차량 유압 제동 시스템의 이해

 차량 유압 제동 시스템 구성, 원리, 장점 및 단점에 대해 기술했습니다. 인문대생도 쉽게 이해 할 수 있도록 최대한 쉽게 기술했습니다.

유압 제동 시스템 구성도

 유압 제동 시스템의 구성도는 다음과 같습니다.

유압 제동 시스템 구성도

1. Brake pedal : 운전자가 밟은 제동의지를 전달하는 역할 수행

2. Vacuum booster : 압력을 상승시키는 역할을 수행

3. ESC : 전자 제동력 제어 장치, 각 휠에 대한 압력을 상승시키거나 하강시켜 차량의 종방향, 횡방향 안정성을 확보함

4. Caliper : 실제 마찰력을 발생시키 차량의 제동력을 발생시키는 장치

유압 제동 시스템의 원리

1. 운전자가 차량을 세우고자 브레이크 페달을 밟는다.

2. 운전자가 밟은 답력만큼 진공 부스터로 힘이 전달 된다.

3. 진공 부스터에서 압력을 배력 시킨다.

4. 압력이 브레이크 유압 배관을 통해 각 휠로 분배 된다.

5. 발생된 압력이 피스톤을 밀어 브레이크 패드와 디스크를 밀착 시킨다.

6. 패드와 디스크가 마찰 되면서 제동력이 발생된다.

 

 유압 제동은 위와 같은 과정을 통해 제동력이 발생됩니다. 먼저 운전자가 차량을 세우고 싶을 경우 브레이크 페달을 밟게 됩니다. 승용차량 기준으로 차량은 무게가 1톤에서 2톤 넘어까지 나갑니다. 근래 출시하는 전기차의 경우에는 2톤을 넘기는 경우도 있습니다. 무거운 무게와 차량의 운동에너지까지 발생되기 때문에 사람의 힘만으로 차량을 세울 수는 없습니다. 따라서 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 중간에 그 힘을 배력 시키는 장치가 필요합니다. 그 장치는 진공 부스터이며, 진공 부스터를 통해 운전자가 입력한 힘을 증가시킵니다. 

 

 이 때 각 자동차 제조사 별로 갖고 있는 특성이 있어 운전자가 1의 힘으로 브레이크 페달을 밟은 경우 10의 힘을 내게 하는 차량 제조사가 있는가 반면, 15의 힘을 발생시키는 제조사도 있습니다. 사람들이 말하는 “브레이크가 예민한 것 같아, 차가 잘 서지를 않네” 하는 이유가 여기에 있습니다. 각 차량 제조사별 제동력을 제어하는 특성이 있고, 차량별로도 각 특성에 맞게 설계되어 있습니다. 

 예를 들면, 차량 구동력이 큰 스포츠카의 경우 제동력이 빠르고 크게 발생되어야 하기 때문에 민감하게 반응을해야 합니다. 빠르게 제동력이 생성되지 않을 경우 운전자가 원하지 않는 주행감을 주기 때문입니다. 반대로 세단의 경우 안정적인 제동력을 생성해야 하기 때문에 페달을 어느정도 밟았을때 제동감이 형성되도록 설계되어 있습니다. 살짝만 올려도 팍팍 차량이 서는 경우 승차감에 나쁜영향을 미치기 때문입니다.

 

 진공 부스터를 통해 배력된 압력은 브레이크 유압 배관을 따라 캘리퍼에 설치된 피스톤을 밀게 됩니다. 피스톤은 캘리퍼에 설치된 브레이크 패드를 밀게 되고, 패드는 회전하고 있는 디스크를 압박하게 되며 제동력이 발생됩니다.

 더 쉽게 이야기하면 아래의 그림에서 캘리퍼가 회전하고 있는 디스크를 꽉 잡게 되면서 마찰력이 발생되고, 차량의 바퀴와 노면과의 마찰이 발생되어 제동력이 발생됩니다.

유압 제동 캘리퍼와 디스크

 

 수식적으로 접근하면 제동력은 다음과 같이 정리 할 수 있습니다. 사실 클램핑 포스, 마찰력, 발열,  타이어와 노면간 마찰력까지 고려를 해야하지만, 가장 간단하게 정리한 식이니 참조 드립니다.

 

 제동력 = 운전자가 밟은 힘 + 진공 부스터로 배력 된 힘

 

유압 제동 시스템의 장점 및 단점

 유압 시스템의 장점과 단점에 대해 아주 쉽게 기술 했습니다.

유압 제동 시스템의 장점

1. 시대가 검증한 안정성

2. 유지 보수의 용이성

3. 부품 단위의 고장이 발생해도 일부 제동력 생성이 가능함

4. 저렴하다.

 

 유압 시스템은 100년이 넘은 시스템입니다. 긴 시간동안 검증과 개선이 이루어졌다는 뜻을 의미합니다. 단순한 배관과 부스트 장치만 있기 때문에 차량 정비시 큰 공수가 발생되지 않습니다. 캘리퍼는 가볍고, 튼튼하며, 발열이 잘되는 형태를 지향하기 때문에 캘리퍼 블럭의 크기가 작아지고 있는 추세입니다. 물론 발열 이슈로 일부 크기 이하로 줄이기 어려운 부분도 있습니다. 사실상 캘리퍼 무게당 단가로 봐도 무관할 수준으로 시장성과 기술이 포화되고 있는 실정입니다. 결국 가격적인 측면에서는 유압 시스템은 좋습니다.

유압 제동 시스템의 단점

1. 브레이크 오일 누유 시 환경 오염에 치명적이다.

2. 차량 레이아웃이 번거롭다.

- 유압 배관이 각 휠로 연결

- 각 휠에 대한 제어를 위해서는 추가적인 전자 제어 장치가 필요

- 배력 생성을 위한 진공 부스터 설치 공간 필요

 

 차량의 전동화에 맞춰서 유압 제동 시스템도 반전자화가 되어가고 있습니다. 이유는 자율 주행이나 회생제동을 위해서는 어쩔 수 없이 마찰 제동력에 대한 제어와 각 휠에 대한 독립제어가 필요하기 때문입니다. 제조사 입장에서는 레이아웃도 골치가 아프기 때문에 점점 통합된 형태의 제동력 제어 장치가 개발되고 있습니다.

유압 제동 시스템의 전망

 한번에 brake by wire 형태로 갈 수 있을 것으로 보이지는 않습니다. 생각해보면 by wire를 위해서는 각 휠에 EMB가 장착 되어야합니다. 각 휠별로 모터가 4개가 들어가고 각 EMB 제어를 위한 ECU가 필요합니다. 유압 시스템은 전자 제어장치 정도만 추가 되는 정도이니 가격적인 장점이 있을 수 밖에 없습니다. by wire 시스템이 적용 되더라도, 후륜 부분만 전동화가 되고 전륜까지 하는 형태로 발전 될 것으로 예상합니다. 후륜 부분은 EPB라고 해서 전동화된 파킹 제동 시스템이 들어가 있기 때문에 기능을 통합하게 된다면 가격적인 장점도 일부 생기기 때문입니다. 다만, 압도적으로 유압 시스템 대비 우세하다가 아니라 그래도 2가지 기능이 하나로 합쳐지기 때문에 좋다 정도로 봐주시면 좋을 듯 싶습니다.

결어

 유압 제동 시스템의 구성요소, 원리, 특징, 전망에 대해 알아봤습니다. 차세대 제동 장치가 많이 나오고 있지만 그래도 아직까지는 유압 제동 장치의 가격적인 장점은 넘어야 할 산으로 생각됩니다. 향후에는 유압 장치만이 주는 감성아닌 감성을 올드 차주 분들만 기억 하실 듯 싶습니다.