마스터 실린더 [master cylinder]

유압 브레이크[Hydraulic brake]의

4. 마스터 실린더 [master cylinder]

마스터실린더의 기능은 다음과 같다.

① 각 브레이크회로에 압력을 형성한다.

② 온도차에 의한 브레이크액의 체적변화 및 패드의 마모에 의한 공극(air gap)을 보상한다.

③ 브레이크 작동을 급속히 해제시키기 위해, 회로압력을 신속하게 소멸시킨다.

유압브레이크 <이미지 출처: 두피디아>

1) 마스터실린더의 기본구조

탠덤(tandem) 마스터 실린더는 2개의 싱글 마스터 실린더를 연이어 접속시킨 형식이다. 즉, 1개의 실린더 내에 2개의 피스톤이 들어 있다. 운전자의 제동력이 전달되는 순서에 따라 즉, 페달 쪽 피스톤을 1차 피스톤, 안쪽에 들어 있는 피스톤을 2차 피스톤이라 한다. 1, 2차 피스톤은 모두 복동식이다. 그리고 각 피스톤의 전/후 컵씰(cup seal) 사이는 원통형의 밀폐된 공간으로서, 보충실(replenishing chamber)의 역할을 한다.

탠덤 마스터 실린더의 기본 구조 <이미지출처: 네이버>

 

각 피스톤에 설치된 고무제의 컵씰(cup seal)은 피스톤과는 반대로 앞쪽의 것을 1차 컵씰(primary cup seal), 뒤쪽의 것을 2차 컵씰(secondary cup seal)이라 한다.

제동할 때 1차 컵씰이 보상공(compensating port)을 지나면, 각 회로의 압력실은 곧바로 밀폐되고, 회로 압력이 형성되게 된다. 이때 필러 디스크(filler disk)는 1차 컵씰이 피스톤에 뚫린 보충 통로로 밀려드는 것을 방지한다.

1차 피스톤(페달쪽)에 설치된 2차 컵씰과 진공 컵씰은 설치방향이 서로 반대이다. 2차 컵씰은 유압측 누설을 방지하고, 진공 컵씰은 진공(배력장치) 측로부터의 진공유입을 방지한다.

2차 피스톤(안쪽 피스톤)에 설치된 2차 컵씰과 분리 컵씰(cup)도 설치방향이 서로 반대이다. 1차 컵씰과 같은 방향으로 설치된 2차 컵씰은 보충실의 기밀을 유지하고, 1차 컵씰과 반대방향으로 설치된 분리(고압) 컵씰은 다른 회로의 압력실을 형성한다. 즉, 두 회로를 완전히 분리시키는 기능을 한다.

1차 피스톤과 2차 피스톤은 스프링을 사이에 두고 연결 볼트에 의해 연결되어 있다. 즉, 1차적으로 강체연결과 같다. 따라서 1차 피스톤과 2차 피스톤 사이에는 항상 일정한 간격이 유지된다.

2) 마스터실린더의 작동원리

① 초기 위치(release position)

피스톤은 각각 스프링에 의해 스토퍼에 밀착되어 있다. 이때 각 1차 컵씰들은 각각 자신의 보상공을 막지 않아야 한다. 따라서 2개의 압력실은 모두 각각의 보상공을 통해 브레이크액 저장탱크와 연결되어 있다. 브레이크액 저장탱크와 압력실 사이에 브레이크액의 유동이 가능하므로, 브레이크액의 가열 또는 냉각에 의한 체적 보상이 자연스럽게 이루어진다.

1차 컵씰의 초기 위치 설정이 잘못되었거나, 또는 오염에 의해 보상 공이 막히면, 체적 보상작용이 이루어질 수 없게 된다. 이 경우 브레이크액이 가열, 팽창되면 브레이크페달을 밟지 않은 상태에서도 제동 현상이 나타날 수 있다.

② 제동 중

브레이크페달을 밟으면 먼저 1차 피스톤이 밀려간다. 그러면 1, 2차 피스톤 사이에 압착된 상태의 스프링은 1차 피스톤의 운동을 곧바로 2차 피스톤에 전달한다. 따라서 2개의 피스톤 각각에 설치된 1차 컵씰은 동시에 각각의 보상공을 지나, 압력실을 밀폐시킨다. 그러면 2개의 제동 회로에는 동시에 제동 압력이 형성된다.

③ 리턴(return) 시

브레이크페달에서 급격히 발을 떼면, 스프링은 피스톤을 초기 위치로 급속히 다시 복귀시킨다. 그러므로 이때 압력실 내부는 순간적으로 부압 상태가 된다. 그러면 1차 컵씰은 휘어지고, 1차 컵씰 뒤쪽에 설치된 필러 디스크도 약간 휘어지게 된다. 그러면 피스톤에 뚫린 보충 통로를 통해 보충실의 브레이크액이 압력 실로 밀려들어 가게 된다. 따라서 브레이크는 급속히 풀리고, 동시에 휠 실린더를 통해 유압회로에 공기가 유입되는 흡인 작용을 방지할 수 있다.

④ 회로 1이 파손되었을 때

회로 1이 파손된 상태에서 제동하면, 1차 피스톤은 연결 볼트가 2차 피스톤에 밀착될 때까지 밀려가게 된다. 페달 거리는 길어지지만 물리적인 페달 답력은 직접 2차 피스톤에 작용하여 정상적으로 작동하는 회로 2에 제동력을 발생시키게 된다.

⑤ 회로 2가 파손되었을 때

회로 2가 파손된 상태에서 제동시키면, 먼저 2차 피스톤이 스토퍼에 밀착될 때까지 2개의 피스톤은 그냥 밀려간다. 2차 피스톤이 스토퍼에 접촉, 정지되면 그때부터 정상적인 1차 피스톤 회로에 압력이 형성되게 된다. 페달 거리는 역시 길어진다.

3) 계단식 탠덤 마스터 실린더(stepped tandem master cylinder)

이 형식의 특징은 2차 피스톤의 직경이 1차 피스톤의 직경보다 작다는 점이다. 앞/뒤 차축으로 분리된 브레이크 회로를 채용한 자동차에 사용된다. 뒤차축 유압회로는 직경이 작은 2차 피스톤에 의해 작동된다. 두 회로가 모두 정상일 경우에는 두 회로의 유압은 서로 같다.

앞차축 브레이크 회로가 파손되었을 경우에는 2차 피스톤에 직접 운전자의 물리적인 힘(페달 답력)이 작용하게 된다. 그러면 피스톤 단위면적에 작용하는 힘은 정상일 때보다 증가하게 된다. 따라서 뒤차축 브레이크 회로의 유압은 증가하게 된다.

뒤차축 브레이크 회로가 파손되었을 경우에는 페달 답력이 두 피스톤의 단면적 차이에 해당하는 면적에 작용하는 결과가 된다. 따라서 정상상태인 앞차축 회로의 유압은 증가하게 된다.

결과적으로 한 회로가 파손되면, 나머지 정상상태의 한 회로의 압력이 증가하므로 제동력 부족을 보완할 수 있다는 점이 특징이다.

4) 센트럴 밸브식 탠덤 마스터 실린더(tandem master cylinder with central valve)

ABS(anti-lock brake system)가 장착된 자동차에 사용하며, 보상공(compensation port)의 기능을 피스톤에 설치된 센트럴 밸브가 대신한다. 센트럴 밸브는 일반 탠덤 마스터 실린더는 물론 계단식 탠덤 마스터 실린더에도 설치할 수 있다. 2차 피스톤에만 센트럴 밸브를 설치하는 형식이 대부분이다.

2차 피스톤에는 세로방향으로 길게 슬릿(slit)이 가공되어 있고, 슬릿이 끝나는 점은 센트럴 밸브가 설치되는 통로와 연결되어 있다. 그리고 슬릿에는 실린더 핀이 끼워지고 이 핀은 마스터 실린더에 고정되어 있다. 따라서 피스톤은 실린더에 구속되어 있다. 또 실린더 핀은 센트럴 밸브의 스토퍼로서도 기능한다. 즉, 센트럴 밸브가 실린더 핀에 접촉하면 센트럴 밸브는 열린다.

① 초기(rest) 위치

피스톤 스프링은 1, 2차 피스톤을 각각의 스톱에 대항하여 장력을 가하고 있다. 1차 피스톤의 1차 컵씰은 보상공을 가리지 않는 위치에 있고, 2차 피스톤은 스톱-핀의 전방에 위치해 있다. 따라서 센트럴 밸브는 스톱-핀에 의해 열려 있기 때문에 2차 피스톤을 통한 체적 보상작용은 원활하게 이루어진다. 즉, 마스터 실린더 내의 두 압력실은 브레이크액 탱크와 연결되어 있다. 예를 들면 온도차에 의한 브레이크액의 체적팽창은 보상된다. 1차 피스톤의 초기 위치가 틀리거나 또는 오염에 의해 보상공이 막히면, 브레이크액의 보상작용은 보장되지 않는다.

② 제동(braking)

브레이크페달을 밟을 때, 1차 피스톤의 1차 컵씰이 보상공을 지나면 1차 피스톤 회로에 압력이 형성되고, 이어서 2차 피스톤의 센트럴 밸브가 스톱핀으로부터 밀려나 닫히게 된다. 그러면 2차 피스톤 회로에도 압력이 형성되게 된다.

③ 복귀 과정(releasing the brake)

브레이크 페달에서 발을 떼면, 유압과 피스톤 스프링의 장력에 의해 피스톤들은 뒤로 밀려나게 된다. 이때 1차 피스톤의 1차 컵씰은 브레이크액 탱크로부터 브레이크액이 1차 피스톤 회로로 밀려들어오게 한다. 2차 피스톤은 초기 위치로 복귀하게 된다. 그러면 2차 피스톤에 설치된 센트럴 밸브가 스톱-핀에 의해 열린다. 압력은 낮아지고 브레이크의 제동은 풀리게 된다.

5) 잔압 밸브(residual check valve : Vordruckventil)

드럼브레이크의 휠 실린더에 컵씰(cup seal)이 사용될 경우에는 브레이크 회로에 잔압 밸브를 필요로 한다. 잔압 밸브는 초기 상태(release) 즉, 브레이크페달을 밟지 않은 상태에서도 회로 압력을 약 0.4bar에서 1.7bar 정도로 유지하는 역할을 한다. 따라서 컵씰(cup seal)은 적당한 압력으로 휠 실린더 벽에 밀착되어, 공기의 유입을 방지한다.

오늘날은 대부분 피스톤 씰(piston seal) 또는 익스팬더(expander) 식 컵씰을 사용하므로, 잔압을 유지시킬 필요가 없다. 따라서 잔압 밸브가 생략되고, 대신 그 위치는 스로틀(throttle)로 처리된다. 스로틀(throttle)은 브레이크를 급속히 해제시킬 때 공기가 유입되는 것을 방지하고, 또 브레이크페달을 이용한 공기 빼기 작업을 가능하게 한다.

잔압 밸브는 하나의 복동식 밸브이다. 제동할 때 유압은 약한 스프링 장력에 의해 밸브시트에 밀착되어 있는 볼(또는 원추형) 밸브를 밀어낸다. 그러면 마스터 실린더에서 생성된 유압은 휠 실린더에 전달되게 된다.

브레이크페달에서 발을 떼면 마스터 실린더의 유압은 급속히 소멸된다. 그러나 브레이크 파이프 내의 압력은 상대적으로 높다. 그러므로 브레이크 회로 압력에 의해 베이스 밸브(base valve)가 열리게 된다. 베이스 밸브는 회로 압력이 잔압 수준으로 낮아질 때까지 열려있게 된다. 스프링 장력과 회로 압력이 같아지면 베이스 밸브는 닫히고, 회로 압력은 그 수준을 그대로 유지하게 된다.

잔압 밸브는 브레이크 파이프 또는 마스터 실린더와 브레이크 파이프의 연결부에 조립할 수 있다. 종전에는 대부분 마스터 실린더 내에 잔압 밸브를 설치하였다.

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