여야 한다. 전기적인 배선 의 고정성, 유동성, 기밀성과 움직이는 부품과의 접촉 에 의한 손상성 등과 같은 항목을 세심하게 고려하여 이를 적용하여야 제품의 신뢰도를 높이고, 고장현상을 최소화 할 수 있다. 따라서, 이러한 신뢰성에 대한 요 소를 설계개념에 충분히 반영되도록 하여야 할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는, 자동차 ECS 시스템의 고장사례를 사례별로 분석하고 이를 고찰하였으며, 이를 통하여 다 음과 같은 결론을 얻었다.
1) 배선 단선으로 인한 ECS 경고등 점등 고장은 프 런트 액츄에이터를 고정하는 클립(clip)의 배선을 너무 팽팽하게 고정하고 있어 이것이 반복되어 배선이 끊어 Fig. 7. Pressured wiring by battery under-tray.
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