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ブレーキは、動いているシステムからエネルギーを吸収することで動きを抑制する機械装置です。 [ 1 ]動いている車両、車輪、車軸を減速または停止させたり、その動きを阻止したりするために使用され、多くの場合、摩擦によって実現されます。[ 2 ]
ほとんどのブレーキは、押し付けられた 2 つの表面間の摩擦を利用して、動いている物体の運動エネルギーを熱に変換しますが、他のエネルギー変換方法も使用されることがあります。たとえば、回生ブレーキは、動いている車両の通常は無駄になる運動エネルギーの大部分を電気エネルギーに変換し、それを後で使用するためにバッテリーに蓄えることができます。[ 3 ]他の方法では、運動エネルギーを、圧縮空気や圧縮油などの蓄えられた形態の位置エネルギーに変換します。渦電流ブレーキは、磁場を使用して、ブレーキディスク、フィン、またはレール内の運動エネルギーを電流に変換し、それが熱に変換されます。さらに他のブレーキ方法は、たとえば、回転するフライホイールにエネルギーを伝達することによって、運動エネルギーを別の形態に変換します。
ブレーキは一般的に回転する車軸や車輪に作用するが、流体表面（水や空気中に展開されるフラップなど）を利用するなど、他の形態をとる場合もある。ドラッグレースカーのように車輪ブレーキとパラシュートの両方を備えた車両や、着陸時に車輪ブレーキとフラップを空中に展開する航空機のように、複数の制動機構を組み合わせた車両もある。
運動エネルギーは速度の2乗に比例して増加するので（10 m/s で移動する物体は、 同じ質量で 1 m/s で移動する物体の 100 倍のエネルギーを持っています。したがって、トラクション限界でブレーキをかけた場合の理論上の制動距離は、最大 100 倍になります。実際には、高速車両は通常、大きな空気抵抗を受け、空気抵抗によって失われるエネルギーは速度とともに急速に増加します。
車輪付きの乗り物のほとんどすべてには、何らかのブレーキが付いています。荷物カートやショッピングカートでさえ、動くスロープで使用するためにブレーキが付いている場合があります。ほとんどの固定翼機には、着陸装置に車輪ブレーキが装備されています。一部の航空機には、飛行中に速度を落とすためのエアブレーキも装備されています。注目すべき例としては、グライダーや第二次世界大戦時代の航空機、主に当時の戦闘機や多くの急降下爆撃機が挙げられます。これらにより、航空機は急降下時に安全な速度を維持できます。サーブB 17急降下爆撃機とヴォートF4Uコルセア戦闘機は、展開した着陸装置をエアブレーキとして使用していました。
自動車の摩擦ブレーキは、制動時にドラムブレーキまたはディスクブレーキに制動熱を蓄え、徐々に空気中に放出します。下り坂を走行する際には、エンジンブレーキを使用する車両もあります。
油圧ブレーキを搭載した現代の車両では、ブレーキペダルをマスターシリンダーに押し付けると、最終的にピストンがブレーキパッドをブレーキディスクに押し付け、車輪の回転を減速させます。ドラムブレーキの場合も同様の原理が用いられ、シリンダーがブレーキシューをドラムに押し付けることで回転を減速させます。
ブレーキは大きく分けて、摩擦、ポンピング、電磁気を利用するものに分類できます。一つのブレーキが複数の原理を組み合わせている場合もあります。例えば、ポンプが流体をオリフィスに通して摩擦を生み出す場合などです。
摩擦ブレーキは最も一般的で、摩耗面が明示されている「シュー」または「パッド」ブレーキと、作動流体の摩擦を利用し、摩耗が明示されていない流体ブレーキ（パラシュートなど）に大別できます。通常、「摩擦ブレーキ」という用語はパッド/シューブレーキを意味し、流体ブレーキは含まれませんが、流体ブレーキは摩擦を利用します。摩擦（パッド/シュー）ブレーキは、多くの場合、固定パッドと回転摩耗面を備えた回転装置です。一般的な構成には、バンドブレーキのように回転ドラムの外側を擦るために収縮するシュー、ドラムの内側を擦るために膨張するシューを備えた回転ドラム（一般に「ドラムブレーキ」と呼ばれますが、他のドラム構成も可能です）、回転ディスクを挟むパッド（一般に「ディスクブレーキ」と呼ばれます）などがあります。他のブレーキ構成も使用されますが、頻度は低くなります。たとえば、PCCトロリーブレーキには、電磁石でレールに固定される平らなシューが含まれています。マーフィーブレーキは回転するドラムを挟み込む方式で、アウスコ・ランバートのディスクブレーキは中空ディスク（構造的なブリッジで繋がれた2枚の平行なディスク）を使用し、ディスク表面の間に配置され横方向に拡張するブレーキシューを備えている。
ドラムブレーキとは、回転するドラムの内面にブレーキシューを押し付けることで摩擦を生み出す車両用ブレーキである。ドラムは回転する車輪のハブに接続されている。
ドラムブレーキは一般的に、旧型の乗用車やトラックに多く見られます。しかし、製造コストが低いため、一部の低価格の新型車の後輪にも採用されています。現代のディスクブレーキと比較すると、ドラムブレーキは過熱しやすい性質があるため、摩耗が早くなります。
ディスクブレーキは、車輪の回転を減速または停止させるための装置です。通常、鋳鉄またはセラミック製のブレーキディスク（米国英語ではローター）が、車輪または車軸に接続されています。車輪を停止させるには、ブレーキパッド（ブレーキキャリパーと呼ばれる装置に取り付けられている）の摩擦材が、機械的、油圧的、空気圧的、または電磁的にディスクの両面に押し付けられます。この摩擦によって、ディスクとそれに接続された車輪の回転が減速または停止します。
ポンピングブレーキは、ポンプが既に機械に組み込まれている場合によく使用されます。例えば、内燃ピストンエンジンでは、燃料供給を停止すると、エンジン内部のポンピング損失によって制動力が発生します。一部のエンジンでは、ポンピング損失を大幅に増加させるために、ジェイクブレーキと呼ばれるバルブオーバーライドが使用されています。ポンピングブレーキは、熱としてエネルギーを放出する場合もあれば、油圧アキュムレータと呼ばれる圧力リザーバを再充電する回生ブレーキとして機能する場合もあります。
電磁ブレーキは、電気モーターが既に機械の一部となっている場合にもよく使用されます。例えば、多くのハイブリッドガソリン/電気自動車は、電気モーターを発電機として電気バッテリーを充電するとともに、回生ブレーキとしても利用しています。ディーゼル/電気機関車の中には、電気モーターで発電した電力を抵抗器バンクに送り、熱として放出するものもあります。路線バスなど一部の車両は、電気モーターを搭載していませんが、内部短絡回路を備えた発電機として機能する二次的な「リターダー」ブレーキを使用しています。このようなブレーキの関連タイプとしては、渦電流ブレーキや電気機械式ブレーキ（実際には磁気駆動摩擦ブレーキですが、今日では単に「電磁ブレーキ」と呼ばれることもよくあります）などがあります。
電磁ブレーキは、電磁誘導によって抵抗を生み出し、それによって熱または電気を発生させることで物体を減速させる。摩擦ブレーキは、2つの別々の物体に圧力を加えることで、車両を制御された方法で減速させる。
ブレーキは、以下のようないくつかの特性に基づいて説明されることが多い。
基礎部品とは、車両の車輪に取り付けられたブレーキアセンブリ部品のことで、ブレーキシステム全体の基礎を形成することからその名が付けられています。車輪周辺に配置されたこれらの機械部品は、エアブレーキシステムによって制御されます。
基礎ブレーキシステムの3つのタイプは、「S」カムブレーキ、ディスクブレーキ、ウェッジブレーキである。[ 4 ]
現代の乗用車や小型バンの大半は、運転者がブレーキに加える力を大幅に増加させる真空アシストブレーキシステムを採用している。 [ 5 ]この追加力は、エンジン作動中にスロットルによって空気の流れが妨げられることで発生するマニホールド真空によって供給される。エンジンが全開スロットルで運転されているときは、周囲の空気圧とマニホールド（絶対）空気圧の差が小さくなり、利用可能な真空が減少するため、この力は大幅に減少する。しかし、ブレーキは全開スロットルでかけられることはほとんどない。左足ブレーキを使用しない限り、運転者は右足をアクセルペダルから離し、ブレーキペダルに移す。
高回転域では負圧が低いため、意図しない加速が発生するという報告には、ブレーキの故障や効き目の弱化に関する苦情が伴うことがよくあります。これは、スロットルが開いた状態で高回転するエンジンでは、ブレーキブースターを作動させるのに十分な負圧が得られないためです。この問題は、自動変速機を搭載した車両ではさらに深刻化します。ブレーキをかけると自動的にシフトダウンするため、路面に接する駆動輪に伝達されるトルクが増加するからです。
大型の道路車両や列車は、通常、 1つまたは複数の圧縮機から供給される圧縮空気によって制動力を高める。
理想的には、ブレーキは運動エネルギーのすべてを熱に変換するはずだが、実際にはかなりの量が音響エネルギーに変換され、騒音公害の一因となる可能性がある。
道路車両の場合、発生する騒音はタイヤの構造、路面、減速の大きさによって大きく異なります。[ 6 ]騒音はさまざまな原因で発生する可能性があります。これらは、時間の経過とともにブレーキが摩耗して問題が発生している可能性がある兆候です。
鉄道のブレーキの故障は火花を発生させ、森林火災を引き起こす可能性があります。[ 7 ]極めて極端なケースでは、ディスクブレーキが赤熱して発火することがあります。これはトスカーナGPで、メルセデスW11のフロントカーボンディスクブレーキが換気不足と高負荷のためにほぼ発火しそうになったときに発生しました。[ 8 ]これらの火災は、負荷調整センサーが固着し、リアブレーキがフロントブレーキを補う必要がある場合に、一部のメルセデススプリンターバンでも発生する可能性があります。 [ 9 ]
回生ブレーキであっても、完全に効率的ではないため、ブレーキをかける際には必ずかなりのエネルギーが失われます。したがって、運転中のエネルギー効率を測る良い指標は、ブレーキの使用頻度を把握することです。減速の大部分がブレーキではなく、避けられない摩擦によるものであれば、車両の性能を最大限に引き出せていないことになります。ブレーキの使用を最小限に抑えることは、燃費を最大化する運転行動の一つです。
ブレーキ作動中は常にエネルギーが失われますが、効率に影響を与える二次的な要因として、「ブレーキオフドラッグ」、つまり意図的にブレーキを作動させていないときに発生するドラッグがあります。ブレーキ作動後、システム内の油圧が低下し、ブレーキキャリパーピストンが後退します。しかし、この後退は、システム内の（加圧された）すべてのコンプライアンスと、ブレーキディスクなどのコンポーネントの熱変形に対応する必要があります。そうしないと、ブレーキシステムは、たとえばディスクとの接触によってパッドとピストンが摩擦面から押し戻されるまでドラッグ状態になります。この間、大きなブレーキドラッグが発生する可能性があります。このブレーキドラッグは、大きな寄生的な動力損失につながり、燃費と車両全体の性能に影響を与えます。
1800年代後半に馬車や自動車に使われた最初のブレーキは、鋼鉄製のリムの車輪に押し付けられた木製のブロックだった。[ 10 ] 1890年代には、ミシュラン兄弟が鋼鉄製のタイヤをゴム製のものに置き換えたことで、これらの木製ブロックブレーキは時代遅れになった。[ 11 ]ドラムブレーキは1899年にゴットリープ・ダイムラーによって発明され、1902年からルノー車で普及し始めた。自動車業界全体で標準となった。[ 11 ]
ドラムブレーキの代替としてブレーキパッドやディスクブレーキの概念は、少なくとも1902年のFWランチェスターの特許の頃には存在していたが、数十年にわたって広く採用されることはなかった。 [ 12 ] 1953年のル・マン24時間レース では、3台のジャガー車がディスクブレーキを装備し、優れた制動力を発揮してコーナーまでより高速を維持することができた。この3台は1位、2位、4位でフィニッシュし、大きな注目を集めた。[ 13 ]レーシングカーではすぐにドラムブレーキがディスクブレーキに置き換えられ、1960年代からは一般車、特に制動力がより大きくかかるフロントブレーキにも採用されるようになった。[ 11 ]
1966年、ジェンセンFFグランドツアラーにABSが装着された。電子制御はなく、ホイールロックアップはファーガソン4輪駆動システムのセンターデフに装着されたダンロップマクサレットユニットによって機械的に検出され、ブレーキ圧はソレノイド作動バルブによって調整された。[ 11 ]
1978年、ボッシュとメルセデスは、メルセデスSクラス向けに1936年のアンチロックブレーキシステムを改良した。このABSは、完全電子制御の4輪マルチチャンネルシステムで、後に標準装備となった。[ 11 ]
2005年、カナダのケベック州では、データレコーダーを搭載していない危険物運搬業者に対し、操舵制御の喪失を防ぐために自動的にブレーキをかけるESCが義務付けられた。[ 14 ]
2017年以降、国連欧州経済委員会（UNECE）加盟国の多くは、ブレーキアシストシステム（BAS）を採用している。BASは、運転者のブレーキ要求の特性から緊急ブレーキイベントを推測し、そのような状況下で運転者のブレーキ操作の改善を支援するブレーキシステムの機能である。[ 15 ]
2013年7月[ 15 ] 、 UNECE車両規則131が制定されました。この規則は、大型車両向けの先進緊急ブレーキシステム（AEBS）を定義し、前方衝突の可能性を自動的に検知して車両のブレーキシステムを作動させます。
2020年1月23日[ 15 ]、軽自動車用の先進緊急ブレーキシステムを定義するUNECE車両規則152が制定されました。
2022年5月から、欧州連合では、法律により、新車には先進的な緊急ブレーキシステムが搭載されることになる。[ 16 ]
