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第130回 進化を続ける自動車用ブレーキで、さらなる安全性を追求

 自動車には必ず「ブレーキ」が付いています。では、そのブレーキの役割はどのようなものでしょうか?多くの方は「走っているクルマを止めること」と答えるのではないかと思います。とりあえず正解ではあるのですが、実は現在の自動車が備えているブレーキは、それだけに留まらず、たいへん多くの役割を担っているのです。

ブレーキの基本的な役割
 まずは、ブレーキの基本的な役割と構造からおさらいしておきましょう。ブレーキとは、運動体の速度を落とすための機構に対して広く使われている言葉で、日本語では「制動装置」と呼びます。たとえば飛行中の航空機は、基本的にエンジンの出力調整によって加速/減速を行いますが、着陸などの際には、フラップを使って空気抵抗を増やすことで、積極的に減速します。このためのフラップは、「スポイラー」や「エアブレーキ」と呼ばれます。船の場合は、高圧水流を進行方向に噴射するようなブレーキ装置が研究されていますが、まだ実用化はされていません。航行中の速度調整は、やはりエンジン出力の調整によっていますが、湾内に進入し、接岸する場合などは、スクリューを逆回転させたり、もしくはスクリューのピッチを変えることで推進力を弱めて減速しています。

 自動車に限らず、車輪を使って地面の上を走る乗り物のブレーキは、なんらかの「摩擦材」によって車輪の回転力を弱める仕組みが主流です。少し難しく言うと、車輪の回転を維持しようとする運動エネルギーを、摩擦によって熱エネルギーに変換する装置、ということになります。

 自動車のブレーキは、4つの車輪にそれぞれ1つずつ備わっています。構造としては、車輪と同軸上に取り付けた金属製の円盤を、左右から摩擦材で挟みこむことで回転力を弱める「ディスクブレーキ」と、車輪取り付け部(ハブ)の内部に設けた円筒状の「ドラム」に、内側から摩擦材を押し付ける「ドラムブレーキ」が主流です。ディスクやドラムに摩擦材を押し付ける力は油圧を利用し、またエンジンの作動によって生じる負圧を利用することで、ブレーキ操作に必要な力を軽減する仕組みを備えています。バスやトラックなどの大型車の場合、補助ブレーキとして、排気ガスの経路に設けたバルブを閉じることでエンジンの作動抵抗を増やして駆動力を弱める「排気ブレーキ」や、液体のかくはん抵抗を利用する「流体式リターダ」なども備えています。


スキル要らずで、緊急事態に対処できる?
 ブレーキ機構が発揮できる力は、想像以上に大きなものです。たとえば、クルマが停止している状態で思い切りブレーキを踏み付けていれば、そこからアクセルペダルを全開にしてもクルマは動き出しません。また、走行中に思い切りブレーキを踏み込むと、ディスク/ドラムと摩擦材の間の摩擦が、タイヤと路面の間の摩擦を上回って、タイヤは回転を停止してしまいます。これが「ブレーキロック」と呼ばれる状態です。
 濡れていない舗装路面の上なら、ブレーキがロックした状態でも、制動力そのものはある程度まで発揮されるのですが、困った問題が生じます。車輪が回転しておらず、タイヤは路面の上を滑っている状態なので、ハンドルを操作してもクルマの進路が変わらないのです。実際の状況に置き換えて考えてみましょう。山道を運転していたら、突然、進路上に落石が起こりました。当然、急ブレーキをかけますが、距離的に間に合うかどうかわかりません。対向車はいないので、ハンドルを切って避けることも試みますが、タイヤがロックしているので進路が変わりません……。

 もしもこのような状況におちいってしまったら、どうすればいいのでしょう?一昔前のクルマなら、ハンドルを切ったまま、思い切ってブレーキを離すのが正解です。前輪が再び回転を始めれば、クルマは進路を変えようとしますから、落石を避けられるかもしれません。しかし、とっさにそれだけの判断と操作ができるドライバーは、そう多くはないでしょう。そこで考案されたのが、ブレーキのロックを防ぐABS(Anti-lock Brake System)です。



 ABSの基本構成は、4つの車輪それぞれの回転速度と回転加速度を検知するセンサ、ブレーキの油圧回路に設けたポンプと、それを駆動するアクチュエータ、バイパス回路、制御用コンピュータです。センサが車輪のロックを検出したら、アクチュエータを作動させてその車輪のブレーキの油圧をわずかに緩めることで、車輪を再び回転させます。
 このような制御を行うことによって、特別な運転技術は必要なく、ブレーキペダルを強く踏み込んでいるだけで、最大に近い制動性能が実現するのです。登場間もない頃のABSは、圧雪路や砂利道などでは、かえって制動距離が伸びてしまったり、また、サーキットでのスポーツ走行の時には邪魔な動きをする、といった難点もありましたが、現在のABSでは、制御の高度化、緻密化によって、それらの問題も大きく改善されています。最新のABSユニットでは、1秒間に50回程度のポンプ駆動が可能ですから、いかに高度なブレーキ制御を行っているかがわかるでしょう。

 さて、ABSが普及し、高性能化すると、その機構を小改良することで、新しい効能を実現する装置が開発されます。その筆頭がTCS(Traction Control System)で、濡れた路面などでアクセルの踏みすぎによって起こる車輪の空転を、ブレーキによって抑え込むものです。車輪が空転している状態は、言い換えると、「駆動輪の回転速度が、従動輪に比べて極端に高い状態」になります。車輪の回転速度と回転加速度はABS用のセンサで検出できますから、その状態を検出したら、空転していると判断される車輪のブレーキをかけることで空転を抑え、タイヤと路面の間の摩擦を復活させるのです。
 機構的には、「ドライバーがブレーキを踏んでいなくても、ブレーキ装置が機能する」仕組みの追加が必要になりますが、ABSユニットに小規模な追加で済むこと、また、後述するESC機能も実現できることから、採用が進められています。
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