공기브레이크

왜 배우는가: 공기브레이크는 중량이 큰 건설기계의 주제동장치로 쓰이는 대표 방식이어서, 압축공기의 동작 원리와 법정 기준을 함께 알아야 답안을 구성할 수 있다. 이 개념은 2교시 논술형과 3교시 공압기호 문제로 함께 묻는 주제이다.

출제 이력: 제117회 2교시 4번, 제96회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기브레이크는 압축공기의 압력을 이용하여 제동력을 발생시키는 제동장치로, 중량이 큰 건설기계의 주제동장치에 널리 쓰이는 방식이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 공기 계통을 이루는 핵심 구성 요소를 설명한다. 공기브레이크를 이해하는 데 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 공기압축기: 엔진 동력으로 대기를 압축하여 고압의 공기를 만드는 장치이다.
• 공기탱크: 압축된 공기를 저장하여 제동에 필요한 압력원을 확보하는 용기이다.
• 브레이크 밸브: 운전자의 페달 조작량에 따라 공급되는 공기압의 크기를 조절하는 밸브이다.
• 릴레이 밸브: 브레이크 밸브의 신호를 받아 공기를 제동 챔버로 신속하게 보내는 밸브이다.
• 브레이크 챔버: 공기압을 기계적인 힘으로 바꾸어 푸시로드를 미는 구동 장치이다.
• 기준공기압: 제동 기능을 정상적으로 유지할 수 있는 최소 공기압이다.

이 여섯 요소는 공기의 생성, 저장, 조절, 전달, 구동의 순서로 연결되어 하나의 제동 계통을 이룬다.

2. 개념 풀이

공기브레이크는 압축공기가 가진 압력 에너지를 매체로 하여 바퀴에 제동 토크를 발생시키는 제동장치이다. 정식으로 정의하면 운전자의 페달 조작을 공기압의 변화로 바꾸고, 그 공기압으로 제동 부품을 구동하여 제동력을 얻는 장치이다. 유압식이 거의 압축되지 않는 액체의 압력을 쓰는 것과 달리, 공기브레이크는 압축성 기체의 압력을 쓰므로 압력원을 차량 안에 저장해 두고 필요할 때 꺼내 쓰는 구조가 된다.

원리를 단계별로 보면 다음과 같다. 엔진으로 구동되는 공기압축기가 대기를 압축하여 공기탱크에 저장한다. 탱크에 저장된 공기는 엔진이 멈춘 뒤에도 일정 횟수의 제동에 쓸 수 있는 에너지로 남는다.

운전자가 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 밸브가 열리면서 탱크의 공기가 릴레이 밸브로 보내진다. 릴레이 밸브는 이 신호를 받아 공기를 제동 챔버에 직접 공급하므로, 긴 배관을 거치는 압력 손실과 응답 지연을 줄인다.

공기는 압축성이므로 관로가 길거나 용량이 작으면 압력이 전달되는 데 시간이 걸린다. 이 때문에 릴레이 밸브를 챔버 가까이 두는 배치가 쓰인다.

챔버 안의 다이어프램이 공기압을 받아 밀리면 푸시로드가 밀려 나오고, 푸시로드는 슬랙 조정기를 거쳐 캠을 회전시킨다. 캠이 회전하면 브레이크 슈가 바깥으로 벌어져 라이닝이 드럼에 밀착되고, 그 마찰로 바퀴의 회전이 느려진다. 페달을 놓으면 공기가 배출되고 리턴 스프링이 슈를 원위치로 되돌린다.

푸시로드에 작용하는 힘은 챔버 공기압과 다이어프램 유효 면적의 곱으로 정해진다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$F = pA$

여기서 F는 푸시로드에 작용하는 힘(N), p는 챔버의 공기압(Pa), A는 다이어프램의 유효 면적(㎡)이다. 공기압을 높이거나 다이어프램 면적을 키우면 같은 조건에서 푸시로드 힘이 커진다.

법은 공기식 제동장치의 상태를 운전자가 알 수 있도록 따로 정한다. 건설기계 안전기준에 관한 규칙 제139조 제2항은 공기식의 경우 기준공기압이 부족할 때 제동기능의 결함을 알려주는 경고장치를 설치하도록 정한다. 경고음은 조종사의 귀 위치에서 측정할 때 75데시벨 이상이어야 하며, 경고등은 충분한 밝기를 갖춘 적색이어야 한다.

또한 주제동장치와 주차제동장치는 각각 독립적으로 작용하는 구조여야 한다(제139조 제1항 제4호).

핵심 용어인 기준공기압은 제동이 정상적으로 작동할 수 있는 최소 공기압을 뜻한다. 공기압이 이 값보다 낮아지면 제동 능력이 부족해지므로, 경고장치가 그 상태를 조종사에게 알린다.

3. 등장 배경과 필요성

공기브레이크는 철도 차량에서 먼저 실용화된 뒤 대형 트럭과 버스, 건설기계로 넓혀졌다. 중량이 큰 차량은 제동할 때 큰 힘이 필요한데, 이 조건에서는 유압식 제동장치에 과부하가 걸리기 쉽다. 이 때문에 압축공기를 압력원으로 쓰는 공기식이 선호된다.

공기는 대기에서 얻을 수 있어 공급원이 사실상 무제한이다. 또한 누설되더라도 오일처럼 노면이나 부품을 오염시키지 않는다.

공기는 배관으로 쉽게 다른 차량에 전달할 수 있다. 트레일러나 견인 차량과 공기 배관을 연결하면 같은 압력원으로 연결 차량의 제동 장치를 작동시킬 수 있으므로 연결 제동에 유리하다.

운전자는 밸브만 작은 힘으로 조작하고, 실제로 큰 힘을 내는 것은 압축공기이다. 이로써 조작 피로가 줄고 장시간 작업에서도 일정한 조작감을 유지할 수 있다.

건설기계는 작업 장소가 불규칙하고 적재 하중이 자주 바뀐다. 이런 조건에서는 운전자가 큰 힘을 내지 않고도 일정한 제동력을 얻는 것이 중요하며, 압축공기가 페달 조작력을 증폭하여 이 역할을 맡는다.

공기식은 압력을 높이거나 챔버 면적을 키우는 방법으로 제동력을 조절할 수 있어 설계 변수가 늘어난다. 2절의 힘 관계식에서 보듯이 공기압과 다이어프램 면적이 그 변수가 된다.

건설기계 안전기준에 관한 규칙 제141조는 최고속도가 시속 70킬로미터 이상인 건설기계에 바퀴잠김방지식 주제동장치를 설치하도록 정한다. 이 장치는 급제동 시 바퀴가 잠기지 않고 차로를 이탈하지 않도록 기준을 맞춰야 한다.