ディスクブレーキの基本

ディスクブレーキの基本

ディスクブレーキ

ディスクブレーキは。優れた冷却性と高速でも安定した制動力を得られることから、乗用車の前輪にほぼ100%採用されている。

Configuration of disc brake

図1:ディスクブレーキの構成

ディスクブレーキの作動原理は、ディスクローターをパッドで強力に挟み付けることで制動力を得る仕組みである。従って、ディスクローターと、ディスクローターを挟み付けるパッド、これを押すピストンやシリンダーを納めたキャリパーから構成されている。

このキャリパーには、作動時にキャリパーが動くフローティングキャリパー型(浮動キャリパー型)と、動かない対抗ピストン型(固定キャリパー型)がある。

Caliper type

図2:キャリパーの種類

フローティングキャリパー型はピストンが片側に1個しかなく、ブレーキ油圧が作用すると、ピストンが押し出されると同時にキャリパーはシリンダーとともに反対側に移動するので、両側のパッドがディスクローターを挟んで圧着することになる。この動作がフォローティング(浮動)キャリパー型と呼ばれる理由である。

フローティングキャリパー型は狭いホイールでも装着が可能なので、小型車などによく用いられている。

これに対して、対抗ピストン型はより大きなスペースを必要とするが、レスポンス(応答性)がよく、またキャリパーの剛性も高く出来るので、高性能車では対抗ピストン型が使用されることが多くなる。

フローティングキャリパー型の構造
Floating caliper type structure

図3:フローティングキャリパー型の構造

フローティングキャリパー型は、ディスクロータと横方向にスライドするキャリパー、キャリパーの片側に設けられた1個のシリンダーとピストン、ディスクローターを挟むパッドなどから構成されている。

対向キャリパー型の構造
Competing piston type structure

図4:対抗ピストン型の構造

対向キャリパー型は、ディスクローターと固定されたキャリパーで構成されており、キャリパーの両側にはシリンダーが取り付けられている。ブレーキ油圧が作用すると、ピストン、すなわちパットが両側から押し出されてディスクローターを挟み付け、制動力を発生させる。

ディスクブレーキのチューニング

高性能車においては、4ピストンキャリパーや、6ピストンキャリパーも珍しくなくなった。外観からして見るからに高性能に見えるが、外観から採用しているわけではない。ピストン数を増やすことでどんなメリットが得られるのだろうか?

また、ディスクブレーキを高性能化する手段として「ディスクローターの大型化」という方法がある。それではなぜにディスクロータを大型化する必要があるのだろうか??

ディスクローターの大型化

タイヤの接地面で発生する制動力は、パッドの摩擦面で発生している制動力に対して、テコの原理により、ディスクローターの有効半径対タイヤの有効半径も比率で小さくなってしまう。

Effective radius of disk rotor

図5:ディスクロータの有効半径

従って、ディスクローターを大型化し、ディスクローターの有効半径を大きくすることが出来れば、パッドの摩擦面で発生する制動力、すなわちパッドの押しつける力を小さくすることが出来る。

そのためには、ディスクローターを納めるホイールの方も大径化する必要があるので、タイヤを大径化するかタイヤの扁平率を進めてホイールを大径化してやる必要がある。ただし、これらの方策は車体側との干渉や乗り心地の悪化などの制約を受けるので、自由に実行できるわけではない。

ディスクローターの径を変えずにディスクローターの有効半径を大きくする方法は、キャリパーピストンの多数化でも実現することが出来る。実際にはディスクローターの大径化とキャリパーピストンの多数化は同時に採用されているように思える。

キャリパーピストンの多数化

制動力を大きくするためには、キャリパーピストンの受圧面積を大きくするという考え方もあるが、ピストンの受圧面積を大きくすると、ディスクローターの有効半径(ディスクローター中心からピストン中心までの距離)は小さくなってしまうという問題が起きる。

そこで、ピストンを片側2個ずつとしてピストンの受圧面積は変えずに、パッドに形状を細長くすることでディスクローターの有効半径を大きくすることが出来る。この考え方をさらに推し進めて、ピストンを片側3個にしたものがいわゆる6ピストンキャリパーである。(図6)

Disc rotor with twin pistons

図6:ツインピストンによるディスクロータの有効半径の拡大

ディスクブレーキの特徴の一つに、ドラムブレーキのようなセル部サーボ作用がなく、高速時でも踏力に比例した安定した制動力が得られることがある。しかし実際には、セルフサーボは若干存在していて、ディスクローターの回転に対して入口側(リーディング側)の方が多少押しつける力が増加する。(図7)

Self-servo action of twin piston type disc brake

図7:ツインピストン式ディスクブレーキのセルフサーボ作用

そこで、入口側のピストンを少し小さくして、パッドの押しつけ力の平準化を図ることがある。(図8)

Effect of deformed piston

図8:異形ピストンの効果

シリンダーとピストン

Assembling cylinder and piston

図9:シリンダーとピストンの組み付け

シリンダー及びピストンは、ディスクを挟み付けるようにキャリパーに取り付けられている。シリンダーの端にはピストンとの間に水分や異物が入り込むのを防ぐため、柔らかいゴムのブーツが組み込まれている。(図9)

ブーツの奥にはゴム製のピストンシールがシリンダー内壁の溝に収められており、このシールによってブレーキ油圧は保持されている。

自動調整装置

自動調整装置は、パッドが摩耗してもディスクローターとの隙間を常に一定に保つもので、実際の隙間の調節は、ブレーキの作動/解除時にピストンシールによって行われている。

Actuation of piston seal

図10:ピストンシールの作動(油圧作動時)

ブレーキが作動したときには、ピストンはピストンシールを変形させながら押し出され、パッドに圧力を加えていく。(図10)

Actuation of piston seal

図11:ピストンシールの作動(油圧が作動しないとき)

ブレーキ油圧が作用しなくなると、ピストンシールは元の形状に戻るので、ピストンはその分だけ引き戻されることになり、ディスクローターとの間に隙間が保たれる。(図11)

バッドが摩耗してピストンの移動量が大きくなると、ピストンシールの変形量も大きくなるが、変形量が規定値を超えると、その分だけピストンがピストンシール上を滑っていく。そして、ブレーキを解除したときにはピストンシールが元の形状に戻るので、規定の変形分だけが引き戻されて、隙間が一定に保たれる。つまり、パッドが摩耗した分だけ戻ったときのピストンの位置は少しずつ突き出た状態になっていくことになる。

 

 

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