에어 브레이크

항공기의 에어 브레이크에 대한 내용은 스피드 브레이크 문서 참고하십시오.

1. 개요[편집]

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에어 브레이크란 열차 혹은 대형 상용차에 쓰이는 제동 시스템의 일종으로 기존의 유압 시스템으로 제동에 한계가 있는 차량들을 위한 대형 차량들에 적용되는 강력한 브레이크 시스템이다. 한자어로 공기제동(空氣制動)이라고 한다.

2. 역사[편집]

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사실 1800년대 중순에 기차를 위한 원시적인 에어 브레이크 시스템은 이미 개발되었으나, 따로 공기를 저장해두는 방식이 아닌 압축기의 공기를 바로 브레이크 라인으로 보내 제동하는 방식이라 제동 라인 어느 한곳에 문제가 생겨도 먹통이 되버리며 화차가 길어질수록 제동 응답성이 느린 문제가 있었다. 본격적으로 1869년 조지 웨스팅하우스가 더욱 안전하고 개선된 에어 브레이크 시스템을 설계하기 위해 웨스팅하우스 공압 제동장치 회사(Westinghouse Air Brake Company)[1]를 설립하여 종전보다 빠른 반응성을 보이는 트리플 밸브 시스템[2]을 거쳐 여기에 비상 제동 기능을 추가한뒤 더더욱 강력한 제동성능을 얻기 위해 서비스 제동라인(풋 브레이크)과 상시 공급라인(주차/비상제동 용) 두개를 사용하는 AB Payload 밸브 시스템을 개발하여 현대적인 에어 브레이크 시스템을 설계했다.#

3. 상세[편집]

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대형 차량[3]의 경우 기존의 소형 트럭이나 승용차에 쓰이는 진공배력식 유압 시스템 만으로는 제동에 한계가 있다.[4] 그래서 상용차 업계에서 강력한 제동 시스템을 눈여겨 보던 중 열차에서 쓰이던 에어 브레이크 시스템을 가져와 차량에 맞게 수정하여 적용하게 되었다.

에어 시스템 회로에 추가로 공기 내 수분을 제거하기 위한 에어 드라이어[5]와 적절한 공기압을 유지하기 위한 거버너, 과압력을 해소 해 줄 세이프티 밸브 등이 필수로 달린다.[6]

에어 브레이크 시스템에선 이 공기압이 중요하다 그래서 공기압을 확인하기 위한 장치가 준비 되어 있는데, 공기압 부족 경고 램프 및 부저와 공압 게이지[7]가 달려나온다. 에어 브레이크의 공기압 게이지는 말그대로 압력을 알려주는 것이지 공기가 얼마나 남았나를 알려주는게 아니다.[8][9]


에어 브레이크 시스템을 탑재한 차량의 경우 공압 시스템에 페일 세이프 시스템이 적용되어 있어서 모종의 이유로 공압 회로에 이상이 생겨 에어가 모조리 상실 되더라도 자동으로 제동이 채결되도록 이중 시스템으로 구성된다. 일단 챔버 구획을 이중으로 나눠 한쪽 챔버 구획은 통상 브레이크로써 브레이크 밸브에 따라 공기압을 채워넣어 원하는 제동력을 가하고 다른 챔버 구획은 스프링 브레이크 라는 시스템으로 엄청나게 강력한 장력을 가진 스프링과 다이어프렘을 넣어 상시 에어라인 쪽에 연결되어 스프링 브레이크 챔버 내 상시압을 차게 만들어 비상 제동이 걸리지 않게 하는 구조이다. 그래서 국산차량 계기판 기준 약 6kgf.㎠ 이하부터 경고 마킹이 되어 있고 이 마킹 이하로 에어가 내려가면 스프링의 강력한 장력에 의해 스프링 브레이크쪽 다이어프렘과 스토퍼 로드를 밀어내고[10] 로드 끝에 있는 스토퍼가 통상 제동 다이어프렘을 밀어내며 비상 제동이 체결된다.[11]

하지만 과신하면 안된다. 어중간하게 에어가 부족한 상황이면 비상제동 채결이 확실히 되지도 않을 뿐 더러 통상 제동 공기압에 한참 못미치는 공기압으로 제동 파워가 약해지기 때문. 그래서 공압이 급격하게 유실되는 상황이 아닌 이상 한계가 있다. 그래서 에어 브레이크 시스템이 탑재된 차량을 운전할 일이 있으면 브레이크를 자주 밟지 말고 엔진 브레이크를 활용하여 적절히 감속하여야 한다.[12]

이러한 페일 세이프 시스템 덕에 에어 브레이크 시스템이 탑재된 차량들은 출발 전 에어가 없거나 부족 할 경우 브레이크가 걸려 출발이 안되니 엔진을 공회전 시켜 에어를 채우고 출발해야 한다.[13]

위에서 말한 페일 세이프 시스템을 역으로 이 구조를 응용해서 주차 브레이크 겸용으로 만들었다. 상시 공압 라인 중간에 파킹 밸브를 설치하여 간단히 스프링 브레이크 챔버 내부의 에어를 공급을 차단하고 빼버리면 주차 제동이 채결되니 말이다.

참고로 과거의 에어 브레이크 시스템은 제동 회로를 하나만 사용 했으나, 요즘은 백업 제동 라인을 갖춰 제동 회로가 전륜 및 후륜 두개로 나뉘어진다.[14][15]

참고로 차량의 속도에 따라 공기압이 비례 증가하는 차량도 있다. 평시엔 약 8.5kgf.㎠으로 유지되다 차에 가속이 붙거나 하면 최대 10kgf.㎠ 까지 에어가 찬다.[16]

4. 주의사항[편집]

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일반 승용차를 생각하고 브레이크를 남발하다가는 압력이 떨어져서 제동력을 상실하거나 한동안 움직이지 못할 일이 생길 수 있으니 반드시 리타더 브레이크, 배기 브레이크, 엔진 브레이크 등을 병행해서 사용해야 한다. 평상시에는 브레이크를 남발할 일이 없어서 크게 문제될 건 없지만 문제는 브레이크를 사용할 일이 많은 정체 구간이나 시내 구간이다. 특히나 정체 구간이 문제인데, 승용차는 브레이크를 자주 써도 크게 문제 될건 없지만[17] 대형 차량은 승용차처럼 브레이크를 밟았다 뗐다를 반복할 경우 순식간에 에어 압력이 밑바닥이 된다.

정지 상태에서 에어가 없을 때 에어 압력을 빨리 채우려면 변속기를 P나 N으로 맞춘 뒤 주차 브레이크를 체결하고 엑셀을 반쯤 밟아 RPM을 올린 채로 고정하면 된다. 그렇다고 무식하게 레드존까지 올리면 안된다.대신 소음과 기름낭비가 심하니 정말 급할 때만 쓰자.

5. 공기압의 다양한 활용처[편집]

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에어 시스템을 갖춘 차량들은 에어 시스템을 단순 제동에만 활용 하는 것이 아닌 여러 분야에 활용 하기도 한다.

• 공통
  • 에어 혼
  • 공기압 시트
  • 에어 건
  • 유압식 클러치의 배력 (속칭 미니백)[18]
    클러치의 경우 공기 특성상 압축성을 가져 정밀한 컨트롤이 어렵기 때문에 진공유압 브레이크 비슷하게 배력은 공기로 하고 유압으로 직접 제어한다. 이또한 마이티나 카운티 같은 중소형 상용차는 진공으로 때운다
  • 주차 브레이크: 버스가 신호를 받거나 태우는 승객이 많아서 잠깐 정차할 때 크게 치이이이익~ 하는 소리가 날때가 있는데 버스 기사가 주차 브레이크를 작동시켜서 그런 것이다. 에어 기반이기 때문에 크게 바람 빠지는 소리가 난다.
  • 배기 브레이크의 액츄에어터나[19]
    마이티 같은 중소형 트럭은 진공으로 구동
    리타더 브레이크의 구동용
• 옵션
  • 에어 서스펜션
  • 파워쉬프트가 옵션으로 장착된 차량의 기어 링크 배력
• 버스
  • 자동문의 구동 (단 카운티 같은 중소형 버스는 전기 모터로 구동한다)
• 트럭
  • 가변축 리프팅
  • 트랙터의 경우 트레일러 쪽 에어 공급단자 (서비스 라인과 상시 공급 라인으로 구성됨)
  • 북미 대형 트럭의 옵션중 압축공기 스타터 (압축공기 스타터 선택시 전기 셀모터는 사용이 불가능하다. 셀모터 들어가는 자리에 에어 스타터를 장착하는 방식)
  • 기타 특장차의 특장장비 구동용

6. 방식[편집]

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6.1. 공기유압식 브레이크 (Air Over Hydraulic)[편집]

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풀 에어 시스템이 개발되기 전 과도기적으로 쓰였던 방식. 풀 에어 방식처럼 챔버 푸시로드와 브레이크 라이닝 캠이 직결되지 않고 중간에 마스터 실린더를 거쳐 공압의 힘을 유압으로 변환하여 작동한다. 최종 작용점이 유압이므로 승용차의 드럼 브레이크 처럼 휠 실린더가 있다. 유압 시스템을 거치므로 강력한 제동능력을 발휘 할 수 있어 초기 공압 시스템의 기술력이 미비했을때 주로 이 방식을 사용 했으나, 중간에 유압회로가 껴있어 정비성도 안좋고 단가도 비싸며 유압 시스템 특유의 특성 때문에 유압 회로에 규정 이상의 열이 축적 될 경우 베이퍼 록 현상 일어나기 딱 좋다. 또한 에어 라인은 멀쩡해도 유압 라인에서 문제 터지면 큰 사고로 이어진다.[20]

구성 방식이 대표적으로 두종류로 나뉘는데 하나는 브레이크 페달 밸브 > 에어챔버 > 마스터 실린더 > 휠 실린더로 여기서 마스터 실린더 이후의 유압 회로를 전부 생략하고 에어 챔버에서 푸시로드를 드럼 내부의 캠으로 바로 이은것이 아래의 풀 에어 시스템이다. 주로 대형 트럭에서 쓰인다.

일정 크기 이상의 농업용 트랙터나 일부 중량물을 견인하는 픽업 트럭[21]의 경우 경우 트레일러 제동력 확보를 위해 트레일러 에어 브레이크 시스템을 탑재 하는데, 견인 차량 자체는 유압으로만 제동하지만 트레일러(피견인 차량)는 공기 제동 방식을 사용하기 위해 압축기와 에어탱크, 에어 서플라이 포트와 유압 제동력을 공압 제동력으로 치환 해 주는 밸브가 부착된다.

6.2. 풀 에어 시스템 (Full Air System)[편집]

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챔버 기술이 발전하여 공압 만으로도 강력한 제동력을 얻을 수 있어 요즘 나오는 상용차들이 전부 채택하는 방식. 챔버 푸시로드가 브레이크 라이닝의 S-캠에 직결되어 있고 푸시로드가 밀리면서 캠이 기울면 양쪽 라이닝의 롤러 간극이 벌어지면서 라이낭도 같이 벌어져 제동이 되는 구조이다. 챔버의 제동력을 브레이크 라이닝으로 직접 전달하므로 브레이크 챔버가 액슬 양 옆 쪽에 부착된다. 유압 시스템이 없으므로 구성이 간단해지고 저렴 해지며 베이퍼 록 문제에선 자유로우나, 여전히 드럼 브레이크 시스템의 경우 브레이크 과열로 인한 페이드 현상에선 자유롭지 못하다.

6.2.1. 에어 디스크 브레이크[편집]

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풀 에어 방식의 브레이크 시스템이 도입 된 후 에어 브레이크 시스템에도 디스크 브레이크 방식을 도입하게 된다. 디스크 브레이크는 드럼 브레이크보다 제동력 자체는 조금 약하지만, 해당 문제는 다중 캘리퍼나 로터 크기를 키우면 그에 비례해 제동력이 증가하는 특성과 탁월한 정비성 및 브레이킹의 세밀함 감도 조정과 끝내주는 방열성 덕에 탁월한 내구도에 비해 정비 하기가 힘들고 허구한날 과열돼서 브레이크가 안먹는 드럼 브레이크보다 제동 감도 및 지속성이 우수하여 에어 디스크 브레이크를 개발 및 도입하게 된다. 에어 디스크 브레이크 초기에는 전륜에만 디스크 브레이크가 적용되고[22] 후륜쪽은 여전히 드럼 브레이크가 장착 되었으나, 기술이 발전함에 따라 후륜 디스크 브레이크 및 트레일러에도 에어 디스크 브레이크를 옵션으로 선택 가능하다.

에어 디스크 브레이크의 경우 기존 드럼 브레이크 방식은 드럼의 캠을 움직이기 위한 챔버가 액슬 양 옆에 부착 되었으나, 디스크 브레이크는 따로 푸시로드를 잇는게 아닌 캘리퍼 뒷쪽에 챔버가 직결되어 있다. 또한 승용차에는 싱글 패드 방식으로도 제동력이 충분하지만 대형 차량들은 필연적으로 드럼 브레이크보다 떨어지는 제동력을 보완하기 위해 기본적으로 복동식의 형태인 대향 피스톤 방식(패드가 2개로 앞뒤로 잡아줌) 으로 나온다.

7. 철도차량의 공기제동[편집]

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에어 브레이크는 철도차량에도 사용되는데, 철도차량은 중량이 자동차, 트럭, 버스보다 상당히 크고 레일-바퀴간 마찰력이 적어 유압, 기계식 브레이크로[23]는 열차를 멈추는데 필요한 제동력을 확보할 수가 없기 때문이다. 따라서 더 큰 제동력을 확보하기 위해, 압축공기를 이용해 열차를 멈춰세운다.

공기제동 체계는 크게 압축공기 계통과 기초제동장치로 나뉘며, 압축공기 계통은 공기압축기, 제동밸브(제동제어기), 주공기통, 주공기관, 제동관(직통제동의 경우 직통관), 보조공기통, 삼동변으로 이루어져 있고, 기초제동장치는 제동통(브레이크 실린더), 브레이크 로드, 제륜자(브레이크 패드)로 이루어져있다. 공기제동은 제동통에 압축공기를 공급하면 제동통 안에 있는 브레이크 피스톤을 누름과 동시에, 피스톤과 연결된 브레이크 로드를 통해 제륜자가 움직인다. 이때 제륜자는, 지렛대의 원리로 압축공기가 브레이크 피스톤을 누르는 힘을 증폭시켜 바퀴의 답면(레일과 닿는 부분) 또는 차축과 연결된 디스크를 눌러 마찰시켜 열차를 멈춰세운다.[24] 열차의 제동을 풀 때(완해)에는, 제동통의 압축공기를 대기중으로 배출하여 제동을 푼다. 철도차량 여러대를 연결하여 열차를 운행할때, 각 차의 주공기관, 제동관(직통제동의 경우 직통관)을 브레이크 호스로 연결하여 전 차량에 제동이 작동하도록 구성된다.

7.1. 공기제동의 종류[편집]

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• 직통제동

• 자동제동

• 전자공기제동

• 전기지령식 공기제동