우공(友空)
2010. 1. 31. 01:08
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2006.07.15 23:31  |
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자동차의 브레이크 시스템은 CBS(Conventional Brake System)와 ABS(Anti-Lock Brake System)로 크게 분류된다. 이번 호에는 브레이크 시스템 중 CBS에 대한 이해를 돕기 위해 기본적인 브레이크 시스템의 구성요소와 작동 메카니즘에 대해서 개략적으로 설명하고, 다음 호에서는 제동성능 향상을 위해 적용중인 BAS(Brake Assist System)라는 신기술에 대해서 소개한다.
CBS란 과거부터 현재에 이르기까지 대부분의 자동차에 적용되고 있는 일반적인 유압식 브레이크 시스템을 일컫는 용어이다.
ABS는 차량을 주행상태에서 정지시킬 때 도로면이 미끄러울 경우 바퀴가 잠겨 미끄러지는(Slip) 현상을 방지하기 위해 휠 스피드센서와 유압밸브 그리고 전자제어장치 등을 CBS에 추가시킨 시스템이다.
CBS의 구성요소
CBS는 브레이크 페달, 브레이크 부스터, 브레이크 마스터 실린더, 유압 비례 밸브, 전륜 브레이크(통상 디스크 브레이크), 후륜 브레이크(통상 드럼 브레이크)로 구성되어 있다.(그림1) 이 가운데에서 브레이크 부스터(그림2)와 마스터 실린더 및 비례제어밸브를 액튜에이션(Actuation)부로 표현하며 전륜 및 후륜 브레이크를 파운데이션(Foundation)부로 분류하기도 한다.
액튜에이션부에서 진공과 대기의 압력차를 이용하여 입력을 배력시키는 작용을 하는 브레이크 부스터는 일반적으로 소형 승용차용으로 사용되는 싱글 타입과 중대형 승용차 및 RV용으로 사용되는 탠덤 타입으로 나누어지며, 차량의 중량에 따라 각각 여러 종류의 사이즈 및 최적의 배력비로 분류된다. 그리고 부스터에서 증폭된 배력을 받아 유압으로 변환시켜 주는 역할을 하는 마스터 실린더는 내부에 사용되는 실(Seal)류의 형태에 따라 CBS용과 ABS용으로 구분되고, 브레이크 부스터와 마찬가지로 차량의 중량에 따라 각각 내경의 크기가 여러 종류이다.
한편, 비례제어 밸브는 전후륜의 브레이크 오일 파이프의 구성 형식에 따라 X배관용과 H배관용이 있는데, 차량의 종류에 따라 프로포셔닝(Proportioning) 밸브, 듀얼 프로포셔닝 밸브, 로드센싱(Load Sensing) 프로포셔닝 밸브가 적용된다.
파운데이션부 가운데에서 차량의 바퀴와 같이 회전하는 로터(Rotor)를 평면의 패드로 압착시켜 회전을 멈추게 하는 디스크 브레이크(그림4 :캘리퍼라고도 함)는 사용형태에 따라 여러 타입이 있다.
주로 후륜용으로 사용되는 드럼 브레이크(그림5) 역시 형태와 작동 메카니즘에 따라 다양하다.
브레이크 시스템의 작동 원리
제동이란 주행하고 있는 차량을 운전자의 판단에 의해 정지 또는 감속시키는 것을 말한다. 브레이크 시스템의 각 구성요소의 작동 메커니즘에 대해 간단하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 운전자가 차량을 정지시켜야 하겠다는 의지로 브레이크 페달을 발로 밟게 되면 브레이크 페달이 고정된 고정 축과 브레이크 페달을 밟는 위치 중간에 연결되어 있는 브레이크 부스터에 브레이크 페달의 지렛대 역할에 의해 운전자가 밟는 힘의 수배의 힘이 전달된다. 즉 제동의 첫번째 배력이 이 단계에서 발생한다.
브레이크 부스터에 전달된 힘은 또다시 브레이크 부스터에서 수배의 힘으로 증폭되는데, 이는 브레이크 부스터에 내장된 밸브가 진공과 대기압의 압력차를 이용하여 배력작용을 하기 때문이다. 따라서 브레이크 부스터에서 나오는 힘의 크기는 운전자가 페달을 밟는 힘의 수십 배에 해당하며, 이 증폭된 힘은 마스터 실린더에 입력으로 작용한다.
한편 마스터 실린더는 브레이크 부스터에서 전달되는 힘을 유압으로 변환시키는데 이 때 유압의 세기는 마스터 실린더 내경의 단면적에 의해서 결정된다. 이렇게 변환된 유압은 브레이크 오일 파이프를 통해 각 바퀴에 장착된 브레이크 장치에 전달된다. 각 바퀴에 장착된 브레이크에 전달되는 유압은 전륜과 후륜에 각각 별도의 독립된 유압회로를 구성하고 있으며 그 타입에 따라 X배관형과 H배관형이 있다.
X배관형은 주로 승용차에 적용되며 좌측 전륜과 우측 후륜, 그리고 우측 전륜과 좌측 후륜이 각각의 독립된 유압회로를 구성하고 있는 반면, H 배관형은 주로 상용차에 적용되는 구조로서 좌우 전륜과 좌우 후륜이 각각 독립된 유압회로를 구성하고 있다. 이들 각각의 유압회로의 형태는 서로 장단점이 있으나 최근에는 유사시 유압회로의 손상에 대비한 측면에서 안정성을 고려한 X배관형이 확대 적용되고 있는 추세이다. 한편, 후륜에 전달되는 유압은 유압비례밸브를 통과하게 되는데, 통과후의 유압은 통과이전에 비하여 낮아지게 되므로 이를 감압밸브라고 부르기도 한다. 이 유압비례밸브의 목적은 앞바퀴와 뒷바퀴의 제동균형을 유지시켜 주면서 안정적인 제동성능을 확보하는 것이다.
유압비례밸브에 대하여 좀 더 자세하게 알아보자. 주행 중인 차량을 정지하려고 하면 차량 자체는 관성의 법칙에 의해 계속 전진하려는 특성을 갖게 되며 이 때 차량의 뒷바퀴측 무게의 일부분이 전륜 측으로 이동하는 효과가 나타나는데, 이 무게의 이동량은 정지하려는 감속도의 크기에 비례한다. 그러므로 높은 감속도 즉, 급제동 시에는 뒷바퀴측에 작용되어야 할 제동력의 증가량은 앞바퀴에 작용되어야 할 제동력의 증가량보다 낮아야 하며 이를 가능하게 하는 장치가 유압비례밸브인 것이다. 즉, 급제동 시에는 정상적인 앞바퀴측의 유압보다 낮은 유압이 전달되어야 하며 그렇지 않을 경우 차량이 정지하기도 전에 뒷바퀴가 잠기는 록(Lock)현상이 나타나는데, 이 경우 뒷바퀴가 도로면에 미끄러지게 되어 제동거리가 길어지거나 심한 경우 앞바퀴와는 달리 뒷바퀴는 조향이 불가능해져 회전력이 작용하는 코너부에서 뒷바퀴가 측면으로 미끄러져 사고로 연결되는 매우 위험한 상태에 빠지게 된다. 이러한 이유 때문에 브레이크 시스템을 개발할 때에는 뒷바퀴의 잠김에 대하여 최우선적으로 검토하여 이러한 경우가 발생하지 않도록 각별히 신경쓴다. 한편 각 바퀴의 브레이크에 전달된 유압은 각 바퀴의 브레이크 실린더내의 피스톤을 바깥쪽으로 밀어내며, 이 때 유압은 다시 힘으로 변환되어 회전하고 있는 로터(Rotor) 또는 드럼면에 마찰재가 접착된 ‘패드’또는 ‘슈’를 밀착시킴으로써 차량의 운동에너지를 마찰에 의한 열에너지로 변환시키면서 차량의 정지 즉 제동이 이루어지게 되는 것이다.
한편, 뒷바퀴에 있는 브레이크에는 경사면 등에 주차할 때 차량이 움직이는 것을 방지하기 위한 주차 브레이크 기능이 포함되어 있다. 즉, 운적석 옆에 장착된 주차 브레이크(또는 핸드 브레이크) 레버를 운전자가 끌어당기면 레버 한쪽 끝에 부착된 주차 브레이크용 케이블이 끌어당겨지고 이 케이블은 또 뒷바퀴에 있는 브레이크 장치에 포함된 주차브레이크용 레버를 끌어당기게 된다. 이 레버가 당겨지면 레버에 기계식으로 연결된 슈가 확장되면서 드럼면에 마찰재를 밀착시킴으로써 주차된 차량의 움직임을 방지해 줄 수 있다.
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| 김 기 갑 | 현대모비스 기술연구소 차장 |
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