드럼 브레이크 [drum brake]

유압 브레이크 [Hydraulic brake]의

5. 드럼 브레이크 [drum brake]

오늘은 앞 시간에 이어서 ‘유압 브레이크의’의 네 번째 시간으로 ‘드럼 브레이크’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

자동차용 드럼 브레이크는 내부 확장식이 대부분이다. 주요 구성부품은 드럼(drum), 앵커 플레이트(anchor plate), 브레이크 슈(brake shoe), 휠 실린더(wheel cylinder), 간극 조정 스크루(adjusting screw), 리턴 스프링(return spring), 그리고 주차 브레이크 스트럿(parking brake strut) 등이다.

드럼 브레이크 구성과 주요 부품

 

브레이크드럼은 휠과 함께 구동축 또는 휠 스핀들(wheel spindle)에 설치된다. 따라서 휠이 회전하면 함께 회전한다. 브레이크 슈와 확장력을 발생시키는 부품들은 앵커-플레이트에 설치된다. 그리고 앵커-플레이트는 액슬 하우징에 설치, 고정된다. 즉, 슈는 확장될 수는 있으나 회전할 수는 없는 구조로 설치되어 있다.

브레이크 페달을 밟으면 브레이크 슈는 핀 또는 캠에 의해 드럼의 내벽에 압착된다. 이때 브레이크 슈에 부착된 라이닝(lining)이 제동에 필요한 마찰력을 발생시킨다. 슈를 확장시키는데 필요한 힘은 주제동 브레이크에서는 휠 실린더에 작용하는 유압으로부터, 주차브레이크에서는 케이블이나 레버를 작용시켜 얻는다.

1) 주요 구성부품과 그 기능

① 드럼(druml)

브레이크 드럼은 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.

㉠ 고온에서의 내마모성

㉡ 변형에 대응할 수 있는 충분한, 기계적 강성(剛性)

㉢ 마찰계수가 높고, 방열성이 우수해야 한다.

재질은 대부분 특수주철, 주강, 경합금이며, 강성을 증대시키고 방열성을 개선하기 위하여 원주 방향 또는 원주와 직각 방향으로 핀(fin) 또는 리브(rib)를 갖추고 있다.

② 브레이크 슈(brake shoe)와 라이닝(brake lining)

브레이크 슈는 테이블(table)과 웨브(web)가 T형의 일체로 된 반원형이다. 테이블(table)은 드럼의 내벽과 접촉하여 마찰력을 발생시키는 라이닝(lining)이 부착되는 부분이며, 웨브(web)는 슈가 드럼에 압착될 때 슈의 곡률이 변화하지 않도록 강성(剛性)을 증대시키는 기능을 한다. 그리고 또 웨브(web)는 슈를 앵커-플레이트에 설치하기 위한 목적에, 또는 간극 조정 리턴 스프링의 설치 등의 목적에도 이용된다.

브레이크 라이닝은 내열성과 내 마멸성이 우수하고, 물이나 오일 등에 민감하지 않아야 한다. 그리고 고온에서도 마찰계수의 변화가 적어야 한다.

유기물 또는 금속에 첨가제와 접착제를 혼합한 다음, 고온, 고압 하에서 성형한 것들이 대부분이다.

③ 앵커-플레이트(anchor plate or back plate)

앵커-플레이트에는 휠 실린더(또는 브레이크 캠)와 브레이크 슈 등이 설치된다. 강판을 성형한 것으로, 제동할 때 부하되는 힘에 의해 변형되지 않도록 리브(rib)를 둔 형식도 있다.

④ 휠 실린더(wheel cylinder)

마스터 실린더에서 발생된 유압이 브레이크 파이프를 거쳐 휠 실린더 피스톤에 작용하면, 슈 작동핀(shoe actuating pin)은 슈를 드럼에 밀착시키게 된다. 휠 실린더는 앵커-플레이트에 고정되어 있으며, 최상부에 공기 빼기 스크루(air bleeder screw)가 설치되어 있다. 그리고 형식에 따라서는 간극 조정기가 부착된 것, 내경을 다르게 한 계단형 등도 있다.

계단형 휠 실린더는 리딩-슈(leading shoe)와 트레일링-슈(trailing shoe) 간의 제동력 차를 보상시키기 위해 사용한다.

⑤ 브레이크 캠(brake cam)

압축공기 브레이크를 사용하는 대형자동차에서는 휠 실린더 대신에 브레이크 캠을 작동시켜 슈를 확장시킨다. 주로 사용하는 캠은 S형 캠이다. 이 캠은 슈가 확장되는 정도에 상관없이 항상 좌/우로 일정한 지렛대 비를 유지한다. 그리고 힘의 작용 방향도 슈에 대해 항상 직각이 된다.

⑥ 주차 브레이크 레버(parking brake lever)

주차 브레이크 레버는 드럼브레이크의 슈를 기계적으로 확장시키는 데 사용된다. 즉, 유압식 또는 공압식 주제동 브레이크가 법규에서 요구하는 독립된 주차브레이크의 기능을 수행하도록 한 것이다.

주차브레이크 레버 <이미지 출처: 네이버>

 

⑦ 리턴 스프링(return spring)

1개 또는 소수의 리턴 스프링은 제동 후 브레이크 슈를 복귀시켜 규정의 공극(air gap)을 유지하기 위해서 150N~300N의 장력(수축력)을 슈 작동핀에 역으로 가한다.

스프링 장력은 제동할 때 슈와 드럼이 즉시 접촉하는 것을 방해하지 않을 만큼 작아야 하고, 반대로 제동 후에는 안전한 공극이 유지될 수 있을 만큼 커야 한다.

⑧ 공극 조정 기구(air gap adjuster)

라이닝의 마모가 진행됨에 따라 라이닝과 드럼 간의 공극(또는 간극)이 커지게 된다. 드럼과 라이닝의 공극이 커지면 브레이크페달 유격이 커지게 된다. 따라서 수동 또는 자동식 공극 조정 기구를 갖추고 있어야 한다.

수동 조정 방식은 앵커-플레이트에 설치된 편심 캠이나 스크루를 좌/우로 돌려 공극을 조정하는 형식이 대부분이다.

자동식 공극 조정 기구는 항상 일정한 공극을 유지한다. 일반적으로 주차브레이크를 걸거나 후진할 때 주제동 브레이크를 작동시키면 자동적으로 공극이 조정되는 형식이 많이 사용된다.

아래 그림은 주차 브레이크용 스트럿(strut)에 설치된 자동식 공극 조정 기구이다. 스트럿은 조정 파이프, 조정 피니언, 그리고 조정 볼트로 구성되어 있다. 작동원리는 다음과 같다.

자동식 공극 조정 기구 <이미지 출처: 네이버>

 

리딩-슈에 설치된 조정 레버는 조정 스프링에 의해 일정한 초기 장력이 부하되어 있다. 따라서 한 쪽 선단은 스트럿과 그 반대편 선단은 조정 피니언의 기어이 사이에 끼워진다. 주제동 브레이크가 작동될 때, 브레이크 슈는 확장된다. 그러면 조정 레버는 조정 스프링에 의해 아래쪽으로 잡아 당겨진다. 이때 조정 피니언의 기어이 사이에 끼어있던 부분(레버의)이 조정 피니언의 기어이를 회전시키면서 빠져나오게 된다. 조정 피니언이 회전하면 스트럿의 길이는 길어지게 되고, 공극은 자동적으로 조정되게 된다.

브레이크를 해제시키면 조정 레버는 스트럿에 의해(스트럿에는 리턴 스프링의 장력이 작용한다.) 다시 조정 피니언의 기어이 사이에 끼워지게 된다. 조정 피니언의 기어이 사이의 간극은 공극과 같다.

라이닝이 마모되어 드럼과 라이닝의 간극이 증대되면 조정 피니언은 조정 레버가 다시 복귀할 때, 피니언 기어이 하나를 건너서 끼워질 만큼 회전되게 된다.

2) 자기작동작용과 브레이크계수

① 자기 작동 작용(self-energizing action)

드럼 브레이크의 가장 중요한 특징은 자기 작동 작용이다. 회전 중인 드럼을 제동시키면 회전 방향으로 확장되는 슈에는 마찰력에 의해 드럼과 함께 회전하려는 회전 토크가 추가로 발생되어 확장력을 증대시키게 된다. 확장력이 증대되면 결국은 마찰력이 증대되는 결과가 된다. 즉, 휠 실린더로부터 공급된 확장력에 의한 마찰력보다 실제로 발생된 마찰력이 크다. 이와 같은 작용을 자기 작동 작용이라 한다. 리딩 슈(leading shoe)

회전 반대 방향으로 확장되는 슈에는 마찰력에 의해 드럼으로부터 분리시키려는 힘이 작용하므로 확장력이 감소하게 된다. 트레일링 슈(trailing shoe)

② 브레이크 계수(brake factor)

자기 작동의 크기를 브레이크 계수(brake factor)로 표시한다. 브레이크 계수를 슈 계수(shoe factor)라고도 한다. 브레이크 계수는 슈의 배치방식, 마찰계수 등에 따라 차이가 있다.

3) 슈(shoe) 설치방식과 브레이크 계수의 상관관계

① 리딩-슈(leading shoe)와 트레일링-슈(trailing shoe)

자기 작동을 하는 슈를 리딩-슈(leading shoe : auflaufende Bremsbacke), 자기 작동을 하지 않는 슈를 트레일링-슈(trailing shoe : ablaufende Bremsbacke)라고 한다. 또 전진할 때에만 자기 작동을 하는 슈를 전진 슈(forward acting shoe), 후진할 때만 자기 작동을 하는 슈를 후진 슈(reverse acting shoe)라 한다.

2개의 슈가 모두 자기 작동을 하는 경우, 먼저 자기작동을 하는 슈를 1차 슈, 나중에 자기 작동을 하는 슈를 2차 슈라고 한다.

② 슈 설치 방식에 따른 드럼 브레이크의 종류

슈 설치 방식에 따라 드럼 브레이크를 분류하면 다음과 같다.

㉠ 심플렉스(simplex) 브레이크

㉡ 듀플렉스(duplex) 브레이크

㉢ 듀오 듀플렉스(duo-duplex) 브레이크

㉣ 서보(servo) 브레이크

㉤ 듀오 서보(duo-servo) 브레이크

4) 드럼 브레이크의 특성

드럼 브레이크와 디스크 브레이크의 특성 비교

 

[참고] 페이드(fade) 현상

긴 언덕길을 내려갈 때 계속해서 브레이크를 사용하면, 드럼과 슈 사이의 마찰열이 축적되어 제동력이 감소하게 된다. 이와 같은 현상을 브레이크 페이드(brake fade)라고 한다. 주 원인은 축적된 마찰열에 의해 드럼과 라이닝 간의 마찰계수가 감소하고, 동시에 드럼이 변형되어 드럼의 내경이 커지기 때문이다. 특히 브레이크 계수가 큰 형식에서는 이 현상에 의한 마찰계수의 감소가 크게 나타난다.

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