[스터디] 제동장치 개요

[목차]
제동장치
- 브레이크의 종류
- 주 브레이크(서비스 브레이크)
- 유압식 브레이크
   유압식 제동장치의 작동 원리 / 유압식 제동장치의 구성요소
- 디스크 브레이크와 드럼 브레이크
   디스크 브레이크 / 드럼브레이크
- 압축공기식 브레이크
- 주차 브레이크
   기계식 브레이크

 

제동장치(Brake System)

제동장치란 차량의 속도를 감속 또는 정지시키거나, 주차 중에 차량이 움직이는 것을 방지하는데 사용된다.

제동장치는 안전성 중요한 장치이며 차량의 중량, 진행방향, 노면의 상태, 브레이크 라이닝의 노후 등에 상관없이 항상 안정적인 성능을 발휘해야한다.

 

 

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브레이크의 종류

브레이크는 사용에 따라 주브레이크, 주차브레이크, 보조브레이크로 분류된다. 보조브레이크는 기계식과 전자식(EPB)으로 나눠지는데 EPB는 다음 차시에 다뤄보겠다.

 

 

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주 브레이크(서비스 브레이크)

- 운전자가 브레이크 페달을 밟아 제동하는 가장 일반적인 제동 방식이다.

- 제동장치는 크게 마스터실린더에서 생성된 유압을 통해 휠 실린더를 작동시키는 유압식 제동장치과 컴프레서에서 압축된 공기를 통해 제동력을 전달하는 압축공기식 제동장치로 나뉜다.

- 압축공기식 제동장치는 강한 제동력이 필요한 대형 상용차에 주로 사용된다.

 

 

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유압식 브레이크

1. 유압식 제동장치의 작동 원리

① 운전자가 브레이크 페달을 밟아 답력을 페달에 전달한다.

② 배력장치에서 답력이 증폭하여 마스터 실린더에 전달한다.

③ 배력장치로부터 증폭된 힘은 마스터 실린더 내 오일을 가압시킨다.

④ 가압된 오일은 밸브를 거쳐 차량 전/후륜 브레이크에 전달한다.

⑤ 디스크/드럼 브레이크에 전달된 유압은 디스크 패드/슈의 마찰로 인하여 제동이 시작된다.

 

* 힘의 전달 경로 : 페달 → 배력장치(or 진공펌프) → 마스터실린더 → 유압발생 및 전달 → 피스톤 동작 → 패드/슈 작동

브레이크 시스템

 

 

 

 

2. 유압식 제동장치의 구성 요소

제동장치를 구성하는 대표 장치는 다음과 같다.

 

1) 페달(Pedal)

- 제동력이 발생하는 시작점

- 운전자가 밟는 힘을 페달비만큼 증폭하여 배력 장치에 전달한다.

- 지랫대의 원리로 받침점을 기준으로 페달 길이를 길게 만들어 페달에 가하는 힘을 증폭시킨다.

 

2) 배력장치(Booster)

- 페달에 전달된 답력을 증폭하여 마스터 실린더로 전달하는 장치

- 자연 흡기 가솔린 엔진에서 일반적으로 사용되는 유형 (디젤, 터보차저 등은 진공펌프를 통해 진공을 발생시킨다)

- 부스터는 배력을 만드는 방식에 따라 크게 진공식(Vacuum Booster)과 유압식(Hydraulic Booster)으로 나뉜다.

 

a. 진공식배력장치

- 일반적으로 사용하는 배력장치 

- 엔진의 흡입 매니폴드로부터 진공을 얻으며 배력을 발생시킨다.

- 대기압과 흡기 매니폴드의 절대압력 차이를 이용하여 다이어프램에 부착된 피스톤을 작동시킨다.

  (이후, 피스톤의 작동으로 푸시로드를 이동하여 마스터 실린더를 작동시킴)

- 부스터의 배력의 크기는 다이어프램 면적에 비례한다.

 

b. 유압식 배력장치

- 유압식 동력 조향장치에 사용되는 유압펌프를 사용하여 고압의 유압을 생성하며 가압된 오일은 어커뮬레이터에 저장한다. 이후, 유압은 배력장치에 전달되어 피스톤을 작동시킨다.

진공식/유압식배력장치 (출처 : 네이버 지식백과, Crankshift 사이트)

진공배력장치 원리 (출처 : Thomas Schwenke, Vacuum brake booster - How it works! (Animation) )

 

 

 

3) 마스터 실린더(Master Cylinder)

- 부스터의 배력을 통해서 브레이크 오일에 제동유압을 생성하여 각 바퀴의 휠 실린더로 보내주는 역할

- 마스터 실린더 내 피스톤의 개수에 따라 싱글 마스터 실린더와 탠덤 마스터 실린더로 나뉜다.

- 탠덤 마스터 실린더는 싱글 마스터 실린더를 접속시킨 형태이며 가장 보편화 되어있는 마스터 실린더이다.

 

a. 싱글 마스터 실린더

- 배력장치의 푸시로드가 마스터 실린더 내 한 개의 피스톤을 작동시키며 유압을 형성시킨다.

- 한 개의 피스톤으로부터 생성된 유압은 4개의 휠 실린더로 전달되어 제동력을 형성한다.

 

b. 탠덤 마스터 실린더

- 배력장치의 푸시로드가 마스터 실린더 내 두 개의 피스톤을 작동시키며 유압을 형성시킨다.

- 한 개의 피스톤이 고장났을 때 나머지 피스톤이 작동하며 유압을 형성 시킬 수 있다 

 

c. 탠덤 마스터 실린더 작동원리

① 배력장치로부터 푸시로드가 밀리면, Primary Piston이 밀린다.

② Primary Piston은 Compensating hole을 막으며 첫번째 실린더 내부 유압에 형성한다.

③ 첫번째 실린더에 생긴 유압은 Secondary Piston이 밀며 Compensating hole을 막고 두번째 실린더 내부 유압을 형성한다.

④ 2개의 실린더에 생성된 유압은 전후륜의 캘리퍼로 전달되어 제동력을 형성한다.

⑤ 제동이 풀리면 캘리퍼로 전달된 브레이크 오일은 다시 파이프라인을 거쳐 복귀한다.

 

 

d. 브레이크 유압 서킷 방식

브레이크 시스템은 안전성 확보를 위해 브레이크 유압 구조를 2계통으로 하는 것이 요구된다. 국내 도로교통부 「자동차 및 자동차부품의 성능과 기준에 관한 규칙」에도 명시되어 있는 사항이다. 따라서 마스터 실린더에서 나와 휠 실린더로 전달되는 2개의 유압 라인은 크게 H-Split과 X-Split 방식으로 연결된다.

 

H-Split의 경우, 앞바퀴와 뒷바퀴를 독립적으로 제어하는 브레이크 회로이다. 전륜 구동 차량과 같이 제동 시 차량의 중량이 전륜에 집중되는 경우 후륜의 제동력을 크게할 수 없다. 또한 전륜브레이크 고장 시 안전성 위험이 있다.

X-Split의 경우, 대각선 방향으로 바퀴를 연결하여 제어하는 브레이크 회로이다. 일반적으로 승용차에는 X-Split방식이 적용된다.

브레이크 유압 서킷

 

 

 

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디스크 브레이크와 드럼 브레이크

- 마스터 실린더에서 생성된 유압은 ABS 모듈/컨트롤밸브와 오일 호스를 지나며 각 바퀴로 전달되어 휠 실린더를 작동시킨다. 이후 제동방식에 따라 크게 디스크 브레이크와 드럼 브레이크 방식으로 나뉜다.

 

1. 디스크 브레이크

-  바퀴와 함께 회전하는 디스크에 브레이크 패드를 압착시켜 제동하는 타입이다.

 

1) 주요 부품

디스크 브레이크를 구성하는 주요 부품들은 다음과 같다.

 

a. 디스크 로터

주로 주철로 된 원판이며 바퀴와 함께 회전하며 브레이크 패드가 압착되는 곳이다. 디스크의 종류로 솔리드(Solid) 디스크와 벤틸레이티드(Ventilated) 디스크가 있다. 솔리드 타입은 디스크가 원판 한장으로 되어있으며, 제조원가가 낮고 무게가 가볍지만 열을 발산시키지 못하는 단점을 가졌다. 벤틸레이티드 디스크는 솔리드 디스크가 두 장이 틈을 가진채 겹쳐져있는 형태이며 무게는 무겁지만 브레이크 냉각 성능이 우수하며 디스크 패드의 열변형이 적어 제동력이 우수하다.

Solid Disc / Ventilated Disc

b. 캘리퍼

휠 피스톤과 브레이크 패드가 포함된 하우징이다. 마스터실린더로부터 유압이 전달되면 피스톤이 작동하여 패드가 디스크 로터를 압착시킨다. 캘리퍼는 고정 캘리퍼형와 부동 캘리퍼형이 있다.

 

고정 캘리퍼형(Fixed Mount Caliper)의 경우, 캘리퍼가 고정된 파입이며 2 or 4개의 피스톤을 지니며 디스크 로터를 양쪽에서 압착시켜 제동하는 타입.

부동 캘리퍼형(Floating Caliper or Sliding Caliper)의 경우, 캘리퍼의 한 쪽에만 피스톤을 두고 유압이 작동하면 피스톤이 패드를 디스크에 압착하고, 반발력에 의하여 캘리퍼가 이동하여 반대쪽 패드도 디스크를 압착하여 제동하는 방식. 냉각 작용이 우수하고 적은 부품수로 주차 브레이크의 조립이 쉬워 승용차량에 많이 사용된다.

 

c. 패드

마찰재, 마찰재가 부착되어 있는 백플레이트, 마모 인디케이터 및 소음 방지장치 등으로 구성된다. 과거 마찰재의 경우 석면계의 마찰재를 사용하였으나 유해성 문제가 대두되며 비석면 마찰제 (NAO; Non asbestos Organic) 제품이 개발 되었다. 2000년대 이후 Non-steel과 Low-Steel 마찰재가 발전해가고 있으며, 현재 구리 성분에 대한 규제가 나타나면서, Cu-Free 재질에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 패드가 마모되어 잔류 두께가 약 1~2mm 정도 남으면 패드 마모 인디케이터가 디스크에 접촉하여 마찰 경보음이 울린다.

 

2) 디스크 브레이크 특징

- 디스크가 공기 중에 노출되어 있으므로 방열성이 우수하여 반복적으로 사용해도 제동력이 떨어지지 않는다.

- Pad 교환 및 정비가 용이하다.

- 고속에서 Braking 효과가 좋다.

- Pad 마찰계수 변화에 따른 Brake의 효율 변화가 적다.

Disc Brake

 

 

 

2. 드럼 브레이크

- 드럼 브레이크는 각각의 바퀴에 브레이크 부품을 내장한 금속제의 브레이크 드럼을 가지고 있다.

- 두 개의 브레이크슈(리딩 슈/트레이링 슈)가 벌어지며 차륜과 연결된 드럼에 접촉하여 마찰에 의한 제동을 발생시킨다.

 

1) 주요부품

- 드럼 브레이크를 구성하는 주요 부품들은 다음과 같다.

 

a. 드럼

대부분 특수 주철 혹은 경합금의 재질로 만들어지며, 강성을 증대시키고 방열성을 좋게하기 위하여 원주방향이나 직각방향으로 핀(fin) 또는 리브(Rib)가 있다. 고온에서 내마모성과 변형에 대한 충분한 강성과 마찰계수가 높고 방열성이 우수해야한다. 

 

b. 브레이크 슈

주철 혹은 강판으로 된 슈에 드럼과 마찰력을 발생시키는 라이닝이 부착되어 있다. 라이닝은 석면과 금속분말로 혼합한 것을 많이 사용하였으나, 발암문제로 인하여 비석면 재질로 바뀌었다.

 

c. 백플레이트

실린더와 브레이크 슈가 설치되는 곳이다. 강판을 성형한 것으로 제동시 가해지는 힘에 의해 변형이 이루어지지 않도록 리브를 둔 형식이 있다.

 

d. 간격조정기구

라이닝이 마모되면서 라이닝과 드럼 간에 간극이 생기며, 이를 조정해주기 위한 장치이다. 수동식과 자동식이 있다.

 

* 추가로, 휠 실린더 외에 슈를 확장시키기 위하여 브레이크 캠을 사용하기도 한다. 대형 상용차에서 공기압축식 제동장치와 함께 S형 캠을 주로 사용한다.

 

2) 드럼 브레이크 특징

- 디스크 브레이크 대비 큰 제동력을 얻을 수 있다.

- 초기 및 운영 비용이 싸다

- 속도가 느리고 큰 제동력이 요구되는 트럭, 버스 등에 주로 장착된다.

 

 

 

 

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압축공기식 브레이크

대형 트럭 및 버스의 경우, 유압 브레이크보다 강한 제동력을 얻기 위해 압축공기를 사용한 브레이크 시스템을 적용한다.

 

1. 구성 요소

압축공기 브레이크 시스템을 구성하는 대표 요소는 다음과 같다.

 

1) 에어 컴프레서(Air Compressor)

차량 엔진과 기어 혹은 V-밸트로 연결되어 동력을 전달받는다. 이를 통해 브레이크 시스템에 필요한 압축공기를 생성한다. 

 

2) 거버너(Governor)

에어 컴프레서의 작동을 조절하며 에어 탱크를 일정 압력으로 유지하는 장치이다.

 

3) 에어 탱크와 에어 탱크 드레인(Air Tank and Air Tank Drains)

에어 탱크는 압축 공기가 저장되는 탱크이다. 압축공기 내 포함된 수분 또는 불순물을 제동 성능에 악영향을 끼치기 때문에 에어 탱크 내 드레인 밸브 혹은 퍼지 밸브를 통하여 외부로 배출시킨다. 

 

4) 브레이크 페달(Brake Pedal)

제동을 위해 운전자가 밟는 페달이다. 밸브와 연결되어 페달이 밀리면 에어 탱크로부터 압축공기가 브레이크 라인으로 유입된다.

 

5) 에어 챔버(Air Chamber)

각 휠에 설치되어 있으며 압축공기가 출입하며 브레이크 장치를 작동시키는 부분이다.

Brake Chamber

 

6) 브레이크 장치

압축공기에 의한 힘을 통하여 제동이 이루어지는 장치. 아래는 여러 에어 브레이크 장치 중 S-Cam, Wedge에 대한 설명이다

 

a. S-Cam Drum Brakes

압축공기에 의하여 에어챔버의 다이어프램과 푸시로드가 직선운동을 하면, Slack Adjuster는 피봇을 중심으로 회전운동으로 변환하여 S-Cam을 회전시킨다. S-cam과 접촉된 브레이크 슈는 S-cam의 회전에 따라 움직이며 제동력을 생성 또는 해제한다.

 

S-Cam

BIStrainer, Custom 3D Animation from Air Brakes Course - Created by BIS Safety Software

 

b. Wedge Brakes

압축공기에 의하여 에어챔버의 다이어프램과 푸시로드가 직선운동을 하면 부착되어 있는 웨지가 특정 각도로 브레이크 슈 사이를 밀어 드럼에 압착시킨다 

Cummins linc.의 드럼 웨지 브레이크

D.BEST_Japan, 【Applying foot brake】Mechanism of Wedge Brake Chamber

 

7) Spring Brakes

에어브레이크의 주차 브레이크 시스템을 작동시키기 위한 스프링 장치이다. 에어 챔버 내에 위치하여 주행 중에는 압축공기에 의하여 스프링이 수축되어 있는 상태이지만 주차 및 긴급 상황 발생 시 압축공기가 제거되고 스프링이 팽창하고 제동력을 발생시킨다. 아래는 Spring Brake를 설명하는 영상이다.

 

 

 

2. 작동 원리

방식에 따른 차이는 있지만 기본적인 작동원리를 정리하면 다음과 같다.

 

① 에어 컴프레서의 작동으로 공기 탱크 내 압축공기가 저장된다

② 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 밸브가 열리며 압축공기가 브레이크 라인을 타고 각 휠의 에어챔버로 유입된다.

③ 에어 챔버 내 압축공기가 유입되어 다이어프렘을 밀면 푸시로드가 브레이크 장치(S-cam, Wedge, Disc piston 등)을 작동시키며 제동력이 발생한다.

④ 운전자가 브레이크 페달에서 발을 떼면 에어쳄버 내 공기는 외부로 배출되고 브레이크의 작용이 풀리게 된다.

 

3. 압축공기식 브레이크의 장단점

1) 장점

- 큰 제동력을 얻을 수 있으며, 대형 트럭에서 주로 사용된다.

- 유압식 브레이크의 경우 브레이크 오일의 누유가 발생할 수 있는 반면 압축공기식 브레이크의 경우 압축공기를 무한정 생성 가능하다.

 

2) 단점

- 초기 비용 및 유지보수가 많이 든다.

- 브레이크의 잦은 사용 시 에어 압력이 떨어저 제동력을 상실할 위험이 있다.

풀 에어 방식 에어브레이크 모식도 (출처 : 나무위키, 에어브레이크)

 

 

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주차 브레이크(Parking Brake) 

- 주정차 시 사용하는 브레이크로 크게 기계식 브레이크와 전자식 브레이크(EPB)로 나눌 수 있다.

 

1. 기계식 브레이크

기계식 브레이크는 운전자의 조작으로 래버를 작동하면 연결된 케이블이 당겨지면서 조작력이 후륜측 주차 브레이크에 전달되어 제동되는 방식이다. 기계식 브레이크는 Lever, Linkages, Parking Brake Body로 분류할 수 있다.

 

1) 레버(Lever)

주차 브레이크의 작동 및 해제를 위해서 운전자가 조작하는 부분이다. 대표적으로 Pedal Type, Center Lever Type이 있다. 

 

a. Pedal Type

엑셀, 브레이크 페달 좌측에 풋 페달이 위치해있다.

 

b. Center Lever Type

운전자와 조수석 사이에 위치해있다. 레버에 스위치를 누른 상태에서 레버를 밀고 당길 수 있으며, Ratchet과 비슷한 원리로 고정된다.

Pedal Type / Center Lever Type

 

 

2) 링키지(Linkages)

- 래버와 후륜 휠의 주차 브레이크를 연결하는 기구 부품들이다. 대표적인 부품은 다음과 같다.

 

a. Front Cable(Control Cable) : 레버와 Equalizer 사이를 연결하는 케이블이다.

 

b. Equalizer : 레버 조작에 의해 케이블이 움직이면 이를 양쪽 후륜에 나누어 전달한다.

 

c. Rear Cable(Application Cable) : Equalizer와 후륜 브레이크 사이를 연결하는 케이블이다. 좌우 각각 한 개씩 구성되어 있다.

Equalizer

 

3) Parking Brake Body

Parking Brake Body는 실제로 제동력을 발생시키는 부분이다. 작동 방식으로 주브레이크(서비스 브레이크)를 공용으로 사용하는 방식도 있으며 반면에 주브레이크와 독립되어 작동하는 방식이 있다. Parking Brake Body의 종류에는 Drum Parking Type, Disc Parking Type이 있다.

 

a. Drum Parking Brake

- 주브레이크에 사용하는 드럼 브레이크를 공용으로 사용하는 방식이다. 드럼 브레이크 시스템에 있는 parking lever를 케이블에 의해서 잡아당기면 브레이크 슈가 양쪽으로 밀리면서 드럼 내부에 마찰을 가하는 방식이다.

 

 

b. Disc Parking Brake

후륜 주 브레이크 시스템으로 디스크 브레이크를 작용하는 차량의 경우, 디스크 브레이크를 직접 사용하는 Actuating Caliper(Integrated Caliper)와 별도의 Drum Brake 방식을 사용하는 Drum in Hat으로 나눌 수 있다.

 

Actuating Caliper의 경우, Caliper 내 Parking brake cable의 동작에 작동하는 레버가 부착되어 있어 레버가 작동하면 기계적으로 피스톤이 밀리면서 패드가 디스크 로터를 압착시킨다. 

 

Drum in Hat의 경우, Drum Parking Brake 시스템과 비슷하게 동작을 하지만 브레이크 슈가 마찰되는 드럼은 디스크 로터를 겸하고 있는 구조이다.

 

위 두 방식에 대해서 아래 영상을 참고하면 좋을 것 같다.

 

Elantra 2014 (소나 LF)

캘리퍼에 파킹 브레이크 케이블이 연결된 Actuating Caliper 방식이다.

TRQ, How to Replace Rear Wheel Bearing & Hub Assembly 2015-2019 Hyundai Sonata

 

 

Elantra 2010 (소나타 YF)

11:30부근 디스크 로터를 탈거되며 드럼 브레이크가 나온다.

1A Auto: Repair Tips & Secrets Only Mechanics Know, Parts Overview How to Replace Rear Brakes 07-10 Hyundai Elantra

 

 

* 소나타 YF → LF로 세대 변경이 이루어지면서 Actuating Caliper 방식으로 변경된 것으로 보인다.

 

다음에는 전자식 주차 브레이크와 전자제어 브레이크 방식에 대해 알아보려고 한다.