드럼 브레이크와 배력 장치(+ABS 로크업)

원통의 안쪽을 마찰재로 눌러 속도를 줄이는 드럼 브레이크입니다.

드럼 브레이크

드럼 브레이크는 차축과 함께 회전하는 금속제 원통의 안쪽을 마찰재로 눌러서 마찰을 발생시킵니다. 원통을 브레이크 드럼, 마찰재를 브레이크 슈(실제로 마찰을 발생시키는 부분은 브레이크 라이닝)라고 합니다. 다양한 구조가 있는데 양쪽 브레이크 슈의 아래쪽에 힘점을 설치하고 위쪽에 브레이크 휠 실런더를 설치하는 리딩 트레일링 슈 형식이 일반적입니다.

자기 배력 작용

마스터 실린더에서 유압을 보내면 휠 실린더가 양쪽으로 열려서 슈가 드럼을 누릅니다. 유압이 저하되면 리턴 스프링의 힘으로 슈가 원래의 위치로 돌아갑니다. 이 형식의 드럼 브레이크는 진행 방향 쪽의 슈(리딩 슈)가 눌렀을 떄 드럼과 같이 회전하려고 하다가 더욱 강하게 눌립니다. 이것을 자리 배력 작용이라고 하며, 드럼 브레이크에 발생하는 마찰력이 매우 커집니다.

베이퍼 로크

브레이크를 사용하면 마찰열 떄문에 브레이크 본체 주위의 온도가 높아집니다. 마찰제가 고온이 되면 마찰력이 저하되는 페이드 현상이 일어나기 떄문에 위험합니다. 과열로 유압 기구의 액체가 끓어오르는 베이퍼 로크 현상이 일어날 수도 있습니다. 액체가 끓어서 기체가 되면 유압으로 힘을 전달할 수가 없어 위험합니다.

드럼 브레이크는 구조상 열이 잘 빠져나가지는 않는데, 디스크 브레이크는 방열이 잘되기 때문에 과열의 우려가 적습니다. 마찰재에 물 같은 액체가 묻었을 떄도 마찰력이 저하되는데, 드럼 브레이크는 내부에 물이 남기 쉬운데 비해 디스크 브레이크는 원심력으로 물을 날려버리기가 용이합니다.

이처럼 제동력만 놓고 보면 자기 배력 작용이 있는 드럼 브레이크가 우수하지만, 과열과 물에 강하다는 장점 때문에 디스크 브레이크가 주류를 이루고 있습니다.

자기 배력 작용 순서

유압이 보내집니다.
브레이크 휠 실린더가 좌우로 벌어집니다.
브레이크 슈가 브레이크 드럼에 눌립니다
왼쪽의 슈는 드럼과 함께 회전하려고 하며, 그 힘 때문에 더욱 강하게 드럼에 눌립니다.

오른쪽 슈에는 드럼이 회전하는 반대 방향의 힘이 작용하지만, 미는 힘이 더 강하기 때문에 마찰력은 그다지 저하되지 않습니다.

배력 장치

브레이크 페달은 지렛대의 원리로 페달을 밟는 힘을 증폭해 마스터 실린더에 전달하며, 유압기구도 힘을 증폭할 수 있습니다. 그러나 고속으로 달리는 무거운 자동차를 운전자의 발힘만으로 멈추기는 어려운 입니다. 그래서 일반적으로는 대기압과 흡기 부압의 차이를 이용하는 배력 장치라는 보조기구를 이용합니다.

다이어프램

배력 장치는 일종의 실린더와 피스톤으로, 브레이크 페달과 마스터 실린더 사이에 배치합니다. 피스톤에 해당하는 부분을 다이어프램이라고 하며, 브레이크 페달에서 마스터 실린더에 이르는 축에 접속되어 있습니다. 다이어프램의 양쪽에서는 흡기 부압이 유도되는데, 페달 쪽에는 축의 움직임과 연동하는 밸브가 있어서 흡기 부압과 대기압을 전환합니다.

브레이크 페달을 밟지 않은 상태에서는 양쪽이 흡기 부압이므로 다이어프램에 힘이 작용하지 않습니다. 그리고 페달을 밟아서 축이 이동하며 밸브가 전환되어 흡기 부압이 정지되고 다이어프램의 브레이크 페달 쪽이 대기에 개방됩니다. 그러면 다이어프램의 양쪽에서 기압차가 발생하기 떄문에 다이어프램이 마스터 실린더 쪽으로 눌립니다. 이 힘이 페달을 밟는 힘을 보조합니다.

또한 아이들링 스톤 앱 고 기구를 탑재한 자동차의 경우, 정차 중에 엔진이 정지하면 흡입 부압이 발생하지 않기 때문에 기존의 배력장치가 가능하지 못합니다. 이럴 때는 전용 전동 펌프로 부압을 만들어낼 때가 많습니다. 배력 장치를 사용하지 않고 유압으로 보조하는 방법도 있습니다. 전동 펌프로 유압을 발생시켜서 필요할 때 브레이크 유압 기구의 유압을 높입니다. 이런 시스템은 ABS와 함께 컴퓨터로 제어됩니다.

ABS

급제동으로 타이어의 회전이 지나치게 느려지면 로크업이 일어납니다. 로크업이 일어나면 제동력이 극단적으로 저하되어 제동 거리가 길어질 뿐만 아니라 어떤 식으로 미끄러질지 알 수 없습니다. 즉, 자동차가 제어 불능이 됩니다. 타이어가 노면 위를 미끄러지는 상태에서는 핸들을 조작해도 자동차의 방향을 바꿀 수가 없는데, 이래서는 위기 회피가 불가능합니다. 이런 사태를 막아주는 것이 ABS입니다.

ABS는 유압 제어 유닛과 각종 센서, 컴퓨터로 구성되어 있습니다. 노면이나 타이어의 상태는 균일하지 않기 때문에 각 바퀴의 회전 속도와 마찰력의 한계는 시시각각 변합니다. 그래서 컴퓨터가 여러 센서로 바퀴의 상태를 감시하는데, 각 바퀴에 장착된 차륜 속도 센서로 회전속도를 알아내고, G센서로 자동차의 잠속 정도를 체크합니다. 만약 로크업을 일으킬 것 같은 바퀴가 있다고 판단되면 컴퓨터는 유압 제어 유닛에 지시를 내립니다.

유압 제어 유닛

유압 제어 유닛에는 여러가지가 있습니다. 가장 기본적인 구조의 경우 ,마스터 실린더에서 로크업을 일으킬 것 같은 바퀴의 브레이크 전체로 유압을 더는 보내지 않습니다. 또한 브레이크 본체 쪽의 유압을 보조 탱크로 빼내 브레이크의 작동을 약화시킵니다. 그리고 바퀴의 회전 속도가 제동력을 발휘할 수 있는 상태가 되면 그 상태를 유지하며, 반대로 바퀴의 회전속도가 지나치게 빨라져 제동력을 충분히 발휘하지 못하게 되면 다시 마스터 실린더에서 브레이크 본체로 유압을 보냅니다

ARS는 이런 동작을 매순간 반복해서 최상의 제동력을 유지하고 로크업을 방지합니다.