자동차 유압 브레이크 [Hydraulic brake] 이해하기

유압 브레이크 [Hydraulic brake]

유압 브레이크가 발명되기 전에는 다양한 브레이크 시스템으로 레버 및 패드 시스템이 사용되었다. 하지만 모든 바퀴가 동일한 제동 능력을 갖기 위해 레버 및 패드를 정기적으로 조정해야 하는 문제점이 있었다. 이를 개선하여 1918년 말콤 로히드가 발명한 유압 브레이크는 이 문제를 해결하였으며 훨씬 더 섬세하게 반응하는 제동 능력을 제공하였다.

유압 브레이크는 브레이크 페달과 브레이크 패드 자체에 연결된 일련의 피스톤으로 작동된다. 이러한 피스톤들은 비압축성 액체(초기에는 물과 알코올의 혼합물이었음)의 중앙 저장소에 의해 상호 연결된다. 피스톤 직경의 차이는 시스템 내의 동일한 압력이 브레이크 페달에 적용되는 힘과 관련된다. 즉, 피스톤 직경이 크면 브레이크 페달에 적용되는 힘이 커진다. 이로 인해 브레이크가 훨씬 더 단단히 작동하므로 자동차가 더 빨리 정지할 수 있었다.

1. 제동(브레이크) 장치 일반 https://bch4518.tistory.com/38  2. 유압 브레이크 https://bch4518.tistory.com/39  3. 기계식 브레이크 https://bch4518.tistory.com/45  4. 브레이크 배력 장치 https://bch4518.tistory.com/46  5. 제동력 제한 밸브와 제동력 조절밸브 https://bch4518.tistory.com/49  6. 전자제어 시스템 개요 https://bch4518.tistory.com/51  7. 압축공기(에어) 브레이크 https://bch4518.tistory.com/60  8. 전자제어 압축공기 브레이크 시스템 https://bch4518.tistory.com/62  9. 제3브레이크 https://bch4518.tistory.com/63

1. 유압 브레이크의 기본 구조

마스터 실린더(master cylinder)에 부가된 배력 장치(booster)는 페달 답력을 배가시켜 충분한 제동력이 발생되도록 한다. 그리고 제동안정성을 개선하기 위해, 일부 브레이크 회로에는 제동력 조절기(braking force regulator)를 설치하기도 한다.

승용 자동차의 휠 브레이크는 일반적으로 앞 차축에는 디스크 브레이크(disc brake), 뒤 차축에는 드럼 브레이크(drum brake) 또는 요즘엔 대부분의 차종이 앞뒤 디스크 브레이크를 사용하고 있다. 반면에 대형 화물자동차에는 대부분 모든 차륜에 드럼 브레이크를 사용한다.

유압 브레이크의 기본구조 [출처: 네이버]

제동장치의 안정성을 높이기 위해, 오늘날 대부분의 자동차들은 탠덤(tandem) 마스터 실린더를 이용하는, 2-회로 브레이크(2-circuit brake)를 사용한다. 한 회로가 고장일 경우에도 나머지 한 회로에 의해 자동차는 제동된다.

2. 유압 브레이크의 작동원리

유압 브레이크는 파스칼 원리(Pascal’s principle)를 응용한 장치이다. 완전히 밀폐된 액체에 작용하는 압력은 어느 점에서나, 어느 방향에서나 일정하다.

브레이크페달을 밟으면 운전자의 답력은 마스터실린더의 피스톤을 거쳐, 마스터 실린더 내의 밀폐된 브레이크액에 즉시 전달된다. 이 힘에 의해 마스터 실린더 내의 브레이크액에는 압력이 생성된다. 이 압력은 파스칼 원리에 따라 브레이크 파이프를 거쳐 각 휠 실린더에, 그리고 다시 휠 실린더(또는 캘리퍼) 피스톤에 전달된다. 휠 실린더(캘리퍼) 피스톤에 전달된 압력은 다시 브레이크 슈(shoe)(또는 패드(pad))를 작용시키는 확장력(또는 압착력)으로 변환된다.

액체를 이용하여 힘을 전달할 경우, 힘의 증폭이 용이하다. 유압 브레이크는 고압으로 작동되므로 제동장치 구성부품의 크기, 예를 들면 휠 실린더의 직경이 작아도 큰 힘을 얻을 수 있다.

또 브레이크액은 비압축성이므로 공극(air gap)이 작다면, 적은 유량으로도 여러 개의 휠 실린더를 동시에 작동시킬 수 있다. 즉, 브레이크페달을 밟으면 회로 압력은 급속히 상승하고, 이 압력에 의해 각 휠 실린더의 피스톤도 즉시 작동하여 각 차륜에 제동력을 발생시키게 된다.

 출처: 두피디아

3. 브레이크 회로 배관 방식

자동차는 안전상의 이유 때문에 2-회로 브레이크를 사용한다. 회로 배관 방식은 다양하지만, 대체적으로 많이 사용하는 형식은 다음과 같다.

1) 앞/뒤 차축 분배식(front/rear axle split)

앞 차축과 뒤 차축의 브레이크 회로가 각각 독립되어 있다. 예를 들면 앞 차축 회로가 고장일 경우에도 뒤 차축 회로는 제동능력을 유지한다. 물론 그 반대도 성립한다.

이 방식에 계단식 탠덤 마스터 실린더를 사용하면 뒤 차축의 제동력 조절밸브를 생략할 수 있으며, 또 한 회로가 고장일 경우에도 페달 답력을 증가시키지 않고도 나머지 한 회로의 유압을 증가시킬 수 있다.

이 방식은 모든 차륜이 드럼 또는 디스크 브레이크일 경우, 그리고 앞 차축에 디스크 브레이크, 뒤 차축에 드럼브레이크가 설치된 경우에 사용할 수 있다. 제동력의 배분은 앞 차축에 60~70%, 뒤 차축에 30~40% 범위가 대부분이다. 대형차량에 많이 사용한다.

2) X-형 배관 방식(diagonal split)

앞바퀴와 뒷바퀴를 각기 하나씩 X자형으로 연결한 방식이다. 전륜구동방식(FF) 자동차에서 부의 킹핀 오프셋(negative kingpin offset)인 경우, 주로 이 방식을 사용한다. 회로 당 제동력 배분은 50% : 50%가 된다.

3) 4-2 배관방식(front axle and rear axle)

잘 사용되자 않는 방식으로 한 회로는 모든 차륜과 연결하고, 나머지 한 회로는 앞 차축 좌/우 차륜에만 배관한 형식이다. 한 회로가 파손되었을 때 제동력 분배차가 크다. 제동력 배분은 예를 들면 35% : 65%가 된다.

4) 3각 배관 방식(front axle and rear wheel)

앞 차축 좌/우 차륜과 뒤 차축의 어느 한쪽 차륜을 연결한 형식이다. 한 회로가 고장일 경우에 최소한 50%의 제동력을 유지할 수 있으며, 앞 차축 좌/우 차륜에는 항상 균일한 제동력이 작용한다.

5) 4-4 배관 방식(all wheel/all wheel split)

회로마다 각각 모든 차륜을 연결한 형식으로서, 각 차륜에 2개의 브레이크 회로가 독립적으로 갖추어져 있다. 이상적이지만 고가(高價)이기에 아주 고급차가 아니면 사용하지 않는다. 제동력 배분은 50% : 50%이다. 한 회로가 파손되더라도 나머지 회로에는 최소한 50%의 제동력이 전/후, 좌/우 차륜에 균일하게 배분된다.

 

이상으로 이번 시간에는 제동 장치 두 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에 ‘유압 브레이크’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 제동장치 세 번째 시간으로 ‘유압 브레이크의’ 나머지 부분을 이어서 알아보도록 하겠습니다. 제동 장치의 이해로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.