프롤로그
자동차의 브레이크 정말 중요합니다. 그래서 브레이크 업그레이드하는 분들 많습니다. 거금을 투입해서 말이죠. 그런데 정말 효과가 있을까요? 브레이크 업그레이드 허와 실을 분석해 보았습니다.
자동차의 브레이크는 크게 2종류입니다. 드럼 브레이크는 반원 모양의 브레이크 슈와 패드가 유압 피스톤에 의해 바깥쪽으로 밀리면서 회전하는 드럼 안쪽을 마찰시켜 제동 하는 방식이며 본 논의에서는 제외하도록 하겠습니다.
디스크 브레이크는 유압 실린더와 피스톤에 의해 회전하는 디스크 면에 수직으로 브레이크 패드가 밀착되어 제동 하는 방식으로 대부분의 차량에 장착되는 브레이크입니다.
디스크 브레이크
디스크 브레이크의 캘리퍼도 크게 2종류로 나뉘는데 먼저 단동식 (Single Acting) 또는 부동식 (Floating)이라고 말하는 캘리퍼 (Caliper)는 좌우로 이동 가능한 캘리퍼의 한쪽 피스톤이 패드를 디스크에 밀착시키면 그 반동으로 반대쪽도 패드도 밀착되는 방식으로 구조적 한계는 존재하나 가성비가 매우 높은 캘리퍼입니다.
복동식 (Double Acting) 또는 고정식 (Fixed) 캘리퍼 (Caliper)는 양쪽에 고정된 캘리퍼에서 돌출되는 각 피스톤이 동시에 패드를 디스크에 밀착시키는 방식을 말합니다.
캘리퍼에 장착되는 실린더/피스톤의 개수에 따라서도 1P, 2P, 4P… 8P로 불리는데 더 많을수록 당연히 고가입니다.
2P 단동식 부동식 캘리퍼 브레이크를 단순화한 모습입니다. 솔리드 타입의 디스크로터, 부동식 캘리퍼, 휠이 장착되는 허브, 오일 압력을 전달해주는 브레이크 라인, 캘리퍼를 지지하면서 좌우로 움직이도록 해주는 브래킷, 브레이크 패드입니다.
푸른색의 피스톤과 실린더가 보입니다. 안쪽 캘리퍼에서 유압에 의해 돌출된 피스톤이 패드를 디스크에 밀착시키면
반동으로 캘리퍼 전체가 안쪽으로 이동하면서 바깥쪽 패드도 디스크에 밀착되게 됩니다.
4P 복동식 고정식 캘리퍼 브레이크의 모습입니다. 디스크로터, 고정식 캘리퍼, 허브, 브레이크 라인, 브레이크 패드, 실린더입니다.
양쪽 총 4개의 푸른색 피스톤과 실린더를 볼 수 있습니다. 양쪽 캘리퍼 실린더에서 나온 4개의 피스톤이
동시에 패드를 디스크에 밀착시킵니다.
파스칼의 원리
파스칼원리는 밀폐된 공간에 채워진 유체에 힘을 가하면 내부로 전달된 압력은 그 공간 내에서 동일한 압력으로 작용한다는 원리입니다.
밀폐된 공간 내에서 압력 즉 힘 나누기 면적이 일정하게 유지되므로 면적에 따라 힘이 증폭될 수 있습니다. 즉 힘 F1을 가한 쪽의 면적 A1 보다 큰 면적 A2를 사용하면 훨씬 더 큰 힘 F2로 증폭할 수 있게 됩니다.
이러한 파스칼의 원리는 유압식 브레이크에도 활용되며 하이드로백 장치로 그 압력이 더 증폭되고 마스터 실리더가 미세조정을 하는 것입니다.
영상은 브레이크 페달을 밟았을 때 4바퀴에 1P 브레이크가 동작하는 모습이나 하나의 바퀴에 4P 브레이크가 동작하는 모습으로도 생각할 수 있습니다.
마찰력과 벤틸레이티드 디스크
브레이크도 결국 마찰력을 이용하는 것이며 마찰력은 패드, 디스크 사이의 마찰계수와 디스크에 수직으로 미치는 힘 즉 피스톤의 힘으로 나타냅니다.
따라서 파스칼 원리에 의해 피스톤이 많을수록, 피스톤의 면적이 클수록 마찰력이 커지며 지렛대 효과에 의해 패드의 접촉 위치가 디스크 중심에서 멀어질수록 마찰력은 증가합니다.
디스크에 접촉하는 패드의 면적은 마찰력과 무관하나 이것이 증가하면 열용량이 커져 내열성 및 내마모성은 좋아지게 됩니다.
단일 원판의 솔리드 디스크와 달리 2겹의 디스크로 열변형이 적고 중간에 지름 방향으로 베인 구조의 작은 터널들이 있어 냉각을 극대화한 디스크를 벤틸레이티드 디스크라 하며 줄여서 V 디스크라고 부르기도 합니다.
추가 냉각 효과를 위해 디스크 표면에도 타공이나 홈을 내기도 하는데 크랙 증가의 원인이라는 의견도 있습니다.
경주용 차에는 스틸이 아닌 카본 세라믹 디스크가 사용되는데 고속에서의 내열성이 우수하고 브레이크 성능이 증가하나 일반적 속도에서는 오히려 제동거리 길어지며 물에 약하고 지나치게 고가라는 단점이 있습니다.
에필로그
결론입니다.
디스크 로터의 크기 확장 업그레이드는 지렛대 효과에 의해 역시 브레이크 성능이 향상됩니다.
피스톤 개수 업그레이드는 브레이크 성능이 향상되나 피스톤 면적이 이전과 같거나 커야 하며 작은 경우에는 향상 효과가 상쇄되거나 오히려 저하될 수 있습니다.
패드의 크기 증가는 브레이크의 직접적인 성능과는 무관하나 열용량이 증가하므로 패드의 내열성, 내마모성은 향상됩니다. 벤틸레이티드 디스크도 솔리드 타입보다 브레이크 성능을 향상합니다.
그러나 최종적인 제동력은 타이어와 노면의 마찰력(접지력)이므로 품질 좋은 타이어를 장착하는 것이 무엇보다 우선되어야 하겠습니다.
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