ブレーキフェード

ブレーキフェード（または車両ブレーキシステムフェード）とは、特に高負荷または高速状態で、車両のブレーキを繰り返しまたは持続的に使用した後に発生する可能性のある制動力の低下です。ブレーキフェードは、自動車、トラック、オートバイ、飛行機、自転車など、摩擦ブレーキシステムを使用するあらゆる車両で要因となる可能性があります。

ブレーキフェードは、ブレーキ面の熱の蓄積と、それに続くブレーキシステムコンポーネントの変化と反応によって引き起こされ、ドラムブレーキとディスクブレーキの両方で発生する可能性があります。制動力の低下、つまりフェードは、摩擦フェード、機械的フェード、または流体フェードによって引き起こされる可能性があります。ブレーキフェードは、適切な装置と材料の設計と選択、および適切な冷却によって大幅に軽減できます。

ブレーキフェードは、ハイパフォーマンスの運転中や長く急な坂を下るときに最もよく発生します。ドラムブレーキでは、その構造上、フェードが発生しやすくなります。ディスクブレーキは、ローターとパッドから熱を逃がしやすいため、ブレーキフェードに対する耐性がはるかに高く、ほとんどの車両のフロントブレーキの標準機能となっています。

ブレーキフェードと呼ばれる摩擦の減少は、温度が温度摩擦曲線の「ニーポイント」に達し、ガスがディスクとパッドの間に蓄積したときに発生します。^[要出典]すべてのブレーキライニングは、加熱および冷却曲線のバックストロークの後に機械的圧力で硬化され、摩擦材を 232 °C (450 °F) まで加熱して、フェノール樹脂熱硬化性ポリマーを「硬化」(架橋)します。フェノール樹脂は熱可塑性ではなく熱硬化性であるため、結合樹脂が溶けることはありません。この形式のフェードでは、ブレーキペダルは固く感じますが、停止能力が低下します。フェードは、ブレーキフルードが沸騰して圧縮性ガスが放出されることによって引き起こされることもあります。このタイプのフェードでは、ブレーキペダルは「スポンジ状」に感じられます。^{[1] [2]}この状態は、ほとんどのタイプのブレーキフルードがさまざまな程度に吸収する傾向がある水などの汚染物質がフルードに含まれていると悪化します。このため、ブレーキフルードの交換は標準的なメンテナンスです。

バンド ブレーキや多くのドラム ブレーキなどのさまざまなブレーキ設計は、セルフ アシストです。ブレーキをかけると、ブレーキ力の一部がブレーキ機構にフィードバックされ、ブレーキがさらに自動的にかかります。これは、「正のフィードバック」または「セルフサーボ」と呼ばれます。セルフ アシストにより、ブレーキをかけるために必要な入力力は減りますが、パッド摩擦材の高さや厚さが減るとパッド力も減るため、フェードが強調されます。対照的に、従来のディスク ブレーキなどのセルフ アシストのないブレーキでは、パッド摩擦材が減ってもパッド力は変わらないため、一定の入力力に対するブレーキ トルク反応の損失は発生しません。

セルフアシスト機構は、ウォーターポンプとフェード量に影響を及ぼします。たとえば、Ausco Lambertブレーキと Murphy ブレーキのセルフアシストはパッド摩擦にほぼ比例するため、ブレーキ全体の効きは摩擦損失のほぼ 2 乗に比例して低下します。バンド ブレーキや多くの一般的なドラム ブレーキなど、他の多くのセルフアシスト設計では、 で表わされる指数関数的なセルフアシストがあります。ここで、は自然対数の底、はシューとドラム間の摩擦係数、 はシューとドラム間のかみ合い角度です。摩擦がわずかに変化すると、セルフアシストが指数関数的に変化します。一般的なブレーキの多くでは、摩擦がわずかに増加すると、軽く踏んだだけでも車輪がロックアップすることがあります。たとえば、湿気の多い朝、ドラム ブレーキは最初の踏込みでロックし、ブレーキ ペダルを離した後でも滑って停止することがあります。逆に、摩擦がわずかに減少すると、ブレーキ フェードがひどくなることがあります。 ${\displaystyle e^{\mu \theta }}$${\displaystyle e}$${\displaystyle \mu}$${\displaystyle \theta}$

ブレーキフェードの故障は連鎖的に進行する可能性がある。例えば、典型的な5軸トラック/トレーラーの組み合わせには10個のブレーキがある。1個のブレーキがフェードすると、ブレーキの負荷が残りの9個のブレーキに移り、ブレーキがより激しく働き、より熱くなり、フェードがさらに進行する。フェードが不均一な場合、フェードにより車両が横滑りする可能性がある。このため、大型車両は操舵輪に不釣り合いに弱いブレーキを使用することが多く、これにより停止距離が短くなり、操舵輪以外のブレーキがより激しく働くようになり、フェードが悪化する。ディスクブレーキなどの低フェードブレーキの利点は、操舵輪がブレーキステアを起こさずにより多くのブレーキをかけられることである。^[3]

ブレーキフェードは、通常、急ブレーキまたは持続的なブレーキをかけているときに発生します。多くの高速車両はディスクブレーキを使用しており、多くのヨーロッパの大型車両はディスクブレーキを使用しています。^[3]多くの米国および第三世界の大型車両は、購入価格が安いためドラムブレーキを使用しています。大型車両では、空気抵抗が重量に比べて小さいことが多いため、ブレーキは一般的な車やオートバイよりも比例して多くのエネルギーを消散します。したがって、大型車両はエンジン圧縮ブレーキを使用して減速する必要があり、これによりブレーキエネルギーがより長い間隔で消散します。最近、米国で、FMVSS-121と呼ばれる北米規格を使用して、ドラムブレーキとディスクブレーキの両方の停止距離をテストする研究が行われました。結果によると、ディスクブレーキで一般的に使用される摩擦材の新しい配合をドラムブレーキに適用すると、停止距離やブレーキフェードに実質的に違いはありません。^[要出典] 米国では、2012 年に製造されたクラス 8 トラックの FMVSS-121 規則を変更し、停止距離を約 3 分の 1 に短縮しましたが、現在の法律ではドラム ブレーキまたはディスク ブレーキの使用は推奨されていません。

新しいドラム技術とドラム内部のタービン冷却装置により、高負荷用途でディスクブレーキに存在したエッジも解消されました。特別に構成されたドラム内にブレーキタービンを設置することで、温度が半分にまで低下し、ブレーキフェードもほぼ解消されます。

ブレーキの故障は、ブレーキドラムの熱膨張によっても引き起こされ、磨耗によりブレーキシューのクリアランスが過剰になります。これは、1950 年代に自動調整ブレーキによってほぼ解決されました。^[4]ドラムエアブレーキを備えたトラックでは、磨耗による調整不良が依然として要因となっています。^[5]カナダで無作為に停止した大型トラックの調査では、自動調整ブレーキを使用しているトラックの 10% 以上で、自動調整機構の故障または自動調整装置の能力を超えた磨耗により、少なくとも 1 つのブレーキが調整不良になっていることがわかりました。新しいブレーキピストン (「カン」) は、ストロークを約 65 mm から約 75 mm に延長します。パッドをドラムに接触させるだけで約 30 mm のストロークが使用されるため、追加された 10 mm のストロークは、有効ストロークの 25% 以上の増加です。ストロークが長くなると、特に磨耗によるフェードが軽減されますが、ドラムブレーキは基本的に高温になるとフェードしやすくなります。

冷えた後、ブレーキは、ブレーキシューやパッドに目に見える変化がなく、通常、以前と同じように機能します。ただし、ブレーキが長時間過度に高温になっていた場合、シューとパッドの両方の摩擦ライニングにグレージングが発生する可能性があります。これが発生すると、ライニングの接触面は滑らかで光沢のある外観になり、ブレーキをかけたときに車両を減速させるのにそれほど効率的に機能しなくなります。このグレージングは​​、紙やすりで軽く磨くか、数マイルにわたってブレーキを軽く使用しながら慎重に車両を運転することで簡単に取り除くことができます。

ブレーキのフェードについて、加熱されたブレーキシューが蒸発してガスが発生し、ブレーキシューがドラムから離れるという誤った説明が時々なされる。このような効果は想像しやすいが、そのような効果には大量のガスが必要となるため、物理的に不可能である。ガスベアリングは、パッドまたはシューに近づくときに表面にガスがないため、ディスクまたはドラムの移動と同じ速さでガスを補充する必要がある。また、ディスクブレーキはほぼ同じ材料を使用しており、ディスクが熱くなっているときでもフェードがほとんどなく良好に作動する。ドラム温度でブレーキ材料がガスを放出する場合、ディスク温度でもガスを放出し、大幅にフェードする。ディスクのフェードがほとんどないことから、ガス放出がフェードの原因ではないこともわかる。一部のディスクブレーキには穴があけられていたり、スロットが開いていたりするが、滑らかなディスクではフェードは見られない。

高速道路でトラックのドラムブレーキによってできる長いデュアルタイヤのスリップ痕は、ブレーキの反応とペダル圧力の非線形性の明らかな例です。大型トラックでは、経済的で、同等のディスクブレーキが取り付けられない場所にも簡単に取り付けられるため、ドラムブレーキが依然として使用されています。最近では、トラックのディスクブレーキは、セルフアシスト（セルフサーボ）がないためフェードしないなどの特徴を掲げて宣伝されています。^[6]

鉄道では、60 年以上前から客車にディスク ブレーキを使用していますが、車輪がレール表面でロックして滑ったときにフラット スポット (または「スクエア ホイール」) が形成されるのを防ぐため、ロロクロン アンチロック システムと組み合わせて使用​​されています (列車が通過するときに一定のバンバンバンという音として聞こえますが、車輪がレールの継ぎ目上を転がるときに発生するバンバン...バンバン...バンバンという音と混同しないでください)。通常、ブレーキ ディスクは車軸の中央に取り付けられますが、一部の用途 (ボンバルディア バイ レベル通勤車両など) では、台車フレームの外側の車軸端に取り付けられた 1 つのディスクのみが使用されます。高速列車 ( TGVなど) では、車軸ごとに 4 つのディスクが使用される場合があります。

貨車（および牽引モーターの車軸上にディスクブレーキを配置するスペースがない多連装車などの一部の客車）には、車輪の転がり面を直接つかむクランプブレーキ（昔の馬車のブレーキによく似ている）が装備されている。このようなブレーキは外シュードラムブレーキであるが、バンドブレーキや多くの内シュードラムブレーキとは異なり、セルフアシスト/セルフサーボ効果がなく、セルフアシストブレーキよりもロックしにくい。剛性が高く、比較的出力が低いため、これらのクランプブレーキは多くのディスクブレーキよりもロックしにくく、そのためこれを使用する貨車にはアンチロックシステムが装備されていない。

現代のセラミックブレーキの最初の開発は、 1988 年に鉄道業界でTGV用途に携わっていた英国のエンジニアによって行われました。その目的は、重量と車軸あたりのブレーキ数を減らし、超高速とあらゆる温度で安定した摩擦を実現することでした。その結果、炭素繊維強化セラミック プロセスが生まれ、現在では自動車、鉄道、航空機のブレーキ用途でさまざまな形で使用されています。

ブレーキのフェードとローターの歪みは、適切なブレーキング技術によって軽減できます。ブレーキングが必要な長い下り坂を走行する場合は、低いギアを選択するだけです（これは、米国の急勾配を走る多くのトラックに必要です）。また、ブレーキを連続的に使用するのではなく、定期的に使用することで、ブレーキを冷却することができます。ブレーキを継続的に軽く使用することは、摩耗とブレーキシステムの熱の点で特に破壊的になる可能性があります。^[7]

高性能ブレーキ部品は、摩擦を改善し、ブレーキのフェードを抑えることで制動力を高めます。摩擦の改善は、標準ブレーキパッドよりも摩擦係数の高いライニング材によって実現され、ブレーキのフェードは、より高価な高融点の結合樹脂の使用と、ガス境界層を減らすスロット、ドリル、ディンプル加工のディスク/ローターの使用によって軽減され、さらに放熱も強化されます。ブレーキの熱蓄積は、冷気をブレーキに導くボディ改造によってさらに対処できます。

「ガス境界層」は、ドラムブレーキのセルフサーボ効果が機能しなくなることを説明するホットロッドの力学的な説明です。この現象が発生すると、ブレーキペダルの下にレンガがあるような感じがするからです。この効果に対抗するために、ブレーキシューに穴を開けてガスを排出する溝を作りました。それにもかかわらず、ドラムブレーキはセルフサーボ効果のために廃止されました。ディスクブレーキにはセルフサーボ効果がありません。なぜなら、結果として生じるブレーキ力に対して直角に作用力が加えられるからです。相互作用はありません。

ガス排出の信奉者は、その信念をオートバイ、自転車、および「スポーツ」カーに持ち込んでいますが、同じ自動車会社の他のすべてのディスク ブレーキ ユーザーには、内部放射状空気通路が使用されているものの、ディスクの表面に穴はありません。ガスを放出する通気口は、鉄道、航空機、および乗用車のブレーキには見当たりません。ガスを放出する通気口がないためです。一方、大型トラックでは、同じスペースを占めるため、依然としてドラム ブレーキが使用されています。鉄道では、内部拡張ドラム ブレーキは使用されていません。これは、スリップを引き起こし、スチール ホイールに高価なフラット スポットが発生するためです。

ディスクブレーキとドラムブレーキはどちらも、ブレーキ面から熱を取り除く技術によって性能を向上させることができます。

ドラム ブレーキのフェードは、古い「ホット ロッダー」のドラム ドリリング技術によって軽減され、全体的なパフォーマンスがいくらか向上します。慎重に選択されたパターンの穴がドラム作業セクションに開けられ、ドラムの回転により、シューとドラムの隙間に少量の空気が遠心力で送り込まれ、熱が除去されます。水が遠心力で押し出されるため、水で濡れたブレーキによるフェードが軽減され、ブレーキ材の粉塵が穴から排出されます。ブレーキ ドラムのドリリングには、ブレーキ ドラムの物理に関する詳細な知識が必要であり、高度な技術であるため、専門家に任せるのが最善でしょう。必要な変更を安全に行う高性能ブレーキ ショップがあります。

ブレーキ液の過熱によって起こるブレーキフェード（ペダルフェードとも呼ばれる）は、ブレーキパッドとブレーキキャリパーピストンの間に熱バリアを設置することで軽減できます。熱バリアは、パッドからキャリパー、ひいては油圧ブレーキ液への熱伝導を軽減します。一部の高性能レーシングキャリパーには、チタンやセラミック素材でできたブレーキヒートシールドがすでに組み込まれています。ただし、市販のチタン製ブレーキヒートシールド^[8]を購入して、既存のブレーキシステムに取り付け、ブレーキ熱から保護することもできます。これらのインサートは、パッドをできるだけ多く覆うように精密にカットされています。比較的安価で取り付けが簡単なため、レーサーやトラックデー愛好家に人気があります。

ブレーキフェードを防ぐために採用されているもう 1 つの技術は、フェードストップブレーキクーラーの組み込みです。チタンヒートシールドと同様に、ブレーキクーラーはブレーキパッドのバッキングプレートとキャリパーピストンの間にスライドするように設計されています。これらは、高熱伝導性と高降伏強度の金属複合材で作られており、インターフェイスからキャリパーの外側にある空気流内のヒートシンクに熱を伝導します。これらは、キャリパーピストンの温度を 20 パーセント以上下げ、冷却に必要な時間も大幅に短縮することが示されています。^[9]ただし、チタンヒートシールドとは異なり、ブレーキクーラーは実際に熱を周囲の環境に伝達するため、パッドの温度が下がります。

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