보조제동장치

왜 배우는가: 보조제동장치는 대형 차량의 제동 안전과 주제동장치의 수명을 함께 좌우하므로 설계와 운용 모두에서 중요하다. 논술형 문제는 원리 설명과 필요성, 종류를 묶어 묻기 때문에 정의, 원리, 등장 배경을 한 흐름으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제126회 2교시 3번, 제114회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보조제동장치는 주제동장치의 제동력을 보조하거나 대신하여 장시간 제동 시 과열과 제동 능력 저하를 줄이는 장치이다.

보조제동장치는 마찰을 이용하는 주제동장치(풋 브레이크)와 별도로 차량의 운동 에너지를 흡수하는 수단이다. 대형 차량은 총중량이 크고 긴 내리막을 연속으로 달리는 경우가 많아, 주제동장치만으로 그 에너지를 모두 마찰열로 바꾸면 마찰재 온도가 과도하게 올라간다. 보조제동장치는 이 부담을 나누어 맡아 주제동장치의 열 부하를 낮추는 보완 장치이다.

보조제동장치는 ABS나 차량자세제어장치와 목적이 다르다. ABS와 차량자세제어장치는 바퀴의 잠김이나 조향 안정성을 제어하는 장치이고, 보조제동장치는 감속 에너지를 흡수해 감속량을 늘리는 장치이다. 두 계열을 혼동하면 답안에서 장치의 역할을 잘못 서술하게 된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 주제동장치: 드럼이나 디스크에 마찰재를 밀착시켜 운동 에너지를 열로 바꾸는 상시 제동 장치이다.
• 페이드 현상: 마찰재 온도가 높아져 마찰계수가 떨어지면서 같은 조작력에도 제동력이 줄어드는 현상이다.
• 엔진 브레이크: 엔진의 펌핑 손실과 압축 일을 이용해 구동륜의 회전을 늦추는 제동 방식이다.
• 배기브레이크: 배기 경로를 막아 배기가스를 압축시키고, 그 저항으로 차량을 감속하는 엔진 브레이크이다.
• 제이크 브레이크: 압축 행정 끝 부근에서 배기 밸브를 열어 압축 에너지를 방출하는 압축 해제식 엔진 브레이크이다.
• 리타더: 회전하는 유체의 저항을 이용해 추진축의 회전 에너지를 흡수하는 감속 장치이다.
• 내리막 제동: 경사로를 저속으로 내려갈 때 차량 속도를 일정하게 유지하기 위해 제동력을 지속적으로 공급하는 운전 상황이다.

2. 개념 풀이

보조제동장치(auxiliary braking system)는 주제동장치 이외의 수단으로 차량의 운동 에너지를 흡수하여 감속하거나 내리막에서 일정한 속도를 유지하게 하는 장치의 총칭이다. 그 목적은 주제동장치의 열 부하를 줄이고, 긴 제동 상황에서도 제동력을 안정적으로 확보하는 데 있다. 정의의 핵심은 감속 에너지를 마찰 이외의 경로로 소산시킨다는 점이다.

원리는 에너지 관점에서 이해하면 된다. 차량이 감속하면 줄어든 운동 에너지는 어딘가에서 소산되어야 한다. 주제동장치는 이 에너지를 마찰열로 바꾸어 대기로 내보내고, 보조제동장치는 같은 에너지를 엔진 내부의 압축·배기 과정이나 유체의 전단 저항으로 옮겨 소산시킨다.

엔진 브레이크는 엔진을 공기 펌프로 쓰는 방식이다. 배기 경로나 흡기 경로를 제한하면 피스톤이 기체를 밀어내는 일이 커지고, 그 일이 구동륜에 음의 제동 토크로 전달된다. 이때 감속 토크의 크기는 엔진의 배압에 비례하는 것이 일반적이다. 다만 배압이 과도하면 밸브와 엔진 부품에 큰 응력이 걸리므로 설계상 제한이 필요하다.

배기브레이크는 배기 경로에 설치된 밸브를 닫아 배기가스가 빠져나가지 못하게 하는 방식이다. 배기가스는 실린더 안에서 압축되고, 피스톤은 배기 행정에서 이 압력에 맞서 일을 하므로 그만큼 감속 토크가 생긴다. 연료가 공급되지 않으므로 엔진은 차량을 감속하는 펌프 역할만 수행한다.

제이크 브레이크(Jake brake)는 압축 해제를 이용하는 방식이다. 압축 행정이 끝나는 상사점 부근에서 배기 밸브를 열면 압축된 공기가 한꺼번에 배출되어, 피스톤이 내려가면서 되돌려 받을 팽창 일이 사라진다. 그 결과 피스톤 운동을 방해하는 음의 토크가 발생하며, 이 방식은 소음이 커지기 쉬운 것이 특징이다.

리타더는 엔진과 독립된 감속 장치로, 대개 추진축에 설치된다. 유체식 리타더는 회전자와 고정자 사이의 작동유에 운동량을 주고받게 하여, 작동유의 전단 저항으로 회전 에너지를 열로 바꾼다. 이 열은 냉각수로 옮겨져 외부로 방출된다. 리타더는 속도가 높을 때 제동 효과가 크고 속도가 낮아지면 효과가 줄어들므로, 차량을 정지시키는 마지막 제동은 주제동장치가 맡는다.

세 장치는 제동 에너지를 흡수하는 위치가 다르다. 엔진 브레이크는 엔진 내부의 압축과 배기 과정에서 흡수하고, 리타더는 추진축에 연결된 유체 장치에서 흡수한다. 이 차이에 따라 엔진 브레이크는 엔진 회전수의 영향을 크게 받고, 리타더는 차량 속도에 따라 제동 토크가 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

대형 차량은 승용차에 비해 총중량과 적재 하중이 크다. 내리막에서는 줄어드는 위치 에너지를 제동으로 소산해야 속도를 유지할 수 있으므로, 대형 차량은 주제동장치가 흡수해야 할 열량이 승용차보다 훨씬 많아진다. 이 때문에 주제동장치 하나로 감속과 속도 유지를 모두 맡기기 어려워졌고, 보조제동장치가 필요해졌다.