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2021년 7월 13일 (화) 17:01 판
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.[1]
목차
개요
브레이크는 운동에너지를 열에너지로 변환하여 제동 하는데 마찰력을 이용한 마찰 브레이크가 가장 대표적인 방식이며 마그네틱 브레이크나 발전제동의 경우도 이 원리에 포함된다. 이 둘이 포함되는 이유는 전자기와 관련된 중간 변환이 끼어있을 뿐, 결과적으로 운동에너지가 열에너지로 바뀌는 것은 동일하기 때문이다. 이 원리에서 예외인 경우는 회생 제동이 대표적이다. 운동에너지로 발생한 전기에너지를 열로 변환하는 대신 축전지에 저장하므로 일반적인 브레이크와 원리가 다르다고 할 수 있다. 저항제어식 전동차의 경우 발전제동을 사용하기 때문에, 역에 정차할 때마다 열차 바닥에서 어마어마한 열기가 솟구치는데 특히 여름철에는 헤어드라이어가 따로 없었다. 요즘에는 회생 제동을 사용하기도 하고 전동기의 효율이 높아졌기 때문에 그 정도로 열풍이 불지는 않는다. 회생 제동 기능이 있는 전기자동차는 일반적인 상황이나 여유 있는 제동 시에는 정상적인 회생 제동 방식을 사용하지만, 배터리 뱅크의 충전 용량 제한으로 인해 회생 제동만으로는 급제동이 가능한 수준의 제동력을 낼 수가 없는 상황이 있다. 결국 그 이상의 제동력을 내기 위해, 그리고 더 이상 배터리를 충전할 수 없는 만충 상태에서의 제동력 확보를 위해서 일반적인 마찰 브레이크도 같이 사용하는 것이다. 자동차들 외에도 기관차들도 이동수단인 만큼 브레이크가 의무적으로 달렸었는데 증기기관차의 경우 운행이 한참 이루어지던 시절 중 일부 기관차는 브레이크가 나무로 제작된 기관차들도 있었다고 한다. 하지만 문제는 브레이크 재질이 쇠나 금속이 아닌 불에 잘 붙는 나무인지라 그 열차를 타고 운행하다가 브레이크를 걸 때면마찰로 인해 불꽃이 튀어 그 불꽃이 나무 브레이크에까지 튀어 열차가 불에 타 멈추는 것도 불가능하고 대형사고로 이어지는 사태까지 낳은 경우도 많았다고 한다.[2]
역사
자동차가 처음 등장한 19세기에는 차량의 속도가 겨우 10~15km 정도였기 때문에 브레이크 역시 매우 간단한 형태였다. 처음에는 타이어가 고무가 아닌 쇠였기 때문에 열차에서 사용하는 방식을 그대로 적용했다. 브레이크를 타이어에 직접 힘껏 밀어 속도를 줄이는 방식을 사용하였다. 그러다 1886년 세계 최초의 휘발유 자동차로 특허를 받은 벤츠는 구동축에 밴드 브레이크를 장착하여 차를 멈추었다. 쉽게 말해 타이어 일부분만을 밀어붙여 브레이크를 거는 것이 아닌, 구동축에 브레이크 드럼을 설치하고 거기에 밴드를 감아, 밴드를 조일 경우 구동축의 회전이 멈추게 하는 방법이다. 1891년 르노는 이 밴드브레이크를 구동축과 구동 바퀴에 각각 붙여 제동력을 높인 브레이크를 선보였다. 아직도 간혹 쓰이는 드럼 브레이크는 1904년 영국 롤스로이스사에 의하여 처음 개발되었습니다. 휠 안쪽에 드럼을 장착하고, 그 드럼 내부에 브레이크 슈가 있어 드럼을 바깥쪽으로 죄어서 제동력을 발생 시켜 차를 멈추게 하는 방식이다. 이 방식은 디스크 브레이크가 나오기 전까지 가장 많이 쓰인 방식이며 요즘도 제동력이 많이 필요하지 않은 뒷 바퀴에 장착되기도 한다. 참고로 브레이크 슈란 브레이크 패드에 붙어서 직접 마찰을 하는 면이다. 디스크 브레이크는 1900년대 초 영국의 랭커스터에 의해 처음 고안 되었으나, 주변 기술이 뒷받침 되지 않아 실용화가 되지 못하다가, 2차 대전 중 처음 항공기에 적용되어 그 성능을 입증받았다. 그리고 2차 대전 후 항공기 기술자들이 자동차 사업에 유입되면서 점차 자동차에 적용되었다.[3]
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 운동 에너지를 마찰을 통해 열에너지로 바꾸고 발생한 열을 공기 중에 발산시켜 제동한다. 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 압역린 제동으로 변환된다.[4]
브레이크 종류
마스터 실린더(master cylinder)
마스터 실린더(master cylinder)는 브레이크액을 담아두면서 제동에 필요한 유압을 만드는 역할을 하는 장치이며 마스터 실린더 위에는 브레이크 액 탱크(리저브 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 2 계통으로 되어 있으며 한쪽 계통의 브레이크가 작동하지 않아도 다른 쪽 계통이 가능하도록 만들어 놓았다. 2 계통식 브레이크는 마스터 실린더도 이중으로 되어 있다.
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 들어 있는 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 이루어진다. 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 한쪽에만 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 반대 방향으로 움직여 디스크에 함께 마찰한다. 이 방식은 구조가 훨씬 간단하면서도 제동 효과는 고정식과 비슷해 널리 쓰이고 있다. 디스크 브레이크 중에는 냉각 효과를 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 더욱더 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)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 자리 잡은 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 제동 효과를 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 제동 효과가 뛰어나지만 강한 제동이나 오랜 시간 동안 제동이 계속되어 드럼이 가열되면 제동 효과가 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.[1]
브레이크 비교
[5]드럼 브레이크와 디스크 브레이크의 특성 비교 특성 드럼 브레이크 디스크 브레이크 공극(air gap) 0.3~0.5mm 약 0.15mm 브레이크 계수 2.0 ~ 4.0 0.8 자기작동 없음 휠 실린더에서 발생하는 확장력 작다 크다 휠 실린더 직경 작다 크다 회로 압력 25~50bar 50~80bar 잔압 0.5~1.2bar 0bar(없음) 마찰계수의 변화 정도 민감 민감하지 않다 제동 효과 불균일 일정(전/후진 시 일정) 자기청소작용 없다 있다 외부물질에 의한 오염도 정도 낮다 민감(우천 시 물의 비산) 드럼 또는 디스크의 냉각도 불량 양호 페이드(fade) 경향성 크다 낮다 주차 브레이크 간단, 염가 복잡, 고가 슈 또는 패드 교환 복잡 간단 라이닝의 단위 면적에 작용하는 힘 작다 크다 라이닝의 마모도 작다 크다 라이닝의 간극 조정 수동 또는 자동 자동 리턴 방식 리턴 스프링의 장력 씰 링(seal ring)에 의해
각주
참고자료
- 정개유기박사, 〈제동장치〉, 《다음 블로그》, 2011-02-26
- 〈브레이크〉, 《나무위키》
- Elysium, 〈자동차 브레이크에 대하여 알아보자-1.브레이크의 변천사〉, 《티스토리》, 2009-06-18
- 수원양반, 〈자동차 브레이크 작동원리〉, 《다음 블로그》, 2017-08-09
- 행복남의 일상, 〈드럼 브레이크〉, 《티스토리》, 2019-02-12
같이 보기
