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.

철도 제동

역사

증기기관차가 처음 등장한 것은 19세기 초이지만, 최초 제동장치는 광산이 성황을 이루던 14세기경 유럽의 광산 지대에서 시작되었다. 당시 광산에서 운용하던 궤도차량에 처음 사용된 제동장치는 증기기관차의 개발과 함께 증기제동장치로 발전하였다. 1850년대 기차의 속도는 20km~30km 수준이었다. 제동시 브레이크 레버를 당기면 1.5km정도 더 달린 후에야 정지를 할 수 있었다. 이 같은 제동 기술의 한계로 기차의 속도향상은 어려웠고 철도산업에 발전을 저해하였다. 당시 기차 제동 장치는 손으로 제동 장치 레버를 당기는 방식으로 기관차는 물론 모든 객찰 동시에 제어해야만 안전하게 정차할 수 있었고, 브레이크맨이 모든 객차를 뛰어다니면서 제동을 해야 했다. 때문에 급정차가 불가능했을 뿐만 아니라 내리막길을 만나면 폭주를 피할수 없어 탈선과 충돌사고가 빈번했다. 그리고 1868년 조지 웨스팅하우스는 파이프를 통해 모든 객차에 압충공기를 보내 한 번에 제동할 수 있는 시스템인 에어브레이크 개발에 성공한다. 기관차에 모든 객차를 제동할수 있게 됐으며 제동거리도 450m로 대폭 줄었다. 1893년 에어브레이크 장착을 의무화하는 법이 미국의회에서 제정되었다.

종류

딥면 제동

딥면제동은 철도차량의 바퀴 중 레일과 닿는 부분에 주철이나 레진 등으로 이루어진 제륜자를 공기의 압력으로 눌러 붙여 제동하는 방식이다. 초기 철도차량에서부터 사용된 제동 방식이다. 이 방식은 답면에 묻은 이물질 등을 제거하면서 선로 점착력을 향상시킬 수 있지만, 반대로 잦은 마찰에 의해 담면이 마모되어 차륜의 수명이 짧아지는 단점을 가지고 있다. 딥면제동 방식은 단가가 저렴하여 화물열차 등에 주료 사용된다 하지만 자축에 견인 전동기를 설치하여 다른 방식의 제동 장치를 장착하기 어려운 일부 전기동차의 동력차에도 쓰이고 있다.

디스크 제동

디스크 제동 방식은 답면제동과는 다르게 브레이크 작동 면을 원반 모양으로 만들어서 공기의 압력으로 제륜자를 마찰시키는 방식이다. 답면제동 방식과 비교하면 답면보다 넒은 면을 마찰시키기 때문에 제동력이 우수하고, 마찰열이 사라진다는 장점이 있다. 대부분의 차량의 차축에는 별도의 디스크를 설치하여 마찰시키는 차축 디스크 방식을 사용하지만, 동력을 전달하는 견인전동기가 설치되어 제동 디스크를 설치하기 어려운 차량에서는 차랸 옆면 패드를 마찰시키는 차륜 디스크 방식을 사용하고 있다. 구조가 까다롭고 가격이 비싸고 구조가 까다롭지만 고속주행 시 제동력이 우수하기 때문에 대부분의 철도차량에서 찾아볼 수 있는 방식이다. 답면제동과 디스크 제동 방식은 패드를 직접 마찰시켜야 하는 특성으로 사람이나 기계의 힘을 쓰지 않고 압축공기를 이용한 공기제동 방식을 사용한다. 예전에는 승무원이 차량마다 일일이 제동을 걸었지만, 압축공기 시스템은 차량의 제동배관을 따라 연결되어 있으므로 균일한 제동력 확보가 가능하다.

기계식 수용제동

수용제동 방식은 가장 원시적인 제동방법이다. 공기제동 방식을 사용할 수 없는 상태에서 주행 중인 철도차량을 멈추거나 정지한 철도차량을 고정하고 싶을 때 핸들을 수동으로 움직이면 제룬자가 차륜에 밀착하게 되어 차량에 제동이 걸리는 방식이다. 수용제동 방식은 압축공기를 사용하지 않는다. 공기의 압력이 떨어져 제동력의 확보가 어려울 경우 비상 브레이크 용도로 사용할 수 있으며 화차 등을 선로에 고정시키기 위한 용도로 사용하는 경우도 있다. 현재는 일부 무궁화호와 화물열차 등에서만 사용하고 있다,

발전 제동

발전제동 방식은 전기동차에 동력을 전달하는전동기를 역이용한 제동 방식이다. 평소 전기동차의 동력을 담당하는 전동기는 회로를 약간만 변경시키면 발전기로 이용이 가능하다. 전동기를 발전기로 작동시켜 만들어진 전기 에너지를 저항기에 통과시켜 열에너지로 변환하면 지금까지 회전하던 방향과 반대 방향으로 회전하려는 제동력이 생기게 된다.

회생 제동

회생 제동 방식은은 발전제동보다 업그레이드 된 제동 방식이다. 기본 구조는 발전 제동 방식과 같지만, 전동기를 이용하여 발생된 전력을 저항기에서 소비하지 않고 전차선으로 흘려보낸 전기는 주변의 열차에서 전기를 재사용하거나 선로 주변의 변전소에 공급함으로써 제동력을 얻는 방식이다. 대부분의 전기동차에서는 회생제동방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 있는데 , 회생제동 방식으로 제동력을 확보하려면 전동기에서 발전된 전기를 전차선의 전기와 같게 바꿔야하기 때문에 관련 장치가 복잡해지고, 생산된 전기를 바로 소모시키지 않으면 제동력이 생기지 않는 단점이 있다. 그래서 회생제동 방식은 전동차 운행구간처럼 열차가 조밀하게 운행하는 곳에서 가장 효과적이고, 회생제동을 사용하기 어려운 구형 철도차량의 경우에는 발전제동만을 사용하는 편이다. 고속철도 같은 경우는 역간거리가 긴 편인데다 절연구간이나 전차선 전압 문제로 인해 회생제동과 발전제동을 상황에 따라 적절히 이용한다.

이륜차 제동

제동 방법

• 레버를 사용하는 전륜 제동 장치

• 브레이크 페달을 사용하는 후륜 제동 장치

• 가속그립을 제자리로 돌리거나 저속 기어에 의한 엔진 제동 장치

제동시 주의사항

• 브레이크를 걸 때는 차체를 수직으로 유지하고 핸들을 꺾지 않은 상태에서 엔진 브레이크를 걸면서 전·후륜의 브레이크를 동시에 건다. 이때 승차 자세를 바르게 유지하지 않으면 앞으로 쏠리기 쉽다.

• 엔진 브레이크는 저속 기어일수록 제동력이 향상된다. 그러나 기어를 단번에 고속에서 저속으로 넣으면 엔진이 손상되거나 넘어질 우려가 있으므로 순서에 맞추어 저속기어의 순서로 변속한다.

• 브레이크를 걸면 차륜의 회전이 멈추어 옆으로 미끄러진다. 브레이크는 몇 번 나눠서 사용한다.

자전거 제동

원리

자전거는 바퀴를 정지시켜 마찰력을 얻어내는 제동 방식을 사용한다. 전륜과 후륜사이에 무게중심이 있기 때문에 정지시 전륜 쪽에 무게가 더 많이 실리게 된다. 그래서 후륜은 감속. 전륜은 정지 역할을 한다. 그리고 두 가지의 제동방식을 가지고 있는데 림 제동과 허브 제동이 있다. 림이란 바퀴의 바깥쪽, 허브는바퀴의 축 지점을 말한다. 림제동 방식은 프레임의 구조상 제동 장치를 설치하기가 쉽다. 하지만 진흙길에서 림이 쉽게 더러워져서 미끄러워진다. 허브 제동 방식은 브레이크 구조가 복잡하고 자전거가 무거워진다. 하지만 진흙길에서도 마찰면이 더러워지지 않아서 제동이 잘된다.

종류

싱글 피봇 캘리퍼 제동 장치=

캘리퍼의 뜻은 파이프 두께 같은 걸 재는 측정기이다. 비슷한 모양으로 림을 잡기 때문에 이름이 이렇게 지어졌다. 프레임에 붙이는 나사가 축이되고 지렛대의 길이가 짦아서 힘껏 꽉 잡지 않으면 잘 서지않는다. 장점은 가격이 저렴하고 구조가 간단하여 쉽게 만들 수 있다. 단점은 제동이 잘 안되고 한쪽 제동 장치 패드가 자꾸 붙는다. 중간 고정 나사를 조여 뻑뻑함을 조절한다.

듀얼 피봇 캘리퍼 제동 장치

싱글 피봇 캘리퍼 제동 장치 보다 축이 하나가 더 있다. 지렛대의 길이를 길게 한것이다. 그렇기 때문에 싱글 피봇보다는 제동이 잘된다. 지렛대의 길이와 팔의 두께에 따라 제동성능이 많이 다르다. 장점은 싱글 피봇보다는 제동이 잘된다는 점이고 단점은 V브레이크 보다는 지렛대 길이가 짧아서 구조가 조금 더 복잡하다. 또한 벌어지는 것에 한계가 있어서 두꺼운 타이어를 끼울 수 없다.

캔틸레버 제동 장치

지렛대 축을 포크에 위치시키고 선을 당기는 방식이다. 지렛대 길이가 길기 때문에 캘리퍼 브레이크보다는 제동력이 훨씬 좋다. V브레이크가 나오기 전에 산악자전거에 많이 쓰였으며, 요즘은 싸이클로크로스에 주로 사용되고 있다. 장점은 두꺼운 타이어를 장착할 수 있어서 오프로드용으로 많이 사용된다. 단점은 카본 포크에는 사용할 수 없다. 왜나하면 브레이크를 잡으면 포크가 벌어진다.

브이 제동 장치

MTB에서 많이 쓰이는 방식이다. 지렛대의 길이가 캘리퍼 제동 장치보다 훨씬 커서 제동력이 좋다. 제작 방식이 간단해서 생활 자전거에도 많이 쓰이고 있다. 캔틸레버와 똑같이 카본 소재의 프레임에는 사용할 수 없다. 유압식 디스크 제동 장치가 나오기 전까지는 산악자전거의 표준 제동 장치 였다. 장점은 구조가 간단해서 만들기 쉽고 지렛대 길이가 길어서 제동이 잘된다. 단점은 좌, 우 조정 하기가 힘들고 카본포크에 사용할 수 없다. 그리고 제동 장치를 꽉 잡으면 포크가 벌어진다.

밴드 제동 장치

허브 제동방식의 가장 저가형인 밴드형 제동 장치이다. 접촉면이 넒어서 제동 성능이 좋고 압바퀴에 싱글 피봇 캘리퍼를 사용하는 경우에 부족한 제동 성능을 보강하기 위해 후륜에 많이 장착된다. 다른 허브형 제동방식보다 제조비용이 저렴하다. 그래서 갑싼 생활 자전거에 거의 쌍으로 장착 된다. 장점은 프레임이 작거나 프레임 구조상 림브레이크를 달 수 없는 곳에 장착할 수 있다. 그리고 허브 제동 방식 중에서 제일 저렴하다. 단점은 서서히 제동이 안되고 급제동이 된다. 그리고 복잡한 구조라 정비가 쉽지않다.

기계식 디스크 제동 장치

디스크 제동장치는 디스크를 바퀴에 달고, 디스크를 마찰 패드로 잡는 방식이다. 케이블을 잡아 당겨서 로터를 잡는 방식인데 많은 힘이 필요하다, 최근 유압식 디스크 브레이크가 저렴해지면서 많이 사라지고 있다. 장점은 유압식 대비 저렴하고 캘리퍼 제동 장치보다는 제동이 잘된다. 카본 포크에 장착이 가능하고 진흙길에 오염이 덜하다. 단점은 장착하였을 때 무서워지고 브이 제동장치보다는 힘이 밀린다.

유압식 디스크 제동 장치

산악자전거에 표준처럼 자리잡은 제동장치이다. 기계식 디스크 제동장치와 달리 파스칼의 원리를 이용하기 때문에 작은 힘으로도 제동을 세게 잡을 수 있다. 림 오염에도 제동력이 유지되고 브레이크 잡기도 편해진 것이다. 장점은 작은 힘으로도 제동이 잘되고 진흙길을 달려도 오염이 덜하다. 단점은 구조가 복잡하여 무겁고 오일을 쓰기 때문에 관리가 까다롭다.

같이 보기

• 브레이크

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