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한주가 멀다하고 내리는 눈과 전국을 강타한 강추위가 지속되고 있는 가운데

타이어가 눈길에 미끄러져 브레이크를 사용할 수 없게 되어 사고가 속출하고 있습니다.

이런 상황일수록 안전운전을 위해 중요성이 커지는 부분이 바로 브레이크.

오늘은 브레이크의 작동 원리에 대해 알아보겠습니다.

브레이크의 기본 원리 : 운동에너지를 열 에너지로

브레이크가 없는 자전거를 탈 때 자전거를 세울려면 어떻게 해야 할까요?

방법은 두가지가 있습니다.

진행 방향과 반대되는 방향으로 힘을 가하거나,

발을 땅에 대어 자전거에 걸린 힘을 빼는 것이죠.

진행 방향과 반대되는 방향으로 힘을 가하는 방법은

브레이크가 없는 픽스드 기어 자전거(픽시 : 후륜 기어가 고정된 자전거)나

공중에 떠 있는 비행기(주로 전투기)가 급격히 정지를 하기 위해 역추진을 하는 등

특수한 상황에서만 사용됩니다.

제동을 위해 상당한 에너지가 소모되고, 제어하기가 까다롭기 때문이죠.

자동차는 언제나 땅에 붙어 있는 물건이므로, 이런 특수한 방법을 쓸 필요가 없죠.

위에서 설명한 자전거를 세울 때 땅에 발을 대는 동작은

자전거에 실린 에너지를 외부로 발산하는 것이라고 볼 수 있습니다.

그러나 이 방법은 자전거 등의 가벼운 물체는 세울 수 있을지언정

자동차와 같은 큰 운동 에너지를 가진 물체는 세울 수가 없죠.

그렇다면 가장 효과적으로 운동 에너지를 발산할 수 있는 방법은 어떤 것일까요?

바로 "열 에너지"로 전환하는 방법입니다.

물질이 마찰을 할 때 에너지는 열로 바뀌고, 그만큼의 운동 에너지가 감소합니다.

이것은 아주 제어하기 쉽고, 다른 에너지가 필요하지 않습니다.

브레이크는 기본적으로 로터(디스크,드럼)와 마찰재(패드)의 마찰력으로 작동합니다.

그러나 궁극적으로 보면 타이어와 지면의 마찰력(접지력)을 넘어서는 힘으로는 마찰시킬 수 없기 때문에

브레이크의 힘은 타이어의 성능에도 좌우된다고 볼 수 있습니다.

약한 힘을 강한 힘으로 : 지렛대의 원리

마찰력을 발생시키면 운동에너지가 열 에너지로 전환되어 설 수 있다는 것을 알았습니다.

그런데 이것을 손이나 발로 직접 누른다고 해서 과연 자동차가 설까요?

순수한 사람의 힘 정도로는 자동차가 가진

거대한 운동 에너지를 감당할 만큼 큰 마찰력을 만들어 낼 수 없습니다.

초기의 브레이크는 이러한 문제를 해결하기 위해

큰 지렛대를 달아 마찰재를 강력하게 누를 수 있도록 만들었습니다.

그러나 지렛대를 달아 누르는 힘을 키울 수는 있었지만

원하는 만큼의 힘을 내려면 지렛대가 그만큼 길어져야 하고,

브레이크를 동작시키기 위해 상당히 긴 레버를 움직여야 했습니다.

급박한 상황에서는 효과적으로 제어하기가 어려웠죠.

더 효과적인 힘 전달을 위해 : 파스칼의 원리

지렛대만을 이용하는 기계식 브레이크에는 만들 수 있는 힘에 한계가 있습니다.

그래서 등장한 것이 바로 유압식 브레이크.

유압식 브레이크는 기계식보다 더 효과적인 힘 전달을 위해 "파스칼의 원리"를 이용합니다.

파스칼의 원리는 유체 내부에 전달되는 에너지에 대한 법칙입니다.

“액체를 용기속에 밀폐하고 그 일부에 압력을 가했을 때,
액체를 점성(粘性)이나 압축성을 무시한 완전 액체라고 가정하면,
압력은 모든 부분에 그대로 전달된다.”
(출처 : 네이버 기계공학용어사전)

여기서 중요한 것은 "압력은 모든 부분에 그대로 전달된다" 는 점입니다.

특정 부분에 힘을 가하면 그 힘과 같은 압력이 모든 표면에 고르게 가해진다는 것이죠.

유압 장치의 원리를 설명하는 그림

위의 그림을 보시면 F1을 누르는 힘의 크기(추의 크기)는

F2의 절반이지만 F1과 F2가 평형을 이루고 있습니다.

A1의 면적이 A2의 절반이기 때문에 전체적으로 걸리는 힘의 크기는 동일하기 때문입니다.

유압식 브레이크는 이러한 원리를 그대로 이용하여,

좁은 표면적을 가진 부분(마스터 실린더)을 통해 

넒은 표면적을 가진 부분(캘리퍼)으로 힘을 전달함으로서

브레이크 패드를 누르는 발의 힘을 몇 배 이상의 힘으로 증폭해 줍니다.

작은 힘을 큰 힘으로 : 배력장치(brake booster)

- 진공배력장치(vacumm servo)

지렛대(브레이크 페달)와 유압 장치를 통해 브레이크 패드를 누르는 힘을 몇십배로 늘렸지만,

브레이크를 동작시키는 데에는 여전히 많은 힘이 필요합니다.

게다가 차체가 큰 트럭은 같은 속도로 움직이더라도 더 많은 운동에너지를 가지고 있기 때문에

아무리 유압으로 증폭시킨다고 하더라도 사람의 힘에는 한계가 있습니다.

1927년, 벨기에인 알베르트 드방드레(Albert Dewandre)는 

"드방드레"라는 브레이크 보조 장치를 개발합니다.

이 장치는 엔진의 흡기 매니폴드에서 발생하는 음압(빨아들이는 힘)을 저장해 두었다가

브레이크 페달을 밟을때 이 힘을 이용해 더 강력한 힘을 전달하는 장치입니다.

진공배력장치의 구조

진공배력장치라고 부르는 이 시스템의 장점은

엔진에서 자연히 발생하는 압력을 이용한 방법이기에 구조가 간단하고

브레이크 페달 터치가 부드러워 대부분의 승용차에 적합한 방식입니다.

- 공기압 배력장치 (full air type)

진공배력식은 구조가 간단하다는 장점이 있지만,

일정 압력 이상의 힘을 만들 수 없기 때문에 대형 버스나 트럭에서는 사용할 수 없습니다.

이것을 해결하기 위해 사용되는 방식이 공기압 배력장치인데

진공배력장치와 반대로 압축된 공기를 미리 준비해 놓았다가

브레이크를 밟음과 동시에 압축공기를 불어넣어 더 강력한 제동력을 만들어냅니다.

하지만 공기를 압축하기 위해 에어 컴프레셔 등 고가의 부품이 필요하고

구조가 복잡해지기 때문에 일반 차량에 적용되는 경우는 거의 없습니다.

공기압을 이용하는 브레이크 중에서는 유압을 일체 사용하지 않는

완전 공기압식도 있는데 이것은 에어브레이크로 구분합니다.

효율적인 마찰을 위해 : 브레이크 로터

- 드럼 브레이크 : 셀프 서보 효과

차륜을 직접 마찰시켰던 초기 브레이크의 너무나도 떨어지는 성능을 

보완하기 위해 등장한 것이 바로 드럼 브레이크입니다.

회전하는 통 속에 있는 마찰재를 통 바깥쪽으로 밀어내어 안쪽에서 마찰시키는 방식입니다.

디스크 브레이크가 널리 사용되면서 "드럼 브레이크"라고 하면

"성능이 나쁘고 응답력이 좋지 않은 브레이크"라고만 생각하는 경향이 있습니다.

하지만 아직도 대형 트럭 등 큰 제동력이 필요한 차량은 드럼 브레이크를 사용합니다.

그 이유는 바로 드럼 브레이크에 "셀프 서보 효과" 라는 것이 있기 때문입니다.

셀프 서보 효과는 작은 힘을 가해도 큰 제동력이 가해지는 드럼브레이크만의 특징인데

지우개 따위를 비스듬히 잡고 종이에 대고 앞뒤로 밀어 보면

앞으로 움직일 때가 뒤로 움직일 때보다 힘이 많이 들어간다는 느낌이 들 것입니다.

이것은 지우개가 만드는 마찰력이 지우개 끝에 지면으로 파고드는 힘을 만들어내기 때문입니다.

셀프 서보 효과는 한쪽 방향으로만 효과가 있기 때문에

언덕을 올라가다가 멈추면 뒤로 밀릴 수가 있습니다.

자동차용 드럼 브레이크에서는 이것을 해결하기 위해

트레일링 슈를 앞뒤로 두개 배치하여 뒤로 밀리는 것을 방지하고 있습니다.

- 디스크 브레이크 : 빠른 열배출

드럼 브레이크는 제동력이 좋지만 그 폐쇄적인 구조로 인하여

열배출이 잘 되지 않는다는 단점이 있습니다.

유압식 브레이크 시스템에서 과열은 베이퍼 락의 원인이 되며,

브레이크 패드의 과열은 페이드의 원인이 됩니다.

따라서 기존보다 더 열배출이 용이한 방식의 브레이크를 개발할 필요가 있었는데,

이런 필요성에 따라 등장한 것이 디스크 브레이크입니다.

디스크 브레이크는 공기중에 그대로 노출된 디스크를

디스크 좌우에 배치된 브레이크 패드를 이용해 마찰시켜 제동력을 만들어냅니다.

공기중에 노출되어 있는 만큼 드럼 브레이크에 비해 빠르게 열을 배출할 수 있고,

과열시 팽창하여 제동력이 줄어드는 드럼브레이크에 비해

팽창시에도 안정된 브레이크 성능을 보여준다는 것이 장점입니다.

디스크브레이크는 원래 레이스카 등 한계 상황까지 브레이크를 사용하는 일부 차량에만 적용되었으나

기술의 발전으로 디스크 브레이크로도 드럼 브레이크 이상의 제동력을 실현함에 따라

최근에는 대부분의 승용차에 디스크 브레이크가 사용되고 있습니다.

이미지 출처 : 위키피디아