자동차 브레이크(Brake)는 빠르게 주행하는 자동차의 속도를 줄이거나 안전하게 멈춰주는 중요한 안전시스템입니다. 브레이크는 아시다시피 마찰력을 이용해 자동차의 운동에너지(타이어의 회전에너지)를 열에너지로 변환하고 발생된 열을 대기중으로 방출함으로써 자동차의 속도를 감속하거나 완전히 정지시켜 주는 장치입니다.
주행중에 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 유압이 작동해 브레이크 패드(Pad)나 브레이크 슈(Shoe), 브레이크 라이닝(Lining)등과 같은 마찰재가 엔진이나 전기모터의 구동력을 노면으로 전달하는 바퀴(타이어)에 장착되어 함께 회전하는 디스크로터(Disk rotor)나 브레이크 드럼(Drum)의 회전력을 감소시켜 주는 것이지요.
이러한 브레이크 시스템은 최근 단순하게 자동차의 속도를 제어하는 단순한 역할에서 더욱 진화해 자동차의 주행안정성을 향상시킴으로써 자동차가 보다 빠르고 안전하게 주행할 있게 해 줄뿐 아니라 회생제동을 통해 전기차의 고전압배터리를 충전해 주는 등 그 역할이 더욱 확대되고 있는 추세입니다.
ABS 즉 미끄럼방지 제동시스템(Anti-Lock Brake System)이 대표적이라 할 수 있습니다. 자동차가 주행중 급제동을 하면 차체의 무게중심이 순간적으로 앞쪽으로 쏠리면서 뒷바퀴가 잠기는 현상이 발생해 차체 뒤가 흔들리거나 스핀을 일으켜 사고를 일으킬 수 있습니다.
초창기 자동차 브레이크 시스템은 이러한 현상을 방지하기 위해 앞바퀴와 뒷바퀴의 제동력을 적절하게 분배해 주는 프로포셔닝 밸브(Proportioning Valve)라는 장치를 적용했습니다. 그러나 프로포셔닝 밸브는 단순히 뒷바퀴의 제동력을 억제함으로써 뒷바퀴의 잠김현상을 줄이기 위한 장치로 눈길이나 빗길과 같은 미끄러운 노면에서는 효과가 떨어질 수밖에 없었습니다.
또한 브레이크 디스크와 브레이크 패드의 마찰상태가 네 바퀴 모두 균일하지 않고 주행노면 상태에 따라서도 좌우 바퀴의 제동력이 동일하지 않기 때문에 차체의 중심에서 모멘트(Moment, 물체를 회전시키려 하는 힘)가 발생하게 됩니다.
자동차의 성능이 좋아지면서 브레이크를 밟았을 때의 마찰력(제동력)이 타이어와 노면과의 마찰력보다 커지는 현상이 발생해 차량이 멈추지 않고 타이어가 잠긴 상태로 미끄러지는 현상도 발생하게 되었습니다. 특히 바퀴가 잠긴 상태에서는 스티어링 휠의 조향이 불가능해 큰 사고로 이어질 수도 있습니다.
ABS는 각 바퀴에 달린 휠 스피드센서가 각각의 바퀴 회전수를 감지해 제동력을 제어함으로써 타이어의 미끄러짐을 방지함은 물론 제동거리를 줄임과 동시에 조향력을 복원시켜 제동안전성을 극대화한 브레이크 시스템입니다.
ABS의 성능이 발전하면서 차량의 제동력과 구동력을 보다 적극적으로 제어할 수 있게 됨에 따라 바퀴구동 제어시스템(TCS, Traction Control System)과 전자제어 차체자세 제어시스템(ESC, Electronic Stability Control)과 같은 첨단안전장치가 등장해 자동차의 주행안정성이 크게 향상됨은 물론 교통사고를 줄이는데도 일조하게 되었습니다.
TCS는 자동차가 미끄러운 노면을 주행하거나 급가속할 때 타이어의 미끄러짐(휠 스핀) 현상을 방지해 주는 장치로 엔진출력을 떨어트리거나 휠 스핀이 발생한 타이어에 제동력을 발생시켜 접지력을 향상시켜줌으로써 코너링 주행 때나 미끄러운 노면에서 차량이 쏠리거나 미끄러지는 현상을 줄여주는 역할을 합니다.
ESC는 TCS보다 한층 진화된 안전사양으로 네 바퀴의 제동력을 보다 적극적으로 제어해 언더스티어(Under Steer)나 오버스티어(Over Steer)를 최대한 억제함으로써 코너링 때 차량이 미끄러지거나 조향력을 잃지않도록 조종안정성을 극대화해 주는 것이 특징입니다.
저속주행 또는 고속주행 중 앞 차와의 충돌사고가 예상될 때 혹은 차량 전방에 자전거 이용자나 보행자를 감지해 운전자에게 경고해 주고 자동으로 브레이크를 작동시켜 충돌위험을 방지해 주는 전방추돌방지보조(FCA, Forward Collision-Avoidance Assist)와 저속추돌방지시스템(City Safety), 자동비상제동장치(AEB, Autonomous Emergency Brake), 정속주행은 물론 정차 후 재출발까지 가능한 인텔리전트 스마트크루즈 컨트롤(IACC,, Intelligent Adaptive Cruse Control) 등 자율주행시스템에도 첨단 브레이크 시스템이 중요한 역할을 하고 있습니다.
특히 최근 하이브리드차와 전기차 등 전동화 친환경차가 대중화됨에 따라 회생제동시스템(Regenerative Break) 또한 브레이크 시스템의 새로운 역할로 주목받고 있습니다. 전기를 주동력원으로 사용하고 있는 전동화차량(xEV, xElectronic Vehicle)은 내연기관의 유압식 브레이크와 함께 회생제동이라는 혼합 브레이크 시스템을 사용하고 있습니다.
회생제동이란 차량감속은 물론 기존 브레이크 작동 때나 타력주행 때 버려졌던 열에너지와 운동에너지를 구동모터-제너레이터를 활용해 전기에너지로 변환시켜 고전압배터리를 충전해 전기차의 주행거리를 늘려주는 시스템입니다.
아시다시피 전기모터와 발전기의 작동원리는 서로 반대 개념으로 전기를 모터 몸체에 있는 구리권선에 공급하면 회전로터가 자기장에 의해 회전하게 되지만 반대로 회전로터를 구동하게 되면 전기가 발생합니다. 자동차가 감속하거나 타력주행 할 때의 구동력으로 모터-제너레이터를 작동시키면 전기에너지를 생성할 수 있을 뿐 아니라 역기전력(저항)이 발생해 내연기관의 엔진브레이크와 같은 감속효과도 얻을 수 있습니다.
회생제동으로 부족한 제동력은 전자제어 마스터실린더를 통해 내연기관과 같이 유압으로 제동력을 발생시킵니다. 회생제동은 이러한 혼합제동을 통해 배터리충전과 제동력이라는 일석이조의 효과를 볼 수 있는 것이지요.
이 외에도 급브레이크를 밟아야 하는 상황에서 운전자가 브레이크 페달을 밟는 압력보다 제동력을 더욱 높여주는 자동 급브레이크 기능(Brake Assist)을 비롯해 언덕길에서 정차 후 출발할 때 브레이크를 작동시켜 차량이 뒤로 밀리는 현상을 방지해 주는 언덕길 밀림방지시스템(Hill Start Assist)이나 브레이크를 밟지 않고도 급격한 경사로와 같은 내리막길을 저속으로 안전하게 내려올 수 있게 도와주는 내리막길 주행장치(Hill Down Assist) 등도 브레이크시스템의 새로운 기능이라 할 수 있습니다.
이처럼 자동차 브레이크 시스템은 단순한 속도제어 기능 뿐 아니라 자동차의 주행안정성과 안전 및 편의사양으로까지 기능과 역할이 점차 확대됨에 따라 중요성이 날로 높아지고 있는 추세입니다.