제동장치

제동장치의 개요

• 주행 중인 자동차의 속도를 조절하거나 주차 시 차량이 움직이지 않게 하는 등 안전과 직결된 중요한 장치
• 주행 중 브레이크 페달을 밟으면 회전하는 휠의 운동 에너지가 브레이크 장치의 마찰을 통해 열 에너지로 변환되어 공기 중에 발산되면서 제동한다.
  • 발생한 열을 얼마나 빠르게 처리하는가에 따라 브레이크 성능이 결정된다.

제동장치의 조건

• 차량의 최고 속도 및 차량 중량에 대해 충분한 제동 능력을 갖추고 있어야 한다.
  • 차량이 빠를수록, 무거울수록 운동에너지가 커져 제동이 어렵다.
• 작동이 확실하고 제동장치의 바퀴에 걸리는 제동력은 규정 이상일 것
  • 고온 고압 환경에서 반복적으로 사용하기 때문에 신뢰성과 내구성이 커야 한다.
• 사고 발생 상황을 고려하여 브레이크 페달 조작이 간단하고 운전자에게 피로감을 주지 않아야 한다.

제동장치의 종류

1. 주제동 브레이크 (service brake)
   • 페달을 밟아 차량을 감속 또는 정지
   • Foot brake
   • 조작력 전달을 위해 유압, 공압을 이용한다.
2. 주차 브레이크 (parking brake)
   • 페달을 밟거나 레버를 당겨 차량을 정지 상태로 유지
   • 조작력은 로드(rod)나 와이어(wire)를 통해 브레이크에 전달된다.
     • 최근에는 로드나 와이어 대신하여 전기적으로 작동하는 방식도 사용되고 있다.
3. 보조 브레이크 (retarding brake)
   • 내리막길이나 급 커브길 등에서 주제동 브레이크를 보조하는 장치
     • 주제동 브레이크의 제동력 보조 또는 주제동 브레이크 보호 역할
   • 제3 브레이크
   • 대형 트럭에서는 배기관을 강제로 막아 엔진 회전수를 떨어뜨려 제동한다.
   • 와전류 감속기나 공기저항 감속기 등을 이용하여 제동한다.

제동장치의 구성

• 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 진공 부스터(배력장치)를 통해 가압된 오일이 마스터 실린더를 통해 각 브레이크 장치의 휠 실린더에 제공되어 차량이 제동된다.
• 승용차의 휠 브레이크
  • 앞바퀴: 디스크 브레이크
  • 뒷바퀴: 드럼 브레이크나 디스크 브레이크
• 대형 화물차의 휠 브레이크
  • 모든 바퀴에 드럼 브레이크를 사용한다.

유압 제동장치

유압: 승용차 브레이크 페달 밟는 힘을 전달하는 매체

• 장점
  • 제동력이 모든 바퀴에 동일하게 작용된다. (파스칼의 원리)
  • 브레이크 패드 면적을 키우면 브레이크 작동력이 높아져, 페달 밟는 힘이 작아도 된다.
  • 마찰에 의한 손실이 작다.
• 단점
  • 유압회로가 파손되어 오일이 누출되면 제동 기능이 떨어진다.
  • 유압회로 내부에 공기가 들어가면 제동력이 감소한다.
• 유압 제동장치의 구조
  • 배력장치, 마스터 실린더, 배관(고압의 오일 전달)으로 구성된다.
  • 파스칼의 원리 이용
    1. 페달을 밟아 마스터 실린더의 피스톤에 유압을 가한다. 압력은 브레이크 파이프를 따라 각 브레이크 휠 실린더로 압송된다.
    2. 압송된 유압에 의해 휠 실린더가 확장하면 브레이크 패드를 디스크에 압착한다.(디스크 브레이크) 드럼 브레이크는 브레이크 슈를 드럼에 압착시켜 브레이크를 제동한다.
    3. 브레이크 페달을 떼면 유압이 낮아져 리턴 스프링 힘에 의해 원래 상태로 돌아가며 제동력이 낮아진다.

마스터 실린더 및 배력장치

마스터 실린더

• 유압 브레이크 시스템에서 브레이크 페달을 밟을 때 유압을 발생시키는 장치
  • 본체는 주철이나 알루미늄 합금으로 만든다.
• 탠덤 마스터 실린더
  • 피스톤이 1개인 싱글 마스터 실린더에 비해 흔히 사용된다.
  1. 브레이크 페달을 밟아 푸시로드에 힘을 가하면 1차 피스톤이 밀려간다.
  2. 1차 피스톤과 2차 피스톤 사이에 압착된 상태의 스프링은 1차 피스톤의 운동을 2차 피스톤에 전달한다.
  3. 브레이크액 탱크와 실린더 사이의 포트가 닫히면 실린더 내 오일이 압축된다.
  4. 압축된 오일이 브레이크 파이프를 따라 각 브레이크 휠 실린더로 압송된다.
  5. 디스크 브레이크의 캘리퍼나 드럼 브레이크의 브레이크 슈를 작동시킨다.

배력장치

• 브레이크 페달을 밟을 때 답력(밟을 때 들어가는 힘)을 증대시킨다.
• 진공식 배력장치
  • 엔진 흡입행정에서 발생하는 진공과 대기압의 차압을 이용한다.
  • 브레이크 페달과 마스터 실린더 사이에 설치된다.
  1. 브레이크 페달을 밟으면 진공 밸브가 닫힘과 동시에 공기 밸브가 열린다.
  2. 실린더 우측에 외부 공기가 들어와 배력장치 내부에 압력차가 발생한다.
  3. 압력차에 의해 피스톤이 좌로 눌려지면서 푸시로드에 힘이 전달된다.
  4. 마스터 실린더 피스톤이 왼쪽으로 이동하여 오일의 압력을 높인다.
  5. 브레이크 페달을 놓으면 리턴 스프링 힘에 의해 원래 위치로 되돌아온다.
• 압축공기식 배력장치
  • 압축공기의 압력을 이용한다.
  • 동력조향장치용 유압펌프에서 토출되는 유량 일부를 축압기에 고압으로 저장해두고 제동할 때 배력작용을 위해 사용한다.
  • 동력조향장치 기능에 영향을 미치지 않으면서 축압기 유압을 고압으로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
  • 고압 오일펌프, 압력제어식 유량밸브, 유압축암기, 오일저장탱크 등으로 구성된다.
• 유압식 배력장치
  • 유압을 이용한다.
  • 장점(진공식 배력장치 대비)
    • 설치공간을 크게 차지하지 않는다.
    • 엔진 부하에 변동 없이 균일하고 큰 배력을 얻을 수 있다.
    • 응답시간이 짦아 페달을 밟았을 때 민감한 제동이 가능하다.
    • 엔진 정지 상태에서도 약 10회 정도 배력을 얻을 수 있다.

제동장치의 배관회로

• 자동차의 제동장치는 신뢰성과 안전성을 위해 유압 배관을 둘로 분할하여 사용한다.
  • 후륜구동 차량은 앞뒤 분할, 전륜구동 차량은 대각선 분할 방식
  • 유압 시스템을 분할하여 차량의 안전성 향상
• 앞뒤 분할 방식
  • 앞 차축과 뒤 차축의 브레이크 회로가 독립되어 있다.
  • 앞(뒤) 차축 회로가 고장나도 뒤(앞) 차축 회로 제동 능력을 유지한다.
  • 제동력은 앞 차축에 60~70%, 뒤 차축에 30~40%로 배분한다.
  • 대형차량에 많이 사용된다.
• 대각선 분할 방식
  • 앞 바퀴와 뒷 바퀴를 각기 하나씩 X 형으로 연결한 방식
  • 전륜구동방식 자동차에서 음의 킹펜 오프셋인 경우 사용된다.
  • 제동력은 동일하게 배분한다.

제동장치의 이상 현상

운행 중인 차량의 빈번한 브레이크 작동은 고온 등 장치의 문제를 일으킨다.

• 페이드(fade) 현상
  • 브레이크 패드가 과열 되며 마찰계수가 저하되어 제동이 잘 안 되는 현상
  • 디스크 브레이크는 마찰 면의 온도가 300℃를 넘는 경우가 발생한다.
  • 드럼 브레이크는 마찰 면의 온도가 200℃를 넘는 경우가 발생한다.
  • 계속적인 내리막길에서는 주제동 브레이크와 보조 브레이크(엔진 브레이크나 배기 브레이크)를 병용해서 주제동 브레이크의 부담을 줄여야 한다.
• 베이퍼 록(vapor lock) 현상
  • 제동장치의 작동유체로 사용되는 브레이크액에 수분이 혼입되어 이 수분이 증발하면서 기포가 발생해 제동이 잘 되지 않는 현상
    • 브레이크의 제동력은 브레이크 액으로 충전된 마스터 실린더에 있는 피스톤을 통해 생성된다.
  • 브레이크 액의 끓는점은 보통 200℃ 전후이기 때문에 브레이크 작동 중에 끓는 일은 거의 없다.
  • 친수성인 브레이크 액에 공기 중 수분이 혼입되면 수분이 100℃에 증발되어 기포가 발생하고 유압이 전달이 안되어 제동이 잘 안 된다.
  • 4만~5만 km 주기로 브레이크 액을 교환하고 정기적으로 점검해야 한다.

디스크 브레이크 및 드럼 브레이크

마차에서 유래된 초창기 자동차는 바퀴를 누르는 간단한 브레이크가 장착되어 있었다. 그러나 브레이크 성능이 낮은 상태의 자동차는 위험하기 때문에 빠른 속도로 주행할 수 없기 때문에 많은 연구가 진행되었다. 현재 주 제동장치로 사용하는 방식으로는 디스크 브레이크와 드럼 브레이크가 있다.

디스크 브레이크

• 타이어와 함께 회전하는 디스크를 제동하는 방식
• 디스크, 냉각통로, 패드, 캘리퍼, 유압 피스톤 등으로 구성된다.
  • 디스크는 방열을 위해 내부를 비우는 벤틸레이티드 디스크가 주로 사용된다.
• 유압 제동장치를 통하여 유압 피스톤에 압력이 가해지면 피스톤 끝단의 패드가 회전하는 디스크에 밀착되며 마찰력으로 디스크를 제동한다.
  • 마찰부는 고온 고압 상태이므로 패드는 마찰열에 대한 안정성과 내마모성이 요구된다.
• 승용차 제동장치로 사용된다.
• 브레이크 패드를 디스크에 밀착시키는 기구인 캘리퍼의 형식에 따라 고정 캘리퍼형과 부동 캘리퍼형이 있다.
  • 고정 캘리퍼형: 디스크 양쪽에 피스톤이 각각 설치
    • 양쪽에서 패드를 디스크에 압착하여 제동
    • 상대적으로 무겁고 패드의 단면적이 작다.
  • 부동 캘리퍼형: 피스톤이 캘리퍼의 한쪽에만 설치되는 타입
    • 피스톤이 패드를 압착하고, 그 반력에 의해 캘리퍼가 이동하여 반대편 패드도 디스크를 압착하여 제동
    • 부품 수가 적고 가벼우며 설치 공간이 작다.
• 장점
  • 디스크가 노출되어 있고 디스크에 냉각통로가 있어서 방열이 잘 된다.
  • 페이드 현상 발생 빈도가 적다.
  • 브레이크 장치가 노출되어 있어 디스크 패드 교환이 용이하다.
  • 제동력은 작으나 제동력 편차가 적다.
• 단점
  • 마찰 면적이 작아 패드에 가하는 힘이 커야 한다.
  • 외부에 노출되어 있어 오염 물질 유입이 쉽다.

드럼 브레이크

• 회전하는 드럼을 제동하는 방식
• 제동력은 크기만 구조상 마찰열의 방출이 어렵다.
• 페이드 현상이 일어나기 쉽다.
• 작동 순서
  1. 브레이크 페달을 밟으면 마스터 실린더에서 유압이 발생
  2. 유압이 휠 실린더로 전달되어 브레이크 슈를 바깥쪽으로 밀친다.
  3. 브레이크 라이닝과 드럼 사이에 마찰이 생기면서 제동한다.
  4. 브레이크 페달을 떼면 마스터 실린더 유압이 해제되어 리턴 스프링이 브레이크 슈를 제자리로 복귀시킨다.

자기배력작용

• Self-energizing action: 드럼 브레이크의 가장 중요한 특징
• 회전하는 드럼을 제동하면 드럼과 브레이크 슈에 붙어 있는 라이닝 사이 마찰력 때문에 브레이크 슈를 회전시키려는 토크가 발생한다.
  • 토크에 의해 드럼과 더 밀착하면 브레이크 라이닝을 드럼에 미는 확장력 증대
    • 실린더에서 공급된 확장력에 의한 마찰력보다 실제 마찰력이 커진다.(자기배력작용)
    • 자기배력작용을 하는 슈를 리딩 슈라고 한다. 자기배력작용을 하지 않는 슈를 트레일링 슈라고 한다.
    • 리딩 슈는 제동력이 1.5~2.5배 정도 증가하고 트레일링 슈는 0.6~0.8배 정도 감소한다.
  • 토크가 드럼을 밀착시키는 것을 방해하면 확장력 감소

브레이크 패드(라이닝)의 요구 조건

• 높은 내열성, 강한 기계적 강성, 높은 내구성
• 고온과 고속 슬립 상태에서도 마찰계수가 일정해야 한다.
• 물이나 먼지에 민감하지 않아야 한다.
• 열부하가 많이 걸려도 방열성이 좋고 경화되지 않아야 한다.
• 마모로 인해 발생하는 가루는 인체에 무해하고 환경 친화적이어야 한다.
• 브레이크 패드와 디스크, 브레이크 라이닝과 드럼 사이의 마찰계수는 보통 0.4 정도이다. 800℃에서도 그 성능을 유지해야 한다.

제동 장치의 종류

주차 브레이크

• 자동차를 주차할 때 차량을 움직이지 않게 고정시키는 장치
• 레버를 잡아 당기거나 페달을 밟으면 와이어가 당겨지면서 기계적으로 브레이크를 작동시켜 제동한다.
  • 최근 전기적 방식도 등장
• 승용차는 차량의 전륜이나 후륜에 장착
• 대형 차량 센터 브레이크는 구동축에 브레이크 장치를 장착하여 구동바퀴를 정지상태로 유지한다.
• 주차 브레이크 종류
  • 일체형 주차 브레이크: 주제동 브레이크와 공통 부품을 공유하는 형태
  • 독립형 주차 브레이크: 주제동 브레이크와 부품을 별도로 사용하는 형태
• 일반 주행 시 브레이크 슈가 드럼과 접촉하지 않지만 레버를 당기거나 페달을 밟으면 브레이크 내부 레버가 당겨지며 슈를 밀면서 차량을 고정시킨다.

보조 브레이크

• 마찰 없이 차량을 제동하는 장치로 제3 브레이크, 감속 브레이크라고 한다.
  • 주제동 브레이크(풋 브레이크)는 마찰력을 이용해 제동한다.
• 긴 언덕을 내려갈 때 주제동 브레이크와 함께 작동한다.
  • 주제동 브레이크 부하를 감소시켜 주제동 브레이크를 보호하는 역할
  • 정상적인 감속을 위해 주제동 브레이크 대신 사용할 수도 있다.
• 엔진 브레이크, 배기 브레이크, 유압 감속기, 와전류 감속기, 공기저항 감속기 등이 있다.
  1. 엔진 브레이크
     • 엔진과 변속기의 저항을 이용해 차량 속도를 감속한다.
     • 자동 변속기: 내리막 길에서 기어 단수를 D에서 점차 낮추면 엔진 회전수는 올라가고 차량 속도가 줄어들어 안전한 감속이 가능하다.
  2. 배기 브레이크
     • 대형 트럭에 장착된 보조 브레이크
     • 배기관을 강제로 막아 엔진 회전수를 떨어뜨려 제동한다.
     • 배기 플랩에 연결된 작동 실린더를 압축공기로 조작하는 방법

전자제어 제동장치

• 급제동, 급발진, 바퀴 미끄러짐을 센서로 감지한 후 ECU에 센서 신호를 보내 차량을 안전하게 제어하는 장치
  • ECU로부터 명령을 받은 모듈레이터가 브레이크의 유압을 제어한다.

1. ABS(Antilock brake system): 제동 중 바퀴가 잠기는 것을 방지
   • 급제동 시 바퀴가 굴러가지 않은 상태로 미끄러지는 경우 방향을 제어할 수 없게 된다.
   • ABS는 차량이 급제동 할 때 바퀴가 잠기는 현상을 방지하여 사고를 예방한다.
   • 조향성, 방향 안정성이 향상되고, 제동거리가 단축된다.
   • 급제동 시 타이어가 편마모되는 것을 방지할 수 있다.
   • 작동 원리
     • 차량이 급제동을 하면 각 타이어의 미끄러짐을 각 바퀴의 바퀴속도센서로 감지한다.
     • 감지된 신호를 ECU로 보내면 모듈레이터에서 브레이크 유압을 제어하여 각 바퀴의 미끄러짐이 일정 값을 초과하지 않을 때까지 자동으로 제동을 반복한다.
     • 바퀴속도센서는 차륜의 회전속도와 같은 속도로 회전하는 펄스 링과 짝을 이룬다.
     • 센서는 끝단에 자장을 갖고 있어 각 톱니가 자장을 통과할 때 생성된 전압 신호는 ABS 제어 모듈에 보내진다.
     • 제어모듈은 1초당 전압 신호 수를 세고 바퀴가 얼마나 빨리 회전하고 있는지 나타낸다.
2. TCS(Traction control system): 급발진하거나 가속할 때 바퀴가 헛도는 현상 방지
   • 미끄러지기 쉬운 노면에서 차량을 급출발하거나 가속할 경우 구동력을 제어하여 바퀴가 헛도는 것을 방지한다.
   • 연료 분사량, 점화시기, 스로틀 밸브 등을 조절하여 엔진 출력을 떨어뜨리는 시스템
   • 구동 바퀴에 브레이크를 걸어 직접 제동하는 시스템
   • ABS와 많은 부품을 공유하고 있다.
3. ESP(Electronic stability program): 선회 시 궤적을 벗어나 옆으로 미끄러지는 것을 방지
   • 급제동, 선회 시 ECU에서 ABS를 제어하여 안정된 자세를 유지하게 하는 시스템
   • 선회할 때 차와 노면 상태에 따라 오버스티어링, 언더스티어링이 생기는 것을 방지한다.
   • 좌우 브레이크 제어를 통해 자세를 안정시킨다.
   • ECU는 4개의 차륜에 가속도 센서를 장착한 후 각 센서 정보를 파악하여 제동 필요성을 체크하여 제어한다.
   • 고속 선회 시 엔진도 제어해서 속도를 낮추며 ESP 제어를 실행한다.
   • 오버스티어링 시 커브 안쪽으로 돌아가는 스핀, 언더스티어링 시 커브 바깥쪽으로 밀려나간다.
     • ESP 장착 시 오버스티어링이 발생하면 선회 바깥쪽 앞바퀴에 제동을 걸고, 언더스티어링이 발생하면 커브 안쪽 뒷바퀴에 제동을 걸어 가고자 하는 방향으로 차량을 진행하게 한다.