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#안전의 원리

[자동차 브레이크]의
원리 확인하기

본 게시글은 산업안전보건공단 내 월간 안전보건 5월호를 참고하여 작성되었습니다. 

흔히 자동차의 성능을 확인할 때 잘 달리는지를 주로 확인한다고 하죠. 

하지만 이것은 잘못된 생각입니다. 

많은 사고와 위험한 순간에서 가장 중요한 것은 잘 달리는 것 보다 잘 멈추는 것이기 때문이죠. 

자동차를 운전하는 운전자와 함께 동승한 자의 안전을 위해서라도 꼭 필요한 '브레이크'의 원리에 대해 한 번 알아볼까요? 

#브레이크

‘브레이크’는 자동차, 엘리베이터와 같이 운동하고 있는 기계의 속도를 감속하거나 정지시키는 장치를 통틀어 일컫습니다.
자동차 브레이크 역시 달리고 있는 차량의 속도를 줄이거나 정지시키는 기능을 하는 장치를 말하며, 자동차의 고속성에 비추어 매우 중요합니다. 자동차 브레이크는 보통 운전자의 조작력 또는 보조 동력으로 발생한 마찰력을 이용해 자동차의 운동에너지를 열에너지 등으로 바꾸어 마찰력을 이용해 차량을 멈추는 방식으로 작동합니다.

‘운동’과 ‘열’은 브레이크의 성능을 결정하는 중요한 부분으로, 최근에는 브레이크를 통해 버려지는 열에너지를 재활용해 효율을 높이고 있습니다.

#유압식과 기계식 - 브레이크의 작동 원리

브레이크는 ‘지렛대의 원리’와 ‘파스칼의 원리’가 적용되어 움직입니다. 중심에서 더 멀어질수록 더 적은 힘으로 물체를 들 수 있는 지렛대 원리는 브레이크 페달에 적용됩니다.
파스칼의 원리는 밀폐된 공간에서 액체의 한 부분에 압력을 가하면 모든 부분에 동일한 압력이 가해진다는 원리로 브레이크 페달을 밟으면 좁은 표면적의 마크실린더에 지렛대의 원리로 증폭된 압력이 전달되고, 이는 유체를 통해 넓은 표면적 각각의 휠 실린더에서 강력해진 압력으로 작용해 큰 마찰력이 발생되는 것입니다.
자동차 역사에서 지금까지 개발된 브레이크 시스템은 셀 수 없이 많지만 모두 마찰식을 사용한다는 점은 같습니다.

승용차에는 유압식이 많이 사용되고 있습니다. ‘유압 브레이크 시스템’은 브레이크 페달, 마스터 실린더, 브레이크 라인, 캘리퍼 또는 휠 실린더를 포함한 여러 요소로 구성됩니다. 주행 중에 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 마스터 실린더가 작동해 페달의 힘을 유압으로 변환합니다. 이 압력은 브레이크 라인을 통해 각 휠에 위치한 캘리퍼 또는 휠 실린더로 전달되고, 브레이크 패드나 브레이크 슈, 브레이크 라이닝 등과 같은 마찰재가 엔진이나 전기 모터의 구동력을 노면으로 전달하는 바퀴에 장착되어 함께 회전하는 디스크 로터나 브레이크 드럼의 회전력을 감소시킵니다.

유압 브레이크 외에도 기계적 링크를 사용해 브레이크 페달에서 브레이크로 힘을 전달하는 ‘기계식 브레이크’와 전기 신호를 사용하는 ‘전자식 브레이크’가 있습니다.

‘기계식 브레이크 시스템’에서 브레이크 페달은 레버 또는 로드에 연결되어 페달에서 브레이크로 힘을 전달합니다. 레버 또는 로드를 브레이크에 직접 연결하거나 푸시로드 또는 피벗 암과 같은 일련의 중간 구성 요소를 사용해 힘을 전달할 수 있습니다. ‘전자식 브레이크 시스템’은 차량에 브레이크 컨트롤러를 설치하고, 브레이크 페달과 전기 액추에이터에 연결합니다. 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 컨트롤러가 전기적인 신호의 변화를 이용해 물리적인 상태를 바꿔주는 장치인 액추에이터(actuator)로 전기 신호를 보내 브레이크를 작동시키는 것입니다.

#브레이크의 특징들

브레이크에서 가장 일반적인 것은 바퀴와 함께 회전하는 드럼의 안쪽에서 슈가 휠 실린더에 의해 드럼에 압착되어, 마찰을 일으켜 브레이크 기능을 하도록 하는 ‘드럼 브레이크(Drum brake)’입니다. 높은 제동 계수와 주차 브레이크 장착의 용이성, 저렴한 가격 등이 드럼 브레이크의 장점이 있습니다. 하지만 이 형식의 브레이크를 여러 번 반복 사용하면 마찰열 때문에 드럼이 팽창해 나중에 작용하지 않게 됩니다.

이러한 결함을 없애기 위해 고안된 것이 ‘디스크 브레이크(Disc brake)’입니다.
‘디스크 브레이크’는 바퀴와 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 패드로 압착하여 마찰을 일으키게 되어 있습니다. 디스크가 공기 속에서 회전하여 열을 발산하므로 여러 번 사용해도 기능이 낮아지지 않습니다. 그러나 주차 브레이크의 기능이 약하기 때문에 중요한 앞 바퀴만을 디스크로 하고, 뒷바퀴는 드럼으로 한 차가 많습니다. 디스크 브레이크는 처음에는 경주용 자동차에 사용되었으나, 오늘날에는 승용차에 널리 보급되고 있습니다.

‘엔진 브레이크’는 주행 중 액셀러레이터 페달을 놓았을 때, 엔진과 변속기에 의해 작동되는 브레이크로, 기관제동이라고도 합니다. 엔진에 연료가 공급되지 않기 때문에 엔진 저항에 의해 발생하는 제동 작용입니다.

이외에도 회생제동 브레이크, 배기 브레이크 등이 있습니다.

#안전을 위한 브레이크 사용 TIP! 

1. 브레이크 패드 정기 점검 

브레이크 패드는 브레이크 캘리퍼 안에 있는 마찰재로 브레이크 디스크와 직접 접촉해 회전을 제어하고 차량을 멈춘다. 브레이크 패드가 너무 얇게 마모되면 적절한 제동 성능을 제공하지 못할 수 있다. 브레이크 패드는 육안으로 확인이 가능하며, 휠 안쪽을 사진으로 찍으면 쉽게 패드의 상황을 확인할 수 있다. 대체로 3년 또는 4만 km에서 패드를 교체하는데, 운전 습관에 따라 주기는 달라질 수 있다. 

2. 브레이크액 점검과 청소

브레이크액이 오염되거나 레벨이 너무 낮을 경우 브레이크 성능에 영향을 미쳐 시스템이 손상될 수 있다. 또한 브레이크에 쌓인 먼지와 이물질도 브레이크 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 정기적으로 브레이크액을 점검하고 브레이크를 청소해야 한다.

3. 안전 운전

급제동, 급가속 등의 주행 동작은 브레이크 시스템에 과도한 부하가 걸려 마모 및 손상을 초래할 수 있다. 가능한 한 부드럽게 가속하고 감속하는 운전 습관을 기르는 것이 좋다.