자동차 브레이크 마스터 실린더와 플런저 뜯어보기

지난 포스팅에서는 자동차의 유압 브레이크 시스템에 대해서 작성했었습니다.

전자 유압 브레이크 시스템 (One Box Brake System) 뜯어보기

오늘은 유압 브레이크 시스템 중에서도 중요한 부분인 페달 부분에 대해 작성해보겠습니다.

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구조 개요

브레이크액 레저버, 1차/2차 피스톤, 리턴 스프링, 실, 푸시로드, 유체 흡입/보상 포트, 브레이크 회로 아웃렛 등

최신의 자동차 브레이크 시스템에서는 대부분 위 그림과 같이 탠덤(Tandem) 마스터 실린더로 이루어져 있습니다.

 

정의

• 마스터 실린더: 운전자가 브레이크 페달을 밟을 때 발생하는 기계적 힘을 유압으로 변환하여 브레이크 라인으로 전달하는 장치입니다.
  • 브레이크 시스템의 메인 압력 생성원
  • 모든 휠 브레이크에 동일하게 유압을 분배하는 역할 (이중 회로를 통해)

 

동작 원리

1. 페달 입력 → 푸시로드
   • 운전자가 페달을 밟으면 푸시로드가 전방으로 이동합니다.
2. 푸시로드 → 1차 피스톤
   • 푸시로드가 1차 피스톤(Primary Piston)을 밀어 1차 유압 챔버 내의 브레이크액을 압축합니다.
   • 이 압력이 1차 회로(Circuit 1)로 전달됩니다.
3. 1차 피스톤 → 2차 피스톤
   • 1차 챔버의 압력과 1차 피스톤의 움직임으로 인해 2차 피스톤(Secondary Piston)이 밀려 전진합니다.
   • 2차 피스톤이 2차 유압 챔버 내의 브레이크액을 압축하여 2차 회로(Circuit 2)에 압력이 생성됩니다.
4. 유압 전달 → 캘리퍼/휠 실린더
   • 각 회로를 통해 생성된 유압이 개별 브레이크 라인 아웃렛(Circuit 1/2 Outlet)으로 전달되어 캘리퍼나 휠 실린더를 작동시키고, 브레이크 패드가 디스크나 드럼을 제동합니다.

이중 회로 (Tandem) 설계 이유
하나의 회로가 손상되어도(예: 유압 누유) 나머지 회로가 독립적으로 작동하여 제동 기능을 부분적으로 유지합니다. 이는 운전자의 안전을 확보하기 위한 핵심적인 설계입니다.

 

피스톤(Piston)의 정의와 역할

 

기본 정의

• 길쭉한 원통형 막대로, 실린더 내부를 이동하며 유체에 압력을 가해 유압을 형성하는 핵심 부품입니다. 브레이크 마스터 실린더에서는 일반적으로 **피스톤(Piston)**이라는 용어가 사용됩니다.
• 실린더 내부의 실(Seal)과 함께 움직이며 유압 챔버 내의 고압을 유지합니다.

 

마스터 실린더 내 피스톤 기능

• 유압 생성 및 유지
  • 운전자의 페달 힘을 브레이크액에 전달하여 필요한 유압을 생성하고 유지합니다.
• 회로 분리 기능:
  • 두 개의 독립적인 피스톤(1차/2차)을 통해 두 개의 브레이크 회로를 완전히 분리하여 안전성을 확보합니다.
• 압력 조절 기능 연관 
  • (특히 최신 시스템에서) 피스톤의 설계와 흡입/보상 포트(Intake & Compensation ports)의 개폐 메커니즘을 통해 브레이크액의 흐름을 조절하고, 특정 상황에서 압력 조절 밸브처럼 동작하는 것에 기여할 수 있습니다.
• ABS/TCS 작동 시 연관성
  •  직접적으로 피스톤이 압력을 개방/차단하는 것은 모듈레이터 밸브의 역할이 크지만, 피스톤의 움직임은 외부 제어 시스템과 연동하여 전체적인 압력 분산(Modulation) 및 제동 안정성 향상에 필요한 기본 유압을 제공합니다.

 

구성 요소 별 설명

• 브레이크액 레저버(Brake Fluid Reservoir)
  •  브레이크액을 저장하고, 유압 회로에 지속적으로 브레이크액을 공급하는 탱크입니다.
• 푸시로드(Pushrod)
  •  브레이크 페달을 밟는 운전자의 기계적 힘을 마스터 실린더 내부의 1차 피스톤에 전달하는 막대입니다.
• 1차 피스톤 (Primary Piston)
  •  푸시로드의 힘을 직접적으로 받아 1차 유압 챔버를 압축하고, 그 압력으로 2차 피스톤을 밀어내는 역할을 합니다.
• 2차 피스톤 (Secondary Piston)
  •  1차 피스톤의 움직임에 따라 유압 챔버를 압축하여 독립적인 2차 유압 회로를 생성합니다.
• 리턴 스프링 (Return Spring)
  •  브레이크 페달에서 발을 떼면 피스톤을 원래 위치로 되돌려놓아 유압 챔버가 다시 브레이크액으로 채워지도록 돕습니다.
• 실(Seal)
  •  피스톤 주변에 장착되어 브레이크액이 누설되지 않도록 막고, 유압 챔버 내에서 효과적으로 압력을 유지할 수 있도록 합니다. (그림에서는 Primary Piston 주변의 파란색 부분)
• 유체 흡입 포트 (Fluid Intake Port)
  •  레저버로부터 브레이크액이 유압 챔버로 유입되는 경로입니다.
• 흡입 및 보상 포트 (Intake & Compensation Ports)
  •  브레이크액이 레저버에서 챔버로 들어오고(흡입), 페달 해제 시 챔버 내 압력을 해제하고 브레이크액을 레저버로 돌려보내는(보상) 역할을 하는 작은 구멍입니다.
• 회로 아웃렛 (Circuit 1/2 Outlet)
  •  압축된 브레이크액이 각각의 독립적인 브레이크 라인으로 배출되어 휠 브레이크로 전달되는 출구입니다.

 

One Box / ABS / TCS와의 연관성

• 피스톤 구조는 브레이크 시스템의 기본
  •  마스터 실린더의 피스톤 구조는 전통적인 유압 브레이크 시스템의 핵심이며, 이는 브레이크-바이-와이어(Brake-by-Wire)와 같은 최신 시스템에서도 유압 발생 장치(HBG)의 형태로 중요한 역할을 합니다.

• ABS/TCS와의 연동
  •  ABS(Anti-lock Braking System) 및 TCS(Traction Control System)는 휠의 잠김이나 스핀을 감지했을 때, 브레이크 압력을 미세하게 조절하여 제동 안정성을 확보하는 시스템입니다. 이 시스템들은 마스터 실린더가 생성한 유압을 전자적으로 제어되는 **모듈레이터 밸브(Modulator Valve)**를 통해 신속하게 낮추거나 유지합니다. 마스터 실린더의 피스톤 움직임은 이 압력 제어에 필요한 기본 유압을 지속적으로 제공합니다.

• One Box Brake System
  •  기존의 진공 부스터, 마스터 실린더, ABS/ESC 유압 모듈을 하나로 통합한 시스템입니다. 이 시스템 내에서도 유압을 생성하는 핵심 메커니즘은 여전히 피스톤의 움직임을 기반으로 합니다. 하지만 전자 제어 유닛(ECU)과 모터, 밸브들이 통합되어 운전자의 페달 압력뿐만 아니라 전자적인 신호에 따라 정교하게 제동력을 제어합니다.