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디스크 브레이크

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디스크 브레이크(disc brake)

디스크 브레이크(disc brake)는 바퀴에 디스크가 부착되어 있고, 브레이크 패드가 디스크에 마찰을 가하면 바퀴의 회전 속도가 느려지는 제동장치이다. 원판 브레이크 또는 디스크 로터(disc rotor)라고도 한다.

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개요[편집]

디스크 브레이크는 바퀴와 함께 회전하는 디스크 양면에 패드를 압착한 뒤 마찰을 일으켜 제동력을 얻는다. 밀폐형 드럼 브레이크의 경우, 반복적으로 사용하면 마찰열로 드럼이 팽창하여 작동하지 않는 단점을 보완하기 위한 것이다. 주요 부품은 휠허브와 함께 회전하는 디스크, 디스크에 밀착되어 마찰력을 일으키는 패드, 유압이 작용하는 휠실린더, 휠실린더가 들어 있는 캘리퍼로 이루어져 있다. 디스크가 공기 중에 노출되어 있으므로 방열성이 우수하여 반복적으로 사용해도 제동력이 떨어지지 않으며, 마찰계수의 변동에 따른 영향을 적게 받아 제동력이 안정적이다. 또 구조가 간단하여 패드 교환 등 점검·정비가 쉬운 것이 장점이다. 패드 면적이 작고 제한되어 있어서 충분한 제동 효과를 얻기 위해서는 높은 유압이 필요하며, 외부에 노출되어 있어 빗물이나 진흙 등에 오염되기 쉬운 것이 단점이다.이런 이유로 초기에는 주로 레이싱카에 사용되었으나, 그러한 단점들이 많이 보완되어 현재는 일반 승용차에 널리 보급되어 있다. 단, 주차 브레이크로서의 기능은 약하기 때문에 앞바퀴에만 사용하고 뒷바퀴는 드럼 브레이크를 이용하는 경우가 많다.[1]

역사[편집]

현대적 자동차용 브레이크 시스템은 1900년에 마이바흐(Maybach)에 최초로 적용된 드럼 브레이크였다. 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 소형차뒷바퀴제동장치에 제한적으로 사용된다. 제동력의 큰 부분을 담당하는 앞바퀴는 방열성이 뛰어난 디스크 브레이크에게 넘어갔다. 디스크 브레이크의 위력이 여실이 증명된 것은 1953년 르망 24시간 레이스였다. 여전히 드럼 브레이크를 사용했던 경쟁자들과 달리 재규어(Jaguar)는 C타입 경주차에 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. 사실 디스크 브레이크는 드럼 브레이크와 거의 같은 시기인 1902년에 윌리엄 란체스터(Frederick William Lanchester)에 의해 개발되었다. 그러나 외부로 노출되는 구조는 비포장도로가 대부분이었던 당시 도로 상황에 취약했고, 브레이크패드에 마땅한 소재가 없어서 구리를 사용했기 때문에 패드의 수명이 너무 짧아 널리 사용되지는 못했다. 디스크 브레이크가 다시 빛을 보게 된 것은 제2차 세계대전을 앞둔 1930년대였다. 비용보다 절대 성능이 중요했던 항공 분야, 그리고 군용 중장갑 차량 등이 디스크 브레이크를 채용한 것이다. 자동차의 성능이 향상되면서 디스크 브레이크의 성능도 발전했다. 디스크의 면적은 더욱 넓어지고, 브레이크 패드의 개수와 면적도 넓어졌다. 그래서 8 피스톤 캘리퍼 등 대형 캘리퍼가 등장했다. 디스크의 열 발산 성능을 높이기 위해서 디스크 사이에 환기용 홈이 패인 벤틸레이티드 디스크가 출현했고, 패드와 디스크 사이의 마찰력 증가를 위해서 구멍이나 홈이 패인 드릴드 로터, 슬롯티드 로터 등이 나타났다.

하지만 엔진의 성능은 비약적으로 향상되었고, 이제는 디스크 브레이크도 근본적인 혁신이 필요해졌다. 바로 새로운 소재의 적용이다. 디스크와 캘리퍼가 커질수록 바퀴의 무게는 무거워진다. 바퀴의 무게, 즉 서스펜션 아래 중량이 무거워지면 차량의 조종 성능이 급격히 악화된다. 따라서 무턱대고 디스크와 캘리퍼를 크게 만들 수는 없었다. 그리고 열을 더욱 잘 발산시키는 소재가 필요했다. 그래서 등장한 것이 세라믹 소재의 디스크와 알루미늄 소재의 캘리퍼이다. 세라믹 이외에 알루미늄이나 카본파이버 등도 디스크의 소재로 실험되었다. 로터스의 경량 스포트카인 엘리제는 알루미늄 디스크를 사용했지만, 약한 내구성 때문에 고성능 모델에는 주철 브레이크를 사용할 수밖에 없었다. 카본파이버 디스크는 1969년 콩코드 초음속 여객기에 처음 적용되어 탁월한 극한 성능을 증명했다. 그러나 엄청나게 비싼 가격, 고온에서만 우수한 성능을 발휘하고 물기가 묻으면 제동력이 전혀 발휘되지 않는 등의 까다로운 특성 때문에 일반 차량에는 사용되지 않고, 항공기나 포뮬러원 경주차에만 사용된다. 세라믹 복합 소재로 만든 디스크 브레이크가 최초로 적용된 것은 자동차가 아니었다. 바로 고속열차의 대명사인 TGV였다. 그리고 1999년 프랑크푸르트 모터쇼를 통해 세계 최초의 카본 세라믹 디스크 브레이크가 선을 보이고, 2001년 포르쉐(Porsche)의 고성능 모델인 포르쉐 911 GT2를 통해서 최초로 자동차에 적용된다. 그리고 부가티(Bugatti) 등의 슈퍼카, 그리고 독일 3사의 고성능 모델 등에 적용된다. 주철 디스크에 비하여 절반 이하의 무게로 차량의 조종 성능을 높이고, 가혹하게 사용해도 제동력이 떨어지지 않으며, 페달 감각도 명료한 데다 카본 디스크와는 달리 차가울 때나 물에 젖어도 제동력이 변화가 없는 카본 세라믹 디스크는 디스크의 결정판이었다.[2]

작동 원리[편집]

디스크 브레이크는 차량의 바퀴 안쪽에 장착되어 차량의 바퀴를 제동한다. 차량이 앞으로 출발하면 디스크가 바퀴와 똑같이 돌아가게 된다. 이때 브레이크 페달을 밟으면 브레이크라인에서 유압으로 인해 캘리퍼 내부의 피스톤을 밀어낸다. 피스톤으로 인해 밀려난 브레이크패드가 디스크와 맞닿게 되면서 마찰력을 일으켜 차량을 멈춘다. 또한 캘리퍼 내부에 피스톤이 몇 개 있는지에 따라 브레이크 제동력이 달라진다. 흔히 1개부터 6개까지 다양하게 있으며, 피스톤의 개수가 많아질수록 미는 힘이 강해지기 때문에 피스톤 개수가 많을수록 잘 멈출 수 있지만, 어떤 디스크를 가지고 있는지에 따라서 달라지기에 꼭 피스톤의 개수가 제동력을 달리하지는 않는다.[3]

소재[편집]

마찰력이 높은 재질을 사용한 경우 초기 감소력은 나아질 수 있지만 패드로터가 쉽게 과열되어 뜨거움이 방출되지 않게 되어 일시적으로 제동력이 감소되거나 완전히 제동력을 상실하게 된다. 그런 이유로 일반적인 로터는 내마모성과 내균열성이 우수한 주철 또는 주강으로 제작한다. 여기에 탄소가 함유되면 더 빠르게 열이 방출되어 제동 성능을 빠르게 회복시킨다. 이처럼 로터는 모든 열을 흡수하고 방출해야 일관된 제동력을 유지할 수 있다. 경주용 또는 슈퍼카에 장착되는 카본 세라믹 로터는 고온, 고진동에서 실리콘을 특수 처리한 탄소섬유와 혼합해 제작한다. 카본 세라믹 로터는 주철로 만든 로터보다 약 50% 가볍고, 함유된 탄소는 높은 강도와 내열성, 적은 열 변형, 마찰계수 변화가 적고 높은 제동력을 유지한다. 단점이라면 200도 이하의 온도에서는 제동력이 떨어진다는 것이다. 그렇기 때문에 브레이크패드의 면적을 넓혀 제동력을 보완한다. 카본 세라믹은 주철과 다른 열 특성을 갖는다. 그래서 500도에서 녹아 버리는 일반 패드를 사용하지 않고, 값비싼 카본 세라믹용 패드를 사용한다.[4]

특징[편집]

  • 방열성이 양호하므로 페이드 경향성이 낮다. 패드 면적이 작고 압착력이 크기 때문에 국부적으로 고온이 되기 쉬우나, 방열성이 좋아서 페이드 현상이 거의 발생하지 않는다.
  • 자기작동작용(서보작용)을 하지 못한다. 마찰면이 평면이므로 자기작동작용을 하지 못한다. 따라서 압착력이 커야 하므로, 드럼 브레이크에 비해 휠 실린더 피스톤의 직경(약 40~50mm)이 크며, 대부분 배력장치를 사용한다.
  • 편제동현상이 없다. 자기작동작용이 없고, 마찰계수의 변화가 적기 때문에 제동력 편차가 발생하지 않는다.
  • 패드의 마모가 빠르지만, 패드 교환이 용이하다.
  • 공극이 자동적으로 조정된다.
  • 전진이나 후진, 즉 주행 방향에 상관없이 제동 작용이 균일하다.
  • 원심력에 의해 자기청소작용이 양호하다.
  • 외부 물질에 의한 오염에 민감하다. 예를 들어 빗물에 젖으면 마찰계수가 크게 감소한다.
  • 주차 브레이크가 복잡하다.[5]

종류[편집]

캘리퍼 작동 방식[편집]

고정 캘리퍼 형식[편집]

고정 캘리퍼 형식(fixed caliper type)은 말 그대로 현가에 고정되어 있는 형식이다. 고정 캘리퍼에 들어있는 피스톤이 디스크의 양쪽에서 패드를 디스크에 밀착시켜 제동한다. 피스톤은 캘리퍼의 한쪽에 1개씩, 또는 2개씩 설치되어 있다. 2개씩 설치된 경우에는 패드와 디스크의 접촉면적을 크게 할 수 있으며, 패드 압착력도 크게 할 수 있다. 그리고 브레이크회로를 이상적(4×4방식)으로 설계할 수 있다. 그러나 고정 캘리퍼형은 다른 형식에 비해 상대적으로 무겁고, 패드의 단면적도 작다.[5]

부동 캘리퍼 형식[편집]

부동 캘리퍼 형식(floating-caliper type)은 캘리퍼 피스톤을 캘리퍼의 한쪽에만 설치한다. 제동할 때는 피스톤이 패드를 압착하고, 그 반력에 의해 캘리퍼가 이동하여 반대편 패드도 디스크에 압착되어 제동한다. 주요 구성 부품은 부동-캘피어와 브래킷이다. 이들은 부품 수가 적고 가벼우며, 설치 공간을 적게 차지한다. 그리고 고정 캘리퍼형에 비해 패드의 단면적이 크다. 설치공간을 작게 차지하는 대신에 패드의 단면적은 크기 때문에 패드의 마모가 적다. 또한 브레이크액의 온도 상승폭이 적다. 차륜 측의 캘리퍼 피스톤이 생략되어 열의 축적이 적고, 패드에서의 발열도 적다. 캘리퍼를 정비할 필요가 없기 때문에 먼지나 오염 물질에 민감하지도 않다. 브래킷은 휠 서스펜션에 설치 및 고정되고, 캘리퍼는 브래킷에 설치된다. 캘리퍼를 브래킷에 설치할 때 사용하는 가이드 형식에는 가이드 티스(guide teeth), 가이드 핀(guide pin), 가이드 티스와 가이드 핀을 함께 사용, 가이드 핀과 접이식 캘리퍼를 함께 사용하는 등 여러 가지가 있다.[5]

가이드 티스 형식[편집]

가이드 티스 형식은 안쪽 패드는 가이드 티스가 직접 지지하고 있으며, 차륜측 패드는 외주에 작용하는 힘(peripheral force)에 의해 캘리퍼에 대항하여 지지된다. 브래킷의 양쪽에는 각각 2개의 이(tooth)가 있다. 캘리퍼는 반원형의 그루브를 통해 브래킷의 가이드 티스에 미끄럼 운동이 가능한 구조로 설치된다. 가이드 스프링이 캘리퍼를 브래킷의 가이드 티스에 누르고 있기 때문에 캘리퍼가 달그락거리는 소음은 발생하지 않는다.[5]

가이드 핀 형식[편집]

가이드 핀 형식은 제동할 때에는 피스톤이 패드를 압착하고, 또 그 반력으로 캘리퍼가 미끄럼운동을 하여 반대쪽 패드도 똑같은 힘으로 디스크에 압착시켜 제동한다. 캘리퍼는 가이드 핀(guide pin)에 의해 캘리퍼 서포트(support)에 설치된다. 즉, 캘리퍼는 캘리퍼 서포트에 고정된 가이드 핀 위에서 좌/우로 섭동할 수 있다. 그리고 가이드 핀은 먼지나 오물이 유입될 수 없는 구조이기 때문에 캘리퍼의 운동은 자유롭다. 패드는 2개 모두 캘리퍼에 의해 지지된다. 브레이크 페달로부터 발을 떼면, 씰 링의 복귀력과 익스팬더 스프링의 장력에 의해 공극이 확보된다.[5]

디스크의 냉각 방식[편집]

솔리드 타입[편집]

솔리드 타입은 디스크가 원판 한 장으로 되어 있다. 제조 원가가 낮고, 무게가 가볍다. 하지만 열에 취약하고 냉각 기능이 취약해 디스크 변형이 올 수도 있다. 작은 힘을 가진 소형차에 주로 사용된다.[6]

벤틸레이티드 타입[편집]

벤틸레이티드 타입은 솔리드 디스크 두 장이 약간의 틈을 가진 채 겹쳐 있는 형태이다. 무게가 조금 무겁지만, 두 장의 디스크가 강한 제동력을 발휘하고, 틈을 통해 공기가 들어오면서 브레이크 냉각에 도움을 준다. 오늘날 가장 보편적으로 사용되고 있는 브레이크 시스템이다. 경제성이 중요시되는 소형차에는 성능과 비용의 합의점을 위해 브레이크 성능이 강조되는 앞바퀴에는 벤틸레이티드 디스크가 쓰이고, 뒷바퀴에는 솔리드 디스크가 탑재된다. 성능이 강조된 고성능 자동차에는 앞뒤 모두 벤틸레이티드 디스크가 사용되고, 소재의 차이도 있다.[6]

적용 대상[편집]

자전거[편집]

자전거의 디스크 브레이크는 자전거의 허브축에 붙은 금속제 로터를 금속 또는 레진, 혹은 그 둘을 섞은 복합 재질 패드로 압착하여 제동하는 방식이다. 자동차에서 쓰는 것과 크기만 다르지 작동 원리와 구조는 똑같다. 구체적인 작동 방식은 유압식과 케이블식으로 구분된다. 유압식은 압력 변화에 따른 액체의 팽창 원리를 이용한 방식으로, 상대적으로 훨씬 적은 힘으로 제동력을 유지할 수 있을 뿐 아니라, 반응 속도가 케이블식보다 빠르며 외부 환경의 오염에도 강하다. 브레이크 선을 프레임 내부로 지나가게 하는 인터널 케이블링을 할 때 케이블 식은 이리저리 꺾였을 때 제동력이 상당히 줄어드는 반면, 유압식은 영향을 덜 받는다. 그렇기 때문에 거친 환경과 강력한 제동을 자주 필요로 하는 산악자전거에서는 이미 표준이 되었으며, 로드바이크에서도 점점 비중이 늘어나고 있다. 반면 유압식은 유압 케이블, 유압 레버 등을 사용해야 하므로 상대적으로 정비 및 교체가 까다롭고 비용과 오일로 인해 무게가 더 들어간다는 단점이 있다. 기계식은 전통적인 림브레이크와 마찬가지로 기존의 브레이크 케이블과 레버를 사용하며, 정비 및 교체 용이성이 유압식보다 훨씬 높다. 하지만 제동력이 케이블을 당기는 힘과 비례하는지라 유압식에 비해 효율이 좋지 못하고, 브레이크 케이블의 겉선과 속선 사이에 이물질이 혼입되면 레버의 감각이 뻑뻑해지는 등 외부 오염에 상대적으로 약하다. 그래서 싸이클로크로스처럼 진흙투성이 환경에서는 잘 사용되지 않는다. 반면 자가정비 능력을 어느 정도 요구하는 투어링 자전거에서는 정비가 까다로운 유압식보다 기계식의 신뢰성 있는 제품을 선호하는 편이다.[7]

오토바이[편집]

오토바이의 디스크 브레이크는 핸들마스터 실린더레버를 장착하고, 레버의 움직임에 따라 유압 호스를 통해 캘리퍼에 유압을 전달하여 패드를 작동해 디스크를 붙잡아 정지시키는 방식이다. 다만 속도가 자전거보다 훨씬 빠르기 때문에 브레이크의 용량과 디스크의 두께에서 차이가 난다. 또한 고속에서 제동시 굉장한 열이 발생하는데, 저속 스쿠터 등의 디스크는 발열이 적어 디스크가 그대로 에 장착되지만, 고속에서 작동하는 브레이크는 열이 허브베어링에 전달되지 않도록 대부분 별도의 브라켓을 통해 휠과 연결된다. 브라켓들은 대부분 열 및 변형에 내성을 가진 경량 소재로 제작된다. 물론 디스크의 무게를 줄여주는 효과도 있다. 오토바이는 브레이크 사이즈가 작고, 자동차처럼 진공으로 제동력을 보조받는 것이 아니라 오로지 라이더의 손가락 힘으로만 세워야 하기 때문에 고성능 이륜차에서는 디스크와 캘리퍼를 전륜에 2개를 장착한다. 출력이 작고 무게가 가벼운 스쿠터는 1피스톤짜리로 충분하나, 고성능 모델은 4개 이상의 피스톤을 가진 캘리퍼가 쓰인다. 마스터 실린더의 경우 핸들과 평행하게 배치된 것과 수직으로 배치된 타입으로 나뉜다. 보통 수평형이 보급형이고 수직이 고급형이다. 수직형이 손가락으로 브레이크 답력을 곧바로 느낄 수 있어 컨트롤이 편하다. 튜닝을 할 경우, 일반적으로 적은 비용으로 큰 효과를 볼 수 있는 방법은 유압호스를 고무호스에서 철사 등 질긴 재질로 외피를 감싼 메쉬호스이다. 고무호스는 유압력이 전해질때 팽창하면서 일정량의 손실을 보는 것에 반해, 메쉬호스는 팽창률이 적다. 그 다음으로 효과를 크게 보는 것은 소모품인 브레이크 패드를 고가형으로 바꾸는 것과 마스터 실린더를 대용량으로 바꾸는 것이다. 이 경우 브레이크 오일통, 레버까지 바꾸게 된다. 애프터마켓 제품이 나오는 기종이 많지 않기 때문에 보통 캘리퍼까지는 바꾸지 않는다.[8]

비행기[편집]

비행기에서는 디스크 브레이크를 주요 제동수단 중 하나로 사용한다. 소형비행기의 경우 자동차와 비슷한 방식의 싱글 디스크 브레이크를 사용하는데, 자주 볼 수 있는 민항기 크기가 될 경우 거대한 크기의 다중 디스크 브레이크를 사용한다. 착륙 제동 시에 발열이 엄청난 랜딩기어 브레이크 특성상 열 발산에 유리하도록 로터가 분할된 분할로터 다중 디스크 브레이크 및 브레이크 냉각팬을 사용하기도 한다. 그리고 노즈(트라이시클 방식) 및 테일기어(테일드래거)에 하중이 별로 실리지 않는 비행기의 특성상 브레이크는 메인기어에 장착되어 있다.[8]

간극 자동조정[편집]

캘리퍼 실린더에는 씰 링(seal ring)이 설치되는 그루브(groove)가 가공되어 있다. 씰 링의 내경이 피스톤의 외경보다 약간 작기 때문에 씰 링은 어느 정도 장력이 주어진 상태로 피스톤에 꽉 끼어 있다. 브레이크페달을 밟으면 피스톤은 밖으로 밀려나가게 된다. 이때 씰 링에는 자신의 접촉마찰력과 피스톤의 운동에 의해 탄성 장력이 발생하게 된다. 씰 링에 저장된 이 탄성 장력은 브레이크페달에서 발을 뗄 때, 피스톤을 원래의 위치로 복귀시키는 작용을 한다. 그러나 이 복귀 작용은 브레이크 회로압력이 완전히 소멸되었을 때만 가능하게 된다. 따라서 드럼 브레이크에서는 필요한 잔압이 디스크 브레이크에서는 필요가 없다. 익스팬더 스프링은 패드와 피스톤이 항상 접촉 상태를 유지하도록 하여, 제동할 때는 충격음이 발생되지 않도록 하고, 주행 중에는 패드가 딸그락거리는 소음을 방지한다. 아울러 익스팬더 스프링은 패드를 피스톤에 밀착시킴으로서 회로 압력이 소멸될 때, 피스톤이 원래의 위치로 복귀하는 것을 돕는다. 피스톤이 자신의 초기 위치로 복귀한 다음, 디스크와 패드 사이의 간극을 공극(air gap)이라 한다. 공극은 0.15mm 정도인데, 이 값은 디스크의 허용 런-아웃(run-out) 0.2mm보다 작다. 런-아웃이 공극보다 클 경우에는 디스크와 패드 사이에 약간의 잔류마찰(residual friction)이 발생할 수 있다. 그러나 회로 압력이 완전히 소멸된 상태라면 디스크가 자유롭게 회전하는데 지장이 없다. 그 이유는 디스크 브레이크는 대부분 자기작동작용이 없고, 또 회로 내에 잔압도 존재하지 않기 때문이다.[5]

각주[편집]

  1. 디스크브레이크〉, 《네이버 지식백과》
  2. 브레이크의 역사〉, 《삼성화재 블로그》
  3. CARPRESS, 〈멈춰랏! 디스크 브레이크의 원리〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-21
  4. 도주해, 〈디스크 브레이크 바꾸기 전 개꿀팁〉, 《브런치》, 2018-04-25
  5. 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 디스크 브레이크〉, 《네이버 지식백과》
  6. 6.0 6.1 한국교통안전공단, 〈"달리는 것보다 서는 것이 중요하다" 자동차 브레이크 시스템〉, 《네이버 포스트》, 2020-03-03
  7. 자전거/브레이크〉, 《나무위키》
  8. 8.0 8.1 디스크 브레이크〉, 《나무위키》

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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