행복남의 일상

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.

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.

유압 브레이크 [Hydraulic brake]의

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.