제동장치

제동장치란 기계의 운동에너지를 열이나 전기에너지로 바꾸어 흡수함으로써 속도를 감소시키거나 정지시키는 장치이다. 브레이크(brake)라고 한다.

개요

제동장치는 주행하는 자동차를 감속 또는 정지시킴과 동시에 주차상태를 유지하기 위해 사용하는 중요한 장치이며 일반적으로 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어, 그것을 대기 속으로 방출 시켜 제동작용을 하는 마찰식 브레이크를 사용하고 있다. 제동장치에는 여러 가지 형식이 쓰이고 있으며 기본적인 구조는 운전자의 조직력을 링크나 유압을 이용해서 증대 시켜 전달하는 조작기구와 그 힘을 받아 제동력을 발생하는 본체로 되어 있다. 또한 제동장치에는 주행 시 주로 사용하는 풋브레이크 타입의 주 브레이크와 주차 시 사용하는 핸드브레이크 타입의 주차브레이크 기타 보조 브레이크가 있다. 풋브레이크는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크 타입이 있다. 브레이크 장치의 조작기구는 로드나 와이어를 사용하는 기계식과 유압을 이용하는 유압식이 있으며 일반적으로 풋브레이크는 유압식이고 주차 브레이크는 기계식을 사용하고 있다.

역사

자동차가 처음으로 등장하기 시작하였던 1800년대에는 자동차의 평균속도가 시속 15km 정도였기 때문에 제동장치 역시 원시적인 형태였다. 슈 브레이크(블록 브레이크)는 타이어의 가장자리에 벽돌 모양으로 생긴 마찰제인 슈(shoe)를 밀어붙여 속도를 줄이는 방식으로, 목재 휠에 쇠 타이어를 끼워 쓰던 당시 가장 적합한 제동장치였다. 당시 차들은 클러치와 변속기가 없고 엔진과 구동축이 직접 연결되어 있어 엔진브레이크의 효과가 커 슈 브레이크만으로도 제동 효과가 충분하였다.

1880년대에는 슈 브레이크에서 한 단계 발전된 형태인 밴드 브레이크가 나왔다. 밴드 브레이크에는 바퀴의 구동축에 브레이크드럼을 달고 드럼 가장자리에 밴드를 감아 브레이크 로드와 연결된 조정 나사에 의해 밴드를 조여 구동축의 움직임을 저지하여 차가 멈추게 되는 원리를 이용한 것이다.

1904년에 이르러서는 롤스로이스(Rolls-Royce Motor Cars Limited)를 통하여 드럼 브레이크 방식이 소개되었다. 드럼 브레이크는 문자 그대로 원통(드럼) 형태의 회전체 안에 브레이크슈라는 마찰제가 부착된 활꼴의 부품이 있어 그것이 드럼의 안쪽에서 바깥쪽으로 밀어 죄어서 제동력을 발생 시켜 차를 멈추게 하는 원리이다. 이 방식은 50년대 디스크 브레이크가 보편화하기 전까지 가장 많이 쓰인 방식이며 현재도 앞바퀴보다 제동력이 덜 걸리는 뒷바퀴에 많이 장착되고 있다.

1950년대에는 드디어 디스크 브레이크 가 나왔는데 디스크 브레이크는 원반(디스크) 형태의 구조물이 바퀴와 동일한 구조체에 연결되어 있어 바퀴가 회전할 때 디스크도 함께 회전하다가 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 유압이 전달되어 회전하는 디스크를 양쪽에서 디스크 패드라는 마찰 재로 압박하여 디스크의 회전 속도를 떨어뜨려 멈추게 하는 방식이다. 이 방식은 1902년 영국의 란체스터가 처음 고안하여 특허를 냈으나 주변 기술이 뒷받침되지 않아 1950년대에 이르러서야 승용차에 적용하게 되었다. 1952년 재규어(Jaguar, 捷豹) C타입 경주차가 이 브레이크를 달고 밀레밀리아 경주에 출전하였고 이듬해에는 르망 24시간 레이스에 출전해 페라리(Ferrari, 法拉利) 와 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz, 奔 ) 를 물리치고 극적으로 우승하면서 성능을 입증받게 되었는데 이것이 지금까지도 가장 많이 장착되는 디스크 장치이다.

분류

브레이크의 분류

분류	세분류
축압식 브레이크	디스크 브레이크
축압식 브레이크	공기 브레이크
전자 브레이크	-
원추 브레이크	블록 브레이크
원추 브레이크	밴드 브레이크
자동하중브레이크	웜 브레이크
자동하중브레이크	캠 프레이크
자동하중브레이크	나사 브레이크
자동하중브레이크	코일 브레이크
자동하중브레이크	체인 브레이크
자동하중브레이크	원심 브레이크

종류

블록 브레이크

• 블록 브레이크 : 마찰 브레이크로 브레이크 드럼에 브레이크 블록을 밀어 넣어 제동 시키는 장치이다.
• 밴드 브레이크 : 브레이크 드럼의 바깥 둘레에 강철 밴드를 감고 밴드의 끝이 연결된 레버를 잡아당겨 밴드와 브레이크 드럼 사이에 마찰력을 발생시켜서 제동력을 얻는 장치이다.
• 드럼 브레이크  :바퀴와 함께 회전하는 브레이크 드럼의 안쪽에 마찰 재료인 라이닝을 붙인 초승달 모양의 브레이크 슈를 압착시켜 제동력을 얻는 장치이다.
• 디스크 브레이크 : 바퀴와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 압착시켜 제동력을 얻는 브레이크로 브레이크의 마찰면인 원판의 수에 따라 1개 이상이면 단판 브레이크 2개 이상이면 다판 브레이크로 분류된다.
• 유압 브레이크 : 작동원에 따라 분류한 것으로 유체(기체나 액체)를 사용하는 유압 브레이크, 공기를 사용하는 공압 브레이크, 전기를 사용하는 전자 브레이크가 있다.
• 전자 브레이크 : 고정 원판식 코일에 전류를 통하면 전자력에 의하여 회전 원판이 잡아당겨져 브레이크가 걸리고, 전류를 끊으면 스프링 작용으로 원판이 떨어져 회전을 계속하는 장치이다.
• 축압식 디스크 브레이크 : 유압이나 공기 등을 이용하여 마찰제를 브레이크블록에 접촉시켜 제동력을 얻는 장치이다.

원리

운전자가 브레이크 페달을 밟을 때 유압 시스템에 압력을 가해 유 압력으로 전환한다. 이 유 압력이 브레이크 라인을 통해 휠 실린더에 전달된 뒤 휠 실린더에서 다시 기계적 압력이 제동으로 변환된다. 파스칼의 법칙이라고 불리는 이 유압식 원리가 작은 힘으로 더 무거운 물체를 움직이는 것을 가능하게 해 브레이크가 작동하여 자동차를 멈추게 한다.

그 대표적인 역할을 하는 게 배력 장치로 대기압과 엔진 흡기 부압의 차이를 이용해 페달을 통해 전달된 힘을 보조한다. 그렇게 커진 유압으로 각 바퀴에 힘을 줘 마찰력으로 변하게 하기 위해 대표적으로 드럼 브레이크와 디스크 브레이크를 사용하는데 드럼 브레이크 같은 경우를 살펴보면….

브레이크 호스를 통해 전달된 유압이 실린더를 통해 양쪽의 브레이크슈를 누르게 되고 브레이크슈에 부착된 브레이크 라이닝 이란 마찰 소재가 휠과 연결된 드럼을 누르면서 마찰이 발생에 속도가 감소한다. 다음으로 디스크 브레이크 같은 경우를 살펴보면….

디스크 브레이크는 디스크라는 원판이 휠과 연결되어 있고 유압이 캘리퍼에 있는 실린더로 전달되어 피스톤이 원판을 잡아 주면서 마찰력을 발생시켜 작동한다.

잠김 방지 제동장치

잠김 방지 제동장치 는 Anti-lock Braking System의 뜻으로 자동차 브레이크가 잠기지 않게 해주는 기능을 말한다. 브레이크가 잠기지 않게 한다는 것을 풀이하면 이렇다. 자동차의 제동력을 높이기 위해서는 브레이크를 길고 강하게 밟는 것이 아니라 짧게 여러 번 밟는 것이 좋다. 하지만 급제동이 필요한 시점에는 여러 번 브레이크를 밟을 정신이 없는 경우가 많다. 브레이크 제동력이 너무 강하면 타이어는 정지했는데 차는 주행 방향을 따라 노면 위를 미끄러져 가는 현상이 생긴다. 특히 눈, 비로 인해 수막이 생긴 노면에서는 타이어의 접지력이 더 떨어져 미끄러지기 쉽기 때문에 절대 급브레이크를 잡지 말라는 주의사항을 여기저기서 보게 된다. 이 때문에 자동차에 들어간 기능이 잠김 방지 제동장치 이다. 잠김 방지 제동장치 는 바퀴의 잠김 상태를 감지하여 타이어가 정지하면 자동으로 브레이크를 풀었다 걸었다 하며 타이어에 회전력을 주면서 제동력을 높여준다. 브레이크를 밟아 타이어가 잠기면 조향이 불가능해지는데, 잠김 방지 제동장치 기능이 있는 차량은 급제동해도 조향장치(핸들)를 움직일 수 있다. 따라서 눈앞에 장애물이 있는 경우 일반 브레이크를 밟으면 핸들이 잠겨 피해 갈 수 없지만 잠김방지제동장치 가 장착되어 있다면 핸들을 움직여 장애물을 피할 수 있게 된다. 잠김방지제동장치 의 작동원리에 대해 알아보면 우선 브레이크가 작동하는 원리에 대해 먼저 살펴보면 발로 브레이크 페달을 밟으면 진공 부스터를 통해 페달을 밟은 힘이 증폭되게 되고 이 힘은 마스터 실린더를 눌러 브레이크 오일을 각각의 바퀴와 연결된 브레이크 피스톤으로 밀어 넣게 된다. 브레이크 피스톤은 밀려나면서 브레이크 패드를 디스크에 닿게 하고, 여기서 발생한 마찰력으로 자동차가 감속하게 된다. 잠김 방지 제동장치 는 기본적인 브레이크 구조에서 마스터 실린더와 브레이크 피스톤 사이에 유압 제어 장치를 부착한 형태이다. 잠김방지제동장치 의 작동 핵심은 전자 제어장치(ECU)와 유압 제어 장치에 있다. 자동차의 바퀴 4개에는 각각 속도 센서가 부착되어 있다. 여기서 측정한 속도는 전자 제어장치에 입력되고, 전자 제어장치는 이 정보를 바탕으로 유압 제어 장치를 이용해 브레이크 유압을 조절하게 된다. 즉 브레이크를 밟았을 때 잠김 방지 제동장치 가 동작하면 브레이크가 밟힌 상태로 유지되는 것이 아니라 압력이 늘었다 줄었다 하면서 여러 번 브레이크 페달을 나누어 밟는 효과를 볼 수 있게 되는 것이다.

참고자료

• 〈https://bch4518.tistory.com/38 자동차 제동(브레이크) 장치 〉, 《티스토리》
• 〈https://m.cafe.daum.net/mr130/Bo0D/98?q=D_AphL1p6ZdDM0& 제동장치 개요 〉,《다음카페》
• 〈https://m.cafe.daum.net/inventorstory/AI0z/1?q=D_acrq7h5PsvY0& 자동브레이크의 발달 〉, 《다음카페》
• 〈https://3dplife.tistory.com/54 브레이크의 정의 및 분류 〉, 《티스토리》, 2020-06-16 </ref>
• 〈https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=11473171&memberNo=30135833 ABS 시스템, 그것이 궁금하다!〉, 《네이버포스트 》

같이 보기

• 제동
• 브레이크
• 브레이크페달
• 가속페달

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