행복남의 일상

제동장치의

수만 명의 목숨을 구한 ABS의 역사

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열네 번째 시간으로 ‘브레이크 전자제어 ABS 시스템의 역사’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

전자제어 시스템으로 브레이크에 ABS가 사용된 지 2018년으로 꼭 40년이 되었다. <이미지 출처: 네이버>

자동차에 달려 있는 장비들 중 교통사고를 줄이는 데에 가장 큰 공을 세운 장치를 꼽으라면, 단연 제일 먼저 떠오르는 것이 ABS(Anti-lock Braking System, 안티-록 브레이킹 시스템)다. 안전벨트와 에어백이 사고 발생 후의 피해를 줄이는 '사후적/수동적 안전'의 영역이라면, ABS는 능동적으로 사고를 회피할 수 있는 '사전적/능동적 안전'의 개념을 창시하는 데에 기여했다.

앞서 말했듯 2018년은 최초의 현대적인 전자식 ABS가 상용화된 지 40년이 되는 해다. 요즘에야 ABS는 물론 전자식 자세 제어 장치까지 법적으로 의무 장착하도록 돼 있지만, 과거의 자동차는 그렇지 않았다. 지난 40년간 운전자들의 안전을 책임져 온 ABS의 역사를 되짚어보자.

1. ABS는 비행기와 기차에 쓰였던 장치였다.

브레이크 록업이 발생하면 차량의 제어가 쉽지 않다. F1 레이스 카는 규정 상 ABS를 장착할 수 없다. <이미지 출처: 네이버>

빠른 속도에서 강한 제동 시 바퀴가 잠겨버리는 브레이크 록업(brake lock-up)은 바퀴 달린 모든 탈것을 만드는 공학자들의 골칫거리였다. 바퀴가 잠겨버리면 제동거리가 늘어날 뿐 아니라 바퀴의 타이어가 비정상적으로 마모되고, 방향을 제어할 수 없게 된다. 때문에 바퀴가 잠기지 않고 제동하기 위해 ABS의 개발이 시작됐다.

ABS의 시작은 철도와 항공 분야에서 개발됐다. 1930년대, 독일과 프랑스의 공학자들이 급제동 시에도 바퀴가 미끄러지지 않는 안티-슬립 시스템을 연구하기 시작했다. 1928년 독일의 카를 베셀, 1933년 로버트 보쉬가 안티-슬립 시스템의 특허를 출원했지만 이들은 양산에 이르지는 못했다.

영국 공군의 ‘애브로 벌칸(Avro Vulcan) 폭격기는 맥사렛 ABS가 처음 탑재된 비행기’ 중 하나다. <이미지 출처: 네이버>

제2차 세계대전이 끝난 뒤, 영국의 던롭이 '맥사렛(Maxaret)'이라는 슬립 방지 시스템을 상용화했다. 이 시스템은 주로 영국 공군의 군용기에 탑재돼 비행기의 제동력을 최대 30% 개선하는 효과를 보였다. 착륙 시 제동력이 개선된 덕에 군용기들은 15% 더 많은 화물이나 무기를 싣고도 이륙할 수 있게 됐다. 이 시스템은 공군은 물론 민수용 비행기에도 빠르게 확산됐고, 이후 오토바이나 자동차에도 탑재되기 시작했다.

원리는 간단했다. 브레이크 록업을 인지하면 브레이크를 놓았다 밟는 동작을 빠르게 반복하는 것이다. 1초에 십수 회에 걸쳐 브레이크를 반복적으로 작동시키면 록업으로 인한 미끄러짐을 줄여 안정적으로 최적화된 제동 성능을 낼 수 있게 된다.

1968년 초호화 여객기 콩코드에 처음 탑재된 전자제어식 ABS가 자동차에 도입되는 데에는 10년밖에 걸리지 않았다. <이미지 출처: 네이버>

이후 항공기에는 ABS가 보편화됐는데, 50~60년대 ABS는 전자제어가 아닌, 기계적으로 연속 제동하도록 만들어진 시스템이었다. 센서로 바퀴 회전수를 인식해 브레이크를 제어하는 전자제어식 ABS는 영국과 프랑스가 합작으로 개발한 초음속 여객기 '콩코드(Concorde)'에 처음으로 탑재됐다. 당시로선 일반 비행기에는 장착할 엄두도 내지 못할 만큼 고가의 시스템이었지만, 콩코드가 최첨단 초호화 여객기였기에 장착이 가능했다.

2. 벤츠, 최초의 전자식 ABS를 만들다.

1960년대 말부터 영국과 미국 업체들을 중심으로 ABS가 부분적으로 자동차에 탑재되기 시작했다. 젠센 FF, 포드 조디악, 크라이슬러 임페리얼 등이 초창기 ABS가 장착된 차들이었다. 하지만 이들은 두 바퀴에만 ABS가 적용되거나 3-채널 방식(앞바퀴는 좌우 따로 제어하지만 뒷바퀴는 하나의 유압 시스템으로 제어하는 방식)에 그쳤다.

통제된 활주로에 착륙하는 비행기나 정해진 선로를 달리는 기차라면 기본적인 ABS만으로도 안정적인 제동이 가능하지만, 자동차는 훨씬 정밀한 ABS가 필요했다. 매 순간 달리는 도로의 노면 환경이 바뀔 뿐 아니라 돌발 상황에 반응해 재빠르게 대처할 수 없다면 사고를 피할 수 없기 때문이다.

ABS를 테스트 중인 W116 S-클래스. ABS가 없는 아래의 차는 바퀴가 잠긴 뒤 정처 없이 미끄러지고 있다. <이미지 출처: 네이버>

이러한 기존 ABS의 한계를 인식한 메르세데스-벤츠는 진작부터 네 바퀴를 완전히 독립 제어할 수 있는 전자식 ABS 개발에 나섰다. 1953년 급제동 시의 바퀴 록 방지 시스템의 특허를 낸 것을 시작으로 1963년 세계 최초의 전자-유압식 브레이크 제어 시스템을 상용화했고, 1966년부터는 후일 보쉬에 인수합병된 텔딕스(Teldix) 사와 함께 가장 안전한 브레이크 개발을 속행했다.

벤츠는 4개의 바퀴에 각각 센서를 장착하고, 디지털 제어 시스템이 이를 통해 네 바퀴를 독립 제어하는 세계 최초의 디지털 전자식 멀티채널 ABS를 개발해냈다. 오늘날 보편화된 2세대 ABS가 만들어진 것이다. 이 시스템은 1978년 S-클래스(W116)에 처음 탑재되면서 현대적인 ABS의 시대를 열었고, 시대가 지나면서 오늘날에는 800만 원짜리 모닝부터 8억 원짜리 롤스로이스까지 모든 차에 의무 장착되기에 이른다. 다마스와 라보에는 아직 안 달려있다.

3. ABS, 제동을 넘어 능동 안전 시스템으로

ABS의 핵심은 제동거리 감소보단 통제력 유지다. <이미지 출처: 네이버>

ABS는 탄생 이래로 전 세계 수백만, 수천만 운전자들을 돌발 상황으로부터 지켜냈다. ABS의 핵심은 '돌발 상황에도 제어를 잃지 않는 것'이다. 사실 브레이크 록업이 발생한다고 해서 제동거리가 크게 늘어나지는 않는다. 하지만 바퀴가 잠겨버린 상태에서는 타이어의 횡력(lateral force)이 급격히 낮아지면서 운전대를 틀어도 조향이 제대로 되지 않는다.

현대적인 ABS는 각 바퀴에 장착된 휠 스피드 센서가 바퀴의 회전수를 모니터링한다. 제동 시 바퀴의 회전수가 비정상적으로 빠르게 감소하면 이를 록업 또는 록업 가능성이 있는 상황으로 인식하고, 1초에 수십 회 브레이크를 놓았다 밟는 동작을 반복한다. 그 결과 바퀴가 잡기지 않고 꾸준히 횡력을 유지하고, 급제동 시에도 조향을 통한 회피주행이 가능해진 것이다.

4. 전자제어가 발달하면서 ABS는 TCS, ESP 등으로 진화하고 있다.

첨단 전자제어 기술이 빠르게 발달하면서 80년대 말~90년대 초에는 ABS가 진화를 거듭한다. 제동뿐 아니라 가속 시의 휠 스핀을 제어하는 트랙션 컨트롤 시스템(TCS)이 개발되고, 더 나아가 조향각 센서와 자이로 센서를 결합해 비정상적인 언더스티어나 오버스티어 상황에 ABS가 개입해 사고를 예방하는 전자식 자세 제어 시스템(ESP)도 만들어졌다. 이 전자식 자세 제어 시스템은 회사에 따라 ESC, VDC, DSC 등 다양한 이름으로 불리는데, 오늘날에는 이 역시 보편적인 의무 안전 장비로 자리 잡았다.

안전뿐 아니라 더 짜릿한 운전을 즐기기 위해서도 ABS가 활용된다. 전자식 자세 제어 시스템에서 더 나아간 브레이크 기반 토크 벡터링 시스템이 그것이다. 토크 벡터링(torque vectoring)이란 좌우 바퀴의 구동력을 독립 제어해 코너링 성능을 향상시키는 기능인데, 최근에는 브레이크로 바퀴 회전수를 제어해 토크 벡터링 효과를 발휘하는 전자제어 시스템도 여러 차에 탑재되고 있다.

운전 중에 계기판에 ABS 경고등이 들어오면 당장 가까운 서비스센터로 가야 한다. <이미지 출처: 네이버>

앞으로 ABS가 또 어떤 변신을 할지는 알 수 없지만, 확실한 건 지난 40년간 그래왔듯 앞으로도 운전자들의 안전을 책임진다는 것이다. 요즘처럼 추운 겨울에는 타이어의 접지력이 떨어져 조금만 세게 제동해도 ABS가 쉽게 작동하기 때문에 ABS에 문제가 발생해 경고등이 들어오면 반드시 점검을 받아야 한다.

하지만 ABS가 만능은 아니다. 가장 안전한 제동 법은 ABS가 작동하기 전, 안전거리를 충분히 확보하고 천천히 제동하는 것이다. 우리를 지켜주는 든든한 ABS가 있지만, 언제나 사고를 피하는 가장 좋은 방법은 안전한 운전습관이라는 것을 잊지 않았으면 한다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 열네 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 전자제어 ABS 시스템의 역사’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 열다섯 번째 시간으로 ‘제동 장치 전자제어 ABS 시스템의 실체’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

제동 장치의

ABS 시스템 [Anti-lock Brake System]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열세 번째 시간으로 ‘브레이크 전자제어 ABS 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

ABS 시스템은 안티-스키드(anti-skid) 시스템이라고도 하며, 주로 유압 브레이크 및 에어-브레이크의 압력제어용으로 사용된다.

1) ABS의 정의

ABS 브레이크란 Anti-Lock Brake System의 약자로서, 운동 마찰력보다 최대 정지 마찰력이 크다는 원리를 이용한 브레이크 시스템이다. 눈길을 운전할 때 브레이크를 세게 밟으면 미끄러지는데, 미끄러지기 직전까지 브레이크를 밟았다가 미끄러지려는 순간에 브레이크를 놓으면 최대 정지 마찰력을 이용할 수 있다. 미끄러지기 직전에 작용하는 최대 정지 마찰력은 바퀴가 미끄러질 때 바퀴와 노면 사이에 작용하는 운동 마찰력(미끄러질 때 작용하는 마찰력)보다 크므로 제동 거리를 줄일 수 있다.

일반 브레이크의 경우 페달을 밟고 있는 동안 계속해서 브레이크가 작동하지만 ABS는 1초 동안에 여러 번 브레이크를 조였다 놓았다 한다. 다시 말해 ABS 브레이크를 계속 밟고 있으면 일반 브레이크를 아주 빠른 속도로 여러 번 밟는 효과가 난다.

ABS 시스템은 급제동할 때, 그리고 동시에 슬립률이 클 때 차륜의 잠김(locked)을 방지하기 위해, 노면과 타이어 간의 점착 능력에 맞추어 휠 브레이크의 제동 압력을 제어한다. 일반적으로 시스템의 제어영역은 슬립률 8%~35% 범위이며, 자동차 주행속도 약 10km/h 이상에서는 활성화되며, 약 6km/h 이하에서는 비활성화된다. 시스템에 따라 다르나 제어 사이클의 반복은 1초당 약 4~10회가 대부분이다.

ABS의 장점으로는 제동 거리(브레이크를 밟는 순간부터 멈출 때까지의 거리)가 일반 브레이크의 경우보다 짧고 바퀴가 회전할 때 차체가 미끄러지지 않는다는 점을 들 수 있다.

<이미지 출처: 네이버> 

2) ABS의 요건

ABS 시스템은 다음과 같은 조건들을 충족시켜야 한다.

① 어떠한 도로조건(예 : 건조한 노면에서부터 빙판 도로에 이르기까지)에서도 주행 안정성과 조향성이 보장되어야 한다.

② 제동거리 단축에 우선하여 조향능력과 주행 안정성을 보장할 수 있어야 한다. 즉, 운전자가 급제동하든, 또는 브레이크 압력이 잠기는(lock) 한계까지 천천히 상승하든 간에 이에 상관없이 차륜이 항상 최적 제동능력을 발휘할 수 있도록 브레이크 압력을 제어해야 한다.

③ 제어는 자동차 주행속도의 모든 영역(최고 속도에서 보행속도 이하까지)에 걸쳐서 이루어져야 한다. 인간의 보행속도 이하에서는 차륜이 잠겨도 문제가 되지 않는다.

④ 노면과 차륜 간의 마찰계수 변화에 신속하게 대응할 수 있어야 한다. 예를 들면 건조한 포장도로가 부분적(국부적)으로 결빙되어 있을 경우, 그와 같은 짧은 기간 동안에도 차륜이 잠길 가능성을 제한할 수 있어야 한다. 그래야만 조향능력과 주행 안정성이 보장된다. 반면에 건조한 노면의 점착력은 가능한 한 최대로 이용할 수 있어야 한다.

④ 노면과 차륜 간의 마찰계수 변화에 신속하게 대응할 수 있어야 한다. 예를 들면 건조한 포장도로가 부분적(국부적)으로 결빙되어 있을 경우, 그와 같은 짧은 기간 동안에도 차륜이 잠길 가능성을 제한할 수 있어야 한다. 그래야만 조향능력과 주행 안정성이 보장된다. 반면에 건조한 노면의 점착력은 가능한 한 최대로 이용할 수 있어야 한다.

⑤ 마찰계수가 불균일한 노면, 예를 들면 오른쪽 차륜은 건조한 노면을, 왼쪽 차륜은 빙판을 주행할 경우에는 요-토크(yaw torque)를 피할 수 없다. 이때 제어시스템은 요-토크가 천천히 발생되도록 하여, 운전자가 간단히 역조 향함으로서 보상되도록 제어하여야 한다.

요-토크란 자동차의 수직축을 중심으로, 자동차를 진행 방향에 대해 좌/우로 회전시키려는 토크를 말한다.

⑥ 커브 선회 중 제동하여도 조향 성과 주행 안정성이 보장되어야 하고, 동시에 커브 한계속도 이하에서는 최소 가능 제동거리를 유지할 수 있어야 한다. 커브 한계속도란, 커브를 선회할 때, 차륜이 자신의 기하학적 궤적을 이탈하지 않고 주행할 수 있는 한계속도를 말한다.

⑦ 요철 도로 주행 중에도 운전자의 제동방법과는 관계없이 조향성, 주행 안정성, 최단 제동 거리 등이 보장되어야 한다.

⑧ 수막현상(aquaplaning)을 감지하여 최적 대응할 수 있어야 한다.

⑨ 브레이크의 이력현상(brake hysteresis)과 엔진브레이크 현상에 가능한 한 신속하게 대응할 수 있어야 한다. 브레이크의 이력현상이란 브레이크페달에서 발을 뗀 이후에도 지속되는 후 제동 현상을 말한다.

⑩ 제동토크의 제어 증폭도가 낮아, 진동에 의한 차체의 꿀꺽거림(rocking : Aufschaukeln)을 피할 수 있어야 한다.

이외에도 다른 제어시스템과 마찬가지로 페일 세이프(fail-safe) 기능과 인터페이스(interface) 기능 등을 갖추어야 한다.

<이미지 출처: 네이버>

3) ABS의 중요성

운전자는 갑작스러운 상황에서 급정거를 하게 된다. 그런데 브레이크의 제동력이 커지면서 타이어가 회전하지 않는 '잠김 현상'이 발생하면 이로 인해 자동차의 방향과 제동을 통제할 수 없게 된다. 그 상태에서 자동차는 관성에 의해 미끄러지게 되는데, ABS는 초당 수 십 번의 브레이크를 작동하며 바퀴의 잠김 현상을 막아주고 방향성을 잃고 미끄러지는 것을 막아줍다.

4) ABS의 원리

일반적으로 브레이크 페달을 이용하는 경우, 운전자가 페달에서 발을 떼기 전까지는 브레이크가 작동하게 된다. 그런데 ABS의 경우에는 운전자가 브레이크 페달을 밟고 있는 상태에서도 타이어가 회전하도록 만들어 준다. 급제동으로 인해 타이어가 회전을 멈추고 잠기면 이를 휠 속도 센서가 감지하게 된다. 그럼 이 상태를 컴퓨터에 전달하고, 컴퓨터는 브레이크를 해제시키게 되어 바퀴가 잠기지 않고 회전하도록 만드는 것이다.

타이어가 회전을 이어가면 휠 속도 센서를 통해 컴퓨터가 인식하게 되는데, 그 순간에도 운전자는 브레이크를 계속 밟고 있기 때문에 그 제동력의 영향으로 타이어는 정지하게 된다. 이렇게 회전과 정지를 반복하며 타이어가 잠기는 위험한 상황을 막아주는 것이다.

타이어가 회전하고 정지하는 것을 반복할 때 '최대 정지마찰력'이 작용하는데, 정지하고 있는 물체가 움직이기 시작하는 순간 마찰력이 가장 커진다. 이를 '최대 정지마찰력'이라고 한다. 자동차의 움직임을 생각해 본다면, 막 출발하는 시점에서 최대 정지마찰력이 작용한다고 할 수 있다.

ABS는 최대 정지마찰력이 작용하는 순간을 반복시키는 원리를 통해 초당 수십 회의 브레이크 작동으로 마찰력을 극대화한다. 즉 초당 수십 번을 가다 서다를 반복하는 것이다.

ABS모듈 <이미지 출처: 네이버>

5) ABS의 종류

ABS는 제어 채널이나 센서의 개수에 따라 3채널과 4채널 방식으로 나뉜다. 3채널 방식은 앞바퀴는 개별적으로 제어하고, 뒷바퀴는 하나의 유닛으로 제어하는 것이다. 3채널 방식의 경우 뒷바퀴 중 하나의 타이어라도 잠김 현상이 발생하면 뒷바퀴 2개 모두 브레이크 압력이 감소하게 된다. 3채널 방식의 경우 구조가 단순해 가격이 낮지만 안정성과 조향력 컨트롤에 있어 부족하다는 단점이 있다.

4채널 방식은 모든 바퀴가 휠 센서에 의해 개별로 속도를 측정하게 되고, 브레이크 제어 또한 바퀴마다 적용이 된다. 즉, 4개의 바퀴가 잠김 현상에 대해 개별적으로 대응할 수 있다는 것이다. 안정성과 조향력 컨트롤에 유리해 현재는 대부분 4채널 방식을 사용한다.

급박한 상황에서는 사람도 자동차도 패닉 상황에 빠질 수 있다. ABS는 긴급한 상황에서도 자동차의 성능을 잃지 않고, 운전자가 통제할 수 있도록 만들어 준다. 하지만 무엇보다 가장 중요한 것은 ABS를 사용하는 일이 일어나지 않도록 안전하게 운전하는 습관이 중요하다.

6) ABS 작동, 점검 방법은?

고속 주행을 하다가 브레이크를 밟으면 차량 페달이 떨면서 차가 울컥울컥하는 현상은 ABS가 작동되는 것이 아니라 브레이크 디스크가 변형되면 이런 현상이 발생할 수 있다. ABS의 경고등이 들어오거나 브레이크 오일, 브레이크 패드 등 제동과 관련된 것들은 주기적으로 검사해 주거나 관리해주는 것이 필요하다.

자동차 ABS 경고등이 점등됐을 때 이유를 간략하게 보면, 단순 경고등 고장, ABS 센서 고장, ABS의 라인 단선 또는 단락의 문제, ABS의 구성품들의 고장 등으로 볼 수 있다. 자동차 ABS 경고등이 계속 점등된다는 것은 즉, ABS가 작동하지 않는다는 의미로 안전사고까지 이어질 수 있으므로 서둘러 가까운 카센터를 방문하여 점검을 받아 수리를 하여야 한다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 열세 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 전자제어 ABS 시스템’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 열네 번째 시간으로 ‘제동 장치 전자제어 ABS 시스템 발전사’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

구동 장치의

전자제어 시스템의 개요

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열두 번째 시간으로 ‘브레이크 전자제어 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

1) 주로 사용되는 브레이크 전자제어 새시 시스템들

① ABS(Anti-lock Braking System) 제동 중 휠이 잠기는(lock) 것을 방지한다.

② BAS(Braking Assistant System) 위급한 상황을 감지하여, 제동거리를 단축시킨다.

③ SBC(Sensotronic Brake Control) 커브를 선회하는 동안에 제동할 때, 방향안정성을 증대시키고, 제동거리를 단축시킨다.

④ TCS(Traction Control) 발진할 때 또는 가속할 때 휠이 헛도는(spinning) 현상을 방지한다.

⑤ VDC(Vehicle Dynamic Control) 자동차가 궤적을 벗어나 옆으로 미끄러지는 것을 방지한다.

<이미지 출처: 네이버> 

2) 타이어에 작용하는 힘의 종류

자동차의 모든 운동 또는 운동의 변화는 단지 타이어에 작용하는 힘에 의해서만 이루어진다.

① 원주 방향에 작용하는 힘(peripheral force) - 구동력 및 제동력(FD 및 FB)

이 힘들은 차체의 길이 방향으로 타이어의 중심선 상에서 전/후로 작용한다.

② 횡력(lateral force)

조향에 의해서 또는 외력(예 : 옆 방향 바람)의 간섭에 의해서 옆 방향에 작용한다.

③ 수직력(normal force)

자동차의 중량에 의해서 생성된다. 노면에 수직으로 작용한다.

이 힘들의 강도는 노면 상태, 타이어의 상태 및 형식, 그리고 날씨의 영향을 받는다.

<이미지 출처: 네이버>

3) 노면에 전달되는 구동력과 제동력의 크기

타이어와 노면 사이의 전달 가능한 힘은 타이어와 노면 사이의 마찰력에 의해서 결정된다. 타이어와 노면 간의 마찰이 정적 마찰(static friction) 상태일 때, 힘을 최적으로 전달할 수 있다. 전자제어 시스템에서는 정적 마찰을 적절하게 이용한다.

타이어의 원주에 작용하는 힘은 정적 마찰을 통해, 구동력 또는 제동력의 형태로 노면에 전달된다.

① 마찰력(friction force : Reibungskraft)

제동 중 또는 구동 중, 노면에 전달 가능한 제동력 또는 구동력은 타이어와 노면 사이의 마찰력과 같으며, 이 마찰력은 차륜에 작용하는 수직력에 비례한다. 타이어와 노면 간의 마찰계수는 타이어/노면 간의 마찰짝과 그 마찰짝에 영향을 미치는 여러 가지 요소들에 의해 결정된다. 따라서 마찰계수는 전달 가능한 구동력 또는 제동력의 척도가 된다.

자동차 타이어의 마찰계수는 건조한 포장 노면에서 최대가 되고, 빙판길에서 최소가 된다. 즉, 노면과 타이어 사이에 물이나 먼지 등이 개제되면 마찰계수는 현저하게 감소한다. 예를 들면 포장도로일지라도 마찰계수는 노면이 건조한 경우는 0.8~1, 젖어 있을 경우는 0.2~0.65, 결빙되어 있을 경우는 0.05~0.1 정도가 된다.

특히 젖은 노면에서는 자동차의 주행속도가 마찰계수에 큰 영향을 미친다. 고속으로 주행 중, 제동할 경우에 제동 마찰계수가 너무 낮아 제동력을 노면에 충분히 전달할 수 없게 되면, 차륜은 잠기게(lock) 된다. 제동 중, 차륜이 잠기면 주행 안정성이 크게 저하된다. 앞바퀴가 잠기면 조향성이, 뒷바퀴가 잠기면 직진성이 크게 저하하거나, 심하면 아주 상실되게 된다.

마찰은 점착마찰과 미끄럼마찰로 구분한다. 점착마찰은 미끄럼마찰보다 큰 힘을 전달한다. 즉, 전동하는 차륜의 마찰계수는 제동 중 잠기는 차륜의 마찰계수보다 크다.

② Kamm의 마찰 원(Kamm's friction circle)

타이어가 노면에 전달할 수 있는 힘의 최댓값이 원 안에 도시되어 있다. 안정적인 주행상태일 경우라면, 타이어 원주 방향으로 작용하는 힘과 횡력의 합력은 원의 안에 있어야 한다. 따라서 그 크기는 타이어가 노면에 전달할 수 있는 힘의 최댓값보다 작다.

휠이 잠기거나(lock) 헛돌아(spinning) 원주 방향으로 작용하는 힘이 자신의 최댓값에 도달하게 되면, 횡력을 전달할 수 없다. 따라서 자동차는 조향이 불가능하게 된다.

커브를 최대 선회 속도로 주행하여 횡력이 자신의 최댓값에 도달하면, 가속 또는 제동할 수 없다. 이때 가속 또는 제동하면, 자동차는 궤적을 이탈하여 옆으로 미끄러지게 된다.

③ 슬립(slip)

전동 중인 타이어의 접지부에는 구동력 또는 제동력에 의한 복잡한 물리적 현상이 나타난다. 특히 탄성체인 타이어는 변형되며, 차륜이 잠기기(lock) 이전에도 부분적으로 미끄럼 운동을 하게 된다. 전동 중인 차륜의 미끄럼 양을 슬립(slip)이라 한다.

타이어와 노면 간에 약간의 슬립도 없이 힘을 전달하는 것은 불가능하다. 그 이유는 타이어와 노면이 기어이가 맞물린 것처럼 맞물려 있지 않으며, 주행 중 또는 제동 중 타이어는 항상 약간 슬립하기 때문이다.

제동 중 휠이 완전히 잠겨 회전하지 않으면서 미끄러지거나, 주행 중 휠이 제자리에서 헛돌 때(spinning), 슬립률은 100%이다.

④ 타이어에 작용하는 힘과 슬립의 상관관계

제동 마찰계수는 슬립률 0부터 시작하여 급격히 증가하여, 노면과 타이어의 특성에 따라 각각 슬립률 10%~40% 사이에서 최댓값에 도달한 다음, 다시 감소하는 것으로 나타나고 있다.

선회할 때는 차체의 무게중심에서 커브 외측으로 작용하는 원심력과 각 차륜에 구심 방향으로 작용하는 횡력(lateral force)의 합이 서로 평형을 이루어야 한다. 그래야만 안정된 상태로 커브를 선회할 수 있다. 그러나 횡력은 타이어가 어느 한쪽으로 탄성 변형될 때에만 발생된다.

슬립률이 낮은 상태에서는 제동력은 급격히 증가하여 자신의 최댓값에 도달했다가, 슬립률이 증가함에 따라 다시 감소함을 보이고 있다. 제동력(또는 구동력)의 최댓값 및 변화 과정은 노면과 타이어 사이의 마찰계수의 영향을 크게 받는다. 최댓값은 슬립률 8%~35% 범위에 존재한다. 일반적으로 슬립률 35%까지의 영역을 안정 영역이라고 하는데, 그 이유는 이 영역에서 차륜은 안정적으로 주행이 가능하며, 동시에 조향이 가능하기 때문이다. 즉, 이 영역에서 휠은 구동력 또는 제동력을 가장 잘 전달할 수 있다.

따라서 전자제어 섀시 시스템은 이 제어영역 범위(슬립률 8%~35%) 내에서 작동한다.

 <이미지 출처: 네이버>

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

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.

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.

제동 장치의

3. 공압식 배력 장치 [pneumatic booster]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 열 번째 시간으로 ‘브레이크 공압식 배력 장치’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

압축공기와 유압을 동시에 이용하는 브레이크 시스템에서는 공압식 배력 장치를 사용할 수 있다. 설치 공간을 작게 차지하지만 약 7bar에 달하는 공기압력을 이용하여 큰 배력을 얻을 수 있다.

 공압식 배력장치 <이미지 출처: 네이버>

작동원리는 다음과 같다.

제동하면, 밸브 태핏이 피스톤 롯드에 의해 앞쪽으로 밀려가게 된다. 밸브 태핏의 전진운동에 의해 먼저 배출 포트가 닫히게 된다. 동시에 밸브 태핏이 흡입밸브 시트와 접촉하게 되면, 흡입 포트가 열리게 된다. 압축공기는 흡입 포트를 통해 작동 실로 밀려들어와, 작동 피스톤에 배력을 작용시킨다. 배력에 의해 작동 피스톤이 밀려가면 흡입 포트는 다시 닫히게 된다. 이와 같은 방법으로 페달 답력에 따라 곧바로 배력을 변화시킬 수 있다.

브레이크 페달에서 발을 떼면, 밸브 태핏은 흡입 포트를 닫고 동시에 배출 포트를 열게 된다. 작동실의 압축공기는 대기 중으로 방출되고, 작동 피스톤은 리턴 스프링의 장력에 의해 초기 위치로 복귀하게 된다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 열 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 공압식 배력 장치’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 열한 번째 시간으로 ‘제동 장치의 밸브’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

제동 장치의

2. 유압식 배력 장치 [hydraulic brake booster]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 아홉 번째 시간으로 ‘브레이크 유압식 배력 장치’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

동력 조향 방식의 자동차일 경우에는 기관에 의해 구동되는 유압펌프를 갖추고 있기 때문에 별도의 유압펌프를 설치하지 않고도 유압식 배력 장치를 사용할 수 있다.

유압식 배력 장치는 동력조향장치용 유압펌프에서 토출되는 유량의 일부를 축압기(accumulator)에 고압으로 저장해 두었다가, 제동할 때 배력 작용을 하도록 한다. 동력조향장치의 기능에 영향을 미치지 않으면서도 축압기의 유압을 고압으로 유지할 수 있다.

유압식 배력 장치는 진공식에 비해 다음과 같은 특성이 있다.

① 설치 공간을 작게 차지한다.

② 기관의 부하와 상관없이 일정한 배력 효과를 얻을 수 있다.

③ 배력 계수를 크게 할 수 있다.

④ 응답시간이 짧기 때문에 민감한 제동이 가능하고, 안정성이 증대된다.

⑤ 기관이 정지한 상태에서 진공식은 약 3회 정도의 배력 작용이 가능하다.

그러나 유압식의 경우에는 약 10회 정도까지 배력 작용이 가능하다.

유압식 배력장치 <이미지 출처: 네이버>

1) 구조

유압식 배력 장치는 유압펌프, 축압기, 유압조절기, 배력 실린더, 및 오일 저장 탱크 등으로 구성된다.

축압기는 직경 약 100mm 정도의 공 모양으로, 격막에 의해 2개의 방으로 분할되어 있다. 상부 방은 가스(대부분 질소)로 충전, 밀폐되어 있다. 그리고 다른 하나의 방은 유압펌프로부터 유입된 오일로 채워지며, 이 방의 유압이 상승함에 따라 가스는 압축된다.

압력 제어식 유량밸브(pressure-controlled flow-regulator)는 유압펌프로부터 유입되는 오일의 압력을 상승시켜 축압기에 저장하거나, 탱크로 복귀시키는 역할을 한다.

유압식 부스터(hydraulic booster)는 진공 부스터와 마찬가지로 마스터 실린더와 직결되어 있으며, 브레이크페달에 의해 작동된다.

2) 압력 제어식 유량 밸브의 작동 과정

① 충전 위치

유압펌프로부터 입구에 공급된 오일은 유량조절 피스톤에 의해 두 갈래로 나누어진다. 축압기 내부 압력이 컷인(cut-in) 압력에 도달하면 파일럿밸브가 열려, 소량의 오일(예 : 0.7ℓ/min)은 파일럿밸브와 체크밸브를 거쳐, 축압기에 유입된다. 축압기에 유입된 오일은 연결구를 거쳐 유압식 배력 실린더에 접속된다. 유압펌프에서 토출되는 유량의 대부분은 연결구를 통해 동력조향장치로 공급된다.

② 순환 위치

컷아웃(cut-out) 압력에 도달하면 파일럿밸브는 체크밸브를 거쳐서 축압기로 통하는 라인을 폐쇄한다. 그리고 동시에 유량조절 피스톤의 스프링실과 저장탱크로 통하는 연결구와 직결된다.

이제 유량조절 피스톤의 뒷면에는 스프링장력만 작용하므로 유량조절 피스톤은 유압펌프로부터 공급되는 오일 압력에 의해 밀려들어 간다. 이렇게 되면 유입되는 오일은 모두 동력조향장치로 흐르게 된다.

축압기 압력이 일정 압력 이하로 낮아지거나, 유압펌프의 유압이 일정 수준 이하로 낮아지면 경고등이 점등된다.

3) 유압 부스터(hydraulic booster)의 작동

① 초기 위치(release position)

이 위치에서는 리턴 스프링의 장력에 의해 컨트롤 에지(control edge)는 리턴 회로와는 단절되어 있다. 따라서 축압기 압력은 연결구와 컨트롤 에지 사이에만 유지된다.

컨트롤 에지의 뒤쪽에 있는 무압력 상태의 오일은 컨트롤 에지와 출구를 통해 저장 탱크와 연결되어 있다.

② 부분 제동 위치(partial braking position)

브레이크페달을 밟으면 답력은 오퍼레이팅 피스톤을 통해 컨트롤 피스톤에 전달된다. 그러면 컨트롤 피스톤은 스프링 장력을 이기고 이동한다. 그러면 컨트롤 에지가 먼저 닫혀, 리턴 회로를 차단하고, 이어서 컨트롤 에지가 열린다.

축압기로부터 공급되는 고압 오일은 열린 컨트롤 에지를 통과, 컨트롤 피스톤의 내부 통로를 따라 트랜스밋션 피스톤의 뒷면에 작용한다. 이때 고압은 오퍼레이팅 피스톤의 앞쪽에도 작용하는 데, 이 힘이 브레이크페달과 연결된 롯드에 반력을 작용시킨다.

브레이크 마스터 실린더의 부하와 트랜스밋션 피스톤의 뒷면에 작용하는 힘이 평형을 이루는 점에서 트랜스밋션 피스톤은 정지한다. 트랜스밋션 피스톤이 밀려가면 푸시롯드은 마스터 실린더를 작동시키게 된다.

배력 계수(boosting factor)는 트랜스밋션 피스톤의 단면적과 오퍼레이팅 피스톤의 단면적 간의 비율로 표시된다.

③ 완전 제동 위치(full braking position)

컨트롤 에지가 완전히 개방되어 축압기로부터 공급된 고압 오일은 트랜스밋션 피스톤의 뒷면에 최대로 유입된다. 따라서 배력 효과는 최대가 된다.

이제 컨트롤 피스톤은 플러그와 접촉하여, 더 이상 단독으로 전진할 수 없다. 즉, 최대 배력점부터 컨트롤 피스톤은 운전자의 페달 답력의 증감에 따라 트랜스밋션 피스톤과 일체로 연동한다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 아홉 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 유압 배력 장치’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 열 번째 시간으로 ‘공압식 배력 장치’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 ‘자동차 제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

차동장치의

브레이크 배력 장치 [Brake booste]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 여들 번째 시간으로 ‘브레이크 진공 배력 장치’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

브레이크 배력 장치는 외력을 이용하여 운전자의 페달 답력을 배가(倍加)시켜 주는 장치이다. 배력장치가 고장일 경우에는 운전자의 페달 답력만으로 브레이크를 조작할 수 있어야 한다.

배력장치에 이용되는 외력으로는 기관의 흡기다기관 부압, 유압, 공기압 등이 있다.

이미지 출처: 네이버 

1. 진공 배력 장치 [vacuum booster]

SI-기관 자동차는 특별한 장치가 없어도 흡기 다기관의 진공을 이용하여 배력을 얻을 수 있다. 배력은 대기압과 흡기 다기관 절대압력과의 압력차를 이용하여 다이어프램(diaphragm)에 부착된 피스톤을 작동시켜 얻는다. 따라서 진공 배력 장치의 배력의 크기는 격막의 유효면적에 비례한다.

SI-기관에서 스로틀밸브가 닫혀있을 때 흡기 다기관의 절대압력(부압)은 최대 약 0.8bar 정도이다. 그러므로 큰 배력을 얻기 위해서는 격막의 유효면적이 넓어야 한다. 또 격막의 작동 공간을 필요로 하며, 진공의 충전과 방출에 비교적 긴 시간이 소요된다는 단점이 있다.

격막이 2개인 복실식에서는 격막의 유효직경을 작게 해도 큰 배력을 얻을 수 있다.

디젤 자동차에서는 일반적으로 기관에 의해 구동되는 별도의 진공펌프를 이용한다.

1) 진공 배력 장치의 구조

브레이크 마스터 실린더는 대부분 배력 장치 하우징의 앞부분 중앙에 부착된다. 하우징 안에 설치된 격막의 중심부에는 동력 피스톤이 설치되어 있다. 동력 피스톤은 격막과 연동한다. 격막이 진공 실과 대기압실을 분리한다.

제동할 때 진공이 작용하는 공간을 진공실, 대기압이 작용하는 공간을 대기압실이라 한다. 대기압실에는 동력 피스톤 안의 진공/대기 밸브의 계폐에 따라 대기압과 흡기 다기관의 부압이 교대적으로 작용한다. 진공/대기 밸브의 개폐는 운전자가 브레이크페달을 밟아 조작한다.

운전자가 브레이크페달을 밟으면 진공/대기 밸브는 작동되고, 이어서 격막의 앞/뒤의 압력차에 의해 격막과 동력 피스톤이 동시에 이동하고, 동력 피스톤에 직결된 푸시롯드는 직접 마스터 실린더의 1차 피스톤을 작동시키게 된다.

진공 계통이 고장일 경우에도 마스터 실린더의 1차 피스톤에는 최소한 운전자의 페달 답력이 작용된다.

2) 작동원리

① 초기 위치(release position)

진공/대기 밸브의 진공 포트(port)는 열려있고 대기(air) 포트는 닫혀 있다. 격막의 앞/뒤에 똑같이 흡기 다기관의 부압이 작용한다. 진공 실과 대기압실이 모두 부압 상태이다. 격막은 진공실에 들어있는 리턴 스프링의 장력에 의해 초기 위치에 있다.

② 부분 제동 위치(partial braking position)

브레이크페달을 밟으면 먼저 진공 포트가 닫히고, 이어서 대기 포트가 조금 열린다. 그러면 격막의 앞쪽(진공실 쪽)에는 부압이, 격막의 뒤쪽(대기압실)에는 대기압이 작용한다. 그러나 진공실과 대기압실 간의 압력차는 그리 크지 않다. 즉, 격막 앞/뒤의 미소한 압력차에 의해 격막은 진공실 쪽으로 밀려가면서 진공실의 스프링을 압축한다. 스프링이 압축되는 만큼 푸시롯드가 이동하여 마스터 실린더의 1차 피스톤을 작동시키게 된다.

③ 완전 제동 위치(full braking position)

진공 포트는 닫혀 있고, 대기 포트는 완전히 열려 있다. 따라서 진공실과 대기압실의 압력차는 최대가 된다. 그리고 진공실의 스프링은 완전히 압착된다.

진공실과 대기압실의 압력차에 의해 페달 답력이 배가(boosting) 된다. 그리고 추가로 운전자의 페달답력이 직접적으로 마스터 실린더의 1차 피스톤에 작용한다.

3) 진공 배력 장치의 특성

진공 배력 장치의 특성의 형식은 격막의 유효직경을 인치(inch)로 표시한 것이다. 2×9″와 같이 표기된 경우, 앞의 숫자 2는 복실식을 의미한다. 그리고 시험 진공도는 0.8bar이다. 배력 계수 즉, 배력의 크기는 격막의 유효직경에 비례한다.

4) 진공 체크밸브(vacuum check valve)

체크밸브는 진공 배력 장치와 흡기 다기관을 연결하는 호스에 설치된다. 체크밸브는 형성된 진공을 저장하고, 동시에 일정하게 유지한다. 그리고 기관이 정지된 상태에서는 혼합기가 진공 배력 장치로 유입되는 것을 방지하는 기능을 한다.

체크밸브는 흡기 다기관 근처에 수직으로 설치하는 것이 좋으나, 기관의 복사열에 의한 영향을 받지 않아야 한다. 체크밸브에 표시된 화살표가 진공원을 향하도록 설치하여야 한다.

5) 제동 보조 시스템(Braking Assistant System)

이 시스템은 위급한 상황에 급제동할 때, 최대의 배력 효과를 발휘하여 제동거리를 단축시키는 역할을 한다. 많은 운전자들이 위태로운 상황에서 급제동을 하지만, 브레이크페달을 충분히 밟지는 못하는 것으로 나타나고 있다. 따라서 제동거리가 길어져 충돌사고를 일으킬 수 있다.

① BAS의 구조

다음과 같은 부품으로 구성되어 있다.

㉠ BAS ECU

㉡ 스위칭 솔레노이드

㉢ 페달 행정 센서

㉣ 릴리스 스위치

② BAS의 작동원리

브레이크 페달의 운동은 페달 센서의 저항의 변화로 나타난다. 저항값의 변화는 BAS ECU에 전송된다. ECU가 브레이크페달이 갑자기 작동했다는 것을 감지하면(예를 들면 비상제동 시), 스위칭 솔레노이드 밸브를 작동시킨다. 그러면 배력 장치의 대기 포트가 더 크게 열려 작동실에 대기(大氣)를 추가로 공급하게 된다. 이를 통해 배력 장치는 자신의 성능을 100% 발휘하여, 큰 배력을 생성하게 된다. 브레이크는 정말 제동되지만, ABS 시스템이 휠이 잠기는(lock) 것을 방지한다. 브레이크 페달에서 발을 떼면, 페달은 자신의 초기 위치로 복귀하고, 스위칭 솔레노이드는 릴리스 스위치에 의해 스위치 ‘OFF’ 된다.

데이터 교환을 위해 BAS ECU는 다른 제어시스템의 ECU(예 : ABS, TCS, ESP)와 CAN-버스를 통해 연결되어 있다.

ECU가 고장을 감지하면, BAS는 스위치 ‘OFF’ 된다. 운전자는 계기판의 경고등을 통해 고장을 확인할 수 있다.

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 여들 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘브레이크 진공 배력 장치’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 아홉 번째 시간으로 ‘유압식 배력 장치’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 자동차 ‘제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

차동 장치의

기계식 브레이크 [Mechanical brake]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘제동 장치’의 일곱 번째 시간으로 ‘기계식 브레이크’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

유압브레이크를 사용하는 최신 자동차들에도 주차브레이크로, 그리고 2륜 자동차 및 1축 트레일러(trailer)에는 주제동 브레이크로서 기계식 브레이크가 사용되고 있다.

제동력 전달효율은 비교적 낮다(약 50% 정도). 특히 겨울철에는 습기와 결빙에 의해 조작하기 어렵게 되거나 조작 기구가 얼어붙는 경우도 있다.

1. 주차 브레이크 - 케이블식

파이프 또는 유연한 금속호스 속에 삽입된 강철 케이블을 사용하여 수동으로 주차브레이크를 작동시킨다. 케이블은 마찰을 감소시키고, 빙결 및 부식으로부터 보호하기 위해서 대부분 플라스틱으로 코팅한다. 케이블은 조정 스크루를 이용하여 조정한다. 그리고 1축의 좌/우 차륜 브레이크의 균형은 중간부분에 설치된 브레이크 보정레버(compensating lever)로 보정한다.

케이블식 주차 브레이크 <이미지 출처: 네이버>

2. 관성 제동 브레이크 [overrun brake]

피견인차에 사용된다. 견인차를 제동하였을 때, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 견인차를 향해 밀려간다. 이때 견인차의 견인봉에 직결된 풀-롯드(pull rod)는 피견인차의 관성력에 대항해서 압축스프링을 압착하면서 피견인차 쪽으로 밀려간다. 이에 의한 풀-롯드의 운동이 리버싱 레버(reversing lever)를 거쳐서 브레이크 케이블을 당기게 된다. 즉, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 제동된다. 오버런(overrun) 브레이크라고도 한다.

 관성 제동 브레이크 <이미지 출처: 네이버>

이상으로 이번 시간에는 ‘제동 장치’ 일곱 번째 시간으로 제동(브레이크) 장치 중에서 ‘기계식 브레이크’에 대하여 간단하게 알아봤습니다. 다음 시간에는 ‘제동장치’ 여들 번째 시간으로 ‘브레이크 배력장치’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 이 포스팅이 여러분들의 자동차 ‘제동 장치의 이해’로 자동차 관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.