자전거 제동기
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1. 개요
자전거 제동기는 자전거의 속도를 줄이거나 멈추게 하는 장치로, 다양한 종류와 작동 방식을 가지고 있다. 역사적으로는 1817년 카를 드라이스가 라우프마시네에 회전식 브레이크 슈를 포함시킨 것이 시초이며, 이후 스푼 브레이크, 림 브레이크, 허브 브레이크 등 다양한 형태가 개발되었다. 현재는 림 브레이크, 디스크 브레이크, 드럼 브레이크, 코스터 브레이크 등이 널리 사용되며, 기계식과 유압식 작동 방식이 존재한다. 제동 기술은 앞 브레이크와 뒷 브레이크의 적절한 사용, 노면 상태, 법규 등을 고려하여 안전하게 자전거를 제어하는 데 중요하다.
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| 자전거 제동기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 림 브레이크 디스크 브레이크 드럼 브레이크 코스터 브레이크 기타 |
| 상세 정보 | |
| 림 브레이크 종류 | 사이드 풀 브레이크 센터 풀 브레이크 캔틸레버 브레이크 V 브레이크 델타 브레이크 롤러 캠 브레이크 |
| 디스크 브레이크 종류 | |
| 작동 방식 | 유압식 디스크 브레이크 기계식 디스크 브레이크 |
| 고정 방식 | 인터내셔널 스탠다드 마운트 (IS 마운트) 포스트 마운트 플랫 마운트 |
| 드럼 브레이크 종류 | |
| 상세 정보 | 롤러 브레이크 밴드 브레이크 |
| 기타 브레이크 | |
| 종류 | 코스터 브레이크 고정 기어 자전거 브레이크 (스키딩) 패러슈트 브레이크 (특수 목적) |
2. 역사
카를 드라이스는 1817년 자신이 만든 Laufmaschine|라우프마쉬네de에 회전식 브레이크 슈를 장착했는데, 이는 뒷바퀴의 철제 타이어에 직접 압력을 가하는 방식이었다.[1] 이러한 방식은 초기 페달 자전거인 보네셰이커에도 이어져, 뒷바퀴에 스푼 브레이크가 장착되었다.[2] 이 브레이크는 레버나 핸들바에 연결된 줄을 당겨 작동시켰다. 또한, 당시 자전거는 고정 기어 구동 방식이었기 때문에 라이더가 페달에 저항하는 힘을 주어 속도를 늦출 수도 있었다.
자전거 브레이크는 작동 방식과 설치 위치에 따라 크게 몇 가지 종류로 나눌 수 있다. 대표적으로 바퀴의 림에 직접 제동을 거는 '''림 브레이크'''와 바퀴의 허브 부분에 제동 장치가 있는 '''허브 브레이크'''가 있다.
자전거의 다음 발전 단계인 페니 파딩 역시 유사한 스푼 브레이크를 사용하거나 페달을 뒤로 밟아 제동했다. 1870년부터 1878년까지 개발 기간 동안 다양한 브레이크 설계가 시도되었으며, 대부분 뒷바퀴에 작동하는 방식이었다. 그러나 뒷바퀴가 점점 작아지고 라이더의 무게 중심이 앞바퀴로 이동하면서 뒷바퀴 제동의 효과는 감소했다. 이에 1873년 존 킨이 앞바퀴 브레이크를 도입했고, 더 강력한 제동력 덕분에 1880년경에는 이 방식이 일반적으로 채택되었다.[3]
일부 페니 파딩 라이더는 뒤로 페달을 밟는 방식만을 사용했고, 가파른 언덕길을 내려갈 때는 자전거에서 내려 걸었지만, 대부분은 브레이크도 함께 사용했다.[1] 브레이크가 장착되면서 라이더는 페달에서 발을 떼고 다리를 핸들바 위로 올려 언덕길을 미끄러지듯 내려갈 수도 있었지만, 여전히 많은 라이더는 안전을 위해 가파른 언덕길에서는 자전거에서 내려 걷는 것을 선호했다.[1] 페달에서 발을 떼고 다리를 핸들바 아래로 가져가 포크에 있는 발 받침대에 올려놓는 경우, 발이 바퀴살에 걸려 심각한 사고로 이어지기도 했다.[1]
페니 파딩의 스푼 브레이크에 대한 대안으로, 1887년 브로웨트와 해리슨은 캘리퍼 브레이크를 개발하여 특허를 받았다.[4] 이 초기 형태의 캘리퍼 브레이크는 페니 파딩의 작은 뒷 타이어 외부에 고무 블록을 접촉시켜 제동하는 방식이었다.
1870년대와 1880년대에는 오늘날의 자전거와 외형적으로 유사한 세이프티 자전거가 개발되었다. 초기 모델은 단단한 고무 타이어를 사용했으며, 두 바퀴의 크기가 같았다. 이 자전거들은 일반적으로 앞바퀴에 스푼 브레이크가 장착되었고, 뒷바퀴에는 별도의 브레이크 메커니즘이 없었다. 하지만 페니 파딩처럼 고정 기어를 사용하여 페달의 움직임에 저항하는 방식으로 뒷바퀴를 제동할 수 있었다. 당시 대부분의 자전거에 사용된 나무 림은 상대적으로 약했기 때문에 림 브레이크의 사용은 아직 불가능했다. 1890년대 후반에 이르러서야 림 브레이크와 프리휠이 도입되었다.[1]
던롭 타이어 컴퍼니에서 공기압 타이어를 대량 생산하면서 스푼 브레이크의 사용은 점차 줄어들기 시작했다. 공기압 타이어의 얇은 케이싱은 스푼 브레이크와의 마찰로 인해 쉽게 마모되는 경향이 있었기 때문이다. 이러한 문제로 인해 대체 제동 시스템에 대한 요구가 커졌다. 1897년 11월 23일, 캘리포니아 오클랜드의 덕스 사이클리 소속 에이브럼 W. 덕은 '덕 롤러 브레이크'(덕 브레이크)에 대한 특허를 취득했다(미국 특허 594,234).[5] 이 브레이크는 핸들바의 레버로 작동하는 막대를 사용하여 두 개의 고무 롤러를 앞 타이어에 밀착시켜 앞바퀴를 제동하는 방식이었다.[6]
1898년, 프리휠 코스팅 메커니즘이 등장한 후, 최초의 내부 코스터 브레이크가 뒷바퀴용으로 도입되었다. 코스터 브레이크는 뒷바퀴 허브 내부에 장착되었으며, 뒤로 페달을 밟아 작동하고 제어하는 방식이어서 타이어 마모 문제를 해결할 수 있었다. 특히 미국에서는 20세기 전반에 걸쳐 코스터 브레이크가 가장 일반적으로 장착된 브레이크였으며, 종종 자전거의 유일한 제동 시스템을 구성하기도 했다.
3. 종류
각 브레이크 종류에 대한 자세한 설명과 장단점은 하위 섹션에서 다룬다.
3. 1. 림 브레이크
림 브레이크(Rim brake)는 자전거 바퀴의 테두리, 즉 림 부분에 브레이크 패드를 직접 마찰시켜 자전거의 속도를 줄이는 방식의 제동 장치이다.[15] 가장 오래되고 널리 사용되는 자전거 브레이크 형태 중 하나로, 작동은 일반적으로 자전거 핸들바에 달린 브레이크 레버를 당기는 힘으로 이루어진다.
림 브레이크는 가격이 저렴하고 무게가 가벼우며, 기계적으로 구조가 단순하여 유지보수가 쉽다는 장점이 있다. 하지만 비가 오거나 물에 젖어 림 표면이 미끄러워지면 제동력이 크게 떨어지고, 진흙이나 눈이 많은 환경에서는 림과 브레이크 패드 사이에 이물질이 끼어 작동이 어려워질 수 있다. 악천후 속 주행은 패드 마모를 가속화하고 림까지 손상시킬 수 있으며, 긴 내리막길에서 브레이크를 계속 사용하면 마찰열로 림이 과열되어 타이어가 터질 위험도 있다.[80][13]
따라서 림 브레이크는 정기적인 관리가 필수적이다. 마모된 브레이크 패드는 교체해야 하며, 마모 정도에 따라 위치 조정이 필요할 수 있다. 림 자체도 장기간 사용하면 마모되므로, 제동면의 마모 상태를 주기적으로 점검하고 심하게 마모된 경우 교체해야 한다. 특히 습하거나 진흙이 많은 환경에서는 마모가 더 빠르게 진행된다. 림이 휘거나 변형되면 제동력이 불규칙해지거나 패드가 림에 불필요하게 닿을 수 있으므로, 림 상태를 항상 바르게 유지해야 한다.
림 표면에 세라믹 코팅을 적용하면 마모를 줄이고 건조하거나 젖은 상태 모두에서 제동 성능을 향상시킬 수 있으며, 열 절연 효과로 림 내부로 전달되는 열을 줄일 수도 있다.[14]
브레이크 패드는 다양한 모양과 재질로 만들어진다. 가죽, 고무, 코르크 등이 주로 사용되며, 때로는 금속 재질의 브레이크 슈에 교체 가능한 고무 패드를 고정하는 방식이 많다. 비용 절감을 위해 패드와 고정 부품이 하나로 만들어진 일체형도 있다. 카트리지 브레이크 패드는 브레이크 슈의 정렬을 유지한 채 패드만 쉽게 교체할 수 있도록 분할 핀이나 나사로 고정된다. 고무 재질은 제동력을 높이기 위해 부드럽게, 수명을 늘리기 위해 단단하게 만들 수 있다. 탄소 섬유 림은 손상에 민감하므로 일반적으로 마모성이 적은 코르크 패드를 사용해야 한다. 세라믹 코팅 림에는 열 축적 문제 때문에 크롬 화합물이 포함된 특수 패드를 사용해야 한다. 젖은 날씨에는 산화철(III)이 포함된 연어색 패드(Kool-Stop 등에서 생산)가 젖은 알루미늄 림에서 더 높은 마찰력을 제공한다. 과도한 림 마모를 방지하려면, 패드 표면에 모래나 금속 조각이 박히지 않도록 충분히 단단한 재질의 패드를 선택하는 것이 좋다.
림 브레이크에는 여러 종류가 있다.[15]
림 브레이크 중 가장 오래된 형태로, 세이프티 자전거에 처음 사용되었고 영국식 로드스터에서 표준화되었다. 브레이크 레버와 브레이크 장치를 강철 막대(로드)로 연결하여 작동시킨다. 구조가 튼튼하여 과거 화물 자전거나 일반 생활 자전거에 많이 쓰였으나, 무겁고 조립이 복잡하며 차체 설계 자유도가 낮아 현재는 거의 사용되지 않는다. 다른 림 브레이크와 달리 림 안쪽 면에 패드를 눌러 제동하는 방식이며, 제동력은 상대적으로 약하다.
로드 브레이크를 대체하며 등장한 와이어식 림 브레이크의 초기 형태이다. 바퀴 위쪽에 고정된 캘리퍼 암이 케이블을 당기는 힘으로 움직여 림 양쪽을 패드로 누르는 방식이다. 주로 로드 자전거나 고정 기어 자전거에 많이 사용되며,[77] 고속 주행 시 속도 제어가 용이하다.[77] 구조에 따라 다음과 같이 나뉜다.
줄여서 '캔티 브레이크'라고도 부른다. 각 브레이크 암이 프레임이나 포크에 직접 고정된 별도의 피봇에서 작동한다. 케이블은 차체에 고정된 케이블 행어를 통해 브레이크 암과 연결된다. 주로 사이클로크로스, 투어링 (랜드너), 초기 산악 자전거에 사용되었으나, 현재는 대부분 V 브레이크나 디스크 브레이크로 대체되었다.
시마노의 등록 상표이지만, 일반적으로 '수평당김(Linear-pull)' 또는 '직접당김(Direct-pull)' 브레이크를 통칭하는 용어로 쓰인다. 캔틸레버 브레이크의 일종이지만, 케이블 행어 없이 케이블이 한쪽 암에 직접 연결되고 다른 쪽 암으로 이어져 수평으로 당겨지는 구조이다. 캔틸레버 브레이크보다 암이 길고 케이블 당김이 직접적이어서 제동력이 훨씬 강하고 정비가 용이하다.[77] 주로 산악 자전거, 하이브리드 자전거 등 플랫바 핸들바를 사용하는 자전거에 널리 쓰인다. V 브레이크는 전용 브레이크 레버가 필요하다. 로드 자전거용 얇은 타이어에 맞게 암 길이를 줄인 '미니 V 브레이크'도 있다.
케이블 대신 유압 피스톤을 이용하여 브레이크 패드를 림에 밀착시키는 방식이다. 마구라(Magura) 사의 HS-33 모델이 유명하다. 매우 강력한 제동력과 정밀한 제어가 가능하지만, 구조가 복잡하고 유지보수가 어려우며 림 브레이크 고유의 단점(젖었을 때 성능 저하 등)을 그대로 가지고 있다. 현재는 주로 바이크 트라이얼용 자전거에 사용된다.
이 외에도 롤러 캠 브레이크나 캄파놀로 델타 브레이크(삼각형 모양의 로드 자전거용) 등 특수한 형태의 림 브레이크가 존재했다.
3. 2. 허브 브레이크
허브 브레이크는 제동 장치가 바퀴의 허브에 직결되거나 내부에 장착된 방식이다. 주로 드럼 브레이크, 롤러 브레이크, 코스터 브레이크 등이 있다.
'''드럼 브레이크'''
드럼 브레이크는 자동차의 드럼 브레이크와 유사한 원리로 작동하지만, 자전거용은 주로 케이블을 사용한다. 바퀴 축 안에 있는 70mm ~ 120mm 지름의 원통(드럼) 내부 표면을 두 개의 브레이크 슈(패드)가 바깥쪽으로 밀착하며 제동력을 발생시킨다.
드럼 브레이크는 메커니즘이 완전히 밀폐되어 있어 비가 오거나 더러운 환경에서도 비교적 일관된 제동 성능을 제공한다. 이 때문에 네덜란드의 유틸리티 자전거나 화물 자전거, 벨로모빌 등에서 흔히 사용되며, 구형 탠덤 자전거에서는 드래그 브레이크 용도로 뒤 허브에 장착되기도 했다. 생활형 자전거인 미니벨로 등에서도 볼 수 있다.
장점으로는 외부 환경의 영향을 적게 받는다는 점과 유지 관리가 비교적 적게 필요하다는 점이 있다. 반면, 구조가 복잡하고 림 브레이크에 비해 무거우며 제동력이 약한 편이다. 또한, 고장이 났을 때 수리가 어렵고, 바퀴를 분리할 때 브레이크 케이블도 함께 분리해야 하는 번거로움이 있다. 퀵 릴리스 스큐어 방식의 액슬 고정에는 적합하지 않으며, 브레이크의 반작용 토크를 견디기 위한 토크 암(torque arm)을 프레임이나 포크에 고정해야 한다.
'''롤러 브레이크'''
롤러 브레이크는 시마노에서 제조하는 모듈식 케이블 작동 드럼 브레이크의 한 종류로, 특수한 스플라인이 있는 허브에 장착된다. 허브 본체 내부에 내장된 캠이 회전하면서 주변의 롤러들을 밀어 올리고, 이 롤러들이 금속 브레이크 슈를 드럼 안쪽 면에 밀착시켜 제동하는 방식이다. 시마노 넥서스(Nexus) 시리즈에 포함된 인터M(Inter-M)이 대표적인 모델이다.
기존의 서보 브레이크 등이 가지고 있던 소음 문제나 우천 시 제동력 저하 문제를 개선하여, 최근의 시티 사이클 고급 모델을 중심으로 채용이 확대되고 있다. 기존 드럼 브레이크와 달리 허브에서 비교적 쉽게 분리할 수 있다는 장점이 있다. 일부 모델에는 바퀴가 잠기는 것을 방지하기 위한 동력 조절기(power modulator)라는 토크 제한 장치가 포함되어 있기도 하다. 밴드 브레이크나 서보 브레이크와는 장착 및 운용 호환성이 없다.
'''코스터 브레이크'''
코스터 브레이크(coaster brake)는 1898년 윌라드 M. 패로우(Willard M. Farrow)가 발명했으며, '백페달 브레이크'(back pedal brake) 또는 '풋 브레이크'(foot brake)라고도 불린다. 이탈리아에서는 contropedale|콘트로페달레it라고도 한다. 뒷바퀴 허브 내부에 프리휠 기구와 함께 통합된 드럼 브레이크의 일종이다.
페달을 앞으로 굴릴 때는 일반 자전거처럼 작동하지만, 페달을 뒤로 돌리면 허브 내부의 클러치가 반대 방향으로 움직여 브레이크 슈를 확장시키거나 제동 요소(주로 황동이나 인청동)를 브레이크 맨틀(허브 셸 내부의 강철 라이너)에 밀착시켜 제동력을 얻는다. 코스터 브레이크 자전거는 일반적으로 싱글 코그와 체인 휠을 갖추고 있으며, 약 2.54cm 너비의 체인을 사용하는 경우가 많다.
코스터 브레이크는 브레이크 레버나 케이블이 필요 없어 핸들바 주변이 깔끔하고, 악력이 약한 어린이도 쉽게 사용할 수 있으며, 케이블이 없어 반응성이 좋다는 장점이 있다. 또한 허브 내부에 있어 외부 오염이나 날씨의 영향을 적게 받는다. 주로 어린이용 자전거나 비치크루저, 미국이나 네덜란드의 전통적인 자전거, 핸드 사이클 등에 많이 사용된다. 일본에서는 일부 구형 실용차나 어린이용 자전거, 외관을 중시하는 패션 자전거 등에 채용된다.[79]
단점으로는 미세한 제동력 조절이 어렵고, 뒷바퀴에만 작동하므로 급제동 시 바퀴가 미끄러지기 쉽다는 점이 있다. 또한, 크랭크가 수평에 가까울 때만 효과적으로 작동하며, 긴 내리막길에서는 마찰열로 인해 성능이 저하될 수 있다.[43] 외장 변속 기어와의 호환성이 낮아 스포츠 주행에는 적합하지 않으며, 체인이 끊어지거나 벗겨지면 제동력을 완전히 상실하게 된다. 구조상 정기적인 허브 분해 및 그리스 주입 등의 정비가 필요하며[42], 드럼 브레이크와 마찬가지로 프레임에 고정되는 반응 암(reaction arm)이 필요하다. 코스터 브레이크 허브는 일본 공업 규격(JIS)에서 '코스터 허브'로 규정되어 있다. BMX 프리스타일용 프리 코스터 허브는 코스터 브레이크에서 브레이크 기능을 제거한 형태에서 유래했다. 허브 기어와 결합된 형태(예: Sturmey-Archer의 AWC 및 SRC3, 시마노 넥서스 3단 및 최대 8단[42])도 존재한다.
3. 3. 기타 브레이크
'''스푼 브레이크'''(spoon brake영어) 또는 '''플런저 브레이크'''(plunger brake영어)는 19세기 초 자전거에 사용된 초기 제동 방식으로, 공기 타이어보다 먼저 등장했다.[7] 이 브레이크는 패드(종종 가죽으로 만들어지거나 고무 면이 있는 금속 슈)를 앞 타이어 상단에 직접 눌러 마찰을 일으키는 방식으로 작동한다. 이 방식은 타이어 마모를 심하게 유발하며 노면 상태에 민감하다는 단점이 있다. 스푼 브레이크는 1800년대 고무 타이어를 장착한 페니 파딩 자전거에 사용되었으며, 이후 공기 타이어를 사용하는 안전 자전거가 도입된 후에도 한동안 계속 사용되었다. 작동 방식은 주로 오른손 레버를 이용한 로드(rod) 방식이었다. 개발 도상국에서는 오래된 로드스터 자전거에 발로 작동하는 스푼 브레이크 형태로 개조되어 사용되기도 했다. 이는 포크 크라운 뒤쪽에 스프링이 달린 플랩을 부착하여 라이더가 발로 눌러 앞 타이어에 마찰을 가하는 방식이다.
덕 브레이크, 코스터 브레이크, 로드 브레이크 등이 등장하면서 스푼 브레이크는 점차 구식이 되었지만, 서구에서는 1930년대까지 성인용 자전거에, 1950년대까지 어린이용 자전거에 보조 브레이크로 계속 사용되었다. 개발 도상국에서는 그보다 더 최근까지 제조되었다.
'''덕 브레이크'''(duck brake영어) 또는 '''덕 롤러 브레이크'''(duck roller brake영어)는 1897년에 발명되었다.[6] 이 브레이크는 핸들바의 레버로 작동하는 막대를 사용하여 두 개의 마찰 롤러(보통 나무 또는 고무로 제작)를 앞 타이어에 밀착시키는 방식으로 작동한다.[6] 롤러는 마찰 와셔로 고정된 차축에 장착되어 타이어 모양에 맞게 각도를 이루며, 타이어와 접촉하면 마찰 와셔에 밀착되어 앞바퀴를 제동한다.[6] 평상시에는 텐션 스프링이 롤러를 타이어에서 떨어뜨려 놓는다.[6] 제동력은 핸들바 뒤에 평행하게 장착된 매우 긴 브레이크 레버로 강화되었으며, 필요시 두 손으로 레버를 당겨 추가적인 제동력을 얻을 수 있었다.[6] 리어 코스터 브레이크와 함께 사용하면, 당시의 스푼 브레이크나 리어 코스터 브레이크만 사용하는 것보다 훨씬 더 빠르게 제동하고 제동력을 더 잘 조절할 수 있었다.[8][9] 구어체로 ''덕 브레이크''로 알려진 이 디자인은 당시 많은 유명 라이더들이 사용했으며 영국, 호주 및 기타 국가로 널리 수출되었다.[10] 1902년, 루이스 H. 빌은 모터사이클에 사용하기 위한 덕 롤러 브레이크의 개선된 버전에 대한 특허를 받았다.[11][12]
'''드래그 브레이크'''(drag brake영어)는 특정 기계적 설계를 지칭하기보다는 사용 목적에 따라 정의되는 브레이크 유형이다. 드래그 브레이크는 자전거를 완전히 멈추는 것이 아니라, 긴 내리막길에서 자전거의 속도를 늦추기 위해 지속적인 감속력을 제공하도록 설계되었다. 따라서 자전거를 완전히 멈추기 위해서는 별도의 주 브레이크 시스템이 필요하다.
드래그 브레이크는 특히 림 브레이크를 장시간 사용하면 림이 과열되어 타이어가 파열될 위험이 있는 산악 지역의 탠덤과 같이 무거운 자전거에 자주 사용된다.[44][45] 전통적으로 드래그 브레이크는 드럼 브레이크 형태가 많았다. 이 유형의 브레이크를 가장 많이 생산했던 회사는 아라이(Arai)였으며, 이 브레이크는 뒷바퀴 허브 왼쪽에 있는 기존의 프리휠 나사산에 고정되고 보우덴 케이블을 통해 작동되었다. 그러나 2011년 기준으로 아라이 드럼 브레이크는 수년 동안 생산이 중단되었고, 남은 재고가 거의 소진되어 중고 제품은 높은 가격에 거래되고 있다.
최근에는 대형 로터를 사용하는 디스크 브레이크가 드래그 브레이크로 사용되기도 한다. 예를 들어, 일부 탠덤 라이더들은 아비드(Avid) BB-7 기계식 디스크 브레이크와 203mm 로터를 사용하면 기존의 아라이 드럼 브레이크보다 심한 제동 시 열 문제가 덜 발생한다고 보고한다. DT-Swiss는 디스크 로터를 아라이 드럼 브레이크용 나사산이 있는 허브에 연결하는 어댑터를 만들지만, 캘리퍼를 장착하는 문제는 여전히 해결해야 할 과제이다.
'''밴드 브레이크'''(band brake영어)는 바퀴와 함께 회전하는 도르래 또는 드럼을 감싸는 밴드, 스트랩 또는 케이블로 구성되며, 이를 조여 마찰을 발생시켜 제동한다. 밴드 브레이크는 1884년 삼륜차에 처음 등장했다.[46] 스타 사이클(Star Cycles)은 1902년 프리휠이 장착된 자전거에 밴드 브레이크를 도입했다.[47] 밴드 브레이크는 2010년에도 자전거용으로 제조되었다.[48]
1990년대 로이스 허스티드의 얀키 자전거에 사용된 '''림 밴드 브레이크'''(rim band brake영어)는 케블라 피복으로 감싸인 스테인리스 스틸 케이블을 사용한다.[49] 이 케이블은 바퀴 림 측면의 U자형 채널을 따라 움직이며, 브레이크 레버를 꽉 쥐면 케이블이 채널에 조여져 브레이크 마찰이 발생한다.[49] 복귀 스프링이 있어 브레이크 레버를 놓으면 케이블이 느슨해지며, 별도의 조정이 필요 없고 젖었을 때 오히려 제동력이 더 강해지는 특징이 있다. 허스티드는 이 브레이크의 영감을 산업 기계에 사용되는 밴드 브레이크에서 얻었다고 말했다.[50] 얀키 자전거는 후방 브레이크만 포함했지만, 이는 미국 소비자 제품 안전 위원회의 표준을 충족했다.
4. 작동 방식
'''작동 방식'''은 자전거 운전자가 브레이크 레버 등을 조작하여 발생시킨 힘을 실제 제동 장치(캘리퍼, 드럼 등)까지 전달하는 시스템을 의미한다. 자전거 브레이크의 작동 방식은 크게 기계식과 유압식으로 나눌 수 있다.
=== 기계식 ===
현대 자전거에서 가장 일반적인 기계식 작동 방식은 브레이크 레버와 보우덴 케이블을 연결하여 브레이크 암을 움직여 패드를 제동면에 밀착시키는 방식이다. 케이블 방식은 일반적으로 유압식보다 가격이 저렴하지만, 케이블이 외부에 노출되는 부분이 있어 오염이나 손상에 취약하며 주기적인 유지보수가 필요할 수 있다.[51]
기계식 디스크 브레이크의 경우, 케이블 작동식은 유압식에 비해 비용이 낮고 유지보수가 용이하며 시스템 무게가 가볍다는 장점이 있다. 하지만 제동력이나 제어력 측면에서는 유압식보다 다소 부족하다는 평가를 받는다. 과거에는 드롭 바에 장착되는 브레이크 레버와 호환되는 디스크 브레이크는 기계식뿐이었으나,[33] 현재는 유압식 드롭 바 레버도 개발되어 사용되고 있다.[34][35]
기계식 브레이크 레버는 당겨지는 케이블의 길이에 따라 두 가지 종류로 나뉜다.[55]
- 표준 풀(Standard pull) 레버: 캘리퍼 브레이크, 전통적인 캔틸레버 브레이크, 로드바이크용 기계식 디스크 브레이크 등 대부분의 브레이크와 호환된다.
- 롱 풀(Long pull) 레버: V-브레이크와 같은 직접 당김(direct-pull) 방식 캔틸레버 브레이크나 산악자전거용 기계식 디스크 브레이크와 함께 사용된다.[56]
라이더가 브레이크를 효과적으로 작동시키려면 브레이크 레버의 기계적 이점 (당기는 힘과 거리)이 연결된 브레이크 종류와 맞아야 한다. 호환되지 않는 레버와 브레이크를 사용하면, 제동력이 부족하거나(예: V-브레이크 레버와 캘리퍼 브레이크 조합), 레버 작동 거리가 너무 짧아 브레이크를 완전히 잡기 어려울 수 있다(예: 표준 풀 레버와 V-브레이크 조합).[57][58] 일부 레버는 기계적 이점을 조절하여 여러 종류의 브레이크와 호환되도록 설계되기도 한다.
=== 유압식 ===
유압 브레이크는 브레이크 레버를 당기면 연결된 호스를 통해 브레이크액(유체)을 밀어내고, 이 유체 압력이 캘리퍼 내부의 피스톤을 움직여 패드를 제동면에 밀착시키는 방식으로 작동한다. 유압식은 주로 디스크 브레이크에 사용되지만, 유압식 림 브레이크도 존재한다.
유압 시스템은 외부와 밀폐되어 있어 케이블 방식에 비해 오염에 강하고, 일반적으로 더 강력한 제동력과 정밀한 제어가 가능하다는 장점이 있다. 반면, 시스템이 복잡하고 고장이 발생하면 완전히 작동 불능 상태가 될 수 있으며, 수리를 위해서는 특수한 장비와 기술이 필요하다.
유압 브레이크에는 주로 두 가지 종류의 브레이크액이 사용된다.
- '''미네랄 오일''': 일반적으로 비활성이며 수분을 흡수하지 않지만(비흡습성), 제조사나 종류에 따라 끓는점이 다르다.
- '''DOT 액체''' (DOT 4 또는 DOT 5.1): 자동차 브레이크액과 유사하며 흡습성이 있어 공기 중의 수분을 흡수한다. 끓는점이 미네랄 오일보다 일반적으로 높지만, 수분을 흡수하면 끓는점이 낮아질 수 있다. 또한, 자전거 프레임의 도장을 부식시킬 수 있어 취급에 주의가 필요하다.[52]
브레이크 시스템 내부의 고무 씰(seal) 등은 특정 종류의 브레이크액에 맞춰 설계되므로, 반드시 제조사가 지정한 종류의 액체를 사용해야 한다. 잘못된 종류의 액체를 사용하면 씰이 부풀거나 손상되어 브레이크 성능 저하(예: 레버가 스펀지처럼 물렁해지는 느낌)나 고장을 유발할 수 있다. 브레이크 레버의 리저버(액체 저장소) 캡 등에 사용해야 할 액체 종류가 표시되어 있는 경우가 많다.
=== 하이브리드 방식 ===
과거에는 기계식 케이블과 유압 시스템을 결합한 하이브리드 방식도 있었다. 예를 들어, 브레이크 레버에서 캘리퍼 근처까지는 케이블로 연결하고, 캘리퍼에 통합된 작은 마스터 실린더에서 유압으로 피스톤을 작동시키는 방식이다. 일부 산타나 탠덤 자전거에서는 레버에서 헤드 튜브 근처의 마스터 실린더까지 케이블을 사용하고, 거기서 뒷바퀴 캘리퍼까지는 유압 라인을 사용하기도 했다. 이러한 방식은 일반적인 케이블 브레이크 레버를 사용하면서 유압의 장점을 일부 활용할 수 있지만, 시스템이 더 무거워지고 케이블 오염 문제에서는 자유롭지 못하다는 단점이 있다.
5. 제동 기술
자전거의 운동 역학에 따라 제동 시에는 무게가 앞바퀴 쪽으로 쏠리는 무게 이동 현상이 발생하며, 이는 앞바퀴의 견인력을 높이는 효과를 가져온다. 하지만 앞 브레이크를 너무 강하게 잡으면 관성 때문에 라이더와 자전거가 앞으로 고꾸라질 수 있는데, 이를 흔히 '엔도'라고 부른다. 반대로 뒷 브레이크를 가볍게 사용하면 자전거가 뒤집힐 위험이 커질 때 뒷바퀴가 살짝 미끄러지는데, 이는 앞 브레이크 사용 강도를 줄여야 한다는 신호로 받아들일 수 있다. 노면의 견인력이 낮거나 회전 중일 때 앞바퀴가 미끄러지면 자전거의 균형을 잃고 옆으로 넘어지기 쉽다.[59]
탠덤 자전거나 리컴번트 자전거와 같이 휠베이스가 길고 무게 중심이 낮은 자전거는 앞 브레이크를 강하게 잡아도 무게 중심이 낮아 자전거가 앞으로 뒤집히는 것이 거의 불가능하다. 이런 경우 보통 앞바퀴가 먼저 미끄러지게 된다.[60]
특정 상황에서는 속도를 줄이기 위해 뒷 브레이크를 더 많이 사용하고 앞 브레이크 사용을 줄이는 것이 안전하다.
- 자전거 제동 특성 미숙: 처음 타는 자전거라면 브레이크를 시험해 보고 어느 정도 힘으로 잡아야 하는지 미리 익혀두는 것이 중요하다.
- 회전 시: 회전 중에는 자전거가 기울어져 있으므로 가급적 회전 전에 미리 제동하는 것이 좋고, 부득이하게 회전 중 제동해야 한다면 뒷 브레이크 위주로 사용한다.
- 미끄러운 노면: 젖은 노면, 진흙, 눈, 얼음, 혹은 느슨한 돌이나 자갈이 깔린 길에서는 앞바퀴가 미끄러지기 쉽다. 특히 자전거가 기울어진 상태에서 앞바퀴가 미끄러지면 제어가 매우 어렵다.
- 울퉁불퉁한 노면: 제동 중 앞바퀴가 지면에서 잠시 떨어졌다 다시 닿을 때, 브레이크가 계속 걸려 바퀴 회전이 멈춘 상태라면 앞바퀴가 미끄러지거나 라이더가 핸들 너머로 넘어갈 수 있다.
- 매우 느슨한 노면: 자갈길이나 흙길처럼 매우 느슨한 노면에서는 뒷바퀴를 의도적으로 잠가 미끄러뜨리는 것이 속도를 줄이거나 방향을 제어하는 데 도움이 될 수도 있다. 특히 매우 가파른 내리막길의 느슨한 노면에서는 뒷 브레이크를 이용한 제어가 더 유리할 수 있다. 하지만 바퀴가 완전히 잠기면 제어력을 거의 상실하므로, 어떤 바퀴든 완전히 잠그는 것은 피해야 한다.
- 가파른 내리막길: 경사 때문에 앞바퀴가 들리며 뒤집힐 위험이 커지고, 앞바퀴가 미끄러지면 사고로 이어질 가능성이 매우 높다. 반면 뒷바퀴가 미끄러지더라도 자전거를 어느 정도 제어할 수 있다.
- 긴 내리막길: 앞 브레이크와 뒷 브레이크를 번갈아 사용하면 손의 피로를 덜고, 브레이크 패드와 림(또는 디스크 로터)의 과열을 막을 수 있다. 과열은 타이어 펑크나 유압 디스크 브레이크 오일 비등과 같은 심각한 고장으로 이어질 수 있다.
- 앞 타이어 펑크: 공기가 거의 없는 타이어로 제동하면 타이어가 림에서 벗겨져 사고로 이어질 위험이 크다.[61]
브레이크 레버의 위치는 일반적으로 도로 주행 방향에 따라 결정된다. 한국과 같이 우측 통행을 하는 국가에서는 도로 중앙에 더 가까운 왼손으로 수신호를 하는 경우가 많기 때문에, 앞 브레이크 레버는 오른쪽에, 뒷 브레이크 레버는 왼쪽에 배치하는 것이 관례이다.[62] 이는 오토바이의 브레이크 레버 배치(오른손-앞 브레이크, 오른발-뒷 브레이크)와 유사하여, 자전거에서 오토바이로 전환할 때 혼란을 줄이는 장점도 있다.
6. 법규 및 안전
트랙 자전거는 벨로드롬 경주 시 급격한 속도 변화를 피하고자 브레이크 없이 제작된다. 트랙 자전거는 고정 기어를 사용하므로 페달에 반대 방향으로 힘을 주어 속도를 늦추거나, 페달을 잠그고 미끄러지게 하여 제동할 수 있다. 고정 기어 로드 자전거 역시 브레이크가 없을 수 있으며, 트랙 자전거와 같은 방식으로 속도를 조절한다. 하지만 안전 문제나 법적 요구 사항 때문에 앞 브레이크를 장착하는 경우가 많다. 일부 BMX 자전거는 디탱글러 설치의 비용과 복잡성을 피하기 위해 브레이크 없이 만들어지기도 한다. 이 경우 라이더가 발을 땅에 대거나 안장과 뒷 타이어 사이에 발을 끼워 스푼 브레이크처럼 사용하는 방식으로 멈춘다. 사이클 스피드웨이는 영국, 폴란드, 호주, 프랑스 등에서 열리는 근접 트랙 경주로, 전용 자전거는 단일 프리휠을 사용하며 브레이크가 없다. 코너링 시 안쪽 발을 끌어 속도를 늦춘다. 이 자전거들은 도로 주행용이 아니며 트랙에 보관된다.[63]
여러 국가에서는 공공 도로에서 브레이크 없는 자전거를 타는 것을 법으로 금지하고 있다. 해당 국가는 벨기에,[64] 호주,[65] 독일,[66] 영국,[67][68] 프랑스,[69] 이탈리아,[70] 폴란드, 일본, 덴마크,[71] 스웨덴,[72] 핀란드[73] 등이다.
자전거 브레이크의 제동 성능은 안전과 직결되므로, 각국에서는 관련 규격 및 법규를 마련하여 관리하고 있다. 대표적인 안전 규격으로는 유럽의 CE 마크, 미국의 CPSC 규격, 일본의 일본 공업 규격 (JIS), SG 마크, 자전거 협회 인증 (BAA) 등이 있다.
일본의 도로교통법은 자전거가 10km/h로 주행 중 3m 이내에 정지할 수 있는 브레이크를 앞뒤 바퀴에 모두 갖추도록 규정하고 있다. 발을 땅에 대거나 타이어를 발로 밟는 방식, 또는 구동계에 역방향 힘을 가하는 방식(스키드) 등은 법적으로 제동으로 인정되지 않는다. 판례에 따르면 픽스드 기어 자전거(피스트)의 페달을 이용한 정지 역시 브레이크로 인정받지 못한다.
7. 싱글 레버 브레이크
싱글 레버 브레이크는 하나의 레버로 앞뒤 브레이크를 모두 작동시키는 시스템이다.
SureStop 제동 시스템은 이러한 방식의 한 예로, 뒷바퀴의 회전에 의해 뒷 브레이크 슈에 가해지는 마찰을 이용하여 뒷 브레이크를 작동시키고, 이어서 앞 브레이크까지 작동시킨다. 이 시스템은 핸들바 너머로 넘어지는 것을 포함한 일부 제동 관련 사고의 위험을 줄일 수 있다고 주장한다.
그러나 이 시스템은 뒷 브레이크의 사용을 강조하고 앞 브레이크 사용을 최적화하지 못하며, 자전거 운전자가 브레이크 레버 사용에 안이해지게 만들 수 있다는 비판이 있다. 또한 앞 브레이크가 위험하다는 잘못된 통념을 강화할 수 있다는 지적도 받는다. 양쪽 바퀴의 브레이크가 직접 연결되어 있기 때문에, 이러한 시스템의 합법성은 국가에 따라 다를 수 있다.
어린이나 노인을 포함한 모든 자전거 운전자는 비상 상황에서 최소 정지 거리에서 멈출 수 있도록 두 브레이크를 효과적으로 사용하는 훈련을 받아야 한다.[74][75]
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