제동력의 비밀: 브레이크 제조업체에게 주어지는 모순된 요구
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제동력의 비밀: 브레이크 제조업체에게 주어지는 모순된 요구
  • 제시 크로스(Jesse Crosse)
  • 승인 2019.12.06 16:37
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브레이크가 달리는 차를 멈추려면 엄청난 양의 운동 에너지를 열로 바꿔야 한다

대단한 제동 성능이 엄청난 가속이나 재미있는 스티어링 반응, 달콤할 정도로 매끈하게 작동하는 수동변속기만큼이나 즐거움을 줄 수 있다는 사실은 간과되고 있는 지 모른다. 그러나 그런 점을 이해하기 어려운 것도 사실이다. 움직이는 차의 운동 에너지를 열로 바꾼다는 기본 원리는 모든 브레이크에 똑같이 작용하지만, 고성능 차에 쓰이는 것과 가족용 차에 쓰이는 브레이크는 ‘분필’과 ‘치즈’만큼이나 서로 다르다.

몇몇 드럼 주차 브레이크와 소형차 뒷바퀴에 쓰이는 브레이크를 제외하면, 한동안 디스크 브레이크가 일반적으로 쓰여 왔다. 원리는 여전히 간단하다. 브레이크 페달을 밟을 때, 디스크(또는 로터) 양쪽에 걸쳐 있는 유압 캘리퍼는 철판이 지지하는 마찰재로 만든 두 패드 사이 디스크를 엄청난 압력으로 움켜쥔다. 차가 무겁고 속도가 빠를수록 브레이크에 작용해야 하는 에너지의 양은 더 커지고 발생하는 온도는 더 높아진다.

승용차에서는 브레이크 설계자들이 고려해야 할 다른 요소들도 있다. 예를 들면, 브레이크 패드 마찰재와 디스크의 마모율, 소음, 패드가 뜨거워지고 닳을 때 공기 중으로 나쁜 물질이 날아가지는 않는지 여부 같은 것들이다. 한때 브레이크 패드의 핵심 소재로 석면이 쓰이기도 했지만, 요즘 양산차 브레이크 패드에는 비석면 유기소재(NAO)를 쓴다.

그러나 멈추는 과정에는 악순환이 작용한다. 브레이크가 너무 뜨거워지면 주어진 기능을 제대로 하지 못하거나 전혀 작동하지 않기도 한다. 캘리퍼 안에서는 브레이크액이 끓으면서 압축성 있는 가스가 발생하고, 그 시점이 되면 브레이크 페달은 스펀지처럼 작동해 바닥으로 내려앉으면서 제동력은 뚝 떨어져 버린다. 마찰면이 함께 달아올라 뜨거워지면, 마찰계수가 떨어지므로 브레이크 패드가 디스크 회전을 멈추게 하는 능력도 함께 낮아진다.

마찰면을 식히기 위해 일반적인 브레이크 디스크는 주철로 만들고, 두 제동면 사이에는 회전 방향에 따라 중심에서부터 차가운 공기를 바깥쪽으로 흘려보내 대기 중으로 내보내는 공기 배출구가 있다. 더 성능이 높은 차에는 디스크에 구멍을 내거나 표면에 홈을 파서, 제동이 시작될 때 디스크 표면에 있는 물을 빠르게 제거하고 초기 마찰력을 높이도록 돕기도 한다.

브레이크는 차가 빠를수록 더 복잡해진다. 고성능 패드 마찰재는 높은 온도에서도 작동하도록 소재를 배합하지만, 차가울 때에는 반드시 제 기능을 발휘하지는 않는다. 그래서 패드를 차가울 때부터 제 기능을 발휘하도록 만들면서 급제동할 때도 계속 잘 작동하게 만들기란 어려운 일이다. 캘리퍼는 한층 더 복잡해지면서도 비싸진다. 양산차에 쓰이는 설계 중 가장 단순한(가장 저렴한) 것은 부동식 캘리퍼로, 양쪽으로 나뉘어 있는 구조에 피스톤은 하나만 들어가는 것이다. 그러나 일단 성능이 특정 수준에 이르면, 캘리퍼에는 마주 보는 피스톤이 필요하다. 패드의 작동 면적을 넓히기 위해 캘리퍼에 네 개, 심지어 여섯 개의 피스톤(포트라고도 한다)이 들어가기도 하고, 열을 더 잘 전달하고 무게를 줄이기 위해 주철 대신 단조 알루미늄 합금으로 만든 것을 쓸 수도 있다.

차의 성능이 향상될수록 브레이크 시스템 또한 업그레이드돼야 한다. 경주나 트랙 주행과 같은 더 극단적인 경우가 되면, 끓는점이 300℃를 넘어가는 경주용 브레이크액이 필요하다. 모두 눈으로 볼 수 있는 기술은 아니지만, 알맞은 역할을 한다면 금덩어리와 맞먹는 값어치를 할 것이다. 

 

품종 개량

이 AP 레이싱 프로 5000 R 4포트 경주용 캘리퍼는 불필요한 무게를 거의 모두 줄인 경량 단조 합금 구조로 되어 있어 열을 덜 흡수하고 빨리 발산하며 스프링 아래 질량을 줄인다. 알맞은 디스크와 적당한 패드를 선택해 함께 쓰면 엄청난 제동력을 발휘한다.


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