ブレーキパッドの制動原理

ブレーキの作動原理は主に摩擦によるものです。ブレーキパッドとブレーキディスク（ドラム）とタイヤと地面の間の摩擦を利用して、摩擦後に車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、車を停止させます。優れた効率的なブレーキシステムは、安定した十分で制御可能な制動力を提供できる必要があり、また、優れた油圧伝達および放熱能力を備えて、運転者がブレーキペダルから加えた力がマスターシリンダーと各サブシリンダーに十分かつ効果的に伝達され、高熱による油圧故障やブレーキの劣化を回避できるようにする必要があります。自動車のブレーキシステムは、ディスクとドラムの2つのカテゴリに分かれています。ただし、コスト上の利点に加えて、ドラムブレーキの効率はディスクブレーキの効率よりもはるかに劣ります。
摩擦
「摩擦」とは、相対的に移動する2つの物体の接触面間の移動抵抗を指します。摩擦の大きさ（F）は、摩擦係数（μ）と摩擦力面の垂直方向の法線圧力（N）の積に比例し、物理式：F=μNで表されます。ブレーキシステムの場合：（μ）はブレーキパッドとブレーキディスク間の摩擦係数を指し、Nはブレーキキャリパーピストンがブレーキパッドに加える力（ペダル力）です。摩擦係数が大きいほど、発生する摩擦力が大きくなります。ただし、摩擦後に発生する高熱により、ブレーキパッドとディスク間の摩擦係数は変化します。つまり、摩擦係数（μ）は温度によって変化します。ブレーキパッドはそれぞれ、材質が異なるため、摩擦係数の変化曲線が異なります。したがって、ブレーキパッドが異なれば、最適な動作温度と適用可能な動作温度範囲も異なります。これは、ブレーキパッドを購入する際に誰もが知っておくべきことです。
ブレーキ力の伝達
ブレーキキャリパーピストンがブレーキパッドに加える力をブレーキペダル力（ペダル力）と呼びます。運転者がブレーキペダルに加えた力は、ペダル機構のレバーによって増幅され、真空圧力差の原理を利用して真空動力増幅装置によって増幅され、マスターブレーキシリンダーを駆動します。マスターブレーキシリンダーからの油圧は、液体の非圧縮性動力伝達効果を利用してブレーキオイルパイプを介して各スレーブシリンダーに伝達され、「パスカルの法則」を利用して圧力を増幅し、スレーブシリンダーのピストンを押してブレーキパッドに力を加えます。「パスカルの法則」とは、密閉容器内のどの位置でも液体の圧力は同じであることを意味します。
圧力は、加えられた力を力を受ける面積で割ることで得られます。圧力が等しい場合、加えられた面積と受けた面積のサイズ比（P1=F1/A1=F2/A2=P2）を変更することで、パワー増幅の効果を得ることができます。ブレーキシステムで使用する場合、マスターシリンダーとスレーブシリンダーの圧力の比率は、マスターシリンダーピストン面積とスレーブシリンダーピストン面積の比率です。
装備: ABS
ABS：アンチロックブレーキシステムは、その名の通り「アンチロックブレーキシステム」です。誰もが知っているように、タイヤがロックする直前に最大のブレーキ効果が発生します。ブレーキ力をタイヤの摩擦とバランスの取れた状態に保つことができれば、最大のブレーキ効果が得られます。ブレーキ力がタイヤの摩擦よりも大きい場合、タイヤはロックします。タイヤがロックすると、タイヤと地面の摩擦が「静摩擦」から「動摩擦」に変わり、摩擦が大幅に減少するだけでなく、旋回や追従能力も失われます。タイヤのロックは、ブレーキ力とタイヤと地面の摩擦の比較の結果であるため、車の走行中にタイヤがロックするかどうかの限界は、タイヤ自体の特性、道路の状態、位置決め角度、タイヤの空気圧、サスペンションシステムの特性に応じて「いつでも変化」します。 ABSは、4輪に取り付けられた速度センサーを使用してタイヤがロックしているかどうかを判断し、人間の感覚の不確実性を排除し、ブレーキシリンダーの油圧のタイムリーな解放を正確に制御して、ブレーキのロック防止の目的を達成します。現在のABSのほとんどは、1秒間に12〜60回（12〜60Hz）の踏み込みと解放ができる設計を採用しており、これはトッププロのレーシングドライバーの3〜6回と比較して非常に高いレベルの性能です。踏み込みと解放の頻度が高いほど、限界のエッジに近づくほどブレーキ力を維持できます。ABSが達成できる精度と信頼性は人間の限界を超えているため、ABSは車を購入するときに最も価値のある装備であると言えます。特にエアバッグの相対的な危険性はさらにそうです。
ABSに関する疑問
最近、ABS 搭載時の自動車事故の確率は ABS 非搭載時より高いという報告が多くあり、ABS の有効性に疑問を抱く人が増えています。これは、一般の自動車所有者がブレーキシステムと ABS について十分な知識を持っていないことが原因です。ABS を装着すると、ブレーキ力やタイヤと地面の摩擦の限界を高めることができると誤解している人が多くいます。実際には、ABS はブレーキ力を可能な限り最大限に維持できますが、限界を高めることはできません。ここで繰り返しますが、タイヤと地面の摩擦の限界は、タイヤ自体の特性、路面の状態、位置決め角度、タイヤ圧、サスペンションシステムの特性によって決まりますが、ABS によって決まるわけではありません。ABS はブレーキシステムの能力を十分かつ効果的に発揮できますが、ブレーキ力や摩擦を高めることは無駄です。また、緊急時に ABS を使用して高速で回避する場合は、ハンドルを切る前に必ず直線で減速してください。ハンドルを回すときにブレーキペダルを離さないでください。また、ペダルからの ABS フィードバックに慌てないでください。また、ABS はフットブレーキを強く踏んで初めて機能すると考える人も多くいますが、これも ABS に関する誤解です。もちろん、アンチロックブレーキシステムは、車輪がロックしている場合にのみ機能します。凍結した道路を運転する場合、軽くブレーキを踏んだだけでは ABS が停止しない可能性があります。また、グリップ力に優れた大型のホットメルトタイヤに交換して、平坦で乾燥した道路を運転する場合、ブレーキシステムが強化されていないと、ブレーキペダルを全力で踏んだとしても、ブレーキ力がタイヤをロックするのに十分ではないため、ABS が作動しない可能性があります。自動車販売店が ABS 搭載車を販売する際に、上記の 2 つのポイントを消費者に十分かつ効果的に伝えることができれば、ABS は真の「アクティブセーフティ」装置になります。そうでなければ、消費者がブレーキを踏むときに恐怖を感じなければ、事故の可能性は減少するどころか増加する可能性があります。
ブレーキ改造
改造前の点検：一般道路車両やレーシングカーの場合、効率的なブレーキシステムは必須です。ブレーキを改造する前に、元のブレーキシステムを全面的に確認する必要があります。マスターブレーキシリンダー、スレーブシリンダー、ブレーキオイルパイプにオイル漏れの兆候がないか確認します。疑わしい兆候がある場合は、原因を突き止めなければなりません。必要に応じて、問題のあるスレーブシリンダー、マスターシリンダー、またはブレーキパイプを交換します。ブレーキの安定性に影響を与える最大の要因は、ブレーキディスクまたはブレーキドラムの表面の平坦性です。異音やブレーキのアンバランスは、多くの場合、ここから発生します。ディスクブレーキシステムの場合、表面に摩耗溝やライン溝がなく、左右のディスクの厚さが同じでなければなりません。そうすることで、同じブレーキ力が分散されます。さらに、ディスクが横方向の衝撃から保護されていることを確認する必要があります。ディスクとブレーキドラムのバランスは、ホイールのバランスにも重大な影響を与えるため、優れたホイールバランスが必要な場合は、タイヤの動的バランス調整を行う必要がある場合があります。
ブレーキフルード
ブレーキシステムの最も基本的な改造は、高性能ブレーキ液に交換することです。ブレーキ液が高温で劣化したり、空気中の水分を吸収したりすると、ブレーキ液の沸点が低下します。ブレーキ液が沸騰すると、ブレーキペダルが空になります。これは、ブレーキを頻繁に連続して使用すると突然発生します。ブレーキ液の沸騰は、ブレーキシステムが直面する最大の問題です。ブレーキ液は定期的に交換する必要があります。開封後に保管するときは、ボトルの口を密閉して、空気中の水分がブレーキ液に触れないようにする必要があります。一部の車種では、使用するブレーキ液のブランドが制限されています。これは、一部のブレーキ液がゴム製品を腐食させるためです。特にシリコン成分を含むブレーキ液を使用する場合は、誤用を避けるために、ユーザーマニュアルの警告を参照する必要があります。さらに重要なのは、異なるブレーキ液を混ぜないことです。一般道路車両の場合、ブレーキ液は少なくとも年に1回交換する必要があり、レーシングカーの場合はレースごとに交換する必要があります。
ブレーキパッド
高性能ブレーキパッドは、制動力を向上させる最も直接的で効果的かつ簡単な方法です。高性能ブレーキパッドは、主に炭素繊維や金属材料を主原料として作られており、アスベストを含まない環境に優しい配合を重視しています。ブレーキパッドのノウハウは材料配合にあるため、消費者は製品ラベルから実際の材料を知ることはできません。したがって、メーカーが提供する摩擦係数-温度曲線と適用可能な動作温度（ある場合）に加えて、ブレーキパッドの選択は、テストレポートまたは専門メディアのユーザーエクスペリエンスを参考にすることしかできません。一部の車の所有者は、誤って純粋な競合ブレーキパッドを使用し、高い費用を費やしましたが、元のブレーキパッドよりもブレーキ効果が悪くなりました。その理由は、その従順な運転スタイルにより、ブレーキパッドが最も基本的な動作温度に到達できないため、効果は当然劣ります。ブレーキパッドを交換するときに遭遇する最も一般的な問題は、それに伴うノイズです。ディスクが平らな場合は解決策はありません。それを受け入れるか、他の人に試してください。
ブレーキオイルパイプ
通常、ブレーキシステムにはサスペンションの動きに連動する柔らかいゴム管の部分がありますが、ゴム自体は弾性があり、ブレーキシステムの油圧に耐えると変形し、管径の変化を引き起こし、ブレーキ油圧の伝達効果を低下させ、ブレーキシリンダーが安定した制動力を発生できなくなります。このような状況は、使用年数とブレーキシステムの激しい操作によって変形の程度が増します。もともと航空機の油圧システムに使用されていた、高圧と高温に耐えられる金属製のオイルパイプは、この状況を改善できます。内側はテフロン素材で作られ、外層は金属コイルで覆われています。変形しにくいという特性により、優れた油圧伝達効果が得られ、ブレーキマスターシリンダーから伝達される油圧を十分に利用してサブピストンのピストンを押し、安定した制動力を得ることができます。また、金属素材は壊れにくいため、オイルパイプの損傷によるブレーキ故障の可能性を大幅に低減できます。ブレーキオイルパイプはレーシングカー（特にラリーレーシングカー）にとって必須の改造であり、一般公道走行車にとってもう一つの安全性の保証となります。
ブレーキペダルの力を増やす
ブレーキを強く踏んでもタイヤがロックしない場合は、ペダルによって発生するブレーキ力が不十分であることを意味し、非常に危険です。車のブレーキ力が低すぎると、急に踏んだときにロックしますが、トラックを制御する能力も失われます。ブレーキの限界はブレーキがロックする直前に発生し、ドライバーはこの力でブレーキペダルの制御を維持できなければなりません。ブレーキペダルの力を増やすには、ブレーキパワーアシスト装置を増やし、より大きなエアタンクに交換することから始めることができますが、真空アシスト力が大きすぎるとブレーキの漸進性が失われ、ブレーキが底まで押し込まれるため、増加には限界があります。このようにして、ドライバーはブレーキを効果的かつ安定して制御できなくなります。最も理想的なのは、マスターシリンダーとスレーブシリンダーを変更し、さらにパスカルの原理を使用してブレーキペダルの力を増やすことです。スレーブシリンダーとクランプを変更するときに、同時にディスクのサイズを大きくすることもできます。ブレーキ力は、ブレーキパッドが車輪の車軸に発生する摩擦力によって及ぼされる力の距離であるため、ディスクの直径が大きいほど、ブレーキ力は大きくなります。
ブレーキ冷却
過度の温度はブレーキパッドの劣化の主な原因であるため、ブレーキの冷却が特に重要になります。ディスクブレーキの場合、冷却空気をクランプに直接吹き付ける必要があります。ブレーキの劣化の主な原因はクランプ内のブレーキオイルの沸騰であるため、運転中に適切なパイプまたは特別に設計されたリムを介して冷却空気をクランプに導入することができれば、リム自体の放熱効果が良好であれば、ディスクとクランプからの熱の一部を分担することもできます。ライン、穴、または通気設計を備えた通気ディスクは、安定したブレーキ効果を維持し、ブレーキパッドとディスクの間の高温の鉄粉による滑り効果を回避し、制動力を効果的に確保できます。
摩擦係数
ブレーキパッドの最も重要な性能指標は摩擦係数です。国家規格では、ブレーキの摩擦係数は {{0}}.35-0.40 の間であると規定されています。合格したブレーキパッドは、適度で安定した摩擦係数を備えています。摩擦係数が 0.35 未満の場合、安全な制動距離を超えたり、ブレーキが故障したりします。摩擦係数が 0.40 を超えると、ブレーキが突然ロックしたり、横転事故が発生しやすくなります。
国家非金属鉱物製品品質監督検査センター検査官：国家規格では、350度の摩擦係数は0.20以上でなければならないと規定されています。