브레이크 제동력 제한밸브와 제동력 조절밸브

제동 장치의

제동력 제한밸브와 제동력 조절밸브 [ Braking force limiters and braking force regulators]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열한 번째 시간으로 ‘브레이크 제동력 제한밸브와 조절밸브’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

직진 주행 중 제동하면 앞축중(front-axle load)은 증가하고 뒤축중은 감소한다. 커브 선회중 제동하면 추가적으로 커브 바깥쪽 바퀴의 윤중(wheel load)은 증가하고, 안쪽 바퀴의 윤중은 감소한다.

제동할 때의 축중 전위현상은 제동감속도, 적재 중량, 그리고 축중 분포상태와 무게중심의 위치 등의 영향을 크게 받는다.

대부분의 자동차들은 중(中)-부하(load)와 중간 정도의 제동감속도에서 최적의 제동상태가 되도록 설계된다. 따라서 중간값을 기준하여 편차가 크면, 제동할 때 차륜이 잠길(lock) 수 있다.

앞바퀴가 잠기면 조향성이 불량해지고, 뒷바퀴가 잠기면 직진성이 상실된다. 따라서 제동 중 차륜이 잠기는 것을 방지할 목적으로 제동력을 제한하거나 조절한다.

제동력 제한밸브나 조절밸브는 압력 변환점을 제어하는 메커니즘에 따라 P-밸브 또는 G-밸브라고도 한다. P-밸브는 유압을, G-밸브는 중력을 제어 메커니즘으로 이용한다는 점이 서로 다를 뿐이다. 용도와 기능상의 차이점은 거의 없다.

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1. 제동압력곡선

제동 압력 곡선에서 보면, 제동 초기에는 앞바퀴 회로와 뒷바퀴 회로의 제동 압력이 거의 같은 비율로 상승한다. 그러나 일정 압력에 이르러서는 뒷바퀴 회로의 압력은 완만하게 상승하나, 앞바퀴 회로의 압력은 계속 상승하여야 이상적임을 알 수 있다. 즉, 제동 중 어느 시점에서부터는 앞바퀴의 제동력과 비교할 때, 뒷바퀴의 제동력을 상대적으로 제한하여야 한다. 이는 뒷바퀴가 잠기는(lock) 것을 방지하기 위해서이다.

이상적인 제동력 분포   FBH : 뒤차축 제동력  FBV : 앞차축 제동력  G : 축중 <이미지 출처: 네이버>

2. 제동력 제한밸브 [ braking force limiter]

이 밸브는 전/후 브레이크 회로를 사용하는 자동차에서 마스터 실린더와 뒷바퀴 브레이크 회로 사이에 설치된다.

제한 압력에 도달할 때까지 입구와 출구의 압력은 같다. 제한 압력 이상으로 회로 압력이 증가하면 뒷바퀴 브레이크 회로의 압력을 설정 수준으로 일정하게 유지한다.

작동원리는 다음과 같다.

브레이크 마스터 실린더로부터의 유압은 입구로부터 챔버, 밸브, 챔버, 그리고 출구를 순차적으로 거쳐 뒷바퀴 휠 브레이크에 작용한다.

밸브의 상단면에 작용하는 유압이 스프링의 장력보다 커지면 플런저는 스프링를 밸브가 닫힐 때까지 압축하게 된다. 밸브가 닫히면 챔버와 챔버 사이는 차단된다. 이때부터 밸브는 챔버 내의 압력이 강하하기 이전에는 스프링의 힘에 의해서만은 열리지 않는다. (챔버 안의 압력강하는 드럼의 팽창 또는 패드의 마모에 의해 가능하다.)

그러나 브레이크 마스터 실린더의 유압이 컷아웃 압력보다 낮아지면 밸브는 다시 열린다.

<이미지 출처: 네이버>

3. 제동력 조절밸브 [ braking force regulator]

이 밸브는 회로 압력을 이상 곡선에 근접시켜 제어하는 것을 목표로 한다. 즉, 제동 중 회로 압력이 일정 수준에 도달한 다음부터는 앞바퀴 회로의 압력과 비교할 때, 뒷바퀴 회로의 압력의 증가율이 둔화되도록 한다. 그러나 앞바퀴 회로 가 파손되었을 경우에는 마스터 실린더의 유압이 뒷바퀴 회로에 그대로 작용되도록 한다.

1) 작동개시 위치(starting position)

디퍼렌셜 피스톤은 압축스프링에 의해 내벽에 밀착되어 있고, 밸브는 열려 있다. 셧오프-피스톤은 스프링에 의해 밸브시트에 밀착되어 있다.

제동 초기에 브레이크 회로의 회로 압력은 입구, 채널, 출구을 거쳐 직접 뒷바퀴 브레이크에 작용한다.

2) 압력 상승(pressure build-up)

앞바퀴 회로의 회로 압력은 연결 구로 유입되어 셧오프-피스톤의 페이스에 계속적으로 작용한다. 셧오프-피스톤는 압축스프링의 장력을 극복하고 밸브시트에 밀착된다. 이렇게 되면 채널과 출구 사이는 차단되고, 채널과 출구가 연결된다. 즉, 피스톤이 입구로부터 디퍼렌셜-피스톤, 채널를 거쳐서 출구에 이르는 직접적인 통로가 개설된다.

3) 압력 절환(changeover pressure) 위치

마스터실 린더의 유압이 증가함에 따라, 뒷바퀴 회로의 압력도 증가하여 마침내 절환 압력에 도달한다. 절환 압력에 도달하기 직전에 디퍼렌셜-피스톤은 스프링에 의해 부하된 밸브가 닫힐 때까지 스프링에 대항하여 왼쪽으로 이동한다.

이제 챔버의 압력은 디퍼렌셜-피스톤의 전체 단면적에 작용, 스프링의 장력에 대항하여 디퍼렌셜-피스톤는 그 위치를 유지한다.

그러나 챔버의 압력은 마스터 실린더 압력이므로 페달을 밟고 있는 한, 계속 증가하나 챔버의 압력은 더 이상 증가하지 않게 된다. 오히려 라이닝의 마모나 드럼의 열팽창에 의해 점차 감소하게 된다. 따라서 어느 시점에 가서는 디퍼렌셜-피스톤은 다시 우측으로 밀려가게 되고, 밸브는 다시 열리게 된다. 이와 같은 과정을 빠른 속도로 반복함으로서, 뒷바퀴 회로의 압력은 앞바퀴 회로의 압력에 비해 상대적으로 완만하게 증가하게 된다.

앞/뒷바퀴 회로 압력의 비율은 디퍼렌셜-피스톤의 챔버쪽 단면적과 챔버쪽의 링 모양의 단면적의 비율에 의해서 결정된다.

마스터 실린더의 유압이 감소할 때, 디퍼렌셜-피스톤은 챔버쪽의 피스톤 단면에 작용하는 “유압＋스프링 장력의 합”과 챔버쪽의 피스톤 단면에 작용하는 유압이 평형을 이루는 위치까지 스프링를 압착하면서 왼쪽으로 이동하게 된다.

4) 앞바퀴 회로가 고장일 경우

셧오프-피스톤은 압축스프링에 의해서 밸브시트에 밀착되므로, 채널와 출구 사이가 차단되고, 채널(G1)과 출구 사이가 직결된다. 따라서 뒷바퀴 브레이크에는 마스터 실린더의 유압이 그대로 작용하게 된다. 채널의 압력은 채널의 압력보다 낮으며, 또 밸브시트에 의해 차단되어 있기 때문에 채널의 압력에 영향을 미치지 못한다.

앞바퀴 회로이든 뒷바퀴 회로이든 간에 브레이크 회로 가 파손되면 운전자는 우선 페달 거리가 길어짐을 감지할 수 있을 것이다. 또 경고 등 회로를 갖춘 경우라면 경고등 점등에 의해 고장을 확인할 수 있을 것이다.

4. 부하 감지 밸브 [ braking force regulator with load-sensitivity]

제동력 조절밸브와 같은 원리를 응용한 밸브이다. 단지 절환 압력이 고정되어 있는 것이 아니라, 부하(load)에 따라 가변적이라는 점이 다를 뿐이다.

부하 감지 밸브의 경우, 장력 스프링과 레버를 거쳐 디퍼렌셜-피스톤에 작용하는 힘이 자동차의 부하(load)에 따라 변화한다. 특히 고속 주행 중 제동할 경우, 동적 축하중 전위(dynamic axle load transfer)에 의해 스프링 장력은 크게 변화한다.

그리고 부하 감지 밸브도 앞서 설명한 제동력 조절밸브와 마찬가지로 앞바퀴 회로 가 고장일 경우에는 뒷바퀴 회로에 마스터 실린더 유압을 그대로 작용시켜, 제동력을 보완한다.

1) 작동원리

① 작동상태 1

스프링의 한쪽 끝은 후차축에 연결되어, 후차축의 축중이 증가함에 따라 장력이 증가하는 구조로 되어 있다. 스프링의 장력은 레버를 거쳐 피스톤에 작용한다.

스프링의 장력에 의해 피스톤이 디퍼렌셜 피스톤에 밀착되면, 피스톤에 내장된 포핏밸브는 개방된다. 그러면 브레이크액은 마스터 실린더로부터 입구, 니들밸브, 출구를 순차적으로 거쳐 뒷바퀴 브레이크에 공급된다. 그러나 이때 압력강하는 없다.

② 작동상태 2

뒷바퀴 회로의 압력이 일정한 수준에 도달하면 피스톤이 레버 쪽으로 밀려가기 시작한다. 그리고 앞바퀴 회로의 압력이 증가함에 따라 디퍼렌셜-피스톤은 우측으로 이동하게 된다. 그러면 피스톤에 내장된 포핏밸브는 닫히고, 뒷바퀴 회로로 공급되는 브레이크액은 차단된다. 절환 압력에 도달.

절환 압력은 축중과 스프링 장력의 변화에 따라 그때마다 달라진다. 그리고 압력 절환과정은 앞서 제동력 조절밸브에서와 같다.

앞바퀴 회로가 파손되면 챔버의 압력은 0이 된다. 그리고 뒷바퀴 회로의 압력은 채널을 경유하여 챔버에 작용한다. 그러면 디퍼렌셜-피스톤은 왼쪽으로 밀려가 피스톤의 포핏밸브를 개방시킨다. 이제 후륜 회로에는 마스터 실린더 유압이 그대로 작용하게 된다.

 

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 열한 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 제동력 제한밸브와 조절밸브’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 열두 번째 시간으로 ‘제동 장치 전자제어 섀시 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.