행복남의 일상

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.