자동차의 모든 장치와 부품이 중요하겠지만, 무엇보다 브레이크(Brake)는 생명과 안전과 직결되어 있어서 가장 중요한 부분입니다. 운전자와 승객의 안전을 위해서 자동차의 속도이고 자동차를 서게 하는 장치로써 매우 중요합니다. 오늘은 자동차 브레이크의 구조와 작동원리에 대해서 알아보겠습니다.
목차
1. 브레이크 시스템 구조
자동차 브레이크 시스템은 크게 브레이크 페달, 마스터 실린더, 브레이크 진공 배력 장치, 브레이크 캘리퍼, 브레이크 디스크, 브레이크 패드 (또는 브레이크 신발), 브레이크 드럼, 그리고 브레이크 휠 실린더로 구성됩니다. 많은 부품이 자동차 브레이크를 구성하고 있습니다.
- 브레이크 페달 : 운전자가 브레이크를 작동시키기 위해 밟는 페달입니다. 최초로 브레이크 압력을 생성합니다.
- 브레이크 진공배력장치 : 브레이크 페달의 압력은 작습니다. 브레이크를 작동할만한 충분한 힘이 부족합니다. 그래서 진공배력장치에서 브레이크를 작동할 충분한 힘을 만들어 냅니다. 이때 엔진의 동력에서 도움을 받습니다.
- 마스터 실린더 : 진공배력장치에 증폭된 압력으로 마스터 실린더의 브레이크 오일을 밀어서 각 바퀴에 전달할 압력을 생성합니다. 브레이크 오일의 압력은 각 바퀴에 브레이크 장치에 배관을 타고 전달됩니다.
- 브레이크 캘리퍼 : 마스터 실린더에서 전달받은 압력으로 브레이크 패드를 디스크에 밀착시키는 작용을 합니다. 일반적으로 앞바퀴에는 디스크 브레이크가, 뒷바퀴에는 드럼 방식의 브레이크가 사용됩니다. 디스크 브레이크가 성능이 좋기 때문에 요즘은 네 바퀴 모두 디스크 브레이크를 사용합니다.
- 브레이크 디스크 (또는 브레이크 드럼) : 브레이크 캘리퍼나 브레이크 패드에 의해 압착되어 마찰력으로 자동차의 속도를 감속시키는 역할을 합니다. 마찰력은 마찰열로 자동차 외부로 방출됩니다.
- 브레이크 패드 : 브레이크 디스크나 브레이크 드럼에 마찰력을 제공하기 위해 캘리퍼에 장착되어 있는 마찰제입니다. 브레이크 디스크나 브레이크 드럼에 마찰하게 됩니다. 이에 따라 패드의 표면은 마모가 일어나고 마찰력을 제공합니다. 에너지는 열로 발산하게 되고, 브레이킹이 일어납니다.
- 브레이크 오일 : 대부분 오일의 중요성을 간과하고 있습니다. 자동차 브레이크에서 페달의 힘을 마스터 실린더를 통해서 바퀴의 브레이크 장치까지 전달하는 역할을 하게 됩니다. 추가적으로 자동차 브레이크 시스템 관련 부품을 보호하는 역할을 합니다.
2. 작동원리
1) 작동 원리
- 운전자가 브레이크 페달을 밟기 시작합니다.
- 페달의 압력은 진공배력장치에 전달됩니다.
- 진공배력장치는 페달의 힘을 증폭합니다. 이 장치의 도움으로 작은 힘이지만 큰 차를 멈출 수 있는 힘을 만들어 냅니다.
- 진공배력장치에서 증폭된 힘은 마스터 실린더를 작동시킵니다. 마스터 실린더에서는 브레이크 압력을 생성합니다.
- 마스터실린더는 브레이크오일을 밀어내고 밀려난 브레이크오일은 증가된 압력으로 각 바퀴의 브레이크 캘리퍼에 힘을 전달합니다.
- 브레이크 캘리퍼는 브레이크 패드와 결합되어 있으며, 브레이크 패드는 브레이크 디스크를 압착시켜서 마찰력을 유도합니다. 마찰력은 마찰열로 에너지를 발산하여 디스크와 연결된 바퀴는 속도를 늦추게 됩니다.
2) 진공배력장치의 작동원리
브레이크 진공배력장치는 엔진의 진공 압력을 이용하여 페달의 힘을 증가시키는 장치입니다. 브레이크에 있어서 아주 중요한 역할을 하는 장치입니다. 작은 힘으로 브레이크를 작동시키고 무거운 차량을 멈추는 기능을 합니다. 이 장치는 브레이크 마스터 실린더와 연결되어 있으며, 브레이크 페달을 밟을 때 진공 압력이 생성되어 브레이크 마스터 실린더에 전달됩니다. 브레이크 진공 배력 장치의 작동 원리는 다음과 같습니다.
- 엔진의 힘에 의해서 진공 압력이 생성됩니다. 엔진 시동이 꺼지면 브레이크를 밟을 수 없습니다. 엔진이 꺼지면 남아있는 진공으로 인해서 1~2번 정도 브레이크를 작동시킬 수 있습니다. 그래서 주행 중에 엔진이 꺼지면 브레이크를 한 번에 밟아서 한 번에 멈추어야 합니다.
- 진공 압력은 진공 호스를 통해 브레이크 진공 배력 장치로 전달됩니다.
- 브레이크 진공 배력 장치 내부에서는 진공 압력이 진공 챔버에 저장됩니다.
- 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 마스터 실린더 내부의 피스톤이 움직입니다.
- 피스톤은 브레이크 오일을 밀게 되고, 배관을 통해서 각 바퀴의 브레이크 장치에 전달됩니다.
즉, 브레이크 진공 배력 장치는 엔진 내부에서 생성된 진공 압력을 이용하여 브레이크 시스템을 작동시키는데, 이를 통해 브레이크 페달을 더 적은 힘으로 브레이크 실린더에 충분한 압력을 전달할 수 있습니다.
3) 마스터 실린더의 역할
브레이크 마스터 실린더는 자동차의 브레이크 시스템에서 가장 중요한 역할 중 하나를 담당하는 부품입니다. 브레이크 마스터 실린더는 브레이크 페달을 밟을 때 발생하는 압력을 각 바퀴의 브레이크 장치에 전달하는 역할을 합니다.
- 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 마스터 실린더 내부의 피스톤이 움직입니다.
- 마스터 실린더 내부에는 브레이크 오일이 채워져 있습니다.
- 마스터 실린더 내부의 피스톤이 움직이면서 브레이크 오일이 압축됩니다.
- 압축된 브레이크 오일은 마스터 실린더를 통해 각각의 브레이크 캘리퍼에 전달됩니다.
- 브레이크 오일은 캘리퍼에서 브레이크 패드를 움직여 차량을 멈추게 합니다.
즉, 브레이크 마스터 실린더는 브레이크 페달의 움직임은 브레이크 오일의 압력으로 변환되어 브레이크 시스템의 각 부품에 전달하는 역할을 합니다. 이를 통해 브레이크 시스템에서 브레이크 패드가 차량의 바퀴를 감속시키는 데 필요한 압력을 공급하며, 브레이크 마스터 실린더가 올바르게 작동하지 않으면 브레이크 페달의 힘에도 불구하고 충분한 압력이 브레이크 시스템에 전달되지 않아서 차량이 멈추지 않거나 브레이크 조작이 불안정해질 수 있습니다.
3. 자동차 브레이크의 발전 역사
- 1902년, 프랑스의 자동차 제조사인 쉐보레는 실린더 내부에 내장된 브레이크를 개발했습니다. 이 시스템은 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 실린더 내부의 압력이 증가하여 브레이크 패드를 움직여 차량을 멈추게 하는 방식이었습니다.
- 1918년, 토마스 베일리는 유압 브레이크를 개발하여 자동차 산업에서 혁신을 가져왔습니다. 유압 브레이크는 브레이크 페달을 밟으면 유압 압력이 브레이크 실린더로 전달되어 차량을 멈추게 하는 방식이었습니다. 이 기술은 현재까지도 사용되는 기술 중 하나입니다.
- 1930년대, 드럼 브레이크가 개발되었습니다. 드럼 브레이크는 브레이크 실린더가 회전하는 브레이크 드럼을 누르는 방식으로 작동합니다. 이 기술은 일반적인 브레이크 시스템으로 자리 잡아 현재까지도 사용됩니다.
- 1960년대, 전자식 브레이크가 개발되었습니다. 이 시스템은 브레이크 페달을 밟을 때 전자식 신호가 브레이크 실린더로 전달되어 차량을 멈추게 합니다. 이 기술은 현재까지도 사용되고 있습니다.
현재 자동차 산업에서는 고급 브레이크 시스템이 개발되고 있습니다. 안전성과 성능이 뛰어난 카본 세라믹 브레이크 패드와 같은 신소재를 사용하는 고성능 브레이크 시스템도 개발되어 있습니다. 또한, 자율 주행차에서는 자동차 시스템과 연계되어 자동으로 차량을 멈추는 자동 긴급 제동 시스템이 개발되어 있습니다.
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