[자동차 공학] 브레이크 종류와 특징

브레이크 종류와 특징

브레이크는 차량의 속도를 줄이거나 정지시키기 위한 필수적인 장치입니다. 다양한 종류의 브레이크가 있으며, 각각 고유한 특징과 기능을 가지고 있죠. 주요 브레이크 종류와 작동 방식에 따른 구분, 그리고 특징을 정리해 봤습니다.

1. 작동 구조에 구분

(1) 드럼 브레이크

자동차용 드럼 브레이크는 내부 확장식이 대부분이다. 주요 구성부품은 드럼(drum), 앵커 플레이트(anchor plate), 브레이크 슈(brake shoe), 휠 실린더(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 앵커-플레이트에 설치된다. 그리고 앵커-플레이트는 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.

현재 가장 많이 사용되는 것은 피스톤의 힘으로 슈 2개를 좌우로 확장시켜 드럼을 압착하는 리딩앤드 트레일링(leading and trailing) 타입이다. 제동 시 슈의 일부가 드럼 안으로 파고들 듯이 압착되는 자기 배력 작용이 발생하기 때문에 비교적 적은 답력으로도 커다란 제어력을 얻을 수 있는 특징이 있다. 그러나 방열성이 나쁜 탓에 고속 주행에서의 제동에 취약하며, 이 때문에 뒷바퀴에 사용되고 있다.

(2) 디스크 브레이크

자동차용 브레이크로, 원판 브레이크라고도 한다. 차바퀴와 함께 회전하는 디스크 양면에 패드를 압착한 뒤 마찰을 일으켜 제동력을 얻는다. 밀폐형 드럼 브레이크의 경우, 반복적으로 사용하면 마찰열로 드럼이 팽창되어 작동하지 않는 단점을 보완하기 위한 것이다.

주요 부품은 휠 허브와 함께 회전하는 디스크, 디스크에 밀착되어 마찰력을 일으키는 패드, 유압이 작용하는 휠 실린더, 휠 실린더가 들어 있는 캘리퍼 등으로 이루어진다.

디스크가 공기 중에 노출되어 있으므로 방열성이 우수하여 반복적으로 사용해도 제동력이 떨어지지 않으며, 마찰 계수의 변동에 따른 영향을 적게 받아 제동력이 안정적이다. 또 구조가 간단하여 패드 교환 등 점검·정비가 쉬운 것이 장점이다.
이에 반하여, 패드 면적이 작고 제한되어 있으므로 충분한 제동 효과를 얻기 위해서는 높은 유압이 필요하며, 외부에 노출되어 있어 빗물이나 진흙 등에 오염되기 쉬운 것이 단점이다.

휠과 함께 회전하는 디스크 로터를 양쪽에서 패드를 이용해 제동을 거는 구조다. 물에 강하고 고속 주행에서도 안정된 제동력을 발휘할 수 있기 때문에 현재 브레이크의 주류가 되었다. 예전에는 브레이크 디스크가 보통 솔리드 구조(단순 원반형)였다. 그리고 높은 마력의 자동차나 스포츠형 자동차에 벤틸레이티드 디스크(Ventilated Disk)를 사용했다.

이 벤틸레이티드 디스크는 중앙에 공기가 지나가는 길을 설치해 냉각 성능을 높인 것이 특징이다. 자동차의 성능이 향상되고 안전성에 대한 요구가 높아지면서 지금은 대부분의 자동차에서 벤틸레이티드 디스크를 사용한다.

브레이크 패드를 디스크에 압착시키는 피스톤이 들어 있는 캘리퍼는 부동형과 고정형의 두 종류가 있다. 부동형은 일반 자동차에 가장 많이 쓰인 구조로, 피스톤이 한쪽에만 있으며 피스톤이 패드를 누른 반력으로 캘리퍼가 살짝 미끄러져 반대쪽의 패드도 디스크에 둘려 제동을 한다. 고정형은 양쪽 패드에 각각 피스톤이 배치되어 동시에 패드를 밀어 제동 하는 방식이다. 구조는 복잡하지만 더 높은 제동력을 얻을 수 있기 때문에 고성능 스포츠카나 레이싱카에 사용된다. 또한 피스톤의 수를 늘린 고성능 브레이크도 있다.

2. 힘 전달 방식에 따른 구분

운전자의 페달 조작에 의한 힘이 브레이크 작동 힘으로 전달되는 방식에 따른 브레이크 구분 방법입니다.

(1) 유압 배력식 (Hydraulic Servo Type)

유압 배력식 (Hydraulic Servo Type) - 출처:두산백과 두피디아

파스칼의 원리를 응용한 것이며 운전자의 페달 조작에 의한 힘(Foot Power)을 유압으로 바꾸어 파이프를 통하여 제동장치에 전달하여 제동력을 발생시키는 형식이다.

차량에 사용하기 위한 큰 제동력을 얻기 위해서는 운전자의 답력에는 한계가 있으므로 엔진에서 발생된 흡기부압(진공압 : MAX. 1 Kgf/㎠)또는 압축공기(8~10 Kgf/㎠)를 이용하여 제동력을 크게 한 형식이다.

가. 유압식(Hydraulic) : 유압(브레이크 오일) 방식. 유압식에서는 운전자의 브레이크 페달 조작에 의한 힘이 Oil Tank내의 Oil을 마스터실린더에 의해 Wheel Cylinder까지 전달하여 제동력을 얻게 하는 원리

나. 공기압 배력식 또는 A.O.H (Air over Hydraulic) : 유압과 공기압을 혼용한 혼합식. 기존 유압만으로는 중형 이상 트럭이나 버스에서의 제동력을 만족할 수 없으므로, 유압방식에 공기압을 추가한 형태. 대형, 중형트럭 및 버스는 보다 크고 확실한 제동력이 요구되므로 마스터실린더에 의한 유압만으로는 목적을 달성할 수 없다.

따라서 이경우에는 Wheel Cylinder의 용량을(Piaton경) 크게 하거나 별도의 배력장치가 요구되나 Wheel Cylinder의 용량은 강도 문제상 무작정 키울 수도 없고 Brake의 응답성이 떨어져 차량의 제동법규를 만족할 수 없다.

(2) 공기식 또는 Full Air (풀에어) 방식

공기식 또는 Full Air (풀에어) 방식 - 출처: truckingtruth.com — 공기식 또는 Full Air (풀에어) 방식 - 출처:truckingtruth.com

엔진에서 발생된 동력으로 에어 컴프레셔(Air - Compressor)를 구동시켜 고압의 압축공기(약 8~10 Kgf/㎠)를 만들어 에어 탱크(Air Tank)에 저장하고, 제동시 조정밸브(Control Valve)를 작동시켜 압축공기가 브레이크 챔버(Brake Chamber) 내의 다이아프램(Diaphram)에 압력을 가해 제동 시키는 형식이다.

풀에어 브레이크는 에어 브레이크, 챔버, 슬랙어져스터 등으로 구성되어 있으며 제동을 걸기 우해 브레이크 페달을 밟았을 때 공기압은 릴레이 밸브를 통해 챔버에 공급된다. 챔버는 일정한 공기압으로 슬랙어져스터를 작동시켜 차를 감속하거나 정지하기 위해 브레이크 드럼 내의 브레이크 슈 어셈블리 힘을 작동시켜 제동을 시키게 된다. 브레이크 페달을 놓았을 때 모든 힘은 해제되고 브레이크 슈 어셈블리는 원위치된다.

대형 & 중형트럭 및 버스는 무한정한 대기의 공기를 압축시켜 매체로 사용함으로써 보다 큰 제동력을 얻는다. 압축공기식에서는 유압식과는 달리 압축공기 발생장치인(Compressor)가 필요하고 여기서 발생한 압축공기를 일정 용량 저장했다가 소요에 따라 언제든지 사용할 수 있는 저장탱크(Reservoir Tank)도 필요함.

그리고 압축공기를 발생하는 CompressorCompressor로부터 운전자가 조작하는 운전석 내의Brake Valve를 거쳐 압축공기가 통과하여 제동력이 발생하기까지 제동에 소요되는 모든 보조기구 및부품 & 밸브(Actuator)를 총체적으로 Air Brake System이라 칭함.

항 목	유압식 (Hydraulic)	공기압 배력식 (AOH)	공기압식 (Full Air)
구 조	간 단	복 잡	복 잡
적용 차종	승용, 중. 소형 트럭 (4톤 이하)	중. 대형 버스 및 트럭 (5톤 이상)	대형 버스 및 트럭 (8톤 이상)
가 격	저가 : 에어 컴프레셔 (Air-Compressor) 불요	고가 : 에어 컴프레셔 필요	공기배력식보다 고가 : 에어 컴프레셔 필요
발생제동력	. 낮음 . 부스터 크기 제한됨 . 부스터 유효직경 x 진공압	. 높음 . 휠 실린더 크기 제한됨 . 에어 마스터 유효직경 x 압축공기압	. 높음 - 공기압 배력식보다 높음 . 챔버(Chamber) 크기 선택이 자유로움 . 챔버 유효직경 x 압축공기압
제동효율 (Output / Input)	높음 - 힘의 전달 경로가 단순	중간 - 힘의 전달 경로가 복잡	낮음 - 힘의 전달 경로가 공기압 배력식보다 복잡
관리비	많음 - 브레이크 오일, 고무부품 교환	중간 - 브레이크 오일, 고무부품 교환	적음 - 챔버의 다이아프램(Diaphram)교환
기 타	. 제동 감촉(Feeling)이 부드럽다 . 유압 계통중 한곳이라도 파손되면 브레이크 작용 상실 . 유압 계통에 공기가 유입되면 제동력 저하 . 온도 상승으로 인한 저하가 크다 - 페이퍼 록(Vapor Lock) 현상	. 제동 감촉이 중간이다 . 유압 계통중 한 곳이라도 파손되면 브레이크 작용 상실 . 유압 계통에 공기가 유입되면 제동력 저하 . 온도 상승으로 인한 저하가 크다 - 페이퍼 록 현상 . 연결차(Trailer등)에 사용불가	. 제동 감촉이 나쁘다 . 에어 연결 계통의 미세한 크랙(Crack)에도 제동력 상실은 되지않는다 . 공기의 압축성에 의한 응답 속도가 늦다 . 연속적인 제동을 할 수 없다 - 적정 에어 압력 이상시에만 작동됨 . 연결차에 사용 가능
주차 브레이크	. 승용 : 뒤 상용브레이크 (Rr Service Brake) 사용 . 상용 : 별도의 센터 주차 브레이크(Center Parking Brake) 필요	별도의 센터 주차 브레이크 필요	뒤 상용 브레이크 사용

마치며

각 브레이크 시스템의 종류에 대해 정리해 봤습니다. 브레이크는 차량의 종류, 용도, 무게 등에 따라 적절한 방식을 적용됩니다. 브레이크는 차량의 안전과 직결되는 중요한 부분이기 때문에 정기적인 점검과 적절한 유지 보수가 필수적입니다. 내용 이해에 도움이 되셨으면 좋겠습니다. 감사합니다.