디스크 브레이크

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1. 개요
2. 역사
3. 작동 원리 및 구조
4. 디스크 브레이크의 종류
- 4.1. 작동 방식에 따른 분류
- 4.2. 캘리퍼 형태에 따른 분류
5. 장점 및 단점
- 5.1. 장점
- 5.2. 단점
6. 주요 용도
7. 주요 문제점 및 해결 방안
8. 특허
참조

1. 개요

디스크 브레이크는 회전하는 디스크를 브레이크 패드로 눌러 마찰력을 발생시켜 제동하는 장치이다. 1890년대 영국에서 개발이 시작되어, 1902년 최초의 캘리퍼 타입 자동차 디스크 브레이크 특허가 나왔다. 1950년대 시트로엥 DS에 현대적인 디스크 브레이크가 대량 생산되면서 널리 사용되기 시작했으며, 현재 자동차, 오토바이, 자전거, 철도 차량 등 다양한 운송 수단에 적용된다. 디스크 브레이크는 드럼 브레이크에 비해 페이드 현상이 적고, 소음이 적으며, 제동 초기부터 잠김까지 제어가 용이하다는 장점이 있다. 작동 방식, 캘리퍼 형태, 디스크 형태에 따라 다양한 종류가 있으며, 소음 및 진동 등의 문제점이 발생할 수 있다.

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디스크 브레이크

2. 역사

2. 1. 초기 실험

디스크 브레이크의 개발은 1890년대에 잉글랜드에서 시작되었다.^[85] 1902년 프레데릭 윌리엄 란체스터는 최초의 캘리퍼 타입 자동차 디스크 브레이크 특허를 획득하고 란체스터 자동차에 성공적으로 사용했다.^[85] 그러나 당시 금속 선택의 제한으로 인해 브레이크 패드 재료로 구리를 사용해야 했고, 이는 먼지가 많고 거친 도로 상태에서 빠르게 마모되는 문제가 있었다.^[85]^[4]^[6]

제2차 세계 대전 전후 철도 유선형 기차 여객 열차, 비행기 및 전차에서 성공적인 적용이 시작되었다. 미국에서는 버드 컴퍼니(Budd Company)가 1938년 시카고, 벌링턴 & 퀸시 철도(Chicago, Burlington & Quincy)를 위해 제너럴 퍼싱 제퍼에 디스크 브레이크를 도입했다.^[8] 영국에서는 다임러 컴퍼니(Daimler Company)가 1939년 다임러 장갑차에 걸링(Girling) 회사가 제작한 디스크 브레이크를 사용했다.^[9] 독일 아르거스 모토렌(Argus Motoren)에서 헤르만 클라우에(Hermann Klaue, 1912-2001)는 1940년에 디스크 브레이크의 특허를 받았다.^[10]

2. 2. 자동차 경주에서의 첫 사용

1951년, 포뮬러 원 자동차 BRM 타입 15에 Girling이 생산한 디스크 브레이크가 최초로 사용되었다.^[16] 1953년 르망 24시에서는 재규어 C-Type 경주차가 영국의 던롭 러버에서 개발한 디스크 브레이크를 장착하고 우승을 차지하였으며, 르망에서 처음으로 평균 속도 160km/h를 넘었다.^[16] 경쟁 차량의 큰 드럼 브레이크는 디스크의 궁극적인 제동력에는 필적할 수 있었지만, 디스크의 막강한 지속성은 따라갈 수 없었다.^[17]

2. 3. 대량 생산

현대적인 디스크 브레이크의 대량 생산은 1955년 시트로엥 DS에서 시작되었으며, 캘리퍼 타입의 전면 디스크 브레이크가 특징이었다.^[85]^[4]^[6]^[18]^[19]^[20] 이 디스크는 변속기 근처에 장착되었고 차량의 중앙 유압 시스템으로 작동되었다.^[4] 1956년에는 젠센 541이 4륜 디스크 브레이크를 장착하고 출시되었으며,^[4]^[21] 같은 해 9월 트라이엄프 TR3는 걸링(Girling) 전면 디스크 브레이크를 장착한 차량을 생산했다.^[22]

초기에는 스포츠카를 중심으로 디스크 브레이크가 사용되었으나, 현재는 대부분의 승용차에 사용된다. 많은 경량 차량은 뒷바퀴에 드럼 브레이크를 사용하여 비용과 무게를 줄이고 주차 브레이크를 단순화한다. 앞 브레이크가 제동력의 대부분을 담당하기 때문에 이는 합리적인 절충안이 될 수 있다.

초기에는 브레이크가 인보드 방식으로 드라이브 샤프트의 차동 장치 근처에 위치했지만, 오늘날 대부분의 브레이크는 휠 내부에 위치한다. 인보드 위치는 불활성 질량을 줄이고 타이어로의 열 전달 원인을 제거한다.

1989년부터 2005년까지 브레이크 디스크 제조는 주로 중국으로 이동했다.

2. 4. 대한민국

대한민국에서는 1970년대부터 자동차 부품 국산화 노력이 진행되면서 디스크 브레이크 기술 개발이 본격화되었다.^[26]^[27]^[28]^[29]^[30]^[31]^[32] 현재는 자동차, 오토바이, 자전거, 철도 차량 등 다양한 운송 수단에 디스크 브레이크가 널리 사용되고 있다. 특히 자동차의 경우, 대부분의 승용차가 전륜에 디스크 브레이크를 채택하고 있으며, 최근에는 후륜에도 디스크 브레이크를 적용하는 경우가 늘고 있다.

3. 작동 원리 및 구조

디스크 브레이크는 바퀴와 함께 회전하는 브레이크 로터(회전체)를 브레이크 캘리퍼에 내장된 브레이크 패드로 양쪽에서 눌러 마찰력을 발생시켜 제동한다. 마찰은 디스크와 부착된 바퀴의 속도를 늦추거나 멈추게 한다. 브레이크 캘리퍼는 브레이크 패드와 피스톤을 지지하며, 고정형(대향 피스톤)과 부동형(플로팅 캘리퍼) 두 종류가 있다.

구조는 바퀴와 함께 회전하는 브레이크 로터를 양쪽에서 브레이크 캘리퍼에 내장된 브레이크 패드로 눌러 마찰력을 발생시키고, 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 제동하는 방식이다. 패드를 누르는 힘을 전달하는 구조는 자동차의 경우 주로 파스칼의 원리를 이용하여 마스터 실린더로부터의 입력으로 피스톤을 작동시키는 액압식(Hydraulic)이 대부분이며, 버스, 덤프 트럭, 대형 트레일러, 철도 차량 등에서는 공기압으로 패드를 누르는 공기식이 많다.

== 브레이크 로터 (디스크) ==

AMC 페이서의 전륜 서스펜션 및 브레이크 시스템. 디스크 마찰면 사이에 직사각형의 열린 슬롯이 보인다.

브레이크 디스크는 디스크 브레이크에서 브레이크 패드가 맞닿아 마찰을 일으키는 회전 부품이다. 주로 회주철이라는 주철의 일종으로 만들어진다.^[48] 디스크의 디자인은 다양한데, 일부는 통짜로 된 솔리드형이지만, 다른 일부는 두 접촉면 사이에 핀이나 베인을 넣어 공간을 둔 형태도 있다. 차량의 무게와 성능에 따라 이런 통풍형 디스크의 필요성이 결정된다.^[29] 통풍형 디스크는 발생한 열을 빠르게 식혀주기 때문에, 주로 부하가 많이 걸리는 앞바퀴 쪽에 사용된다.

로터의 재질은 자동차의 경우 구상흑연주철 (FCD)이나 회주철 (FC)^[77], }}. 오토바이에서는 녹과 오염에 대한 고려로 마르텐사이트계 스테인리스강이 주류이다.}}

오토바이, 자전거, 그리고 많은 자동차에는 디스크에 구멍이나 슬롯(홈)을 뚫어 놓기도 한다. 이는 열 발산, 수분 제거, 소음 감소, 경량화, 또는 단순히 멋을 위한 목적 등 다양한 이유로 시행된다.

슬롯 디스크는 디스크 표면에 얕은 홈을 파서 먼지와 가스를 제거하는 데 도움을 준다. 슬롯은 가스와 물을 제거하고 브레이크 패드 표면을 깨끗하게 유지하기 때문에 레이싱 환경에서 선호된다. 일부 디스크는 구멍과 슬롯이 모두 있는 경우도 있다. 슬롯 디스크는 브레이크 패드를 빠르게 마모시키기 때문에 일반 차량에는 잘 사용되지 않는다. 그러나, 재료를 제거함으로써 패드를 부드럽게 유지하고 표면의 유리 전이를 방지하므로 레이스 차량에는 유용하다. 도로에서는 구멍이나 슬롯이 있는 디스크가 물막 형성을 막아주기 때문에 습한 환경에서 제동 성능을 향상시킨다.

부착된 브레이크 패드의 마찰 분말 제거와 로터의 방열·냉각을 위해 로터 표면에 구멍을 뚫거나 홈을 파는 등의 가공을 하는 경우가 있으며, 전자를 드릴드 로터(Drilled Rotor), 후자를 슬릿 로터(Slit Rotor)}.}}라고 한다.

2피스 디스크는 중앙 부분과 바깥쪽 마찰 링을 분리해서 제조한다. 중앙 부분은 모양 때문에 벨 또는 모자라고도 불리며, 주로 7075 알루미늄 합금과 같은 합금으로 만들어져 양극 산화 처리된다. 바깥쪽 디스크 링은 일반적으로 회주철로 만들어지지만, 강철이나 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어지기도 한다. 2피스 디스크는 일반적인 너트, 볼트, 와셔로 고정하는 방식과, 드라이브 보빈을 이용해 디스크의 두 부분이 서로 다른 속도로 팽창/수축할 수 있게 하는 플로팅 시스템 방식이 있다. 2피스 디스크의 주된 장점은 불소착 질량을 줄이고, 합금 벨(모자)을 통해 열을 효과적으로 방출한다는 것이다. 고정식과 플로팅 방식 모두 장단점이 있는데, 플로팅 디스크는 덜거덕거리고 잔해가 쌓이기 쉬워 모터스포츠에 적합하고, 고정식 디스크는 일반 도로 주행에 더 적합하다.^[5]

=== 벤틸레이티드 디스크 ===

벤틸레이티드 디스크는 디스크 사이에 통풍구를 두어 방열 효과를 높인 형태이다. 주로 고성능 차량이나 대형 차량에 사용된다. 또한 로터 중에는 방열 효과를 높이기 위해 디스크를 2장 이상으로 하고 그 사이에 핀을 끼운 벤틸레이티드 디스크 브레이크(Ventilated Disc Brake)도 존재하며, 이에 대해 1장 판은 솔리드 디스크 브레이크(Solid Disc Brake)라고 하여 구분한다^[78].

=== 드릴드 로터와 슬릿 로터 ===

크래킹은 주로 드릴 가공된 디스크에서 발생하며, 이는 디스크가 고강도 환경에서 불균일하게 팽창하여 디스크 가장자리 근처에 뚫린 구멍 가장자리에 작은 균열이 생길 수 있다. 드릴 가공된 디스크를 OEM으로 사용하는 제조업체는 일반적으로 다음 두 가지 이유로 그렇게 한다. 첫째는 외관, 즉 차량 모델의 평균 소유자가 하드웨어에 과도한 스트레스를 주지 않으면서 외관을 선호한다고 판단하는 경우이다. 둘째는 레이싱 온도와 스트레스를 흡수할 수 있는 충분한 브레이크 디스크 질량이 남아 있다는 엔지니어링적 가정 하에 브레이크 어셈블리의 불소결 질량을 줄이는 기능으로 사용한다. 브레이크 디스크는 방열판이지만 방열판 질량 감소는 열을 방출하기 위한 표면적 증가로 균형을 이룰 수 있다. 작은 미세 균열은 모든 교차 드릴 가공된 금속 디스크에서 정상적인 마모 메커니즘으로 나타날 수 있지만 심각한 경우 디스크가 치명적으로 파손된다. 균열에 대한 수리는 불가능하며, 크래킹이 심해지면 디스크를 교체해야 한다. 이러한 균열은 반복적인 강한 제동의 결과로 저주기 피로 현상으로 인해 발생한다.^[54]

== 브레이크 캘리퍼 ==

브레이크 캘리퍼는 브레이크 패드 및 브레이크 피스톤의 지지대이다.

캘리퍼에는 고정형(대향 피스톤)과 부동형(플로팅 캘리퍼)의 두 종류가 있다. 둘 다 캘리퍼에 내장된 피스톤을 작동시켜 로터 양쪽에 있는 브레이크 패드를 로터에 밀착시켜 제동력을 얻지만, 고정형은 로터 양쪽에 피스톤이 있는 반면, 부동형은 한쪽에만 피스톤이 있고, 피스톤이 없는 쪽의 패드는 캘리퍼 자체가 움직여 작동한다는 차이가 있다.

일반적으로 고정형 캘리퍼는 부동형 캘리퍼보다 구조가 복잡하고 가격도 비싸다.

브레이크 캘리퍼는 브레이크 패드와 피스톤을 지지하는 부품이다. 피스톤은 보통 플라스틱, 알루미늄 또는 크롬 도금된 강철로 만들어진다. 캘리퍼에는 고정식과 부동식(플로팅) 두 가지 유형이 있다. 고정식 캘리퍼는 디스크에 대해 움직이지 않으며, 디스크 양쪽에 하나 이상의 쌍을 이루는 피스톤을 사용하여 디스크를 압착한다. 부동식 캘리퍼는 디스크의 회전축과 평행하게 움직이며, 한쪽에 있는 피스톤이 안쪽 브레이크 패드를 밀어 디스크에 닿게 하고, 캘리퍼 본체가 바깥쪽 브레이크 패드를 당겨 디스크 양쪽에 압력을 가한다. 부동식 캘리퍼는 먼지나 부식으로 인해 작동 불량이 발생할 수 있으며, 이는 브레이크 패드가 디스크에 계속 닿거나 비스듬하게 작동하게 만들 수 있다.

플로팅 캘리퍼(또는 "슬라이딩 캘리퍼")는 디스크의 회전축과 평행한 선을 따라 디스크의 좌우로 움직인다. 디스크의 한쪽에 있는 피스톤은 안쪽 브레이크 패드를 밀어 제동 표면에 닿게 한 다음 바깥쪽 브레이크 패드로 캘리퍼 본체를 당겨 압력이 디스크의 양쪽에 가해지도록 한다. 플로팅 캘리퍼(단일 피스톤) 설계는 먼지나 부식이 최소한 하나의 장착 메커니즘에 들어가 정상적인 움직임을 멈추게 하여 발생하는 작동 불량의 영향을 받기 쉽다. 이것은 브레이크가 작동하지 않을 때 캘리퍼의 패드가 디스크에 닿거나 각도로 작동하게 할 수 있다. 작동 불량은 차량의 잦은 사용 부족, 부스러기 유입을 허용하는 씰 또는 고무 보호 부트의 고장, 장착 메커니즘의 그리스 건조, 그에 따른 수분 유입으로 인한 부식 또는 이러한 요인의 일부 조합으로 인해 발생할 수 있다. 결과적으로 연비 감소, 디스크의 과도한 가열 또는 해당 패드의 과도한 마모가 발생할 수 있다. 앞쪽 캘리퍼의 작동 불량은 또한 조향 진동을 유발할 수 있다.

스윙 캘리퍼는 부동식 캘리퍼의 또 다른 유형으로, 수직 피벗 볼트를 사용하여 캘리퍼 전체를 안쪽으로 회전시킨다. 이 설계는 쐐기 모양의 패드를 사용한다.

플로팅 캘리퍼의 또 다른 유형은 스윙 캘리퍼이다. 캘리퍼가 차체에 대해 직선으로 앞뒤로 움직이도록 하는 수평 볼트 대신, 스윙 캘리퍼는 차축 중심선 뒤 어딘가에 위치한 단일 수직 피벗 볼트를 사용한다. 운전자가 브레이크를 밟으면 브레이크 피스톤이 안쪽 피스톤을 밀어 위에서 보면 전체 캘리퍼를 안쪽으로 회전시킨다. 스윙 캘리퍼의 피스톤 각도가 디스크에 대해 변경되기 때문에 이 설계는 바깥쪽 뒷면이 더 좁고 안쪽 앞면이 더 좁은 쐐기 모양의 패드를 사용한다.

브레이크 캘리퍼는 자전거 림 브레이크에도 사용된다.

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| caption1 = 브레이크가 작동하지 않은 상태. 피스톤(녹색) 오른쪽에 있는 파이프(갈색)에서 브레이크액(적색)이 공급된다.

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| caption3 = 더 진행된 상태. 부동 상태인 캘리퍼(회색)도 브레이크액(적색)에 밀려 오른쪽으로 이동한다.

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== 브레이크 패드 ==

브레이크 패드는 디스크와 마찰을 통해 제동력을 발생시키는 부품으로, 주기적으로 교체가 필요하다. 패드와 디스크 재료의 특성에 따라 마모율이 달라지며, 성능과 수명 간에는 상충 관계가 존재한다.

브레이크 패드 교체 시기를 알리는 다양한 방법이 있다. 패드가 얇아져 삐걱거리는 소리가 나게 하거나, 전기 회로를 닫아 경고등을 켜는 방식, 또는 전자 센서를 활용하는 방식 등이 있다.

일반적인 도로 주행 차량은 캘리퍼당 두 개의 브레이크 패드를 사용하지만, 레이싱 캘리퍼에는 최대 6개까지 장착되어 엇갈린 패턴으로 다양한 마찰 특성을 제공한다. 초기 브레이크 패드에는 석면이 사용되었으나, 최근에는 세라믹, 케블라 등의 재료가 사용된다. 하지만 재료와 관계없이 브레이크 먼지 흡입은 피해야 한다.

== 배력 장치 ==

자동차에서는 제동력을 높이기 위해 배력 장치를 사용한다. 배력 장치에는 부압 배력식, 공압 배력식, 유압 배력 장치 등이 있다.

부압 배력식은 가솔린 엔진의 스로틀 밸브 작동으로 흡기 매니폴드 내에 발생하는 부압을 이용하는 방식으로, 소형 자동차에 많이 사용된다. 디젤 엔진에서는 진공 펌프를 작동시켜 부압을 확보한다.

공압 배력 장치는 압축기로 압축한 공기를 사용하며, 주로 대형 트럭이나 버스에 사용된다. 부압 배력식보다 10배 이상의 제동력을 낼 수 있다.

유압 배력 장치는 오일 펌프로 발생시킨 유압을 이용하며, 제너럴 모터스 차종이나 일부 고급차에 사용된다. ABS(안티록 브레이크 시스템)나 TCS(트랙션 컨트롤 시스템)용 유압 장치를 동력원으로 사용한다. 1962년에 르노에서 처음으로 양산차에 채택되었다.

3. 1. 브레이크 로터 (디스크)

브레이크 디스크는 디스크 브레이크에서 브레이크 패드가 맞닿아 마찰을 일으키는 회전 부품이다. 주로 회주철이라는 주철의 일종으로 만들어진다.^[48] 디스크의 디자인은 다양한데, 일부는 통짜로 된 솔리드형이지만, 다른 일부는 두 접촉면 사이에 핀이나 베인을 넣어 공간을 둔 형태도 있다. 차량의 무게와 성능에 따라 이런 통풍형 디스크의 필요성이 결정된다.^[29] 통풍형 디스크는 발생한 열을 빠르게 식혀주기 때문에, 주로 부하가 많이 걸리는 앞바퀴 쪽에 사용된다.

오토바이, 자전거, 그리고 많은 자동차에는 디스크에 구멍이나 슬롯(홈)을 뚫어 놓기도 한다. 이는 열 발산, 수분 제거, 소음 감소, 경량화, 또는 단순히 멋을 위한 목적 등 다양한 이유로 시행된다.

슬롯 디스크는 디스크 표면에 얕은 홈을 파서 먼지와 가스를 제거하는 데 도움을 준다. 슬롯은 가스와 물을 제거하고 브레이크 패드 표면을 깨끗하게 유지하기 때문에 레이싱 환경에서 선호된다. 일부 디스크는 구멍과 슬롯이 모두 있는 경우도 있다. 슬롯 디스크는 브레이크 패드를 빠르게 마모시키기 때문에 일반 차량에는 잘 사용되지 않는다. 그러나, 재료를 제거함으로써 패드를 부드럽게 유지하고 표면의 유리 전이를 방지하므로 레이스 차량에는 유용하다. 도로에서는 구멍이나 슬롯이 있는 디스크가 물막 형성을 막아주기 때문에 습한 환경에서 제동 성능을 향상시킨다.

== 벤틸레이티드 디스크 ==

벤틸레이티드 디스크는 디스크 사이에 통풍구를 두어 방열 효과를 높인 형태이다. 주로 고성능 차량이나 대형 차량에 사용된다.

== 드릴드 로터와 슬릿 로터 ==

크래킹은 주로 드릴 가공된 디스크에서 발생하며, 이는 디스크가 고강도 환경에서 불균일하게 팽창하여 디스크 가장자리 근처에 뚫린 구멍 가장자리에 작은 균열이 생길 수 있다. 드릴 가공된 디스크를 OEM으로 사용하는 제조업체는 일반적으로 다음 두 가지 이유로 그렇게 한다. 첫째는 외관, 즉 차량 모델의 평균 소유자가 하드웨어에 과도한 스트레스를 주지 않으면서 외관을 선호한다고 판단하는 경우이다. 둘째는 레이싱 온도와 스트레스를 흡수할 수 있는 충분한 브레이크 디스크 질량이 남아 있다는 엔지니어링적 가정 하에 브레이크 어셈블리의 불소결 질량을 줄이는 기능으로 사용한다. 브레이크 디스크는 방열판이지만 방열판 질량 감소는 열을 방출하기 위한 표면적 증가로 균형을 이룰 수 있다. 작은 미세 균열은 모든 교차 드릴 가공된 금속 디스크에서 정상적인 마모 메커니즘으로 나타날 수 있지만 심각한 경우 디스크가 치명적으로 파손된다. 균열에 대한 수리는 불가능하며, 크래킹이 심해지면 디스크를 교체해야 한다. 이러한 균열은 반복적인 강한 제동의 결과로 저주기 피로 현상으로 인해 발생한다.^[54]

2피스 디스크는 중앙 부분과 바깥쪽 마찰 링을 분리해서 제조한다. 중앙 부분은 모양 때문에 벨 또는 모자라고도 불리며, 주로 7075 알루미늄 합금과 같은 합금으로 만들어져 양극 산화 처리된다. 바깥쪽 디스크 링은 일반적으로 회주철로 만들어지지만, 강철이나 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어지기도 한다. 2피스 디스크는 일반적인 너트, 볼트, 와셔로 고정하는 방식과, 드라이브 보빈을 이용해 디스크의 두 부분이 서로 다른 속도로 팽창/수축할 수 있게 하는 플로팅 시스템 방식이 있다. 2피스 디스크의 주된 장점은 불소착 질량을 줄이고, 합금 벨(모자)을 통해 열을 효과적으로 방출한다는 것이다. 고정식과 플로팅 방식 모두 장단점이 있는데, 플로팅 디스크는 덜거덕거리고 잔해가 쌓이기 쉬워 모터스포츠에 적합하고, 고정식 디스크는 일반 도로 주행에 더 적합하다.^[5]

디스크는 흠집, 균열, 변형, 과도한 녹 등 4가지 방식으로 손상될 수 있다. 정비소에서는 디스크 문제를 해결하기 위해 새 디스크로 교체하는 경우가 많은데, 이는 새 디스크 가격이 낡은 디스크를 재연마하는 비용보다 저렴하기 때문이다. 디스크 교체는 디스크가 제조사 권장 최소 두께에 도달했거나, 베인에 심각한 녹이 발생한 경우(통풍 디스크)에만 필요하다. 대부분의 주요 자동차 제조사는 측면 런아웃, 진동, 소음 문제를 해결하기 위해 브레이크 디스크 스키밍(터닝)을 권장한다. 가공은 브레이크 선반에서 이루어지며, 디스크 표면의 얇은 층을 제거하여 작은 손상을 없애고 균일한 두께를 복원한다. 필요에 따라 디스크를 가공하면 현재 디스크의 수명을 연장할 수 있다.

브레이크 패드 마모 시 제때 교체하지 않으면 스카링(Scoring)이 발생할 수 있다. 마찰재가 닳으면 패드의 강철 백킹 플레이트나 리벳이 디스크에 닿아 제동력이 감소하고 디스크에 긁힘이 생긴다. 적당히 긁힌 디스크는 새 패드를 사용해도 괜찮지만, 긁힘이 깊으면 디스크 표면을 기계 가공해야 한다. 디스크에는 최소 안전 두께가 정해져 있어 이 작업은 제한적이다. 최소 두께는 허브나 디스크 가장자리에 표시되어 있다. 펜실베이니아에서는 스코어링이 0.38mm보다 깊으면 안전 검사를 통과할 수 없고, 기계 가공 후 최소 두께 미만이면 교체해야 한다.

스카링을 방지하려면 브레이크 패드 마모 상태를 주기적으로 점검해야 한다. 타이어 교체 시 브레이크 패드를 육안으로 확인하는 것이 좋다. 마모가 심한 패드는 즉시 교체해야 스카링과 제동력 저하를 막을 수 있다. 많은 디스크 브레이크 패드는 패드가 거의 닳았을 때 디스크에 끌리는 강철 스프링이나 드래그 탭을 포함하고 있어, 삐걱거리는 소리로 운전자에게 정비 필요성을 알린다. 패드 재료 두께가 백킹 강철 두께와 같거나 얇으면 교체를 고려해야 한다. 펜실베이니아에서는 리벳 패드는 0.79mm, 접착식 패드는 1.59mm가 기준이다.

디스크는 보통 주철로 만들어져 약간의 녹은 정상이다. 브레이크 패드 접촉면은 사용하면서 깨끗해지지만, 장기간 보관된 차량은 접촉면에 녹이 발생해 제동력이 일시적으로 감소할 수 있다. 보관 후 브레이크 작동 시, 패드로 덮여 녹슬지 않은 부위와 녹슨 부위의 가열 차이로 인해 디스크 변형이 발생할 수도 있다. 시간이 지나면서 통풍 디스크는 통풍 슬롯 내부에 심각한 녹이 발생해 구조 강도가 저하될 수 있으므로 교체가 필요하다.^[55]

3. 1. 1. 벤틸레이티드 디스크

벤틸레이티드 디스크는 디스크 사이에 통풍구를 두어 방열 효과를 높인 형태이다. 주로 고성능 차량이나 대형 차량에 사용된다.

3. 1. 2. 드릴드 로터와 슬릿 로터

크래킹은 주로 드릴 가공된 디스크에서 발생하며, 이는 디스크가 고강도 환경에서 불균일하게 팽창하여 디스크 가장자리 근처에 뚫린 구멍 가장자리에 작은 균열이 생길 수 있다. 드릴 가공된 디스크를 OEM으로 사용하는 제조업체는 일반적으로 다음 두 가지 이유로 그렇게 한다. 첫째는 외관, 즉 차량 모델의 평균 소유자가 하드웨어에 과도한 스트레스를 주지 않으면서 외관을 선호한다고 판단하는 경우이다. 둘째는 레이싱 온도와 스트레스를 흡수할 수 있는 충분한 브레이크 디스크 질량이 남아 있다는 엔지니어링적 가정 하에 브레이크 어셈블리의 불소결 질량을 줄이는 기능으로 사용한다. 브레이크 디스크는 방열판이지만 방열판 질량 감소는 열을 방출하기 위한 표면적 증가로 균형을 이룰 수 있다. 작은 미세 균열은 모든 교차 드릴 가공된 금속 디스크에서 정상적인 마모 메커니즘으로 나타날 수 있지만 심각한 경우 디스크가 치명적으로 파손된다. 균열에 대한 수리는 불가능하며, 크래킹이 심해지면 디스크를 교체해야 한다. 이러한 균열은 반복적인 강한 제동의 결과로 저주기 피로 현상으로 인해 발생한다.^[54]

3. 2. 브레이크 캘리퍼

브레이크 캘리퍼는 브레이크 패드와 피스톤을 지지하는 부품이다. 피스톤은 보통 플라스틱, 알루미늄 또는 크롬 도금된 강철로 만들어진다. 캘리퍼에는 고정식과 부동식(플로팅) 두 가지 유형이 있다. 고정식 캘리퍼는 디스크에 대해 움직이지 않으며, 디스크 양쪽에 하나 이상의 쌍을 이루는 피스톤을 사용하여 디스크를 압착한다. 부동식 캘리퍼는 디스크의 회전축과 평행하게 움직이며, 한쪽에 있는 피스톤이 안쪽 브레이크 패드를 밀어 디스크에 닿게 하고, 캘리퍼 본체가 바깥쪽 브레이크 패드를 당겨 디스크 양쪽에 압력을 가한다. 부동식 캘리퍼는 먼지나 부식으로 인해 작동 불량이 발생할 수 있으며, 이는 브레이크 패드가 디스크에 계속 닿거나 비스듬하게 작동하게 만들 수 있다.

스윙 캘리퍼는 부동식 캘리퍼의 또 다른 유형으로, 수직 피벗 볼트를 사용하여 캘리퍼 전체를 안쪽으로 회전시킨다. 이 설계는 쐐기 모양의 패드를 사용한다.

브레이크 캘리퍼는 자전거 림 브레이크에도 사용된다.

캘리퍼 내 피스톤 수는 '포트' 수로 언급되며, 현대 자동차는 안전 조치로 서로 다른 유압 회로를 사용한다. 브레이크 고장은 피스톤이 후퇴하지 못하여 발생할 수 있으며, 피스톤 씰 누출은 즉시 수리해야 한다.

3. 3. 브레이크 패드

브레이크 패드는 디스크와 마찰을 통해 제동력을 발생시키는 부품으로, 주기적으로 교체가 필요하다. 패드와 디스크 재료의 특성에 따라 마모율이 달라지며, 성능과 수명 간에는 상충 관계가 존재한다.

브레이크 패드 교체 시기를 알리는 다양한 방법이 있다. 패드가 얇아져 삐걱거리는 소리가 나게 하거나, 전기 회로를 닫아 경고등을 켜는 방식, 또는 전자 센서를 활용하는 방식 등이 있다.

일반적인 도로 주행 차량은 캘리퍼당 두 개의 브레이크 패드를 사용하지만, 레이싱 캘리퍼에는 최대 6개까지 장착되어 엇갈린 패턴으로 다양한 마찰 특성을 제공한다. 초기 브레이크 패드에는 석면이 사용되었으나, 최근에는 세라믹, 케블라 등의 재료가 사용된다. 하지만 재료와 관계없이 브레이크 먼지 흡입은 피해야 한다.

3. 4. 배력 장치

자동차에서는 제동력을 높이기 위해 배력 장치를 사용한다. 배력 장치에는 부압 배력식, 공압 배력식, 유압 배력 장치 등이 있다.

부압 배력식은 가솔린 엔진의 스로틀 밸브 작동으로 흡기 매니폴드 내에 발생하는 부압을 이용하는 방식으로, 소형 자동차에 많이 사용된다. 디젤 엔진에서는 진공 펌프를 작동시켜 부압을 확보한다.

공압 배력 장치는 압축기로 압축한 공기를 사용하며, 주로 대형 트럭이나 버스에 사용된다. 부압 배력식보다 10배 이상의 제동력을 낼 수 있다.

유압 배력 장치는 오일 펌프로 발생시킨 유압을 이용하며, 제너럴 모터스 차종이나 일부 고급차에 사용된다. ABS(안티록 브레이크 시스템)나 TCS(트랙션 컨트롤 시스템)용 유압 장치를 동력원으로 사용한다. 1962년에 르노에서 처음으로 양산차에 채택되었다.

4. 디스크 브레이크의 종류

4. 1. 작동 방식에 따른 분류

힘의 전달과 제동력 발생에는 유압, 공기압, 기계식(로드 또는 와이어)이 사용된다.

;유압식 디스크 브레이크

유압식은 브레이크 액체를 사용하여 피스톤을 작동시키는 방식으로, 승용차, 오토바이, 자전거 등 다양한 운송 수단에 널리 사용된다.

;공기 유압 복합식 디스크 브레이크

;공기압식 디스크 브레이크

공기압식 디스크 브레이크는 압축 공기를 사용하여 피스톤을 작동시키는 방식이다. 주로 버스, 트럭, 철도 차량 등에 사용된다.

;기계식 디스크 브레이크

기계식 디스크 브레이크는 케이블이나 로드를 사용하여 기계적으로 피스톤을 작동시키는 방식이다. 일부 자전거에 사용된다.

4. 1. 1. 유압식 디스크 브레이크

유압식은 브레이크 액체를 사용하여 피스톤을 작동시키는 방식으로, 승용차, 오토바이, 자전거 등 다양한 운송 수단에 널리 사용된다.

4. 1. 2. 공기 유압 복합식 디스크 브레이크

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4. 1. 3. 공기압식 디스크 브레이크

공기압식 디스크 브레이크는 압축 공기를 사용하여 피스톤을 작동시키는 방식이다. 주로 버스, 트럭, 철도 차량 등에 사용된다.

4. 1. 4. 기계식 디스크 브레이크

기계식 디스크 브레이크는 케이블이나 로드를 사용하여 기계적으로 피스톤을 작동시키는 방식이다. 일부 자전거에 사용된다.

4. 2. 캘리퍼 형태에 따른 분류

5. 장점 및 단점

5. 1. 장점

디스크 브레이크의 주요 구조는 외부에 노출되어 통풍이 잘 되고, 로터 자체의 방열성이 좋다. 패드에 부착된 라이닝(마찰재)과 유압 피스톤도 로터와 별개이므로, 드럼 브레이크에 비해 페이드 현상이 일어나기 어렵다. 또한 브레이크 로터에 물이 부착된 경우에도 로터의 회전으로 물을 튕겨내어 워터 페이드 현상(물의 개입으로 마찰력이 대폭 저하되는 현상)이 일어나기 어렵다. 마모 분진이 쌓이기 어렵고 소음이 적으며, 개방된 상태에서 로터와 패드 사이의 간격이 적어 제동 초기부터 잠김까지 제어가 용이하다. 좌우 바퀴의 제동력 발생에 시간차가 발생하는 편제동이나, 브레이크 슈의 과도한 자기 서보 효과(자기 배력 작용)로 인한 급제동이 발생하지 않으며, 안정적인 제동력을 얻을 수 있다.

5. 2. 단점

디스크 브레이크는 드럼 브레이크의 리딩 슈와 같은 자기 서보 효과가 없고, 마찰 면적도 작으므로, 같은 직경의 드럼 브레이크와 비교했을 때 제동력이 약하다. 따라서 자동차에서는 별도로 부압, 유압, 공기압을 이용한 배력 장치를 부착하여 브레이크 페달 답력을 경감하는 경우가 많다. 흡기 매니폴드의 부압을 이용하는 것은 엔진이 정지했을 때 충분한 제동력을 얻을 수 없으므로, 보통 때보다 더 큰 페달 답력이 필요하다. 그 외의 방식에서도, 주행 중 어떤 원인으로 배력 장치가 고장났을 경우, 상당히 강하게 밟아야 멈출 수 있는 경우가 있다.

또한, 드럼 브레이크의 슈 라이닝에 비해 브레이크 패드의 면적을 크게 확보하기 어려우며, 제동력을 키우려면, 마찰재나 로터 재질 변경, 로터 대형화, 브레이크 캘리퍼의 멀티 폿화 등이 필요하며, 고비용화와 중량 증가는 피할 수 없다. 모터스포츠용으로는 탄소 섬유 로터도 있지만, 일반 시장에 유통될 만한 성격의 것은 아니다.

6. 주요 용도

6. 1. 자동차

승용차에서는 일반적으로 전륜에 벤틸레이티드 디스크를, 후륜에는 솔리드 디스크 또는 드럼 브레이크를 사용하는 경우가 많다.^[79] 후륜에 드럼 브레이크를 채용하는 차량에서는 주차 브레이크를 드럼 브레이크에서 겸용하는 것이 대부분이다. 전 차륜에 디스크 브레이크를 채용하는 차량에서는 주차 브레이크로 후륜 디스크 브레이크의 피스톤을 수동 또는 전동으로 기계적으로 밀어 패드를 로터에 밀착시켜 제동력을 발휘시킨다. 하지만, 기본적으로 드럼식에 비해 구속력은 낮다. 무게가 있는 차종에서는 로터와는 별도로 주차 브레이크 전용의 드럼 브레이크(주차 드럼)가 추가되어 있기도 하다. 최근에는 전륜, 후륜 모두 디스크 브레이크를 채용하는 차량이 증가하는 추세이다. 소형 트럭(이스즈 엘프, 히노 듀트로, 미쓰비시후소 캔터)의 현행 모델은 4WD차의 일부를 제외하고 총륜 디스크 브레이크를 채용하고 있다.

대형 자동차에서는 차량 총 중량의 관계상, 구속력이 작은 디스크 브레이크의 채용은 최근까지 보류되어 왔지만, EBS의 보급으로 조금씩이나마 채용되기 시작했다. 예를 들어 제설차 전용의 특수 차량를 제외한 2세대 UD 퀘스터^[79] 및 공동 개발 차종인 이스즈 기가 세미 트랙터, 굴절 버스의 이스즈 엘가 듀오 및 통합 차종인 히노 블루리본 하이브리드 굴절 버스^[80]등이 있다. 디스크 브레이크는 드럼 브레이크에 비해 제동력을 예측하기 쉽고, 고온에서 성능 저하가 덜 발생한다는 장점이 있다. 이러한 이유로 대형 트럭에 디스크 브레이크가 장착되면 정지 거리가 짧아지는 효과가 있다.^[45]

자동차의 디스크 브레이크는 항공기 기술에서 유래되었다. 일반적인 자동차 및 경트럭의 디스크 브레이크 디스크는 회주철로 만들어진다.^[48] 레이싱 및 고성능 자동차에서는 강화 탄소 디스크와 패드가 사용되기도 한다. 포뮬러 1에서는 브라밤이 던롭과 협력하여 탄소–탄소 브레이크를 도입했다.^[49] 탄소 브레이크는 스프링 하중을 줄이고, 주철에 비해 더 나은 마찰 성능과 고온에서 향상된 구조적 특성을 제공한다.

6. 2. 오토바이

오토바이의 디스크 브레이크는 자동차와 달리 휠 내부에 위치하지 않고 기류 속에 있어 냉각 효과가 뛰어나다.^[41] 초기에는 혼다 드림 CB750FOUR처럼 전륜에만 디스크 브레이크를 장착하고 후륜에는 드럼 브레이크를 사용하는 경우가 많았으나,^[39]^[40] 현재는 많은 차종에서 전후륜 모두 디스크 브레이크를 채용하고 있다. 다만, 원동기 장치 자전거와 같이 비용 절감을 위해 후륜에 드럼 브레이크를 사용하는 경우도 있다.

오토바이 디스크 브레이크는 대부분 유압 작동식이며,^[41], 초기에는 케이블과 캠을 이용한 기계식도 있었다. 오토바이 디스크는 일반적으로 스테인리스 스틸로 만들어지며, 빗물 분산을 위해 구멍, 슬롯, 또는 물결 모양으로 가공된다.^[41] 현대 오토바이 디스크는 디스크가 보빈 위에서 "떠" 있도록 설계된 플로팅 디자인을 채택하여 디스크 변형을 방지하고 휠 허브로의 열 전달을 줄인다.^[41]

캘리퍼는 단일 피스톤부터 2, 4, 6 피스톤까지 다양하게 발전했다.^[41] 오토바이는 질량 중심:휠베이스 비율이 높아 제동 시 무게 이동이 크기 때문에, 프론트 브레이크가 제동력의 대부분을 담당하고 리어 브레이크는 균형을 잡는 역할을 한다.^[41] 현대 스포츠 바이크는 일반적으로 두 개의 큰 프론트 디스크와 작은 리어 디스크를 갖추고 있다.

초기 디스크 브레이크는 캘리퍼를 포크 슬라이더 앞에 배치했지만, 현재는 슬라이더 뒤에 배치하는 것이 일반적이다.^[41] 리어 디스크 캘리퍼는 스윙 암 위 또는 아래에 장착될 수 있는데, 낮은 마운트는 무게 중심을 낮추고, 상단 마운트는 캘리퍼를 깨끗하게 유지하고 보호한다.^[41]

오토바이 디스크 브레이크는 격렬한 탱크 슬래퍼 발생 시 브레이크 패드가 디스크에서 밀려날 수 있다는 문제가 있다.^[42]

현대적인 개발로는 방사형 장착 캘리퍼가 있지만, 성능 향상이나 포크 강성 증가에 대한 증거는 부족하다.

대부분의 오토바이는 차량 중량이 가벼워 배력 장치를 사용하지 않고, 레버비와 유압비만으로 제동력을 확보한다. 배기량이 큰 차종에서는 전륜 좌우에 디스크를 갖춘 더블 디스크 브레이크를 채용하는 경우가 많으며, 고급차나 대형차에는 ABS가 장착되기도 한다. 경량화, 방열 효과, 이물질 제거를 위해 드릴드 로터를 채용하는 경우가 많으며,^[41] 오프로드 타입에서는 웨이브 로터를 사용하기도 한다.

6. 3. 자전거

자전거용 디스크 브레이크는 산악 자전거를 중심으로 널리 사용되며, 간단한 기계식(케이블) 시스템부터 값비싸고 강력한 다중 피스톤 유압 디스크 시스템까지 다양하다.^[43] 초기에는 소년용 스포츠 사이클에 장식의 일환으로 사용되었지만, 실용적인 성능을 인정받아 산악 자전거에 본격적으로 보급되었다. 특히 다운힐 레이싱 자전거에는 자동차와 유사한 통풍 디스크가 사용되어 열 페이드 현상을 방지한다.^[43]

캔틸레버 브레이크, V 브레이크, 유압 림 브레이크 등 기존의 림 브레이크는 휠의 림 부분을 이용하기 때문에 제동력은 뛰어나지만, 물이나 진흙에 오염되면 성능이 저하되고, 휠에 충격이 가해지면 림이 뒤틀려 제동력을 유지하기 어려웠다. 또한 휠 교체 시 브레이크 설정을 다시 해야 하는 불편함도 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 캘리퍼식 디스크 브레이크를 소형화, 경량화하여 자전거에 채용하게 되었다.

자전거 디스크 브레이크는 브레이크 레버에서 브레이크 본체까지 힘을 전달하는 방식에 따라 유압식(Hydraulic brake)과 기계식으로 나뉜다. 유압식은 다양한 상품이 출시되어 있으며, 기계식은 저렴하고 V 브레이크 등의 기존 기구를 활용할 수 있으며 정비성이 뛰어나다는 장점이 있다. 최근에는 기계식 기술도 향상되어 유압식과의 성능 차이가 줄어들고 있다.

자전거용 디스크 브레이크는 패드와 로터 사이에 이물질 혼입을 전제로 하기 때문에 웨이브 로터 등 독특한 형상과 재질을 사용한다. 또한, 장착을 위해서는 프레임, 앞 포크, 휠의 허브에 전용 받침대가 필요하다.

유압식, 기계식 모두 림 브레이크에 비해 무겁지만, 디스크 브레이크 전용 휠은 림의 강도와 내마모성을 고려할 필요가 없어 경량화되고 있다. 휠 교체 작업성이 떨어진다는 단점은 쓰루 액슬 도입으로 개선되었다.

사이클로크로스 자전거에서는 2010년 UCI 규칙으로 디스크 브레이크 사용이 허용되어 채용이 늘고 있다. 로드 레이스에서는 2015년부터 시험적으로 채용되었으나, 2016년 4월 프란시스코 벤토소의 부상으로 사용이 중지되었다가, 2017년부터 로터 바깥쪽에 날카로운 각도를 없애는 가공을 조건으로 시험 재개가 결정되었다.^[81]^[82] 이러한 움직임에 따라 디스크 브레이크를 채용한 로드 바이크가 등장하고 있으며, 2024년에는 거의 모든 로드 바이크에 디스크 브레이크가 장착되고 있다.

디스크 브레이크는 자전거 여행 시 로터 뒤틀림, 유압식 브레이크의 피스톤 복귀 문제, 작동유 내부 공기로 인한 제동력 저하 등에 주의해야 한다.

6. 4. 철도 차량

철도 차량에는 제동력 및 방열성 향상을 위해 디스크 브레이크가 채용되고 있다. 디스크 브레이크는 차륜 디스크 방식, 차축 디스크 방식 등 다양한 형태로 활용된다.

철도 차량의 디스크 브레이크는 제동력, 페이드성, 방열성을 향상시키고 고속 주행에 대응하기 위해 사용된다. 철도 차량용 디스크는 중량 문제로 인해 모두 벤틸레이티드 디스크이며, 브레이크 캘리퍼는 주로 공기압으로 작동한다.

일본의 재래선은 국철을 비롯하여 1,067mm 협궤가 많아 백 게이지(차륜 간 너비)에 여유가 없었기 때문에 초기에는 차륜 자체를 로터로 사용하는 '''차륜 디스크''' 방식이 개발되었다. 이는 국철 키하 80계 기동차용 DT31계 대차에 처음 채용되었고, 이후 국철 키하 65형 기동차의 DT39계 대차, 국철 키하 181계 기동차의 DT40계 대차에도 사용되었다. 그러나 국철 키하 183계 기동차부터는 답면(트레드 면)의 눈 부착 방지를 위해 답면 브레이크가 사용되면서 기동차의 차륜 디스크 브레이크는 점차 사라졌다.

차륜 디스크 브레이크 방식은 재래선용 전동차의 전동차에서 많이 사용되었지만, 최근에는 VVVF 인버터 제어의 보급으로 주전동기가 소형화되면서 채용 사례가 줄어들고 있다. 1,435mm 표준궤를 채용한 사철에서의 채용 사례는 적지만, 신칸센이나 게이세이 AE형(2대)에서는 주전동기 용량 확보를 위해 채용되고 있다.

재래선 전동차에서 독립된 로터를 설치하는 방식으로는 관통형 축받이를 사용하여 차축을 대차 틀 바깥에 설치하는 방식이 있다. 이 방식은 히타치 제작소가 제조한 사가미 철도용 직각 카르단 대차인 KH 시리즈에서 채용되었으며, 6000계부터 9000계까지 사용되었다. "지렛대 링크식"이라고 불리는 이 방식은 브레이크 실린더의 암이 지렛대를 통해 패드를 로터에 밀어 넣는 형태로, 동시에 지레의 원리로 밀어 넣는 힘을 강화한다. 이 방식은 비용이 많이 들고 승차감이 좋지 않아 난카이 전기 철도와 게이오 전철에서만 잠시 채용되었다가 모두 폐지되었다.

백 게이지에 여유가 있는 부수차에서는 1~2장의 디스크 로터를 차륜 사이의 차축에 장착하는 방식이 일반적이며, 작동 기구는 항공기나 자동차의 대향 피스톤 캘리퍼와 같은 구조이다.

철도 차량용 디스크 브레이크는 고성능이지만, 차륜과 레일 사이의 미세한 쓰레기나 먼지를 제거할 수 없어 답면 오염을 유발하고, 이는 제동 시 마찰력 저하나 활주로 인한 타이어 플랫 발생의 원인이 된다. 따라서 최근에는 점착력 확보와 타이어 플랫 방지를 위해 대부분의 차량이 답면 청소 장치를 장착하거나 답면 브레이크를 병용하고 있다.

미쓰비시 중공업은 탄소 섬유 강화 탄소(C/C) 재질의 디스크 브레이크를 연구 개발하여 STAR21에 탑재하여 실차 시험을 진행했다. C/C 소재는 내열성이 뛰어나고 경량이며 강도도 충분하지만, 특정 온도에서 브레이크가 안정되지 않는 문제가 있어 산화 화합물 함침 및 탄화 규소 피막 형성을 통해 이를 해결했다.

와전류를 발생시켜 전자기적인 저항으로 브레이크력을 얻는 와전류식 디스크 브레이크도 존재한다. 신칸센 100계 전동차 이후의 부수차에 채용되었지만, E1계・N700계 이후에는 탑재되지 않았다.

6. 5. 항공기

항공기는 초기에 자동차와 같이 드럼 브레이크를 사용했다. 현대의 대형 여객기에는 여러 장의 브레이크 로터를 겹쳐 만든 다판식 디스크 브레이크가 주로 사용된다. 이 방식은 디스크의 유효 면적을 넓히고, 구조를 소형화할 수 있지만, 복잡한 구조로 인해 연속 제동 시 방열성이 떨어진다는 단점이 있다. 하지만, 항공기는 착륙 시에만 큰 제동력이 필요하므로 방열성은 큰 문제가 되지 않는다. 소형 항공기는 경량화 및 낮은 부하 덕분에 자동차와 유사한 단판식 디스크 브레이크를 채택하기도 한다.

|thumb|right|180px|소형 훈련기(T-7)에 채용된 단판식
A 브레이크 디스크
B 브레이크 장치(브레이크 하우징)]]

1960년대부터 ABS(활주 방지 제어 장치, 안티 스키드 장치)가 항공기에 실용화되었다. 1969년에 초도 비행한 초음속 여객기 콩코드는 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료(CC 컴포지트) 디스크를 채택했다. 현재는 초음속 군용기 대부분이 제동력이 우수한 CC 컴포지트 디스크를 사용한다.

7. 주요 문제점 및 해결 방안

7. 1. 소음 (Squeal)

브레이크 작동 시 발생하는 날카로운 끽 소리는 주로 브레이크 구성 요소, 특히 패드와 디스크의 진동 때문에 발생한다.^[75] 이러한 소음은 브레이크 제동 성능에 부정적인 영향을 주지는 않는다.

소음을 줄이기 위해 캘리퍼 피스톤과 패드 사이 접점에 모따기 패드를 추가하거나, 패드 백플레이트에 절연체를 접착하거나, 브레이크 패드와 피스톤 사이에 브레이크 심을 넣는 방법을 사용한다.^[75] 모든 부품에는 끽 소리를 줄이기 위해 극도로 높은 온도와 고형분 윤활제를 코팅하여 금속 간 부품이 서로 독립적으로 움직이도록 한다.

추운 날씨와 높은 습도는 브레이크 끽 소리를 악화시키지만, 라이닝이 정상 작동 온도에 도달하면 소음은 일반적으로 멈춘다. 브레이크에 먼지가 있어도 끽 소리가 발생할 수 있으며, 상업용 브레이크 청소 제품으로 먼지를 제거할 수 있다.

일부 브레이크 패드 재료 내에 반금속층으로 위치하거나 외부 "센서"가 있는 라이닝 마모 표시기는 라이닝 교체 시기가 되면 끽 소리를 내도록 설계되었다.^[75]^[56]

7. 2. 진동 (Judder 또는 Shimmy)

디스크 브레이크에서 제동 시 발생하는 진동(저더 또는 시미)은 운전자에게 불편함과 불안감을 유발할 수 있다.^[57]^[58]^[59]^[60]^[61]^[62]^[63]^[64]^[65] 이러한 진동은 크게 '열간(hot)' 저더와 '냉간(cold)' 저더로 나눌 수 있다.

열간 저더는 고속에서 완만하게 제동할 때 주로 발생하며,^[66] 불균등한 열 분포, 즉 '핫 스폿(hot spot)'이 원인이다. 핫 스폿은 디스크 양쪽에 번갈아 나타나는 집중된 열 영역으로, 디스크를 정현파 형태로 왜곡시킨다. 이로 인해 브레이크 패드가 디스크와 접촉할 때 심한 진동이 발생한다.^[67]^[68]^[69]^[70]

냉간 저더는 불균등한 디스크 마모 패턴이나 디스크 두께 변화(DTV)로 인해 발생한다.^[71] DTV는 디스크 표면의 물결 모양과 거칠기, 축의 정렬 불량(런아웃), 탄성 변형, 마모 및 마찰 재료 전이 등이 원인이다.^[59]^[70]^[72]

디스크 두께 변화(DTV)는 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 브레이크 패드의 부적절한 선택, 패드와 디스크 조합의 부적절한 길들이기, 그리고 "패드 인쇄" 등이 주요 원인이다. 특히, 브레이크 패드가 과열된 상태에서 차량이 정지하고 브레이크를 계속 밟고 있으면 패드 재료가 디스크에 불균등하게 증착되어 문제를 악화시킬 수 있다.

이러한 진동 문제를 해결하기 위해서는 휠 허브와 브레이크 디스크 허브 사이의 접촉면을 깨끗하게 유지하고, 과도한 사용 후에는 브레이크 페달을 세게 밟지 않는 것이 중요하다. 또한, 베드 인(bed in) 절차를 통해 DTV를 최소화하고 패드와 디스크 사이에 균일한 마찰층을 형성할 수 있다. 그러나 핫 스폿이나 과도한 런아웃은 베드 인 절차로 해결하기 어렵다.

디스크 손상의 주요 원인으로는 흠집, 균열, 변형, 과도한 녹 등이 있다. 정비소에서는 종종 디스크 교체를 권장하지만, 대부분의 주요 자동차 제조업체는 측면 런아웃, 진동 문제 및 브레이크 소음 문제를 해결하기 위해 브레이크 디스크 스키밍(터닝)을 권장한다. 디스크 가공은 선반에서 수행되며, 디스크 표면의 얇은 층을 제거하여 균일한 두께를 복원한다.

7. 3. 브레이크 페이드 (Brake Fade)

브레이크 페이드는 브레이크 패드의 과열로 인해 제동 효율이 감소하는 현상이다.^[76] 과열된 브레이크 패드는 일부 기체 물질을 방출하며, 이 기체 물질은 디스크와 브레이크 패드 사이의 공간을 덮어 브레이크 패드와 디스크 사이의 접촉을 방해한다.^[76] 이는 제동력을 감소시키며, 브레이크를 처음 작동했을 때와 같은 힘으로 작동하지 않는다고 느끼게 한다.^[76]

8. 특허

디스크 브레이크 관련 특허는 1900년대 초반부터 현재까지 다양하게 출원되었다. 1902년 프레데릭 윌리엄 랭커스터(Frederick William Lanchester)가 영국에서 최초로 특허를 획득한 이후, 1929년 에드워드 비숍 보튼(Edward Bishop Boughton)이 미국에서 차량용 브레이크 특허를 획득하였다. 이후 유압식 브레이크, 다중 디스크 브레이크, 자동 조절기 등 다양한 기술이 개발되면서 디스크 브레이크는 발전을 거듭하였다.

참조

_[1] 웹사이트 How Brake Rotors Work https://auto.howstuf[...] HowStuffWorks 2008-11-11
_[2] 백과사전 Disc brake https://www.merriam-[...] 2017-11-16
_[3] 웹사이트 Abrasive friction and adherent friction https://www.centricp[...]
_[4] 웹사이트 The first car with disc brakes really was . . . https://www.hemmings[...] 2011-04
_[5] 웹사이트 AP Racing - Race Car - Brake Discs - Ventilated Discs https://www.apracing[...] 2018-11-21
_[6] 웹사이트 A brief history of the bicycle disc brake https://industrialde[...] 2020-05
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