제동장치

제동장치(制動裝置, brake system)란 기계의 운동에너지를 열이나 전기에너지로 바꾸어 흡수함으로써 속도를 감소시키거나 정지시키는 장치이다. 브레이크(brake)라고도 한다. 제동장치와 관련된 일련의 구조와 부품들을 가리켜 제동계통이라고 한다. 자동차에는 일반적으로 바퀴 회전축에 마찰력을 가하는 방식의 브레이크가 쓰인다. 자동차에 가장 많이 쓰이는 브레이크로는 드럼브레이크와 디스크브레이크가 있다.

개요

제동장치는 주행하는 자동차를 감속 또는 정지시킴과 동시에 주차 상태를 유지하기 위해 사용하는 중요한 장치이다. 일반적으로 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어, 그것을 대기 속으로 방출시켜 제동작용을 하는 마찰브레이크를 사용하고 있다. 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. 제동장치에는 여러 가지 형식이 쓰이고 있으며 기본적인 구조는 운전자의 조직력을 링크나 유압을 이용해서 증대시켜 전달하는 조작기구와 그 힘을 받아 제동력을 발생하는 본체로 되어 있다. 또한 제동장치에는 주행 시 주로 사용하는 풋브레이크 타입의 주브레이크와 주차 시 사용하는 핸드브레이크 타입의 주차브레이크, 기타 보조브레이크가 있다. 풋브레이크는 드럼브레이크와 디스크브레이크 타입이 있다. 브레이크 장치의 조작 기구는 로드나 와이어를 사용하는 기계식과 유압을 이용하는 유압식이 있으며, 일반적으로 풋브레이크는 유압식을 사용하고 주차브레이크는 기계식을 사용하고 있다. 자동차 외에 기관차도 브레이크가 의무적으로 장착되어 있는데, 증기기관차의 경우 일부 기관차는 브레이크가 나무로 제작된 기관차들도 있었다. 하지만 브레이크 재질이 쇠나 금속이 아닌 불에 잘 붙는 나무인지라 기관차를 타고 운행하다가 브레이크를 걸 때면 마찰로 인해 나무브레이크에 불꽃이 튀어 화재 사고로 이어지는 사건이 많았다.

역사

자동차가 처음으로 등장하기 시작하였던 1800년대에는 자동차의 평균속도가 시속 15km 정도였기 때문에 제동장치 역시 원시적인 형태였다. 처음에는 타이어가 고무가 아닌 쇠였기 때문에 열차에서 사용하는 방식을 그대로 적용하여 브레이크를 타이어에 직접 힘껏 밀어 속도를 줄이는 방식을 사용하였다. 슈브레이크 또는 블록브레이크는 타이어의 가장자리에 벽돌 모양으로 생긴 마찰제인 슈(shoe)를 밀어붙여 속도를 줄이는 방식으로, 목재 휠에 쇠 타이어를 끼워 쓰던 당시 가장 적합한 제동장치였다. 당시 자동차들은 클러치와 변속기가 없고 엔진과 구동축이 직접 연결되어 있어 엔진브레이크의 효과가 커 슈브레이크만으로도 제동 효과가 충분했다. 그러다 1886년 세계 최초의 휘발유 자동차로 특허를 받은 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 슈브레이크에서 한 단계 발전된 형태인 구동축에 밴드브레이크를 장착했다. 밴드브레이크에는 바퀴의 구동축에 브레이크드럼을 달고 드럼 가장자리에 밴드를 감아 브레이크 로드와 연결된 조정 나사에 의해 밴드를 조여 구동축의 움직임을 저지하여 자동차가 멈추게 되는 원리를 이용한 것이다. 1904년에 이르러서는 롤스로이스(Rolls-Royce Motor Cars Limited)를 통하여 드럼브레이크 방식이 소개되었다. 드럼브레이크는 문자 그대로 원통, 즉 드럼 형태의 회전체 안에 브레이크슈라는 마찰제가 부착된 활꼴의 부품이 있어 그것이 드럼의 안쪽에서 바깥쪽으로 밀어 죄어서 제동력을 발생시켜 차를 멈추게 하는 원리이다. 이 방식은 1950년대 디스크브레이크가 보편화하기 전까지 가장 많이 쓰인 방식이며 현재도 앞바퀴보다 제동력이 덜 걸리는 뒷바퀴에 많이 장착되고 있다. 1950년대에는 디스크브레이크가 등장했는데, 디스크브레이크는 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 마찰재로 압박하여 디스크의 회전 속도를 떨어뜨려 멈추게 하는 방식이다. 이 방식은 1902년 영국의 프레드릭 란체스터(Frederick William Lanchester)가 처음 고안하여 특허를 냈으나, 주변 기술이 뒷받침되지 않아 1950년대에 이르러 제2차 세계대전 중 처음 항공기에 적용되어 그 성능을 입증받았다. 그리고 2차 대전 후 항공기 기술자들이 자동차 사업에 유입되면서 승용차에 적용하게 되었다. 1952년 재규어(Jaguar) C타입 경주차가 이 브레이크를 달고 밀레밀리아 경주에 출전하였고, 이듬해 1953년에는 르망 24시간 레이스에 출전해 페라리(Ferrari)와 메르세데스-벤츠를 제치고 극적으로 우승하면서 성능을 입증받게 되었다. 이 디스크브레이크가 지금까지도 가장 많이 장착되는 디스크 장치이다.

원리

유압식 제동장치

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. 기계식 제동기가 가장 일반적인 형태인데, 이것은 금속제 회전 드럼이나 회전 원판(disk)과 고정된 마찰 부재를 기계식·유압식·공기압식 방법으로 접촉시켜 운동에너지를 기계적 마찰에 의해 발생하는 열의 형태로 소산시킨다. 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하고 있으며 자동차의 운동에너지를 마찰을 통해 열에너지로 바꾸고 발생한 열을 공기 중에 발산시켜 제동한다. 세부적으로 말하면, 운전자가 브레이크 페달을 밟을 때 유압 시스템에 압력을 가해 유압력으로 전환한다. 이 유압력이 브레이크 라인을 통해 휠실린더에 전달된 뒤, 휠실린더에서 다시 기계적 압력이 제동으로 변환된다. 파스칼의 법칙이라고 불리는 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 드럼브레이크와 디스크브레이크를 사용한다. 드럼브레이크는 브레이크 호스를 통해 전달된 유압이 실린더를 통해 양쪽의 브레이크슈를 누르게 되고, 브레이크슈에 부착된 브레이크 라이닝이란 마찰 소재가 휠과 연결된 드럼을 누르면서 마찰이 발생에 속도가 감소한다. 디스크브레이크의 경우, 디스크라는 원판이 휠과 연결되어 있고 유압이 캘리퍼에 있는 실린더로 전달되어 피스톤이 원판을 잡아 주면서 마찰력을 발생시켜 작동한다.

종류

유압브레이크

마스터실린더(master cylinder)는 브레이크액을 담아두면서 제동에 필요한 유압을 만드는 역할을 하는 장치이며 마스터실린더 위에는 브레이크 액 탱크(리저브 탱크가)가 연결되어 있고, 브레이크 페달과 연결된 피스톤이 마스터실린더 안에 차 있는 브레이크 액을 밀면 압력이 생겨 브레이크가 작동하지만 이렇게 생기는 압력만으로는 충분한 제동력을 얻을 수 없기 때문에, 마스터실린더 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 마스터실린더도 이중으로 되어 있다.

디스크브레이크

파일:디스크 브레이크 사진.jpg

디스크브레이크

디스크브레이크(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. 디스크브레이크의 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. 디스크브레이크 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.

드럼브레이크

드럼 브레이크

드럼브레이크(Drum brake)는 회전축에 물려 있는 원통형의 드럼(drum) 내부의 마찰재가 일으키는 마찰력으로 회전을 줄이는 방식의 브레이크다. 드럼브레이크의 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 드럼브레이크에도 여러 종류가 있다. 일반적으로 많이 쓰이는 것은 리딩 트레일링(leading-trailing) 방식이다. 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. 드럼브레이크는 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 드럼브레이크가 쓰이지 않는다. 그러나 필요로 하는 트럭이나 버스 등에는 아직도 앞바퀴에 드럼브레이크가 쓰이고 있다.

블록 브레이크

• 블록 브레이크 : 마찰 브레이크로 브레이크 드럼에 브레이크 블록을 밀어 넣어 제동 시키는 장치이다.

밴드 브레이크

• 밴드 브레이크 : 브레이크 드럼의 바깥 둘레에 강철 밴드를 감고 밴드의 끝이 연결된 레버를 잡아당겨 밴드와 브레이크 드럼 사이에 마찰력을 발생시켜서 제동력을 얻는 장치이다.

유압 브레이크

• 유압 브레이크 : 작동원에 따라 분류한 것으로 유체(기체나 액체)를 사용하는 유압 브레이크, 공기를 사용하는 공압 브레이크, 전기를 사용하는 전자 브레이크가 있다.

전자 브레이크

• 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

• 축압식 디스크 브레이크 : 유압이나 공기 등을 이용하여 마찰제를 브레이크블록에 접촉시켜 제동력을 얻는 장치이다.

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)

잠김방지제동장치

잠김방지제동장치는 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 잠김방지제동장치이다. 잠김방지제동장치는 바퀴의 잠김 상태를 감지하여 타이어가 정지하면 자동으로 브레이크를 풀었다 걸었다 하며 타이어에 회전력을 주면서 제동력을 높여준다. 브레이크를 밟아 타이어가 잠기면 조향이 불가능해지는데, 잠김방지제동장치기능이 있는 차량은 급제동해도 조향장치(핸들)를 움직일 수 있다. 따라서 눈앞에 장애물이 있는 경우 일반 브레이크를 밟으면 핸들이 잠겨 피해 갈 수 없지만 잠김방지제동장치가 장착되어 있다면 핸들을 움직여 장애물을 피할 수 있게 된다. 잠김방지제동장치의 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. 잠김방지제동장치는 기본적인 브레이크 구조에서 마스터 실린더와 브레이크 피스톤 사이에 유압 제어 장치를 부착한 형태이다. 잠김방지제동장치의 작동 핵심은 전자 제어장치(ECU)와 유압 제어 장치에 있다. 자동차의 바퀴 4개에는 각각 속도 센서가 부착되어 있다. 여기서 측정한 속도는 전자제어장치에 입력되고, 전자제어장치는 이 정보를 바탕으로 유압 제어 장치를 이용해 브레이크 유압을 조절하게 된다. 즉 브레이크를 밟았을 때 잠김방지제동장치가 동작하면 브레이크가 밟힌 상태로 유지되는 것이 아니라 압력이 늘었다 줄었다 하면서 여러 번 브레이크 페달을 나누어 밟는 효과를 볼 수 있게 되는 것이다.

참고자료

• 행복남의 일상, 〈자동차 제동(브레이크) 장치 〉, 《티스토리》,2011-12-29
• 지기, 〈제동장치 개요 〉,《다음카페》,2011-12-29
• 나반-김창모, 〈자동브레이크의 발달 〉, 《다음카페》, 2006-03-18
• 바름정비, 〈ABS 시스템, 그것이 궁금하다!〉, 《네이버 포스트》, 2017-12-22
• 정개유기박사, 〈제동장치〉, 《다음 블로그》, 2011-02-26
• Elysium, 〈자동차 브레이크에 대하여 알아보자-1.브레이크의 변천사〉, 《티스토리》, 2009-06-18
• 행복남의 일상, 〈드럼 브레이크〉, 《티스토리》, 2019-02-12

같이 보기

• 제동
• 브레이크 (자동차)
• 브레이크페달
• 가속페달

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