ディスクブレーキ

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ディスクブレーキ (disc brake) は、制動装置の一種であり、主に、航空機・自動車・オートバイ・自転車・鉄道車両に使用されている。車輪とともに回転する金属の円盤を、両側から挟み込むことによって制動する。

[編集] 特徴

ディスクブレーキの長所は、主要構造が外部に露出していることにより、通風が良く耐フェード性が高い、ブレーキローターに水が付着した場合でもローターの回転で水を弾き飛ばしてしまうためウォーターフェード現象(水の介在で摩擦係数が大幅に低下する)が起こりにくいこと、ローター自体の放熱性が良好でフェード現象が起こりにくいこと、摩耗粉がたまりにくく鳴きにくい、イニシャルでローターとバッド間の隙間が少なく、制動初期からロックまでコントロールしやすく、安定した制動力が得られる、等の点がある。

その反面、ドラムブレーキのリーディングシューのような自己サーボ効果（自己倍力作用）が無く、拘束力も小さい。これは大型自動車にディスクブレーキが普及していない大きな理由となっている。

そのままではドラムブレーキと比較した場合に制動力が弱いため、大きな入力を必要とする。そのため、別途負圧、油圧、空気圧を利用した倍力装置を付加し、ベダル踏力を軽減しているものが多い。そのため装置全体として見ると構造が複雑になり、重量も重くなってしまう。

また、吸気管負圧を利用したものは、エンジンが停止しているときには十分な制動力が得られないので、通常よりも大きなペダル踏力が必要となる。その他の方式でも、走行中に何らかの原因で倍力装置が失陥した場合、かなり強く踏み込まないと停止できない場合がある。

また、ドラムブレーキと比較すると（ドラムブレーキのブレーキシューに対し）ブレーキパッドの面積を大きくとることが難しく、制動力を大きくするには、摩擦材やローター材の変更、ローターの大径化、ブレーキキャリパーのマルチポッド化などが必要で、高コスト化と重量増は避けられない。競技用にはカーボンファイバー製のローターもあるが、一般市場に流通するような性格のものではない。

小型の車種で後輪にドラムブレーキを採用する車両では、駐車ブレーキを後輪ドラムブレーキと兼用するものがほとんどであるが、全車輪にディスクブレーキを採用する車両では、後輪ディスクブレーキのピストンを手動または電動で機械的に押し、パッドをディスクに押し付けて制動力を発揮させるものがあるが、レバー比やパッド面積、材質などにもよるが、基本的にドラム式に比べ拘束力は低い（手動式の中には勾配などで駐車に必要な拘束力が不足しているものもある）。そのため、重量のある車種では、ディスクローターとは別に、駐車ブレーキ専用のドラムブレーキ（パーキングドラム）が追加されているものもある。

[編集] 構造

ベンチレーテッドディスクローターの摩擦面に溝彫り加工を行った例

構造は、車輪と一緒に回転する円盤（ディスクローター、ブレーキローター）を両側からブレーキキャリパーに組み込まれたブレーキパッドで押さえつけることで摩擦を発生し、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して制動する仕組みである。パッドを押さえつける力を伝達する構造は自動車用では主にパスカルの原理を用いてマスターシリンダーからの入力でピストンを動作させる液圧式が大半で、バス・ダンプカー・大型トレーラー・鉄道車両などでは空気圧によってパッドを押しつける空気式が多い。ローターの材質は自動車ではダクタイル鋳鉄（FCD）やねずみ鋳鉄（FC）、航空機用では鋳鉄の他に炭素繊維強化炭素複合材料（CCコンポジット）製のものが存在する。^[1]オートバイではサビや汚れに対する考慮からマルテンサイト系ステンレス鋼のものが主流。

付着したブレーキパッドの摩擦粉の除去やローターの放熱・冷却のため、ローターの面に穴開けや溝掘りなどの加工を施すことがあり、前者をドリルドローター（Drilled Rotor）、後者をスリットローター(Slit Rotor)と称する。ローターの冷却対策としてはディスクを2枚以上としてその間にフィンを挟んで放熱に関与する表面積と通風性を増したベンチレーテッドディスクブレーキ(Ventilated Disc Brake)を採用することが多い。一枚板のものはソリッドディスクブレーキ(Solid Disc Brake)と称する。

[編集] 倍力装置

制動力を確保するために必要となる倍力装置には、次の3種類の主な方式がある。

負圧倍力式: ガソリンエンジンの吸気管負圧を利用するタイプで、小型自動車では最もポピュラーな方式である。バキューム、あるいはブレーキサーボと呼ばれることもある。ディーゼルエンジン搭載車の場合、エンジンの機構上吸気管負圧が発生しないため、エンジンの駆動力を用いてバキュームポンプを作動させ、負圧を確保している。
空圧倍力装置: エアコンプレッサーにより圧縮した空気を使用するタイプである。負圧の発生しないディーゼルエンジン車（国内では主に積載量4トン級以上の中大型トラックや中型バス）に使われる例が多い。補助できるブレーキ力は、負圧倍力式の10倍以上になる。

油圧倍力装置: オイルポンプで発生させた油圧を利用するタイプである。ゼネラルモーターズの車種に採用例が多い他、負圧があまり確保できないガソリン直噴エンジン搭載車や、小型化を図る目的で一部の高級車にも採用されている。動力源は、ABS（アンチロック・ブレーキ・システム）やTCS（トラクションコントロール）用の油圧装置を使用する。量産車では1962年（昭和37年）にルノーで採用されたのが最初である。また、当時のディスクブレーキは、油圧倍力装置の不安定さから、制動力不足となる事があった。

[編集] 主要用途

[編集] 自動車

自動車用の一例

自動車のディスクブレーキは、航空機技術の流用から始まっている。乗用車では一般的に、前輪にベンチレーテッドディスク（2枚のディスクの間に冷却フィンを挟んだもの）ブレーキ、後輪には制動力の配分上、またコスト上、ソリッドディスクブレーキまたはドラムブレーキを用いる事が多い。重量の大きい車種では、パーキングブレーキ用の小型ドラムブレーキを組み合わせた「ドラム・イン・ディスク」も採用されている。

大型自動車では車両総重量の関係で、拘束力の小さいディスクブレーキの採用はつい最近まで見送られていたが、EBS（電子制御ブレーキシステム）の普及で少しずつではあるが採用され始めている。

なお広義の自動車に範囲を広げるとレーシングカートにも採用されている。

[編集] オートバイ

オートバイ用の一例

ディスクブレーキの信頼性がまだ確立されていなかった時代には、オートバイでも自動車と同様に、前後輪ともドラムブレーキという車種が一般的だった。公道用量産市販車として初めてディスクブレーキを採用したのは1969年（昭和44年）のホンダ・ドリームCB750FOURであるが、当時はまだ高価だったこともあり、発熱の大きな前輪のみディスクブレーキで、後輪はドラムブレーキとされ、後に続く車種も前輪のみディスクブレーキというものが多かった。

生産技術の向上や車両の走行性能の向上により、現在では多くの車種で前後ともにディスクブレーキが採用されている。しかしコストを低減する目的でドラムブレーキを採用する車種も存在し、特に原動機付き自転車(原付)では後輪もディスクブレーキとなっているものは希である。

オートバイで採用されるディスクブレーキは、初期にはケーブル等による機械作動式もみられたが、現在ほぼ全て液圧作動式となっている。

過去にはオートバイのディスクブレーキとしてベンチレーテッドディスクやスリットローターを採用する車種もあったが、現在ではほとんどの車種で軽量化、排熱効果向上や異物排除を目的にドリルドローターを採用している。ローター周辺への異物混入が多いオフロードタイプでは、異物を速やかに掻き出すことを目的としてローターの円周が波打っているウェーブローターを採用するものもある。

オートバイは車両重量が自動車と比べて圧倒的に軽い為に、ほとんどの車種で倍力装置を採用せず、操作レバーや操作ペダルでのレバー比や、マスターシリンダーのシリンダーとブレーキキャリパーのピストンでの液圧レシオだけで制動力を確保している。

なお排気量が400ccを超える車種では、前輪の左右両側にディスクを備えるダブルディスクブレーキを採用している場合が多い。また、高級車や大型車を中心としてABSを備えているものもある。

[編集] 自転車

自転車用液圧式の一例
(Hayes Sole)

自転車用機械式の一例
(AVID BB7)

自転車では、制動装置としてカンチブレーキ、Vブレーキ、液圧（油圧）リムブレーキ等が使用されてきた。しかし、これらのブレーキはすべてホイールの最外周であるリム部を利用するため、効率の面では優れるが、水や泥でリムが汚れると極端に制動力が落ちてしまう。ホイールに激しい衝撃が加わるダウンヒル競技などでは、リム部にゆがみが発生し、リムブレーキでは一定の制動力を得られない。ホイール交換ごとにブレーキの設定を更新する必要がある等の不満があった。これらを解決するために、既に一般的技術となっていたキャリパー式のディスクブレーキを小型化・軽量化したものが自転車に採用された。

自転車のディスクブレーキは、ブレーキレバーからブレーキ本体までの力の伝達方法によって液圧式（ハイドローリックディスク、油圧ディスクとも呼ばれる）・機械式（ワイヤー式、メカニカルディスクとも呼ばれる）の2タイプに分けられる。主流である液圧式はピストンの個数や方式等によりさまざまな商品が展開されている。機械式は、安価でVブレーキなどの以前の資産が流用できる点や、メンテナンス性に優れる点などが長所である。能力を総合的にみて、以前は液圧式が圧倒的優位であり、機械式は入門用の完成車に装備される廉価版の位置づけであった。しかし最近では機械式の技術も向上し、液圧式との差は埋められつつある。

近年スポーツ向けのマウンテンバイクで採用されることが多くなっている。ただし、液圧・機械どちらの方式もリムブレーキに対し重量面では劣り、部品数も多いことから故障率も高くなってしまうという欠点もある。

また輪行のため前後輪をはずし、袋にしまいこむため、以下の点に注意すべきである。

車輪をはずした状態でブレーキレバーを引くとキャリパー内部のピストンが戻らなくなる（とくに油圧式の場合）。
車輪のローター部分の取り扱いには注意が必要。少しの歪みでも円滑な動作に支障をきたす事がある。
油圧式の場合、輪行などで収納する都合上長時間逆さにするとブレーキホース内部に含まれるごくわずかの空気がキャリパー内部に入り、制動力がなくなる事があるため注意が必要である。とくにこの特徴は安全性に関わるので注意すべきである。

自転車用のディスクブレーキはパッドとローターの間への異物の混入を前提としているため、波形の円周をもつウェーブローターをはじめとし、ローターの形状やパッドの材質に独特の工夫が見られる。また、取り付けにはフレームやフロントフォーク、ホイールのハブに専用の台座が必要。例、ポストマウント・IS（インターナショナルスタンダード）・ボクサー

[編集] 鉄道車両

鉄道車両の一例
外側配置：東急7000系 (初代)
現・水間鉄道1000形

鉄道車両の一例
内側配置：京急サハ1900形

鉄道車両では制動時に車輪がロックすることによるタイヤフラットの防止、放熱性の向上、新幹線やJR西日本681系電車などの例に見られる高速走行への対応などの目的でディスクブレーキが採用されている。鉄道のディスクブレーキ車両の場合、対重量の関係から、すべてがベンチレーテッドディスクである。

動力伝達機構を持つ車両では、スペースの関係から車輪の輪心部をディスクローター兼用としたもの（新幹線や国鉄特急形気動車）が一般的で、「キャリパー式」と呼ばれるディスクローターを挟み込んだピストンが直接パッドを押す動作で、航空機や自動車の対向ピストンキャリパーと同じ構造である。なかには、アメリカのバッド社のライセンス供与を受けて製作された東急7000系 (初代)を筆頭に見られたパイオニアIII形や、日立製作所製の相鉄6000系のように、台車枠の外側にディスクローターを装備し、電動機との干渉を避けたものもあり、これらはブレーキテコの動作にダイヤフラムエアシリンダーが用いられている。

それ以外の付随車では、1～2枚のディスクローターを車輪間の車軸に装備する方法が一般的で、バッドの動作は「テコリンク式」と呼ばれる、文字通りてこの原理により倍力効果を得るもので、アクチュエーター自体は、通常の踏面ブレーキ車と同じ空気シリンダーである。この方式は、ブレーキアッセンブリが台車の内側に設置されるため、電動機や最終減速器と干渉する動力車には採用されず、主に在来線電車の付随車に採用されている。

ディスクブレーキが採用されている車両では、車輪とレールの間に細かいゴミや塵、悪天候時には雨や雪が入り込むため、粘着力を確保する目的で、ほぼすべての車両が踏面清掃装置を装備するか、踏面ブレーキを併用している。

[編集] 航空機

大型旅客機用多板式の一例
MD-11

初期の航空機は自動車と同様、ドラムブレーキを採用していた。しかし現代の大型旅客機ではブレーキローターを複数枚重ねた構造の多板式ディスクブレーキが用いられる。このシステムは横方向スライド可能なようにディスクがフローティングされており、幾重にもパッド交互に重ねられたものが共にひとつのキャリパーに挟み込まれることで制動する。このためディスクの有効面積を稼げ、半径方向にコンパクトになるが、構造が複雑になり易く、特に連続制動時の放熱性に劣る欠点がある。ただし航空機の場合、大きな制動力を必要とするのは着陸時に限られるため、放熱性は特に問題とはされない。小型プロペラ機などでは軽量で負荷が小さいため、自動車と同じような単板式が採用される事もある。

また、自動車よりもかなり早い1960年代からABS(かつては滑走防止制御装置、アンチスキッド装置等とも呼ばれていた)が実用化されていた。また制動時の過渡特性があまり問題とならなかったため、1969年（昭和44年）に初飛行した超音速旅客機コンコルドには既にCCコンポジット製ディスクが採用されていた。レース用の自動車やオートバイに採用されているカーボンディスクはこの技術のブレークスルーである。現在では超音速で飛行可能な軍用機の多くが制動力の大きなCCコンポジット製ディスクを採用している。

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[編集] 建設機械

建設機械では微操作性を重視して静油圧式無段変速機(HST)を採用することが多く、この場合ディスクブレーキは駐車ブレーキなどの補助ブレーキとして用いられる。一部建設機械では油に浸したブレーキローターを複数枚重ねた構造の湿式多板式ディスクブレーキが用いられる。

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[編集] 農業機械

農業機械では、建設機械と同様に湿式多板式を用いたインボードディスクブレーキとして主にトラクターに採用しているケースがほとんどである。

[編集] 主要メーカー

自動車・オートバイ用においては、アドヴィックス、ブレンボ、デルファイロッキード、APレーシング、ウイルウッド、フェロード、アルコン、曙ブレーキ工業、トキコ（注：現在はブランド名　製造は日立製作所）、日信工業、日清紡績、住友電工ブレーキシステムズなどが代表的メーカーで、F1、WRC、MotoGPなどの各種レースで実績を持つ。アフターマーケットではエンドレス・アドバンス、プロジェクト・ミュー、ウェッズなどに代表されるブレーキ系パーツに強いメーカーもあり、こちらもモータースポーツで実績を上げている。自転車用においては、世界的自転車パーツメーカーであるシマノの他、マグラ、ヘイズ、エイビッド、ホープ、フォーミュラーなどが代表的なメーカーであり、ディスクローターやブレーキパッドなどのスモールパーツでは様々なメーカーが参入している。

[編集] 脚注

^ CCコンポジットブレーキは、1000℃を超える超高温状態でもフェード現象を起こさない事から、F1（Formula One World Championship）でも使用されている。しかし、非常に高価であることと耐久性に乏しく磨耗が早い事に加え、ある程度の高温に達しないと良好なブレーキングができないので、一部の高級スポーツカーでのみ使用されている。