벤틸레이티드 브레이크 디스크(Ventilated Disc) 수업 자료

브레이크 시스템(Brake System) 구성 요소

브레이크 페달(Brake Pedal), 브레이크 오일 리저버 탱크(Brake Reservoir Tank), 하이드로백(Hydro-vac), 브레이크 안티록 시스템(Anti Lock Brake System), 브레이크 캘리퍼(Brake Caliper), 브레이크 패드(Brake Pad), 브레이크 패드(Brake Pad)로 구성된다.

 

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브레이크 시스템(Brake System) 작동 원리

자동차의 근본적인 역할은 앞으로 나아갈 때 잘나가고 멈춰야 할 때 잘 서는 것이다. 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 엔진으로부터 생성된 진공으로 하이드로백이 답력을 만들어준다. 브레이크 오일은 이 힘을 받아 ABS를 통과해 각각 네 바퀴에 장착된 캘리퍼에 압력을 밀어준다. 브레이크 캘리퍼에 전달된 브레이크 오일은 엄청난 압력으로 피스톤을 밀어주게 된다. 마지막으로 모든 압력을 받은 피스톤은 브레이크 패드를 브레이크 디스크에 압착시켜 마찰력을 통해 자동차가 멈추게 만들어 준다.

브레이크 패드와 브레이크 디스크가 접촉하게 되면서 마찰을 통해 제동력을 구사하기 때문에 이 두 부품은 엄청난 고열에 노출된다. 그렇기 때문에 브레이크 디스크는 금속 소재로 만들어져 있고 브레이크 패드는 마찰이 큰 소재로 만들어진다. 브레이크 패드나 브레이크 디스크 모두 고열 속에서 작동하는 부품이므로 열을 잘 흡수하면서도 열을 잘 방출하는 성능이 뛰어날수록 일관된 제동 성능이 발휘된다. 공학적으로 따져보면 브레이크 시스템은 '운동 에너지'가 '열 에너지'로 전환되면서 차량을 제동 하는 방식이다.

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1. 벤틸레이티드 디스크(Ventilated Disc)

과거에는 브레이크 디스크 대신 브레이크 드럼이 사용되는데 이 둘의 차이점은 명확하다. 브레이크 디스크는 캘리퍼가 브레이크 패드가 외부에 장착되어 안쪽으로 압착시켜 브레이크 디스크와 마찰을 일으켜 제동하는 방식이다. 브레이크 드럼은 브레이크 패드가 내부에 장착되어 외부로 밀어내면서 압착시켜 브레이크 디스크와 마찰을 일으켜 제동 하는 방식이다. 벤틸레이티드 디스크가 탄생하게 된 계기는 브레이크 드럼의 단점이 너무나 많기 때문이다.

브레이크 드럼은 브레이크 패드와 더불어 여러 부품이 내부에 장착되기 때문에 분진이 그대로 내부에 축적되고 이로 인해 소음 발생 빈도가 높다. 또한 브레이크 패드와 디스크가 마모 되면서 페달을 밟는 깊이가 달라지면 패드와 디스크의 유격을 별도로 조정해야 한다. 제일 큰 문제는 모든 부품이 드럼 내부에 있기 때문에 어떤 문제가 생기면 육안상으로 판단이 불가능하여 꼭 탈거해야만 정확한 진단이 가능하다는 점이다.

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1-1. 벤틸레이티드 디스크(Ventilated Disc) 기능

브레이크 디스크(로터)는 일명 자동차 바퀴(휠 & 타이어)와 같이 회전하며 브레이크 패드와 마찰을 통해 자동차를 제동시키는 부품이다. 요즘 대부분의 차량은 '벤틸레이티드 디스크(Ventilated Disc)'를 사용한다. 벤틸레이티드 디스크는 과거에 사용하던 브레이크 드럼과는 다르게 가운데 쪽으로 공기가 들어가서 바깥으로 회전하며 빠져나가는 구조를 지닌다. 이런 구조로 인해 브레이크 디스크와 브레이크 패드 사이에 마찰력으로 생기는 브레이크 연소가스를 배출하는데 탁월하다. 또한 회전 방향에 맞게 지속적인 쿨링(Cooling)을 통해 디스크의 뒤틀림을 줄이고 변형을 막아준다.

열을 잘 받아들이면서 한 편으로는 열을 잘 배출해야하는 2가지 속성을 지녀야 하는 브레이크 디스크는 열 스트레스를 견디지 못하면 크랙이 발생하게 되는데 벤틸레이티드는 이 2가지 성능이 좋기 때문에 크랙이 발생하는 것을 억제하는 효과도 있다. 제조사별로 아주 다양하고 복잡한 구조를 사용하는데 사실 디테일하게 보면 차이가 있을지도 모르지만 일상 속에서 그 차이점은 체감으로 크게 느껴지지 않는다.

브레이크 패드와 브레이크 디스크의 마찰력이 높으 재질을 사용하면 제동력은 상승하지만 그로 인해 쉽게 과열되어 열이 방출 효율이 떨어지게 되며 일시적으로 제동력이 감소하거나 심한 경우 제동력을 상실할 수도 있게 된다. 이 때문에 브레이크 디스크는 내마모성과 내균열성이 우수한 주철 또는 주강으로 제조된다. 여기에 탄소가 함유되면 좀 더 빠르고 효율적인 열방출로 인해 제동 성능이 훨씬 좋아진다. 브레이크 디스크는 열 흡수 성능도 좋고 열 방출 성능 또한 좋아야 일관된 제동력을 유지할 수 있게 된다.

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1-2. 벤틸레이티드 디스크(Ventilated Disc)의 종류

벤틸레이티드(Ventilated Disc)는 총 4가지로 분류된다. 기본 디스크(Standard), 타공 디스크(Drilled), 사선 디스크(Slotted), 사선 타공 디스크(Drilled Slotted)다. 브레이크를 밟으면 브레이크 패드와 브레이크 디스크가 밀착되면서 마찰열로 인해 온도가 높아진다. 그렇게 되면 마찰열로 인해 마모되는 브레이크 패드에서 연소 가스가 발생한다. 패드 연소가스의 가장 큰 문제점은 브레이크 패드와 브레이크 디스크가 접촉하지 못하게 밀어내는데 이로 인해 브레이크가 제대로 작동하지 못하는 현상을 일으키게 된다. 이 현상을 브레이크 페이드 현상(Brake Pad Fade)이라고 한다.

기본 디스크를 제외하고 타공, 사선, 사선타공 디스크는 패드 연소가스로 인해 생기는 페이드 현상을 극복하기 위한 성능형 브레이크 디스크다. 타공 디스크나 사선 디스크는 생긴 형상에서도 알 수 있듯이 브레이크 패드 연소 가스를 배출시키는 역할을 한다. 물론 시간이 흐르면서 브레이크 패드의 재질이 개선되었기 때문에 브레이크 패드 페이드 현상을 거의 볼 수 없을 정도다. 그럼에도 불구하고 브레이크 패드의 재질 개선만으로는 연소가스를 배출시킬 방법이 없으니 디스크를 업그레이드하는 게 브레이크 계통 컨디션에도 큰 도움이 된다.

타공 디스크는 브레이크 패드와 마찰을 일으키는 브레이크 디스크 접촉면에 구멍이 뚫려 있다. 이 구멍은 브레이크 패드가 브레이크 디스크에 접촉하는 면적을 줄어들게 하기 때문에 일반 디스크에 비해 순간적으로 열을 더 많이 받게 된다. 그래서 구멍이 뚫린 부분(타공)에 크랙이 쉽게 발생한다. 그럼에도 불구하고 브레이크 패드 연소 가스 배출과 그 구멍으로 열을 방출시키기 때문에 긍정적인 효과가 있는 것은 분명하다. 열을 많이 받는 점도 있으나 쿨링과 연소가스 배출에도 탁월하기 때문에 장단점이 동시에 존재한다.

사선 디스크도 타공 디스크와 동일하게 브레이크 패드 연소가스 배출과 열방출 기능을 한다. 타공 디스크처럼 구멍이 뚫린 게 아니라 완전한 방출이 불가능하고 회전 방향에 따라 방출시키기 때문에 저속 운행 중에 그 기능은 살짝 저하되는 부분이 있다. 타공 디스크와 동일하게 브레이크 패드와 브레이크 디스크가 접촉하는 면적이 줄어들기 때문에 순간적으로 열을 더 많이 받게 된다. 그래도 타공 디스크는 구멍이 뚫린 부분에 크랙이 생겨서 내구성이 떨어지는 반면 사선 디스크의 경우 크랙이 발생하는 경우는 드물기 때문에 내구성은 좀 더 좋다.

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a. 기본 브레이크 디스크(로터), Standard Disc

큰 기술을 요하지 않는 기본적인 제조 방식의 일반 브레이크 디스크다. 비용 대비 성능이 훌륭하며 성능 향상을 위한 어떤 무늬나 형상이 존재하지 않는다. 성능을 끌어올리는 업그레이드 된 디스크에 비해 쇳가루 발생이 적고 소음 발생이 덜하다. 타공 디스크, 사선 디스크와 같이 성능을 끌어올리는 업그레이드 형태의 디스크는 기능적인 효과는 탁월하나 수명이 더 짧다. 그러나 일반 디스크는 이 디스크들에 비해 수명이 긴 편이다.

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b. 타공 브레이크 디스크(로터), Drilled Disc

자동차가 정지를 하기 위해 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 패드와 브레이크 디스크가 마찰하면서 마찰열로 인해 상당한 양의 연소가스가 발생한다. 이때 발생한 연소가스가 빠져나갈 방법이 없다면 패드와 디스크 접촉면 사이에 가스로 인해 접촉면이 붕 뜨게 된다. 그러면 패드와 디스크의 닿는 면이 줄어들게 되며 제동 성능이 현저히 떨어지게 된다. 이를 해결하기 위해 탄상 한 게 바로 타공 디스크다. 타공 디스크는 디스크 면에 구멍(타공)을 뚫어 연소가스가 효과적으로 방출하게끔 만들어준다. 연소가스가 효과적으로 방출되면 접촉면이 붕 뜨는 현상이 없어져 마찰력이 그대로 좋아질 수밖에 없다. 게다가 구멍을 통해 열 배출 또한 이중 효과로 발생하니 디스크 성능이 일반 디스크에 비해 월등히 좋다.

타공 디스크는 브레이크 패드와 브레이크 디스크 사이의 지속적인 마찰 증가와 연소가스 배출 그리고 효과적인 쿨링을 통해 높은 제동력을 구사한다느 장점이 있다. 하지만 곳곳에 뚫린 구멍(타공)으로 인해 브레이크 패드와 브레이크 디스크가 접촉하는 면적이 자연스럽게 좁아진다. 이렇게 되면 내구성이 약한 구멍(타공) 부분에는 높은 열로 인해 크랙이 발생하게 되는 단점이 생긴다. 열을 잘 방출해서 갖는 장점도 있지만 또 열을 많이 받아 생기는 단점도 있다.

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c. 사선, 슬롯 브레이크 디스크(로터), Slotted Disc

자동차가 정지를 하기 위해 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 패드와 브레이크 디스크가 마찰하면서 마찰열로 인해 상당한 양의 연소 가스가 발생한다. 이때 발생한 연소가스가 빠져나갈 방법이 없다면 패드와 디스크 접촉면 사이에 가스로 인해 접촉면이 붕 뜨게 된다. 이렇게 되면 패드와 디스크의 닿는 면적이 줄어들게 되어 제동 성능이 현저히 떨어지게 된다. 목적은 타공 디스크와 동일하다. 디스크 면에 길(무늬)을 만들어 연소가스가 효과적으로 방출하게끔 만들어준다. 연소가스가 효과적으로 방출되면 접촉면이 붕 뜨는 현상이 없어져 마찰력이 그대로 좋아질 수밖에 없다. 게다가 길(무늬)을 통해 열 배출 또한 이중 효과로 발생하니 디스크 성능이 일반 디스크에 비해 월등히 좋다.

사선 디스크는 타공 디스크보다 열용량이 크고 접촉면이 넓어지기 때문에 마찰계수도 높아 적은 에너지로도 효율적인 제동이 가능해진다. 슬롯 디스크는 가공 상태가 매우 중요하다. 슬롯 안쪽 홈에서부터 슬롯 바깥쪽 홈까지 제대로 가공되지 않으면 브레이크 연소 가스 배출이 용이하지 않을 뿐더러 균열이 쉽게 발생할 수 있다. 연소가스 배출과 열 배출에 용이하지만 타공 디스크에 비해 그 성능이 그리 좋진 않다. 회전 방향에 맞게 성능을 발휘하기 때문에 저속 주행에서는 효과적이지 못하고 고속 주행에서 효과가 매우 좋다.

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d. 타공 사선 브레이크 디스크(로터), Drilled Slotted Disc

타공 디스크와 사선 디스크의 장점과 단점을 모두 모아 놓은 브레이크 디스크다.

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2. 브레이크 디스크(로터) 내부 구조의 종류

브레이크 디스크의 기능적 요소로써 종류가 다양한 것도 있지만 내부의 구조 형상에 따라 종류 또한 다양해진다. 브레이크 디스크(로터)에 있어서 또 다른 중요 요소는 디스크(로터) 내부 공기가 빠져나가는 설계다. 내부는 직선, 곡선, 도트 등 매우 다양한 구조로 분류된다. 실제 공기 흐름을 개선하지만 아직까지도 최적의 내부 구조 디자인은 아직까지 밝혀진 게 없다. 내부의 공기가 빠져나가는 구조를 베인이라고 하는데 베인의 목적은 디스크가 더 많은 냉각과 열 방출을 할 수 있도록 기능적인 도움을 주는 것이다. 또한 베인의 구조에 따라 디스크 회전 방향이 결정되기 때문에 자동차 수리&정비 시 장착 위치가 정해지기도 한다.

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a. 직선 베인

가장 많이 채택되는 디스크 내부 구조 방식이다. 대부분의 브레이크 디스크 베인은 직선 베인을 사용하고 있으며 가장 일반적인 형식이기 때문에 대부분의 차량에 장착된다고 보면 된다. 냉각 능력도 좋고 장착 시 베인의 방향을 고려할 필요가 없기 때문에 별도의 장착 위치가 설정되지 않는다.

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b. 곡선 베인

직선 베인보다 제조 과정이 까다롭고 많은 재료가 사용되기 때문에 무게가 무겁다는 단점을 가지고 있다. 곡선 베인은 열 방출이 뛰어나고 내구성이 좋아 튼튼하기 때문에 더 높은 열을 견디는데 효율적이다. 곡선 베인은 디스크 내부로 유입된 공기가 곡선을 따라가면서 냉각시키기 때문에 냉각 성능이 효율적이다. 회전하면서 발생하는 원심력의 원리를 사용하기 때문에 내부 구조상 냉각 효과가 뛰어나다.

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c. 도트(필라), 패턴 베인

브레이크 디스크 제조사에 의하면 직선 베인 보다 표면적인 사용량이 많아 더 많은 열을 효율성 있게 방출할 수 있다고 언급한다. 제동 시 열 변화로 인해 브레이크 디스크에 중력 하중이 잘 분산되어 디스크의 변형을 최소화하고 왜곡을 줄여주는 효자 같은 역할을 한다. 직선 베인과 곡선 베인의 장점을 모두 합친 구조로써 가장 안정적인 베인이라고 할 수 있다. 직선 베인과 마찬가지로 점을 찍는 방식, 패턴을 나열하는 방식이기 때문에 장착 위치가 정해진 곡선 베인과는 다르게 장착 방향을 고려할 필요가 없는 베인이다.

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브레이크 디스크 애프터 튜닝 시 주의 사항

Drilled(타공) 디스크(로터) + Slotted(슬롯, 사선) 디스크(로터)는 디스크의 내부 베인 구조에 따라 내구성과 효율적인 열 방출을 고려해 제작된다. 브레이크 디스크 제조사는 타공의 개수, 크기, 뚫는 위치, 내부 베인에 따라 디스크를 손상시키지 않으면서 성능을 개선하기 위해 디자인을 설계한다. 그러나 많은 오너들이 추가적인 요소로써 성능을 끌어올리기 위해 애프터 튜닝을 하는데 그 어떠한 설계를 전혀 고려하지 않고 임의로 제작하면 어떤 문제가 발생할지 그 누구도 예측할 수 없다. 일반 브레이크 디스크를 가공 및 변형시켜 사용하게 되면 열과 내구성이 약해질 수밖에 없다. 물론 애프터 튜닝에 대한 지식이 뛰어난 사람은 아주 훌륭한 수준은 아니더라도 그 설계에 가장 알맞게 맞춤 제작을 하는 경우도 있다.

그 어떤 지식과 공부 없이 무분별한 애프터 튜닝은 디스크의 내구성을 현저히 저하시킨다. 애프터 튜닝으로 타공을 무분별하게 뚫는다거나 사선을 멋대로 깎아 낸다면 내구성을 떨어뜨리는 동시에 크랙 위험에 노출시키는 자살 행위와 같다. 제조사가 Drilled(타공) 디스크(로터) + Slotted(슬롯, 사선) 디스크(로터)를 제작할 때에는 모두 가장자리 부분을 부드럽게 후가공 처리하는 이유는 보다 안전한 제품을 제공하기 위함이다.

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