자동차, 브레이크(Brake)의 원리

 

브레이크 시스템의 의미와 성능 요소

 차량이 이동수단으로써 역할을 할 수 있게 하는 가장 중요한 시스템 중 하나는 브레이크 시스템입니다. 브레이크 시스템은 주행 중인 자동차에 제동력을 발생시킬 수 있도록 합니다. 자동차의 운동에너지를 브레이크가 열에너지로 변환하여 제동력을 발생시킵니다. 따라서 디스크가 얼마나 높은 온도에서 충분히 제동력을 발휘할 수 있고 시스템이 얼마나 빠르게 발생된 열을 냉각시키는가 에 따라 브레이크의 성능이 좋다고 말할 수 있습니다. 흔히 디스크 브레이크 시스템이 드럼 브레이크 시스템보다 좋은 성능을 가지고 있다는 말도 위 설명에서 비롯됩니다. 디스크 브레이크는 디스크 로터가 외부에 노출돼 있어 방열성이 뛰어난 반면에 드럼 브레이크는 상대적으로 밀폐돼 있는 시스템이기 때문에 열에 취약할 수 있습니다.

 

 또, 브레이크에서 중요한 것은 브레이크 페달을 밟는 답력에 따라 브레이크가 운전자의 기대에 따라 작동하는 것입니다. 당연한 이야기일 수 있지만, 운전자의 답력에 따라 제동력이 자연스럽지 않다면 결코 편안한 주행이 될 수가 없고, 안전에도 큰 영향을 끼칩니다. 그렇기 때문에 차량의 용도에 따라 답력에 따른 제동력이 각각 다르며 몇몇 차량은 차량 내부시스템에서 답력에 따른 제동력을 운전자의 선호대로 조절할 수 있기도 합니다.

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브레이크의 메커니즘(Brake's Mechanism)과 주의

 먼저 브레이크 페달을 밟으면 어떻게 캘리퍼에 제동력이 가해지는지 일반적인 시스템을 기준으로 알아보겠습니다. 제동력을 생성하기 위해선 페달을 밟을 때 충분한 힘이 필요합니다. 이에 내연기관 자동차의 기준으로 브레이크 부스터(Brake Booster)라는 장치가 필요합니다. 브레이크를 밟을 때 브레이크 부스터에서 엔진이 공기를 빨아들일 때 생기는 힘을 운전자의 답력과 같이 작용하여 마스터 실린더에 큰 힘을 전달합니다. 마스터 실린더는 각 브레이크 회로에 압력을 분배하여 형성하여 캘리퍼에 장착된  브레이크 패드에 압력이 전달되게 하여 브레이크를 작동시킵니다.

 

 이 과정에서 브레이크액이 과열되어 브레이크 액에서 기포가 발생할 수가 있습니다. 기포가 발생하면 브레이크 회로 내에 브레이크 액과 기포가 섞여서 제동력이 약해지는데 이것을 베이퍼 락(Vapor Lock)이라고 합니다. 또, 브레이크가 심하게 과열되면 브레이크 패드 표면이 열분해 되는 현상이 발생할 수 있는데, 이때 제동력이 약해지거나 작동하지 않는 현상을 페이드(Fade) 현상이라고 합니다.

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ABS의 원리 (Anti-lock Brake System)

 대부분의 자동차는 ABS라는 제동 장치 시스템이 있습니다. ABS는 Anti-lock Brake System의 줄임말로 운전자가 급제동 시 타이어가 잠겨 스티어링 휠 조작이 불가능한 상태로 진입하는 것을 막기 위한 시스템입니다. 또, 굴러가는 타이어가 잠기지 않을 정도로 제동거리를 짧게 하는 효과도 가지고 있습니다. 이론적으로 급제동을 하지 않고 페달을 여러 번 나누어 밟어 짧은 거리에서 자동차를 정지시킬 수 있지만, 사고를 회피하기 위해 인간은 당황한 상태로 브레이크 페달을 강하게 밟게 됩니다. 이런 상황에 대비하여 ABS가 만들어진 것입니다.

 

 그렇다면 ABS가 어떻게 위와 같은 효과를 가지는지 알아보겠습니다. 일반적으로 브레이크가 작동되었을 때 타이어에서 슬립률(미끄러지는 정도)이 10 ~ 15% 일 때 노면과의 마찰력이 최대가 되어 차량을 빠르게 멈출 수 있게 합니다. 하지만 그 이상 제동력이 가해지면 슬립률이 올라가면서 마찰력이 줄어들게 되고, 타이어 Lock현상도 동반하게 됩니다.

 

 ABS는 이런 특성을 이용하여 자동차를 안전하게 정지시키고자 만든 시스템입니다. 이 시스템은 휠 속도 센서를 자동차 컴퓨터에 전달하여 브레이크를 해제시키도록 만들어 브레이크가 단 시간에 여러 번 작동과 미작동 상태를 할 수 있게 만듭니다. 따라서 위와 같이 타이어가 Lock 되는 현상을 방지하고, 짧은 거리에서 자동차가 정지되게 만들 수 있는 조건을 만들 수 있습니다. 이때 ABS가 작동하는 것을 운전자가 알 수 있게끔 브레이크의 진동을 발생시키는 킥백(Kick Back) 현상도 동반하게 됩니다.

 

 주의할 점은 ABS로 인해 브레이크 성능이 올라가는 것은 아닙니다. 현재 타이어의 상태와 노면 상태에서 급 제동 시 가장 최단 거리와 효과적으로 멈출 수 있게 돕는 시스템이기 때문에 ABS를 믿고 눈길이나 빗길에서 위험한 주행을 하면 사고가 날 수 있습니다.

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안전 운전에 관하여

자동차의 브레이크의 원리도 중요하지만 도로에서 가장 중요한 것은 안전 운전을 하여 급 제동 할 일을 없게 만드는 것이라고 생각합니다. 빗길이나 눈길에 항상 안전 운전하시는 독자 여러분들 되시길 바랍니다.

 

감사합니다.