제동기
제동기(制動器) 또는 브레이크(영어: brake)는 움직이는 시스템에서 에너지를 흡수하여 운동을 억제하는 기계 장치이다.[1] 이는 움직이는 탈것, 바퀴, 축의 속도를 줄이거나 멈추게 하거나, 그 움직임을 방지하는 데 사용되며, 대부분 마찰력을 이용한다.[2]
배경
[편집]대부분의 제동기는 움직이는 물체의 운동 에너지를 열로 변환하기 위해 서로 맞닿은 두 표면 사이의 마찰력을 사용하지만, 다른 에너지 변환 방식을 사용하기도 한다. 예를 들어, 회생 제동은 움직이는 탈것의 버려지는 운동 에너지 중 상당 부분을 전기 에너지로 변환하며, 이는 나중에 사용하기 위해 배터리에 저장될 수 있다.[3] 다른 방식들은 운동 에너지를 압축공기나 가압 오일과 같이 저장 가능한 형태의 위치 에너지로 변환한다. 와전류제동은 자기장을 이용하여 운동 에너지를 제동 디스크, 핀 또는 레일 내의 전류로 변환하고, 이를 다시 열로 변환한다. 그 밖에도 회전하는 플라이휠로 에너지를 전달하는 등 운동 에너지를 다른 형태로 변환하는 제동 방식들이 있다.
제동기는 일반적으로 회전하는 축이나 바퀴에 적용되지만, 움직이는 유체의 표면(물이나 공기 중으로 펼쳐지는 플랩)과 같은 다른 형태를 취할 수도 있다. 일부 탈것은 드래그 레이싱 자동차가 바퀴 제동기와 낙하산을 모두 갖추거나, 비행기가 착륙 시 바퀴 제동기와 공기 중으로 펼쳐지는 플랩을 모두 사용하는 것처럼 여러 제동 기구를 조합하여 사용한다.
운동 에너지는 속도에 따라 제곱으로 증가하므로(), 10 m/s로 움직이는 물체는 같은 질량으로 1 m/s로 움직이는 물체보다 100배 많은 에너지를 가진다. 결과적으로 접지력 한계 내에서 제동할 때 이론적인 제동거리는 최대 100배까지 길어진다. 실제로는 빠른 탈것은 상당한 공기 저항을 받으며, 공기 저항으로 손실되는 에너지는 속도에 따라 급격히 증가한다.
거의 모든 바퀴가 달린 탈것은 어떤 형태로든 제동기를 갖추고 있다. 쇼핑카트나 수하물 카트조차도 무빙워크에서 사용하기 위해 제동기를 가질 수 있다. 대부분의 고정익 항공기는 착륙 장치에 바퀴 제동기를 장착한다. 일부 항공기에는 비행 중 속도를 줄이기 위해 설계된 에어브레이크가 있다. 대표적인 예로는 글라이더와 제2차 세계 대전 시대의 항공기, 주로 일부 전투기와 당시의 많은 급강하폭격기가 있다. 이 장치들은 항공기가 급강하할 때 안전한 속도를 유지하도록 돕는다. 사브 17 급강하폭격기와 보우트 F4U 콜세어 전투기는 펼쳐진 착륙 장치를 에어브레이크로 사용했다.
자동차의 마찰 제동기는 제동 시 발생하는 열을 드럼 브레이크나 디스크 브레이크에 저장했다가 점차 공기 중으로 방출한다. 내리막길을 주행할 때 일부 탈것은 엔진 브레이크를 사용할 수 있다.
현대 탈것의 유압 제동기 페달을 밟으면 마스터 실린더에 압력이 가해지고, 최종적으로 피스톤이 브레이크 패드를 브레이크 디스크에 밀착시켜 바퀴의 속도를 줄인다. 드럼 브레이크 설계에서는 유사한 방식으로 실린더가 브레이크 슈를 드럼에 밀어 넣어 회전을 감속시킨다.
종류
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제동기는 크게 마찰, 펌핑, 전자기 방식을 사용하는 것으로 설명할 수 있다. 하나의 제동기는 여러 원리를 복합적으로 사용할 수 있는데, 예를 들어 펌프가 오리피스를 통해 유체를 통과시켜 마찰을 발생시키는 경우가 있다.
마찰식
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FAD: 앞 디스크 브레이크
FPD: 뒤 디스크 브레이크
FPT: 뒤 드럼 브레이크
CF: 제동 제어
SF: 서보 브레이크
PF: 브레이크 펌프
SLF: 브레이크액 저장소
RF: 제동 분배기
FS: 주차 브레이크
마찰식 제동기는 가장 흔하며 명시적인 마모 표면을 사용하는 브레이크 슈 또는 브레이크 패드 방식과, 작동 유체 내의 마찰을 사용하며 명시적으로 마모되지 않는 낙하산과 같은 유체역학적 제동기로 크게 나뉜다. 보통 "마찰 제동기"라는 용어는 패드/슈 제동기를 의미하며, 유체역학적 제동기는 비록 마찰을 사용하더라도 이 범주에서 제외되는 경우가 많다. 마찰(패드/슈) 제동기는 종종 고정된 패드와 회전하는 마모 표면을 가진 회전 장치이다. 일반적인 구성으로는 밴드 브레이크처럼 회전하는 드럼 외부를 문지르며 수축하는 슈, 회전하는 드럼 내부를 문지르며 팽창하는 슈를 가진 드럼 브레이크, 회전하는 디스크를 집어주는 패드 방식의 디스크 브레이크 등이 있다. 다른 구성들도 드물게 사용된다. 예를 들어, PCC 노면전차 제동기는 전자석으로 레일에 고정되는 평평한 슈를 포함하며, 머피(Murphy) 브레이크는 회전하는 드럼을 집고, 오스코 램버트 디스크 브레이크는 슈가 디스크 표면 사이에 위치하여 측면으로 팽창하는 중공 디스크를 사용한다.
드럼 브레이크는 브레이크 슈 세트가 회전하는 드럼의 내면을 밀어 마찰을 일으키는 자동차 제동기이다. 드럼은 회전하는 바퀴 허브에 연결된다.
드럼 브레이크는 일반적으로 구형 자동차나 트럭 모델에서 볼 수 있다. 그러나 낮은 생산 비용 때문에 일부 저가형 신형 자동차의 후륜에도 장착된다. 현대적인 디스크 브레이크와 비교하면, 드럼 브레이크는 과열되는 경향이 있어 더 빨리 마모된다.
디스크 브레이크는 바퀴의 회전을 감속하거나 멈추기 위한 장치이다. 보통 무쇠나 세라믹으로 만들어진 브레이크 디스크(미국식 영어로는 로터)가 바퀴나 축에 연결된다. 바퀴를 멈추기 위해 브레이크 패드 형태의 마찰재(브레이크 캘리퍼라는 장치에 장착됨)가 기계적, 유압적, 공압적 또는 전자 기계적으로 디스크 양쪽에 강제로 밀착된다. 마찰로 인해 디스크와 연결된 바퀴가 감속되거나 멈춘다.
펌핑식
[편집]펌핑식 제동기는 펌프가 기계 장치의 일부인 경우에 자주 사용된다. 예를 들어, 내연 피스톤 모터는 연료 공급을 차단하여 엔진 내부의 펌핑 손실을 통해 제동력을 생성할 수 있다. 일부 엔진은 제이크 브레이크라 불리는 밸브 오버라이드 장치를 사용하여 펌핑 손실을 크게 늘린다. 펌핑식 제동기는 에너지를 열로 배출하거나, 유압 어큐뮬레이터라고 하는 압력 저장소를 재충전하는 회생 제동 장치가 될 수 있다.
전자기식
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전자기 제동기는 전기 모터가 이미 기계 장치의 일부인 경우에 자주 사용된다. 예를 들어, 많은 하이브리드 가솔린/전기 자동차는 전기 모터를 발전기로 사용하여 배터리를 충전하고 회생 제동 장치로 활용한다. 일부 디젤 기관차는 전기 모터를 사용하여 전기를 발생시킨 뒤 저항기 뱅크로 보내 열로 방출한다. 일부 대중교통 버스와 같은 탈것은 전기 모터가 없더라도 내부 단락이 있는 발전기 역할을 하는 보조 "리타더(retarder)" 제동기를 사용한다. 관련 유형으로는 와전류제동과 전자 기계식 제동기(실제로는 자기 구동 마찰 제동기이지만, 요즘은 그냥 "전자기 제동기"라고 부르기도 함)가 있다.
전자기 제동기는 전자기 유도를 통해 물체를 감속시키는데, 이는 저항을 발생시켜 열이나 전기를 생성한다. 마찰 제동기는 두 개의 분리된 물체에 압력을 가해 탈것을 통제된 방식으로 감속한다.
특성
[편집]제동기는 종종 다음과 같은 여러 특성에 따라 설명된다.
- 최대 힘 – 최대 힘은 얻을 수 있는 최대 감속 효과이다. 최대 힘은 종종 타이어의 접지력 한계보다 크며, 이 경우 제동기는 바퀴가 미끄러지게 할 수 있다.
- 연속 전력 소산 – 제동기는 사용 중에 뜨거워지며 온도가 너무 높으면 고장 난다. 고장 없이 제동기를 통해 소산될 수 있는 최대 전력(단위 시간당 에너지)을 연속 전력 소산이라고 한다. 이는 주변 냉각 공기의 온도나 속도 등에 따라 달라진다.
- 페이드 – 제동기가 가열되면 효율이 떨어질 수 있는데, 이를 브레이크 페이드라고 한다. 일부 설계는 페이드가 발생하기 쉽고, 다른 설계는 상대적으로 영향이 덜하다. 또한 냉각과 같은 사용 환경이 페이드에 큰 영향을 미친다.
- 부드러움 – 제동력이 불규칙하게 작동하거나, 맥동하거나, 떨림이 있거나, 다양한 제동력을 가하는 제동기는 미끄러짐을 유발할 수 있다. 예를 들어, 철도 바퀴는 접지력이 적고, 미끄럼 방지 장치가 없는 마찰 제동기는 종종 바퀴가 미끄러지게 하여 유지보수 비용을 증가시키고 탑승자에게 "쿵쿵"거리는 느낌을 준다.
- 힘 – 적은 인간의 입력으로 같은 등급의 다른 제동기보다 높은 제동력을 낼 때 제동기를 "강력하다"고 표현한다. 이 "강력하다"는 개념은 연속 전력 소산과는 무관하며, 제동기가 부드럽게 밟아도 강하게 멈추지만 덜 "강력한" 제동기보다 최대 힘이 낮을 수 있어 혼란스러울 수 있다.
- 페달 느낌 – 브레이크 페달 느낌은 페달 이동 거리에 따른 제동력 출력을 주관적으로 인식하는 것을 말한다. 페달 이동 거리는 제동기의 유체 변위와 기타 요인에 영향을 받는다.
- 드래그 – 제동기는 시스템의 전체적인 순응성과 변형에 따라 비작동 상태에서 다양한 정도의 드래그가 발생하며, 이는 비작동 상태에서 마찰재를 문지르는 표면으로부터 분리시키는 능력에 달려 있다.
- 내구성 – 마찰 제동기는 주기적으로 교체해야 하는 마모 표면을 가지고 있다. 마모 표면에는 브레이크 슈나 패드, 브레이크 디스크나 드럼이 포함된다. 높은 최대 힘을 발생시키는 마모 표면은 빠르게 마모되는 등 상충 관계가 있을 수 있다.
- 무게 – 제동기는 다른 기능을 수행하지 않기 때문에 종종 "추가 무게"로 간주된다. 또한 제동기는 바퀴에 장착되는 경우가 많으며, 현가하중은 특정 상황에서 접지력을 크게 떨어뜨릴 수 있다. "무게"는 제동기 자체를 의미하거나 추가적인 지지 구조를 포함할 수 있다.
- 소음 – 제동기는 작동 시 약간의 소음을 발생시키지만, 종종 매우 큰 끼익 소리나 갉아먹는 소리를 낸다.
기초 구성품
[편집]기초 구성품은 탈것의 바퀴에 있는 제동기 조립 부품으로, 제동 시스템의 나머지 부분에 기초를 형성한다. 바퀴 주변에 포함된 이 기계 부품들은 공기 제동 시스템에 의해 제어된다.
기초 제동 시스템의 세 가지 유형은 "S" 캠 브레이크, 디스크 브레이크, 웨지 브레이크이다.[4]
브레이크 부스트
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대부분의 현대 승용차와 경승합차는 운전자가 가하는 힘을 크게 늘려주는 진공 보조 제동 시스템을 사용한다.[5] 이 추가적인 힘은 주행 중인 엔진의 스로틀에 의해 공기 흐름이 차단될 때 생성되는 매니폴드 진공에 의해 공급된다. 이 힘은 엔진이 완전히 열린 스로틀 상태에서 작동할 때 크게 줄어드는데, 이는 주변 기압과 매니폴드(절대) 기압의 차이가 줄어들어 이용 가능한 진공이 감소하기 때문이다. 그러나 제동기는 완전히 열린 스로틀에서 거의 사용되지 않는다. 운전자는 가속 페달에서 오른발을 떼고 브레이크 페달로 옮기기 때문이다(왼발 제동을 사용하는 경우는 제외).
고RPM에서 낮은 진공 상태가 되기 때문에, 급가속 보고에는 엔진이 완전히 열린 스로틀 상태여서 브레이크 부스터에 전력을 공급할 만큼 충분한 진공을 생성할 수 없기 때문에 제동기가 고장 나거나 약해졌다는 불만이 동반되는 경우가 많다. 이 문제는 자동 변속기가 장착된 탈것에서 악화되는데, 제동기를 밟으면 탈것이 자동으로 저단 변속되어 도로 표면과 접촉하는 구동 바퀴에 전달되는 토크가 증가하기 때문이다.
더 무거운 도로용 탈것이나 기차는 보통 하나 이상의 압축기에 의해 공급되는 압축공기를 사용하여 제동력을 증폭시킨다.
소음
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이상적으로는 제동기가 모든 운동 에너지를 열로 변환해야 하지만, 실제로는 상당 부분이 음향 에너지로 변환되어 소음 공해의 원인이 될 수 있다.
도로용 탈것의 경우, 발생하는 소음은 타이어 구조, 포장도로, 감속의 크기에 따라 크게 달라진다.[6] 소음은 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 이는 시간이 지남에 따라 제동기가 마모되고 있다는 신호일 수 있다.
화재
[편집]철도 제동기 오작동은 불꽃을 일으켜 산불의 원인이 될 수 있다.[7] 매우 극단적인 경우, 디스크 브레이크가 빨갛게 달아올라 화재가 발생할 수 있다. 이는 투스카니 그랑프리에서 메르세데스 W11 차량의 앞쪽 탄소 디스크 브레이크가 낮은 환기와 높은 사용량으로 인해 불길에 휩싸일 뻔했을 때 발생했다.[8] 이러한 화재는 하중 조절 센서가 고착되어 뒤쪽 제동기가 앞쪽을 보상해야 할 때 일부 메르세데스-벤츠 스프린터 밴에서도 발생할 수 있다.[9]
비효율성
[편집]회생 제동조차도 완벽하게 효율적이지 않기 때문에 제동 시 상당한 에너지가 항상 손실된다. 따라서 운전 중 효율적인 에너지 이용의 좋은 지표는 얼마나 자주 제동하는지를 확인하는 것이다. 감속의 대부분이 제동이 아닌 불가피한 마찰에서 발생한다면, 탈것의 성능을 최대한으로 활용하고 있는 것이다. 제동 사용을 최소화하는 것은 연료 경제성을 극대화하는 행동 중 하나이다.
제동 시 에너지는 항상 손실되지만, 효율성에 영향을 미치는 부차적인 요인은 제동기를 의도적으로 작동하지 않을 때 발생하는 "오프-브레이크 드래그"이다. 제동 후에는 시스템의 유압이 떨어져 제동기 캘리퍼 피스톤이 후퇴할 수 있다. 그러나 이 후퇴는 시스템의 모든 유연성(압력 하에서)과 브레이크 디스크와 같은 부품의 열 변형을 수용해야 하며, 그렇지 않으면 제동기가 디스크와 접촉하여 제동기가 마찰 면에서 떨어질 때까지 드래그가 지속된다. 이 기간 동안 상당한 제동 드래그가 발생할 수 있다. 이러한 제동 드래그는 상당한 기생 전력 손실로 이어져 연료 경제성과 전반적인 탈것의 성능에 영향을 줄 수 있다.
역사
[편집]초기 제동 시스템
[편집]1800년대 후반 마차와 자동차에 사용된 최초의 제동기는 강철 테두리 바퀴에 눌리는 나무 블록이었다.[10] 1890년대에 미쉐린 형제가 강철 타이어를 고무 타이어로 교체하면서 이러한 나무 블록 제동기는 쓸모없게 되었다.[11] 드럼 브레이크는 1899년 고틀리프 다임러에 의해 발명되었고 1902년부터 르노 자동차에서 대중화되었다. 이후 자동차 산업 전반의 표준이 되었다.[11]
드럼 브레이크의 대안으로서 브레이크 패드나 디스크 브레이크의 개념은 최소한 1902년 프레드릭 W. 란체스터의 특허에서부터 존재했으나 수십 년 동안 널리 채택되지 않았다.[12] 1953 르망 24시 경기에서 세 대의 재규어 자동차 차량이 디스크 브레이크를 장착하고 우수한 정지 능력을 보여 코너 직전까지 더 높은 속도를 유지할 수 있게 되었고, 이 세 대가 1위, 2위, 4위를 차지하며 많은 관심을 끌었다.[13] 곧 드럼 브레이크는 경주용 자동차에서 디스크 브레이크로 교체되었고, 이후 1960년대부터는 일반 소비자용 자동차에서도, 특히 더 많은 제동력이 적용되는 앞쪽 제동기부터 디스크 브레이크가 채택되기 시작했다.[11]
전자 제동 시스템
[편집]1966년, ABS가 젠슨 FF 그랜드 투어러에 장착되었다. 당시 전자 제어 장치는 없었으며, 바퀴 잠김은 퍼거슨 4륜 구동 시스템의 센터 디퍼렌셜에 장착된 던롭 맥사렛(Dunlop Maxaret) 장치에 의해 기계적으로 감지되었고, 제동 압력은 솔레노이드 작동 밸브에 의해 조절되었다.[11]
1978년 보쉬와 메르세데스는 1936년의 잠김 방지 제동 시스템을 메르세데스 S-클래스를 위해 업데이트했다. 이 ABS는 완전히 전자식인 4륜 다채널 시스템으로, 나중에 표준이 되었다.[11]
2005년, 조향 제어력 상실을 피하기 위해 자동으로 제동기를 작동시키는 ESC가 캐나다 퀘벡 주에서 데이터 기록 장치가 없는 위험물 운송 차량에 의무화되었다.[14]
2017년부터 다수의 유엔 유럽 경제 위원회(UNECE) 국가들이 브레이크 어시스트 시스템(BAS)을 사용하고 있다. 이는 운전자의 제동 요구 특성으로부터 비상 제동 상황을 추론하고 그러한 조건에서 운전자가 제동을 개선하도록 돕는 제동 시스템의 기능이다.[15]
2013년 7월[15] UNECE 자동차 규정 131이 제정되었다. 이 규정은 대형 차량이 전방 충돌 가능성을 자동으로 감지하고 탈것의 제동 시스템을 활성화하는 자동긴급제동장치(AEBS)를 정의한다.
2020년 1월 23일[15] UNECE 자동차 규정 152가 제정되어 소형 차량을 위한 자동긴급제동장치를 정의했다.
2022년 5월부터 유럽 연합에서는 법에 따라 신규 탈것에 자동긴급제동장치 탑재가 의무화되었다.[16]
같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ Bhandari, V.B. (2010). 《Design of machine elements》. Tata McGraw-Hill. 472쪽. ISBN 9780070681798. 2016년 2월 9일에 확인함.
- ↑ “Definition of brake”. 《The Collins English Dictionary》. 2016년 2월 9일에 확인함.
- ↑ “Braking Part 1”. 《afdc.energy.gov》. 2025년 10월 16일에 확인함.
- ↑ “Foundation Brakes”. 《ontario.ca》. 2016년 11월 28일. 2017년 7월 22일에 확인함.
- ↑ Nice, Karim (2000년 8월 22일). “How Power Brakes Work”. Howstuffworks.com. 2011년 3월 12일에 확인함.
- ↑ Hogan, C. Michael (1973). “Analysis of highway noise”. 《Water, Air, and Soil Pollution》 2 (3): 387–392. Bibcode:1973WASP....2..387H. doi:10.1007/BF00159677. S2CID 109914430.
- ↑ David Hench (2014년 5월 8일). “Train-sparked fires cause explosions, destroy trailers, force evacuations”. 《Portland Press Herald》.
- ↑ “Mercedes explains Hamilton brake fire on Mugello F1 grid” (영어). 《www.motorsport.com》. 2020년 9월 16일. 2020년 11월 21일에 확인함.
- ↑ “Sprinter 311 Rear Brakes on fire” (미국 영어). 《Mercedes-Benz Owners' Forums》. March 2007. 2020년 11월 21일에 확인함.
- ↑ “From wooden blocks to carbon ceramics: a brief history of brakes in cars” (오스트레일리아 영어). 《AASA》. 2026년 4월 7일에 확인함.
- 1 2 3 4 5 “The history of brakes”. 《Did You Know Cars》. 2017년 8월 28일.
- ↑ Newcomb, T.P.; Spurr, R.T. (1989). 《A technical history of the motor car》. Bristol, England: A. Hilger. ISBN 0852740743. OCLC 18984114.
- ↑ “1953 Le Mans 24 Hours report”. 《Motor Sport Magazine》. 2013년 6월 18일. 2014년 5월 19일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2026년 4월 7일에 확인함.
- ↑ Roll Stability Control system (RSC) 보관됨 2011-07-16 - 웨이백 머신
- 1 2 3 Agreement concerning the Adoption of Harmonized Technical United Nations Regulations for Wheeled Vehicles unece.org
- ↑ “Parliament approves EU rules requiring life-saving technologies in vehicles | News | European Parliament”. Europarl.europa.eu. 2019년 4월 16일. 2020년 8월 31일에 확인함.
외부 링크
[편집]
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