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.