행복남의 일상

유압 브레이크 [Hydraulic brake]의

7. 브레이크 패드 [brake pad]

이번 시간에는 앞 시간에 이어서 ‘유압 브레이크의’의 여섯 번째 시간으로 ‘브레이크 패드’와 ‘브레이크액’에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

브레이크 패드(또는 라이닝)의 재료는 마찰력을 발생시키면서도, 소착(燒着)을 방지할 수 있어야 한다. 드럼 브레이크에서는 라이닝을 슈에 접착시키거나 리벳팅(revetting)한다. 디스크 브레이크에서는 철판에 패드를 접착시킨다.

디스크 브레이크의 패드에는 마모 지시용 전기접점을 설치할 수 있다.

프릭사 그랜드카니발 (전) 패드

브레이크 라이닝(또는 패드)의 재료는 다음과 같은 특성을 갖추고 있어야 한다.

㉠ 높은 내열성, 강한 기계적 강성, 높은 내구성

㉡ 고온과 고속 슬립 상태에서도 마찰계수가 일정해야 한다.

㉢ 물이나 먼지 등에 민감하지 않아야 한다.

㉣ 열부하가 많이 걸려도 방열성이 좋고, 경화되지 않아야 한다.

㉤ 환경친화적이어야 한다.

패드(또는 라이닝)의 재료로는 주로 유기물질이 사용되지만, 고 부하용으로는 소결합금도 사용된다.

유기질 라이닝의 경우, 광물성, 금속성, 세라믹 또는 유기물질의 분말이나 섬유에 첨가제(예 : 산화철이나 활성제)와 접착제를 혼합, 성형한다. 예전에 사용하던 석면은 사용이 금지된 재료이다.

비석면 브레이크 라이닝의 재료로는 다음과 같은 것들이 주로 사용된다.

㉠ 유기물질(예 : 탄소섬유와 아라미드섬유, 접착용 수지, 수지 충전제)

㉡ 금속(예 : 강철 섬유 및 구리 가루)

㉢ 충전제로서 산화철, 운모 가루, 산화알루미늄 및 중정석(barite)

㉣ 내마모제로서 코크스 가루, 안티몬 황화물 및 흑연

㉤ 무기질 섬유(예 : 유리섬유)

브레이크 라이닝의 마찰계수는 대부분 약 0.4 정도이고, 약 800℃ 정도까지의 고온에서도 그 성능을 유지할 수 있다.

8. 브레이크액 [brake fluid]

브레이크액의 품질과 성능은 SAE J1703, SAE J1705(실리콘), ISO4925, ISO 7308(광물성) FMVSS1) section 571,116(DOT4/DOT5) 등에 규정되어 있다. 일반적으로 미연방 교통부(Department of Transportation, USA)의 DOT4와 DOT5를 준용한다.

1) DOT4에서 요구하는 특성

① 비압축성일 것.

② 비등점이 높을 것.(230~300℃)

③ 빙점이 낮을 것.(－45~－65℃)

④ 고온에서의 안정성이 높을 것.

⑤ 점도 지수가 높을 것.(온도 변화에 따른 점도 변화가 작을 것)

⑥ 장기간 사용하여도 특성이 변하지 않을 것.

⑦ 흡습성(hygroscopic property)이 낮을 것.

⑧ 내부마찰이 적고, 윤활성이 좋을 것.

⑨ 타 회사의 비교 가능한 브레이크액과의 혼합이 가능할 것.

⑩ 금속/고무제품에 대해 화학적으로 중성일 것.(부식, 연화, 팽윤 등을 유발하지 않을 것)

2) 브레이크액의 주성분 및 특성

① 브레이크액의 주성분

브레이크액의 주성분은 폴리-글리콜(poly-glycol) 결합, 또는 실리콘 기유(DOT 5SB)이며, 수분을 흡수하는 성질 즉, 흡습성이 아주 강하고, 또 약간의 산(acid)을 포함하고 있다. 현재 사용되고 있는 브레이크액의 대부분은 DOT4나 DOT5에 규정된 품질과 성능을 충족시킨다.

아주 저온에서도 ABS-시스템의 솔레노이드 밸브를 통해 브레이크액이 유동할 수 있도록 보장하기 위해서, －40℃에서의 브레이크액 점도를 규정해 두고 있다.

② 브레이크액의 흡습성 및 관리

브레이크액은 브레이크액 저장탱크의 환기구와 브레이크호스를 통해 계속적으로 공기 중의 수분을 흡수한다. 브레이크액은 2년에 약 3.5% 정도의 수분을 흡수한다. 브레이크액의 종류에 따라 차이는 있으나 일반적으로 수분의 함량이 2~3% 정도에 이르면 비등점은 크게 낮아진다.

회로 내 기포 발생은 습비등점보다 20℃ 또는 그보다 더 낮은 온도에서도 발생하는 것으로 보고되고 있다. 수분의 흡수로 비등점이 낮아지면 브레이크액은 쉽게 비등하여 브레이크 회로 내에 기포를 생성시키게 된다. 이 기포는 브레이크 압력의 전달을 방해하는 증기 폐쇄현상을 유발하여, 제동효과를 약화시킴은 물론이고, 브레이크의 응답성을 둔화시켜 사고의 원인이 된다.

아래의 그림은 ATE 사가 Stilfser-Joch-Abfahrt에서 실험한 결과는 언덕길을 하향 주행할 때 브레이크액은 180℃ 정도로 가열되고 있음을 보여준다. 이는 3% 이상의 수분을 흡수한 상태의 브레이크액이라면 증기 폐쇄현상을 충분히 유발할 수 있음을 뜻한다.

언덕길 주행시간과 디스크, 패드, 브레이크액의 온도변화 <이미지 출처: 네이버>

브레이크액은 최소한 2년에 1회, 또는 주행거리 18,000km마다 교환하도록 권장하고 있다. 브레이크액은 산(acid)을 포함하고 있으며, 또 용해제처럼 도장된 차체 표면을 손상시킨다. 그리고 독성이 강하므로 취급에 유의하여야 하며, 피부의 상처 부위에는 묻지 않도록 해야 한다.

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

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.

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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.

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.

유압 브레이크[Hydraulic brake]의

4. 마스터 실린더 [master cylinder]

마스터실린더의 기능은 다음과 같다.

① 각 브레이크회로에 압력을 형성한다.

② 온도차에 의한 브레이크액의 체적변화 및 패드의 마모에 의한 공극(air gap)을 보상한다.

③ 브레이크 작동을 급속히 해제시키기 위해, 회로압력을 신속하게 소멸시킨다.

유압브레이크 <이미지 출처: 두피디아>

1) 마스터실린더의 기본구조

탠덤(tandem) 마스터 실린더는 2개의 싱글 마스터 실린더를 연이어 접속시킨 형식이다. 즉, 1개의 실린더 내에 2개의 피스톤이 들어 있다. 운전자의 제동력이 전달되는 순서에 따라 즉, 페달 쪽 피스톤을 1차 피스톤, 안쪽에 들어 있는 피스톤을 2차 피스톤이라 한다. 1, 2차 피스톤은 모두 복동식이다. 그리고 각 피스톤의 전/후 컵씰(cup seal) 사이는 원통형의 밀폐된 공간으로서, 보충실(replenishing chamber)의 역할을 한다.

탠덤 마스터 실린더의 기본 구조 <이미지출처: 네이버>

각 피스톤에 설치된 고무제의 컵씰(cup seal)은 피스톤과는 반대로 앞쪽의 것을 1차 컵씰(primary cup seal), 뒤쪽의 것을 2차 컵씰(secondary cup seal)이라 한다.

제동할 때 1차 컵씰이 보상공(compensating port)을 지나면, 각 회로의 압력실은 곧바로 밀폐되고, 회로 압력이 형성되게 된다. 이때 필러 디스크(filler disk)는 1차 컵씰이 피스톤에 뚫린 보충 통로로 밀려드는 것을 방지한다.

1차 피스톤(페달쪽)에 설치된 2차 컵씰과 진공 컵씰은 설치방향이 서로 반대이다. 2차 컵씰은 유압측 누설을 방지하고, 진공 컵씰은 진공(배력장치) 측로부터의 진공유입을 방지한다.

2차 피스톤(안쪽 피스톤)에 설치된 2차 컵씰과 분리 컵씰(cup)도 설치방향이 서로 반대이다. 1차 컵씰과 같은 방향으로 설치된 2차 컵씰은 보충실의 기밀을 유지하고, 1차 컵씰과 반대방향으로 설치된 분리(고압) 컵씰은 다른 회로의 압력실을 형성한다. 즉, 두 회로를 완전히 분리시키는 기능을 한다.

1차 피스톤과 2차 피스톤은 스프링을 사이에 두고 연결 볼트에 의해 연결되어 있다. 즉, 1차적으로 강체연결과 같다. 따라서 1차 피스톤과 2차 피스톤 사이에는 항상 일정한 간격이 유지된다.

2) 마스터실린더의 작동원리

① 초기 위치(release position)

피스톤은 각각 스프링에 의해 스토퍼에 밀착되어 있다. 이때 각 1차 컵씰들은 각각 자신의 보상공을 막지 않아야 한다. 따라서 2개의 압력실은 모두 각각의 보상공을 통해 브레이크액 저장탱크와 연결되어 있다. 브레이크액 저장탱크와 압력실 사이에 브레이크액의 유동이 가능하므로, 브레이크액의 가열 또는 냉각에 의한 체적 보상이 자연스럽게 이루어진다.

1차 컵씰의 초기 위치 설정이 잘못되었거나, 또는 오염에 의해 보상 공이 막히면, 체적 보상작용이 이루어질 수 없게 된다. 이 경우 브레이크액이 가열, 팽창되면 브레이크페달을 밟지 않은 상태에서도 제동 현상이 나타날 수 있다.

② 제동 중

브레이크페달을 밟으면 먼저 1차 피스톤이 밀려간다. 그러면 1, 2차 피스톤 사이에 압착된 상태의 스프링은 1차 피스톤의 운동을 곧바로 2차 피스톤에 전달한다. 따라서 2개의 피스톤 각각에 설치된 1차 컵씰은 동시에 각각의 보상공을 지나, 압력실을 밀폐시킨다. 그러면 2개의 제동 회로에는 동시에 제동 압력이 형성된다.

③ 리턴(return) 시

브레이크페달에서 급격히 발을 떼면, 스프링은 피스톤을 초기 위치로 급속히 다시 복귀시킨다. 그러므로 이때 압력실 내부는 순간적으로 부압 상태가 된다. 그러면 1차 컵씰은 휘어지고, 1차 컵씰 뒤쪽에 설치된 필러 디스크도 약간 휘어지게 된다. 그러면 피스톤에 뚫린 보충 통로를 통해 보충실의 브레이크액이 압력 실로 밀려들어 가게 된다. 따라서 브레이크는 급속히 풀리고, 동시에 휠 실린더를 통해 유압회로에 공기가 유입되는 흡인 작용을 방지할 수 있다.

④ 회로 1이 파손되었을 때

회로 1이 파손된 상태에서 제동하면, 1차 피스톤은 연결 볼트가 2차 피스톤에 밀착될 때까지 밀려가게 된다. 페달 거리는 길어지지만 물리적인 페달 답력은 직접 2차 피스톤에 작용하여 정상적으로 작동하는 회로 2에 제동력을 발생시키게 된다.

⑤ 회로 2가 파손되었을 때

회로 2가 파손된 상태에서 제동시키면, 먼저 2차 피스톤이 스토퍼에 밀착될 때까지 2개의 피스톤은 그냥 밀려간다. 2차 피스톤이 스토퍼에 접촉, 정지되면 그때부터 정상적인 1차 피스톤 회로에 압력이 형성되게 된다. 페달 거리는 역시 길어진다.

3) 계단식 탠덤 마스터 실린더(stepped tandem master cylinder)

이 형식의 특징은 2차 피스톤의 직경이 1차 피스톤의 직경보다 작다는 점이다. 앞/뒤 차축으로 분리된 브레이크 회로를 채용한 자동차에 사용된다. 뒤차축 유압회로는 직경이 작은 2차 피스톤에 의해 작동된다. 두 회로가 모두 정상일 경우에는 두 회로의 유압은 서로 같다.

앞차축 브레이크 회로가 파손되었을 경우에는 2차 피스톤에 직접 운전자의 물리적인 힘(페달 답력)이 작용하게 된다. 그러면 피스톤 단위면적에 작용하는 힘은 정상일 때보다 증가하게 된다. 따라서 뒤차축 브레이크 회로의 유압은 증가하게 된다.

뒤차축 브레이크 회로가 파손되었을 경우에는 페달 답력이 두 피스톤의 단면적 차이에 해당하는 면적에 작용하는 결과가 된다. 따라서 정상상태인 앞차축 회로의 유압은 증가하게 된다.

결과적으로 한 회로가 파손되면, 나머지 정상상태의 한 회로의 압력이 증가하므로 제동력 부족을 보완할 수 있다는 점이 특징이다.

4) 센트럴 밸브식 탠덤 마스터 실린더(tandem master cylinder with central valve)

ABS(anti-lock brake system)가 장착된 자동차에 사용하며, 보상공(compensation port)의 기능을 피스톤에 설치된 센트럴 밸브가 대신한다. 센트럴 밸브는 일반 탠덤 마스터 실린더는 물론 계단식 탠덤 마스터 실린더에도 설치할 수 있다. 2차 피스톤에만 센트럴 밸브를 설치하는 형식이 대부분이다.

2차 피스톤에는 세로방향으로 길게 슬릿(slit)이 가공되어 있고, 슬릿이 끝나는 점은 센트럴 밸브가 설치되는 통로와 연결되어 있다. 그리고 슬릿에는 실린더 핀이 끼워지고 이 핀은 마스터 실린더에 고정되어 있다. 따라서 피스톤은 실린더에 구속되어 있다. 또 실린더 핀은 센트럴 밸브의 스토퍼로서도 기능한다. 즉, 센트럴 밸브가 실린더 핀에 접촉하면 센트럴 밸브는 열린다.

① 초기(rest) 위치

피스톤 스프링은 1, 2차 피스톤을 각각의 스톱에 대항하여 장력을 가하고 있다. 1차 피스톤의 1차 컵씰은 보상공을 가리지 않는 위치에 있고, 2차 피스톤은 스톱-핀의 전방에 위치해 있다. 따라서 센트럴 밸브는 스톱-핀에 의해 열려 있기 때문에 2차 피스톤을 통한 체적 보상작용은 원활하게 이루어진다. 즉, 마스터 실린더 내의 두 압력실은 브레이크액 탱크와 연결되어 있다. 예를 들면 온도차에 의한 브레이크액의 체적팽창은 보상된다. 1차 피스톤의 초기 위치가 틀리거나 또는 오염에 의해 보상공이 막히면, 브레이크액의 보상작용은 보장되지 않는다.

② 제동(braking)

브레이크페달을 밟을 때, 1차 피스톤의 1차 컵씰이 보상공을 지나면 1차 피스톤 회로에 압력이 형성되고, 이어서 2차 피스톤의 센트럴 밸브가 스톱핀으로부터 밀려나 닫히게 된다. 그러면 2차 피스톤 회로에도 압력이 형성되게 된다.

③ 복귀 과정(releasing the brake)

브레이크 페달에서 발을 떼면, 유압과 피스톤 스프링의 장력에 의해 피스톤들은 뒤로 밀려나게 된다. 이때 1차 피스톤의 1차 컵씰은 브레이크액 탱크로부터 브레이크액이 1차 피스톤 회로로 밀려들어오게 한다. 2차 피스톤은 초기 위치로 복귀하게 된다. 그러면 2차 피스톤에 설치된 센트럴 밸브가 스톱-핀에 의해 열린다. 압력은 낮아지고 브레이크의 제동은 풀리게 된다.

5) 잔압 밸브(residual check valve : Vordruckventil)

드럼브레이크의 휠 실린더에 컵씰(cup seal)이 사용될 경우에는 브레이크 회로에 잔압 밸브를 필요로 한다. 잔압 밸브는 초기 상태(release) 즉, 브레이크페달을 밟지 않은 상태에서도 회로 압력을 약 0.4bar에서 1.7bar 정도로 유지하는 역할을 한다. 따라서 컵씰(cup seal)은 적당한 압력으로 휠 실린더 벽에 밀착되어, 공기의 유입을 방지한다.

오늘날은 대부분 피스톤 씰(piston seal) 또는 익스팬더(expander) 식 컵씰을 사용하므로, 잔압을 유지시킬 필요가 없다. 따라서 잔압 밸브가 생략되고, 대신 그 위치는 스로틀(throttle)로 처리된다. 스로틀(throttle)은 브레이크를 급속히 해제시킬 때 공기가 유입되는 것을 방지하고, 또 브레이크페달을 이용한 공기 빼기 작업을 가능하게 한다.

잔압 밸브는 하나의 복동식 밸브이다. 제동할 때 유압은 약한 스프링 장력에 의해 밸브시트에 밀착되어 있는 볼(또는 원추형) 밸브를 밀어낸다. 그러면 마스터 실린더에서 생성된 유압은 휠 실린더에 전달되게 된다.

브레이크페달에서 발을 떼면 마스터 실린더의 유압은 급속히 소멸된다. 그러나 브레이크 파이프 내의 압력은 상대적으로 높다. 그러므로 브레이크 회로 압력에 의해 베이스 밸브(base valve)가 열리게 된다. 베이스 밸브는 회로 압력이 잔압 수준으로 낮아질 때까지 열려있게 된다. 스프링 장력과 회로 압력이 같아지면 베이스 밸브는 닫히고, 회로 압력은 그 수준을 그대로 유지하게 된다.

잔압 밸브는 브레이크 파이프 또는 마스터 실린더와 브레이크 파이프의 연결부에 조립할 수 있다. 종전에는 대부분 마스터 실린더 내에 잔압 밸브를 설치하였다.

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

유압 브레이크 [Hydraulic brake]

유압 브레이크가 발명되기 전에는 다양한 브레이크 시스템으로 레버 및 패드 시스템이 사용되었다. 하지만 모든 바퀴가 동일한 제동 능력을 갖기 위해 레버 및 패드를 정기적으로 조정해야 하는 문제점이 있었다. 이를 개선하여 1918년 말콤 로히드가 발명한 유압 브레이크는 이 문제를 해결하였으며 훨씬 더 섬세하게 반응하는 제동 능력을 제공하였다.

유압 브레이크는 브레이크 페달과 브레이크 패드 자체에 연결된 일련의 피스톤으로 작동된다. 이러한 피스톤들은 비압축성 액체(초기에는 물과 알코올의 혼합물이었음)의 중앙 저장소에 의해 상호 연결된다. 피스톤 직경의 차이는 시스템 내의 동일한 압력이 브레이크 페달에 적용되는 힘과 관련된다. 즉, 피스톤 직경이 크면 브레이크 페달에 적용되는 힘이 커진다. 이로 인해 브레이크가 훨씬 더 단단히 작동하므로 자동차가 더 빨리 정지할 수 있었다.

1. 유압 브레이크의 기본 구조

마스터 실린더(master cylinder)에 부가된 배력 장치(booster)는 페달 답력을 배가시켜 충분한 제동력이 발생되도록 한다. 그리고 제동안정성을 개선하기 위해, 일부 브레이크 회로에는 제동력 조절기(braking force regulator)를 설치하기도 한다.

승용 자동차의 휠 브레이크는 일반적으로 앞 차축에는 디스크 브레이크(disc brake), 뒤 차축에는 드럼 브레이크(drum brake) 또는 요즘엔 대부분의 차종이 앞뒤 디스크 브레이크를 사용하고 있다. 반면에 대형 화물자동차에는 대부분 모든 차륜에 드럼 브레이크를 사용한다.

유압 브레이크의 기본구조 [출처: 네이버]

제동장치의 안정성을 높이기 위해, 오늘날 대부분의 자동차들은 탠덤(tandem) 마스터 실린더를 이용하는, 2-회로 브레이크(2-circuit brake)를 사용한다. 한 회로가 고장일 경우에도 나머지 한 회로에 의해 자동차는 제동된다.

2. 유압 브레이크의 작동원리

유압 브레이크는 파스칼 원리(Pascal’s principle)를 응용한 장치이다. 완전히 밀폐된 액체에 작용하는 압력은 어느 점에서나, 어느 방향에서나 일정하다.

브레이크페달을 밟으면 운전자의 답력은 마스터실린더의 피스톤을 거쳐, 마스터 실린더 내의 밀폐된 브레이크액에 즉시 전달된다. 이 힘에 의해 마스터 실린더 내의 브레이크액에는 압력이 생성된다. 이 압력은 파스칼 원리에 따라 브레이크 파이프를 거쳐 각 휠 실린더에, 그리고 다시 휠 실린더(또는 캘리퍼) 피스톤에 전달된다. 휠 실린더(캘리퍼) 피스톤에 전달된 압력은 다시 브레이크 슈(shoe)(또는 패드(pad))를 작용시키는 확장력(또는 압착력)으로 변환된다.

액체를 이용하여 힘을 전달할 경우, 힘의 증폭이 용이하다. 유압 브레이크는 고압으로 작동되므로 제동장치 구성부품의 크기, 예를 들면 휠 실린더의 직경이 작아도 큰 힘을 얻을 수 있다.

또 브레이크액은 비압축성이므로 공극(air gap)이 작다면, 적은 유량으로도 여러 개의 휠 실린더를 동시에 작동시킬 수 있다. 즉, 브레이크페달을 밟으면 회로 압력은 급속히 상승하고, 이 압력에 의해 각 휠 실린더의 피스톤도 즉시 작동하여 각 차륜에 제동력을 발생시키게 된다.

 출처: 두피디아

3. 브레이크 회로 배관 방식

자동차는 안전상의 이유 때문에 2-회로 브레이크를 사용한다. 회로 배관 방식은 다양하지만, 대체적으로 많이 사용하는 형식은 다음과 같다.

1) 앞/뒤 차축 분배식(front/rear axle split)

앞 차축과 뒤 차축의 브레이크 회로가 각각 독립되어 있다. 예를 들면 앞 차축 회로가 고장일 경우에도 뒤 차축 회로는 제동능력을 유지한다. 물론 그 반대도 성립한다.

이 방식에 계단식 탠덤 마스터 실린더를 사용하면 뒤 차축의 제동력 조절밸브를 생략할 수 있으며, 또 한 회로가 고장일 경우에도 페달 답력을 증가시키지 않고도 나머지 한 회로의 유압을 증가시킬 수 있다.

이 방식은 모든 차륜이 드럼 또는 디스크 브레이크일 경우, 그리고 앞 차축에 디스크 브레이크, 뒤 차축에 드럼브레이크가 설치된 경우에 사용할 수 있다. 제동력의 배분은 앞 차축에 60~70%, 뒤 차축에 30~40% 범위가 대부분이다. 대형차량에 많이 사용한다.

2) X-형 배관 방식(diagonal split)

앞바퀴와 뒷바퀴를 각기 하나씩 X자형으로 연결한 방식이다. 전륜구동방식(FF) 자동차에서 부의 킹핀 오프셋(negative kingpin offset)인 경우, 주로 이 방식을 사용한다. 회로 당 제동력 배분은 50% : 50%가 된다.

3) 4-2 배관방식(front axle and rear axle)

잘 사용되자 않는 방식으로 한 회로는 모든 차륜과 연결하고, 나머지 한 회로는 앞 차축 좌/우 차륜에만 배관한 형식이다. 한 회로가 파손되었을 때 제동력 분배차가 크다. 제동력 배분은 예를 들면 35% : 65%가 된다.

4) 3각 배관 방식(front axle and rear wheel)

앞 차축 좌/우 차륜과 뒤 차축의 어느 한쪽 차륜을 연결한 형식이다. 한 회로가 고장일 경우에 최소한 50%의 제동력을 유지할 수 있으며, 앞 차축 좌/우 차륜에는 항상 균일한 제동력이 작용한다.

5) 4-4 배관 방식(all wheel/all wheel split)

회로마다 각각 모든 차륜을 연결한 형식으로서, 각 차륜에 2개의 브레이크 회로가 독립적으로 갖추어져 있다. 이상적이지만 고가(高價)이기에 아주 고급차가 아니면 사용하지 않는다. 제동력 배분은 50% : 50%이다. 한 회로가 파손되더라도 나머지 회로에는 최소한 50%의 제동력이 전/후, 좌/우 차륜에 균일하게 배분된다.

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