새시 21 > 제동장치 개요 및 종류

1. 제동 장치의 제동 현상

일반적으로 제동 장치는 차량이 가진 운동 에너지를 열에너지로 변환시키는 것으로, 속도의 제곱과 차량 질량의 곱에 비례하는 제동력을 필요로 한다. 제동력은 타이어와 노면 사이의 마찰력에 의해 결정된다.

1) 제동 현상  운전자가 브레이크를 조작하여 자동차가 정치할 때까지의 시간 단계는 그림 Ⅶ-1과 같이 반사 시간, 발 옳겨 밟는 시간, 밟는 시간, 과도 제동 시간 및 주요 제동 시간으로 구분할 수 있다.

운전자의 동작, 시간 및 감속도와의 관계

반사 시간은 위험물을 발견하고 실제 동작으로 옮길 때까지의 시간이며, 보통 0.4 ~ O.5초 정도이다. 발 옮겨 밟는 시간은 가속 페달에서 브레이크 페달로 발이 이동될 때까지의 시간이며, 일반적으로 0.2 ~ O.3초 정도이다. 밟는 시간은 페달을 밟기 시작해서 브레이크 회로 내에 유압이 올라가기 시작할 때까지의 시간이며, 보통 0.1~O.2초 정도이다. 과도 제동 상태의 시간을 '과도 제동 시간'이라 하고, 주요 제동 상태의 시간을 '주요 제동 시간'이라 한다.

실제의 자동차 운전에서 운전자가 위험물을 발견하고 위험을 인지하여 제동을 걸기 위하여 발로 브레이크 페달을 밟아 브레이크 슈가 드럼에 접착하면서 브레이크의 작용이 시작할 때까지 걸리는 시간을 '공주 시간'이라 하며, 이 사이에 주행하는 거리를 '공주 거리'라 한다.

브레이크가 작용한 후부터 정지될 때까지 걸린 시간을 제동 시간이라 하며, 이 사이에 자동차가 이동한 거리를 '제동 거리'라 한다. 제동 거리는 자동차의 제동 초속도의 제곱에 비례하고, 타이어와 노면 사이의 마찰 계수(μb)에 반비례한다. 마찰 계수의 값은 도로 상태에 따라 다르지만, 포장 도로에서의 μb 값은 0.5~O.7 정도이다.

정지 거리는 공주 거리와 제동 거리를 합한 것으로 다음과 같이 표시된다.

2. 브레이크 듣기의 안전성

   브레이크 듣기는 브레이크력과 답력과의 비로 표시되는데, 여러 가지 사용 조건 하에서 브레이크 듣기의 변화가 적고 안정되어 있는 것이 바람직하다.일반적으로, 마찰재는 브레이크 온도의 상승에 의해 마찰 계수가 저하된다. 이 때문에 연속 강판시에 제동의 반복, 고속에서의 제동 등에 의해 마찰재의 온도가 상승되면 브레이크의 듣기가 저하된다. 이것을 '페이드(fade) 현상'이라고 한다. 페이드의 원인은 마찰재 표면 온도가 마찰재의 결합 성분이나 유기 성분의 분해 온도 이상으로 상승되어 분해에 의해 발생한 가스가 윤활 작용을 하여 마찰 계수가 저하되기 때문이다. 페이드 상태에서 브레이크 온도가 내려 가면 페이드 전의 브레이크 듣기로 복귀된다. 이것을 페이드 리커러리(fade recovery)라 하고, 베이스의 브레이크력에 대한 리커버리시의 브레이크력의 비를 '리커버리율' 이라 한다.

페이드를 감소시키기 위해서는 마찰재의 온도 특성 개량 외에 마찰부의 온도 상승을 억제하는 것이 필요하므로, 드럼 또는 로터의 지름을 크게 하여 열용량을 증대시키거나, 냉각성을 좋게 하는 방법이 있다. 또, 마찰면이 젖으면 물의 윤활 작용으로 마찰 계수가 급히 감소하여 브레이크 듣기가 저하한다. 이 현상을 '워터 페이드 현상'이라 한다. 한쪽 바퀴만이 물에 젖었을 경우는, 이 현상으로 브레이크 적용시에 방향성을 잃을 위험이 있다.

디스크 브레이크는 드럼 브레이크에 비해 워터 페이드가 작고, 리커버리도 빠르다. 따라서, 드럼 브레이크에서는 침수시의 제동력 저하를 작게 하기 위해 워터 페이드 및 리커버리 특성이 좋은 마찰재를 선택하는 것이 중요하다.

 

2. 제동 장치의 기본 구성과 작동 원리

    제동 장치는 여러 가지 형식이 있으나, 운전자의 조작력을 전달시키는 부분과 마찰력을 발생시켜 제동 작용을 하는 부분으로 되어 있다. 제동 장치는 자동차의 안전 운행을 위해 차량 중량과 최고 속도에 대하여 충분한 제동 작용이 이루어져야 하며, 제동이 확실하고 신뢰성과 내구력이 커야 한다. 또한 조작이 간편하고 조정·점검이 용이하며, 브레이크가 작동하지 않을 때에는 각 바퀴에 회전 저항이 없어야 한다.

일반적으로, 승용차에 많이 사용되는 제동 장치는 유압식에 배력 장치를 첨가한 방식으로, 그 구조는 그림 Ⅶ-2에 나타낸 것과 같으며, 장치의 작동 원리는 다음과 같다.

유압식 제동 장치의 예

브레이크 페달에 가해지는 답력은 페달의 레버비를 곱한 힘으로 배력 장치에 입력된다. 배력 장치에서는 그 힘을 다시 다른 에너지에 의하여 배력시켜 브레이크 마스터 실린더에 전달시킨다. 브레이크 마스터 실린더에서는 그 힘을 액압(유압)으로 변환하여 휠 실린더에 전달한다. 휠 실린더에서는 액압에 의하여 디스크 패드(또는 브레이크 슈)를 디스크 로터(또는 드럼)에 밀어붙여서 패드와 디스크 로터(또는 브레이크 드럼) 사이에 마찰력을 발생시킨다. 이 마찰력에 의하여 차량 제동이 이루어진다.

 

3. 제동 장치의 종류

     제동 장치는 용도, 작동 방식, 브레이크 구조 등에 의해 분류할 수 있다.

     

3-1. 용도에 따른 분류

(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.

 

3-2. 작동 방식에 따른 분류

기계식 브레이크

유압식 브레이크

 

(1) 기계식 브레이크 :  인력으로 브레이크 페달이나 브레이크 레버로 조작하며, 로드 또는 케이블 등에 의하여 마찰 제동하는 브레이크이다.

(2) 유압식 브레이크 : 파스칼의 원리를 이용한 것으로, 그림 Ⅶ-4와 같이 브레이크 페달에 가해진 힘을 유압에 전달하여 제동력을 발생시키는 방식으로 일반적인 승용차에 널리 채용되고 있다. 제동력이 모든 바퀴에 균일하게 전달되고, 조작력이 적어도 되는 장점이 있으나, 오일 파이프 등이 파손되어 오일이 누출되는 경우에 브레이크 기능이 상실되는 단점이 있다.

(3) 배력식 브레이크 ; 중량이 큰 자동차나 고속 주행 중의 자동차와 같이 주행 관성이 큰 자동차에 대하여 기관의 흡기 부압이나 압축 공기를 이용하여 조작력을 증대시켜 강력한 제동력을 작용시키는 브레이크로서, 진공 배력식 브레이크, 공기 배력식 브레이크 등이 있다.

 

3-3. 브레이크 구조에 따른 분류

(1) 외부 수축식 브레이크 : 브레이크 밴드로 드럼을 죄어 제동력을 발생시키는 브레이크이다.

(2) 내부 확장식 브레이크 ; 브레이크 슈를 확장시켜 드럼에 압착하여 제동력을 발생시키는 브레이크이다.

(3) 디스크 브레이크 : 그바퀴와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 브레이크 패드로 압착하여 제동력을 발생시키는 브레이크이다.

브레이크의 구조

 

새시 11 > 종감속 기어 및 차동기어

1. 종감속 기어( final reduction gear)

    종감속 기어는 구동 피니언과 링 기어로 구성되어 변속기 및 추진축에서 전달되는 회전력을 직각 또는 직각에 가까운 각도로 바꾸어 앞차축 또는 뒤차축에 전달함과 동시에 최종적으로 감속하는 역할을 한다

        

2. 종감속 기어 종류 및 특징

1) 워엄과 워엄기어 : 나선 기어. 맞물리는 기어의 회전축이 교차하거나 평행하지 않는 것으로서 축 기어의 일종이며 나사의 모양을 한 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 되어 있고  감속비를 크게 할수있다

2) 베벨기어 : 피니언과 링기어 사용하며 중심이 일치한다 베벨 기어의 이빨 모양을 곡선으로 만들어 회전을 미끄럽게 전달하도록 한 것. 이빨 모양으로는 원(圓), 인벌류트 및 트로코이드 등이 사용되고 있다. 같은 베벨 기어의 스퍼 베벨 기어에 비교하면 맞물림의 비율이 크고 전달 효율이 좋은 장점이 있으며, 종감속 기어로서 사용되고 있다. 스파이럴은 ‘소용돌이, 감기’의 뜻.

3) 하이포이드 기어 : 스파이럴 베벨 기어의 일종으로서, 종감속 기어로 이용되며, 링 기어의 회전 중심선과 이것에 맞물린 구동 피니언의 회전 중심선을 오프셋(링 기어 지름의 10~20%)시켜 추진축이나 차실의 바닥을 낮출 수 있도록 한 것. 물림률이 커 전달효율이 좋으나, 톱니의 폭 방향으로 미끄럼 접촉을 하므로 윤활에는 전용의 종감속기어 오일을 사용해야 한다. 세로 배열식 엔진 자동차의 종감속 기어나 4WD차량의 트랜스퍼로 널리 사용되고 있다.  하이포이드는 미국 그리손사의 상표명.

                                        

 

3. 차동기어 장치(differential gear)

   차동 기어장치는 자동차의 좌우 바퀴 회전수 변화를 가능케 하여 울퉁불퉁한 도로 및 선회할 때 무리 없이 원활히 회전하게 하는 장치로서 차동 기어 케이스,차동 피니언 및 차동 피니언 축 및 사이드 기어로 구성되어 있다. 자동차가 평탄한 도로를 직진할 때는 좌우 구동 바퀴의 회전 저항이 동일하기 때문에, 차동 기어 전체가 한 덩어리가 되어 회전하게 된다. 선회할 때 안쪽 바퀴는 저항을 느껴 바깥쪽 바퀴보다 회전수가 감소되고, 안쪽 바퀴의 회전수가 감소한 만큼 차동 피니언이 회전하여 바깥쪽 바퀴를 증속시킨다.

 

4. 자동제한 차동기어장치(limited slip differential gear)

1) 역할 : 자동제한 차동기어장치는 슬립으로 공전하고 있는 바퀴의 동력을 감소시키고 반대쪽의 저항이 큰 바퀴에 감소된 만큼의 동력이 더 전달되게 하므로써 슬립에 따른 공전 없이 주행할 수 있게 한다. 또한 미끄러운 노면에서 출발을 용이하게 하고 타이어의 슬립을 방지하여 수명을 연장하며, 급 가속할 때 안정성이 양호하다

2) 자동제한 차동장치의 작용

  자동차가 직진 주행(그림 a)을 할 때는 양쪽의 피니언 축은 클러치를 작동시키기 위한 위치에 있다. 이에 따라 차동장치는 작용하지 않고 전체가 하나로 되어 구동된다. 그러나 오른쪽 바퀴의 저항이 감소하여 왼쪽 바퀴보다 회전속도가 빨라지면 오른쪽 차축의 회전속도가 가장 빠르게 되고, 다음에 차동 기어 케이스이며, 왼쪽 차축의 회전속도가 가장 느리게 된다.

   이때 일반적인 차동장치는 종감속 기어의 링 기어 회전력이 양쪽 차축에 동일하게 분배되지만 자동제한 차동장치에서는 양쪽의 클러치가 피니언 축에 의해 발생하는 압착력하에서 미끄러지면서 회전하므로 회전속도가 빠른 오른쪽 차축이 클러치를 거쳐서 차동 기어 케이스를 구동하므로 그림 b에서 점선으로 표시한 것과 같이 그 회전력을 왼쪽 차축에 더하게 된다.

따라서 한쪽 바퀴가 진흙탕에 빠져 바퀴와 노면의 점착력이 작아지면 공전하는 쪽의 바퀴(진흙탕에 빠진 쪽 바퀴) 저항과 비슷한 회전력이 반대쪽 바퀴에도 가해져 쉽게 빠져 나올 수 있게 된다.

 

3) 차동 제한 장치의 종류

   차동 장치는 자동차에 반드시 필요한 장치이나 때로는 불편한 경우도 있다. 좌우 구동 바퀴 및 전후 구동 바퀴에서 한쪽 바퀴가 마찰 계수가 낮은 노면 위에 있거나 바퀴 하중이 감소하여 미끄러지게 되면, 오픈 차동 장치만으로는 구동력의 감소로 주행이 불가능하게 될 수 있으므로, 본래의 차동 기능을 제한하는 것에 의해 구동력을 확보하기 위한 장치가 차동 제한 장치(limited slip differential : LSD)이다.차동 제한 장치는 토크 발생 기구에 따라 토크 감응식, 회전 속도차 감응식, 전자 제어식에 의해 차동 제한 토크를 연속 가변 제어하는 방식 등으로 나누어진다. 아래 그림은 일례로 차동 제한 장치의 구성 부품도를 나타낸 것이다.

차동 제한 장치의 구성 부품도

 

① 토크 감응식  : 입력 토크에 대응하여 차동 제한 토크가 결정되는 방식으로 마찰 클러치, 웜 기어식 등이 있다. 마찰 클러치식은 같은 토크 분배를 가지는 차동 기어의 양쪽 사이드 기어와 차동 케이스 사이에 마찰 클러치를 설치하고 캠 기구 등으로 클러치판을 누르는 방식이고, 웜 기어식은 토션 디퍼렌셜 구성 기어의 맞물림 잇면과 각 회전 접동부에서 발생하는 마찰력을 이용하여 차동 제한 토크를 발생시키는 방식이다.                                                                   

② 회전 속도차 감응식 : 회전 속도차가 발생하면 차동 제한 토크가 회전 속도차에 대응하여 증감하는 비스커스 커플링이나 유압식 커플링 등이 이용되고 있다. 차동 기어와 결합된 플레이트와 그 구동 차축부에 결합한 플레이트 및 그 사이에 봉입된 점성 유체(실리큰 오일 등)로 구성되고, 이들은 차동 기어 케이스 내에 수납되어 있어, 이들 각 플레이트의 상대 회전에 의한 점성 유체의 전단 저항을 이용하여 차동 제한 토크를 발생시키는 구조이다.

                                          

③ 전자 제어식 : 차동 제한 토크를 전자식으로 제어할 수 있는 것으로서, 유압 다판 클러치를 누르는 힘을 제어하는 방식이다. 일정한 분배비를 가지는 차동 기어에 유압 다판 클러치식의 차동 제한 기구를 설치한 것으로 유압 회로와 유압 제어 장치가 필요하다.