브레이크 시스템은 크게 CBS(Conventional Brake System, Hydraulic brake)와 BBW(Brake By Wire)로 구분 할 수 있다. 그 중 CBS는 파스 칼의 원리를 이용하여 마스터 실린더에서 발생한 유압을 휠 실린더 및 캘리퍼에 전달하여 브레이크 슈 및 패드를 가압하여 제동력을 발생시 키는 형식으로 안정적인 제동력을 확보할 수 있는 장점을 가지며 현재 까지 폭 넓게 적용되고 있다. 그리고 BBW는 차량에 적용되던 유압브 레이크 시스템 대신 운전자가 브레이크 페달을 밟는 힘을 전기적 신호 로 전환해 제동한다.
운전자가 페달을 밟으면 페달에 부착된 시뮬레이터가 이를 전기적 신호로 바꿔 ECU에 전달하고 ECU는 차량 상태 및 제동력을 연산해
전동 캘리퍼를 제어하는 시스템으로 지금까지 개발된 브레이크 시스템 가운데 가장 발전적인 개념이라 할 수 있으며 자세한 브레이크 시스템 개발 방향은 다음 장에서 설명하도록 하겠다.
7. 자동차 브레이크의 주요 발생 문제점
브레이크 작용은 자동차가 가지고 있는 운동에너지를 브레이크 장치 에서 열에너지로 바꾸는 것이므로, 최근과 같이 자동차과 대형화, 고속 화에 따라 브레이크 장치에서 흡수하는 열에너지고 커지고 온도상승도 심하여 순식간에 700℃ 이상에 도달한다. 이와 같이 특히 드럼과 슈의 온도가 상승하면 열변형으로 드럼의 안지름이 커짐과 동시에 그 형상 에 의하여 복잡한 변형을 일으켜 슈와 드럼의 틈새가 크게 되고, 그 결 과 페달을 밟는 양이 증가하게 된다.
드럼 브레이크 부분에서 라이닝이나 패드는 차가울 때 마찰계수는 다소 낮으나 몇 번의 브레이크 작동에 의하여 브레이크 마찰부분의 온 도가 정상적으로 따뜻한 정도에 이르면 마찰계수는 다소 증가하여 가 장 마찰력을 크게 일으켜 가장 제동효과가 커지나 과도한 마찰에 의하 여 마찰부분의 온도가 아주 높아지면 마찰계수는 급격히 저하된다.
<그림 2-34> 마찰에 의한 온도변화에 따른 마찰계수와 마모도
이와 같이 고속에서 단시간에 브레이크를 연속으로 반복 조작하여 온도가 상승되어 마찰계수의 저하로 인한 제동능력이 저하하는 현상을 페이드(Fade) 현상 이라고 하며, 이는 브레이크의 방열성의 중요함을 보여준다. 또한 긴 내리막길과 같은 곳에서 브레이크를 연속적으로 사 용하거나, 브레이크 슈의 미끄럼 등으로 인하여 브레이크 계통의 온도 가 과도하게 상승하여 브레이크액의 일부가 기화되어 유압배관 내에 공기가 들어간 것과 같은 상태가 되어 압력전달이 불가능한 상태를 베 이퍼 록(Vapor lock) 이라고 한다.
<그림 2-35> 베이버 록(Vapor lock) 현상
제 3 장 제동장치 경량화 기술의 개발 동향
안정성, 연비가 저하되는 단점을 가져오게 된다. 따라서 디스크의 마찰 재, 브릿지 등의 소재나 구조의 변경을 통해서 크기와 중량을 늘리지 않고 성능을 향상시키는 방안이 필요하다.
브레이크 디스크의 역할을 기준으로 HAT 부분과 마찰재, 브릿지 부 분으로 나눌 수 있으며, 이 중 마찰면은 제동 성능 및 내구성에 가장 밀접한 관계가 있다.
<그림 3-1> 디스크의 부위별 분류
HAT 부분과 브릿지 부분은 마찰이 일어나지 않는 차량의 허브에 장 착하기 위한 부분으로 열이나 마모가 발생하지 않으므로 인해 기존의 철보다 알루미늄 등의 경량화 소재로의 대체 가능성이 가장 큰 부분이 다.
브레이크 디스크의 경량화 소재로는 열발생, 내구성 등을 확보하기 위해 알루미늄으로의 대체가 가장 많이 이루어지고 있다. 대부분 브레 이크 디스크는 주철 또는 주강으로 제작 되며, 일반적으로 가격이 저렴
한 One piece 형태의 브레이크 디스크를 사용하나 그러나 One piece형 태의 브레이크 디스크는 일체형으로 무거우며, 소모품인 브레이크 디스 크를 교체할 경우, 부품을 전체 교체해야 하는 단점을 지니고 있다. 이 에 따라 멀티 piece를 사용하는 브레이크 디스크가 개발되고 사용되는 추세이다.
멀티 piece를 적용할 경우 1 piece 형태보다 가볍게 제작할 수 있으 며, 부품 교체 시 마찰로 인해 제동성능을 잃은 디스크 부분만 교체함 으로 유지관리 비용도 절감할 수 있으며, 디스크 면의 패턴을 개발하여 마찰력을 증가시키고 디스크 내부의 리브 구조를 설계 개발하여 방열 성, 중량감소, 내구성이 우수해 질 수 있다.
<1 piece> <2 piece>
<그림 3-2> piece 브레이크 디스크
브레이크 디스크가 가져야 할 주요 물성은 높은 마찰도와 낮은 마모 율, 변형과 균열을 방지하기 위한 높은 열용량을 들 수 있다. 현재 주 로 사용되고 있는 주조 철의 경우 높은 강도와 열전도도, 내마모성, 낮 은 가격 등의 장점을 지니지만 무게가 무겁다는 큰 단점을 지니고 있
다. 이러한 주조철의 물성을 개선하기 위한 주요 개발 소재는 다음과
<그림 3-3> 알루미늄 브레이크 디스크
알루미늄은 가볍고 열 및 전기의 양도체이고, 전성과 연성이 풍부하 여 가공하기가 쉬우며, 공기 중에서 녹이 잘 슬지 않으나 산과 알칼리 에 부식되므로 전기 제품, 장식품, 합금용 재료, 식품 포장재에 사용하 고 있으며, 기계적 성질은 좋지 못하여 알루미늄 합금을 많이 사용하고 있다. 알루미늄의 열전도율은 Cu의 열전도율의 60%이상이며, 가볍고 내식성이 있으므로 전선에 많이 사용되며, 알루미늄의 기계적 성질은 그 재료의 순도·가공도·열처리 조건·시험 온도 등에 따라 달라진다.
순도가 높을수록 연질이 되며, 불순물 중 문제가 되는 Fe, Si, Cu 등의 함량에 따라서 성질이 변한다.
- 하드 아노다이징 처리 알루미늄 재료
알루미늄 소재는 낮은 밀도로 경량성을 가지며, 부식에 뛰어난 저항 성 등의 특징을 지니고 있으나 경도가 낮고 표면 손상이 쉽고 높은 마 찰특성을 가지는 단점을 지니고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 적절한 표면처리에 대한 연구가 진행 중이다. 부품의 경량화를 추구하
면서 브레이크 특성상 표면 강도를 유지해야 함으로 그에 상응하는 표 면처리 기술이 필요하다.
아노다이징 기술은 양극 산화법을 이용하여 알루미늄 표면에 산화 피막을 형성하는 것으로 표면 경도를 증가시키고 마멸과 부식에 대한 저항성을 증가시킨다. 하드아노다이징 기술은 황산의 농도가 더 높고, 처리 온도가 더 낮으며, 전압과 전류밀도는 더 높은 처리 기술을 말한 다.
<그림 3-4> 하드아노다이징 처리 전 / 후
하드 피막은 상당히 단단하고, 입자가 치밀하며, 내마모성이 우수하 다. 저온에서 높은 전류와 강한 산으로 처리할 경우, 좀 더 치밀한 구 조의 피막이 형성되며 이는 브레이크 디스크의 특성 향상에 도움을 가 져온다.
나. 금속-세라믹 복합재료
세라믹 강화 복합소재의 경우 강도, 탄성률 등이 우수하고 낮은 열팽 창계수를 갖는 특징으로 인하여 알루미늄합금의 대체소재로 개발이 활 발히 이루어지고 있다. 알루미늄 소재에 약15~30%의 세라믹(SiO2, SiC
등) 입자를 섞어 알루미늄의 단점인 내마모성을 향상시키고 내열성 또 한 향상 시키는 방향의 연구가 진행중이다.
<그림 3-5> 알루미늄 세라믹 복합소재 드럼 브레이크
Fireline 社에서 개발한 TCON 소재는 Metal penetration process를 적 용하여 개발된 복합재로로 금속과 세라믹 페이스가 networking 되어 있는 구조의 소재이다. 연구개발 자료에 따르면 해당 소재는 기존 금속 과 세라믹 재료 대비 기계적, 물리적, 열적 특성이 우수한 특성을 보여 주고 있으며, 상대적으로 적은 비용으로 원하는 모양과 크기의 제품을 생산할 수 있는 것으로 조사되었다. Oak Ridge 연구소를 포함한 여러 민간연구소에서 분석한 결과에 따르면, TCON 소재를 적용한 브레이크 로터의 경우 기존 Cast Iron과 Titanium 소재대비 마찰계수 값은 높게 유지하면서도 발생되는 열량은 상대적으로 적은 결과를 보여주었다.
<그림 3-6> 금속/세라믹 복합재료의 발생열 및 마찰계수 값
<그림 3-7> 금속/세라믹 복합재 적용 발열량 측정사진
다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크 개발
SiC(Silicon Carbide) 기지에 탄소섬유(Carbon Fiber Reinforcement)를 보강재로 하여 제조한 탄소-세라믹 브레이크 디스크는 주철 브레이크 디스크(Cast Iron Brake Discs) 대비 낮은 비중을 가지므로 차량의 언스 프렁 질량(Unsprung Mass)을 약 50%까지 감소시킬 수 있다. 1,400 ℃
이하의 온도에서 매우 우수한 열·기계적 안정성을 가져 브레이크 디 스크 열 변형에 의해 발생되는 저더(Judder) 및 소음(Noise) 현상을 제 거할 수 있다. 그리고 고온에서 재료 열화(Degradation) 현상이 없으므 로 매우 우수한 페이드 방지(Anti-fade) 특성을 가지고 뛰어난 마찰·
마모 특성을 가지므로 주철 브레이크 디스크 대비 4배 이상의 내구수 명을 가진다. 1976년 던롭이 개발 한 카본 세라믹이 브라밤 F1 머신에 적용되면서 모터스포츠에서는 카본 계열의 재료를 사용한 브레이크 디 스크가 대부분을 차지하게 되었다.
<그림 3-8> 탄소-세라믹 디스크
탄소 소재 개발사인 SGL Carbon Group은 2000년도부터 내산화성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 개발하여 고급 상용차 Porsche, Benz등에 적용 실용화가 진행 중이다. 또한 Daimler-Chrysler AG 및 Brembo가 합작하여 2004년 15,000 개의 탄소-세라믹 브레이크 디스크 를 생산할 수 있는 합작회사를 설립하였으며, Stirfire System 및 Surface Transform의 업체들도 자동차용 탄소 세라믹 브레이크를 개발
탄소 소재 개발사인 SGL Carbon Group은 2000년도부터 내산화성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 개발하여 고급 상용차 Porsche, Benz등에 적용 실용화가 진행 중이다. 또한 Daimler-Chrysler AG 및 Brembo가 합작하여 2004년 15,000 개의 탄소-세라믹 브레이크 디스크 를 생산할 수 있는 합작회사를 설립하였으며, Stirfire System 및 Surface Transform의 업체들도 자동차용 탄소 세라믹 브레이크를 개발