자동차 제동장치(브레이크) 종류와 원리

 

자동차의 제동 시스템은 운동 에너지를 열에너지로 변환하여 속도를 줄이거나 정지 상태를 유지하는 안전의 핵심 장치다. 오늘날 가장 널리 사용되는 마찰식 유압 브레이크를 중심으로 그 구조와 원리를 정리해보겠다.

제동 시스템의 분류

• 주 브레이크(Foot Brake): 주행 중 감속 및 정지를 위해 운전자가 발로 조작하는 메인 시스템. 주로 유압식을 사용한다.
• 주차 브레이크(Parking Brake): 정지 상태 유지를 목적으로 하며, 수동(핸드/사이드) 또는 전자식(EPB)으로 조작한다. 비상시 보조 브레이크 역할을 겸하기도 한다.

일반적으로 주 브레이크는 유압식, 주차 브레이크의 경우 기계식 브레이크를 사용한다. 

유압식 브레이크의 핵심 구성 요소 및 원리

운전자가 브레이크 페달에 작용하는 작은 힘을 큰 제동력으로 바꾸기 위해 다음과 같은 장치들이 유기적으로 작동한다.

• 브레이크 진공 배력 장치(Brake Booster): 엔진의 진공과 대기압의 차이를 이용해 운전자가 페달을 밟는 힘을 증폭시킨다.
• 마스터 실린더(Master Cylinder): 증폭된 기계적 힘을 유압(유체 압력)으로 변환하여 각 바퀴로 전달한다.
• 브레이크 오일 라인: 생성된 유압을 실제 제동이 일어나는 휠 실린더나 캘리퍼로 보낸다.

그 중 핵심적인 장치가 브레이크 진공 배력 장치 또는 브레이크 부스터라고 불리는 장치다. 브레이크 진공 배력 장치는 엔진의 흡기 매니폴드나 진공 펌프를 이용하여 만든 진공과 대기압 간의 차이를 통해 브레이크 페달을 밟을 때 마스터 실린더에 가해지는 힘을 배력시키는 장치다. 쉽게 말해 운전자가 밟는 브레이크 힘을 증폭시켜준다.

마스터 실린더는 이렇게 증폭된 힘을 드럼 브레이크나 디스크 브레이크와 같은 장치에 전달할 수 있도록 보완된 유압 생성 장치를 말하며 힘을 유체 압력으로 변환시킨다.

파스칼의 원리

유압식 브레이크에서 파스칼의 원리를 이용해 작은 힘으로 무거운 물체를 제어한다.
파스칼의 원리에서 (피스톤을 누르는 힘/피스톤 단면적=압력) 이기에 좁은 면적에 힘을 가해 넓은 면적(브레이크)에 강한 힘을 줄 수 있다. 

이렇게 형성된 브레이크 유압이 드럼 브레이크나 디스크 브레이크의 휠 실린더로 전달되어 브레이크를 작동시키게 된다. 다음으로 드럼 브레이크와 디스크 브레이크의 작동 원리에 대해 알아보겠다. 

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드럼 브레이크 (Drum Brake)

드럼 브레이크는 회전하는 휠과 함께 회전하는 드럼 안쪽에서 브레이크 슈를 바깥으로 밀어 밀착시키는 방식이다.

드럼 브레이크 시스템은 오늘날 현대적인 자동차에 장착된 브레이크 시스템의 시초로 1900년대 마이바흐에 최초로 적용된 브레이크 시스템이 드럼 브레이크였습니다. 회전축에 부착된 원통형 드럼의 안쪽에 브레이크 슈를 마찰시키는 방식의 드럼 브레이크는 흙이나 먼지 등의 이물질이 브레이크 시스템에 영향을 끼치지 않으므로 안정적인 제동력을 발휘할 수 있습니다. 드럼 브레이크는 1930년대가 되면서 기존의 레버나 케이블을 통해 작동되는 방식에서 유압을 이용하는 유압식 브레이크 시스템으로 발전했습니다.

드럼 브레이크 구성

드럼 브레이크의 경우 그림과 같이 브레이크, 드럼 브레이크 슈, 휠 실린더, 리턴 스프링, 앵커 플레이트 등으로 구성되어 있다. 

• 브레이크 드럼은 구동축에 설치되어 휠과 함께 회전하며 마찰력을 발생시키는 부품입니다.
• 브레이크 슈는 반원형의 부품으로 브레이크 라이닝이라고 하는 마찰력을 발생시키는 마찰재가 붙어 있습니다.
• 휠 실린더는 마스터 실린더에서 발생된 유압을 전달하여 브레이크 슈를 바깥쪽으로 밀어주는 힘으로 변환하는 역할을 하는 부품을 말하는데요. 리턴 스프링 및 브레이크 슈 등과 함께 앵커 플레이트의 일체형으로 장착되어 있습니다.

즉 드럼 브레이크는 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 진공 배력 장치와 마스터 실린더로부터의 유압을 휠 실린더로 전달하고, 휠 실린더가 유압을 통해 브레이크 슈를 바깥쪽으로 밀어내면 브레이크 슈에 장착되어 있는 라이닝이 휠과 함께 회전하고 있는 브레이크 드럼과 마찰을 일으켜 차량을 제동시키게 된다. 제동 후에는 리턴 스프링이 브레이크를 복귀시키는 역할을 한다.

 

드럼 브레이크 특징

자가 작용

드럼 브레이크의 가장 큰 특징은 자가 작용이다.

드럼 브레이크를 작동시키면 브레이크 드럼의 회전 방향으로 작용하는 브레이크 슈에는 마찰력에 의해 드럼과 함께 회전하는 방향으로 회전 토크가 발생한다. 따라서 브레이크 슈를 바깥쪽으로 더 밀어내는 현상이 발생하게 된다. 이에 따라 브레이크 줄을 바깥쪽으로 밀어내는 확장력이 증대되면 다시 이로 인해 마찰력이 증대되므로 휠 실린더에서 적용된 유압보다 큰 마찰력이 발생한다. 이러한 현상을 자가 작용이라고 하며, 드럼 브레이크의 경우 자가 작용에 의해 적은 힘으로도 큰 브레이크 힘을 만들 수 있는 즉 높은 브레이크 계수를 가지고 있다.

이때 이러한 자가 작용을 일으킬 수 있는 방향의 브레이크 슈를 리딩 슈라고 부릅니다. 반면 반대 방향의 브레이크 슈는 마찰력에 의해 브레이크 슈를 안쪽으로 밀어내며 브레이크 드럼으로부터 분리하려는 힘이 작용하므로 마찰력이 감소하게 되며 이러한 슈를 트레일링 슈라고 부른다.

이러한 드럼 브레이크는 브레이크 슈 라이닝의 마모가 진행됨에 따라 라이닝과 드럼 간의 간극이 커지게 되어 브레이크 페달의 유격이 발생하므로 이를 조정할 수 있는 수동 또는 자동식 공극 조정 기구가 브레이크에 장착되어 있다. 일반적으로 주차 브레이크를 사용할 때 자동적으로 공극이 조정되는 방식이 널리 활용된다. 주차 브레이크의 경우 주차 브레이크 레버를 통해 드럼 브레이크 슛을 유압이 아닌 기계적으로 고정시켜 유압 시스템과는 독립적으로 주차 브레이크 기능을 수행하도록 설계하고 있다.

페이드 현상

드럼 브레이크의 경우 페이드 현상으로 인한 마찰력 저하가 생길 수 있다.

차량이 긴 언덕길을 내려가거나 반복적으로 브레이크를 사용하게 되면 브레이크 드럼과 브레이크 슈 사이의 마찰열로 인하여 온도가 상승한다. 이러한 마찰열로 인해 제동력이 감소되는 현상 브레이크 페이드라고 한다.

온도가 상승하면 드럼과 브레이크 쇼의 라이닝 간의 마찰 개수가 감소하고 브레이크 드럼이 변형되어 드럼의 내경이 커지게 된다. 따라서 이러한 경우 브레이크가 밀리거나 차량이 제동되지 않는 현상이 생길 수 있기 때문에 매우 위험하다. 이에 따라 브레이크 드럼의 경우 마찰 계수가 높고 우수한 방열성을 필요로 하기 때문에 고온에서 내마모성 및 충분한 기계적 강성을 갖춘 특수 주철 경합금 등을 사용하고 있다. 브레이크 라이닝의 경우에도 마찬가지로 내열성과 내마모성이 우수해야 하고 고온에서 마찰 계수의 변화가 적어야 한다는 조건을 가지고 있다.

하지만 오늘날 자동차의 속도는 높아지고 무게는 증가하면서 밀폐된 구조의 드럼 브레이크의 경우 충분히 열을 배출하지 못하여 가열된 브레이크 드럼이 팽창하고 브레이크 슈의 마찰력이 떨어지거나 휠 실린더의 브레이크액이 끌어올라 배달의 제동력이 감소하는 현상이 생기게 되었다. 따라서 최근에는 드럼 브레이크가 속도가 느린 트럭이나 무게가 가벼운 소형차의 뒷바퀴 제동용으로 제한적으로 사용되고 있다.

   

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디스크 브레이크 (Disc Brake)

디스크 브레이크는 휠과 함께 회전하는 원판형 디스크를 양쪽에서 브레이크 패드로 압착하여 제동한다.

1980년대 전까지는 드럼 브레이크가 널리 사용되었으나 현재 거의 모든 승용차의 전륜 브레이크는 디스크 브레이크로 바뀌었고, 약 80% 이상의 승용차에서 디스크 브레이크를 사용하고 있습니다. 이러한 디스크 브레이크는 1953년 르망 24시간 레이스에서 최초 등장하였습니다. 제24의 경주차는 드럼 브레이크를 사용한 다른 참가자들과는 달리 디스크 브레이크를 적용하여 우승까지 차지했는데요. 이러한 디스크 브레이크의 우수한 성능이 브레이크 성능을 한계까지 몰아붙이는 내구레이스에서 여실히 드러나면서 점차 기존의 드론 브레이크를 제치고 각광받기 시작하였습니다.

디스크 브레이크 구성

이러한 디스크 브레이크는 필과 함께 회전하는 디스크, 디스크의 마찰력을 사용해 제동을 가하는 패드, 유압이 작용하는 휠, 실린더, 휠, 실린더가 장착되어 있는 캘리퍼 등으로 구성되어 있다.

디스크 브레이크의 경우 디스크가 외부에 노출되어 있으므로 방열성이 우수하고 구조가 간단하여 점검 및 정비가 용이하다는 장점을 가지고 있으나 디스크가 외부에 있기 때문에 빗물이나 흙에 오염되기 쉽다는 것이 단점이다.

 

디스크 브레이크의 종류

디스크 브레이크의 경우 크게 복동식(고정형 캘리퍼 타입)과 단동식(플로팅 캘리퍼 타입) 두 가지로 나눠질 수 있다.

고정형 캘리퍼 타입

• 캘리퍼가 움직이지 않고 고정
• 로터 양쪽에서 피스톤이 움직여 브레이크 패드에 힘을 가하는 형태
• 시스템이 단순하며 반응이 빠름
• 양쪽 브레이크 패드에 동일한 압력이 적용되므로 힘의 균형
• 상대적으로 많은 공간을 차지하고 가격이 상대적으로 비쌈

플로팅 캘리퍼 타입

• 캘리퍼 피스톤이 한쪽에만 설치된 형식 
• 피스톤이 패드를 합착하고 작용, 반작용에 의해 플로팅 캘리퍼가 이동하여 반대쪽 패드도 디스크에 압착되는 형식
• 부품 수가 적고 가벼움
• 설치에 필요한 공간이 상대적으로 작다

 

디스크 브레이크 로터의 종류

디스크 브레이크 로터의 경우 솔리드 디스크와 통풍형 디스크를 사용한다.

• 솔리드 디스크: 통판 구조, 저렴하지만 냉각 성능이 보통이다.
• 통풍형(Ventilated) 디스크: 디스크 사이에 공기 통로가 있어 냉각 효율이 높다. 주로 전륜에 사용된다.

솔리드 디스크는 원판 그대로의 디스크로 제조 원가가 저렴하다는 장점이 있지만 반복되는 브레이크 작동 시 냉각이 원활하지 않으면 변형이 올 수 있다는 단점이 있다. 통풍형 디스크의 경우 두 장의 디스크 사이에 냉각을 위한 구조가 있다.

오늘날 대부분의 승용차는 제동을 많이 사용하는 전륜 통풍형 디스크, 후륜 솔리드 디스크를 사용하고 있다.

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드럼 vs 디스크 브레이크 비교

구분	드럼 브레이크	디스크 브레이크
작동 방식	안에서 밖으로 확장 (폐쇄형)	밖에서 안으로 압착 (개방형)
제동력	자가 작용으로 매우 큼	일정하고 정교한 제어 가능
방열성	나쁨 (페이드 현상 취약)	매우 우수 (고속 주행 적합)
정비/가격	저렴하나 정비 복잡	비싸지만 점검 및 정비 용이
주요 적용	대형차, 소형차 후륜	대부분의 승용차(전/후륜)

드럼 브레이크의 경우 디스크 브레이크에 비해 제동력이 크다. 이는 드럼 브레이크의 자기 매력 공식 덕분인데요. 적은 힘으로 강한 제동력을 얻을 수 있기 때문에 대형 트럭이나 대형 버스와 같은 차량에 많이 사용되어 왔습니다.

그러나 최근에는 디스크 브레이크의 기술이 발전되고 드럼 브레이크의 경우 브레이크 작동이 반복되면 과열되어 제동력이 떨어지는 문제 등으로 인해 대형 차종에도 디스크 브레이크가 상대적으로 많이 활용되고 있다. 특히 디스크 브레이크의 경우 개방형으로 냉각에 장점을 갖는 반면 드럼 브레이크의 경우 폐쇄시기이기 때문에 과열되면 단시간 내에 냉각되기 어렵고 이로 인해 브레이크가 밀리는 현상이 발생한다는 단점이 있다.

그럼에도 드럼 브레이크는 디스크 브레이크에 비해 저렴하다. 디스크 브레이크는 로터가 외부에 노출되어 있어 먼지 등 오염물질에 의해 마모되어도 정상적으로 작동하도록 설계하여야 하기 때문에 내마모성이 큰 부품을 써야 한다. 또한 설계 제조 방식이 복잡하여 가격이 상대적으로 비싸다. 드럼 브레이크의 경우 비교적 저렴한 소재로 이루어져 있고 폐쇄식으로 오염이 덜하여 소모품 교체 주기가 길며 생산과 조립에 큰 기술력이 필요하지 않아 저렴하다.

이러한 이유로 승용 차량의 경우 대부분 디스크 브레이크를 사용하고 있고 일부 대형 트럭이나 버스 또는 중장비 등에는 드럼 브레이크가 사용되고 있다.

오늘날에는 새로운 소재를 적용하여 세라믹 소재의 디스크와 알루미늄 소재의 캘리퍼 또는 카본, 세라믹 디스크 브레이크 등 절반 이하의 무게로 조종 성능을 높이면서 제동력이 떨어지지 않는 고성능의 제동 시스템이 개발되고 있다.

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ABS, TCS, BrakebyWire

 

ABS (Anti-lock Brake System)

ABS는 자동차 브레이크가 잠기지 않게 해주는 시스템을 말한다. 제동 시 바퀴의 미끄러짐을 완화하는 전자식 제동시스템이다. 

ABS가 적용되지 않은 브레이크 시스템에서는 강하게 밟을 경우 바퀴가 회전을 멈추고 노면을 미끄러지게 된다. 이 현상을 Wheel lock, 즉 잠긴다고 하며 이럴 때 바퀴의 마찰에 의한 조향이 불가능하게 된다.

작동 원리

• 바퀴에는 정지마찰력 영역과 운동마찰력 영역이 있다.
• 최대 정지 마찰력을 넘어 운동마찰력 영역으로 넘어가지 않아야 한다.
• 전자 제어로 브레이크를 아주 빠르게 잡았다 떼며 최대 정지 마찰력을 사용하게 한다.

TCS

TCS는 바퀴의 구동력을 제어하는 시스템이다.
눈이나 비로 인해 도로와 타이어 사이 마찰력이 줄면 TCS가 동작한다. 

 

•  공회전하는 바퀴의 속력 측정
• 각 바퀴 회전수 차이 확인
• 엔진 출력 조절 혹은 브레이킹 
• 안정적 움직임 가능 

TCS는 브레이크에 더불어 엔진 출력까지 함께 조절한다. 때문에 ABS의 상위 개념이라 할 수 있다. 

ESC(Electronic Stability Control)

• 전자식 자세 제어 장치
• ABS와 TCS를 전부 포함하는 장치 ㅡ이미
• 브레이크와 엔진 조절하여 안정적 주행을 이끔 

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Brake by Wire

운전자가 밟은 압력 측정 → ECU 감속력 계산, 모터 움직임 계산 → 액추에이터 동작

종류

• 전기유압식
  • 모터에 의한 유압 조절 → 캘맆 ㅓ작동
• 전기기계식
  • 모터만으로 캘리퍼 작동
• 하이브리드
  • 앞바퀴 전기유압식, 뒷바퀴 전기기계식
  • 앞바퀴의 제동이 중요하기 때문에 안정성 높임 

자율주행 제동 원리

• 알고리즘의 감속 결정 → 제동 시스템 제어
• 제동 모터 제어 명령 하달