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드럼브레이크
드럼브레이크(drum brake)는 바퀴와 드럼이 맞물리는 자동차용 제동장치이다. 브레이크슈가 드럼과 마찰되어 바퀴의 회전속도를 감소시킨다.
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개요
드럼브레이크는 자동차용 브레이크 장치로, 바퀴와 함께 회전하는 브레이크 드럼 안쪽으로 라이닝을 붙인 브레이크슈를 압착하여 제동력을 얻는다. 브레이크슈, 휠실린더, 백플레이트 및 브레이크드럼 등으로 이루어진다.[1] 페달을 밟으면 브레이크슈는 확장기구에 의해 드럼 내면에 압착되고 브레이크슈에 부착된 라이닝과 드럼 내면의 마찰력에 의해 바퀴가 정지하는 방식이다.[2] 드럼브레이크는 디스크 브레이크보다 제동력이 강하지만, 열 방출 능력이 떨어지고 정비가 까다롭다. 단, 가격이 저렴하고 제동력이 좋아 하중이 많이 나가는 스쿠터, 오토바이에 사용하기 좋다.[3]
역사
드럼브레이크라 부를 수 있는 첫 발명품은 세계에서 가장 오래된 자동차 제조사인 다임러(Daimler AG)의 창시자, 고틀리프 다임러(Gottlieb Daimler)의 손에서 1899년 탄생했다. 다임러는 케이블로 감싼 드럼을 차량 섀시에 고정시켜 제동하는데 사용하는 개념을 만들었다. 이후 그와 함께 공동으로 내연기관을 개발하여 세계 최초의 사륜구동차를 제작한 빌헬름 마이바흐(Wilhelm Maybach)는 차의 뒷바퀴를 강철 케이블로 감싸고 수동 레버로 작동하는 브레이크를 고안했다. 마이바흐가 개발한 드럼브레이크는 자동차 안전 성능 향상에 큰 영향을 줬다. 하지만 현대식에 가까운 기계식 드럼 브레이크는 프랑스의 자동차 제조사인 르노(Renault)의 창시자 루이 르노(Louis Renault)가 1902년에 개발했다.[4] 루이 르노는 시제품을 만들 때 드럼브레이크를 처음 채택하기도 했다.[5] 회전축에 부착된 원통형 드럼의 안쪽에 브레이크슈를 바찰시키는 방식의 드럼 브레이크는 흙이나 물 등의 이물질에 마찰력이 영향을 받지 않으므로 안정적인 제동력을 발휘할 수 있었다. 초기에는 케이블이나 레버 등으로 작동되는 드럼 브레이크는 1930년대가 되면서 브레이크 페달은 유압을 이용해 드럼 브레이크에 제동을 가하는 유압식으로 발전했다. 하지만 자동차가 빨라지고 무거워지면서 드럼 브레이크는 한계에 봉착한다. 바로 열을 충분히 배출하지 못하는 문제였다. 무겁고 빠른 차의 더 많은 운동에너지를 더 많은 열에너지로 변환시키자 밀폐된 구조의 드럼 브레이크는 열을 충분히 배출할 수 없었던 것이다. 가열된 드럼은 팽창하게 되고, 브레이크슈는 마찰력이 급격하게 떨어졌으며, 휠실린더 안의 유압액은 끓어오르며 페달의 제동력을 전달하지 못했다. 그래서 요즘은 드럼 브레이크는 속도가 느린 트럭이나 무게가 가벼운 소형차의 뒷바퀴용 제동장치에 제한적으로 사용된다. 제동력의 큰 부분을 담당하는 앞바퀴는 방열성이 뛰어난 디스크 브레이크에게 넘어갔다. 디스크 브레이크의 위력이 여실히 증명된 것은 1953년 르망 24시간 레이스였다. 여전히 드럼 브레이크를 사용했던 경쟁자들과 달리 재규어(Jaguar)는 C타입 경주용차에 디스크 브레이크를 적용했고, 우승까지 차지했다. 재규어의 우승은 순전히 절반은 디스크 브레이크의 덕택이었다. 브레이크를 한계까지 몰아붙이는 내규 레이스는 잘 멈출 수 있다는 성능에 대한 믿음이 더욱 빠른 스피드를 내는 원동력이라는 것을 증명한 것이다. 그 후 1980년대까지 거의 모든 승용차의 전륜 브레이크는 디스크 브레이크로 바뀌었고, 현재는 승용차의 약 80% 이상이 디스크 브레이크를 사용한다.[6]
특징
장점
- 드럼 브레이크의 가장 큰 장점은 제동력이 디스크 브레이크보다 강하다는 것이다. 이는 바로 자기작동작용 때문이다. 회전 중인 드럼을 제동시키면 회전방향으로 확장되는 슈에는 마찰력에 의해 드럼과 함께 회전하려는 회전토크가 추가로 발생되어 확장력을 증대시키게 된다.[7] 확장력이 증대되면 결국은 마찰력이 증대되는 결과가 된다. 즉, 휠 실린더로부터 공급된 확장력에 의한 마찰력보다 실제로 발생된 마찰력이 크다. 이와 같은 작용을 자기작동작용이라 한다. 그래서 과거에는 강한 제동력을 필요로 하는 대형트럭이나 대형버스에 드럼 브레이크를 채용하였지만, 급속도로 발전한 디스크 브레이크 기술과 드럼브레이크의 여러 한계 때문에 수입 상용차부터 시작하여 대형차 시장에서도 밀려났다.[8]
- 드럼브레이크의 또 다른 장점은 경제성이다. 복잡한 구조임에도 저렴하고 제조가 쉬운 이유는 폐쇄식이기 때문이다. 디스크 브레이크는 로터가 외부에 노출되어 있기 때문에 어느정도 오염이 되어도 높은 신뢰성을 보여야 한다. 이를 위해 소재나 설계, 제조방식이 고도화되기 때문에 상대적으로 단순한 구조에도 불구하고 비용이 더 높다. 반면 드럼브레이크는 폐쇄식이기 때문에 먼지나 오염물질에 강하다. 때문에 라이닝이 쉽게 마모되지 않아 수명이 길어 상대적으로 잦은 정비를 필요로 하지 않아 비용을 절감할 수 있다.
단점
- 드럼 브레이크의 가장 큰 단점은 폐쇄성이다. 폐쇄성으로 인해 오염물질에 강하다는 이점이 있지만 명확한 한계 요인 역시 폐쇄성이다. 디스크 브레이크는 개방형이라 냉각이 용이한 반면, 드럼 브레이크는 폐쇄식이라 열배출이 어렵다. 과열 때문에 라이닝이 경화되어 페이드 현상을 일으키기도 쉽다. 드럼이 너무 과열되면 빨갛게 달아올라 제동력을 거의 상실하며 심하면 화재가 날 수 있다.[9] 열을 식히기 위해 드럼쪽에 냉각 블레이드를 설계하여 드럼 내부에 통풍이 가능하도록 통기드럼을 사용하는 등 많은 노력을 기울였으나, 이렇게 하면 내오염성이 현저히 떨어진다. 폐쇄성으로 또 다른 단점은 빠져나가지 못하는 이물질로 ABS의 오작동을 일으킬 수 있다는 것이다. 분진 등의 이물질이 시스템 밖으로 빠져나가기 힘든데, ABS가 있는 차량은 톤휠이 오염되어 휠스피드 센서가 신호를 제대로 받지 못해 ABS의 오작동을 일으키게 하기도 한다.[10] 마지막으로 폐쇄구조로 인해 점검이나 정비가 디스크 브레이크보다 어렵다. 브레이크 시스템 자체가 드럼 속에 들어 있어 운전자가 겉으로 봤을 때 문제를 알 수 없고, 이를 확인하기 위해서는 휠을 분리하여 드럼을 벗겨내야 한다. 정비 시에도 마찬가지로 드럼을 분해한 휘 브레이크 실린더와 브레이크 라이닝을 교체한 후 드럼과 라이닝의 간극조절을 해야 하는 등 복잡한 과정을 거쳐야 한다.
- 드럼 브레이크의 또 다른 단점은 습도에 약하다는 것이다. 비가 오면 드럼에 쌓인 분진으로 붙어버리는 문제가 발생한다. 이때는 제동력이 지나치게 상승하여 살짝만 브레이크를 밟아도 땅에 내리 꽂듯이 급제동이 되어 주의해야 한다. 주로 밤에 주차를 해놓고 다음날 출근을 할 때 이런 현상이 발생하는데, 어느정도 제동을 가해 브레이크에 열이 가해지면 습기가 날아가면서 해결된다. 만약 일정시간 이상 운행을 했는데도 계속해서 급제동 현상이 나타나면 정비를 해야 한다.[8]
구성 및 원리
자동차용 드럼 브레이크는 내부 확장식이 대부분이다. 주요 구성부품은 드럼(drum), 백플레이트(back plate), 브레이크슈(brake shoe), 휠실린더(wheel cylinder), 간극조정 스크루(adjusting screw), 리턴 스프링(return spring), 그리고 주차 브레이크 스트럿(parking brake strut) 등이다. 브레이크드럼은 휠과 함께 구동축 또는 휠 스핀들(wheel spindle)에 설치된다. 따라서 휠이 회전하면 함께 회전한다. 브레이크 슈와 확장력을 발생시키는 부품들은 백플레이트에 설치된다. 그리고 백플레이트는 액슬 하우징에 설치, 고정된다. 즉, 슈는 확장될 수는 있으나 회전할 수는 없는 구조로 설치되어 있다. 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 슈는 핀 또는 캠에 의해 드럼의 내벽에 압착된다. 이때 브레이크 슈에 부착된 라이닝(lining)이 제동에 필요한 마찰력을 발생시킨다. 슈를 확장시키는데 필요한 힘은 주제동 브레이크에서는 휠 실린더에 작용하는 유압으로부터, 주차브레이크에서는 케이블이나 레버를 작용시켜 얻는다.[11]
- 드럼(drum) : 브레이크 드럼은 고온에서의 내마모성, 변형에 대응할 수 있는 충분한 기계적 강성, 높은 마찰 계수와 방열성이라는 세 가지 조건을 만족해야 한다. 재질은 대부분 특수주철, 주강, 경합금이며 강성을 증대시키고 방열성을 개선하기 위하여 원주방향 또는 원주와 직각방향으로 핀 또는 리브를 갖추고 있다.
- 브레이크슈(brake shoe) : 테이블과 웨브가 T형의 일체로 된 반원형이다. 테이블은 드럼의 내벽과 접촉하여 마찰력을 발생시키는 라이닝(lining)이 부착되는 부분이며, 웨브는 슈가 드럼에 압착될 때 슈의 곡률이 변화하지 않도록 강성을 증대시키는 기능을 한다. 그리고 또 웨브는 슈를 백플레이트에 설치하기 위한 목적에, 또는 간극조정 리턴스프링의 설치 등의 목적에도 이용된다.
- 브레이크라이닝(brake lining) : 내열성과 내마멸성이 우수하고, 물이나 오일 등에 민감하지 않아야 한다. 그리고 고온에서도 마찰계수의 변화가 적어야 한다. 유기물 또는 금속에 첨가제와 접착제를 혼합한 다음, 고온, 고압 하에서 성형한 것들이 대부분이다.
- 백플레이트(back plate) : 휠실린더 또는 브레이크캠와 브레이크슈 등이 설치된다. 강판을 성형한 것으로, 제동할 때 부하되는 힘에 의해 변형되지 않도록 리브를 둔 것도 있다.
- 휠실린더(wheel cylinder) : 마스터 실린더에서 발생된 유압이 브레이크 파이프를 거쳐 휠 실린더 피스톤에 작용하면, 슈 작동핀은 슈를 드럼에 밀착시키게 된다. 휠 실린더는 백플레이트에 고정되어 있으며, 최상부에 공기를 빼는 스크루가 설치되어 있다. 그리고 형식에 따라서는 간극조정기가 부착된 것, 내경을 다르게 한 계단형 등도 있다. 계단형 휠 실린더는 리딩-슈(leading shoe)와 트레일링-슈(trailing shoe) 간의 제동력차를 보상시키기 위해 사용한다.[12]
형태
드럼브레이크는 브레이크슈와 휠실린더의 설치 방법에 따라 리딩 트레일링 슈형(LT형), 2리딩 슈형(2L형), 듀오 2리딩 슈형(D2L형), 듀오 서보형(DS형)으로 분류된다.
- LT형 : 리딩슈와 트레일링슈가 조합된 형식으로, 구조가 간단하여 주로 승용차 뒷바퀴에 사용된다.
- 2L형 : 1개의 피스톤을 갖는 휠실린더 2개를 이용하여 트레일링슈를 없애고 제동력이 강한 2개의 리딩슈로 브레이크슈를 작동시키는 형식으로, 후진 때 제동력이 약해지는 것이 단점이다.
- D2L형 : 2개의 피스톤을 갖는 휠실린더 2개를 이용함으로써 2L형 브레이크의 단점을 보완한 것으로, 전·후진 때 제동력이 변하지 않아 중형차의 뒷바퀴에 많이 사용된다.
- DS형 : 리딩슈에서 생긴 제동력을 트레일링슈의 입력으로 작동하게 하는 방식으로, 라이닝의 마찰계수에 따라 제동력이 민감하게 변하고 편제동 현상이 발생할 수 있어 현재는 거의 사용하지 않는다.[13]
각주
- ↑ 짠모, 〈+틴트어카+ 자동차 브레이크의 원리와 구조〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-23
- ↑ 〈드럼(식) 브레이크 ( drum brake )〉, 《자동차용어사전》
- ↑ 〈드럼브레이크〉, 《쇼핑용어사전》
- ↑ 탑기어, 〈자동차 브레이크 시스템 발전사〉, 《네이버 포스트》, 2020-01-30
- ↑ 안효문 기자, 〈구식 드럼 브레이크의 재발견..전기차와 찰떡궁합 '왜?'〉, 《데일리카》, 2021-06-23
- ↑ 〈브레이크의 역사〉, 《삼성화재 블로그》
- ↑ Yongxiu, 〈드럼 브레이크 (drum brake)〉, 《티스토리》, 2019-02-12
- ↑ 8.0 8.1 〈드럼 브레이크〉, 《나무위키》
- ↑ 음식요정, 〈드럼 브레이크 구조와 장점및 단점〉, 《티스토리》, 2022-11-09
- ↑ 세종 MC 밧데리 할인점, 〈자동차 브레이크 종류는?〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-06
- ↑ 555, #1 드럼브레이크의 구조와 주요 기능들〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-17
- ↑ 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈: 첨단자동차섀시 - 드럼 브레이크 ( drum brake, Trommelbremse )〉, 《골든벨》, 2009-09-07
- ↑ 〈드럼브레이크 ( drum brake )〉, 《두산백과》
참고자료
- 〈드럼브레이크 ( drum brake )〉, 《두산백과》
- 〈드럼(식) 브레이크 ( drum brake )〉, 《자동차용어사전》
- 〈드럼브레이크〉, 《쇼핑용어사전》
- 〈드럼 브레이크〉, 《나무위키》
- 〈브레이크의 역사〉, 《삼성화재 블로그》
- 김재휘 교수, 〈최신자동차공학시리즈: 첨단자동차섀시 - 드럼 브레이크 ( drum brake, Trommelbremse )〉, 《골든벨》, 2009-09-07
- 짠모, 〈+틴트어카+ 자동차 브레이크의 원리와 구조〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-23
- 555, #1 드럼브레이크의 구조와 주요 기능들〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-17
- Yongxiu, 〈드럼 브레이크 (drum brake)〉, 《티스토리》, 2019-02-12
- 탑기어, 〈자동차 브레이크 시스템 발전사〉, 《네이버 포스트》, 2020-01-30
- 세종 MC 밧데리 할인점, 〈자동차 브레이크 종류는?〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-06
- 안효문 기자, 〈구식 드럼 브레이크의 재발견..전기차와 찰떡궁합 '왜?'〉, 《데일리카》, 2021-06-23
- 음식요정, 〈드럼 브레이크 구조와 장점및 단점〉, 《티스토리》, 2022-11-09
같이 보기
