브레이크의 제동력과 방열성

출처 : http://bbs2.agora.media.daum.net/gaia/do/kin/read?bbsId=K157&articleId=47435&pageIndex=1&searchKey=&searchValue=&sortKey=depth&limitDate=0&agree=F

브레이크의 기능

브레이크는 운동에너지를 열에너지로 변환하여 자동차의 속력을 낮춰주는 장치입니다. 쉽게 설명하자면 더 많은 열을 방출할 수 있는 브레이크가 제동력이 높은 브레이크라고 할 수 있습니다. 브레이크는 패드와 디스크 로터 사이의 마찰로 제동력을 이끌어내지만 그 제동력을 꾸준히 유지할 수 있는 방열 성능이 더욱 중요합니다.


핸드 브레이크 : 핸드 브레이크는 와이어로 바퀴를 잠그는 방식입니다.


풋 브레이크 : 페달을 이용하는 풋 브레이크는 승용차의 경우 유압을 사용하고, 트럭이나 버스는 공기압을 사용하여 브레이크의 피스톤을 움직이게 합니다. 풋 브레이크는 드럼 방식과 디스크 방식이 있습니다.



드럼 방식은 드럼 안쪽에 마찰재(라이닝)를 붙인 슈를 휠 실린더 안의 유압으로 밀어붙여 정지하게 만듭니다. 브레이크 페달에서 발을 뗄 경우 유압이 없어지게 되어 슈는 코일스프링의 힘을 받아 원래 위치로 되돌아오며 바퀴의 락(Lock)상태는 풀리게 됩니다.


디스크 방식은 디스크 양쪽의 유압을 이용하여 패드(마찰재)를 끼워 제동합니다. 디스크는 열에 의해 팽창이 되고 달리는 도중 바람과 물 등에 의해 냉각이 됩니다.




브레이크를 이루고 있는 구성요소


디스크 로터 : 디스크 로터에는 크게 두 가지 방식이 있습니다. 하나는 벤틸레이티드(접합식) 방식, 또 하나는 접합식이 아닌 솔리드(일체형) 방식입니다.

벤틸레이티드 디스크는 열을 배출하는 성질, 방열성을 향상시키기 위하여 디스크 내부에 방사형 통기구가 있는데 V 디스크라고도 부릅니다. V 디스크 표면에는 홈이나 구멍이 뚫려 있어 방열성능이 우수해집니다. 뿐만 아니라 제동시 패드가 연소하면서 생기는 가스가 구멍이나 홈으로 빠져나가도록 설계되어 있습니다.

그러나 반드시 V디스크가 솔리드 디스크보다 성능이 우수한 것은 아닙니다. 어떤 재질이냐에 따라 강성과 방열성능에 있어 차이가 나타나기 때문입니다. 또한 경량화 정도에 따라 차량의 연비와 주행성능에도 영향을 줍니다.

패드 : 디스크 로터와 직접적으로 접촉하여 마찰력을 발생시킵니다.

캘리퍼 : 마스터 실린더로부터 유압을 받으면 실린더 내부의 브레이크 오일이 유압을 발생시켜 실린더 내부에서 좌우로 힘이 작용하게 됩니다. 이때 피스톤에 의해 눌려진 패드는 디스크 로터와 마찰하게 됩니다.

하이드로백(부스터) : 운전자가 브레이크 페달을 밟을 때 느껴지는 브레이크 답력을 결정합니다. 하이드로백이 커지면 같은 힘으로 페달을 밟아도 더 강한 답력이 느껴지고 하이드로백이 작아지면 같은 힘으로 페달을 밟아도 더 약한 답력이 느껴지게 됩니다.

브레이크 호스 : 브레이크 라인에서 캘리퍼와 이어지는 부분입니다. 브레이크 페달 압력을 캘리퍼에 전달하는 역할을 하고 브레이크 오일이 식을 수 있도록 도와줍니다.

브레이크 오일 : 유압식인 풋 브레이크에서 브레이크 페달 압력을 전달하는 매체입니다.


짧은 시간 동안 풋 브레이크를 자주 사용하게 되면 브레이크 시스템에 마찰열이 많이 발생하게 됩니다. 브레이크 패드와 디스크 로터에서 발생된 마찰열로 인해 브레이크 오일의 온도는 상승하게 되고 오일 속에는 기포가 형성이 되어 브레이크가 정상적으로 작동되지 않는 베이퍼 락(Vaper Lock) 현상이 일어나게 됩니다. 베이퍼 락 현상은 브레이크 오일이 고온에서 기화되는 현상이고 이때 브레이크 라인에 생긴 기포와 가스들은 제동력을 반감시키게 됩니다.




제동력과 방열성  

브레이크 시스템의 제동력을 결정짓는 요소들은 어떤 것들이 있을까요

브레이크 패드의 재질(마찰계수)입니다

먼저 어떤 물체의 무게가 100kg이고 그 100kg의 물체를 수평이동시킨다고 가정합니다. 이 물체가 움직이기 시작하는데 100kg의 힘이 필요했다면 물체와 지면의 마찰계수는 1이 됩니다. 만약 50kg의 힘이 필요했다면 마찰계수는 0.5가 됩니다. 브레이크 패드는 재질에 따라 서로 다른 마찰계수를 가지고 있고 일반 순정보다 스포츠 패드의 마찰계수가 더 높습니다. 마찰계수가 높을 경우 보다 적은 브레이크 오일의 압력(페달의 답력)으로 더 많은 브레이킹 에너지를 발생시키게 됩니다. 살짝만 밟아도 브레이킹이 팍팍 잘 된다는 의미입니다. 패드의 마찰계수는 너무 낮아서도 안 되지만 너무 높아서도 안 됩니다. 적정한 범위가 있고 그안에서 주행용도와 목적에 맞게 세팅을 해야 합니다.


브레이크 패드와 디스크 로터의 접지 단면적입니다


패드와 디스크 로터의 접지 단면적을 넓히려면 패드의 길이를 증가시켜야 합니다. 너비 방향으로 증가시키면 디스크 로터의 면적이 커지게 되어 브레이크 전체의 무게증가로 이어지기 때문이죠. 브레이크 시스템의 무게가 증가하게 되면 언스프렁 매스(언스프렁 웨이트 : 현가하질량)가 증가하게 되어 차량의 운동성능이 저하되고 승차감 또한 안 좋아지게 됩니다.

패드의 길이가 증가하게 되면 캘리퍼의 피스톤 수를 늘릴 수 있습니다. 동일한 마찰계수를 가진 패드일 경우 2피스톤, 4피스톤 캘리퍼가 1피스톤 캘리퍼보다 더 강한 제동력을 얻을 수 있습니다. 예를 들어볼까요.

상처가 난 부위에 밴디지(밴드)를 붙이려는데 손가락 한개로 밴드 가운데 부분을 눌러 붙이는 것. 손가락 두개로 밴드의 좌우를 눌러 붙이는 것. 손가락 네개로 밴드의 좌우부분을 골고루 눌러 붙이는 것. 어떻게 할 때 밴드가 피부에 더 잘 붙을까요.

마찬가지로 <마찰력 = 마찰계수 X 수직방향 힘>이 적용이 되어 동일한 마찰계수일 때 1피스톤보다 멀티피스톤의 경우 마찰력이 커져 제동력이 향상되는 것입니다. 또한 수직방향으로 힘이 작용할 때 <힘 = 작용면적 X 압력>이 적용이 되어 동일한 압력의 경우 작용면적이 클수록 힘(수직방향)이 증가하게 되는 것이죠. 전자는 멀티피스톤의 제동력 향상, 후자는 디스크로터와 패드의 접지면 증가로 인한 제동력 향상으로 설명됩니다.

작용면적이 동일한 경우 수직방향으로 작용하는 힘을 크게 하여 마찰력(제동력)을 증가시키려면 압력을 증가시키면 됩니다. 하이드로백(부스터)을 크게 하여 브레이크 답력을 증가시키는 것입니다. 그러나 이 경우 페달의 답력에 따른 제동력의 차이일 뿐이지 제동력의 절대치가 향상되는 것은 아닙니다. 또한 지나치게 하이드로백을 크게 할 경우 부작용도 존재합니다.

한국내 완성차업체중 모업체 차량들의 브레이크 초반 답력이 강한 이유는 아마도 이런 이유 때문이 아닐까요. 1피스톤 캘리퍼와 크기가 작은 디스크라는 제한된 범위 안에서 제동력을 확보해야 하는데 이때 할 수 있는 건 하이드로백을 손대는 것 밖에는 없습니다. 브레이크 페달을 살짝 밟아도 제동력이 크게 작용하게 하는 것. 얼핏 보면 브레이크 시스템이 우수하여 제동력이 강하다 느낄 수도 있겠지만, 디스크 로터의 크기를 크게 할 수 없고 멀티 피스톤을 사용할 수 없기에 그럴 수밖에 없는 것입니다.

이것은 원가절감이기도 하지만 언스프렁 웨이트를 낮추기 위함이라 설명될 수 있습니다. 서스펜션의 스프링 이하 부품들의 무게, 언스프렁 웨이트를 낮추면 연비도 증가하고, 출력 손실도 적어져 가속성능도 향상되고, 핸들링 성능도 향상되고 진동 특성으로 인해 승차감까지 확보할 수 있기 때문입니다. 어떻게 보면 좋은 점들만 부각되는 것 같죠. 그러나 이 경우 한 가지 커다란 문제에 직면하게 됩니다. 그것은 디스크 로터의 방열성 문제입니다.



방열성은 왜 중요한가 

디스크의 크기는 제동력과도 연관이 있지만 방열성능에 있어 중요한 요소입니다. 디스크 로터의 지름이 커질수록 방열성이 향상되기 때문입니다. 작은 디스크에 비해 크기가 큰 디스크가 열을 방출하는 성능면에서  비교 우위에 있습니다. 앞서 말했듯이 피스톤의 수가 증가할수록 제동력뿐만 아니라 캘리퍼의 사이즈, 로터의 지름이 커져 방열성이 향상됩니다. 패드의 마찰계수에는 차이가 없지만 방열성이 향상되어 페이드 현상을 예방할 수 있고 페이드로 인한 마찰계수의 저하를 방지할 수 있습니다.

단시간내에 브레이크 페달을 자주 밟을수록 패드와의 마찰을 통해 디스크 로터는 열을 받게 됩니다. 초반에는 즉답식으로 잘 반응하다가 브레이킹이 반복되다보면 밀리는 현상을 경험하게 됩니다. 이른바 페이드 현상이 발생하는 것이죠. 이렇게 이해하면 쉽습니다.

처음에 몇 번은 아주 강하게 힘을 발휘하지만 시간이 조금만 지나면 힘을 못 쓰는 남자. "미안해 피곤해서 그런가봐" 이런 남자가 있는 반면에 처음에는 그리 강하지 않지만 오랫동안 장작불 타듯 오랫동안 힘을 쓰는 남자가 있습니다. 전자는 하이드로백(부스터)을 키워 브레이크 초반답력을 강하게 했지만 디스크의 크기가 작고 캘리퍼가 누르는 면적이 작아 패드와 디스크가 마찰되는 접지면적이 작은 브레이크시스템입니다. 초반 반짝했다가 점점 페이드 현상이 나타나는 경우입니다. 후자는 하이드로백으로 인한 브레이크 답력은 그리 강하지 않지만 디스크의 크기가 상대적으로 크거나 방열성능면에서 우수한 재질을 사용한 디스크를 채용한 경우입니다. 이 경우에는 페이드 현상이 나타나지 않지요. 간단하게 요약하면


패드의 마찰계수, 패드의 단면적(길이)-피스톤의 수 등은 제동력과

디스크 로터의 크기, 디스크 로터의 재질 등은 방열성과 연관됩니다.



고성능 차량일수록 방열성이 우선이다


고성능 차량에서는 마찰계수를 높이는 것보다 페이드가 적은(방열성이 우수한) 브레이크 시스템이 우선적으로 필요합니다. 서킷을 주행하는 차량의 경우 카본이니 세라믹이니 고급소재를 사용하여 고온에서도 페이드 (밀림)현상이 발생하지 않습니다. 아무리 제동력이 강하다 하더라도 방열성이 안 좋아 밀리게 된다면 안전을 보장받을 수 없죠. 그래서 방열성이 우선인 것입니다. 이런 경우 디스크 로터의 크기가 상당히 크죠. 일반적으로 디스크 로터가 커지고 멀티피스톤 캘리퍼를 사용하게 되면 무게가 증가하게 되는데 고성능 브레이크는 경량화로 무게를 대폭 낮추었습니다. 방열성과 제동력뿐만 아니라 주행성능까지 세 마리 토끼를 모두 잡은 것입니다. 단 그만큼 비용은 크게 증가하게 됩니다.




브레이크 튜닝과 세팅


피스톤이 크고 갯수도 많은 고성능 캘리퍼를 장착하면 더 큰 힘으로 디스크와 패드를 밀착시킬 수 있어 제동력이 향상됩니다. 그러나 피스톤이 움직이는 거리가 상대적으로 줄어들어 공주 스트로크가 길어질 수 있습니다. <공주거리 + 제동거리 = 정지거리>라는 개념으로 이해하시면 됩니다. 이 경우 처음 페달을 밟을 때에는 제동력이 거의 느껴지지 않다가 깊게 밟으면 급격하게 제동력이 생길 우려가 있으므로 마스터 실린더도 그에 맞게 교체해야 합니다. 1.2.3.4.5.6.7.8 이렇게 순차적으로 반응하는 것이 아니라 ....3.5.7.8.9 이런 식으로 반응할 수 있다는 의미입니다. (시껍한 게 와인딩 코너링 도중 터보 터지는 것과 비슷하려나?)

디스크와 캘리퍼를 대용량으로 교환할 경우 부작용이 생길 수 있습니다. 용량이 클수록 휠의 무게가 무거워져서 언스프렁 매스(웨이트)가 증가하게 됩니다. 그로 인해 핸들링 성능이 저하가 되고 서스펜션에도 부담이 되겠지요. 주행용도와 목적, 그리고 주로 다니는 도로사정에 맞게 세팅하는 것이 적합합니다. 이건 브레이크 뿐만 아니라 서스펜션, 파워 트레인 등 모든 면에 공통적으로 적용되는 것이겠죠. 여담이지만 각 휠당 3kg의 경량화(총 12kg)는 현가상질량 120kg을 줄이는 효과가 있다고 합니다. 차체의 중량이 줄어드는 효과가 있다면 주행성능 또한 향상되겠지요. 고가의 스포츠 성향이 강한 차량일수록 경량휠과 경량 브레이킹 시스템을 장착하고 서스펜션의 경량화를 추구하는 이유가 분명해지는 부분입니다.

디스크를 사선 가공하거나 타공을 하는 것은 패드와 디스크가 마찰하면서 생기는 가스를 배출하기 위함입니다. 그러나 순정 디스크를 잘못 가공 또는 타공할 경우 디스크의 강도가 떨어질 수 있음으로 주의해야 합니다. 심한 경우 디스크 변형으로 인해 크랙(깨짐)이 생길 수도 있습니다.

가끔 캘리퍼를 빨간 색 등으로 도색하는 경우가 있는데 캘리퍼 도색은 위험성을 띄고 있습니다. 캘리퍼는 열이 많이 방출되는 부품이기 때문에 피막을 입히면 방열성이 떨어지게 됩니다. 열전도성이 우수한 페인트를 사용하는 경우도 있겠지만 원래의 상태를 유지하는 것이 최상의 성능을 보장받는 것입니다.

패드와 디스크 등을 교체할 때에는 주행용도와 목적에 맞게 해야 합니다. 패드의 재질, 디스크의 재질에 따라 고속에서는 제 성능을 발휘하지만 중속이하에서 제 구실을 못하는 경우도 있습니다. 무조건 재질이 좋고 비싸다고 해서 장땡이 아니라는 뜻입니다. 브레이크의 튜닝과 세팅은 차량에 맞게 주행에 맞게 선택하는 것이 적절합니다. 패드와 브레이크 호스를 보강하는 것이 가장 간단한 튜닝이자 세팅이고 캘리퍼, 디스크, 실린더, 부스터 등을 교체할 때에는 지나치게 큰 대용량을 선택하지 말고 차량과 조화를 이룰 수 있는 부품을 선택해야 합니다. 보통 튜닝은 엔진, 서스펜션, 휠 & 타이어, 에어로 파츠 등이라 생각할 수도 있는데 가장 중요하고 가장 시급한 것은 브레이크 튜닝인 것입니다. 그리고 튜닝과 세팅을 통해 보강을 했을지라도 항상 브레이크를 점검하는 습관이 중요합니다. 이상 긴 글을 마칩니다.