디스크 브레이크 [disc brake]

유압 브레이크 [Hydraulic brake]의

6. 디스크 브레이크 [disc brake]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘유압 브레이크의’의 다섯 번째 시간으로 ‘디스크 브레이크’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

디스크 브레이크는 회전하는 원판형의 디스크(disc)에 패드(pad)를 밀착시켜, 제동력을 발생시킨다. 휠 허브(hub)와 함께 회전하는 디스크, 디스크에 밀착되어 마찰력을 발생시키는 패드, 유압이 작용하는 피스톤, 피스톤이 설치되는 캘리퍼(caliper) 등으로 구성된다.

디스크 브레이크의 특성은 다음과 같다.

① 방열성이 양호하므로, 페이드(fade) 경향성이 낮다.

패드 면적이 작고, 압착력이 크기 때문에 국부적으로 고온이 되기 쉬우나 방열성이 좋기 때문에 페이드 현상이 거의 발생하지 않는다.

② 자기 작동 작용(서보 작용)을 하지 못한다.

마찰면이 평면이므로 자기 작동 작용을 하지 못한다. 따라서 압착력이 커야 하므로, 드럼 브레이크에 비해 휠 실린더 피스톤의 직경(약 40~50mm)이 크며, 대부분 배력 장치를 사용한다.

③ 편제동현상이 없다.

자기 작동 작용이 없고, 마찰계수의 변화가 적기 때문에 제동력 편차가 발생하지 않는다.

④ 패드의 마모가 빠르지만, 패드 교환이 용이하다.

⑤ 공극이 자동적으로 조정된다.

⑥ 전/후진 즉, 주행 방향에 상관없이 제동 작용이 균일하다.

⑦ 자기 청소 작용이 양호하다.(원심력에 의해)

⑧ 외부물질에 의한 오염에 민감하다.(예 : 빗물에 젖으면 마찰계수가 크게 감소한다.)

⑨ 주차브레이크가 복잡하다.

패드는 약 750℃ 정도, 순간적으로는 약 950℃까지의 열부하에 견딜 수 있어야 하며, 마찰계수는 약 0.25~0.5 정도가 대부분이다.

디스크 브레이크는 일반적으로 캘리퍼의 운동 여부에 따라 고정 캘리퍼(fixed caliper) 형식과, 부동 캘리퍼(floating caliper) 형식으로 분류할 수 있다.

1) 디스크 브레이크의 종류와 그 구조

① 고정 캘리퍼 형식(fixed caliper type)

집게 모양의 고정 캘리퍼는 말 그대로 현가에 고정되어 있다. 고정 캘리퍼에 들어있는 피스톤이 디스크의 양쪽에서 패드를 디스크에 밀착시켜 제동한다.

피스톤은 캘리퍼의 한쪽에 1개씩, 또는 2개씩 설치되어 있다.

2개씩 설치된 경우에는 패드와 디스크의 접촉면적을 크게 할 수 있으며, 패드 압착력도 크게 할 수 있다. 그리고 브레이크 회로를 이상적(4×4방식)으로 설계할 수 있다.

그러나 고정 캘리퍼 형은 다른 형식에 비해 상대적으로 무겁고, 패드의 단면적도 작다.

고정 캘리퍼 형 디스크 브레이크 – 2실린더형과 4실린더형 <이미지 출처: 네이버>

 

② 부동 캘리퍼 형(floating-caliper disc brake)

캘리퍼 피스톤을 캘리퍼의 한쪽에만 설치한다. 제동할 때는 피스톤이 패드를 압착하고, 그 반력에 의해 캘리퍼가 이동하여 반대편 패드도 디스크에 압착, 제동한다.

주요 구성부품은 부동-캘리퍼와 브래킷(bracket)이며, 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

㉠ 부품 수가 적고, 가볍다.

㉡ 설치 공간을 작게 차지한다.

㉢ 고정 캘리퍼 형에 비해 패드의 단면적이 크다. 설치 공간을 작게 차지하는 대신에 패드의 단면적은 크기 때문에 패드의 마모가 적다.

㉣ 브레이크액의 온도 상승폭이 적다. 차륜 측의 캘리퍼 피스톤이 생략되어 열의 축적이 적고, 패드에서의 발열도 적다.

㉤ 캘리퍼를 정비할 필요가 없기 때문에, 먼지나 오염물질에 민감하지 않다.

브래킷은 휠 서스펜션에 설치, 고정되고, 캘리퍼는 브래킷에 설치된다. 캘리퍼를 브래킷에 설치할 때 사용하는 가이드(guide) 형식에는 여러 가지가 있다.

㉠ 가이드 티스(guide teeth)

㉡ 가이드 핀(guide pin)

㉢ 가이드 티스와 가이드 핀을 함께 사용

㉣ 가이드 핀과 접이식(retractable) 캘리퍼를 함께 사용

③ 부동-캘리퍼 형 디스크 브레이크(가이드 티스 식)

브래킷의 양쪽에는 각각 2개의 이(tooth)가 있다. 캘리퍼는 반원형(semi-circular)의 그루브를 통해 브래킷의 가이드 티스에 미끄럼 운동이 가능한 구조로 설치된다. 가이드 스프링이 캘리퍼를 브래킷의 가이드 티스에 누르고 있기 때문에 캘리퍼가 달그락거리는 소음은 발생하지 않는다.

이 형식에서는 안쪽 패드는 가이드 티스가 직접 지지하고 있으며, 차륜 측 패드는 외주에 작용하는 힘(peripheral force)에 의해 캘리퍼에 대항하여 지지된다.

④ 부동-캘리퍼 형 디스크 브레이크(가이드 핀 식)

캘리퍼는 가이드 핀(guide pin)에 의해 캘리퍼 서포트(support)에 설치된다. 즉, 캘리퍼는 캘리퍼 서포트에 고정된 가이드 핀 위에서 좌/우로 섭동할 수 있다. 그리고 가이드 핀은 먼지나 오물이 유입될 수 없는 구조이기 때문에 캘리퍼의 운동은 자유롭다.

제동할 때에는 피스톤이 패드를 압착하고, 또 그 반력으로 캘리퍼가 미끄럼 운동을 하여 반대쪽 패드도 똑같은 힘으로 디스크에 압착시켜, 제동한다.

패드는 2개 모두 캘리퍼에 의해 지지된다. 브레이크 페달로부터 발을 떼면, 씰 링의 복귀력과 익스팬더 스프링의 장력에 의해 공극이 확보된다.

2) 디스크 브레이크에서의 간극 자동 조정 과정

캘리퍼 실린더에는 씰 링(seal ring)이 설치되는 그루브(groove)가 가공되어 있다. 씰 링의 내경이 피스톤의 외경보다 약간 작기 때문에 씰 링은 어느 정도 장력이 주어진 상태로 피스톤에 꽉 끼어 있다.

브레이크페달을 밟으면 피스톤은 밖으로 밀려나가게 된다. 이때 씰 링에는 자신의 접촉 마찰력과 피스톤의 운동에 의해 탄성 장력이 발생하게 된다. 씰 링에 저장된 이 탄성 장력은 브레이크페달에서 발을 뗄 때, 피스톤을 원래의 위치로 복귀시키는 작용을 한다. 그러나 이 복귀 작용은 브레이크 회로 압력이 완전히 소멸되었을 때만 가능하게 된다. 따라서 드럼 브레이크에서는 필요한 잔압이 디스크 브레이크에서는 필요가 없다.

익스팬더 스프링은 패드와 피스톤이 항상 접촉 상태를 유지하도록 하여, 제동할 때는 충격음이 발생되지 않도록 하고, 주행 중에는 패드가 딸그락거리는 소음을 방지한다. 아울러 익스팬더 스프링은 패드를 피스톤에 밀착시킴으로서 회로 압력이 소멸될 때, 피스톤이 원래의 위치로 복귀하는 것을 돕는다.

피스톤이 자신의 초기 위치로 복귀한 다음, 디스크와 패드 사이의 간극을 공극(air gap)이라 한다. 공극은 0.15mm 정도인데, 이 값은 디스크의 허용 런-아웃(run-out) 0.2mm보다 작다. 런-아웃이 공극보다 클 경우에는 디스크와 패드 사이에 약간의 잔류 마찰(residual friction)이 발생할 수 있다. 그러나 회로 압력이 완전히 소멸된 상태라면 디스크가 자유롭게 회전하는데 지장이 없다. 그 이유는 디스크 브레이크는 대부분 자기 작동 작용이 없고, 또 회로 내에 잔압도 존재하지 않기 때문이다.

3) 브레이크 디스크(disc)

디스크의 형상은 원판형이며, 대부분 약간의 크롬 및 몰리브덴을 첨가한 주철(GG15~25), 가단 주철 또는 주강으로 제작한다. 내마모성 및 내 균열성이 우수하다. 탄소의 함량이 높아짐에 따라 열 방출 속도가 높아진다.

 

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