브레이크, 이렇게 이해하면 쉽다, 폴스타 브레이크의 비밀은?

제동의 개념은 솔직히 말하면 매우 간단하다. 달리는 자동차를 멈추게 하거나 속도를 늦추는 기술이다. 폴스타와 함께 초보의 시각에서 브레이킹이 어떻게 이루어지는지 설명하고 좋은 브레이크와 세계 최고 수준의 브레이크를 구분하는 요소를 배우면서 조금 더 깊이 알아볼 것이다. 바로 시작해 보자.

여기서는 다섯 살 어린이도 이해하기 쉽도록 설명한다. 쉬운 설명을 위해 브레이크 분야에서 수많은 경험을 쌓은 폴스타의 수석 엔지니어 가레스 토마스(Gareth Thomas)의 지식을 활용할 예정이며, 간단한 물리학 기초과정으로 시작한다.

자동차가 움직일 때 바퀴에는 운동 에너지라고 하는 운동 형태의 에너지가 존재한다. 자동차 브레이크 페달을 밟으면 바퀴에 마찰을 가해 브레이크 디스크를 압박함으로써 운동 에너지가 열에너지로 변환된다. 이것은 추울 때 손을 비비면 열이 나는 것처럼, 마찰로 인해 움직이는 자동차의 운동 에너지가 열로 변환되는 것이다. 

자동차 역사상 수많은 버전의 제동 시스템이 존재했지만, 모두 마찰이 필요하다는 공통점이 있다. 마찰 없는 제동은 불가능하다. 초기 버전의 브레이크는 바퀴에 밀리는 나뭇조각에 불과했다. 최적의 상태와는 거리가 멀어 휠에 상당한 마모를 일으켰지만, 그래도 마찰로 인해 작동했다.

드럼과 유압 브레이크

그렇다면 휠을 손상시키지 않고 어떻게 마찰력을 가할 수 있을까? 1900년대 초 뛰어난 브레이크 제작자들은 드럼을 바퀴에 부착하는 기발한 해결책을 생각해냈다. 드럼 내부에 내열 패드 두 개가 있어 드럼을 밀어내는 역할을 했다. 드럼이 바퀴에 부착되어 있었기 때문에 드럼의 속도가 느려지면 바퀴의 속도도 느려졌다.

 

이렇게 해서 바퀴의 마모 문제는 해결되었지만, 제동 장치에는 여전히 몇 가지 취약점이 있었다. 초기 자동차는 페달에서 바퀴로 압력을 전달하기 위해 복잡한 케이블과 전선 시스템에 의존했다. 페달을 밟으면 바퀴에 연결된 브레이크 와이어가 당겨졌다. 하지만 이 시스템의 문제점은 두 가지였다.

와이어가 끊어지는 경향 외에도 모든 바퀴에 동일한 제동 압력을 얻기 위해 필요한 정밀도는 엄청난 도전이었다. 와이어 장력이 잘못되면 브레이크를 밟을 때 차가 흔들리는 현상이 발생하는데, 이 문제를 해결하기 위해 유압식 브레이크가 발명되었다. 유압 브레이크 라인은 제동 시스템과 바퀴에 위치한 드럼을 연결하는 파이프다. 

이 파이프는 압축할 수 없는 브레이크액으로 채워져 있어 브레이크 페달을 밟을 때 발생하는 힘을 동력 손실 없이 전달한다. 가압된 브레이크액을 사용하면 브레이크를 밟으면 모든 브레이크 라인에 동시에 압력이 전달된다. 1950년대에는 유압 브레이크가 자동차에 사용되는 유일한 제동 시스템이었다.

이제 우리는 드럼과 유압 브레이크 라인 덕분에 회전하는 바퀴의 운동 에너지를 제어된 방식으로 열에너지로 변환할 수 있게 됐다. 하지만 우리에게 남은 열에너지를 어떻게 해야 하는지에 대한 과제는 남았다.

디스크와 캘리퍼

브레이크가 너무 뜨거워지면 제동 시 재앙이 될 수 있다. 과열되면 더 이상 운동 에너지를 열로 변환할 수 없어 "브레이크 페이드" 현상이 발생한다. 이에 대한 해결책은 간단하다. 드럼을 버리고 디스크와 캘리퍼로 교체하면 된다. 브레이크 디스크는 휠에 장착되어 브레이크 캘리퍼 안쪽에 위치한다.

드럼 브레이크는 밀어내는 방식으로 작동하는 반면, 디스크 브레이크는 쥐어짜는 방식으로 작동한다. 캘리퍼가 디스크를 쥐어짜는 과정에서 마찰이 발생한다. 디스크와 캘리퍼의 조합이 클수록 제동력은 더 좋아지며, 디스크 브레이크는 열 발산 능력도 탁월하다. 이는 여러 가지 방법으로 이루어진다. 첫째, 캘리퍼가 드럼 내부에 밀폐되어 있지 않아 열이 빠져나갈 수 있다. 둘째, 휠에 구멍을 뚫어 뜨거운 공기가 빠져나갈 수 있도록 설계되었다.

셋째, 브레이크 쿨링 덕트는 차량 앞쪽에서 브레이크 뒤쪽으로 이어지는 작은 터널로, 신선한 공기가 브레이크를 식혀준다. 더운 날 선풍기 앞에 앉아 더위를 식히는 것과 비슷하다. 디스크 브레이크가 뛰어난 제동력을 제공하지만 드럼 브레이크가 결코 나쁘거나 안전하지 않은 것은 아니다. 디스크 브레이크가 드럼 브레이크에 비해 제작 및 교체 비용이 훨씬 비싸다. 

또한 자주 사용하지 않거나 장시간 주차할 경우 부식이 발생할 수 있다. 드럼 브레이크는 완전히 밀폐된 시스템이기 때문에 같은 방식으로 부식되지 않는다. 드럼 브레이크는 주차 브레이크로 작동할 수 있어 제동 시스템을 단순화할 수 있다.

마모 및 손상

브레이크를 최대한 오래 사용할 수 있는 핵심 방법은 시스템에 너무 많은 에너지를 투입하지 않는 것이다. 즉, 브레이크를 세게 밟았다가 늦게 밟은 대신 브레이크를 더 빨리, 더 적은 힘으로 밟은 것이 좋다.

이렇게 하면 브레이크 시스템에 전달되는 압력이 줄어들고 브레이크와 디스크 사이의 마찰이 줄어들어 에너지가 더 부드럽게 소멸된다.

추운 계절에 매우 추운 외부에 주차하면 주차 브레이크가 "얼어붙는" 경우가 종종 발생할 수 있다. 이를 방지하려면 가능하면 온도가 약간 따뜻한 지하 주차장이나 차고에 주차하는 것이 좋다.

 

 

 

 

 

---

---