제동력

제동력(制動力, braking force)은 움직이는 자동차를 정지시키는 타이어와 노면과의 마찰력을 말한다. 타이어에 주름이 많을수록 미끄러짐이 적어 제동력이 커진다.

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개요

제동력은 차량의 속도를 늦추거나 차량을 멈추게 하는 힘을 말한다. 자동차의 제동력은 4륜이 동시에 멈출 때 최대가 되므로, 이때의 제동력 배분이 이상적이다. 일반적으로 브레이크 페달을 밟으면 앞바퀴의 하중이 증가하고 뒷바퀴의 하중이 감소하기 때문에, 앞쪽에 브레이크가 강하게 걸리도록 제동력 배분의 비율이 일정하게 되어 있다. 그러나 스포츠카에서는 고속주행에서 뒷바퀴의 고착을 방지하기 위하여 유압 제어에 의한 제동력 배분을 바꿀 수 있는 것도 있다. 알아두어야 할 점은, 브레이크가 직접 차량을 멈추게 하는 것이 아니라는 것이다. 브레이크는 제동 토크를 만들어 주는 역할을 하며, 차량을 멈추게 하는 것은 결국 타이어와 지면의 마찰력이다. 이와 같은 제동력은 구동력과 마찬가지로 사람의 발에서부터 바퀴까지 다양한 단계를 거치면서 형성된다. 아무리 브레이크 패달을 세게 밟아도 노면과 타이어 사이에 마찰력이 충분히 형성되지 못한다면 원하는 제동력을 낼 수 없다. 즉 최대 제동 가속도는 타이어가 노면에 가할 수 있는 최대 제동력에 의해 한계가 된다.

관련 제동장치

공압ㆍ유압식 제동 시스템

공압 또는 유압식 제동 시스템은 파스칼의 원리를 이용하여 마스터 실린더에서 발생한 유압이나 공압을 휠 실린더 및 캘리퍼에 전달하여 브레이크 슈 및 패드를 가압하여 제동력을 발생시키는 형식이다. 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 장점을 가지며 현재까지 폭 넓게 적용되고 있다. 차량에는 다양한 방식의 브레이크가 적용될 수 있으며, 그 종류로는 크게 디스크, 드럼 방식의 브레이크로 나뉘고 대형차의 경우 에어 브레이크가 있다. 기존 일반 양산 자동차의 경우 전륜에 디스크 브레이크, 후륜에 드럼 브레이크를 장착하고 있으며, 이는 디스크 브레이크가 드럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어 있고 핸들 쏠림 방지나 안정된 제동 효력 확보의 측면에서 유리하기 때문에 전륜에 많이 장착하고 있다.

디스크 브레이크

디스크 브레이크는 마스터 실린더에서 발생한 유압을 이용하여 바퀴와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 패드로 압착하여 바퀴의 회전을 구속하는 제동 기구를 갖고 있다. 이 시스템은 디스크가 배기 중에 노출되어 있어 페이드 현상이 적고 소음 및 감성영역의 특성이 뛰어나 고급 중대형 자동차, 고성능 자동차 및 경주용 차량 등에 적용 폭을 점차 높여 가고 있다. 또한 페이드 현상이 적음에 따라 방열성이 우수하여 브레이크력에 의한 디스크의 열변형이 적어 좌우 브레이크의 힘의 평형이 유지되어 방향 안정성이 좋은 장점을 지닌다.

드럼 브레이크

드럼 브레이크는 휠 실린더 동작에 의해 브레이크 마찰판이 외부로 확장되면서 드럼 내부의 마찰면에 접촉하고, 이로 인해 제동력이 발생하는 방식이다. 드럼은 정적, 동적인 평형을 기본적으로 요구하며, 충분한 강성과 내마모성 및 방열 능력을 지니고 있어야 한다. 드럼 브레이크는 구조상 마찰면이 내부에 존재하여 열의 방출이 어렵다. 이로 인해 온도가 상승되어 마찰계수가 저하되는 페이드(Fade) 현상과 브레이크 액의 일부가 기화되는 베이버 록(Vapor lock) 현상이 잦다는 단점을 지닌다. 브레이크의 작동 방식은 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 그 힘의 5~8배의 힘으로 마스터 실린더를 밀어 유압을 발생시킨다. 이때 발생한 유압은 피스톤을 거쳐 파이프를 통해 휠에 설치된 캘리퍼의 피스톤으로 전달된다. 전달된 유압이 피스톤을 밀어 디스크를 조이면 제동력이 발생한다. 브레이크의 주요 구성요소는 브레이크 페달, 브레이크부스터, 마스터 실린더, 유압 비례 제어밸브, 휠 실린더, 드럼과 라이닝, 파이프 라인 등이 있다. 이 중에서 브레이크 부스터와 마스터 실린더 및 비례제어밸브를 액츄에이션(Actuation)부로 표현하며 전륜 및 후륜 브레이크를 파운데이션(Foundation)부로 분류하기도 한다.

전동식 제동 시스템

ABS

ABS(잠김방지 브레이크 시스템)는 급제동시 바퀴의 회전이 완전히 정지되는 현상, 즉 잠김 현상으로 인한 차량의 미끄러짐을 해소하기 위해 짧은 시간 간격으로 바퀴의 회전을 허용하여 잠김 현상이 방지되도록 함으로써 제동거리를 단축하는 시스템이다. ABS를 구성하는 주요 부품은 속도 센서(speed sensors), 밸브(valves), 펌프, 컨트롤러이다. 속도 센서는 휠의 가속도 또는 감속도를 결정하는데 사용하며, 이러한 센서 신호를 생성하기 위해 자석과 와이어의 코일을 사용한다. 각 바퀴에 설치되어 있고 각 바퀴의 회전 속도를 검출해 슬립율을 산출한다. ABS에 의해 제어된 각 브레이크의 브레이크 라인에는 밸브가 있다. 보통 밸브는 3단계로 작동된다. 첫 번째, 밸브는 개방되고 마스터 실린더의 압력은 브레이크에 가해진다. 두 번째, 운전자가 브레이크 페달을 과하게 밟았을 때 압력이 상승하는 것을 방지하기 위해 라인을 차단한다. 세 번째, 밸브는 브레이크 압력의 일부를 해제한다. 밸브 시스템 문제점의 대부분은 밸브 막힘으로 발생하며 밸브가 막힌 경우 열거나 닫히는 작동을 할 수 없으며 이는 브레이크에 공급되는 압력을 제어하지 못하고 밸브를 조작할 수 없다. ABS의 펌프는 밸브를 해제한 후, 유압 브레이크로 압력을 복원하는 데 사용된다. 휠 미끄러짐을 감지하였을 때 컨트롤러부터의 신호로 밸브는 압력을 해제하고, 이 후 펌프는 제동 시스템의 압력을 복원하는 데 사용된다. 컨트롤러는 압력의 적정량을 제공하고 미끄럼을 감소시키기 위해 펌프의 상태를 조절한다. 컨트롤러는 ECU(Electric Control Unit) 타입으로 각각의 휠 속도 센서로부터 정보를 받아들여 차속과 바퀴의 회전상황에서 최적의 제동력이 작용하도록 휠 실린더로 지시를 하고 시스템 전체를 제어한다.

차체 자세 제어장치

차체 자세 제어장치(ESC, Electronic Stability Control)는 차체에 설치된 각종 센서로부터 감지된 데이터를 기초로 차량의 미끄러짐 현상을 실시간으로 감지하여 각 바퀴의 제동력을 개별적으로 제어함으로써 곡선 주행시 조향 성능을 향상한 기술이다. 차체가 언더스티어 혹은 오버스티어인 상태로 밸런스를 잃을 때 ESC가 작동해 바퀴에 제동을 걸어주고 엔진 출력을 낮추면서 차체의 움직임을 제어해 균형을 잡아주는 역할을 하는 것이다. ESC는 안전운전에 대한 트랙션 컨트롤(traction control)을 사용한다. ESC는 수직 축의 좌우 움직임의 모니터링을 담당하고 있다면, 트랙션 컨트롤은 전후 이동을 담당하고 있다. 트랙션 컨트롤 시스템이 바퀴의 미끄러짐을 감지하는 경우, ESC 센서는 미끄러지는 방향을 찾아내고 스티어링 휠의 각도와 차량이 미끄러지는 방향 사이에 차이가 있을 경우 ESC는 적절한 휠(하나 또는 여러 개)에 ABS가 작동하도록 하고 차량 속도를 감소시키도록 제어한다. ESC 정보는 세가지 유형의 센서를 통해 차량의 중앙컴퓨터에 공급된다. 휠 속도 센서(Wheel speed sensors)는 각 바퀴에 장착되어 있으며 바퀴 속도를 측정하여 엔진 속도와 비교하는 역할을 수행한다. 조향각 센서(Steering angle sensors)는 운전자가 차량을 목표로 하고자 하는 방향을 측정하며 이 자동차가 실제로 주행 방향과 다르다면 ESC 시스템이 작동된다. 회전 속도 센서(Rotational speed sensor)는 요 센서(yaw sensor)로서 알려져 있으며 이는 차량의 좌우 운동을 측정하며 자동차 중간에 하나가 있다. 이 외에도 가속페달 센서와 압력센서가 있으며 차량 거동을 감지하기 위한 측방향 가속도 센서 등으로 구성된다.

참고자료

• 〈제동력 배분〉, 《네이버 지식백과》
• 종카이, 〈직진차량동역학(Lognitudinal Dynamics)-(4. 제동력)〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-07
• 센서로세계로미래로, 〈자동차의 제동 시스템 기술동향〉, 《네이버 블로그》, 2021-02-11
• 〈전동식 제동 시스템 기술동향 및 시장분석〉, 《한국과학기술정보연구원》, 2017-11

같이 보기

• 제동

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