ディスクブレーキ

ルノー車のディスクブレーキのクローズアップ

ディスクブレーキは、キャリパーを使用して一対のパッドをディスク（ブレーキローターと呼ばれることもある）に押し付けて摩擦を生成するブレーキの一種です。[ 1 ] [ 2 ]ブレーキパッドの摩擦メカニズムには、研磨摩擦と粘着摩擦の2つの基本的なタイプがあります。[ 3 ]この動作により、車軸などのシャフト の回転が遅くなり、回転速度が低下するか、静止した状態に保たれます。運動エネルギーは熱に変換され、環境に放散される必要があります。ディスクブレーキは、より高度な自動車に搭載されており、ドラムブレーキよりも製造コストが高くなります。ディスクブレーキは、高級自転車にも搭載されています。

油圧作動式ディスクブレーキは、自動車の減速に最も一般的に使用される機械装置です。ディスクブレーキの原理は、ほぼあらゆる回転軸に当てはまります。構成部品は、ディスク、マスターシリンダー、そして少なくとも1つのシリンダーと、回転ディスクの両側に 2つのブレーキパッドを備えたキャリパーです。

デザイン

自動車では、ディスクブレーキはホイール内に設置されていることが多い。
ドリル加工されたオートバイ用ブレーキディスク

ディスク式ブレーキの開発は1890年代にイギリスで始まりました。1902年、ランチェスター・モーター・カンパニーは、ディスクが薄く、ケーブルでブレーキパッドを作動させるという構造ではあったものの、現代のディスクブレーキシステムと見た目も操作性も似たブレーキを設計しました。[ 4 ]他の設計は実用化されず、自動車への普及も60年後まで待たなければなりませんでした。飛行機への実用化は第二次世界大戦前に始まりました。ドイツのタイガー戦車には1942年にディスクブレーキが装備されました。戦後、技術の進歩は1949年に始まり、クロスリーのラインにはキャリパー式の4輪ディスクブレーキ、クライスラーの非キャリパー式が登場しました。1950年代には、 1周ごとに数回高速からのブレーキングを必要とした1953年のル・マン24時間レースでその優位性が実証されました。 [ 5 ]ジャガーのレーシングチームはディスクブレーキを装備した車で優勝したが、その功績の多くはドラムブレーキを装備したライバル車に対するディスクブレーキの優れた性能によるものであった。[ 5 ] 1949年から1950年にかけてクロスリーの全生産車にディスクブレーキが組み込まれたことで量産が始まり、1955年のシトロエンDSから継続的な量産が始まった。[ 4 ]

ディスクブレーキはドラムブレーキよりもディスクが冷却されやすいため、制動力に優れています。そのため、ブレーキ部品の過熱によるブレーキフェードが発生しにくくなります。また、ディスクブレーキは水没からの回復も早いです（湿式ブレーキは乾式ブレーキよりも効きが悪くなります）。[ 5 ]

ほとんどのドラムブレーキ設計には、少なくとも1つのリーディングシューがあり、サーボ効果をもたらします。対照的に、ディスクブレーキにはセルフサーボ効果がなく、その制動力は常に、ブレーキサーボ、ブレーキペダル、またはブレーキレバーを介してブレーキシステムがブレーキパッドに加える圧力に比例します。これにより、ドライバーはより優れた「フィーリング」を得ることができ、ロックアップの危険性を回避するのに役立ちます。また、ドラムブレーキは「ベルマウス」現象を起こしやすく、摩耗したライニング材がアセンブリ内に閉じ込められ、様々なブレーキの問題を引き起こします。

ディスクは通常鋳鉄製です。場合によっては、強化炭素繊維複合材やセラミックマトリックス複合材などの複合材料で作られることもあります。これは車輪と車軸に接続されています。車輪を減速させるために、ブレーキキャリパーに取り付けられたブレーキパッドと呼ばれる摩擦材が、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られます。この摩擦​​によって、ディスクとそれに取り付けられた車輪が減速または停止します。

手術

AMC Pacerのフロントサスペンションとブレーキシステム。ディスクの摩擦面の間に長方形の開いたスロットが見える。
プジョー106のアフターマーケットアプリケーションにおける2ピースディスクの例

ブレーキディスクは、車輪のディスクブレーキアセンブリの回転部分であり、ブレーキパッドが接触する部分です。材質は通常、鋳鉄の一種であるねずみ鋳鉄[ 6 ]です。ディスクの設計は様々で、中が空洞になっているものもありますが、中にはディスクの2つの接触面をフィンやベーンでつなぐ空洞のものもあります（通常は鋳造工程で組み込まれます）。車両の重量と出力によって、ベンチレーテッドディスクの必要性が決まります。[ 7 ]ベンチレーテッドディスクの設計は、発生した熱を放散するのに役立ち、より高負荷のかかるフロントディスクによく使用されます。

オートバイ、自転車、そして多くの自動車のディスクには、ディスクに穴やスロットが切られていることがよくあります。これは、放熱性の向上、表層水の拡散促進、騒音低減、質量軽減、あるいは機能面以外の美観向上を目的として行われます。

スロット付きディスクは、ディスクに浅い溝が機械加工されており、ダストやガスの除去に役立ちます。ほとんどのレース環境では、ガスや水分を除去し、ブレーキパッドのデグライズ（潤滑油の蒸発）を促進するため、スロット加工が好まれます。一部のディスクには、ドリル加工とスロット加工の両方が施されています。スロット付きディスクは、ブレーキパッドの摩耗を早めるため、一般的な車両には使用されません。しかし、レース車両では、材料を除去することでパッドの柔らかさを保ち、表面のガラス化を防ぐことができるため、メリットがあります。公道走行では、ドリル加工またはスロット加工されたディスクは、濡れた路面でもプラスの効果をもたらします。穴やスロットがディスクとパッドの間に水膜を形成するのを防ぐためです。

ツーピースディスクは、中央部と別個に製造された外側の摩擦リングで構成されています。中央部はその形状からベルまたはハットと呼ばれることがよくあります。一般的に7075合金などの合金で製造され、耐久性を高めるために硬質アルマイト処理が施されています。外側のディスクリングは通常、ねずみ鋳鉄で作られています。特定の用途では、鋼やカーボンセラミックで作られることもあります。これらの材料はモータースポーツでの使用に端を発し、高性能車両やアフターマーケットのアップグレードに利用されています。ツーピースディスクは、通常のナット、ボルト、ワッシャーで固定されたアセンブリとして提供される場合もあれば、ドライブボビンによってブレーキディスクの2つの部分がそれぞれ異なる速度で伸縮する、より複雑なフローティングシステムとして提供される場合もあります。これにより、過熱によるディスクの歪みが低減されます。ツーピースディスクの主な利点は、バネ下重量の低減と、合金ベル（ハット）を介したディスク表面からの熱放散です。固定式とフローティング式のどちらにも、それぞれ長所と短所があります。フローティングディスクはガタガタと音が鳴りやすく、ゴミが溜まりやすいためモータースポーツに最適ですが、固定ディスクは公道での使用に最適です。[ 8 ]

歴史

初期の実験

ディスクブレーキの開発は1890年代にイギリスで始まりました。最初のキャリパー型自動車用ディスクブレーキは、1902年にフレデリック・ウィリアム・ランチェスターがバーミンガムの工場で特許を取得し、ランチェスター車に採用されました。しかし、当時は金属の選択肢が限られていたため、ディスクに作用する制動媒体として銅が使用されました。当時の道路は埃っぽく荒れた路面しかなく、銅は急速に摩耗し、このシステムは実用的ではありませんでした。[ 4 ] [ 9 ]

1921年、ダグラス・モーターサイクル社は、オーバーヘッドバルブ式スポーツモデルの前輪にディスクブレーキの一種を導入しました。英国オートバイ・サイクルカー研究協会（British Motorcycle & Cycle-Car Research Association）によって特許を取得し、ダグラス社はこの装置を「ベベルハブフランジ」上で作動する「斬新なウェッジブレーキ」と表現しました。ブレーキはボーデンケーブルで作動しました。このタイプの前後ブレーキは、トム・シアードが1923年のシニアTTで優勝したマシンに搭載されました。[ 10 ]

ディスクブレーキの採用は、第二次世界大戦前と戦中、鉄道の流線型旅客列車、飛行機、戦車で成功を収め始めた。米国では、 1938年にバッド社がバーリントン鉄道のゼネラル・パーシング・ゼファーにディスクブレーキを導入した。1950年代初頭までには、ディスクブレーキは新型旅客車両に定期的に採用されるようになった。[ 11 ]英国では、ダイムラー社が1939年にダイムラー装甲車にディスクブレーキを採用した。ガーリング社製のディスクブレーキが必要だったのは、その四輪駆動（4×4）車両では遊星最終減速機がホイールハブ内にあり、従来のハブマウント型ドラムブレーキを取り付けるスペースがなかったためである。[ 12 ]

ドイツのアルグス・モトーレン社では、ヘルマン・クラウエ（1912-2001）が1940年にディスクブレーキの特許を取得しました[ 13 ] 。アルグスは、例えばアラドAr96などにディスクブレーキを備えた車輪を供給しました[ 14 ]。ドイツのタイガーI重戦車は、1942年に導入され、各駆動軸に55cmのアルグスヴェルケ製ディスク[ 15 ]が取り付けられていました。

アメリカのクロスリー・ホットショットは1949年と1950年に四輪ディスクブレーキを採用していましたが、すぐに問題が判明し、廃止されました。[ 4 ]クロスリーはドラムブレーキに戻り、ホットショットのドラムブレーキ化は人気を博しました。[ 16 ]十分な調査がなかったため、特に冬季の道路に塩を撒く地域では、固着や腐食などの信頼性の問題が発生しました。[ 16 ]クロスリーの四輪ディスクブレーキは、1950年代のSCCA HプロダクションおよびHモディファイドレースで、クロスリー車とクロスリーベースのスペシャルが人気を博しました。クロスリーのディスクブレーキはグッドイヤー・ホーレー設計で、航空機用途の設計から派生した、現代的なディスクを備えた現代的な「スポット」タイプのキャリパーでした。[ 4 ]

クライスラーは、1949年から1953年まで提供された独自のブレーキシステムを開発しました。[ 17 ]キャリパーが圧迫するディスクの代わりに、このシステムでは、ブレーキハウジングを兼ねる鋳鉄製のブレーキドラムの内面にこすりつけられるツイン拡張ディスクを使用しました。[ 16 ]ディスクは標準のホイールシリンダーの作用により広がってドラム内面との摩擦を生み出します。[ 16 ]高価なため、このブレーキは1950年にはクライスラー クラウンとタウンアンドカントリー ニューポートにのみ標準装備されました。 [ 16 ]ただし、他のクライスラーではオプションで、価格は約400ドルでした。当時、クロスリー ホットショットの小売価格は935ドルでした。[ 16 ]この四輪ディスクブレーキシステムは、発明家HLランバートの特許に基づき、ミシガン州セントジョセフのオート・スペシャリティーズ・マニュファクチャリング・カンパニー（オースコ）社で製造され、1939年型プリムスで初めてテストされた。[ 16 ]クライスラーのディスクは「自己増力型」で、制動エネルギーの一部がブレーキ力に寄与していた。[ 16 ]これは、ブレーキ面につながる楕円形の穴に小さなボールをセットすることで実現された。[ 16 ]ディスクが摩擦面と最初に接触すると、ボールが穴に押し上げられ、ディスクがさらに離れ、制動エネルギーが増大した。[ 16 ]これにより、キャリパーよりも制動圧力が軽くなり、ブレーキフェードが回避され、より低温での走行が促進され、標準的なクライスラーの12インチドラムよりも摩擦面が3分の1広くなった。[ 16 ]今日のオーナーは、オースコ・ランバートが非常に信頼性が高く、パワフルであると考えていますが、そのグリップ力と敏感さも認めています。[ 16 ]

1953年、主にレース用に製造されたアルミボディのオースチン・ヒーレー100S（セブリング）モデル50台が、4輪すべてにディスクブレーキを装備した最初の一般販売されたヨーロッパ車でした。[ 18 ]

レースでの最初の衝撃

1953年の「ル・マン24時間レース」優勝車に似たジャガーCタイプ
シトロエン DS 19

ジャガーCタイプレーシングカーは1953年のル・マン24時間レースで優勝した。このレースではイギリスのダンロップ社が開発したディスクブレーキを採用した唯一の車両であり、ル・マンで平均時速100マイルを超えた最初の車両でもあった。[ 19 ]「ライバルの大型ドラムブレーキはディスクブレーキの究極の制動力には匹敵するが、その強力な持続力には及ばない。」[ 5 ]

これ以前の 1950 年には、標準の 4 輪ディスク ブレーキを装備した Crosley HotShot が、同年大晦日のセブリングでの最初のレース (12 時間ではなく 6 時間) でパフォーマンス指数で優勝しました。

量産

シトロエンDSは、1955年に登場した、近代的な自動車用ディスクブレーキを初めて継続的に量産化したモデルです。 [ 4 ] [ 9 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]この車は、数々の革新技術の中でも、キャリパー式フロントディスクブレーキを採用しました。[ 4 ]これらのディスクはトランスミッション付近の車体内側に取り付けられ、車両の中央油圧システムによって駆動されていました。このモデルは、同じブレーキ構成のまま、20年間で150万台を販売しました。[ 4 ]

1902年にイギリスのランチェスター・モーター・カンパニー、1949年にアメリカのクライスラーとクロスレーが初期の実験を行ったにもかかわらず、高価でトラブルを起こしやすい技術であったため大量生産には至らなかった。[ 4 ] [ 17 ]試みはすぐに中止された。[ 4 ] [ 17 ] [ 16 ]

1956年には四輪ディスクブレーキを備えたジェンセン541が続いた。[ 4 ] [ 23 ]トライアンフは1956年にディスクブレーキを備えたTR3を一般に公開したが、ガーリングフロントディスクブレーキを備えた最初の量産車は1956年9月に製造された。[ 24 ]ジャガーは1957年2月にXK150モデルでディスクブレーキの提供を開始し、[ 25 ]すぐにマーク1スポーツサルーン[ 26 ]と1959年にマークIX大型サルーンに続いた。 [ 27 ]

ディスクブレーキは、スポーツカーが初めて導入された当時、ブレー​​キ性能に対する要求が高かったため、最も普及しました。現在では、ほとんどの乗用車でディスクブレーキが一般的になっています。しかし、多くの（軽量車）では、コストと重量を抑え、パーキングブレーキの設置を簡素化するため、後輪にドラムブレーキを採用しています。制動力の大部分は前輪ブレーキが担っているため、これは妥当な妥協策と言えるでしょう。

初期の自動車では、ブレーキはドライブシャフトの内側、デファレンシャルの近くに配置されていましたが、今日のほとんどのブレーキはホイールの内側に配置されています。内側に配置することでバネ下重量が軽減され、タイヤへの熱伝達源が排除されます。

歴史的に、ブレーキディスクは世界中で製造されていましたが、ヨーロッパとアメリカが中心でした。1989年から2005年の間に、ブレーキディスクの製造は主に中国に移行しました。

米国では

1963年、スチュードベーカー アヴァンティには工場出荷時にフロント ディスク ブレーキが標準装備されました。[ 28 ]ダンロップからライセンス供与されたこのベンディックスシステムは、他のスチュードベーカー モデルの一部でもオプションでした。[ 29 ]フロント ディスク ブレーキは、1965 年型ランブラー マーリンで標準装備になりました。[ 30 ]ベンディックスユニットは、 アメリカン モーターズの全ランブラー クラシックおよびアンバサダーモデル、およびフォード サンダーバードとリンカーン コンチネンタルでオプションでした。[ 7 ] [ 31 ] [ 32 ] 4輪ディスク ブレーキ システムも、1965 年にシボレー コルベットスティングレイに導入されました。[ 33 ]

オートバイとスクーター

カワサキW800のフローティングディスクブレーキ
トライアンフ スピードトリプルのラジアルマウントブレーキキャリパー

ランブレッタは1962年のTV175で、ケーブルで作動する通気孔付き鋳造合金ハブに収められたシングルフローティングフロントディスクブレーキを初めて量産導入した。[ 34 ] [ 35 ]これに続いて1964年にGT200が続いた。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

MVアグスタは、1965年にケーブル操作の機械式作動を備えた高価な600ツーリングバイクにフロントディスクブレーキのオートバイを小規模に一般向けに提供した2番目のメーカーでした。 [ 40 ] 1969年にホンダは、単一の油圧作動式フロントディスクブレーキ（およびリアドラムブレーキ）を備えたより手頃な価格のCB750を発売し、大量に販売されました。[ 40 ] [ 41 ]

車のディスクブレーキはホイール内に配置されているのに対し、自転車のディスクブレーキは空気の流れの中にあるため、冷却効果は最適です。鋳鉄製のディスクは多孔質の表面で優れた制動力を発揮しますが、雨天時には錆びて見栄えが悪くなります。そのため、オートバイのディスクは通常、雨水を分散させるためにステンレス鋼製、穴あけ加工、スロット加工、または波型加工が施されています。最近のオートバイのディスクはフローティング設計が主流で、ディスクがボビン上に「浮かぶ」ことでわずかに動くため、固定キャリパーでもディスクのセンタリング精度が向上します。また、フローティングディスクはディスクの歪みを防ぎ、ホイールハブへの熱伝達を低減します。

キャリパーは、シンプルなシングルピストンユニットから、2ピストン、4ピストン、さらには6ピストンへと進化してきました。[ 42 ]オートバイは自動車に比べて重心とホイールベースの比率が高いため、ブレーキング時の重量移動が大きくなります。フロントブレーキが制動力の大部分を吸収し、リアブレーキは主にブレーキング時にオートバイのバランスを保つ役割を果たします。現代のスポーツバイクは、通常、大型のフロントディスク2枚と、はるかに小型のリアディスク1枚を備えています。特に高速または重量級のオートバイには、ベンチレーテッドディスクが採用されている場合があります。

初期のディスクブレーキ（初期のホンダ・フォーやノートン・コマンドなど）では、キャリパーはディスクの上部、フォークスライダーの前方に配置されていました。これによりブレーキパッドの冷却効果は向上しましたが、現在ではキャリパーをスライダーの後方に配置するのがほぼ普遍的な慣例となっています（フォークアセンブリの角運動量を低減するため）。リアディスクキャリパーは、スイングアームの上部（例：BMW R1100S）または下部（例：ヤマハTRX850）に取り付けられます。低い位置に取り付けると重心がわずかに低くなり、上部に取り付けるとキャリパーがすっきりと見え、路面の障害物からより保護されます。

オートバイのディスクブレーキの問題の一つは、激しいタンクスラッパー（前輪の高速振動）状態になると、キャリパー内のブレーキパッドがディスクから押し離されてしまうことです。そのため、ライダーがブレーキレバーを握ると、キャリパーのピストンがパッドをディスクに押し付けますが、実際には接触しません。ライダーはより強くブレーキをかけると、通常のブレーキよりもはるかに強い力でパッドがディスクに押し付けられます。この例として、2018年6月1日にイタリアのムジェッロで発生したミケーレ・ピロの事故が挙げられます。[ 43 ]少なくとも1つのメーカーが、パッドの押し離しを防ぐシステムを開発しています。

近年の開発、特に倒立フォーク（「上下逆」または「USD」）においては、ラジアルマウントキャリパーが特に注目されています。これは流行の装備ではありますが、ブレーキ性能の向上やフォークの剛性向上に効果があるという証拠はありません。（フォークブレースのオプションがないため、USDフォークの剛性向上には、オーバーサイズのフロントアクスルが最適です。）

自転車

マウンテンバイクのフロントディスクブレーキ
マウンテンバイクのリアディスクブレーキキャリパーとディスク

自転車のディスクブレーキは、単純な機械式（ケーブル）システムから、ダウンヒルレーシングバイクで一般的に使用されている高価で強力なマルチピストン油圧ディスクシステムまで多岐にわたります。技術の進歩により、自動車に搭載されているものと同様の通気孔付きディスクがマウンテンバイクでも使用できるようになり、高山の急な下り坂で熱によるフェードを防ぐために導入されました。ディスクは、予測可能なブレーキングで全天候型のサイクリングを実現するために、ロードバイクでも使用されています。2024年までには、マウンテンバイクと同様に、ほぼすべてのロードバイクにディスクブレーキが装備されるでしょう。ドラムは、ディスクが曲がることのある混雑した駐車場で損傷しにくいため、好まれることがあります。ほとんどの自転車のブレーキディスクはスチール製です。ステンレス鋼は防錆性があるため好まれています。[ 44 ]ディスクは薄く、約2 mm程度であることが多いです。2ピースのフローティングディスクスタイルを使用するものもあれば、1ピースのソリッドメタルディスクを使用するものもあります。自転車のディスクブレーキは、ディスクを両側から挟む2ピストンキャリパー、または1つの可動パッドを備えたシングルピストンキャリパーのいずれかを使用します。可動パッドは最初にディスクに接触し、次にディスクを固定パッドに押し付けます。[ 45 ]自転車ではエネルギー効率が非常に重要であるため、自転車のブレーキには珍しい機能として、ブレーキを離すと残留抵抗をなくすためにパッドが引き込まれるというものがあります。一方、他のほとんどのブレーキは、ブレーキを離す際にパッドを軽く引きずることで、初期の作動ストロークを最小限に抑えます。

大型車両

ディスク ブレーキは、以前は大型のドラム ブレーキがほぼ一般的だった超大型で重量のある道路車両でますます使用されている。理由の 1 つは、ディスクにはセルフ アシストがないため、ブレーキ力がはるかに予測しやすいため、ブレーキによって引き起こされるステアリングの揺れや連結車両でのジャックナイフ現象のリスクを増やすことなく、ピーク ブレーキ力を上げることができることです。もう 1 つは、ディスク ブレーキは高温時のフェードが少なく、大型車両では空気抵抗と転がり抵抗とエンジン ブレーキが総ブレーキ力の小さな部分を占めるため、ブレーキが軽量車両よりも強く使用され、1 回の停止でドラム ブレーキのフェードが発生する可能性があることです。これらの理由から、ディスク ブレーキを搭載した大型トラックは乗用車の約 120% の距離で停止できますが、ドラム ブレーキでは停止に約 150% の距離がかかります。[ 46 ]欧州では、停止距離の規制により、基本的に大型車両にはディスク ブレーキが義務付けられています。米国ではドラム ブレーキが許可されており、生涯コストが高く、サービス間隔がより頻繁であるにもかかわらず、購入価格が低いため一般的に好まれています。

鉄道と航空機

鉄道台車とディスクブレーキ

鉄道車両、路面電車、一部の航空機には、さらに大型のディスクブレーキが使用されています。旅客鉄道車両やライトレール車両では、車輪の外側にディスクブレーキが取り付けられていることが多く、冷却空気の自由な流れを確保しています。アムフリートII車両などの最新の旅客鉄道車両では、内側にディスクブレーキが取り付けられています。これにより、異物による摩耗が軽減され、雨や雪によるディスクの滑りやすさや信頼性の低下を防ぐことができます。しかし、それでも十分な冷却効果が得られるため、信頼性の高い動作が可能です。一部の航空機では、ブレーキの冷却効果がほとんどなく、停止時にブレーキが熱くなります。これは、十分な冷却時間があり、最大ブレーキエネルギーが非常に予測可能であるため、許容範囲内です。離陸時の緊急事態など、ブレーキエネルギーが最大値を超えた場合、航空機の車輪に可溶性プラグ[ 47 ]を取り付けることで、タイヤの破裂を防ぐことができます。これは航空機開発における画期的な試験です。[ 48 ]

自動車用途

自動車用ディスクブレーキディスクは、一般的にねずみ鋳鉄で作られています。[ 6 ] SAEは、様々な用途向けのねずみ鋳鉄の製造に関する仕様を定めています。一般乗用車および小型トラック用途では、SAE規格J431 G3000（G10に置き換えられました）が、硬度、化学組成、引張強度、その他の用途に必要な特性の適正範囲を規定しています。一部のレーシングカーや飛行機では、軽量化のため、カーボンファイバー製のディスクとパッドを使用したブレーキが使用されています。摩耗率が高く、ブレーキが温まるまでは制動力が低下したり、制動力が重くなったりすることがあります。

レース

フェラーリF430チャレンジレースカーの強化カーボンブレーキディスク
レース中に光るフロントディスクブレーキ

レーシングカーや高性能ロードカーでは、他のディスク素材が採用されている。コンコルドなどに使用されている航空機のブレーキシステムにヒントを得た強化カーボンディスクとパッドは、 1976年にブラバムがダンロップと共同でF1に導入した。[ 49 ]現在、カーボン-カーボンブレーキは世界中のトップレベルのモータースポーツのほとんどで使用されており、バネ下重量が軽減され、鋳鉄に比べて摩擦性能が向上し、高温での構造特性も向上している。カーボンブレーキは、例えば1990年代半ばにフランスのスポーツカーメーカー、ベンチュリーによってロードカーに時折採用されたが、真に効果を発揮するには非常に高い動作温度に達する必要があるため、公道での使用には適していない。これらのシステムで発生する高熱は、特に短いトラックでの夜間レース中に目に見えるほどである。使用中にブレーキディスクが赤く光るのも珍しくない。

セラミック複合材料

メルセデスAMGカーボンセラミックブレーキ
ポルシェ911カレラSの複合セラミックブレーキ

一部の高性能車や大型車両には セラミックディスクが使用されています。

現代のセラミックブレーキの最初の開発は、1988年に英国のエンジニアによってTGV向けに行われました。その目的は、重量と車軸あたりのブレーキ数を削減し、高速走行時およびあらゆる温度条件において安定した摩擦を確保することでした。その結果生まれた炭素繊維強化セラミックプロセスは、現在、自動車、鉄道、航空機のブレーキ用途において様々な形で使用されています。

セラミック複合ディスクは耐熱性と機械的強度に優れているため、コストが許容できる高級車によく使用されています。 [ 50 ]また、セラミックディスクの軽量性とメンテナンスの容易さがコストに見合う産業用途にも使用されています。複合ブレーキは、スチールディスクが損傷するような温度にも耐えることができます。

ポルシェのコンポジットセラミックブレーキ（PCCB）は、シリコン処理されたカーボンファイバー製で、高温耐性、鉄製ディスクに比べて50%の軽量化（車両のバネ下重量の軽減）、ダスト発生量の大幅な削減、メンテナンス間隔の大幅な延長、そして腐食環境における耐久性の向上といった特長を備えています。一部の高級モデルに搭載されているこのブレーキは、追加料金を支払えばすべての市販ポルシェにもオプションで装着可能です。鮮やかな黄色の塗装が施されたアルミ製6ピストンキャリパーが特徴です。ディスクは鋳鉄製と同様に内部にベントホールが設けられ、クロスドリル加工が施されています。

調整機構

自動車用途では、ピストン シールは正方形の断面を持ち、スクエア カット シールとも呼ばれます。

ピストンが前後に動くと、シールがピストンに引っ張られて伸び、シールがねじれます。シールの歪みは約1/10ミリメートルです。ピストンは自由に動きますが、シールによるわずかな抵抗によって、ブレーキを離してもピストンは元の位置まで完全には戻りません。これにより、ブレーキパッドの摩耗によるたわみが吸収され、リターンスプリングが不要になります。[ 51 ] [ 52 ]

一部のリア ディスク キャリパーでは、パーキング ブレーキにより、キャリパー内部の機構が作動し、同様の機能の一部が実行されます。

ディスク損傷モード

ディスクは通常、傷、ひび割れ、反り、または過度の錆びという 4 つのうちのいずれかで損傷します。サービス ショップでは、ディスクの問題に対して、ディスクを完全に交換することがあります。これは主に、新しいディスクのコストが古いディスクを再表面処理する人件費よりも低い場合に行われます。ディスクがメーカー推奨の最小厚さに達していて安全に使用できない場合、またはベーンの錆がひどい場合 (ベンチレーテッド ディスクのみ) を除き、機械的にはこの作業は不要です。ほとんどの大手車両メーカーは、横振れ、振動の問題、およびブレーキ ノイズの解決策として、ブレーキ ディスクのスキミング (米国では旋削) を推奨しています。機械加工プロセスはブレーキ旋盤で実行され、ディスク表面から非常に薄い層が除去されて小さな損傷が取り除かれ、均一な厚さが復元されます。必要に応じてディスクを機械加工すると、車両の現在のディスクの燃費が最大限に高まります。

なくなる

ランアウトは、固定された剛性のベース上でダイヤルインジケータを使用し、先端をブレーキディスクの面に対して垂直にして測定します。通常、ディスクの外径から約1 ⁄ 2 インチ (12.7 mm) のところで測定されます。ディスクは回転します。ダイヤル上の最小値と最大値の差は、横方向のランアウトと呼ばれます。乗用車の一般的なハブ/ディスクアセンブリのランアウト仕様は、約 0.002 インチ (0.0508  mm ) です。ランアウトは、ディスク自体の変形、下にあるホイールハブ面のランアウト、またはディスク表面と下にあるハブ取り付け面の間の汚れによって発生する可能性があります。インジケータの変位 (横方向のランアウト) の根本原因を判別するには、ハブからディスクを分解する必要があります。ハブ面のランアウトまたは汚れによるディスク面のランアウトは、通常、ブレーキディスクの 1 回転あたり 1 回の最小値と 1 回の最大値の周期を持ちます。

ディスクは機械加工により、厚さのばらつきと横振れを解消できます。機械加工は、車両に取り付けた状態で行うことも、車両から取り外した状態で行うこともできます（ベンチ旋盤）。どちらの方法でも厚さのばらつきは解消されます。適切な機械を用いて車両に取り付けた状態で機械加工を行うことで、ハブ面の非垂直性に起因する 横振れも解消できます。

正しく装着されていないと、ディスクが歪む（反り返る）可能性があります。ディスクの固定ボルト（または、ディスクがホイールに挟まれている場合はホイールナット／ラグナット）は、段階的に均等に締め付ける必要があります。エアツールを使用してラグナットを締め付けるのは、最終締め付けにトルクレンチを使用しない限り、好ましくありません。車両の取扱説明書には、適切な締め付けパターンとボルトのトルク定格が記載されています。ラグナットは絶対に円を描くように締め付けないでください。一部の車両はボルトの力に敏感なので、締め付けはトルクレンチで行う必要があります。

パッドの不均一な移動は、しばしばディスクの反りと混同されます。[ 53 ]「反り」と診断されたブレーキディスクの大部分は、パッド材料の不均一な移動が原因です。パッドの不均一な移動は、ディスクの厚さのばらつきにつながる可能性があります。ディスクの厚い部分がパッドの間を通過すると、パッドが離れ、ブレーキペダルがわずかに上がります。これがペダルの脈動です。厚さのばらつきは、自動車用ディスクの場合、約0.17 mm（0.0067インチ）以上になると、運転者に感じられます。

厚みのばらつきには多くの原因がありますが、ディスク厚みのばらつきが広がる主なメカニズムは3つあります。1つ目は、ブレーキパッドの不適切な選択です。寒冷時に初めてブレーキをかける時など、低温で効果を発揮するパッドは、高温になると不均一に分解する材料で作られていることがよくあります。この不均一な分解により、ブレーキディスクへの材料の付着が不均一になります。材料の付着が不均一になるもう1つの原因は、パッドとディスクの組み合わせの不適切な慣らし運転です。適切な慣らし運転を行うには、パッドを交換するたびにディスク表面をリフレッシュする必要があります（接触面の機械加工またはディスクの交換）。慣らし運転が完了すると、ブレーキが複数回連続して強く踏まれるようになります。これにより、パッドとディスクの間に滑らかで均一な接触面が形成されます。この慣らし運転が適切に行われないと、ブレーキパッドにかかる応力と熱が不均一に分散され、パッド材料の付着が不均一で、一見ランダムに見える状態になります。3つ目のパッド材料の付着が不均一になる主なメカニズムは、「パッドのインプリンティング」です。これは、ブレーキパッドが加熱され、材料が分解してディスクに転移し始めることで発生します。適切に慣らし運転されたブレーキシステム（適切に選択されたパッドを使用）では、この転移は自然なものであり、ブレーキパッドによって発生する制動力に大きく貢献します。しかし、オートマチックトランスミッション搭載車ではよくあることですが、車両が停止した後もドライバーがブレーキを踏み続けると、パッドはブレーキパッドの形状に似た材料の層を堆積します。このわずかな厚さのばらつきが、パッド転移の不均一なサイクルの始まりとなる可能性があります。

ディスクの厚さにある程度の変化が生じると、パッドの不均一な堆積が加速し、ディスクを構成する金属の結晶構造に変化が生じることがあります。ブレーキをかけると、パッドはディスクの厚みの異なる部分上を滑ります。パッドがディスクの厚い部分を通過すると、外側に押し出されます。ブレーキペダルを踏むドライバーの足は当然この変化に抵抗するため、パッドにはより大きな力が加わります。その結果、厚い部分に高い応力がかかります。これによりディスク表面の加熱が不均一になり、2つの大きな問題が発生します。ブレーキディスクが不均一に加熱されると、膨張も不均一になります。ディスクの厚い部分はより多くの熱を受けるため、薄い部分よりも大きく膨張し、厚さの差が拡大します。また、熱の不均一な分布は、パッド材料の移動をさらに不均一にします。その結果、厚く高温の部分に、薄く低温の部分によりも多くのパッド材料が付着し、ディスクの厚さのばらつきがさらに大きくなります。極端な状況では、この不均一な加熱により、ディスク材料の結晶構造が変化する可能性があります。ディスクの高温部分が極めて高い温度 (1,200～1,300 °F、または 649～704 °C) に達すると、金属が相変態を起こし、鋼に溶解した炭素が析出して、セメンタイトと呼ばれる炭素を多く含む炭化物領域を形成することがあります。この炭化鉄は、ディスクの残りの部分を構成する鋳鉄とは非常に異なります。非常に硬くて脆く、熱をあまり吸収しません。セメンタイトが形成されると、ディスクの完全性が損なわれます。ディスク表面を機械加工したとしても、ディスク内のセメンタイトは周囲の鋳鉄と同じ速度で摩耗したり熱を吸収したりしないため、ディスクの不均一な厚さと加熱特性が元に戻ります。

傷跡

ブレーキパッドが耐用年数に達して摩耗したと判断されたときに速やかに交換しないと、傷（米国ではスコーリング）が発生する可能性があります。摩擦材が十分に摩耗すると、パッドのスチール製バッキングプレート（接着パッドの場合）またはパッド保持リベット（リベット留めパッドの場合）がディスクの摩耗面に接触し、制動力が低下してディスクに傷が付きます。一般的に、既存のブレーキパッドで問題なく動作していた、中程度の傷や傷が付いたディスクは、新しいパッドでも同様に使用できます。傷が深くても過度でない場合は、ディスク表面の層を機械加工で除去することで修復できます。ディスクには最小定格安全厚さがあるため、この作業は限られた回数しか実行できません。最小厚さ値は通常、ディスクの製造時にハブまたはディスクのエッジに鋳造されます。北米で最も厳格な自動車安全検査プログラムを持つ ペンシルバニア州では、自動車のディスクの傷が 0.015 インチ (0.38 mm) より深い場合は安全検査に合格できず、機械加工によりディスクの厚さが最小安全厚さを下回る場合は交換しなければなりません。

傷を防ぐため、ブレーキパッドの摩耗を定期的に点検することが賢明です。タイヤローテーションは車両の運転時間に基づいて定期的に実施する必要があり、すべてのホイールを取り外してブレーキパッドを目視確認できるようにする必要があるため、点検に適した時期です。一部のアルミホイールやブレーキシステムでは、ホイールを外さずにパッドを確認できる十分なスペースが確保されています。摩耗が進行しつつあるパッドは、可能な限り速やかに交換する必要があります。完全に摩耗すると、傷がつき、ブレーキの安全性が低下するからです。多くのディスクブレーキパッドには、パッドアセンブリの一部として、何らかの軟鋼製のスプリングまたはドラッグタブが含まれており、パッドが摩耗しそうになるとディスクを引っ張ります。この際に、中程度の大きさのキーキーというキーキー音が鳴り、ドライバーに整備が必要であることを知らせます。ブレーキを速やかに整備すれば、通常、ディスクに傷が付くことはありません。パッドの材質が裏打ち鋼板の厚さと同じかそれ以下であれば、パッドセットの交換を検討できます。ペンシルベニア州では、リベット パッドの標準は1 ⁄ 32インチ (0.79 mm)、接着パッドの標準は 2/32 インチです。

クラッキング

ひび割れは主にドリルドディスクに限られ、過酷な環境下ではディスクの膨張率が不均一になるため、ディスクのエッジ付近にドリルで開けられた穴の縁に小さなひび割れが生じることがあります。ドリルドディスクをOEMとして使用するメーカーは、通常、2つの理由からこれを採用しています。1つは外観上の理由、もう1つは、レース中の温度と応力を吸収するのに十分なブレーキディスクの質量が残るという工学的仮定に基づき、ブレーキアセンブリのバネ下重量を軽減するためです。ブレーキディスクはヒートシンクですが、ヒートシンクの質量減少は、熱を放散する表面積の増加によって相殺される場合があります。クロスドリルドメタルディスクには、通常の摩耗メカニズムとして小さなヘアライン状のひび割れが生じることがありますが、深刻な場合はディスクが壊滅的な損傷を招きます。ひび割れの修復は不可能であり、ひび割れが深刻になった場合はディスクを交換する必要があります。これらのひび割れは、繰り返しの急ブレーキによる低サイクル疲労現象によって発生します。[ 54 ]

錆びる

ディスクは一般的に鋳鉄製で、ある程度の表面に錆が発生するのは正常です。ブレーキパッドと接触するディスク面は、通常の使用では清潔に保たれますが、長期間保管された車両では接触面に著しい錆が発生する可能性があり、錆びた層が再び摩耗するまでの間、制動力が低下する可能性があります。また、保管後にブレーキを再び作動させた際に、パッドで覆われた錆びていない部分とディスク面の大部分を覆う錆との間の温度差により、錆びによってディスクが歪むこともあります。時間の経過とともに、通気孔付きブレーキディスクは通気孔内部に深刻な錆腐食が発生し、構造強度が低下して交換が必要になる場合があります。[ 55 ]

キャリパー

スバル レガシィのディスクブレーキキャリパー（ツインピストン、フローティング）をパッド交換のためにマウントから取り外した状態

ブレーキキャリパーは、ブレーキパッドとピストンを収納するアセンブリです。ピストンは通常、プラスチック、アルミニウム、またはクロムメッキ鋼で作られています。

キャリパーには、フローティングキャリパーと固定キャリパーの2種類があります。固定キャリパーはディスクに対して移動しないため、ディスクの欠陥に対する許容度が低くなります。固定キャリパーは、ディスクの両側から1対または複数対の対向ピストンでクランプする構造で、フローティングキャリパーよりも複雑で高価です。

フローティングキャリパー（「スライディングキャリパー」とも呼ばれる）は、ディスクの回転軸と平行な線に沿ってディスクに対して左右に移動します。ディスクの片側にあるピストンが内側のブレーキパッドをブレーキ面に接触するまで押し込み、その後、外側のブレーキパッドでキャリパー本体を引っ張ることで、ディスクの両側に圧力がかかります。フローティングキャリパー（シングルピストン）設計は、少なくとも1つの取り付け機構に汚れや腐食が入り込み、正常な動きが妨げられることで、固着故障が発生することがあります。その結果、ブレーキが作動していないとき、または斜めに作動しているときに、キャリパーのパッドがディスクに擦れることがあります。固着は、車両の使用頻度が低いこと、シールやゴム製保護ブーツの破損による異物の侵入、取り付け機構内のグリースの乾燥、それに続く水分の侵入による腐食、あるいはこれらの要因の組み合わせによって発生する可能性があります。結果として、燃費の低下、ディスクの過度の加熱、またはパッドの過度の摩耗などが生じる可能性があります。フロントキャリパーが固着すると、ステアリングの振動も発生することがあります。

フローティングキャリパーのもう1つのタイプは、スイングキャリパーです。スイングキャリパーは、車体に対してキャリパーを直線的に前後に動かすための2本の水平ボルトの代わりに、車軸中心線の後方に配置された1本の垂直ピボットボルトを使用します。ドライバーがブレーキを踏むと、ブレーキピストンが内側のブレーキパッドを押し、上から見てキャリパー全体を内側に回転させます。スイングキャリパーのピストン角度はディスクに対して変化するため、この設計では、後方外側が狭く、前方内側が狭くなっているくさび形のパッドを使用します。

自転車のリムブレーキにも、さまざまなタイプのブレーキキャリパーが使用されています。

ピストンとシリンダー

最も一般的なキャリパー設計では、シリンダー内に油圧作動ピストンが1つ配置されていますが、高性能ブレーキでは12個ものピストンが使用されています。現代の自動車では、安全対策として、各車輪のブレーキを作動させるために異なる油圧回路が採用されています。油圧設計は制動力の増強にも役立ちます。キャリパー内のピストンの数は「ポット数」と呼ばれることが多く、例えば「6ポット」キャリパーが搭載されている車両は、各キャリパーに6つのピストンが配置されていることを意味します。

ブレーキの故障は、ピストンの引き込み不良が原因で発生することがあります。これは通常、悪条件下で長期間屋外に保管され、車両を運転しなかったことが原因です。走行距離の長い車両では、ピストンシールが漏れる可能性があり、速やかに修理する必要があります。

ブレーキパッド

ブレーキパッドは、ブレーキパッドの素材がディスクに埋め込まれ、均一に摩耗しながらベディングする過程で、 高い摩擦力を発揮するように設計されています。摩擦は、粘着性と研磨性の2つの部分に分けられます。

パッドとディスクの材質特性、構成、使用状況によって、パッドとディスクの摩耗率は大きく異なります。材質の摩耗を左右する特性は、性能と寿命のトレードオフを伴います。

ブレーキパッドは通常、定期的に交換する必要があります (パッドの素材と運転スタイルによって異なります)。パッドが薄すぎてブレーキが鳴くときにディスクに擦れる柔らかい金属片、ブレーキパッドが薄くなると電気回路を閉じて警告灯を点灯するパッド素材に埋め込まれた柔らかい金属タブ、または電子センサーなど、交換が必要であることを運転者に知らせるメカニズムが装備されているものもあります。

一般的に、公道を走る車両にはキャリパーごとに 2 つのブレーキ パッドが付いていますが、レーシング キャリパーには最大 6 つのブレーキ パッドが取り付けられており、最適なパフォーマンスを得るために、異なる摩擦特性を持つ千鳥状のパターンになっています。

初期のブレーキパッド（およびライニング）にはアスベストが含まれていたため、吸入してはならない粉塵が発生しました。最近のパッドはセラミック、ケブラー、その他のプラスチックで作られる場合もありますが、素材に関わらずブレーキダストの吸入は避けるべきです。

よくある問題

悲鳴

ブレーキをかけると、大きな音や甲高いキーキーという音が発生することがあります。これは主に、製造または購入からしばらく経った車両で発生します。ブレーキ鳴きのほとんどは、ブレーキ部品、特にパッドとディスクの振動（共振不安定性）によって発生します（力結合励起と呼ばれます）。この種の鳴きは、制動性能に悪影響を与えることはありません。対策としては、キャリパーピストンとパッドの接触点に面取りパッドを追加する、パッドバッキングプレートに接着インシュレーター（制振材）を追加する、ブレーキパッドとピストンの間にブレーキシムを追加するなどが挙げられます。鳴きを低減するには、これらすべてに非常に高温で固形分の多い潤滑剤を塗布する必要があります。これにより、金属同士が独立して動くようになり、ブレーキ鳴き、うなり音、または唸り音として聞こえる周波数を生み出すエネルギーの蓄積を排除できます。パッドの種類や使用状況によっては、一部のパッドが鳴きやすくなるのは当然です。通常、長時間の高温に耐えられるように設計されたパッドは、摩擦が大きく、ブレーキをかけた際に騒音が大きくなる傾向があります。[ 56 ]

寒い天候と早朝の高湿度（露）が組み合わさると、ブレーキの鳴きが悪化することがよくあります。しかし、ブレーキパッドが通常の動作温度に達すると、鳴きは通常止まります。これは、高温下での使用を想定したパッドに特に大きな影響を与えます。ブレーキに付着した埃も鳴きの原因となる可能性があり、市販のブレーキクリーニング製品は汚れやその他の汚染物質を除去するように設計されています。適切な量の転写材がないパッドも鳴きを引き起こす可能性がありますが、これはブレーキパッドをブレーキディスクにベディングまたは再ベディングすることで改善できます。

ブレーキパッド素材内に半金属層として組み込まれたもの、または外部の「センサー」を備えたものなど、一部のライニング摩耗インジケーターは、ライニングの交換時期が近づくとキーキーと鳴るように設計されている。一般的な外部センサーは、前述の（ブレーキ作動時の）ノイズとは根本的に異なる。摩耗センサーのノイズは通常、ブレーキが使用されていないときに発生するためである。摩耗センサーは、摩耗の兆候が現れ始めた直後にブレーキをかけた際にキーキーと鳴ることがあるが、それでも音とピッチは根本的に異なる。[ 56 ] [ 57 ]

振動またはシミー

ブレーキジャダーは通常、ブレーキをかけている間にシャーシを通じて伝わる軽度から重度の振動として運転者に認識される。[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]

ジャダー現象は、ホット ジャダー(またはサーマルジャダー) とコールドジャダーの 2 つの異なるサブグループに分類できます。

ホットジャダーは、通常、車両が完全に停止しない高速状態から、より長く緩やかなブレーキングを行った結果として発生します。[ 67 ]これは、運転者が約 120 km/h (74.6 mph) から約 60 km/h (37.3 mph) に減速するときによく発生し、ドライバーに激しい振動が伝わります。これらの振動は、不均一な熱分布、つまりホットスポットによって発生します。ホットスポットは、ディスクの両側に交互に発生する集中した熱領域として分類され、ディスクの縁の周りに正弦波状の波状が生じるようにディスクを歪ませます。ブレーキ中にブレーキパッド (摩擦材/ブレーキライニング) がこの正弦波の表面に接触すると、激しい振動が誘発され、運転者に危険な状態を引き起こす可能性があります。[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]

一方、コールド ジャダーは、不均一なディスク摩耗パターンまたはディスク厚さ変動 (DTV) によって発生します。ディスク表面のこれらの変動は、通常、車両の道路での使用が長時間にわたることが原因で発生します。DTV は通常、次の原因に起因します: ディスク表面の波状や粗さ、[ 72 ]軸の振れのずれ、弾性たわみ、摩耗および摩擦材の移動。[ 60 ] [ 71 ] [ 73 ] どちらのタイプも、使用前にホイール ハブとブレーキ ディスク ハブの間にあるブレーキ ディスクの両側の取り付け面を清潔に保ち、長時間使用した後、ブレーキ ペダルを強く踏み込んだままにすることで、刻印に注意することで修正できる可能性があります。ベッド イン手順によって DTV を清掃して最小限に抑え、パッドとブレーキ ディスクの間に新しい均一な転写層を形成できる場合があります。ただし、ホット スポットや過度の振れは排除されません。

ほこり

ブレーキ力が加えられると、ブレーキパッドとディスクの間の摩擦により、ディスクとパッドの両方が摩耗します。ホイール、キャリパー、その他のブレーキシステム部品に付着しているブレーキダストは、主にディスク材料で構成されています。[ 74 ]ブレーキダストは洗い流さないと、ほとんどのホイールの塗装を損傷する可能性があります。[ 75 ]一般的に、金属製パッドのようにディスク材料をより強く摩耗させるブレーキパッドは、より多くのブレーキダストを生成します。サーキット走行や牽引走行用の高性能パッドの中には、一般的なパッドよりもはるかに早く摩耗するものがあり、ブレーキディスクとブレーキパッドの摩耗が増加するため、より多くのダストが発生します。[ 56 ]

ブレーキフェード

ブレーキフェードは、ブレーキ効率を低下させる現象です。ブレーキ力の低下を引き起こします。この現象が発生すると、運転者は発進時と同じ力でブレーキが効いていないように感じます。これはブレーキパッドの加熱によって発生します。加熱されたブレーキパッドからガス状物質が放出され、ディスクとブレーキパッドの間の領域を覆います。これらのガスはブレーキパッドとディスクの接触を妨げ、ブレーキの効きを低下させます。[ 76 ]

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