【기계설계】브레이크의 이해 1 - 브레이크 개요 및 블록브레이크

 이번 글에서는 일반기계기사 실기 필답형의 브레이크 파트를 다뤄보도록 하겠습니다. 확실한 이해가 필요한 파트이기 때문에 최대한 쉽게 설명하고자 합니다만 보시고도 궁금하신 점이 있으시다면 댓글 남겨주시면 되겠습니다.

 우선 기사 시험에서의 브레이크는 마찰을 통해 기계의 운동을 줄이거나 정지시키는 마찰브레이크를 말합니다. 이때 브레이크 레버, 브레이크 블록, 브레이크 드럼으로 구성되는 것이 일반적이며 종류에 따라 상이합니다. 하는 역할은 같고 이름이 다른 경우가 많습니다. 내확 브레이크에선 블록 대신 슈가 있다는 것, 밴드 브레이크에선 블록 대신 밴드가 있다는 것 등과 같습니다. 따라서 명칭은 문제를 이해할 수준이면 될 것이고 중요한 건 힘의 방향과 식을 세우는 법이라고 생각합니다.

 이어서, 블록 브레이크, 내확 브레이크, 밴드 브레이크에서 방향 설정과 식을 어떻게 세울지에 대해 말씀드리겠습니다. 축압 브레이크의 경우에는 클러치와 유사한 부분이 많으므로 이번에 따로 설명드리지 않고 후에 기회가 된다면 다루어보도록 하겠습니다.

 가장 기본이 되는 브레이크인 블록 브레이크입니다. 이를 이해할 수 있다면 후술할 다른 것들도 비슷한 맥락으로 빠르게 이해하실 수 있을 것입니다. 아래 사진을 보면 3가지 형식의 블록 브레이크가 있고 어렵지 않은 구조라는 것을 알 수 있습니다. 레버 고정점 부근의 모양이 다른 것을 알 수 있는데 식을 세울 때 약간의 차이가 생길 뿐 이 또한 어렵게 생각하지 않으셔도 됩니다.

 한쪽 끝이 고정된 막대기(브레이크 레버)에 블록(브레이크 블록)이 달려있고 블록과 원형의 무언가(브레이크 드럼) 사이에 마찰력(제동력)이 작용한다는 것까지는 그림으로 파악이 가능합니다. 앞서 말씀드렸듯이 시험에 있어서 명칭보단 힘의 방향이 중요합니다. 특히 마찰력의 방향이 헷갈릴 수 있으니 확실히 하셔야 합니다. 위 사진들은 모두 드럼이 기준이 아닌 레버의 고정점이 기준입니다. 따라서, 블록이 드럼에 의해 위로 밀린다고 생각하면 마찰력도 같은 방향이기 때문에 위쪽을 향하게 되는 것입니다. 드럼이 반대 방향으로 회전하는 경우는 그림을 그려보고 다시 한번 생각해보는 기회로 활용하시면 될 것 같습니다.

 다음으로 식을 세우는 방법을 알아보겠습니다.

1. 자유물체도를 그린다.
2. 기준이 되는 점을 정한다.
3. 시계방향이나 반시계방향 중 하나를 (+) 방향을 정한다.
4. 기준점에 대한 모멘트의 합=0으로 평형방정식을 세운다.

 이 방법은 내확 브레이크에도 모두 적용 가능합니다. 밴드 브레이크의 경우엔 몇 가지 고려할 사항이 더 있지만 큰 흐름은 같습니다. 이제 위 방법을 첫 번째 그림에 적용하여 식을 세워보겠습니다.

 1에서, 자유물체도는 위에 첨부한 그림으로 대체하겠습니다.

 2에서, 기준이 되는 점은 일반적으로 레버의 고정점입니다.

 3에서, 일반적으로 반시계방향을 (+)방향으로 정하지만 저는 반대의 경우가 익숙하여 이 글에선 시계방향이 (+)방향이라는 점 염두에 두시기 바랍니다.

 4에서, 각 힘에 의한 모멘트를 구하는 과정은 아래와 같습니다.

레버에 가해지는 힘 F 는 시계방향이므로 부호는 (+), 기준점으로부터의 거리는 a. 따라서 Fa.

제동력 f(=μP)는 반시계방향이므로 부호는 (-), 기준점으로부터의 거리는 c. 따라서 -fc.

브레이크를 누르는 힘 P 는 반시계방향이므로 부호는 (-), 기준점으로부터의 거리는 b. 따라서 -Pb.

  

 여러 교재에서 이를 F 에 대해 정리하지만 그것은 암기용이기 때문에 더 나아가지 않겠습니다. 제가 느낀 바로는 일반기계기사 시험에서 이미 충분히 외울 것이 많기 때문입니다. 또한, 이해를 기반으로 공부하신다면 변형문제에 대응하기 쉬울 것입니다. 이제 다른 두 그림에 대해 식을 세워보고, 드럼의 회전 방향도 바꿔 식을 유도해본다면 '이런 유형은 점수를 주는 문제구나'라고 생각할 수 있게 될 것입니다.