브레이크 (자동차)

브레이크(brake)는 제동장치를 가리키는 말로, 물체의 운동을 줄이거나 정지하도록 하는 장치다. 또한 물체의 정지상태를 유지하는 기능도 한다, 운동 에너지를 제한한다는 뜻에서 제동장치라고 하며, 제동장치와 관련된 일련의 구조와 부품들을 가리켜 제동계통이라고 한다. 자동차에는 일반적으로 바퀴 회전축에 마찰력을 가하는 방식의 마찰 브레이크가 쓰인다. 현재 자동차에 가장 많이 쓰이는 브레이크로는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크가 있다.

원리

브레이크 장치는 주행 중의 자동차를 감속 또는 정지시키는 동시에 주차 상태를 유지시키는 데 사용하는 장치로 대부분은 회전하는 기계요소에 작용하여 기계적·유체역학적 또는 전기적으로 운동 에너지를 흡수한다. 기계식 제동기가 가장 일반적인 형태인데, 이것은 금속제 회전 드럼이나 회전 원판(disk)과 고정된 마찰 부재를 기계식·유압식·공기압식 방법으로 접촉시켜 운동 에너지를 기계적 마찰에 의해 발생하는 열의 형태로 소산시킨다. 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하고 있으며 자동차의 운동에너지를 마찰을 통해 열에너지로 바꾸고 발생한 열을 공기 중에 발산시켜 제동 한다. 브레이크 장치의 요구 성능으로 첫 번째, 속도와 적재 중량에 대하여 충분한 제동력을 발휘할 수 있어야 한다. 두 번째, 신뢰성과 내구성이 우수하여야 한다. 세 번째, 조작이 간단하고 정비가 용이한 구조이어야 한다. 네 번째, 제동장치가 작동하지 않을 때는 각 차륜의 회전에 지장을 주지 않아야 한다. 운전자가 브레이크 페달을 밟을 때 유압 시스템에 압력을 가해 유압력으로 전환시킨다. 이 유압력이 브레이크 라인을 통해 휠 실린더에 전달된 뒤 휠 실린더에서 다시 기계적 압력린 제동으로 변환된다.

브레이크 종류

마스터 실린더(master cylinder)

마스터 실린더(master cylinder)는 브레이크 액을 담아두면서 제동에 필요한 유압을 만드는 역할을 하는 장치이며 마스터 실린더 위에는 브레이크 액 탱크(리저버 탱크가)가 연결되어 있고, 브레이크 페달과 연결된 피스톤이 마스터 실린더 안에 차 있는 브레이크 액을 밀면 압력이 생겨 브레이크가 작동하지만 이렇게 생기는 압력만으로는 충분한 제동력을 얻을 수 없기 때문에, 마스터 실린더 뒤에는 압력을 높여주는 브레이크 부스터(brake booster)가 달려 있다. 제동계통은 일반적으로 안전을 위해 2계통으로 되어 있으며 한쪽 계통의 브레이크가 작동하지 않아도 다른 쪽 계통이 가능하도록 만들어 놓았다. 2계통식 브레이크는 마스터 실린더도 이중으로 되어 있다.

디스크 브레이크(Disk brake)

디스크 브레이크(Disk brake)

디스크 브레이크(Disk brake)는 디스크 또는 로터(rotor)라고 부르는 원판을 회전축에 바퀴와 평행하게 달고, 이것을 사이에 둔 양쪽의 마찰재를 원판에 밀착시킬 때 생기는 마찰력으로 회전을 줄이는 방식의 브레이크이며 디스크의 소재는 대부분 주철이다. 디스크 브레이크의 마찰재를 브레이크 패드(pad), 브레이크 패드의 위치를 잡아주는 틀을 브레이크 캘리퍼(calliper)라고 한다. 브레이크 패드의 움직임은 드럼 브레이크와 마찬가지로 유압에 의해 이루어진다. 브레이크 페달을 밟으면 유압이 캘리퍼 안에 들어있는 피스톤을 누르고, 피스톤 끝에 달린 패드가 디스크 쪽으로 밀려 닿으며, 이때 생기는 마찰력으로 제동이 이루어진다. 마찰로 열이 생기는 것은 드럼 브레이크와 마찬가지지만, 디스크와 패드가 공기 중에 노출되어 있기 때문에 드럼 브레이크보다 냉각이 빨리 이루어 진다. 또한 디스크가 열 때문에 팽창하더라도 바깥쪽으로 팽창이 이루어지므로 패드와의 간격이 넓어지지 않는다. 캘리퍼에는 고정식(fixed)과 부동식(floating)의 두 종류가 있다. 고정식은 디스크 양쪽에 모두 피스톤과 패드가 있는 방식으로, 제동이 정확하지만 구조가 복잡하고 생산비용이 비싸다는 단점이 있다. 가장 많이 쓰이는 방식은 부동식으로, 슬라이딩(sliding) 방식이라고도 한다. 이 방식은 디스크의 한 쪽에만 피스톤이 달려 있고, 피스톤 반대편의 패드는 캘리퍼에 물려 있다. 브레이크 페달을 밟으면 유압이 피스톤을 누르고, 이와 함께 피스톤이 움직이는 반대 방향으로 캘리퍼를 민다. 결국 캘리퍼에 연결된 반대쪽 패드는 피스톤이 누르는 패드와 반대방향으로 움직여 디스크에 함께 마찰된다. 이 방식은 구조가 훨씬 간단하면서도 제동 효과는 고정식과 비슷해 널리 쓰이고 있다. 디스크 브레이크 중에는 냉각효과를 높이기 위해 두 장의 디스크 사이에 회전축을 중심으로 비스듬히 뻗은 칸막이를 둔 형태의 디스크를 쓰는 것도 있다. 이런 방식의 브레이크를 쓰이기도 한다. 또한 냉각 효과를 더욱 높이기 위해 디스크에 방열용 구멍을 뚫은 것도 있다. 단점은 습기나 기름기, 진흙 등 이물질이 디스크와 패드 사이에 끼면 제동 효과가 떨어진다.

드럼 브레이크(Drum brake)

드럼 브레이크(Drum brake)

드럼 브레이크(Drum brake)는 회전축에 물려 있는 원통형의 드럼(drum) 내부의 마찰재가 일으키는 마찰력으로 회전을 줄이는 방식의 브레이크다. 드럼 브레이크의 마찰재는 브레이크 라이닝(lining)이라고 하며 드럼 안에는 브레이크 라이닝이 붙어 있는 브레이크 슈(brake shoe)가 있고, 이것은 다시 유압이 전달되는 휠 실린더(wheel cylinder)의 피스톤에 연결되어 있다. 휠 실린더는 밀폐되어 있기 때문에, 브레이크 페달을 밟으면 휠 실린더로 전달된 유압에 의해 휠 실린더 안의 피스톤이 실린더 바깥쪽으로 움직이며 이에 따라 브레이크 슈가 밀리면서 브레이크 라이닝과 드럼 안쪽 벽이 닿으면서 마찰력이 생긴다. 브레이크 슈에는 스프링이 달려 있기 때문에, 브레이크 페달에서 발을 떼어 유압이 빠지면 저절로 원래 위치로 돌아간다. 휠 실린더의 구조 및 위치와 브레이크 슈가 움직이는 지지점의 위치에 따라 드럼 브레이크에도 여러 종류가 있다. 일반적으로 많이 쓰이는 것은 리딩 트레일링(leading-trailing)방식 이다. 이 방식은 드럼 내부에 앞뒤로 자리잡은 두 브레이크 슈의 아래쪽에 지지점이 있고, 위쪽에 휠 실린더가 있다. 휠 실린더의 피스톤은 양쪽 브레이크 슈를 향해 움직이도록 되어 있다. 즉, 두 브레이크 슈는 아래쪽의 지지점을 중심으로 위를 향해 벌어지는 모양으로 움직인다. 앞쪽의 브레이크 슈(리딩 슈)가 드럼 안쪽 벽과 닿으면 드럼과 같이 회전하려는 힘이 생기는데, 이것이 지지점에 의해 제한되므로 드럼에 가해지는 마찰력이 커진다. 반대쪽의 브레이크 슈(트레일링 슈)는 튕겨져 나오는 힘이 생겨 상대적으로 마찰력이 작아진다. 후진할 때에는 반대 효과가 나므로 전진할 때와 비슷한 제동효과를 얻을 수 있으며 이 방식은 제동력이 아주 뛰어난 것은 아니지만, 구조가 간단하고 값이 비교적 저렴하기 때문에 널리 쓰이고 있다. 드럼 브레이크는 회전 방향으로 제동력이 가해지기 때문에 제동효과가 뛰어나지만 강한 제동이나 오랜 시간동안 제동이 계속 되어 드럼이 가열되면 제동효과가 떨어진다. 드럼이 팽창해 드럼의 지름이 커지고, 드럼 자체도 열 때문에 마찰력이 떨어지기 때문이다. 이럴 때에는 평상시보다 더 큰 힘으로 제동을 가해야 제동이 이루어지고, 심지어는 제동이 제대로 이루어지지 않기도 한다. 이를 페이드(fade)현상이라고 한다. 이런 현상을 줄이기 위해 드럼 바깥쪽에 방열판을 달기도 하지만 완벽한 해결책은 되지 못한다. 또한 브레이크 라이닝이 닳으면서 생기는 가루가 드럼 안쪽에 쌓이기 때문에 주기적으로 청소해 주어야 하는 번거로움이 있다. 이런 단점들을 보완하도록 만들어진 것이 디스크 브레이크다. 페이드 현상 등 여러 단점들 때문에 최근에는 승용차용 앞바퀴에는 드럼 브레이크가 쓰이지 않는다. 그러나 필요로 하는 트럭이나 버스 등에는 아직도 앞바퀴에 드럼 브레이크가 쓰이고 있다.

참고자료

• 정개유기박사, 〈제동장치〉, 《다음 블로그》, 2011-02-26
• 수원양반, 〈네자동차 브레이크 작동원리〉, 《다음 블로그》, 2017-08-09

같이 보기

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