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.

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.

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

(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.