브레이크는 출력을 올릴수록 보강의 필요성을 느끼는 품목이다.

하지만 정확히 보강해야 하는 것이 무엇인지 모르고, 브랜드 밸류에 쫓아 튜닝하는 경우가 많다.

얼마전 보배드림에서의 PA S*orts의 자료를 두고 한 네티즌이 벌인 논란을 보고, 이에 대한 정리를 해 보고자 한다.

1. 브레이크의 작동 과정

브레이크의 작동은 사람이 페달을 밟는 단계에서 시작하여,

최종적으로 패드가 디스크로터를 압착해서 차량의 속도를 줄이거나 정지시키는 단계에서 마무리된다. 

사람이 페달을 밟는 힘은 빠른 속도의 차량을 제동시킬만큼 크지 않기 때문에, 그 힘를 증가시키기 위하여,

첫째, 기압의 차이를 이용하여 힘을 증가시키는 진공부스터에서 1차로 힘을 증가시킨 다음,

둘째, 파스칼의 원리를 이용하여, 유압을 형성시킨 후 마스터실린더->브레이크호스->캘리퍼 피스톤을 거침으로써, 

한번 더 힘을 증가시켜 패드를 디스크로터에 강력하게 밀어준다.

즉, 브레이크에서 힘의 전달 과정은

페달 -> 진공부스터 -> 마스터실린더 -> 브레이크 호스 -> 캘리퍼 내 피스톤 -> 패드 -> 디스크로터

의 process를 거친다. 

2. 진공부스터

진공부스터는 기압의 차이를 발생시켜, 그 압력을 이용하여 밀어주는 힘을 발생시키는 장치이다. 

위의 사진은 진공부스터의 외관이다. 그러면 어떤 원리로 진공부스터가 작동하는지 보자.

진공부스터의 내부를 살펴보면, 아래와 같다.

하늘색 공간이 진공이고, 짙은 파란색이 대기이며 둘은 막으로 구분되어 있다.

여기서 진공은 엔진의 흡기밸브 뒤쪽에서 형성된 진공을 이용한다.

브레이크 페달을 밟기 전에는 부스터 내부의 좌측공간과 우측공간이 모두 진공 상태이다.

브레이크 페달을 밟게되면, 가운데 막이 좌측으로 움직이면서 우측공간에 대기가 유입된다.

이때 좌/우측 공간 사이에 기압차이가 발생하면서, 페달을 밟은 힘보다 훨씬 강력한 힘으로 막은 좌측으로 움직이게 되며, 

막과 연결된 푸쉬로드가 그 힘을 그대로 좌측으로 전달한다.

이 푸쉬로드가 미는 힘은 그대로 마스터실린더에 전달되어 강력한 유압을 형성시킨다.

3. 마스터실린더

 마스터실린더는 진공부스터에서 발생된 힘으로 유압을 생성시키는 장치이다.

위의 사진이 바로 마스터실린더이다.

그러면, 마스터실린더가 어떻게 유압을 생성시키는지 보자

마스터실린더 위쪽에 부착된것이 브레이크액 통이다.

진공부스터의 푸쉬로드가 우측으로부터 마스터실린더를 밀게 되면,

마치 주사기를 누른 것처럼 실린더 내부의 브레이크 액에 유압이 형성되어

브레이크 호스로 유압이 전달되게 된다.

4. 캘리퍼 및 피스톤

캘리퍼는 패드를 누르기 위한 피스톤을 한개 또는 여러개 가지고,

디스크로터 주변을 감싸는 장치이다.

캘리퍼는 크게 유동형(Floating) 캘리퍼와 고정형(Fixed) 캘리퍼로 나눈다.

유동형 캘리퍼는 순정 1 피스톤 혹은 2 피스톤 캘리퍼에 주요 사용되는 캘리퍼로써,

피스톤이 한쪽 면만 압착하고, 반대쪽 면은 작용-반작용 법칙에 따라 압착하는 형식으로

캘리퍼가 작용-반작용에 의해 가이드 핀을 따라 움직인다 하여 유동형 캘리퍼라 불린다.

고정형 캘리퍼는 4 피스톤 이상의 캘리퍼로써 로터의 양쪽면을 피스톤이 직접 압착하는 방식의 캘리퍼로써,

주로 고성능 차량이나 애프터마켓 시장의 튜닝용으로 사용되는 캘리퍼이다.

브렘보 6피스톤 캘리퍼

Chevloret cobalt ss 순정 4피스톤 캘리퍼

마스터실린더로부터 생성된 유압이 브레이크 호스를 통해 캘리퍼의 피스톤으로 전달되어,

피스톤이 패드를 눌러주게 된다.

캘리퍼의 성능은 파스칼의 원리에 따라, 피스톤의 단면적과 갯수에 비례하여 발휘된다.

피스톤의 단면적이 클수록 누르는 힘 F는 세지고,

피스톤의 갯수가 많을수록 패드를 넓고 고르게 눌러줄 수 있다.

5. 패드

패드는 회전하는 디스크 로터에 압착하며 마찰을 일으킴으로써 회전을 감소시켜 제동을 하는 부품이다.

따라서, 패드의 주성분은 마찰계수가 높은 마찰재로 이루어져 있다.

패드는 그 성분에 따라 유기질 패드, 세미 메탈릭 패드, 세라믹 패드, 소결 패드 4가지로 나눌 수 있다.

유기질 패드는 소음이 적고 저온 작동성이 우수하여, 통상 순정 패드로 많이 사용된다.

세미 메탈릭 패드는 소음과 분진이 많고, 마모가 빠르나, 고온 작동성이 우수하여 레이싱 패드로 많이 사용된다.

세라믹 패드는 근래에 많이 사용되는 패드로, 소음과 마모가 적고, 분진이 적은 편인 패드로써,

첨가재료에 따라 순정 패드로도 사용되고, 레이싱 패드로도 사용된다.

소결패드는 저온에서부터 고온까지 작동범위가 굉장히 넓고, fade에 무척 강하며,

소음과 분진이 적으며 마모도 적은 패드로써, 바이크에 사용되던 매우 고가의 패드이다.

패드의 성능을 판단하는 주요 특성으로는 cold bite, 소음, 분진, 마모, fade 저항성, 작동 온도의 범위 등이 있다. 

이러한 특성이 모두 우수한 것이 이상적인 패드이나,

소결패드를 제외하고는 일반적으로 우수한 특성과 부진한 특성이 상존한다.

위의 그래프는 소결패드인 CL Brake pad의 자료이다.

우측 그래프는 온도에 따른 마찰계수(μ)의 변화를 나타낸 그래프인데,

마찰계수(μ)가 저온으로부터 고온까지 플랫하게 유지되는 패드가 좋은 패드라고 할 수 있다.

6. 로터

로터는 바퀴와 함께 회전하며, 마찰재인 패드와 마찰하면서 최종적으로 제동이 이루어지는 부분이다.

브레이크 성능을 가장 크게 좌우하는 부분이기도 하다.

로터의 사이즈가 커지면, 회전축으로 부터 패드가 마찰을 일으키는 부분(작용점)까지 멀어짐에 따라,

지렛대 효과에 의해 그만큼 제동토크가 커져서 제동력이 좋아진다.

따라서, 고성능 브레이크일수록 로터가 굉장히 크다.

로터는 크게 solid disk와 ventilated disk 두 종류로 나눈다.

solid disk rotor

ventilated disk rotor

로터의 두장의 디스크 사이에 바람개비처럼 보이는 것이 vent인데,

이것이 디스크 로터의 냉각을 촉진시키기 위해 고안된 부분이다.

vent의 숫자에 따라 24vent, 36vent, 48vent 등으로 나눌 수 있다.

또한, 로터가 커지면 무거워져, 현가하질량 증가에 따라 로드홀딩에 불리하게 되므로 경량화를 시도하는데,

이렇게 나온 것이 2 piece 디스크로터이다.

이런 이유로 1 piece 디스크 로터와 2 piece로터로 나눌 수 있다.

좌측이 1 piece 디스크로터, 우측이 2 piece 디스크로터

7. 파스칼의 원리

마스터실린더에서 시작하여, 브레이크 호스, 캘리퍼의 피스톤까지의 구간이 파스칼의 원리가 지배하는 구간이다.

파스칼의 원리는 밀폐된 용기 속에서 정지하고 있는 유체(流體)의 일부에 압력을 가할 때,

각 부분의 압력은 어느 면에서도 일정하다는 원리이다.

따라서, 단면적 Ai에 Fi의 힘을 가하면 압력 P가 생성되고, 압력 P는 단면적 Ao에도 동일하게 미치게 된다.

P = Fi / Ai = Fo / Ao 의 공식이 성립하게 되고,

동일한 압력이 가해지므로, 단면적이 넓은 쪽은 단면적에 비례하여 힘이 증가하게 된다.

(그림에서 보는 바와 같이 움직인 거리는 di >>>> do 이므로 양쪽에서 이루어진 일의 양은 같다.)

Fi = P(동일) * Ai   <<<<   Fo = P(동일) * Ao

이렇듯, 힘을 배가시킬 부분의 단면적을 증가시킴으로써

몇배나 강한 힘을 생성시킬 수 있다는 것이 파스칼의 원리이다.

파스칼의 원리는 면적의 차이를 이용하여 힘을 증가시키는 장치에 주로 사용되는데,

차를 들어 올리는 유압잭이나 리프트가 바로 대표적인 장치이다. 

위의 그림과 비교하면, 브레이크에 있어서 ①에 해당하는 부분이 마스터실린더이고,

②에 해당하는 부분이 바로 캘리퍼의 피스톤이다.

따라서, 피스톤의 직경을 크게 하면 그만큼 더 큰 힘을 가할 수 있고,

피스톤 갯수를 늘려 가압면적을 늘리면 그만큼 더 큰 힘을 가할 수 있다.

(피스톤 갯수를 늘리면, 가압면적 증가와 더불어 패드 전체에 고르게 힘을 가할 수 있는 장점이 있다.)

물론 마스터실린더의 용량에 변화가 없다면, 피스톤의 작동거리는 짧아질 것이다.

그러나, 그 작동거리가 제동력을 발휘할 수 있는 범위 내에 있다면, 제동력은 증가할 것이다.

또한, 현대적인 브레이크는 연마모드와 점착모드 두 가지 모드에서 작동한다.

패드가 일정구간 압착할때까지는 패드와 로터가 연마되면서 마찰을 일으키고 제동력을 발휘하지만,

그 구간을 넘어서게 되면, 점착모드로 전환되는데, 이때부터는 패드를 누르는 힘과 제동력과는 비례하지 않는다.

(점착모드 : 패드의 물질이 로터에 녹아붙어 패드의 물질 상호간에 끈적임에 의해 제동력이 발생하는 모드)

즉 브레이크 페달을 더 깊이 밟는 것이 제동력에 아무런 영향을 미치지 않는다는 것이다.

따라서, 멀티피스톤의 캘리퍼로 튜닝할 경우,

피스톤의 이동거리 축소로 인해 제동력이 떨어질 가능성은 아주 낮으므로 제동력 향상을 기대할 수 있다.

다만, 제동력이 높아진다는 것은 그만큼 열에너지가 더 많이 발생한다는 것이므로,

튜닝전과 튜닝후에 동일한 패드를 사용한다고 가정하면, 튜닝후에 더 빨리, 그리고 더 심한 fade 현상이 올 것이다.

따라서, 고온에서 마찰계수를 잘 유지할 수 있는, fade 저항성이 높은 패드를 사용하여야 튜닝의 효과를 볼 수 있을 것이다.

8. 브레이크 튜닝 시 고려할 점

브레이크를 튜닝한다면,

첫째, 진공부스터의 성능을 향상시키고,

둘째, 마스터실린더의 용량을 늘리고,

셋째, 디스크 로터의 사이즈를 키워 지렛대 효과를 높이고,

넷째, 멀티 피스톤 캘리퍼로 가압면적을 늘리고,

다섯째, 넓은 범위의 온도에서 마찰계수를 유지하는 패드를 사용하고,

여섯째, 고온에서 기포가 생기지 않도록 , 비등점이 높은 브레이크 액을 사용하고,

일곱째, 브레이크 호스를 스테인레스 호스를 사용하면

브레이크 계통의 모든 성능을 향상시킬 수 있다.

그러나, 진공부스터와 마스터실린더의 교체는 작업의 용이성을 비롯하여 여러가지 어려운 점이 많으므로,

우리는 통상 세번째부터 튜닝을 주로 하게 된다.

여기서 주목할 점은 디스크 로터의 사이즈를 키우는 것이 가장 효과가 크다는 것이다.

그리고 여섯째와 일곱번째는 트랙에서처럼 극단적인 고온의 상황이 자주 오는 것이 아니라면,

일상 주행을 주로 하는 우리에겐 크게 효과를 볼 수 없는 튜닝이라 하겠다.

특히 브레이크 호스는 오로지 브레이크 페달 feel을 좋게하는 것이라 볼 수 있다.

브레이크는 운동에너지가 열에너지로 변환되면서 제동이 발생하는 시스템이다.

열이 발생되면 각종 부품의 물성을 변화시켜, 제 성능을 발휘하는데 장애요인으로 작용하게 된다.

브레이크의 성능 향상 시도는 열과의 전쟁이라고 볼 수 있다.

가장 좋은 브레이크 튜닝은

캘리퍼와 로터의 열을 빨리 식혀줄 수 있는 튜닝이 가장 효과적인 브레이크 튜닝이다.
 

따라서, 위에서 언급하지 않았지만 가장 효과적인 브레이크 튜닝은

캘리퍼와 로터를 향하는 에어덕트를 설치하여 냉각을 촉진하는 것이다.

고성능 스포츠카나 수퍼카의 하부를 보면, 브레이크를 향한 에어덕트가 설치되어 있는 것을 볼 수 있는데,

그것이 바로 이런 점을 방증하는 사례라고 할 것이다.