브레이크 작동 원리 쉽게 이해하기

“쉽게 이해하기” 시리즈는 어린이도 이해할 수 있는 쉬운 말로 복잡한 개념을 설명합니다. 이번 가이드 작성은 오랜 시간 브레이크 전문가로 활동해 온 Polestar의 선임 엔지니어 가레스 토마스(Gareth Thomas)의 도움을 받았습니다. 지난 글에서 그랬던 것처럼, 이번에도 간단한 물리 개념으로 시작해 보겠습니다. 자동차를 운전하면 바퀴, 즉 휠이 움직이고, 이 휠이 갖는 에너지를 운동 에너지라고 합니다. 이때 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 디스크를 조여 바퀴에 마찰력을 가하고, 이 과정에서 운동 에너지가 열에너지로 변환됩니다. 겨울에 양손을 비비면 열이 나는 것과 비슷합니다. 이동 중이던 차의 운동 에너지를 바퀴를 돌리는 데 사용하지 않고 열로 만들어 날려 보내면 차가 멈추는 것이죠.자동차 역사에서 지금까지 개발된 브레이크 시스템은 셀 수없이 많지만 모두 마찰 방식을 사용한다는 점은 같습니다. 이처럼 제동에는 마찰이 필요합니다. 초창기 브레이크 중에는 목재 부품이 휠에 닿아 움직임을 멈추는 시스템이 있었습니다. 휠의 마모가 심해 이상적이라고 하기는 어려웠지만, 충분한 마찰력을 제공했기에 제동이라는 목적만큼은 달성할 수 있었습니다.

드럼과 유압 브레이크

그럼, 휠의 손상 없이 마찰력을 일으키려면 어떻게 해야 했을까요? 1900년대 휠에 드럼을 장착하는 획기적인 방식을 고안해 낸 천재들이 있습니다. 이 방식은 드럼 내부에 열에 강한 패드 두 개를 넣고 패드로 드럼을 밀어 누르는 구조로 만들어졌습니다. 패드 작동 시 드럼이 눌리면서 휠의 속도도 함께 줄어드는 원리입니다. 드럼 덕분에 브레이크로 인한 휠의 손상은 해결되었지만, 여전히 안정적이라고는 하기 어려웠습니다.과거 자동차의 브레이크 시스템은 페달에서 휠로 압력을 전달하기 위해 각종 선으로 복잡하게 구성되었습니다. 페달을 밟으면 휠과 연결된 브레이크 와이어가 당겨지는 방식이었는데, 크게 두 가지 문제가 있었습니다. 와이어가 쉽게 끊어진다는 것 외에도 제동력을 네 개의 휠로 고르게 분산하는 게 어렵다는 것입니다. 와이어를 당기는 힘에 차이가 있으면 제동 시 차체가 회전하기 때문입니다.이 문제는 유압식 브레이크의 개발로 해결되었습니다. 유압식 브레이크는 브레이크 시스템과 휠의 드럼을 파이프로 연결합니다. 밀폐된 파이프를 브레이크액으로 가득 채우면 압축되지 않으므로 브레이크 페달을 밟았을 때 손실 없이 제동력을 전달할 수 있으며, 동시에 모든 경로로 같은 압력을 적용할 수 있습니다. 1950년대에 자동차는 유압식 브레이크 시스템만 사용했습니다.이제 우리는 드럼과 유압 브레이크 시스템 덕분에 회전하는 바퀴의 운동 에너지를 보다 제어된 방식으로 열 에너지로 변환할 수 있게 되었습니다. 그렇다면 남은 열 에너지는 어떻게 할까요?

디스크와 캘리퍼

브레이크 과열은 제동에 가장 악영향을 미치는 요소입니다. 지나치게 뜨거워진 상태에서는 더 이상 운동 에너지를 열로 바꾸지 못하고, 과열로 인한 제동력 감소를 의미하는 ‘브레이크 페이드’ 현상이 발생합니다. 이 문제는 드럼 대신 디스크와 캘리퍼를 사용하는 방식으로 간단히 해결할 수 있습니다.브레이크 디스크는 휠에 장착된 브레이크 캘리퍼 안쪽에 들어가 있습니다. 드럼 브레이크가 누르는 방식이라면, 디스크 브레이크는 조이는 방식입니다. 캘리퍼가 디스크를 조이면 앞에서 강조했던 마찰력이 발생합니다…  디스크와 캘리퍼가 클수록 제동력은 강해집니다.디스크 브레이크는 열 배출에도 더 효과적입니다. 먼저, 캘리퍼가 밀폐 구조가 아니기 때문에 일차적으로 열이 빠져나갑니다. 휠에 적용된 타공 디자인 또한 공기를 통해 열을 배출하는 효과가 있습니다. 마지막으로 차량 전면부에서 브레이크 후면까지 연결되는 브레이크 냉각 덕트를 사용하여 계속 공기를 주입함으로써 브레이크의 열 방출을 돕습니다. 일종의 선풍기 효과입니다.디스크 브레이크가 제동력 면에서 더 유리한 건 사실이지만, 그렇다고 드럼 브레이크가 기능적으로 부족하거나 안전하지 않다는 의미는 아닙니다. 디스크 브레이크의 경우 드럼 브레이크보다 생산 단가가 훨씬 높아 교체 비용이 증가한다는 단점도 있고, 정기적으로 운행하지 않거나 주차된 상태로 장기간 사용하지 않을 시 부식 문제도 있습니다. 드럼 브레이크는 밀폐형이기 때문에 부식에 더 강하고, 주차 브레이크 역할도 함께 하므로 브레이크 시스템의 복잡성을 줄이는 효과도 있습니다.

손상과 마모

브레이크의 수명을 오래 유지하는 핵심은 시스템에 과한 힘을 가하지 않는 것입니다. 즉, 마지막 순간에 페달을 힘껏 밟아 제동하는 것보다 더 이르게 적은 제동력으로 단계적인 감속을 하는 게 낫습니다. 이렇게 하면 브레이크 시스템에서 제어하는 압력과 이로 인한 브레이크와 디스크 간의 마찰력이 감소하여 더 완만하게 분산됩니다.겨울철에는 야외 주차 후 주차 브레이크가 ‘어는’ 현상을 경험할 수도 있으므로, 이를 방지하려면 가능한 한 실내나 기온이 조금이라도 더 높은 장소에 주차하는 것이 좋습니다.이번 가이드가 브레이크 작동 원리를 이해하는 데 조금이나마 도움이 되었기를 바랍니다. 더 많은 정보를 원하시는 경우 화살표를 눌러 Polestar 차량에 사용되는 브레이크와 세계적인 브레이크 제조사인 당사 파트너 Brembo에 대해 자세히 알아보세요.