자동차 브레이크 업그레이드, 정말 효과 있을까? 원리부터 잘못된 상식까지 정리

승객의 안전과 직결되는 자동차의 브레이크는 정말 중요합니다. 그래서 기존 브레이크를 사비를 들여 업그레이드하는 분들도 많습니다. 그런데 정말 효과가 있을까요?

이번 글에서는 브레이크의 종류와 작동 원리 그리고 업그레이드에 대한 잘 못된 상식을 바로 잡도록 하겠습니다.

브레이크 종류

자동차의 브레이크는 크게 2종류로 볼 수 있습니다.

드럼 브레이크

드럼 브레이크는 반원 모양의 브레이크 슈와 패드가 유압 피스톤에 의해 바깥쪽으로 밀리면서 회전하는 드럼의 안쪽 면을 마찰시켜 제동 하는 방식입니다.

드럼 브레이크

저렴한 비용과 우수한 내구성의 장점이 있지만 제동력이 보통 수준이고 상대적으로 열 발산이나 정비가 어렵다는 단점이 있어서 일부 자동차의 후륜 브레이크에 적용되고 있어 이번 논의에서는 제외하도록 하겠습니다.

디스크 브레이크

디스크 브레이크는 유압 실린더와 피스톤에 의해 회전하는 디스크 양면에 수직으로 브레이크 패드가 밀착되어 제동 하는 방식으로 우수한 제동력 때문에 대부분의 차량에 장착되는 브레이크입니다.

디스크 브레이크

유압 피스톤과 실린더로 구성되는, 디스크 브레이크의 핵심 부품 중에 하나인 캘리퍼도 크게 2종류로 나뉩니다.

먼저 단동식(Single Acting) 또는 부동식(Floating)이라고 불리는 캘리퍼(Caliper)는 좌우로 이동 가능한 캘리퍼의 한쪽 피스톤이 패드를 디스크 한쪽 면에 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 패드를 동시에 디스크 양면에 밀착시키는 방식을 말합니다.

캘리퍼에 장착되는 실린더/피스톤의 개수에 따라서도 1P, 2P, 4P… 8P로 불리는데 더 많을수록 당연히 고가입니다.

아래 그림은 2P 단동식/부동식 캘리퍼 브레이크를 단순화한 모습입니다. 솔리드 타입의 디스크로터, 부동식 캘리퍼, 휠이 장착되는 허브, 오일 압력을 전달해 주는 브레이크 라인, 캘리퍼를 지지하면서 좌우로 움직이도록 해주는 브래킷, 브레이크 패드로 구성됩니다.

2P 단동식/부동식 캘리퍼 브레이크

아래의 그림에서 푸른색의 피스톤과 실린더가 보입니다. 유압에 의해 오른쪽 캘리퍼의 피스톤이 패드를 디스크에 밀착시키면 그 반동으로 왼쪽 캘리퍼가 오른쪽으로 이동하면서 패드가 디스크에 밀착되면서 제동이 됩니다.

2P 단동식/부동식 캘리퍼 브레이크의 동작 방식

아래 그림은 4P 복동식 고정식 캘리퍼 브레이크의 모습입니다. 디스크로터, 고정식 캘리퍼, 허브, 브레이크 라인, 브레이크 패드, 실린더로 구성됩니다.

4P 복동식/고정식 캘리퍼 브레이크

아래 그림과 같이 양쪽 총 4개의 푸른색 피스톤을 볼 수 있습니다. 유압이 전달되면 양쪽 캘리퍼 실린더에서 나온 4개의 피스톤이 패드를 디스크 양면에 동시에 밀착시키면서 제동력이 발휘됩니다.

4P 복동식/고정식 캘리퍼 브레이크 동작 방식

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 증폭되거나 축소될 수 있습니다.

아래 왼쪽 그림과 같이 힘 F1을 가한 왼쪽의 면적 A1 보다 오른쪽 면적 A2가 크면 사용하면 훨씬 더 큰 힘 F2로 증폭할 수 있게 됩니다. 면적 비율(= A2/A1)만큼 힘이 증가하는 것입니다.

파스칼의 원리와 유압식 브레이크 적용

이러한 파스칼의 원리는 유압식 브레이크에도 활용되며 하이드로백 장치로 그 압력이 더 증폭되고 마스터 실린더가 미세조정을 하여 각 바퀴의 브레이크에 전달되는 것입니다. (위 그림 오른쪽 참조)

마찰력

브레이크도 결국 마찰력을 이용하는 것이며 이때 마찰력은 패드와 디스크 사이의 마찰계수와 디스크에 수직으로 미치는 힘, 즉 피스톤의 힘에 의해 결정됩니다.

이론적으로 마찰력은 접촉 면적과 무관하지만 패드 면적이 커지면 열용량이 증가해 고온에서 제동력이 더 오래 유지됩니다.

또 파스칼 원리에 의해 피스톤이 많을수록, 피스톤의 면적이 클수록 마찰력이 커지며 지렛대 효과에 의해 패드의 접촉 위치가 디스크 중심에서 멀어질수록 마찰력은 증가합니다.

디스크와 패드 사이의 마찰력

초기에는 단일 원판의 솔리드 디스크를 사용했지만 지금은 2겹 구조로 중간에 베인 구조의 작은 터널들이 있어 냉각을 극대화한 벤틸레이티드 디스크가 널리 사용되고 있습니다. 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.

브레이크 업그레이드, 오해와 진실

디스크 로터의 크기 업그레이드는 지렛대 효과에 의해 브레이크 성능이 향상됩니다. 하지만 단순히 피스톤 개수를 늘이는 업그레이드는 잘 못된 선택일 수 있습니다.

피스톤 증가(예를 들면 4P, 6P...) 업그레이드는 향상 방향은 맞지만 피스톤 면적이 이전과 같거나 커야 하며 작은 경우에는 향상 효과가 상쇄되거나 오히려 저하되어 최종 제동력은 나빠질 수 있으니 주의해야 합니다.

마찰 계수가 높은 카본이나 세미 메탈릭 패드로 업그레이드하면 제동력이 상승하지만 디스크 로터 수명이 짧아질 수 있으니 잘 따져봐야 합니다.

패드의 크기 증가는 브레이크의 직접적인 성능과는 무관하나 열용량이 증가하므로 패드의 내열성, 내마모성은 향상됩니다.

그러나 최종적인 제동력은 타이어와 노면의 마찰력(접지력)이므로 품질 좋은 타이어를 장착하는 것이 가장 중요한 업그레이드라 하겠습니다.

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