제동장치

# Brake
### 제동장치란?

- 제동장치란, 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량을 정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하고 있다. 또한 운전자의 조작력이나 보조동력에 의해 발생되는 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 제동하는 장치를 뜻한다.

### 제동장치의 필요성?

- 자동차의 주행 성능 향상
- 환경 친화적 부품 사용
- 서스펜션 기술의 진보에 따라 기존의 단순한 제동력 뿐 아니라 안전성 및 신뢰성, 내구성 증의 제동장치에 대한 요구 성능이 엄격해지고 있는 추세
- 핵심 : 제동장치는 안정성 관련 핵심 부품으로 작동이 확실하고 제동효과도 커야한다.
- 최근 차량의 정숙감 및 승차감 등의 고급화 지향에 따라 제동장치의 소음이나 제동 시 조작감 등에 대한 감성영역의 요구도 크게 증대되어 이에 기술향상도 필요하다. 또한 안전성에 중요한 역할을 하므로 조작이 간단하여야 하며, 정비 및 교체 또한 용이한 구조를 지녀야 하며, 제동장치가 작동하지 않을 때는 주행 시 각 차륜의 회전에 영향을 주지 않아야 한다.

### 제동장치의 종류

- 1) 주브레이크
- 2) 주차브레이크
- 3) 감속브레이크
- 제동장치 종류와 기능
- 주브레이크 : **풋 브레이크**라고 알려져 있으며 주로 주행 중인 자동차를 정지 또는 감속할 때 사용되며, 기존에는 유압을 이용한 브레이크와 공기를 이용한 브레이크가 주로 사용
- 주차브레이크 : 정차 시 차량의 움직임을 방지하는 것으로 **핸드브레이크** 또는 **사이드브레이크**로 표현하기도 하며 **센터브레이크**와 **휠 브레이크**로 나눌 수 있다
- 감속브레이크 : **엔진브레이크**가 대표적인데, 차량의 주행속도와 엔진의 회전 수 차이를 이용하여 차량 속도를 감속시키는 것이다. 내리막길 운행 중에 차량의 레버를 1단에 두고 주브레이크의 사용 없이 저속으로 가는 원리를 생각하면 된다.


### 브레이크 시스템 구성

- 제동력 발생 장치(Actuation system)
- 제동 장치(Foundation System)
- 부수 장치

-제동력 발생 장치

운전자의 조작력이나 보조동력(Vacuum, **Hydraulic**, Air)을 이용하여 제동에 필요한 힘을 발생시키는 장치이며, 마스터 실린터(Mater cylinder), 부스터(Booster), 에어 마스터(Air Master), 에어 챔버(Air Chamber)가 포함된다.

-제동장치

제동력 발생장치에서 발생된 힘을 이용하여 실제로 차량을 감속 또는 정지시키는 장치이며, 드럼 브레이크(Drum Brake), 디스크 브레이크(Disc Brake)등이 이에 속한다

-부수장치

부수 장치는 제동력 발생 장치의 힘을 제동장치에 전달하는 파이프(Pipe)류, 밸프(Valve)류 및 동력 발생 장치의 보조동력을 얻기 위한 진공 펌프(Vacuum pump), 에어 컴프레셔(Air Compressor)

일반적으로 주행 시 사용되는 브레이크는 주 브레이크 또는 풋 브레이크이다. 이러한 주 브레이크 시스템은 크게 기존 제동 시스템 **CBS(Conventional Brake System, Hydraulic brake)**와 **전동식 제동 시스템**으로 구분 할 수 있다.


### 차량에 적용하는 브레이크

- 디스크
- 드럼 디스크
- 에어 브레이크

전륜 : 디스크 브레이크 / 후륜 : 드럼 브레이크

전륜에 디스크 브레이크 장착하는 이유?

디스크 브레이크가 드럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어 있고 핸들 쏠림 방지나 안정된 제동 효력 확보의 측면에서 유리


### 베이퍼록, 페이드 현상

Vapor lock , Fade 현상

**베이퍼록(Vapor Lock)**

**브레이크의 마찰열 상승으로 브레이크액이 끓어올라 기포가 발생**해 **브레이크의 제동력이 급격히 떨어져 브레이크가 작동하지 않는 현상**을 말합니다. 특히 30도가 넘는 무더위에서는 아스팔트의 복사열이 브레이크 장치를 가열시켜 베이퍼록 현상을 유발합니다.

**페이드 현상**

베이퍼록과 유사한 **페이드(Fade)** 현상은 **브레이크를 자주 밟아 생긴 마찰열 때문에 라이닝이 변질되어 마찰계수가 떨어지면서 브레이크가 밀리거나 작동하지 않는 현상**입니다. **빠른 속도**로 달릴 때 브레이크 페달을 지나치게 밟으면 라이닝과 디스크 등 관련 부품의 **온도가 상승**하는데요. 이때 **마찰계수가 극히 작아져** 브레이크의 제동력이 떨어지게 됩니다.

- 라이닝 : 브레이크 드럼(회전축에 고정되어 제동을 거는 바퀴)과 접촉하여 회전을 멈추게 하는 마찰재
- 디스크 : 브레이크 패드를 압착시켜 제동 효과를 발생시키는 장치


### 디스크 브레이크 장점

마스터 실린더에서 발생한 유압을 이용하여 바퀴와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 패드로 압착하여 **바퀴의 회전을 구속**하는 **제동 기구**를 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 - 6 평형이 유지되어 방향안정성이 좋은 장점을 지닌다.

*벤틸레이티드 브레이크 : 디스크에 구멍이 있는 브레이크 , 열 유속이 상당히 줄어든다*(솔*리드 디스크 브레이크)*

*타공의 면적이 늘어날수록, 열배출 성능은 뛰어남, 크랙의 위험은 같이 증가, 가장 주요한 factor: 타공의 개수, 지름*




### 드럼 브레이크 단점

드럼 브레이크는 **휠 실린더 동작에 의해 브레이크 마찰판이 외부로 확장되면서 드럼 내부의 마찰면에 접촉하고, 이로 인해 제동력이 발생하는 방식**이다. 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.


### 브레이크 작동 방식

브레이크의 작동 방식은 운전자가 브레이크페달을 밟으면 그 힘의 **5~8배**의 힘으로 마스터실린더를 밀어 유압을 발생시킨다. 이 때 발생한 유압은 피스톤을 거쳐 파이프를 통해 휠에 설치된 캘리퍼의 피스톤으로 전달된다. 전달된 유압이 피스톤을 밀어 디스크를 조이면 제동력이 발생한다.

**Actuation, Foundation**

브레이크의 주요 구성요소는 브레이크페달, 브레이크부스터, 마스터실린더, 유압 비례 제어밸브, 휠실린더, 드럼과 라이닝, 파이프라인 등이 있다. 이 가운데에서 브레이크 부스터와 마스터 실린더 및 비례제어밸브를 액츄에이션(Actuation)부로 표현하며 전륜 및 후륜 브레이크를 파운데이션(Foundation)부

**필요한 성능**

- 균일한 제동 성능 확보를 위한 일정한 마찰계수
- 제동 시 발생되는 고열에 의한 성능 저하를 막기 위한 고방열성
- 불규칙 마모 및 공진에 의한 소음 방지
- 패드의 낮은 마모율
- 우수한 부품 교체 용이성

### 전동식 제동 시스템

*차량에 적용되던 기존의 운전자가 직접적으로 브레이크의 유압을 조절*하여 차량을 제동하는 시스템을 대신하여 **운전자가 브레이크 페달을 밟는 힘을 전기적 신호로 전환**해 제동

### #시뮬레이터 #ECU #유압모터 #전동 캘리퍼

페달을 밟으면 페달에 부착된 시뮬레이터가 이를 전기적 신호로 바꿔 ECU에 전달하고 ECU는 차량 상태 및 제동력을 연산해 유압 모터를 제어하거나 전동 캘리퍼를 제어하는 시스템으로 지금까지 개발된 브레이크 시스템 가운데 가장 발전적인 개념

### 개발 방향

유압식 제동 시스템(Hydraulic Brake System) 일부와 비진공식 제동 시스템(Vacuum-less Braking System)과 이를 적용하여 발전된 **ABS(Anti-lock Brake System), ESC(Electronic Stability Control), RBS(Regenerative Braking System)** 등의 제어시스템까지 통합

### 자동차 전동식 제동 시스템 개요

‘X-by-Wire’란 케이블 또는 전선을 이용한 제어라는 개념으로 **원래 항공기에 탑재된 기술로서 조종사의 운전술을 향상시키기 위해 도입된 개념**으로 기계적(케이블, 로드 또는 유압 등)인 수단에 의해 스포일러나 승강기와 같은 액추에이터를 조종하던 방식을 전기적인 신호전달(Wire)에 의한 조종방식으로 대체한 것으로 보다 정교한 조종과 함께 응답성을 월등히 개선

### 기대효과

기계식 조종방식을 by-Wire에 의해 대체함으로써 얻을 수 있는 기대효과로는 설계 및 수정의 유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과 경량화 측면에서 유리하여 연비를 크게 향상시킬 수 있으며 우수한 첨단 제어기술의 적용이 가능하다.

특히 전기식제동장치(Brake-by-Wire)의 경우 운전석에서 자동차의 모든 바퀴에 이르는 복잡한 유압식 또는 공압식 제동계통을 단순한 와이어에 의해 대체함으로써 그 효과를 더욱 극대화시킬 수 있고 제동 시 응답시간을 획기적으로 감소시켜 제동거리를 단축시킴으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로 그 활용가능성이 매우 기대된다.

다만 제동장치의 경우 자동차 안전에 매우 중요한 부품이므로 기계식 부품을 전자화하였을 경우에 발생할 수 있는 제어계통의 오류 및 단전, 단선 등에 대한 충분한 안전성이 담보되어야 하는 어려움이 있다.

전기식제동장치(Brake-by-Wire)는 그 구현방식 및 발전단계에 따라 전기유압식 (EHB : Electro-Hydraulic Brake)과 전기기계식(EMB : Electro -Mechanical Brake) 및 그 혼합형인 Hybrid EMB로 분류가 가능하다.

### 자동차 전동식 브레이크 시스템 기술 동향

최근 ABS(Anti-Lock Brake System)를 능가하는 차세대 브레이크 시스템이 개발되면서 향후 차량의 안전성 향상 및 사고방지에 크게 기여할 것으로 전망된다. 한때, 첨단 브레이크로 인식되었던 ABS는 급제동시 제동거리 단축에 따른 사고 방지 효과가 인정되어 대형 차량에 대한 설치를 의무화 하는 등 이제는 보편화된 기술로 정착되었다.

그러나 최근 들어 자동차 기술의 핵심 목표로서 연비 향상과 더불어 차량의 안전성 향상이 크게 대두됨에 따라 ABS 보다 제동 성능은 물론 좌우방향 미끄러짐과 흔들림을 크게 개선한 브레이크 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.