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油圧ブレーキとは、通常はグリコールエーテルまたはジエチレングリコールを含むブレーキ液を用いて、制御機構から制動機構へ圧力を伝達する制動機構の一種である。
1904年、イギリスのレディッチに住むフレデリック・ジョージ・ヒースは、ハンドルバーのレバーとピストンを用いた油圧式（水／グリセリン）ブレーキシステムを自転車に取り付けた。彼は「自転車およびモーター用油圧作動式ブレーキの改良」で特許GB190403651Aを取得し、その後、改良された柔軟なゴム製油圧パイプについても特許を取得した。
1908年3月31日、イギリスのブリストル出身のアーネスト・ウォルター・ウェイトは、自動車に4輪油圧（オイル）ブレーキシステムを考案し、取り付けた。彼は1908年12月にイギリスで特許を取得し（GB190800241A）、その後ヨーロッパとアメリカでも特許を取得し、1909年のロンドンモーターショーで展示した。彼の弟であるウィリアム・ハーバート・ウェイトは特許を改良し（GB190921122A）、1909年から1910年にかけて設立されたブリストルのブリッジストリート23番地にあるウェイト特許自動車ブレーキ社に両方の特許が譲渡された。ブリストルのラックウェルレーンに工場を持つ同社は、ヒル・アンド・ボル製のボディを装着したメタラージック製シャーシに4輪油圧ブレーキシステムを搭載し、1910年11月のロンドンモーターショーで展示した。ブレーキシステムを搭載した車は増え、同社は大々的に宣伝したが、期待された成功を収めることなく姿を消した。
マルコム・ラウヘッド（後に名前の綴りをロッキードに変更）は油圧ブレーキを発明し、1917年に特許を取得した。[ 2 ] [ 3 ]「ロッキード」はフランスではブレーキ液の一般的な名称である。
フレッド・デューゼンバーグは1914年のレーシングカーにロッキード社の油圧ブレーキを使用し[ 4 ]、彼の自動車会社であるデューゼンバーグは1921年にデューゼンバーグ・モデルAでこの技術を初めて採用した。
マサチューセッツ州スプリングフィールドのノックス・モーターズ社は、 1915年からトラクターに油圧ブレーキを装備し始めた。 [ 5 ]
この技術は自動車分野に応用され、最終的には自己増力式油圧ドラムブレーキシステム（エドワード・ビショップ・ボートン、ロンドン、イギリス、1927年6月28日）の導入につながり、このシステムは現在でも使用されている。
乗用車、オートバイ、スクーター、モペットに用いられる油圧ブレーキの最も一般的な構成は、以下の通りである。
このシステムには通常、グリコールエーテル系のブレーキフルードが充填されます（他のフルードも使用可能です）。
かつては、乗用車は一般的に4輪すべてにドラムブレーキを採用していました。その後、前輪にはディスクブレーキ、後輪にはドラムブレーキが使われるようになりました。しかし、ディスクブレーキは放熱性に優れ、「フェード現象」に対する耐性も高いため、一般的にドラムブレーキよりも安全です。そのため、4輪ディスクブレーキはますます普及し、最も基本的な車両を除いて、ほとんどすべての車両でドラムブレーキに取って代わりました。ただし、多くの二輪車は、後輪にドラムブレーキを引き続き採用しています。
以下の説明では、シンプルなディスクブレーキの構成と、その構成に関する用語を使用します。
油圧ブレーキシステムでは、ブレーキペダルを踏むと、プッシュロッドがマスターシリンダー内のピストンに力を加え、ブレーキフルードリザーバーから補償ポートを通って圧力室にフルードが流れ込みます。これにより油圧システム全体の圧力が上昇し、フルードが油圧ラインを通って1つまたは複数のキャリパーに送られます。キャリパーでは、1つまたは複数のOリング（フルードの漏れを防ぐためのシール）で密閉された1つまたは複数のキャリパーピストンにフルードが作用します。
ブレーキキャリパーのピストンがブレーキパッドに力を加え、回転するローターに押し付けることで、パッドとローター間の摩擦によって制動トルクが発生し、車両が減速します。この摩擦によって発生した熱は、ローターの通気孔や溝を通して放散されるか、ケブラーや焼結ガラスなどの特殊な耐熱材料で作られたパッドを通して伝導されます。
一方、ドラムブレーキでは、作動油がホイールシリンダーに入り、回転するドラムの内側に1つまたは2つのブレーキシューを押し付けます。ブレーキシューには、ディスクブレーキで使用されるパッドと同様の耐熱性摩擦材が使用されています。
その後、ブレーキペダル／レバーを離すと、マスターシリンダーアセンブリ内のスプリングの力でマスターピストンが元の位置に戻ります。この動作により、まずキャリパーにかかる油圧が解放され、次にキャリパーアセンブリ内のブレーキピストンに吸引力が加わり、ピストンがハウジング内に戻ることで、ブレーキパッドがローターから解放されます。
油圧ブレーキシステムは密閉システムとして設計されています。システムに漏れがない限り、ブレーキフルードがシステムに出入りすることはなく、使用によってフルードが消費されることもありません。ただし、Oリングの亀裂やブレーキラインの穴から漏れが発生する可能性があります。2種類のブレーキフルードが混ざったり、ブレーキフルードが水、アルコール、不凍液、その他の液体で汚染されたりすると、亀裂が発生する可能性があります。[ 6 ]
油圧ブレーキは、通常は回転する車軸である物体を停止させるためにエネルギーを伝達します。非常にシンプルなブレーキシステムでは、2 つのシリンダーとディスクブレーキのみで構成され、シリンダーはチューブを介して接続され、シリンダー内にピストンがあります。シリンダーとチューブは非圧縮性の液体で満たされています。2 つのシリンダーは同じ体積ですが、直径が異なるため、断面積も異なります。オペレーターが使用するシリンダーはマスターシリンダーと呼ばれます。回転するディスクブレーキは、断面積の大きい方のピストンの隣に配置されます。マスターシリンダーの直径がスレーブシリンダーの直径の半分であると仮定すると、マスターシリンダーの断面積は 4 分の 1 になります。ここで、マスターシリンダー内のピストンが 40 mm 押し下げられると、スレーブピストンは 10 mm 移動します 。マスターピストンに 10ニュートン (N) の力が加えられると、スレーブピストンは 40 Nの力で押します。
この力は、マスターピストン、ペダル、および支点の間にレバーを挿入することでさらに増大させることができます。ペダルから支点までの距離が、支点から接続されたピストンまでの距離の3倍である場合、ペダルを踏み込んだときのペダル力が3倍になり、マスターピストンでは10 Nが30 N、ブレーキパッドでは120 Nになります。逆に、ペダルはマスターピストンの3倍の距離だけ移動する必要があります。ペダルを120 mm踏み込むと、マスターピストンは40 mm移動し、スレーブピストンはブレーキパッドを10 mm移動します。
（一般的な軽負荷自動車用ブレーキシステムの場合）
四輪車の場合、FMVSS規格105、1967年版[ 7 ]では、マスターシリンダーを内部で2つのセクションに分割し、それぞれが独立した油圧回路に圧力をかけるように規定している。各セクションは1つの回路に圧力を供給する。この組み合わせはタンデムマスターシリンダーとして知られている。乗用車は通常、フロント/リア分割ブレーキシステムまたは対角分割ブレーキシステムのいずれかを備えている（オートバイやスクーターのマスターシリンダーは、フロントブレーキとなる単一のユニットにのみ圧力をかける場合がある）。
前後分割式ブレーキシステムは、一方のマスターシリンダーでフロントキャリパーピストンを加圧し、もう一方のマスターシリンダーでリアキャリパーピストンを加圧します。安全上の理由から、現在ではほとんどの国で分割式ブレーキシステムが法律で義務付けられています。これは、一方の回路が故障しても、もう一方の回路で車両を停止させることができるためです。
斜め分割システムは、 1967 年生産のアメリカン モーターズの自動車に初めて採用されました。右前輪と左後輪は 1 つの作動ピストンによって作動し、左前輪と右後輪は 2 番目の作動ピストンによってのみ作動します (両方のピストンは、単一のフット ペダルからそれぞれの連結ラインに圧力をかけます)。いずれかの回路が故障しても、少なくとも 1 つの前輪がブレーキをかけた状態で、もう一方の回路は無傷のままで、機械的に損傷した車両を停止させます (重量移動により、前輪ブレーキが制動力の大部分を担います)。1970 年代までに、斜め分割システムは米国で販売される自動車で一般的になりました。このシステムは、システム故障時に優れた制御性と安定性を維持するために、前輪駆動車のサスペンション設計に合わせて開発されました。
1967年モデル以降のボルボ140シリーズでは、三角形分割式ブレーキシステムが導入された。このシステムでは、フロントディスクブレーキに4つのシリンダーが配置され、両方の回路が前輪それぞれと後輪の片方に作用する。この配置は、後継モデルの200シリーズと700シリーズにも引き継がれた。
マスターシリンダーの直径と長さは、ブレーキシステムの性能に大きな影響を与えます。直径の大きいマスターシリンダーは、キャリパーピストンにより多くの作動油を供給しますが、同じ減速比を得るためには、より大きなブレーキペダル踏力とより少ないブレーキペダルストロークが必要になります。直径の小さいマスターシリンダーは、これとは逆の効果をもたらします。
マスターシリンダーは、2つのセクション間で直径が異なる場合もあり、これにより一方のキャリパーピストンセットまたは他方のピストンセットへのフルード量を増やすことができます。このようなマスターシリンダーは「クイックテイクアップ」マスターシリンダーと呼ばれます。これらは、燃費向上を目的とした「低抵抗」フロントキャリパーと組み合わせて使用されます。
急ブレーキ時に後輪ブレーキへの圧力を低減するために、プロポーショニングバルブが使用されることがあります。これにより後輪ブレーキの制動力が制限され、後輪ブレーキのロックアップの可能性が低減され、スピンの発生確率が大幅に減少します。
真空ブースターまたは真空サーボは、4輪のほとんどの最新の油圧ブレーキシステムで使用され、マスターシリンダーとブレーキペダルの間に取り付けられ、ドライバーが加える制動力を増幅します。これらのユニットは、中央に可動ゴムダイヤフラムを備えた中空ハウジングで構成され、2つのチャンバーを形成します。エンジンのスロットルボディまたは吸気マニホールドの低圧部分に接続すると、ユニットの両方のチャンバーの圧力が低下します。両方のチャンバーの低圧によって生じる平衡により、ブレーキペダルが踏み込まれるまでダイヤフラムは動きません。リターンスプリングにより、ブレーキペダルが踏み込まれるまでダイヤフラムは開始位置に保持されます。ブレーキペダルが踏み込まれると、動きによってエアバルブが開き、大気圧の空気がブースターの一方のチャンバーに流入します。一方のチャンバーの圧力が高くなるため、ダイヤフラムの面積と差圧によって生じる力でダイヤフラムは低圧チャンバーに向かって移動します。この力は、ドライバーの足の力に加えて、マスターシリンダーピストンを押します。比較的小径のブースターユニットが必要です。非常に控えめな50%のマニホールド真空の場合、面積0.03平方メートルの20cmダイヤフラムによって約1500Nの補助力が発生します 。ダイヤフラムは、チャンバーの両側の力が平衡に達すると動きを止めます。これは、エアバルブが閉じる（ペダル操作が停止するため）か、「ランアウト」に達した場合に発生します。ランアウトとは、一方のチャンバー内の圧力が大気圧に達し、停滞した差圧によって追加の力を発生させることができなくなった状態です。ランアウトに達した後は、マスターシリンダーピストンをさらに作動させるには、ドライバーの足の力のみを使用できます。
マスターシリンダーからの作動油圧は、一対の鋼製ブレーキチューブを通って、圧力差弁（「ブレーキ故障弁」とも呼ばれる）に伝わります。この弁は、2つのシステム間の圧力を均等にする機能と、一方のシステムの圧力が低下した場合の警告機能という2つの機能を果たします。圧力差弁には、油圧ラインが接続される2つのチャンバーがあり、その間にピストンが配置されています。どちらかのラインの圧力がバランスしているときは、ピストンは動きません。片側の圧力が失われると、もう一方の側の圧力によってピストンが動きます。ピストンがユニット中央のシンプルな電気プローブに接触すると回路が完成し、ブレーキシステムの故障がオペレーターに警告されます。
圧力差弁から、ブレーキチューブはホイールのブレーキユニットに圧力を伝達します。ホイールは車体に対して固定されていないため、車両フレーム側のスチール製ラインの端からホイール側のキャリパーまで油圧ブレーキホースを使用する必要があります。スチール製ブレーキチューブがたわむと金属疲労が発生し、最終的にはブレーキの故障につながります。一般的なアップグレードとして、標準のゴム製ホースを、編組ステンレス鋼線で外部補強されたホースに交換する方法があります。編組ワイヤーは圧力下での膨張がほとんどないため、同じ制動力でペダルストロークを短くしながら、ブレーキペダルの感触をよりしっかりとしたものにすることができます。
「油圧式ブレーキ」という用語は、エンジン駆動ポンプが中央アキュムレータ内の油圧を一定に保つ、全く異なる原理で動作するシステムを指す場合もあります。運転席のブレーキペダルは、ピストンを押し下げてマスターシリンダー内の圧力を実際に発生させるのではなく、バルブを制御して車輪のブレーキユニットに圧力を逃がすだけです。このタイプのブレーキは、作動媒体として空気ではなく油圧作動油を使用する点を除けば、エアブレーキシステムに似ています。ただし、エアブレーキではブレーキを解除するとシステムから空気が排出され、圧縮空気の予備を補充する必要があります。一方、油圧式ブレーキシステムでは、ブレーキを解除すると低圧の作動油が車輪のブレーキユニットからエンジン駆動ポンプに戻されるため、中央圧力アキュムレータはほぼ瞬時に再加圧されます。このため、油圧式システムは、頻繁に停止と発進を繰り返す車両（都市部のバスなど）に非常に適しています。また、作動油が常に循環しているため、寒冷地でエアブレーキシステムに発生する可能性のある部品の凍結や水蒸気の蓄積といった問題も解消されます。 AECルートマスターバスは、油圧式ブレーキの有名な応用例であり、ハイドロニューマチックサスペンションを備えたシトロエンの歴代モデルも、従来の自動車用ブレーキシステムではなく、完全油圧式ブレーキを採用しています。大型航空機のほとんども、強力な制動力を発揮できることから、油圧式ホイールブレーキを採用しています。ホイールブレーキは、航空機の主要油圧システムの1つ以上と連動しており、油圧系統の故障時でも制動できるようにアキュムレータが追加されています。
空気ブレーキシステムはかさばり、空気圧縮機とリザーバータンクが必要となる。油圧システムは小型で安価である。
作動油は非圧縮性でなければなりません。空気ブレーキでは、バルブを開いて空気を配管やブレーキ室に送り込み、圧力が十分に上昇するまで作動させますが、油圧システムはピストンの1回のストロークで作動油をシステム全体に送り込みます。システム内に蒸気が混入すると圧縮され、ブレーキを作動させるのに十分な圧力が得られない可能性があります。
油圧ブレーキシステムは、急勾配を下る際など、作動中に高温にさらされることがあります。そのため、作動油は高温下でも蒸発しにくい性質を備えている必要があります。
水は熱で容易に蒸発し、システムの金属部品を腐食させる可能性があります。ブレーキラインに水が少量でも入ると、一般的なブレーキフルード（吸湿性のあるもの[ 8 ] [ 9 ]）のほとんどと反応し、ブレーキラインやリザーバーを詰まらせる可能性のある堆積物を形成します。ブレーキシステムを水から完全に遮断することはほぼ不可能であるため、ブレーキフルードを定期的に交換して、水との反応によって生じた堆積物でシステムが過剰に満たされないようにする必要があります。軽油は、水と反応しないという理由で、油圧作動油として使用されることがあります。油は水を置換し、プラスチック部品を腐食から保護し、蒸発する前にかなり高い温度に耐えることができますが、従来の油圧作動油と比較して他の欠点があります。シリコーンフルードはより高価な選択肢です。
「ブレーキフェード」とは、過熱によってブレーキの効きが悪くなり、場合によっては効きが失われる現象です。これは様々な原因で発生します。回転部に接触するブレーキパッドが過熱して表面が滑らかになり、硬くなりすぎて車両を十分に減速させるグリップ力を失うことがあります。また、極端な温度変化や熱による変形によってブレーキパッドの形状が変化し、回転部との接触面積が減少することもあります。さらに、熱による変形は金属部品の形状に永久的な変化をもたらし、ブレーキ性能の低下につながり、該当部品の交換が必要となる場合もあります。