ブレーキ

ブレーキは、運動システムからエネルギーを吸収することで運動を抑制する機械装置です。 ^[1]ブレーキは、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、ほとんどの場合、摩擦によって実現されます。^[2]

ほとんどのブレーキは、一般的に、押し付けられた 2 つの表面間の摩擦を利用して、移動す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が使用される場合もあります。たとえば、回生ブレーキは、エネルギーの多くを電気エネルギーに変換し、後で使用するために蓄えることができます。他の方法では、運動エネルギーを位置エネルギーに変換し、加圧空気や加圧オイルなどの形で蓄えます。渦電流ブレーキは、磁場を使用して運動エネルギーをブレーキ ディスク、フィン、またはレールの電流に変換し、それが熱に変換されます。さらに他のブレーキ方法では、たとえば回転するフライホイールにエネルギーを転送することによって、 運動エネルギーを別の形式に変換します。

ブレーキは一般に回転する車軸または車輪に適用されますが、移動する流体の表面（水または空気中に展開されるフラップ）などの他の形式をとる場合もあります。一部の車両では、車輪ブレーキとパラシュートの両方を備えたドラッグ レーシング カーや、着陸時に車輪ブレーキとドラッグ フラップの両方が空中に上げられる飛行機など、ブレーキ機構を組み合わせて使用​​します。

運動エネルギーは速度の2乗で増加するため( )、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ち、その結果、牽引限界でブレーキをかけた際の理論的な制動距離は最大 100 倍になります。実際には、高速車両は通常、大きな空気抵抗があり、空気抵抗によるエネルギー損失は速度とともに急速に増加します。 ${\displaystyle K=mv^{2}/2}$

車輪の付いた 乗り物はほとんどすべて、なんらかのブレーキを備えている。手荷物カートやショッピングカートでさえ、動く傾斜路で使用するためにブレーキを備えていることがある。固定翼航空機のほとんどは、着陸装置に車輪ブレーキを備えている。航空機の中には、飛行中に速度を落とすために設計された空気ブレーキを備えているものもある。有名な例としては、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急降下爆撃機の多くが挙げられる。これにより、航空機は急降下中でも安全な速度を維持できる。サーブ B 17急降下爆撃機やヴォート F4U コルセア戦闘機は、展開した着陸装置を空気ブレーキとして使用した。

自動車の摩擦ブレーキは、ブレーキをかけている間にドラムブレーキまたはディスクブレーキにブレーキ熱を蓄え、徐々に空気中に放出します。下り坂を走行する場合、一部の車両はエンジンを使用してブレーキをかけることができます。

油圧ブレーキを備えた現代の車両のブレーキペダルがマスターシリンダーに押し付けられると、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、車輪が減速します。ブレーキドラムでも同様で、シリンダーがブレーキシューをドラムに押し付け、これも車輪を減速します。

ブレーキは、摩擦、ポンピング、電磁気学を利用するブレーキと大まかに分類できます。1 つのブレーキに複数の原理が使用される場合があります。たとえば、ポンプは流体をオリフィスに通して摩擦を発生させます。

最も一般的である摩擦ブレーキは、明確な摩耗面を使用する「シュー」または「パッド」ブレーキと、作動流体の摩擦を使用し、明確に摩耗しないパラシュートなどの流体ブレーキに大別できます。通常、「摩擦ブレーキ」という用語はパッド/シュー ブレーキを意味するために使用され、流体ブレーキは除外されますが、流体ブレーキは摩擦を使用します。摩擦 (パッド/シュー) ブレーキは、多くの場合、固定パッドと回転する摩耗面を備えた回転装置です。一般的な構成には、バンド ブレーキなど、回転ドラムの外側をこするように収縮するシュー、ドラムの内側をこするよう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)、および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) があります。他のブレーキ構成も使用されますが、あまり一般的ではありません。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ます。マーフィー ブレーキは回転ドラムを挟み込み、オースコ ランバート ディスク ブレーキは、ディスク表面の間に位置し横方向に拡張するシューを備えた中空ディスク (構造ブリッジを備えた 2 つの平行ディスク) を使用します。

ドラムブレーキは、回転するドラムの内面に ブレーキシューが押し付けられることで摩擦が発生する車両ブレーキです。ドラムは回転するロードホイール ハブに接続されています。

ドラム ブレーキは、一般的に古い車やトラックのモデルに搭載されています。ただし、生産コストが低いため、ドラム ブレーキ セットアップは、一部の低価格な新型車の後部にも取り付けられています。ドラム ブレーキは、現代のディスク ブレーキに比べて過熱する傾向があるため、摩耗が早くなります。

ディスクブレーキは、車輪の回転を遅くしたり、止めたりする装置です。通常は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）の形をした摩擦材を機械的、油圧的、空気圧的、または電磁的にディスクの両側に押し付けます。摩擦によって、ディスクとそれに取り付けられた車輪が遅くなったり、止まったりします。

ポンピング ブレーキは、ポンプがすでに機械の一部になっている場合によく使用されます。たとえば、内燃ピストン モーターでは燃料供給を停止することができ、エンジンの内部ポンピング損失によってブレーキがかけられます。一部のエンジンでは、ジェイク ブレーキと呼ばれるバルブ オーバーライドを使用して、ポンピング損失を大幅に増加させます。ポンピング ブレーキは、エネルギーを熱として放出することも、油圧アキュムレーターと呼ばれる圧力リザーバーを再充電する回生ブレーキにすることもできます。

電磁ブレーキは、電気モーターがすでに機械の一部になっている場合にもよく使用されます。たとえば、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使用して電気バッテリーを充電し、また回生ブレーキとしても使用します。一部のディーゼル/電気鉄道機関車は、電気モーターを使用して電気を生成し、その後、抵抗バンクに送られて熱として放出されます。一部の路線バスなど、一部の車両には電気モーターが搭載されておらず、実質的に内部短絡を備えた発電機である二次「リターダー」ブレーキが使用されています。このようなブレーキに関連するタイプには、渦電流ブレーキや電気機械ブレーキ（実際には磁気駆動の摩擦ブレーキですが、最近では単に「電磁ブレーキ」と呼ばれることもよくあります）があります。

電磁ブレーキは、電磁誘導によって抵抗が生じ、熱または電気が発生することで物体を減速させます。摩擦ブレーキは、2 つの別々の物体に圧力をかけることで、制御された方法で車両を減速させます。

ブレーキは、次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です。

• ピーク力– ピーク力は、得られる最大の減速効果です。ピーク力はタイヤの牽引限界を超えることが多く、その場合、ブレーキによって車輪がスリップする可能性があります。
• 連続電力消費– ブレーキは使用中に熱くなり、温度が高くなりすぎると故障します。故障せずにブレーキを通じて消費できる最大電力量(単位時間あたりのエネルギー) は、連続電力消費です。連続電力消費は、多くの場合、周囲の冷却空気の温度や速度などによって異なります。
• フェード– ブレーキが熱くなると、ブレーキ フェードと呼ばれる効果が低下することがあります。設計によっては、本質的にフェードが発生しやすいものもありますが、比較的フェードが発生しにくい設計もあります。さらに、冷却などの使用上の考慮事項がフェードに大きな影響を与えることがよくあります。
• 滑らかさ– ブレーキが引っかかったり、脈動したり、ガタガタしたり、あるいはブレーキ力が変動したりすると、スキッドが発生する可能性があります。たとえば、鉄道の車輪は牽引力がほとんどなく、滑り止め機構のない摩擦ブレーキはスキッドの原因になることが多く、メンテナンス費用が増大し、車内の乗客に「ドンドン」という感覚をもたらします。
• パワー- ブレーキは、人間が少し力を加えるだけで、同じクラスの他のブレーキの一般的なブレーキよりも高い制動力が得られる場合、「強力」であるとよく言われます。この「強力」という概念は、継続的な電力消費とは関係がなく、ブレーキが「強力」で、軽くブレーキを踏むだけで強力にブレーキが効く場合でも、ピーク時の力は「強力」でないブレーキよりも低い (悪い) という点で混乱を招く可能性があります。
• ペダルの感触– ブレーキ ペダルの感触は、ペダルの移動量に応じたブレーキ出力の主観的な認識を包含します。ペダルの移動量は、ブレーキの流体変位やその他の要因によって影響を受けます。
• 抗力- ブレーキは、ブレーキをかけていない状態ではシステムの設計に応じて抗力の量が異なり、ブレーキをかけているときに生じるシステム全体のコンプライアンスと変形に対応し、ブレーキをかけていない状態で摩擦面から摩擦材を引き戻す能力を備えています。
• 耐久性– 摩擦ブレーキには摩耗面があり、定期的に交換する必要があります。摩耗面には、ブレーキシューまたはパッドのほか、ブレーキ ディスクまたはドラムも含まれます。トレードオフが発生する場合があります。たとえば、高いピーク力を生成する摩耗面は、摩耗も早くなる場合があります。
• 重量– ブレーキは、他の機能を持たないため、多くの場合「追加重量」となります。さらに、ブレーキは車輪に取り付けられていることが多く、バネ下重量が状況によってはトラクションを大幅に低下させる可能性があります。「重量」はブレーキ自体を意味する場合もあれば、追加のサポート構造を含む場合もあります。
• ノイズ– ブレーキをかけると通常は多少のノイズが発生しますが、かなり大きなキーキー音や軋む音が発生することもよくあります。

基礎部品は、車両の車輪にあるブレーキ アセンブリ部品であり、ブレーキ システムの残りの部分の基礎を形成することからその名が付けられています。車輪の周囲に含まれる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には、「S」カムブレーキ、ディスクブレーキ、ウェッジブレーキの3種類があります。^[3]

現代の乗用車やライトバンのほとんどには、運転者が車両のブレーキに加える力を大幅に増加させる真空補助ブレーキシステムが搭載されています。 ^[4]この追加の力は、エンジン作動中の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ます。エンジンがスロットル全開で作動しているときは、周囲の気圧とマニホールド（絶対）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します。ただし、フルスロットルでブレーキがかけられることはめったになく、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てブレーキペダルに移動します。

高回転時の低真空のため、予期せぬ加速の報告には、ブレーキの故障または弱化の苦情が伴うことがよくあります。これは、スロットルが開いている高回転エンジンでは、ブレーキ ブースターに動力を供給するのに十分な真空を提供できないためです。この問題は、オートマチック トランスミッションを装備した車両では悪化します。ブレーキをかけると車両が自動的にシフトダウンし、路面に接触している駆動輪に伝達されるトルクが増加するためです。

大型の道路車両や列車では、通常、1 台以上のコンプレッサーから供給される 圧縮空気でブレーキ力を高めます。

理想的にはブレーキはすべての運動エネルギーを熱に変換しますが、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ります。

道路を走る車両の場合、発生する騒音はタイヤの構造、路面、減速の程度によって大きく異なります。^[5]騒音はさまざまな原因で発生します。これらは、ブレーキが時間の経過とともに摩耗する問題がある可能性があることを示しています。

鉄道のブレーキが故障すると火花が散り、森林火災を引き起こす可能性があります。^[6]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もあります。これはトスカーナGPで発生し、メルセデスの車W11のフロントカーボンディスクブレーキが、換気の悪さと使用頻度の高さにより、ほぼ爆発して燃え上がりました。^[7]メルセデスのスプリンターバンの一部でも、負荷調整センサーが固まり、後部ブレーキが前部ブレーキを補わなければならない場合に、このような火災が発生することがあります。 ^[8]

ブレーキをかけると、回生ブレーキの効率が完璧ではない場合でも、常にかなりの量のエネルギーが失われます。したがって、運転中の効率的なエネルギー使用を測る良い指標は、ブレーキの強さに注意することです。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、車両からほとんどのサービスを絞り出していることになります。ブレーキの使用を最小限に抑えることは、燃費を最大化する行動の 1 つです。

ブレーキ操作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は「ブレーキオフ時の抵抗」、つまりブレーキが意図的に作動していないときに発生する抵抗です。ブレーキ操作後、システム内の油圧が低下し、ブレーキ キャリパー ピストンが引き込まれます。ただし、この引き込みは、システム内のすべてのコンプライアンス (圧力下) 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抵抗します。この間、ブレーキ抵抗が大きくなる可能性があります。このブレーキ抵抗は、大きな寄生電力損失につながる可能性があり、燃費と車両全体の性能に影響を及ぼします。

従来の製造技術はブレーキパッドの製造には高価すぎるため、複数の仕上げ工程など、多くの開発時間と製造時間を必要とします。これらの制限を克服するために、3Dプリント技術を使用してブレーキパッドを製造することができます。この方法は、経済コストを改善し、環境保護を改善することができます。^[9]

1890年代にミシュラン兄弟がゴムタイヤを導入したことで、木製のブロックブレーキは時代遅れになった。^[10]

1960年代には、いくつかの自動車メーカーがドラムブレーキをディスクブレーキに置き換えました。^[10]

1966年にABSがジェンセンFFグランドツアラーに搭載されました。^[10]

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アップデートしました。このABSは、後に標準となった完全電子式4輪マルチチャンネルシステムです。^[10]

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輸送業者に対して、ステアリング制御の喪失を避けるために自動的にブレーキをかけるESCの装着が義務付けられました。^[11]

2017年以来、多くの国連欧州経済委員会（UNECE）加盟国は、運転者のブレーキ要求特性から緊急ブレーキを推測し、そのような状況下で運転者がブレーキを改善するのを支援するブレーキシステムの機能であるブレーキアシストシステム（BAS）を使用しています。^[12]

^{2013年7月[12]}にUNECE車両規則131が制定されました。この規則は、前方衝突の可能性を自動的に検出し、車両ブレーキシステムを作動させる大型車両用の先進緊急ブレーキシステム（AEBS）を定義しています。

^{2020年1月23日[12]}にUNECE車両規則152が制定され、軽自動車向けの先進緊急ブレーキシステムが定義された。

2022年5月から、欧州連合では法律により、新車に高度な緊急ブレーキシステムが搭載されることになる。^[13]

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