자전거 유압 디스크 브레이크의 구조와 작동원리

자전거 유압 디스크 브레이크의 구조와 작동원리 그리고 몇가지 이슈.

파스칼의 원리.

유압 디스크 브레이크는 파스칼의 원리를 이용한다. 파스칼의 원리는 밀폐된 용기에 담긴 유체에 가해진 압력은 유체는 물론 용기 전체에 같은 힘이 손실되지 않고 전달된다는 이론을 말한다. 여러가지 설명과 예가 있지만, 간단하게 자전거에 적용된 브레이크를 설명하기에는 아래 사진을 보면 알기 쉽다.

작은 주사기와 큰 주사기를 연결하고 두 주사기 사이에 물이 있다고 가정하자. 작은 주사기로 큰 주사기의 손잡이를 밀 수 있을까? 당연히 밀 수 있다.

작은 힘으로도 반대편 큰 주사기에는 힘을 받는 면적에 비례해 더 강한 힘이 작용하게 되는 것이다. 작은 주사기 쪽이 브레이크의 레버라고 한다면 반대편 큰 주사기의 손잡이 부분은 브레이크의 캘리퍼 피스톤이라고 보면 된다.

biketool링크  자전거 유압 디스크 브레이크 정비

실린더와 피스톤.

아래 그림은 자전거 유압 디스크브레이크의 구조를 간단하게 도식화한 것이다. 상단 레버쪽에 있는 피스톤을 자전거 기술문서에서는 마스터 실린더(Master cylinder)라고 하고 하단 캘리퍼 양쪽에 있는 것은 캘리퍼 피스톤(Caliper piston)이라고 한다. 다른 용어도 있는데 둘을 구분하는 데에는 이 용어가 가장 적당하여 그렇게 쓴다.

레버와 캘리퍼 그리고 그 둘을 잇는 유관 사이에는 브레이크 액이 가득 차있다. 각 부위를 연결하는 곳에는 이전에 이미 설명했다시피 단단하게 기밀이 유지된다. 레버를 잡으면 마스터 실린더가 안쪽으로 움직이게 되고 동시에 브레이크 액이 같이 이동하게 된다. 

주사기의 설명에서와 같이 마스터 실린더에서 발생한 힘은 하단 캘리퍼는 물론이고 부속 내부에 고르게 전달되다가 출구를 찾게 된다. 그곳이 유일하게 움직이는 캘리퍼 피스톤 쪽이다. 피스톤은 브레이크 패드를 양쪽에서 압박을 가하게 되고 패드는 브레이크 로터와 마찰을 하면서 제동을 일으키게 된다.

실린더에서 가해지는 힘보다 훨씬 증폭된 힘으로.

제조사는 다르더라도 이 원리와 구조에서 크게 벗어나지 않는다.

아래 그림은 아비드 쥬시 계열의 레버쪽 단면을 그림으로 표현한 것이다. 상단 그림보다 더 자세하지만 원리는 같다. 그림에서 노란색으로 표시된 부분이 브레이크 액이다. 마스터 실린더 상단의 비교적 넓은 공간이 리저버 탱크이다. 

이 여분의 공간이 있는 이유는 패드가 닳으면서 캘리퍼 피스톤은 새것일 때보다 로터쪽으로 돌출하게 된다. 그 만큼 시스템 내부의 공간은 많아지고 당연히 더 많은 오일이 브레이크 시스템을 작동하는 데에 필요하게 된다. 이 때 리저버 탱크에 있던 오일이 마스터 실린더 아래로 자연스럽게 공급되고 레버의 깊이를 일정하게 만들어 주는 것이다.

그리고 브레이크 액이 이런저런 이유로 팽창한 때에는 피스톤을 밀쳐 패드와 로터의 간격에 영향을 줄 수 있는데, 이를 방지하기 위해  팽창한 브레이크 액이 다시 리저버 탱크쪽으로 이동하여 머물게 된다. 이전 시마노 블리딩을 설명할 때 리저버 탱크의 캡이 약간 사선으로 찌그러져 있는 것을 기억하는 독자가 있는지 모르겠다.

이 부분을 블래더(Bladder)라고 하는데 팽창한 브레이크 액이 이동할 때를 대비해 여분의 공간을 확보하기 위해 그런 모양을 하고 있는 것이다. 요즘은 이 블래더의 형태가 아비드나 시마노 동일하게 약간 달라졌다. 하단에서 다시 설명을 이어가겠다.

그 다음으로 넘어가서.

레버와 복원.

브레이크 작동을 끝내기 위해서는 당연히 레버를 놓아주게 된다. 동시에 돌출되어 브레이크 패드를 압박하고 있던 피스톤이 원상태로 복원이 되어야 한다. 가끔 나름대로의 주장을 하는 사람도 보이는데 필자가 파악하고 있는 피스톤의 복원은 레버를 놓음과 동시에 실린더와 연결된 스프링의 힘이 작용하는 것으로 알고 있다.

브레이크를 잡을 때처럼 강한 압력이 작동하는 것은 아니라고 생각한다. 스프링이 마스터 실린더를 밀면 레버가 원상태로 돌아간다. 동시에 실린더가 움직이니 그 힘에 의해 브레이크 액은 레버쪽으로 이동을 하게 되고 밀폐되어 있는 시스템이므로 피스톤도 따라서 복원되는 과정이다.

만약 이 스프링의 힘을 상쇄하는 정도로 피스톤 사이에 오염이 있다면 시스템 내부의 기포와 함께 브레이크의 정상적인 작동에 영향을 줄 수 있다고 생각한다.

브레이크 패드에 붙어 있는 판스프링은 피스톤의 복원과는 관계 없고 패드의 위치와 형태를 잡아주고 있는 역할이다.

하단의 사진은 실재 아비드 쥬시 계열의 브레이크 단면을 보여주고 있다. 방향만 반대고 그림과 크게 다르지 않다. 

아래 사진은 아비드의 신형이라고 할 수 있는 일릭서 계열의 내부 모습을 보여주고 있다. 리저버 탱크가 사라지고 블래더를 실린더 후방으로 이동시킨 형태를 띄고 있다. 오일이 팽창하면 실린더 후방의 블래더가 찌그러지면서 공간이 확대되는 원리이다.

실린더 앞쪽에 당연히 스프링이 자리를 잡고 있다.

레버를 잡으면 실린더가 오일을 밀게 되고 동시에 피스톤까지 압력이 가해지는 같은 작동원리이다. 여담인데 이 구조를 확인하면서 그동안 아비드 일릭서로 애먹은 유저들은 많은 생각이 떠오를 것이다.

시마노의 신형 브레이크도 크게 다르지 않다. 실린더의 구조나 블래더의 위치 그리고 형태가 조금씩 차이가 있지 작동원리에 있어서는 대동소이하다. 시마노도 이 형태 이전에는 리저버 탱크가 상대적으로 컷고 탱크쪽 캡을 분리를 할 수 있었다. 신형으로 바뀌면서 형태가 달라졌고 때문에 블리딩을 할 때 깔대기가 필요하게 되었다.

이런 구조와 원리를 파악하고 있는 사람이라면 한가지 블리딩 방법만 숙지하고 있어도 어떤 제품에도 응용할 수 있을 것이다.

아래는 캘리퍼쪽을 훤하게 보여주는 사진이다. 피스톤 주변으로 시마노 브레이크 액 특유의 붉은색을 확인할 수 있다. 이 유체가 피스톤에 힘을 가하게 되는 것이다.

같은 원리로 작동되는 부품이므로 제조사마다 조금씩 구조나 형태가 미세하게 차이가 날 뿐이다. 그리고 이런 내부구조 때문에 블리딩시 캘리퍼를 두드려주고 호스를 흔들어주고 레버를 기울이기도 하며 기포를 제거해준다. 부속의 틈 사이에서 남아 있을 수 있기 때문이다.

그리고 사진으로 확인했다시피 유관과 캘리퍼 내부의 오일량이 그렇게 많지 않음을 알 수 있다.

이슈들.

기포.

이론으로 보면 도대체 유압 디스크 브레이크가 잘못 작동할 이유가 없는 것으로 보인다. 그러나 필자나 이 글을 읽고 있는 독자도 이론대로만 작동하지 않는 유압 디스크 브레이크 때문에 적잖은 고민을 했을 것이다.

이미 알려졌다시피 유압 디스크 브레이크 오작동의 가장 큰 요인은 브레이크 시스템 내부의 공기층이다. 기술문서에서는 기포(Bubble)이라고 한다.

가령 브레이크 액만 차 있어야 하는 시스템 공간 내부에 공기층이 있다고 가정하자. 그럼 당장에 레버를 잡으면 공기층의 양에 상응하는 정도로 레버가 물렁하게 잡힐 것이다. 당연히 이론에서처럼 강한 힘이 전달되지 않는 것은 물론이다. 

심하게 되면 레버를 손잡이가 닿는 끝가지 잡아야 겨우 브레이크가 잡히거나 더 심하면 브레이크를 잡지 않았는데도 피스톤이 복원이 안되고 로터와 브레이크 패드는 닿아 있을 수 있다.

처음 사진에서 소개한 주사기 내부에 물과 공기가 섞여 있다는 상황을 떠올리면 이해가 어렵지 않을 것이다. 그 상태에서 주사기를 작동해보면 물만 있을 때와는 다른 반응을 확인하게 된다.

문제는 이 기포가 왜 생기는가에 대해서는 명확하게 밝히고 있는 자료는 없다. 아니지, 필자가 뒤진다고 뒤졌는데 발견 못했을 수도 있지만 그래도 상당히 열심히 찾았는데도 똑부러지는 설명은 없었다. 

베이퍼 락.

시마노의 기술문서에서도 브레이크를 지속적으로 작동하면 베이퍼 락이 발생할 수 있고 그것을 완화하기 위해서는 순간적으로 레버작동을 하지말 것과 베이퍼 락이 어떤 것인지에 관해 사전적인 설명만 하고 있다.

이로써 추정해볼 수 있는 것은 아무리 자전거라도 베이퍼락이 발생할 수 있다는 것과 그 중요 원인은 시스템에 가해지는 강한 열과 그에 반응한 내부 수분과 기포라는 정도다.

문제는 이런 기포의 생성이 너무 잦은 것은 아닌가? 하는 것이다. 그래서인지 어떤 사용자는 시스템의 밀폐가 완벽하지 않기 때문에 외부 공기가 시스템 내부로 침투하여 기포, 혹은 공기층이 발생한다는 주장을 펼치는 사람도 있다. 필자는 물리나 역학에 그리 식견이 없지만 아무리 허접한 주사기 정도의 밀폐상태라도 그 내부로 공기를 침투시키려면 상당한 압력이 작용하지 않고서는 불가능하다고 본다.

더더군다나 크게 작동하는 피스톤도 아니고 기껏 움직여봐야 밀리단위인데 그 브레이크 액으로 가득한 오링이나 부속의 틈을 비집고 주변의 공기가 침투한다는 것은 수긍하기가 어렵다.

물론 미세물질로 인한 오염이나 습기는 별개의 문제다. 피스톤 주변에 있다가 작동하면서 미세하게 들어갈 가능성은 있다고 본다. 그로인해 비등점의 변화로 기포가 발생할 수는 있겠다고 생각한다.

어쨌거나 우리는 그리 험악한 라이딩을 하지 않는 할머니 유저의 자전거에서도 기포의 발생으로 의심할 수 있는 브레이크의 이상증상을 목격하게 된다. 이건 정도의 문제지 그 어떤 제품에서도 동일하게 발생한다. 이를 해소하려고 하는 정비가 블리딩이다.

알려진 정비법은 유용한가?

필자는 이전 글에서 블리딩에 앞서 피스톤의 청소 정렬 그리고 레버쪽에서 실시하는 오일보충등을 블리딩보다 더 강조한 측면이 있다.

이유는 기포의 발생으로 인한 이상증상이 나타났을 때마다 블리딩을 하다간 비용도 비용이고 사람이 번거로운 것 같아서였다. 결론적으로 보면 이는 상당히 필자 주관적인 판단이 많이 작용한 것 같다. 필자처럼 산악자전거 코스가 가까운 데에 있어서 일주일에 삼일 이상을 라이딩하는 경우에는 레버감에 변화가 있다거나, 피스톤의 돌출이 한쪽만 많이 나온다거나 기타등등 이상이 있을 때마다 블리딩을 하다간 정비하다가 볼일 다 보는 꼴이 되기 때문이다.

사정이나 성격이 다 필자와 같을 수는 없는 노릇이다.

해서 약간의 수정이 불가피한데, 주말 라이더거나 한달에 한두번 싱글 위주의 코스를 찾아 라이딩을 즐기는 사람이라면, 혹은 브레이크가 늘 새것같은 상태여야 마음이 놓이는 유저라면 그때 그때 블리딩을 하는 것도 좋겠다.

다만, 필자가 소개한 디스크 브레이크 관리나 정비법은 필자 개인적인 경험만을 소개한 것이 아니고 피스톤 좌우 돌출이 차이가 있을 때의 정비법은 아비드 유압 디스크 브레이크 기술 문서에서 힌트를 얻었다.

장황하게 긴데 대단한 내용은 아니고 이전에 설명했던 더 돌출되는 피스톤을 밀어넣은 다음 고정한 상태에서 레버를 살짝살짝 잡아주어 잘 안나오는 쪽을 윤활하고 양쪽을 균일하게 하는 내용이다. 이 과정에서 피스톤 쪽에 기포가 리저버쪽으로 이동하는 것으로 추정할 수도 있겠다.

그리고 그 이외의 캘리퍼 피스톤 청소나 관리에 관한 내용은 시마노 북미쪽을 맡고 있는 자회사의 홈페이지에 있던 내용을 참고로 했다. 이 글을 쓰기 전에 확인해보니 그에 관련한 기술문서들은 시마노 본사와 기술문서를 통합하면서 없애버린 것으로 보인다.

디스크 브레이크 관리와 유지라는 제목으로 필자가 소개한 방법과 그렇게 차이가 없는 내용으로 안내되어 있었다. 지금은 그 번역한 내용이 남아 있는 것으로 안다. 일부 클리닝과정 부분에 대해서 필자의 의견과 다른 유저도 있겠으나 그렇게 관리하면서 사용해도 크게 문제가 된적은 없음을 밝히고 동시에 자전거용으로 나온 디스크 브레이크 클리너 용액을 못믿으면 물청소는 어떻게 하고 비맞으면 브레이크에 큰 문제라도 생기는 것이냐고 되묻고 싶다.

개인적인 의견인데, 필자는 본격 로드바이크나 산악자전거용으로 나온 부품은 일부러 망가뜨리지 않는 한 용도에 준하게 사용하였는데 3년 안에 문제가 발생하였다면 그것은 전적으로 제조사의 능력 부족이라고 생각한다.

삼개월 동안 안타고 세워둔 브레이크의 레버가 젖혀지기도 하고 아무리 블리딩해도 피스톤의 돌출이 차이가 있어서 수입사에 보내니 새 것으로 교환이 되어 오기도 하고 피스톤이 분진으로 고착되어 캘리퍼를 분해한 상태에서도 빠지지 않는 일도 있고 아무리 세팅해도 브레이크에서 나는 굉음이 해소되지 않아 큰 대회에 그 브레이크 수입사 사장이 온다는 소리를 듣고 한번 들어보라며 온산을 꽥꽥거리는 소리로 가득 채우며 항의해 보기도 하고 기술문서가 커버하지 못하는 사례를 필자는 보아 왔다.

어쩌다보니 긴 변명처럼 되고 말았는데, 모든 문제를 기술문서가 답해주지는 않는다. 물론 기술문서가 어떤 기준인 것은 맞지만.

그러다보니 이런저런 요령이라면 요령인 내용들이 포스팅에 반영되는 것 같다. 생각 나는대로 쓰지만, 그렇다고 막쓰는 것은 아니라는 점은 알아두었으면 한다. /공작소 [일부사진출처:구글이미지]