自動車ブレーキの仕組み: ブレーキ システムの完全ガイド

自動車ブレーキ 摩擦を通じて車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、車両を制御された状態で停止させます。ブレーキペダルを踏むと、 油圧により足の力が 3 ～ 6 倍になります。 、ブレーキパッドを回転ディスクまたはドラムに押し付けて、減速に必要な摩擦を生み出します。現代の車両では、ディスク ブレーキ、ドラム ブレーキ、またはその両方の組み合わせが、ABS や電子ブレーキ力配分などの高度なシステムとともに使用され、安全で信頼性の高い制動力が確保されています。

油圧ブレーキシステムの基礎

油圧システムは、現代の自動車ブレーキのバックボーンを形成しています。ブレーキペダルを踏むと、ブレーキフルードが入ったマスターシリンダーが作動します。この密閉システムは、密閉された流体に加えられる圧力がシステム全体に均等に伝わるというパスカルの原理に基づいて動作します。

マスターシリンダーの動作

マスターシリンダーには、別々の油圧回路に圧力を生成する 2 つのピストンが収容されています。 二重回路システムは 1967 年に義務化されました 安全規制により冗長性が要求された後は、1 つの回路に障害が発生しても、もう 1 つの回路が部分的なブレーキ機能を維持します。一般的なマスターシリンダーでは、 800 ～ 1200 psi の油圧 通常のブレーキ時は最大 2000 psi、緊急停止時は最大 2000 psi。

ブレーキ液の特性

ブレーキ液は、-40°F から 400°F 以上の温度に耐えながら、極端な条件下でも非圧縮性を維持する必要があります。 ドット3、ドット4、および ドット5.1 流体はグリコールベースであり、沸点が異なります。

グリコールベースのフルードは吸湿性があるため、時間の経過とともに水分を吸収し、沸点が低下し、ブレーキ性能が低下します。 メーカーはブレーキフルードを2〜3年ごとに交換することを推奨しています 走行距離に関係なく。

ディスクブレーキのコンポーネントと機能

ディスク ブレーキは、優れた放熱性と安定したパフォーマンスにより、現代の車両で主流となっています。このシステムは、ホイールハブに取り付けられたローター、油圧ピストンを収容するキャリパー、ローターに対して摩擦を生み出すブレーキパッドで構成されています。

ブレーキローターの設計

ローターにはいくつかの構成があり、それぞれがさまざまな用途に合わせて最適化されています。

• ソリッドローター 発熱が少ない経済車両の後車軸に使用される一体鋳造品です。
• ベント付きローター ローターに空気を送り込む内部冷却ベーンを備え、急ブレーキ時の温度を 100 ～ 200°F 低下させます。
• ドリルドローター ガスの蓄積を放出して重量を軽減する穴がありますが、極度の熱応力がかかると亀裂が生じる可能性があります。
• スロット付きローター 溝を使用してブレーキダストを取り除き、高性能車両で一般的なパッドの食いつきを維持します。

ほとんどの乗用車ローターの直径は 10 ～ 14 インチ、重量は 15 ～ 25 ポンドです。高性能アプリケーションでは、厚さ 28 ～ 32 mm の範囲の最大 16 インチのローターを使用して、繰り返しのハードストップに対応します。 110フィート未満で時速60マイル .

キャリパーの種類と操作方法

キャリパーには主に 2 つの設計があります。フローティング キャリパーは、キャリパー本体を引っ張って反対側のパッドを適用しながら、一方のパッドをローターに押し付けるシングル ピストンを使用します。この設計はコストが低く、ほとんどのエコノミーおよびミッドレンジ車に採用されています。固定キャリパーはしっかりと取り付けられ、対向するピストン (通常は 4、6、または 8) を使用して両側から均等に圧力を加えます。 固定キャリパーは 15 ～ 20% 高いクランプ力を提供します 熱管理が向上し、スポーツカーや高級セダンに標準装備されています。

ブレーキパッドの構成

最新のブレーキパッドは、摩擦、ノイズ、ダスト、摩耗特性のバランスをとるために複数の材料をブレンドしています。半金属パッドには鋼、鉄、銅などの金属含有量が 30 ～ 65% 含まれており、優れた熱伝導性と耐久性を備えています。 40,000～70,000マイルの耐用年数 。セラミックパッドはセラミックファイバーと非鉄材料を使用しているため、粉塵や騒音は少なくなりますが、コストは 40 ～ 60% 高くなります。オーガニックパッドは静かな動作を実現しますが、摩耗が早くなり、濡れると性能が低下します。

ドラムブレーキの仕組み

ドラム ブレーキは、ドラムの内面を外側に押す湾曲したブレーキ シューを使用して、回転ドラム内に摩擦コンポーネントを閉じ込めます。フロントアクスルでは大部分がディスクに置き換えられていますが、製造コストが低く、パーキングブレーキが効果的に統合されているため、トラックやエコノミーカーの後車軸ではドラムが依然として一般的です。

リーディングシューとトレーリングシューの設計

ほとんどのドラム システムは、リーディング シューとトレーリング シューの構成を使用します。リーディングシューがドラム回転方向に移動し、自励作用により制動力を増大させます。トレーリングシューは回転に逆らって動き、安定性をもたらしロックアップを防ぎます。この仕組みにより、 25 ～ 30% 少ないペダル踏力で安定した制動力を実現 同等のディスクシステムよりも優れています。

ホイールシリンダー機能

マスターシリンダーからの油圧は、対向する 2 つのピストンを備えたホイールシリンダーに入ります。これらのピストンは、リターン スプリングの張力に抗してブレーキ シューを外側に押します。一般的なホイール シリンダーのボアの直径は 0.75 ～ 1.0 インチで、十分な力を生成して シューからドラムへの圧力が 400 ～ 600 ポンド .

熱放散の制限

密閉型の設計により、ドラム アセンブリ内に熱が閉じ込められ、繰り返しのハード ブレーキ能力が制限されます。通常の使用中にドラムは 400 ～ 600°F に達することがありますが、500°F を超える温度が続くと摩擦材の効果が失われるため、ブレーキのフェードが発生します。この熱保持により、現代の車両が前車軸にディスク ブレーキを使用している理由が説明されます。 総制動力の60～70％ 減速中。

ブレーキ倍力システム

ブレーキブースターはペダルの力を増幅し、正確な制御を維持しながらドライバーの労力を軽減します。補助がなければ、高速道路の速度から 3,500 ポンドの車両を停止するには、150 ポンドを超えるペダル踏力が必要になりますが、これはほとんどのドライバーにとって持続不可能な要求です。

バキュームブレーキブースター

バキュームブースターは、エンジンの吸気マニホールドの負圧を利用して、ダイヤフラム間に圧力差を生じさせます。ブレーキ ペダルを踏むと、バルブが開き、ダイヤフラムの片側に大気圧が導入され、もう一方の側は真空に保たれます。これ 14.7 psi の圧力差 マスターシリンダーを補助するロッドを押し込み、入力力を3～4倍にします。一般的なブースターは直径 8 ～ 11 インチで、ペダル アセンブリとマスター シリンダーの間に取り付けられます。

油圧ブレーキアシスト

ディーゼル エンジンやターボチャージャー付き車両では十分な真空が不足していることが多く、油圧アシスト システムが必要になります。これらはエンジン駆動のポンプを使用して作動油を加圧し、 2,000 ～ 3,000 psi 、アキュムレータに保存されます。このシステムは、エンジン負荷に関係なく一貫したブーストを提供し、自動緊急ブレーキなどの高度な機能を可能にします。

電気機械式ブースター

ハイブリッド車や電気自動車は、エンジンを継続的に作動させることができないため、電気機械式ブレーキブースターを使用します。モーター駆動のボールネジまたはギアボックスがペダル入力を増幅し、即時応答を提供し、回復可能な回生ブレーキシステムとシームレスに統合します。 運動エネルギーの最大 70% 減速中。

アンチロック ブレーキ システム

ABS は油圧を 1 秒あたり最大 15 回調整することで、急ブレーキ時のホイールのロックを防ぎます。このシステムはタイヤのトラクションを維持し、制動力を最大化しながらステアリング制御を可能にします。 ABS は濡れた舗装での停止距離を 10 ～ 20% 短縮します 氷や砂利の上ではさらに効果的です。

コンポーネントの操作

各ホイールには回転速度を監視する速度センサーが付いています。 ABS 制御モジュールは、他の車輪よりも速く減速している車輪を検出すると (ロックアップが差し迫っていることを示しています)、油圧モジュレーターにその車輪のブレーキの圧力を下げるよう命令します。システムは次の 3 つのフェーズを循環します。

1. 圧力保持 車輪のスリップが始まっても現在のブレーキ力を維持します
2. 圧力低下 ブレーキ圧力を解放してホイールの回転を回復します
3. 圧力上昇 ホイールがトラクションを取り戻すとブレーキ力が再びかかります

性能特性

最新の ABS システムはセンサー データを 5 ～ 10 ミリ秒ごとに処理し、ミリ秒の精度でブレーキ圧力を調整します。一般的なシステムは、タイヤの摩擦がピークとなる 10 ～ 20% の間に最適なスリップ率を維持します。これは、ABS 作動中のペダルの脈動感覚、つまり油圧モジュレーターが圧力を制御するためにバルブを急速に循環させることを説明しています。

電子ブレーキ力配分

EBD は、車両の荷重と減速度に基づいて、フロントアクスルとリアアクスルの間のブレーキバランスを最適化します。ブレーキをかけると重量が前方に移動し、リアタイヤのトラクションが低下します。 EBD は、リアブレーキの圧力を比例的に下げて、フロントブレーキの効果を最大化しながら、早期の後輪のロックアップを防ぎます。

このシステムは個々のホイール速度を監視し、最適な圧力分布を継続的に計算します。荷物を積んだピックアップトラックでは、EBD が送信する可能性があります。 ブレーキ力の 75% がフロントアクスルに伝達されます。 一方、空のスポーツカーは、よりバランスの取れた 65 対 35 の分割を受けます。この動的調整により、安定性が向上し、さまざまな条件下での停止距離が短縮されます。

ブレーキシステムのメンテナンス要件

適切なメンテナンスにより、安定したブレーキ性能が確保され、コンポーネントの早期故障が防止されます。摩耗パターンと整備間隔を理解することは、安全性が損なわれる前に問題を特定するのに役立ちます。

パッドとローターの耐用年数

ブレーキパッドは、運転スタイルや材料の構成に応じて、通常 30,000 ～ 70,000 マイルごとに交換する必要があります。ほとんどのパッドには摩耗インジケーターが含まれており、パッドの厚さが一定の厚さに達するとローターに接触する金属製のタブが付いています。 3mm、最小安全仕様 。ローターの寿命は 50,000 ～ 100,000 マイルですが、パッド交換時に測定が必要です。厚さが最小仕様を下回るか、表面振れが 0.002 インチを超える場合は、ローターの交換が必要になります。

液体の点検と交換

ブレーキ液のテストでは、水分含有量と沸点を測定します。汚染された液体は透明な琥珀色ではなく濃い茶色に見え、目に見える粒子が含まれている可能性があります。専門的なテストによると、 水分含有量が 3% になると沸点が 25% 低下します 、山を下るときやハードストップを繰り返すときのフェードリスクが大幅に増加します。

ブレーキ問題の警告サイン

• きしむ音や摩擦音はパッドが摩耗していることを示しており、すぐに交換する必要があります
• ペダルの脈動は、仕様を超えた厚さの変化によりローターが歪んでいることを示唆しています
• 柔らかいまたはスポンジ状のペダルの感触は、油圧ライン内の空気またはマスターシリンダーの内部摩耗を示しています
• ブレーキ中に車両が片側に引っ張られる場合は、キャリパーのピストンが固着しているかパッドが汚れていることを示しています
• 停止距離の増加は、システム全体の劣化を示唆しており、包括的な検査が必要です

これらの症状に迅速に対処すると、他のコンポーネントへの損傷が防止され、緊急停止に不可欠な安全マージンが維持されます。