제동장치(브레이크)

[연료와윤활]

자동차에 일반적으로 쓰이는 마찰 브레이크로는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크가 있다. 브레이크를 작동시키기 위한 유압은 마스터 실린더에서 만들어진다. 드럼 브레이크는 드럼 안쪽 벽에 라이닝을 마찰시키는 방식이고, 디스크 브레이크는 디스크 바깥쪽에 패드를 마찰시켜 바퀴를 멈추게 한다 글·류청희 기자

마스터 실린더(오른쪽 가운데)와 브레이크 부스터(가운데 검은 원통). 왼쪽 끝에 브레이크 페달이 연결된다

드럼 브레이크의 겉모습

드럼 브레이크의 내부. 휠 실린더로 오일 압이 전해지면 아래의 지지점을 중심으로 양쪽 슈가 드럼쪽으로 밀려 라이닝과 드럼이 마찰된다

벤틸레이티드 디스크 브레이크의 모습. 원판 가운데에 냉각용 구멍이 뚫려있는 것을 볼 수 있다

부동식 디스크 브레이크의 단면. 오일 압이 피스톤을 밀면 캘리퍼가 피스톤과 반대방향으로 움직여 양쪽 패드가 함께 디스크에 닿는다

디스크 브레이크의 마찰재인 브레이크 패드

브레이크의 기능과 원리
브레이크(brake)는 제동장치(制動裝置)를 가리키는 말로, 물체의 운동을 줄이거나 정지하도록 하는 장치다. 또한 물체의 정지상태를 유지하는 기능도 한다. 운동 에너지를 제한한다는 뜻에서 제동장치라고 하며, 제동장치와 관련된 일련의 구조와 부품들을 가리켜 제동계통이라고 한다.
자동차에는 일반적으로 바퀴 회전축에 마찰력을 가하는 방식의 마찰 브레이크가 쓰인다. 현재 자동차에 가장 많이 쓰이는 브레이크로는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크가 있다. 이들 브레이크는 회전축에 붙어있는 드럼 또는 디스크에 마찰재(패드 또는 라이닝)를 달라붙도록 해, 이때 생기는 마찰력으로 회전력을 줄이는 원리로 작동한다.
초기의 브레이크는 봉(rod) 또는 케이블에 연결된 레버로 조작하는 기계식이었다. 그러나 1930년대 중반 유압식 브레이크가 개발된 이후 발전을 거듭해 현재 자동차용 브레이크는 대부분 브레이크 페달을 밟으면 유압이 브레이크로 전달되는 방식이다.

마스터 실린더
마스터 실린더(master cylinder)는 브레이크 액을 담아두면서 제동에 필요한 유압을 만드는 역할을 하는 장치다. 마스터 실린더 위에는 브레이크 액 탱크(리저버 탱크)가 연결되어 있고, 브레이크 페달과 연결된 피스톤이 마스터 실린더 안에 차 있는 브레이크 액을 밀면 압력이 생겨 브레이크가 작동한다. 그러나 이렇게 생기는 압력만으로는 충분한 제동력을 얻을 수 없기 때문에, 마스터 실린더 뒤에는 압력을 높여주는 브레이크 부스터(brake booster, 마스터 백이라고도 함)가 달려 있다.
제동계통은 일반적으로 안전을 위해 2계통으로 되어 있다. 한쪽 계통의 브레이크가 작동하지 않아도 다른 쪽 계통으로 제동이 가능하도록 만들어 놓은 것이다. 이런 2계통식 브레이크는 마스터 실린더도 이중으로 되어 있다.

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 한다.
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 움직인다. 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 자리잡은 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 제동효과를 얻을 수 있다. 이 방식은 제동력이 아주 뛰어난 것은 아니지만, 구조가 간단하고 값이 비교적 저렴하기 때문에 널리 쓰이고 있다.
드럼 브레이크는 회전방향으로 제동력이 가해지기 때문에 제동효과가 뛰어나다. 그러나 강한 제동이나 오랜 시간동안 제동이 계속 되어 드럼이 가열되면 제동효과가 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 청소해주어야 하는 번거로움이 있다. 이런 단점들을 보완하도록 만들어진 것이 디스크 브레이크다.
페이드 현상 등 여러 단점들 때문에 최근에는 승용차용 앞바퀴에는 드럼 브레이크가 쓰이지 않는다. 그러나 큰 제동력을 필요로 하는 트럭이나 버스 등에는 아직도 앞바퀴에 드럼 브레이크가 쓰이고 있다.

디스크 브레이크
디스크 브레이크(disc 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 브레이크다. 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 들어있는 피스톤을 누르고, 피스톤 끝에 달린 패드가 디스크 쪽으로 밀려 닿는다. 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(浮動式, 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 한 쪽에만 피스톤이 달려 있고, 피스톤 반대편의 패드는 캘리퍼에 물려 있다. 브레이크 페달을 밟으면 유압이 피스톤을 누르고, 이와 함께 피스톤이 움직이는 반대방향으로 캘리퍼를 민다. 결국 캘리퍼에 연결된 반대쪽 패드는 피스톤이 누르는 패드와 반대방향으로 움직여 디스크에 함께 마찰된다. 이 방식은 구조가 훨씬 간단하면서도 제동효과는 고정식과 비슷해 널리 쓰이고 있다.
디스크 브레이크 중에는 냉각효과를 높이기 위해 두 장의 디스크 사이에 회전축을 중심으로 비스듬히 뻗은 칸막이를 둔 형태의 디스크를 쓰는 것도 있다. 이런 방식의 브레이크를 벤틸레이티드 디스크 브레이크(ventilated disc brake) 즉 V디스크라고 한다. 최근에는 소형급 이상 승용차의 앞 브레이크로 널리 쓰이고 있으며, 고성능 및 대형 승용차의 뒷바퀴에 쓰이기도 한다. 또한 냉각효과를 더욱 높이기 위해 디스크에 방열용 구멍을 뚫은 것도 있다.
디스크 브레이크도 습기나 기름기, 진흙 등 이물질이 디스크와 패드 사이에 끼면 제동효과가 떨어지는 단점이 있다.

[마도로스]

또 질문입니다. 이젠 슬 슬 귀찮아 하실때도 되셨는데 죄송하구요. 제가 가입한 동호회에 의하면 많은 회원들이 무쏘의 브레이크가 심하게 밀린다며 하이드로백을 카이런 것이나 렉스톤 것으로 교체하는 분들이 많더라구요. 이걸 해야 될까요? 저는 마구 차를 몰거나 마구 끼어들거나 하질 않아 그리 불편을 모르겠더라구요. 어떨때는 갑자기 서야 할때가 있었는데 많이 밀리더라구요. 생소한 질문 같으면 무시하셔도 괸찮습니다.

[연료와윤활]

아닙니다...제가 아는 선에서는 답변해 드릴 수 있습니다. 브레이크가 심하게 밀리는 이유는, 말씀하신 것처럼 하이드로백의 서보 작용이 부족하거나, 브레이크나 라이닝의 문제거나,타이어의 문제입니다. 이 3가지중에 어느 하나겠군요. 따라서 반드시 하이드로백을 업그레이드한다고 해서 원하는 결과를 얻는다는 보장은 없습니다. 하지만 원래부터 브레이크의 서보작용이 부족한 차량이 있을 수 있으므로, 하이드로백을 성능이 더 높은 것으로 교체하신다면 효과는 볼 것입니다. 참고로 하이드로백말고도 진공펌프라고 있는데, 그것의 성능이 낮아 발생하는 증상일 수도 있습니다.

[마도로스]

답변해 주셔서 대단히 감사합니다. 많은 도움이 되었습니다.ㄳㄳㄳㄳ