[자동차] F1에서는 왜 카본 브레이크를 쓰는걸까?

브레이크의 원리와 첨단소재 탄소섬유강화 플라스틱

카본 브레이크라고 들어 보셨을 겁니다. 

왠지 카본이라는 단어가 들어가면 고가, 고성능의 이미지가 연상되는데요. 카본 브레이크는 하이 퍼포먼스 튜닝용 브레이크의 한 종류입니다. 

출처 : www.inautonews.com

디스크를 주철이나 스테인레스가 아닌 카본파이버 (정확하게는 CFRP, 탄소섬유강화 플라스틱 + 세라믹)를 사용하기 때문에 카본 브레이크라고 불리웁니다.

 

출처 : driving.ca

브레이크는 일반적으로 드럼 브레이크와 디스크 브레이크로 나뉩니다. 구동축에 드럼 모양의 유닛이 달려있으면 드럼 브레이크, CD와 같은 디스크가 달려 있으면 디스크 브레이크 입니다.

 

출처 : mechanical-engineering.in

브레이크가 브레이크 패드라 불리는 손을 이용해 돌아가는 구동축을 꽉 잡는 메커니즘이라고 할 때, 드럼은 드럼 안에 사람이 들어가 양 옆으로 미는 형상을 하고 있습니다. 디스크 브레이크는 디스크를 손을 잡는 구조를 가지고 있고요. 

최근 드럼의 경우, 값싸지만 성능 덕분에 (열에 취약)  잘 사용되지 않습니다.

 

출처 : www.streetrodderweb.com

탄소섬유의 가격이 비싼건 다 알고 있으실 겁니다. 하지만 가볍고 튼튼하고 열에 강하지요. 

금속보다 가볍기 때문에 차량 중량을 줄일 수 있고, 마모에 강하기 때문에 더 좋은 재질의 브레이크 패드를 쓸 수 있습니다. 열에 강해 상온에서 고온까지 전 구간에서 일정한 브레이크 성능을 낼 수 있습니다. (발열, 마찰계수가 일정)

출처 : www.autoracing1.com 

마모 부분만 떼서 더 자세히 살펴보죠. 위에서 언급되었듯 브레이크는 패드가 디스크를 잡아 마찰로 속도를 줄이는 메커니즘을 가집니다. 디스크의 운동에너지가 패드로 전달되어 열에너지로 바뀌게 됩니다.

 

이때 일부 열에너지가 패드의 마모를 불러오게 되는데, 디스크의 내마모성이 좋으면 좋을수록 패드도 더 강하고 좋은 소재를 쓸 수 있습니다. 만약 디스크가 패드보다 무르게 되면 패드가 아니라 디스크에 마모가 발생하게 되겠지요. 

출처 : www.renault4.co.uk

마모가 전제로 설계된 패드가 아닌 디스크가 마모되게 되면 문제가 생기기 때문에 반드시 내마모성은 디스크 >> 패드 가 되어야 합니다.

출처 : forums.justcommodores.com.au

 

결국 디스크가 튼튼할수록 패드도 튼튼한 제품을 쓸 수 있기 때문에, 카본 브레이크의 경우 패드의 소재는 주로 카본-세라믹이 사용되게 됩니다. 

포뮬러원 차량이 400-1,000도 까지의 온도에서도 정상적인 성능을 낼 수 있는 이유가 바로 여기에 있던 것이었지요. 참고로 100km의 속도에서 제동까지 약 1.4초 , 17m 정도면 충분 합니다.

출처 : startinggrid.org

 

열 이야기가 계속 나오는군요. 운동에너지를 열에너지로 바꾸다 보니 브레이크 성능은 열과의 싸움이라고 해도 과언이 아닙니다. 고열은 패드의 성능에도 직접적인 영향을 끼칩니다.

 

아무리 카본 세라믹 패드 할아버지가 오더라도 반드시 한계온도가 있습니다. 위에서 처럼 F1은 약 천도 정도 되는데. 이 온도가 넘어가면 소재가 말랑말랑 해지기 시작하고 브레이크의 성능이 떨어지게 됩니다. 

패드가 디스크를 잡아도 멈추지 않게 되는 겁니다. 이것이 바로 브레이크 페이드라 불리는 현상입니다.

출처 : www.customclassictrucks.com

 

브레이크 페달과 브레이크 패드 사이는 유압장치로 연결되어있는데, 여기에 들어가는 기름도 열에 영향을 받습니다. 브레이크액이 고온에 노출되게 되면 내부에 숨어있던 기체들이 기포형태로 발생합니다. 

마치 물이 끓는 현상과도 같은데요. 

출처 : www.sfexaminer.com

기포가 발생하게 되면 브레이크 액 사이에서 완충역할을 하게 되어 100만큼 밟아도 50만큼 힘이 전해지지 않습니다. 베이퍼 록이라 불리우는 현상이지요.

출처 : massjunk.blogspot.com

이러한 이유들 때문에 고성능 브레이크를 장착 하더라도 적절한 온도를 관리를 해야만 브레이크의 성능을 100% 발휘 할 수 있습니다. 애시당초 서기 위해 열을 발생키시는 장치이니 뭐, 녹으면 요나단강 너머를 구경할 수 있습니다.

출처 : www.europeancarweb.com

두서없이 주절주절 늘어놓게 된 것 같군요. 카본 계열의 소재가 F1 고성능 브레이크에 사용되는 이유는 바로 마찰열, 고온에서의 성능저하, 브레이크 페이드와 베이퍼록 막기 위해서라는 사실. 

 

출처 : www.bowtie6.com

오늘의 세 줄 결론은 이렇습니다.

. 브레이크는 속도를 줄이기 위해 마찰열을 발생하는 장치임.

. 근데 고열에서는 브레이크가 조낸 밀린대더라.

. 높은 열을 버티기 위해서 F1에서는 카본을 쓴다더라.

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