ブレーキのしくみ

ブレーキペダルを踏むと車が止まるのが遅くなることは誰もが知っています。しかし、これはどのように起こりますか？あなたの車はどのようにあなたの足からその車輪に力を伝達しますか？車と同じくらい大きなものを止めるのに十分になるように、それはどのように力を掛けますか？

ブレーキペダルを踏むと、車は足からブレーキに流体を介して力を伝達します。実際のブレーキは足でかけるよりもはるかに大きな力を必要とするため、車は足の力も倍増させる必要があります。これは2つの方法で行われます。

ブレーキは摩擦を利用してタイヤに力を伝達し、タイヤは摩擦を利用してその力を路面にも伝達します。ブレーキシステムのコンポーネントについて説明する前に、次の3つの原則について説明します。

次のセクションでは、レバレッジと油圧について説明します。

コンテンツ

1. レバレッジと油圧
2. 摩擦
3. シンプルなブレーキシステム

下の図では、力Fがレバーの左端に加えられています。レバーの左端は右端（X）の2倍の長さ（2X）です。したがって、レバーの右端では2Fの力が利用できますが、左端が移動する距離（Y）の半分（2Y）で作用します。レバーの左端と右端の相対的な長さを変更すると、乗数が変更されます。

油圧システムの背後にある基本的な考え方は非常に単純です。あるポイントで加えられた力は、非圧縮性流体、ほとんどの場合、ある種のオイルを使用して別のポイントに伝達されます。ほとんどのブレーキシステムは、その過程で力を倍増させます。ここでは、可能な限り最も単純な油圧システムを見ることができます。

シンプルな油圧システム

上の図では、2つのピストン（赤で表示）がオイルで満たされた2つのガラスシリンダー（水色で表示）に取り付けられ、オイルで満たされたパイプで相互に接続されています。1つのピストン（この図では左側のピストン）に下向きの力を加えると、その力はパイプ内のオイルを介して2番目のピストンに伝達されます。オイルは非圧縮性であるため、効率は非常に良好です。加えられた力のほとんどすべてが2番目のピストンに現れます。油圧システムの優れている点は、2つのシリンダーを接続するパイプが任意の長さと形状であり、2つのピストンを分離するあらゆる種類のものを蛇行できることです。ここに示すように、パイプはフォークすることもできるため、必要に応じて1つのマスターシリンダーで複数のスレーブシリンダーを駆動できます。

2つのスレーブを備えたマスターシリンダー

油圧システムのもう1つの優れた点は、力の乗算（または除算）がかなり簡単になることです。ブロックとタックルのしくみまたはギア比のしくみを読んだ場合は、距離のトレードフォースが機械システムで非常に一般的であることを知っています。油圧システムでは、次に示すように、一方のピストンとシリンダーのサイズをもう一方のピストンとシリンダーに対して変更するだけです。

油圧乗算

上の図の増倍率を決定するには、ピストンのサイズを確認することから始めます。左側のピストンの直径が2インチ（5.08 cm）（1インチ/半径2.54 cm）であり、右側のピストンの直径が6インチ（15.24 cm）（3インチ/半径7.62 cm）であると仮定します。 。二つのピストンの面積は、PI * Rである²。したがって、左側のピストンの面積は3.14であり、右側のピストンの面積は28.26です。右側のピストンは左側のピストンの9倍の大きさです。これは、左側のピストンに加えられた力が右側のピストンに9倍大きくなることを意味します。したがって、左側のピストンに100ポンドの下向きの力を加えると、右側に900ポンドの上向きの力が現れます。唯一の問題は、左のピストンを9インチ（22.86 cm）押し下げて、右のピストンを1インチ（2.54 cm）上げる必要があることです。

次に、ブレーキシステムで摩擦が果たす役割を見ていきます。

摩擦は、あるオブジェクトを別のオブジェクトの上にスライドさせるのがどれだけ難しいかを示す尺度です。下の図を見てください。両方のブロックは同じ材料で作られていますが、一方はより重いです。ブルドーザーがどちらを押すのが難しいかは誰もが知っていると思います。

これがなぜであるかを理解するために、ブロックの1つとテーブルを詳しく見てみましょう。

ブロックは肉眼では滑らかに見えますが、実際には微視的なレベルではかなり粗いです。ブロックをテーブルに置くと、小さな山と谷が一緒に押しつぶされ、それらのいくつかは実際に一緒に溶接される場合があります。重いブロックの重さにより、ブロックがより押しつぶされるため、スライドがさらに難しくなります。

材料が異なれば、微視的構造も異なります。たとえば、鋼を鋼に対してスライドさせるよりも、ゴムをゴムに対してスライドさせる方が困難です。材料の種類によって、摩擦係数、つまりブロックをスライドさせるのに必要な力とブロックの重量の比率が決まります。この例で係数が1.0の場合、100ポンド（45 kg）のブロックをスライドさせるには100ポンドの力が必要であり、400ポンド（180 kg）のブロックをスライドさせるには400ポンド（180 kg）の力が必要です。係数が0.1の場合、100ポンドのブロックにスライドするのに10ポンドの力、または400ポンドのブロックにスライドするのに40ポンドの力が必要になります。

したがって、特定のブロックを移動するのに必要な力の量は、そのブロックの重量に比例します。重量が大きいほど、より多くの力が必要になります。この概念は、パッドが回転するディスクに押し付けられるブレーキやクラッチなどのデバイスに適用されます。パッドを押す力が大きいほど、停止力が大きくなります。

係数

摩擦について興味深いのは、通常、オブジェクトをスライドさせ続けるよりも、オブジェクトを緩めるのにより多くの力が必要になることです。静止摩擦係数があり、接触している2つの表面が互いにスライドしていません。2つの表面が相互にスライドしている場合、力の量は動摩擦係数によって決定されます。これは通常、静摩擦係数よりも小さくなります。

以下のために車のタイヤ、動摩擦係数は、はるかに少ない静摩擦係数よりも大きいです。接地面が道路に対してスライドしていない場合、車のタイヤは最大のトラクションを提供します。スライドしているとき（スキッドやバーンアウト時など）、トラクションが大幅に低下します。

実際の車のブレーキシステムのすべての部分に入る前に、単純化されたシステムを見てみましょう。

ペダルからピボットまでの距離はシリンダーからピボットまでの距離の4倍であることがわかります。したがって、ペダルにかかる力は、シリンダーに伝達される前に4倍に増加します。

また、ブレーキシリンダーの直径がペダルシリンダーの直径の3倍であることがわかります。これにより、力がさらに9倍になります。全体として、このシステムは足の力を36倍に増加させます。ペダルに10ポンドの力を加えると、ブレーキパッドを握るホイールで360ポンド（162 kg）が生成されます。

この単純なシステムにはいくつかの問題があります。漏れがある場合はどうなりますか？ゆっくりとした漏れの場合、最終的にはブレーキシリンダーを満たすのに十分な液体が残っておらず、ブレーキが機能しなくなります。それが重大な漏れである場合、最初にブレーキをかけると、すべての液体が漏れを噴出し、ブレーキが完全に故障します。

現代の車のマスターシリンダーは、これらの潜在的な障害に対処するように設計されています。詳細については、マスターシリンダーとコンビネーションバルブのしくみに関する記事、およびブレーキシリーズの残りの記事（次のページのリンクを参照）を確認してください。

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