제동 장치(브레이크 시스템)

 지난번에는 자동차의 동력 전달 장치 중 LSD에 대해서 얘기했고 이번에는 제동 시스템 중 브레이크에 대해 알아보고자 한다.

 

1.자동차의 제동장치?

 제동장치란, 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량을 정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하고 있는 장치를 말한다. 또한, 운전자의 조작력이나 보조동력에 의해 발생되는 마찰력을 이용하여 자동차의 운전에너지를 열에너지로 바꾸어 제동하는 장치를 말한다.

 자동차의 주행 성능 향상, 환경 친화적 부품 사용, 서스펜션 기술의 진보에 따라 기존의 단순한 제동력 뿐 아니라 안전성 및 신뢰성, 내구성 등의 제동장치에 대한 요구 성능이 엄격해지고 있기 때문에 제동장치는 안전성 관련 핵심부품으로 작동이 확실하고 제동효과도 커야 한다.

 

2. 제동장치 종류

 자동차의 제동장치라고 하면 많은 사람들은 브레이크를 떠올리게 될 것이다. 하지만 브레이크에도 종류가 많고 작동방식 또는 사용목적에 따라 세분화되어 있다. 아래 사진은 브레이크 시스템의 종류를 보여준다.

 위의 브레이크를 분류하기 위해 용도에 따라 먼저 분류해 보면,

1) 주 브레이크: 주 브레이크(service brake)는 풋 브레이크(foot brake) 또는 상용 브레이크라고도 하며, 주로 주행 중인 자동차를 감속시키거나 정지시킬 때 사용되는 것으로, 브레이크 페달을 밟아서 작동시킨다.

 

2) 주차 브레이크: 주차 브레이크(parking brake)는 주차 중에 차량의 움직임을 방지하기 위한 것이 주된 용도이고, 주 브레이크 고장시에 비상 브레이크로도 사용된다.

 

3) 감속 브레이크: 차량의 대형화·고속화에 따라 마찰 브레이크를 보호하고, 제동 효과를 높여서 긴 경사로를 내려갈 때나 고속 주행에서 감속하기 위하여 사용하는 브레이크로서 배기 브레이크, 와전류 브레이크, 엔진 브레이크 등이 있다.

 

4) 비상 브레이크: 주 브레이크 고장 상태에서 작동하는 것으로, 예를 들면 압축 공기를 사용하는 공기 브레이크에서 공기 계통에 고장이 생겼을 때 스프링의 장력을 이용하여 자동적으로 제동하도록 하는 브레이크이다.

 

이렇게 크게 분류할 수 있고 작동원리, 구조에 따라 분류할 수도 있다. 작동원리는 크게 유압식과 기계식으로 나뉘는데 브레이크 시스템의 작동 방식을 설명하면서 함께 설명하려고 한다.

 

3. 브레이크의 작동원리

 브레이크의 작동원리를 이해하기 위해서는 작동 순서를 알아야 한다. 위 사진에서 보는 과정을 따라 작동되는데 크게 설명하면 페달을 밟고, 배력장치에 그 힘이 전달되고 마스터 실린더를 거쳐 디스크 브레이크에 도달하는 방식이 일반적이다. 현재 대부분의 차량의 경우 유압식을 많이 사용하기 때문에 유압식 브레이크의 작동원리에 대해서 설명하고자 한다.

 1) 배력장치: 페달을 밟는 힘(답력)을 증폭시켜주는 장치로 위 사진에서 파란색 부분에 해당된다. 브레이크 페달을 밟지 않은 상태에서는 배력장치 내부에서 밖으로 공기를 배출해 내부는 진공 상태에 가까운 상태를 유지하게 된다. 그림에서 보면 피스톤으로 넘어가기 전에 막대기처럼 그려진 막이 있는데 이 막을 격막이라고 한다. 이 격막을 기준으로 뒤에는 진공 밸브가 앞에는 공기 밸브가 있는데 두 밸브의 진공 포트가 열려 있는 상태이다. 그렇게 해서 내부가 진공 상태를 유지할 수 있게 된다. 이 때 브레이크 페달을 밟으면 진공 포트가 닫히고 대기 포트가 열리면서 격막의 뒤에는 진공이, 격막의 앞에는 대기압이 작용하게 된다. 아직 진공과 대기압의 압력차가 크지 않아 진공실의 격막을 누르는 힘이 크지는 않다. 이 과정에서 격막 뒤의 스프링이 압축되는 만큼 힘이 전달되어 1차 스프링이 압축된다. 이 후 진공 포트는 완전히 닫히고, 대기 포트는 완전히 열려 있는 상태가 되는데 진공실과 대기실의 압력차가 최대가 된다. 이에 따라 진공실의 스프링이 최대로 압축되고 압력차에 의해 페달 답력이 배가되고 마스터 실린더의 1차 피스톤에 이 힘이 전달된다.

 

 2) 마스터 실린더: 마스터 실린더는 위 그림에서 1차 피스톤과 2차 피스톤을 포함하고 있는 장치이다. 답력을 유압으로 변환하는 장치이며 내부에 브레이크액이 있는데 브레이크 액에 압력을 생성시켜 휠에 전달하는 역할을 한다. 마스터 실린더는 두 개의 피스톤이 같이 움직이는데 브레이크를 밟아주면 피스톤이 왼쪽으로 움직이면서 핑크색 부분에 압력을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 압력이 디스크 브레이크로 전달되는 것이다.

 

 3) 디스크 브레이크: 위 그림에서 정면 사진을 보면 Front disc Brake 라고 적혀 있는데 위에 보면 Caliper라고 하는 패드가 있다. 마스터 실린더의 브레이크 액에서 형성된 압력이 이 캘리퍼로 전달되고 캘리퍼의 패드가 디스크를 잡아 마찰을 발생시키고 여기서 발생된 열 에너지를 방출하면서 제동력을 만들어내는 원리이다.

 

4. 기계식 브레이크

 요즘에는 유압식 브레이크가 주 브레이크로 활용되고 있기 때문에 기계식 브레이크는 주차 브레이크로 많이 활용되고 있다.

 1) 주차 브레이크: 파이프 또는 유연한 금속호스 속에 삽입된 강철 케이블을 사용하여 수동으로 주차브레이크를 작동시킨다. 케이블은 마찰을 감소시키고, 빙결 및 부식으로부터 보호하기 위해서 대부분 플라스틱으로 코팅한다.

 2) 관성 제동 브레이크: 피견인차에 사용되는 브레이크다. 견인차를 제동하였을 때, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 견인차를 향해 밀려간다. 이때 견인차에 직결된 풀-로드는 피견인차의 관성력에 대항해서 압축스프링을 압착하면서 피견인차 쪽으로 밀려간다. 이에 의한 풀-로드의 운동이 리버싱 레버를 거쳐서 브레이크 케이블을 당기게 된다. 즉, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 제동되며 오버런 브레이크라고 불리기도 한다.

 

 오늘은 전통적으로 많이 사용된 기계식 브레이크 유압식 브레이크를 보았고 그 특징들에 대해서 간단히 정리했다. 다음번에는 전자 제어식으로 최적의 제동력을 발휘할 수 있도록 도와주는 보조 시스템과 그 장치들에 대해서 설명하고자 한다.