제동

제동(制動, brake)이란 기계나 자동차 따위의 운동을 멈추게 하는 것으로 단시간에 정지하거나 속도를 제어하는 것이다. 영어로 브레이크(brake)라고 한다.

자동차 제동

원리

자동차 제동 장치는 달리고 있는 차량의 속도를 줄이거나 정지시키는 기능을 하는 장치를 말한다. 제동 장치는 보통 운전자이 조작력 또는 보조동력으로 발생한 마찰력을 이용해 자동차의 운동에너지를 열어네지로 바꾸어 제동작용을 일으키는 방식으로 작동한다. 스승용차는 대부분 마찰식과 유압식이 많이 사용되는데 운전자가 페달을 밟는 힘이 중간 매체인 유압을 거쳐 바퀴의 제동력으로 변화한도록 설계되어 있다. 버스와 트럭 등 대형 차량에는 공기 제동 장치가 많다. 제동 장치는 다시 용도에 따라 자동차의 주행 속도를 낮추거나 급정차 하는 데 필요한 제동 브레이크, 주차 또는 정차 상태를 유지하거나 비탈길에서 주정차한 자동차가 미끄러지지 않도록 하는 주차 제동 장치, 비탈길을 내려갈 때 속도를 제어하는 보조 제동 장치로 분류된다. 또 마찰 방식에 따라 마찰식과 비마찰식으로 나뉘는데 마찰식은 주차, 중앙, 휠, 상용, 유압, 공기 제동 장치 등이 있고 비마찰식은 감속, 배기, 엔진, 전자식, 유체식 제동 장치가 있다.

역사

현대적 자동차용 제동 시스템은 1900년 마이바흐에 최초로 적용된 드럼 제동장치였다. 회전축에 부착된 원통형 드럼의 안쪽에 브레이크 슈를 마찰시키는 방식의 드럼 제동장치는 흙이나 물 등의 이물질에 마찰력이 영향을 받지 않으므로 안정적인 제동력을 발휘할 수 있었다. 초기에는 케이블이나 레버들으로 작동되던 드럼 제동 장치는 1930년대가 되면서 제동 장치 페달은 유압을 이용해 드럼 브레이크에 제동을 가하는 유압식으로 발전한다. 하지만 자동차가 빨라지고 무거워지면서 드럼 제동 장치는 한계에 봉착한다. 열 때문이였다. 무겁고 빠른 차의 더 많은 운동에너지를 더 많은 열에너지로 변환시키자 밀폐된 구조의 드럼 제동 장치는 열을 충분히 배출할 수없었다. 가열된 드럼은 팽창하게 되고 제동장치 슈는 마찰력이 급격하게 떨어졌고, 휠 실린더 안의 유압액은 끓어오르며, 페달의 제동력을 견디지 못하였다. 그래서 오늘날 드럼 제동 장치는 속도가 느린 트럭이나 무게가 가벼운 소형차의 뒷바퀴용 제동 장치에 제한적으로 사용된다. 제동력의 큰 부분을 담당하는 앞바퀴는 방열성이 뛰어난 디스크 제동장치가 담당하고 있다. 디스크 제동 장치는 드럼 제동 장치와 거의 같은 시기인 1902년 윌리엄 란체스터에 의해 개발되었다. 그러나 외볼 노출되는 구조는 비포장 도로가 대부분이었던 당시 도로 상황에 매우 취약했고 브레이크 패드에 마땅한 소재가 없어서 구리를 사용했기 때문에 패드의 수명이 너무 짧아서 널리 사용되지 못했다. 디스크 제동 장치가 다시 빛을 보게 된 것은 2차 대전을 판둔 1930년대였다. 비용보다 절대 성능이 중요했던 항공분야, 그리고 군용 중장갑 차량등이 디스크 제동장치를 사용하였다. 또한 1953년 디스크 제동 장치의 위력이 르망 24시간 레이스에서 증명되었다. 여전히 드럼 제동 장치를 사용하던 경쟁자들과 달리 재규어는 경주차에 디스크 제동장치를 적용하였고 우승까지 차지하게 된다. 재규어의 우승은 거의 디스크 제동 장치 덕분이 었다. 그 후 1980년대까지 거의 모든 승용차의 전륜 브레이크는 디스크로 바뀌었다. 현재 승용차의 약 80% 이상이 디스크 제동 장치를 사용하고 있다. 자동차의 성능이 향상되면서 디스크 제동장치의 성능또한 같이 발전했다. 면적은 더욱 커지고 패드 또한 개수와 면적이 넒어졌다. 그래서 8 피스톤 캘리퍼 등 대형 캘리퍼가 등장하였고, 디스크의 열 발산 성능을 높이기 위하여 디스크 사이에 환기용 홈이 패인 벤틸레이티드 디스크가 출현하였다. 또한 패드와 디스크 사이의 마찰력 증가를 위하여 구멍이나 홈이 패인 드릴드 로터, 슬롯티드 로터 등이 나타났다. 하지만 엔진의 성능은 비약적으로 향상되었고 이제는 디스크 제동장치도 근본적인 혁신이 필요해졌다. 새로운 소재를 적용하는 것을 시도하였다. 하지만 비싼 가격 때문에 상용화는 되지 못했다. 그리고 제동력의 조절이 가능한 안티 락 제동장치가 발명되었다. 안티 락 제동장치는 네바퀴의 제동력을 제각기 조절할 수 있다는 점이다. 안티 락 제동장치는 차량의 조종 안정성을 비약적으로 향상시키고 브레이크 시스템의 역할을 제동 이상의 영역으로 확장시키는 계기가 되었다. 그리고 회생 제동 장치가 발명되었는데 회생 제동 장치는 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 다시 거두어들인다. 이때 사용되는 제동력의 원천은 마찰력이 아니라 발전기 내부의 자석에서 나오는 자기장의 힘이다. 거둬들인 에너지는 다시 가속할 때 모터를 돌려 실제로 차가 더 민첩하게 달리도록 도와준다.

종류

디스크 제동 장치

바퀴에 디스크가 부착되어 있고, 제동 장치 패드가 디스크에 마찰을 가하면 바퀴의 회전속도가 느려지는 제동 장치이다. 주요 부품은 휠 허브와 함께 회전하는 디스크, 디스크에 밀착되어 마찰력을 일으키는 패드, 유압이 작용하는 휠 실린더, 휠 실린더가 들어 있는 캘리퍼 등으로 구성되어 있다. 제동 계수가 낮기 때문에 작동력이 많이 소요되고, 주차 브레이크를 장착하기가 용이하지 않다. 장점은 앉정된 제동력 확보가 가능하고, 방열성이 뛰어나 특히 고속주행시 큰 브레이크 성능을 발휘한다.

드럼 제동 장치

안쪽에 설치된 드럼내부에 제동 장치 슈가 장착되어 제동 장치 슈를 안쪽에서 바깥쪽으로 압착시켜 제동력을 발생하는 시스템이다. 높은 제동 계수와 주차 브레이크 장착의 용이성, 구조가 간단하여 코스트가 저렴하지만, 방열성이 좋지 못하고 드럼 제동 장치 토크 성능에 있어서 디스크 제동 장치만큼 안정되지 않는다. 이러한 이유로 전륜은 디스크 제동 장치, 후륜은 드럼 브레이크를 채용하는 차량도 상당히 있다. 이에 반해 고급차량, 스포츠카 모델은 강하고 안정된 제동력이 요구되기 때문에 전륜과 후륜 양쪽을 디스크 제동장치를 채용한 차량이 증가하는 경향이 있다.

엔진 제동 장치

주행 중 액셀러레이터 페달을 놓았을 때 엔진과 변속기에 의해 작동되는 제동 장치로서 기관제동이라고도 한다. 엔진에 연료를 공급하지 않으므로 인해 엔진 저항에 의해 발생하는 제동 작용이다. 단독으로 제동장치가 있지 않고 자동차에는 엑셀페달, 스로틀 등에 제동력을 돌려 엔진 출력을 떨어트려서 엔진 제동 작용이 발생한다.

회생 제동 장치

토크력으로 움직이고 있는 전동기가 폐회로 상태가 됐을 때의 관성력을 이용해 바퀴 등에 달려 있는 회전자를 돌려 전동기를 발전기 기능으로 작동하게 함으로써 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하게 하는 제동 방법이다. 이 에너지를 이용하게 되면 발전기를 브레이크로서 사용하게 되어 동시에 배터리에 충전이 가능하게 된다. 일반적으로 브레이크를 사용시에 마찰열로서 버려지게 되는 차량 운동에너지를 전기에너지로서 충전하는 방식이다. 충전해 놓은 에너지를 차량 출발 시에 에너지로 사용함으로써 연료저감이 가능하여 연비 향상에 도움을 준다.

배기 제동 장치

엔진 브레이크 효과를 증가 시키기 위한 보조 브레이크의 한 종류로서 디젤 차량에만 탑재되어 있는 장치이다. 배기 계통의 배기가스를 압축하는 동시에 인젝션 펌프의 공급 유량을 줄이거나, 배기가스를 차단하는 동시에 흡입 공기를 차단하는 방식이다. 보조 제동 장치로서 엔진 제동 장치 효과를 높이기 위해 배기관에 설치된 밸브를 닫음으로 엔진내의 배기압력을 높여 엔진 제동력을 높이게 되어 있다. 최신 기술로서 장해물 장애물으 ㄹ자동 검출하여 차량이 멈추는 충돌 저감 제동장치를 탑재한 자동차가 증가하고 있다.

같이 보기

• 브레이크

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