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 드럼 브레이크와 디스크 브레이크가 있다.

개요

제동장치는 주행하는 자동차를 감속 또는 정지시킴과 동시에 주차 상태를 유지하기 위해 사용하는 장치이다. 일반적으로 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어, 그것을 대기 속으로 방출시켜 제동 작용을 하는 마찰식 브레이크를 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 풋 브레이크(foot brake) 타입의 주제동 브레이크와 주차 시 사용하는 핸드 브레이크 타입의 주차 브레이크, 기타 보조 브레이크가 있다. 풋 브레이크는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크 타입이 있다. 브레이크 장치의 조작 기구는 로드나 와이어를 사용하는 기계식과 유압을 이용하는 유압식이 있으며, 일반적으로 풋 브레이크는 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 나무 브레이크에 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 블록 브레이크는 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 엔진 브레이크의 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 밴드 브레이크를 장착했다. 밴드 브레이크에는 바퀴의 구동축에 브레이크 드럼을 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 드럼 브레이크 방식이 소개되었다. 드럼 브레이크는 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 디스크 브레이크가 보편화하기 전까지 가장 많이 쓰인 방식이며 현재도 앞바퀴보다 제동력이 덜 걸리는 뒷바퀴에 많이 장착되고 있다. 1950년대에는 디스크 브레이크가 등장했는데, 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 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 디스크 브레이크가 지금까지도 가장 많이 장착되는 디스크 장치이다.

진화

제동장치는 자동차가 등장하고 1960년대까지 기본적인 '멈춤' 기능을 수행하기 위한 방향으로 개발됐다. 작은 페달 힘으로 큰 제동력을 빠르고 균일하게 만들기 위해 배력과 유압을 활용했다. 이는 기존제동시스템(CBS; Conventional Brake System)으로 불렀다. 이후 자동차가 대량으로 보급되며 다양한 도로 조건을 반영한 제동 성능의 기대가 높아졌다. 이에 따라 제동거리 단축, 차량 자세 안정성 확보를 위해 항공용 브레이크 잠김방지제동장치(ABS; Anti-lock Brake System)가 1960년대 말에 최초로 적용되기 시작했다. 국내에 적용된 것은 1992년에 이르러서다. 잠김방지제동장치 기술은 제동장치 특징이 단순 멈춤 기능에서 '안전성'으로 확대된 것이다. 잠김방지제동장치는 바퀴 회전 속도를 측정하는 센서인 휠속도센서(WSS; Wheel Speed Sensor)가 필요하며, 이 센서를 이용하면 트랙션 컨트롤 시스템(TCS; Traction Control System)라는 기능도 구현할 수 있다. 미끄러운 노면에서 출발할 때 바퀴 미끄럼도 방지해 안전성을 더욱 높여준다. 이후 잠금방지제동장치에서 한 단계 더 진화한 것이 차량자세제어장치(ESC; Electronic Stability Control)다. 이름처럼 자세를 측정할 수 있는 센서를 추가로 사용했다. 제동뿐만 아니라 주행 시 엔진 토크까지 제어하며 위급한 상황에서도 자세를 안정적으로 유지할 수 있다. 2000년대 초반부터 자동차 업계는 충돌사고를 미리 예방하는 안전기술을 발표했고, 능동적 안전기술이 대두되며 소형차부터 대형차까지 폭넓게 적용되기 시작했다. 현재 대표적 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)으로는 스마트 크루즈 컨트롤(SCC)이나 전방충돌방지보조(FCA) 등이 있다.

제동장치의 관점에서는 레이더나 카메라가 주변 환경을 실시간으로 인지하고, 이를 반영한 제동정보를 첨단 운전자 보조 시스템 제어기에 전달하는 '협조제어'가 요구된다. 최근에는 안정성을 넘어 편의성을 강조한 원격스마트주차보조(RSPA) 기능에도 협조제어가 증가하고 있다. 현재 제동장치 내연기관에서 전기, 연료전지, 하이브리드 등 전동화 차량으로의 전환이 가속화됨에 따라 회생제동시스템을 활용한 연비 향상에 집중하고 있다. 이를 위해서는 구동모터의 부하에 의한 회생제동력과 마찰제동력의 협조제어가 더욱 필요하다. 기존 차량자세제어장치의 역할과 회생제동이 가능한 시스템을 결합한 전동식 통합형 회생제동시스템(iMEB)을 현대모비스㈜가 선제적으로 개발해 양산한 배경이 여기에 있다. 자율주행 관점에서는 2020년 7월부터 레벨3단계 수준의 차로 유지 기능을 탑재한 차량이 등장했다. 제한적이지만 자율주행차가 도로에 나타난다는 뜻이다. 이를 위해서는 운전자가 신경을 쓰지 않아도 자율주행차가 스스로 주행하고 멈춰야 한다. 자율주행 중 제동시스템이 고장나면 어떻게 멈추어야 하는지부터 출발해 제동장치의 백업장치 개발이 한창이다. 성능과 경제성, 장착성 등을 고려한 이중화시스템이다.

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 드럼 브레이크와 디스크 브레이크를 사용한다. 드럼 브레이크는 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. 디스크 브레이크의 경우, 디스크라는 원판이 휠과 연결되어 있고 유압이 캘리퍼에 있는 실린더로 전달되어 피스톤이 원판을 잡아 주면서 마찰력을 발생시켜 작동한다.

분류

주제동 브레이크

주제동 브레이크는 자동차의 주행 속도를 낮추거나, 경우에 따라 급정차시키는 데 사용된다. 풋 브레이크 또는 상용 브레이크라고도 하며, 브레이크 페달을 밟아서 작동시킨다. 운전자가 발로 조작하는 족동식(足動式)이 대부분이며, 운전자의 조작력은 유압 또는 공기압이라는 중간 매체를 거쳐 차륜의 제동력으로 변환된다. 주제동 브레이크는 제동력이 전/후 차륜 간에 서로 다르지만, 모든 차륜에 동시에 작용하도록 설계된다. 페달 답력은 일반적으로 승용차에서는 약 500N, 대형 상용차에서는 약 700N을 초과하지 않도록 설계한다. 더 큰 답력이 필요한 경우에는 배력 장치(booster)를 이용한다.

기계식

기계식 브레이크(mechanical brake)는 이륜자동차 및 1축 트레일러(trailer)에 주제동 브레이크로서 사용되는 브레이크이다. 인력으로 브레이크 페달이나 브레이크 레버로 조작하며, 로드 또는 케이블 등에 의하여 마찰 제동한다. 제동력 전달 효율은 약 50%로, 비교적 낮다. 특히 겨울철에는 습기와 결빙에 의해 조작하기 어렵게 되거나 조작기구가 얼어붙는 경우도 있다.

관성제동 브레이크

관성제동 브레이크(overrun brake) 또는 오버런 브레이크는 피견인차에 사용된다. 견인차를 제동했을 때, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 견인차를 향해 밀려간다. 이때 견인차의 견인봉에 직결된 풀-롯드(pull rod)는 피견인차의 관성력에 대항해서 압축스프링을 압착하면서 피견인차 쪽으로 밀려간다. 이에 의한 풀-롯드의 운동이 리버싱 레버(reversing lever)를 거쳐서 브레이크 케이블을 당기게 된다. 즉, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 제동된다.

케이블식 주차 브레이크

케이블식 주차 브레이크는 파이프 또는 유연한 금속호스 속에 삽입된 강철 케이블을 사용하여 수동으로 주차 브레이크를 작동시킨다. 케이블은 마찰을 감소시키고, 빙결 및 부식으로부터 보호하기 위해서 대부분 플라스틱으로 코팅한다. 케이블은 조정 스크루를 이용하여 조정한다. 그리고 1축의 좌/우 차륜 브레이크의 균형은 중간부분에 설치된 브레이크 보정 레버(compensating lever)로 보정한다.

유압식

유압 브레이크

파일:디스크 브레이크 사진.jpg

디스크브레이크

드럼 브레이크

유압식 브레이크(hydraulic brake)는 파스칼의 원리(Pascal’s principle)를 이용하여 유압의 힘으로 제동력을 얻는 브레이크 방식이다. 페달을 밟으면 유압이 발생하는 마스터 실린더와 그 유압을 받아 브레이크슈를 드럼에 밀어 제동력을 발생케 하는 휠실린더 및 유로를 형성하는 브레이크 파이프 또는 호스로 구성되어 있다. 제동력이 모든 바퀴에 균등하게 전달되고, 마찰 손실도 적으며 조작력이 작다는 장점은 있으나, 브레이크 파이프 등의 파손으로 브레이크 오일이 누유되면 기능을 잃게 되는 단점도 있다. 주로 승용차에 사용한다. 유압식 브레이크의 마스터실린더(master cylinder)는 브레이크액을 담아두면서 제동에 필요한 유압을 만드는 역할을 하는 장치이다. 마스터실린더 위에는 브레이크 액 탱크가 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 2계통으로 되어 있으며 한쪽 계통의 브레이크가 작동하지 않아도 다른 쪽 계통이 가능하도록 설계된다. 2계통식 브레이크는 마스터실린더도 이중으로 되어 있다.

디스크 브레이크

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

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) 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. 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.

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)

주차 브레이크

주차 브레이크는 주차 또는 정차 상태를 유지하거나 언덕길에 주정차한 자동차가 저절로 굴러가지 않도록 하는 기능을 한다. 안전상의 이유 때문에 대부분 기계식을 사용한다. 승용차의 경우, 손 또는 발로 조작하며 케이블 또는 링키지를 통해 작동시킨다. 주로 1개의 차축에만 설치된다. 주제동 브레이크가 제 기능을 발휘할 수 없을 경우, 주차 브레이크는 보조 브레이크로서의 기능도 수행할 수 있도록 설계된다. 브레이크 구조에 따라 다음과 같이 분류된다.

• 외부 수축식 브레이크 : 브레이크 밴드로 드럼을 죄어 제동력을 발생시키는 브레이크이다.
• 내부 확장식 브레이크 : 브레이크 슈를 확장시켜 드럼에 압착하여 제동력을 발생시키는 브레이크이다.

보조 브레이크

보조 브레이크는 긴 언덕길을 하향 주행할 때, 주행 속도를 제어하는 데 사용되는 브레이크로서, 주제동 브레이크나 주차 브레이크 이외의 제동장치이다. 와전류 감속기(eddy current retarder), 배기 브레이크(exhaust), 유압 감속기(hydro-dynamic retarder) 및 공기저항감속기(air-resistance retarder) 등이 여기에 속한다. 이 외에도 제동 중 차륜의 슬립(slip)을 자동으로 측정, 제동력을 제어하여 차륜의 잠김(lock)을 방지하는 잠김방지제동장치(Anti-lock Brake System)를 비롯해서, 브레이크제어시스템(Braking Assistance System), 브레이크전자제어시스템(Sensortronic Brake System), 트랙션컨트롤시스템(Traction Control System), 차체자세제어장치(Vehicle Dynamic Control) 등 다양한 전자제어시스템으로 분류할 수 있다.

엔진 브레이크

엔진 브레이크는 언덕길을 저속기어로 내려갈 때, 또는 타행주행 중에 연료분사를 중단시키면 기관은 구동륜에 의해 구동되어 제동효과를 발생시킨다. 이 효과는 저속에서보다는 고속에서 더욱 효과적이다. 또는 기관의 행정과 압축을 관련시켜 엔진브레이크 효과를 극대화시킬 수 있다. 레버를 조작하면 압축실에 설치된 콘스탄트(constant) 스로틀이 공기압에 의해 열린다. 압축행정 중에는 소량의 공기만이 보조밸브를 통해 배기관으로 배출된다. 즉, 압축일을 엔진 브레이크일로 변환시킨다. 잔류 압력은 상사점에서 배출시켜, 압축된 공기에 의해 피스톤이 가속되는 일이 발생하지 않게 한다. 그리고 기관에 근접한 배기관에 추가로 설치한 플랩을 닫으면, 배기가스의 배압에 의해 추가로 제동효과가 발생한다. 배기플랩을 닫을 때는 동시에 연료 분사도 중단한다. 배기플랩의 조작은 운전자가 3-방향 솔레노이드밸브를 작동시켜, 배기플랩에 연결된 오퍼레이팅 실린더를 압축공기로 조작하는 방법을 주로 이용된다.

배기 브레이크

배기 브레이크(exhaust brake)는 엔진 브레이크 효과를 증가시키기 위한 보조 브레이크의 한 종류로서 디젤 차량에만 탑재되어 있는 장치이다. 배기 계통(exhaust system)의 배기가스를 압축하는 동시에 인젝션 펌프의 공급 유량을 줄이거나, 배기가스를 차단하는 동시에 흡입 공기를 차단하는 방식을 말한다. 이는 피스톤이 상하 운동에 저항하는 대항 압력을 급속히 발생시키는 것으로, 엔진 브레이크에 비하여 빠르고 큰 제동력을 얻는다. 또, 배기 브레이크는 배기의 통로를 차단하여 엔진 브레이크의 효과를 높이는 일종의 감속기 역할을 한다. 배기 파이프 중간에는 배기가스의 배출을 억제하는 배기 브레이크 밸브와 이 밸브가 작용할 때 배기 매니폴드 안의 압축된 가스가 밸브의 오버랩(over lap)에 의하여 흡기 매니폴드로 나와서 발생하는 특유의 소음을 방지하는 흡기 매니폴드 밸브가 설치되어 있다. 이들 밸브를 닫으면 엔진이 압축기의 역할을 하게 되어 제동력을 얻는다.

와전류 브레이크

와전류 브레이크(eddy current brake)는 스테이터(stator), 로터(rotor) 및 여자코일(field coil)로 구성되어 있다. 2개의 원판형의 로터는 변속기 출력축과 종감속장치 사이의 추진축에 설치 및 고정되어 있다. 따라서 로터는 추진축과 같은 속도로 회전한다. 그리고 여자 코일은 스테이터와 함께 2개의 원판형 로터 중간에 설치 및 차체에 고정되어 있다. 코일에 전류를 공급하면 자장이 형성된다. 이 자장 속에서 로터를 회전시키면 와전류가 발생되어 자장과의 상호작용에 의해 로터에 제동력이 작용하게 된다. 이때 로터에는 많은 열이 발생하게 되는데, 이 열은 로터에 설치된 에어 블레이드(air blade)를 통해 대기 중으로 방출된다. 와전류 브레이크는 축전지로부터 여자코일에 공급되는 전류를 변화시켜 제어한다. 와전류 브레이크는 구조는 간단하지만 무게가 비교적 무겁다. 그리고 정상적인 작동 상태를 유지하기 위해서는 축전지와 발전기가 정상적이어야 한다. 또 로터가 과열되면 제동력은 감소한다.

하이드로-다이내믹 브레이크

하이드로-다이내믹 브레이크(hydrodynamic brake)의 구조는 유체클러치와 같다. 설치 위치는 와전류 브레이크와 마찬가지로 변속기와 종감속/차동장치 사이의 추진축에 설치된다. 스테이터는 차체에 고정되어 있고, 로터는 추진축 또는 디퍼렌셜에 의해 구동된다. 추진축이 회전하면 로터도 회전한다. 이 기계적 에너지는 로터에 의해 유체의 운동에너지로 변환된다. 유체의 운동에너지는 스테이터에서 열로 변환되어 외부로 방출된다. 즉, 로터의 제동에너지를 유체의 마찰을 이용하여 열에너지로 변환시켜 외부로 방출한다. 동작유체는 로터에 의해 가속되고, 스테이터에 의해 감속된다. 유압펌프로 동작유체의 유입량을 변화시켜 제어한다. 동작유체 발생된 열은 엔진의 냉각수를 거쳐 열교환기에서 대기로 방출된다.

브레이크 배력장치

브레이크 배력장치는 외력을 이용하여 운전자의 페달답력을 배가시켜 주는 장치이다. 배력장치가 고장일 경우에는 운전자의 페달답력만으로 브레이크를 조작할 수 있어야 한다. 배력장치에 이용되는 외력으로는 기관의 흡기다기관 부압, 유압, 공기압 등이 있다.

진공 배력장치

진공 배력장치는 일반적인 유압 브레이크 장치에 엔진의 흡기다기관이나 엔진에 의해 구동되는 진공 펌프를 이용해, 운전자의 페달 답력을 배가시키는 장치이다. 가솔린차는 특별한 장치가 없어도 흡기다기관의 진공을 이용하여 배력을 얻을 수 있다. 배력은 대기압과 흡기다기관 절대압력과의 압력차를 이용하여 다이어프램(diaphragm)에 부착된 피스톤을 작동시켜 얻는다. 따라서 진공 배력장치의 배력의 크기는 격막의 유효 면적에 비례한다. 가솔린 기관에서 스로틀밸브가 닫혀있을 때 흡기다기관의 절대압력(부압)은 최대 약 0.8bar 정도이다. 그러므로 큰 배력을 얻기 위해서는 격막의 유효 면적이 넓어야 한다. 또 격막의 작동 공간을 필요로 하며, 진공의 충전과 방출에 비교적 긴 시간이 소요된다는 단점이 있다.

유압식 배력장치

유압식 배력장치는 동력조향장치용 유압펌프에서 토출되는 유량의 일부를 축압기(accumulator)에 고압으로 저장해 두었다가, 제동할 때 배력 작용을 하도록 한다. 동력조향장치의 기능에 영향을 미치지 않으면서도 축압기의 유압을 고압으로 유지할 수 있다. 유압식 배력장치는 유압펌프, 축압기, 유압조절기, 배력 실린더, 및 오일 저장 탱크 등으로 구성된다. 축압기는 직경 약 100mm 정도의 공 모양으로, 격막에 의해 2개의 방으로 분할되어 있다. 상부 방은 가스(대부분 질소)로 충전, 밀폐되어 있다. 그리고 다른 하나의 방은 유압펌프로부터 유입된 오일로 채워지며, 이 방의 유압이 상승함에 따라 가스는 압축된다. 압력제어식 유량밸브(pressure-controlled flow-regulator)는 유압펌프로부터 유입되는 오일의 압력을 상승시켜 축압기에 저장하거나, 탱크로 복귀시키는 역할을 한다. 유압식 부스터(hydraulic booster)는 진공 부스터와 마찬가지로 마스터실린더와 직결되어 있으며, 브레이크페달에 의해 작동된다.

공압식 배력장치

공압식 배력장치는 압축공기와 유압을 동시에 이용하는 브레이크 시스템에서 사용할 수 있다. 설치 공간을 작게 차지하지만 약 7bar에 달하는 공기 압력을 이용하여 큰 배력을 얻을 수 있다. 작동 원리는 제동하면 밸브태핏이 피스톤롯드에 의해 앞쪽으로 밀려가게 된다. 밸브태핏의 전진운동에 의해 먼저 배출포트가 닫히게 된다. 동시에 밸브태핏이 흡입밸브 시트와 접촉하게 되면, 흡입포트가 열리게 된다. 압축공기는 흡입포트를 통해 작동실로 밀려들어와, 작동 피스톤에 배력을 작용시킨다. 배력에 의해 작동피스톤이 밀려가면 흡입포트는 다시 닫히게 된다. 이와 같은 방법으로 페달답력에 따라 곧바로 배력을 변화시킬 수 있다. 브레이크 페달에서 발을 떼면, 밸브태핏은 흡입포트를 닫고 동시에 배출포트를 열게 된다. 작동실의 압축공기는 대기 중으로 방출되고, 작동피스톤은 리턴 스프링의 장력에 의해 초기 위치로 복귀하게 된다.

전자제어장치

잠김방지제동장치

잠김방지제동장치는 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

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• 〈브레이크의 분류〉, 《네이버 지식백과》
• 〈기계식 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 〈브레이크 배력장치〉, 《네이버 지식백과》
• 〈유압 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 〈진공 배력장치〉, 《네이버 지식백과》
• 〈유압식 배력장치〉, 《네이버 지식백과》
• 〈공압식 배력장치〉, 《네이버 지식백과》
• 〈배기 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 〈엔진 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 〈와전류 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 〈하이드로-다이내믹 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 행복남의 일상, 〈자동차 제동(브레이크) 장치 〉, 《티스토리》, 2011-12-29
• 정보e세상, 〈브레이크 원리 및 종류 〉, 《티스토리》
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• 나반-김창모, 〈자동브레이크의 발달 〉, 《다음카페》, 2006-03-18
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• 정개유기박사, 〈제동장치〉, 《다음 블로그》, 2011-02-26
• 수원양반, 〈자동차 브레이크 작동원리〉, 《다음 블로그》, 2017-08-09
• Elysium, 〈자동차 브레이크에 대하여 알아보자-1.브레이크의 변천사〉, 《티스토리》, 2009-06-18
• 행복남의 일상, 〈드럼 브레이크〉, 《티스토리》, 2019-02-12
• 〈새시 21 > 제동장치 개요 및 종류〉, 《강주원자동차》
• 박태준 기자, 〈(카엔테크)자동차 브레이크 기술의 진화〉, 《전자신문》, 2020-05-28

같이 보기

• 제동
• 브레이크페달
• 가속페달

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