자동차공학)자동차의 성능 (제동성능)

차량의 속도를 올리면 큰 출력이 필요하지만 차량을 정지시키는데에도 큰 힘이 필요하다. 예를 들면 출력 100ps의 승용차가 100km/h까지 가속하는데 약 10초가 걸리지만 100km/h에서 급브레이크로 정지할 때까지는 3.6초가 걸린다. 공기저항이나 구름저항을 무시한다면 브레이크로 정지할 때까지 필요한 힘은 출력의 약 3배, 300ps가 되어 제동시에 매우 큰 힘이 필요한 것을 알 수 있다. 따라서 이런 제동성능에 대하여 알아보자.

 

1. 제동력
2. 정지거리와 제동거리
3. 페이드 현상
 
1. 제동력

브레이크 조작으로 브레이크 내부의 디스크와 디스크 패드(또는 드럼과 슈), 타이어와 노면 사이에 마찰력이 발생하여 차가 감속하거나 정지하게 된다. 제동력은 제동토크 Tb에 타이어의 반지름 R로 나눈 다음식으로 설명이 가능하다.
 
제동력 = Tb / R = μP / R
 
 여기에서 μ는 브레이크 드럼과 라이닝의 마찰계수, R은 브레이크 드럼의 반지름, P는 브레이크 드럼에 걸리는전 제동력이다. 마찰계속 μ는 브레이크 드럼과 라이닝의 경우 0.3~0.5이며, 또 노면의 상태, 타이어의 종류에 따라 건조 포장도로에서 0.6~0.9, 젖은 포장도로에서 0.3~0.6, 결빙도로에서는 0.1~0.3이다. 따라서 눈이나 비가 올 때는 1.5배, 빙판길에서는 3배 이상의 제동력이 필요하다.
 
2. 정지거리와 제동거리
정지거리는 운전자가 위험을 감지하고 브레이크를 조작하여 차량이 정지할 때까지의 거리로서 공주거리에 제동거리를 더한 것이다. 운전자가 위험을 감지하여 발이 브레이크 페달을 밟아 브레이크가 작동하기까지 걸리는 시간을 공주거리라 하고 그 사이에 간 거리를 공주거리(free running distance)라고 한다. 공주시간은 약 0.7~0.8초 정도이지만 안전도를 감안하여 약 1.0초로 계산한다. 따라서 공주거리(m)는 공주시간(sec)과 주행속도 V(km/h)의 곱으로 나타낼 수 있다.
 
공주거리 = (V X t) / 3.6
 
제동거리(braking distance)란 급브레이크를 걸어서 차가 정지할 때까지 이동하는 거리를 말한다. 이 거리는 차의 주행속도, 차의 총중량, 노면 마칠계수에 의해 좌우되며 차량 중량이 클 수록, 주행속도가 빠를 수록, 노면의 거칠기가 작을 수록 길어진다. 그리고 아래와 같은 식으로 표현된다.
 
제동거리 = V^2 / 2gμb
 
여기서 g는 중력가속도(9.8m/s^2)이며, μb는 제동 마찰계수이다. 마찰계수는 포장도로에서는 0.5~0.7이며, 타이어가 회전하면서 제동하는 경우와 완전히 고착될 때에는 그 값이 변한다.
 

3. 페이드 현상

브레이크가 흡수하는 마찰에너지는 모두 열로 되어 대기중으로 방출된다. 그러나 마찰에너지가 커지면 브레이크 라이닝과 드럼 또는 디스크의 온도가 상승하여 라이닝의 재질에 따라 마찰게수를 떨어뜨린다. 따라서 고속 주행시에 반복해서 급제동을 하면 똑같은 브레이크 페달을  밟는 힘에 대해서도 감속도는 점차 저하되어 동일한 감속도를 유지하려면 브레이크 페달을 밟는 힘이 커지게 된다. 이것을 브레이크의 페이드 현상이라하며, 일반적으로 이 현상은 드럼 브레이크가 디스크 브레이크보다 심하다. 브레이크가 페이드 현상을 일으킨 뒤에 밟는 힘을 낮추면 페이드 현상은 없어진다.