자동차가 멈추지 못하면 거대한 쇳덩이 무기나 다름없으며, 많은 사람들이 브레이크가 중요하다는 것은 잘 알고 있다. 그러나 브레이크가 어떻게 작동하고 내 차에 적합만 브레이크의 종류는 어떤 것인지 제대로 아는 사람은 별로 없다. 그래서 이번 콘텐츠에서는 브레이크에 대한 시시콜콜한 이야기들을 하려 한다.
물리 시간에도 배우는 브레이크의 원리와 구조
브레이크, 작동원리와 구조는?
브레이크를 작동시키는 원리는 기본적으로 ‘파스칼의 원리’ 때문이다. 파스칼의 원리란 유체로 채워진 관의 한쪽에 1의 힘으로 압력을 가하면 반대편에도 똑같이 1의 힘이 가해진다는 내용이다. 이 원리를 이용하면 적은 힘으로 무거운 물체를 들어 올릴 수 있다. 운전자가 작은 힘으로 브레이크 페달을 밟으면 각 바퀴에 위치한 마스터 실린더가 브레이크 오일을 밀어 브레이크를 작동 시켜 제동한다.
또한 브레이크는 드럼방식과 디스크 방식 두 가지가 있으며, 두가지 방식 모두 구조만 다를 뿐 기본적인 작동은 파스칼의 원리를 이용한다. 드럼 브레이크는 바퀴와 함께 돌아가는 원통형 브레이크 드럼 안쪽에 두개의 라이닝(마찰재)을 부착한 브레이크 슈를 브레이크 드럼 내벽에 압착시켜 제동력을 얻는 방식이다. 그리고 디스크 브레이크는 자동차의 허브 베어링과 연결되어 회전하는 디스크 로터라고 불리는 원판을 캘리퍼에 있는 패드로 잡아 제동한다. 그래서 디스크 방식이 드럼방식 보다 방열성능이 우수하고 제동 효과도 뛰어나 최근 출시되는 자동차에 많이 사용되고 있는 것이다.
캘리퍼의 모양이 브랜드 마다 다른 이유
캘리퍼는 제조사에 따라 그 모양과 디자인이 다르다. 특히 프리미엄 브랜드 자동차의 경우 강렬한 색상으로 되어있어 사람들의 시선을 집중시키기도 한다. 캘리퍼는 단동식과 복동식이 있다. 먼저 단동식은 플로팅 타입이라고 하며, 브레이크 패드를 눌러주는 피스톤이 한쪽에만 있어 단가가 저렴하고 적은 피스톤으로 큰 마찰력을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다.
그리고 복동식은 모노블럭이라고 부르기도 하며, 피스톤이 디스크 양쪽에서 누르는 방식으로 마찰력을 고르게 전달할 수 있어 단동식 보다 제동력이 좋다. 그리고 모노블럭 방식은 효율성을 더욱 극대화 하기 위해 피스톤의 개수가 여러 개다. 물론 피스톤이 하나인 단동식도 피스톤의 용량이 크면 동일한 효과를 볼 수 있다.
브레이크 캘리퍼의 위치가 다른 이유는?
또한 브레이크의 캘리퍼는 차종에 따라 위치도 다르다. 일반적인 전륜구동 세단은 전륜 브레이크 캘리퍼가 9시, 후륜은 3시 방향에 장착되어 있다. 그리고 후륜기반의 고성능 자동차는 전륜 캘리퍼는 3시, 후륜 캘리퍼는 9시 방향에 장착되어 있는 것을 볼 수 있다. 심지어 동일 차종이어도 고성능 버전과 노멀 버전의 캘리퍼 위치가 다르다.
이는 무게 배분 때문이다. 자동차의 퍼포먼스 결정에 있어 매우 중요한 요소다. 특히 스포츠카는 선회능력도 우수해야 하는데, 이 선회능력은 무게가 차량 중심으로 모여 있어야 요(Yaw)의 발생이 빨라지며 회두성이 좋아진다. 예컨대 피겨스케이트에서 선수들이 회전을 할 때 팔을 몸쪽으로 모으면 더 빨리 회전 하는 것처럼 말이다. 따라서 엔진이 중앙에 있는 MR 자동차들의 코너링이 좋은 것도 이런 원리 때문이다. 그래서 고성능 차량의 브레이크 캘리퍼도 조금이라도 무게를 중심으로 모으기 위한 노력인 것이다.
또 다른 이유는 바로 냉각 효율성 때문이다. 브레이크는 마찰력으로 제동하기 때문에 열관리가 매우 중요하다. 특히 브레이크 패드의 열을 식히는 것이 관건이다. 자동차가 앞으로 주행하면 프론트 범퍼의 에어덕트를 통해 들어온 공기가 들어온다. 이 공기는 빠른 속도로 뒤로 흘러 가는데, 이 때 캘리퍼의 위치가 3시 방향에 위치해야 가장 효율적으로 패드의 열관리를 할 수 있다. 이 외에도 자동차의 형태에 따라 어퍼암 및 로어암 등 서스펜션 구조 때문에 캘리퍼의 위치가 달라지기도 한다.
디스크의 타공과 사선 홈, 효과 있나?
고성능 자동차의 브레이크 디스크에는 디스크 면에 구멍이 뚫린 타공 디스크와 사선 패턴의 홈이 들어간 디스크를 볼 수 있다. 이를 두고 그 효과에 대해서는 의견이 분분하다. 일반적으로는 냉각 성능 개선에 기여한다고 알려져 있으나 실제로 냉각은 디스크 로터 내부에 있는 베인(vein)이 맡고 있다. 이 베인을 통해 공기가 빠져나가며 냉각되는 것이다. 이러한 구조를 가진 디스크를 벤틸레이티드 디스크 또는 V 디스크라 부르며 요즘 출시되는 경차에서부터 대형차까지 두루 사양되고 있다.
그렇다면 타공 및 사선이 들어간 이유는 무엇일까? 표준 디스크보다 높은 마찰 계수로 인해 보다 더 나은 제동 성능을 요구하는 차량에 주로 적용되어 있다. 또한 타공 및 사선 홈이 파져 있는 디스크는 비가 올 때 제동 표면에 수막이 생기지 않게 해줘 어떠한 날씨 조건에도 균일한 성능을 확보해준다. 그리고 타공과 사선은 고온으로 인해 패드와 디스크 표면 사이에 형성되는 가스가 잘 분산되도록 해주는 역할도 한다.
참고로 브레이크는 고온에 도달하게 되면 하면 마찰재를 구성하는 수지의 연소로 생성된 가스가 페이드 현상을 일으켜 디스크와 패드 사이의 마찰 계수가 감소하고 이로 인해 제동 효율이 저하될 수 있다. 제동 표면의 타공이나 사선은 이러한 가스가 빠르게 분산되도록 하여 최적의 제동 조건으로 신속하게 복원이 가능하도록 해준다.
비싼 카본세라믹 브레이크, 값어치를 할까?
일반 자동차의 브레이크 디스크는 대부분 주철 소재로 제작된다. 그러나 고성능 자동차는 브레이크의 디스크가 카본 세라믹으로 되어 있다. 카본세라믹 브레이크의 장점은 주철보다 열에 의한 변형이 적어 장시간 브레이크를 혹사시켜도 일정한 제동력을 보장한다. 그리고 일반 주철 디스크 보다 무게도 가벼워 현가하질량을 줄일 수 있다.
그럼에도 카본세라믹 브레이크는 왜 대중적으로 사용되지 않는 걸까? 먼저 가공이 어려워 가격이 매우 비싸기 때문이다. 예컨대 포르쉐의 카본세라믹 브레이크 옵션이 1,000만원 정도 하며, 다른 고성능 브랜드도 마찬가지다. 또한 카본세라믹 디스크는 일반 주철 디스크 보다 관리가 매우 힘들다. 특히 브레이크 길들이기 과정을 일반 디스크 보다 2~3배 길게 해야 하며, 초반 냉간 시 브레이크가 밀리는 현상이 있어 브레이크를 강하게 밟아 예열을 시켜줘야 제대로 된 성능을 발휘한다. 따라서 경주용 차량 또는 서킷을 자주 달리는 차가 아니라면 크게 의미는 없다.
로우스틸 브레이크 패드 정말 효과 있나?
브레이크의 다른 구성품으로 패드가 있다. 사실 디스크를 잡아 제동을 시켜주는 부품이어서 교체시기도 짧고 매우 중요한 부품이다. 그런데 브레이크 패드를 교체하기 위해 찾아 보면 패드에도 종류가 다양하다는 것을 볼 수 있다. 이 중 고성능 차량에 자주 사용되는 것이 바로 로우스틸 패드다. 일반적으로 자동차에 순정으로 적용되는 브레이크 패드는 유기질 성분이다. 즉, 금속 재질이 아닌 수지와 합성 섬유 등으로 구성되어 있다.
유기질 패드를 주로 사용하는 이유는 제동 시 소음이 적고 가격이 저렴하다는 점 때문이다. 그러나 제한된 온도 이상 올라가면 마찰재가 타버리며 제동능력을 잃어버린다. 반면 로우스틸 패드는 패드에 철, 구리와 같은 금속 성분의 재료를 첨가해 고온, 고열에서도 마찰력을 유지한다. 또한 열 방출이 좋으며 쉽게 마모되지 않는다. 하지만 모든 고성능 대응 부품들이 그렇듯 로우스틸 패드에도 단점이 있다. 제동 시 소음과 분진 가루가 발생하며 제작 단가가 비싸다. 이러한 단점을 감안할 수 있다면 제동력 향상을 원한다면 로우스틸 패드로 교체하는 것도 좋은 방법이다.
