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1. 개요
기계의 제동장치를 일컫는 말. 교통수단에 있어서 가장 중요한 부품이며, 다른건 혼자 만지되, 이것만큼은 반드시 정비소를 보내라는 말이 있을정도로 중요한 정비중 하나다.[1] 흔히 브레이크라고 부른다.[2] 고속으로 동작하는 세탁기에도 자동차에 사용되는 것과 거의 동일한 디스크, 드럼 브레이크가 사용된다. 이런 것은 보통 업소용 세탁기에서 많이 볼 수 있다.2. 발열
브레이크는 운동하는 물체의 운동 에너지를 줄이는 기계이다. 보통 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 제동하는데 마찰력을 이용하여 운동 에너지를 열 에너지로 변환하는 마찰 브레이크가 가장 대표적인 방식이며, 마그네틱 브레이크나 발전 제동의 경우도 마찬가지이다.[3]상술한 운동에너지를 열로 바꾸는 원리에서 예외인 경우는 회생제동이 대표적이다. 운동에너지로 발생한 전기 에너지를 열로 변환하는 대신 이차 전지에 저장하므로 일반적인 브레이크와 원리가 다르다고 할 수 있다. 의외로 발전제동과 많이 혼동되는데, 발전제동은 운동에너지를 전기에너지로 바꾼 다음 저항으로 보내 태워서 열로 날려보내는 방식이지만, 회생제동은 전기에너지로 바꾸는 것까지는 발전제동과 동일하지만, 전기에너지를 열로 바꾸지 않고 축전지에 저장하는 것에서 차이가 난다. 자세한 것은 발전제동 문서의 2번 항목 참조.
회생 제동 기능이 있는 전기자동차는 일반적인 상황이나 여유 있는 제동 시에는 정상적인 회생 제동 방식을 사용하지만, 배터리 뱅크의 충전 용량 제한[4]으로 인해 회생 제동만으로는 급제동이 가능한 수준의 제동력을 낼 수가 없는 상황이 있다.[5] 결국 그 이상의 제동력을 내기 위해, 그리고 더 이상 배터리를 충전할 수 없는 만충 상태에서의 제동력 확보를 위해서 발전제동을 위한 저항기가 달려 있으며, 일반적인 마찰 브레이크도 같이 사용된다.
저항제어식 전동차의 경우 발전제동을 사용하기 때문에, 역에 정차할 때마다 열차 바닥에서 어마어마한 열기가 솟구치는데 특히 여름철에는 헤어드라이어가 따로 없었다. 요즘에는 회생제동을 사용하기도 하고 전동기의 효율이 높아졌기 때문에 그 정도로 뜨거운 바람이 불지는 않는다. 거기에다 최근 제작되는 전동차들은 VVVF방식을 택하는게 추세이고 저항제어 전동차는 생산이 중단되었고, 거의 대부분 퇴역하였다.[6]
3. 종류
3.1. 마찰 브레이크
승용 자동차에서는 드럼 브레이크와 디스크 브레이크가 자주 쓰이는데, 드럼 브레이크는 여러가지 이유로 사장되는 분위기이고 값싼 차도 요즘은 4륜 디스크 브레이크가 탑재되어 나온다. 둘 다 회전하지 않는 브레이크 패드를 각 바퀴에 연결되어 회전하는 드럼이나 디스크에 강하게 맞대 운동에너지를 열 에너지로 치환하여 차를 멈추는 역할을 한다. 각 브레이크 방식의 차이점은 항목 참조.마찰식 브레이크에 사용되는 드럼이나 디스크를 구동하기 위해서 힘을 전달하는 방법으로는 크게 유압, 공압이 쓰인다.
3.1.1. 종류
3.1.1.1. 디스크 브레이크
3.1.1.2. 드럼 브레이크
3.1.2. 구동력 전달 방식
3.1.2.1. 유압제동
승용차, 소형 승합차, 소형 트럭, 이륜자동차, 자전거 등과 같은 중소형 차량에는 유압을 사용하여 브레이크를 작동시키는 유압제동을 주로 사용한다.3.1.2.2. 공기제동
주로 버스, 대형 트럭 등 대형 차량이나 철도 차량에는 공기의 압력을 사용하는 공기제동을 사용한다.3.1.2.3. 전기지령식 제동
전기지령식 제동(Brake By Wire)은 전기제어를 통해 마찰 브레이크를 제어하는 방식이다. 원래는 철도차량에서 주로 사용되었지만 점차 자동차에도 적용되고 있다. 전기자동차, 하이브리드 자동차의 회생제동과 결합할 경우 높은 효율을 얻을 수 있다. 원래 브레이크 패달은 마찰 브레이크와 기계적으로 연결되어 있어서 브레이크 패달을 사용하여 제동할 경우 회생제동량이 줄어든다. 전기지령식 제동 방식을 도입하면, 브레이크 패달을 사용하여 제동해도 회생제동량과 마찰제동량을 자동으로 조절하여 제동하기 때문에 에너지 낭비가 덜 발생한다.문제는 전기장치가 항상 정확하게 작동할 것이라고 담보할 수 없다는 문제점이 있다. 소비자들 사이에서는 각종 급발진 사고로 인해 전기장치를 100프로 신뢰할 수 없다는 인식이 깔려 있다.
주차 브레이크의 경우 일반 자동차에서도 전기지령식을 쉽게 볼 수 있다. 오토홀드 옵션을 넣으면 들어가는 전자 주차 브레이크가 고급차를 중심으로 대중화되었기 때문이다.
발전제동이나 리타더 브레이크 같이 원래 전기 제어를 사용하는 브레이크 장치도 전기지령식 제동을 사용한다고 할 수 있으나, 보통 전기지령식 제동이라고 하면 마찰 브레이크에 사용하는 것을 말한다.
철도차량은 공기제동과 전기지령식을 혼합한 전기지령식 공기제동을 사용한다.
3.2. 엔진 브레이크
3.2.1. 배기 브레이크
3.2.2. 제이크 브레이크
3.3. 발전제동
3.4. 마그네틱 브레이크
4. 사용처별 브레이크
4.1. 철도차량의 브레이크
철도차량의 경우, 크기가 크고 무거운데다 속도 또한 빠르기 때문에 상당히 크고 강력한 제동력을 필요하다. 자동차에 사용되는 유압 브레이크만으로는 필요한 제동력을 충족시킬수 없기 때문에 공기제동, 전기제동 등의 방식을 사용한다. 사고 발생시 인명피해가 상당히 크기 때문에 이를 대비해 상용제동, 비상제동, 보안제동, 주차제동 등 제동장치를 여러개 구비하여 상황에 맞게 사용하여 안전운행을 하며, 기관차 외에 각 객차나 차장차, 화물차에도 브레이크가 하나하나 일일이 달린 채로 나온다.역사적인 언급을 덧붙여, 자동차들 외에도 기관차들도 이동수단인 만큼 브레이크가 의무적으로 달려있는데 증기기관차의 경우 운행이 한참 이루어지던 시절중 일부 기관차는 브레이크가 나무로 제작된 기관차들도 있었다고 한다. 하지만 문제는 브레이크 재질이 금속이 아닌 불에 잘 붙는 나무인지라 그 열차를 타고 운행하다가 브레이크를 걸때면 마찰로 인해 불꽃이 튀어 그 불꽃이 나무 브레이크에까지 튀어 열차가 불에타 멈추는것도 불가능하고 대형사고로 이어지는 사태까지 낳은 경우도 많았다고 한다. 대중매체에서는 대표적으로 증기기관차 토마스의 주역중 하나인 제임스가 나무브레이크를 단 기관차로 나오며 본격적으로 첫등장 하는 에피소드인 토마스와 구조열차 편에서는 이 브레이크 때문에 바퀴에 불까지 붙고 멈추지 못한채 대형사고를 당해 토마스에게 구조된 경우가 있다. 현대에 제작되는 철도차량들의 브레이크는 금속 재질로 만들어지기 때문이 금속이 발화할 만큼의 극단적인 온도가 아닌 이상 저럴 일은 없다.
또한 전기기관차, 전동차는 대부분 회생제동을 사용하기 때문에 마찰 브레이크를 불이 날 정도로 사용하는 경우는 드물다.
브레이크를 강하게 잡으면 바퀴가 잠겨 제동력이 제대로 작용하지 않는 현상이 철도차량에도 일어나기 때문에 활주방지장치( ABS)를 설치하여 바퀴가 잠기는 현상을 방지한다.
4.1.1. 철도차량용 제동장치의 구성
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제동통
열차의 제동력을 발휘하는 첫 부품. 제동통 안에 공기나 기름 등 유체를 집어넣으면, 유체의 압력에 의해 제동통 안의 피스톤 이 눌려져 제동력이 제륜자를 거쳐 바퀴로 전달된다. 제동력을 키우기 위해, 지렛대의 원리를 이용하여 제동력을 증폭시킨다. -
제륜자
브레이크 패드. 차륜이나 디스크를 눌러 마찰시키면 운동에너지가 열에너지로 바뀌어 열차를 멈추게 하는 부품이다. 위에서 언급한대로 과거에는 나무부품을 사용하였으나, 현재는 금속으로 바뀌었다. -
제동제어기
열차의 제동력을 제어하는 장치. 열차의 운전실에 설치되거나 일부 차량(완급차, 차장차 등)에 설치하여 기관사 또는 승무원이 제어한다. 보통 제동제어기는 기관사가 운전실에서 제동력을 제어하며, 운전실 바깥의 제동제어기는 비상상황 또는 특수한 상황 이외에는 사용되지 않는다. 차장이 조작하는 제동제어기는 차장변으로 불린다. 그 외에도 입환, 연결, 분리작업 또는 경사면에서 열차가 굴러가는것을 방지하기 위해 수제동기(핸드브레이크)를 둔다. -
관통제동
열차의 안전장치로, 열차가 운행도중 분리되었을때 자동으로 열차를 멈추게 하는 장치이다. 열차 전 차량을 관통하는 공기관 또는 회로를 구성하고, 공기관/회로가 파손되었을때 자동으로 제동장치를 작동시켜 열차를 멈추게 한다.
현재는 안전루프회로를 구성한다. 각 차에 비상제동 전자밸브(EBV)와 각종 안전장치를 전 차량에 직렬회로로 연결하고, 전원을 연결한다. 안전루프회로는 평상시에 전기가 흐르고, EBV는 ON 상태로 비상정지를 위해 압축공기를 가두다, 열차가 분리되거나 안전장치가 작동되어 회로에 전기가 끊어지면, EBV가 꺼지면서 가둬둔 압축공기를 재빠르게 제동통으로 보내어 열차를 멈추게 한다.
4.1.2. 철도차량용 제동장치의 분류
철도차량의 제동장치는 제어, 용도, 체결, 작용 방식에 따라 여러개로 분류되어 목적에 따라 이에 적합한 제동장치를 사용한다.4.1.2.1. 마찰 부위에 따른 분류
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답면제동
열차 차륜의 답면(차륜에서 레일과 직접적으로 맞닿는 부분)에 제륜자를 눌러 마찰시키는 방식이다. 구조가 간단하고 저렴하여 유지보수가 쉽다는 장점이 있으나, 차륜 마모가 심해지는 단점이 있다. 주로 화차나 전동차의 구동차(M)에 설치한다. -
디스크제동
차축에 디스크를 설치하고 디스크를 눌러 마찰시키는 방식이다. 쉽게 말해 철도차량용 디스크 브레이크다. 차륜과 차축은 통짜로 연결되어 있기에 디스크를 누르면 차축과 차륜의 속도가 동시에 줄어들어 제동이 체결된다. 차륜의 마모를 줄일수 있다는 장점이 있다. 주로 객차나 전동차의 부수차(T)에 설치한다. -
레일제동
제륜자를 레일 방향에 수직으로 설치하여 제동시 레일을 눌러 마찰시키는 방식이다. 노면전차나 산악철도 처럼 매우 큰 제동력이 필요한 열차에 사용된다. 사용시 레일이 마모되어 뒤에 오는 열차에 지장을 줄 수 있는 단점이 있다. 현재 대한민국에서 해당 방식을 사용하는 열차는 없다.
4.1.2.2. 제동 체결 방식에 따른 분류
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접촉식(마찰식) 제동장치
기계적인 힘으로 차륜 또는 차축 디스크를 눌러 마찰시키는 방식이다. -
수용제동(핸드브레이크)
스프링의 탄성력으로 제동을 잡는 방식. 각 차 또는 운전실에 설치된 브레이크 레버를 손으로 당기면 스프링이 풀려 스프링이 차륜 또는 디스크를 붙잡는 방식이다. 구조가 간단하다는 장점이 있으나 제동력이 약해 열차를 장시간 멈춰세우거나 기울기가 있는 구간에서 멈춰세울때 굴러가는것을 방지하기 위한 용도로 사용된다. -
증기제동
증기기관차에 사용하는 제동 방식으로, 증기 압력을 이용해 제동을 제어하는 방식이다. 유지 및 관리가 어려운데다 제동력이 약하여 현재는 사용되지 않는 방식이다. -
진공제동
대기압과 진공의 압력차를 이용하는 제동 방식이다. 제어가 어렵고 구조 또한 복잡한데다 대기압과 진공의 압력차이가 현저히 적어(1.033kgf/cm2) 현재는 사용되지 않는다. -
유압제동
노면전차에 사용하는 방식으로, 자동차 브레이크와 동일하게 유체의 압력으로 차륜 또는 디스크를 눌러 사용하는 방식이다. 현재 대한민국에 적용된 사례는 없으나, 향후 노면전차가 확대되면 널리 사용될 방식이다. -
공기제동
압축공기의 압력으로 제동을 체결하는 방식이다. 제어가 쉬울 뿐만 아니라 평균적으로 대기압의 2배 이상(2.066kgf/cm2) 압력의 압축공기를 넣기에 위 4개 방식보다 더 큰 제동력을 발휘할 수 있기에 현재 널리 사용되는 방식이다. -
전기제동
견인전동기를 동력으로 사용하는 열차( 전동차, 전기기관차, 디젤전기기관차)에 사용되며, 열차의 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 방식이다. 동력을 끊고 제동을 조작하면, 열차의 운동에너지가 고스란히 차륜을 통해서 차륜에 연결된 견인전동기의 회전자가 회전해 역기전력이 발생하여 운동에너지가 전기에너지로 바뀐다. 즉, 견인전동기가 발전기 역할을 하면서 전기가 만들어진다. 이때 견인전동기가 발전기 역할을 하면서 생성된 전기를 다시 다른 에너지로 변환하여 열차의 제동력을 발휘한다.
전기제동는 공기제동보다 제동력이 크나, 속도가 낮을수록 전기제동력이 떨어지기에 공기제동을 같이 섞어서 사용한다. 기계없이 순수 전기로 제동력을 발휘하기에 제동 부품의 마모가 현저히 적어 전동차의 주된 제동수단으로 사용된다. 전동차는 반 이상의 차량에 견인전동기가 설치되어 있기에 , 전기기관차나 디젤전기기관차는 기관차 부분에만 전동기가 견인전동기가 설치되어 있어 전기제동이 제한적으로만 발휘된다. 변환된 전기에너지를 어디에 사용하느냐에 따라 따라 발전제동, 회생제동, 와전류제동으로 분류된다. -
발전제동
저항제어 전동차에 사용되는 제동방식으로, 운동에너지로부터 변환된 전기에너지를 주저항기로 보내 열로 태우는 방식. 구조가 단순하나 효율이 상당히 안 좋다. -
회생제동
운동에너지로부터 변환된 전기에너지를 전차선으로 되돌려 역행중인 후속 열차 또는 인근 변전소로 내보내는 방식. 효율이 좋아 현재 주로 사용된다. 초퍼장치 또는 VVVF장치에서 전압, 주파수를 전차선 전원(DC 1,500V/AC 25kV 60Hz)에 맞게 올린다. -
와전류제동
전기를 전자석으로 내보난 다음, 전자석에서 발생한 자기력으로 열차를 멈추는 방식.
4.1.2.3. 용도에 따른 분류
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상용제동
열차가 평상시에 속도를 줄이거나, 멈춰세우는 용도로 사용된다. -
비상제동
열차 운행중 갑작스런 이상이 발생하여 급격하게 멈출 필요가 있을때 사용된다. 기관사가 제동제어기를 비상 위치에 두거나 비상제동 스위치를 수동으로 눌러 비상제동을 사용하나, 기관사 이상에 따른 데드맨 스위치 동작, 신호위반에 따른 ATS등 운전보안장치의 비상제동 명령[7], 공기압력 부족, 열차 분리 등 기관사가 직접 대처가 불가능한 영역의 경우 자동으로 비상제동을 체결하여 열차의 안전운행을 확보한다. -
보안제동
열차 운행도중 상용과 비상제동 둘 다 고장나 사용이 불가능하거나 상용, 비상제동을 사용해도 제동력이 부족한 경우에 사용된다. 상용/비상제동 체계와 별도의 제어회로, 공기계통을 사용한다. 5kgf/cm2정도의 강력한 공기압을 제동통에 쏴주기 때문에 제동 중에서 강력하다. -
주차제동
이름 그대로 열차를 차량기지나 주박선로 등의 곳에서 장시간 주차시킬때 열차가 스스로 굴러가는 것을 막는 용도로 사용된다. -
정차제동
열차가 기울기가 있는 구간에 멈출때, 스스로 굴러가는 것을 막기 위해 사용된다.
4.2. 자동차의 브레이크
자동차를 보통 정비소에 가져가면 브레이크 패드가 한참 남았는데도 얼른 바꾸라고 협박하는 경우가 있는데, 좋게 보면 다음번에 올때까지 브레이크 패드가 남아나지 않아서 예방 차원에서 하라는 소리이거나, 나쁘게 보면 그냥 호구잡는 경우이다. 정비소 입장에서는 브레이크 패드 교체는 30분에서 1시간도 안 걸리는 간단한 작업이고, 자가정비나 트랙 좀 다니는 사람이면 집에서도 순식간에 할 만한 정비이다. 모종의 이유[8]로 자동차 자가정비를 하는 사람이라면 브레이크 정비는 쉽게 배우고 실행할 수 있다. 비디오로 제대로 배우고 실수할 만한 부분을 미리 알아두면 안전하게 시행할 수 있다. 대부분 플로팅 캘리퍼는 바퀴당 볼트 2개만 해제하고, 피스톤을 다시 밀어넣고 패드를 삽입한뒤, 적절하게 윤활유나 먼지를 제거하고 새 윤활유를 도포하고 다시 닫으면 끝이다. 고성능 픽스트 캘리퍼는 핀 하나만 뽑으면 분해되어 트랙에서 쉬는 시간에 교체할 수 도 있는 간단한 구조다.여담으로, 최근의 차량들에는 앞 차와의 거리를 인식하여 자동으로 비상 브레이크를 거는 AEB라는 시스템이 장착되기도 한다. 위 동영상은 대형 트럭인 볼보 FH에 장착된 AEB를 테스트하는 영상으로 볼보 트럭의 위엄이라는 제목으로 유명한 영상이다.
4.2.1. 리타더 브레이크
4.2.2. 주차 브레이크
4.3. 자전거의 브레이크
5. 부품
6. 관련 증상/고장
7. 관련 안전장치
8. 관련 문서
[1]
개인이 할만한 자동차 정비 중 그나마 어렵지 않은 정비이긴 하지만, 미숙한 정비로 문제가 발생하면 그만큼 위험하기 때문이다.
[2]
노인들 중에서는 일본식 발음의 영향이 남아있어서 브레이키 내지는 브레끼라고 발음하기도 한다.
[3]
마그네틱 브레이크는 운동에너지 → 자기에너지 → 전기에너지(와전류가 열로 소모됨) → 자기에너지(와전류에 의한 자기장) → 운동에너지(제동력) 순으로 제동력이 나타나며 발전 제동은 운동에너지(제동력) → 자기에너지 → 전기에너지(역기전력) → 열에너지(저항)로 제동력이 나간다.
[4]
당연히 배터리 뱅크로 넣을 수 있는 충전전류의 크기는 제한 되어 있으며, 이를 넘어서면
배터리가
열을 받거나
폭발할 수 있다.
[5]
회생 전력을 키우면 제동력이 커진다는 말은, 반대로 제동력을 키우려면 회생 전력이 커져야 한다는 말도 된다.
[6]
노인 학대 수준으로 굴려먹는 부산교통공사의 구형 열차도 초퍼나 개조한 VVVF지 저항제어를 굴려먹지는 않는다. 저항제어를 썼다면 부산 여름 기후 특성상 심하게 덥다고 민원이 들어왔을 듯.
[7]
ATC,
ATP의 경우 신호위반/속도초과 시 바로 상용제동으로 멈추거나 제한속도 이하로 감속시키기에 비상제동이 체결되지 않는다. 단, ATC의 경우 제동력 감지기능이 있기 때문에 신호위반에 따른 제동시 제동력이 부족하다고 판단될 경우 자동으로 비상제동을 체결한다.
[8]
트랙주행 등으로 브레이크 패드를 매우 자주 갈아야 하는 경우 등