에어브레이크(air brake)는 압축 공기의 힘을 이용하여 제동력을 발생시키는 제동 시스템이다. 한자어로는 공기제동(空氣制動)이라 한다. 주로 중량이 무거워 기존의 유압식 제동장치만으로는 충분한 제동력을 확보하기 어려운 열차, 대형 트럭, 버스 등에 사용된다.
역사
원시적인 형태의 공기 제동 시스템은 1800년대 중반 열차용으로 처음 개발되었다. 그러나 초기 방식은 압축기의 공기를 별도의 저장 없이 곧바로 브레이크 라인으로 보내는 구조였기 때문에, 제동 계통의 어느 한 곳에만 문제가 생겨도 시스템 전체가 작동 불능에 빠지고, 연결된 화차가 많아질수록 제동 응답이 느려지는 결함이 있었다.
1869년, 미국의 발명가 조지 웨스팅하우스(George Westinghouse)는 웨스팅하우스 에어브레이크 컴퍼니(Westinghouse Air Brake Company)를 설립하여 보다 안전하고 개선된 에어브레이크 시스템을 개발하였다. 그가 도입한 트리플 밸브(triple valve) 시스템은 종전보다 빠른 반응성을 제공하였고, 이후 비상 제동 기능과 AB 페이로드(AB Payload) 밸브 시스템으로 발전하여 현대적 에어브레이크의 기초가 되었다.
작동 원리
에어브레이크 시스템은 엔진 또는 전동기로 구동되는 공기압축기(air compressor)를 통해 대기 중의 공기를 압축하여 공기통(air reservoir)에 저장한다. 운전자가 브레이크 페달을 밟으면 저장된 압축 공기가 브레이크 챔버(brake chamber)로 전달되고, 챔버 내 다이어프램을 밀어 푸시로드(push rod)를 작동시킨다. 이 푸시로드가 드럼 브레이크의 S-캠(S-cam) 또는 디스크 브레이크의 캘리퍼를 기계적으로 작동시켜 제동이 이루어진다.
에어브레이크 시스템에는 페일 세이프(fail-safe) 구조가 적용되어 있다. 브레이크 챔버는 이중 구획으로 나뉘어, 한쪽은 통상적인 풋브레이크(service brake)로 작동하고, 다른 한쪽은 강한 스프링의 장력을 공기압으로 억제하고 있다가 공기압이 일정 수준 이하로 떨어지면 스프링이 해제되면서 자동으로 제동이 체결되는 스프링 브레이크(spring brake) 방식이다. 이 원리를 이용하여 주차 브레이크로도 활용한다.
주요 구성 요소
- 공기압축기(air compressor): 대기 중 공기를 흡입·압축하여 압축 공기를 생성한다.
- 공기통(air reservoir): 압축된 공기를 저장하는 탱크로, 주공기통(main reservoir)과 보조공기통(auxiliary reservoir)으로 구분된다.
- 거버너(governor): 적절한 공기압을 유지하도록 압축기의 작동을 제어한다.
- 에어 드라이어(air dryer): 공기 중 수분을 제거하여 회로 내 결빙과 부식을 방지한다.
- 안전 밸브(safety valve): 과도한 압력 상승 시 공기를 배출하여 회로를 보호한다.
- 브레이크 챔버(brake chamber): 압축 공기의 압력을 기계적 힘으로 변환하는 장치이다.
- 제동 밸브(brake valve): 운전자의 페달 조작에 따라 공기 흐름을 제어한다.
방식의 분류
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풀 에어 시스템(Full Air System): 압축 공기의 힘만으로 챔버 푸시로드가 브레이크 라이닝의 S-캠 또는 디스크 캘리퍼를 직접 작동시키는 방식이다. 유압 회로가 없어 구성이 단순하고 베이퍼 록(vapor lock) 현상에서 자유롭다. 현대의 대부분의 대형 상용차가 이 방식을 채택한다.
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공기유압식 브레이크(Air Over Hydraulic): 풀 에어 방식이 개발되기 전 과도기적으로 사용된 방식으로, 공압의 힘을 마스터 실린더를 통해 유압으로 변환하여 작동한다. 유압 회로가 개입되므로 베이퍼 록 현상에 취약하고 정비성이 떨어진다는 단점이 있다.
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에어 디스크 브레이크(Air Disc Brake): 풀 에어 방식에 디스크 브레이크를 접목한 형태로, 드럼 브레이크 대비 방열 성능과 제동 감도, 정비성이 우수하다. 유럽산 상용차를 중심으로 전륜 및 후륜 모두에 에어 디스크 브레이크가 기본화되는 추세이다.
철도차량에서의 에어브레이크
철도차량은 중량이 매우 크고 레일과 바퀴 간 마찰력이 낮아 유압식이나 기계식 브레이크로는 필요한 제동력을 확보할 수 없으므로 에어브레이크가 필수적으로 사용된다. 철도차량용 공기제동 체계는 크게 압축공기 계통(공기압축기, 주공기통, 보조공기통, 제동관, 삼동변 등)과 기초제동장치(제동통, 브레이크 로드, 제륜자)로 구성된다.
철도차량의 공기제동은 제동 방식에 따라 자동공기제동과 직통공기제동으로 나뉜다. 자동공기제동은 제동관 내 공기압을 낮추면 삼동변(triple valve)이 작동하여 보조공기통의 압축 공기를 제동통으로 보내 제동이 체결되는 방식으로, 열차 분리 시 자동으로 제동이 걸리는 안전장치 역할도 한다. 직통공기제동은 직통관에 직접 압축 공기를 공급하여 제동을 체결하는 단순한 방식이다.
주의사항
에어브레이크를 탑재한 차량은 공기압이 충분히 충전되지 않으면 스프링 브레이크에 의해 출발 자체가 불가능하므로, 시동 후 일정 시간 공회전을 통해 공기압을 정상 범위(일반적으로 약 7.5~8.5kgf/cm²)까지 충전한 후 운행하여야 한다. 또한 브레이크를 과도하게 반복 사용하면 공기압이 급격히 저하되어 제동력 상실로 이어질 수 있으므로, 내리막길이나 정체 구간에서는 엔진 브레이크, 배기 브레이크, 리타더(retarder) 등의 보조 제동장치를 적극적으로 병행 사용하는 것이 필수적이다.
