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第50回:ぶつからないという正義
スピードと戦うブレーキの進化

2019.05.30 自動車ヒストリー 自動車にとって、なくてはならない装備のひとつであるブレーキ。馬車からの流用品だった制動装置は、どのような進化を遂げて今日に至っているのか。油圧や電子制御といった技術革新の数々とともに、その歴史を振り返る。

最初のガソリン車は革ベルトで減速

自動車とは、その名の通り自ら動く乗り物である。動いたからには必ず止まらなければならない。1885年にカール・ベンツが造った世界初のガソリン自動車「パテント・モトールヴァーゲン」にも、ブレーキが備えられていた。レバーを引くと駆動軸のドラムに革ベルトが巻きつけられ、摩擦によって減速する。パテント・モトールヴァーゲンの最高速度はわずか15km/hほどだったが、それでも消耗は激しかった。このクルマでベンツ夫人が200km弱のドライブに出かけたエピソードは有名だが、道中で何度も革を交換しなくてはならなかったという。

馬車では、車輪の外側に摩擦物を押し付けて減速するブレーキを使っていた。初期の自動車では馬車から流用していたパーツが多く、ブレーキもそのひとつだった。ただ、馬車は馬が自ら止まろうとするが、自動車ではエンジンにその機能を求めることはできない。エンジンブレーキの作用はあるものの、制動力としては小さすぎる。自動車の速度が高くなるにつれ、ブレーキの重要性はさらに高まっていった。

自動車専用の機構として最初に考え出されたのは、金属ドラムの内側に摩擦材を入れ、それをシリンダーでドラムに押し付けて制動する方式だった。ドラムブレーキと呼ばれるもので、スタンダードなシステムとして広く採用されることになる。摩擦材をシュー(靴)と呼ぶのは、馬車の時代の名残だ。

ドラムブレーキの優れている点は、自己倍力作用があること。リーディングシューは回転する力によってドラムに押し付けられるため、自然に強い制動力が得られる。一方、弱点は放熱性が低いことだ。摩擦材による制動は、運動エネルギーを熱エネルギーに変換するという意味を持つ。ブレーキシューの温度が限界まで高くなると、それ以上は摩擦エネルギーをためられなくなり、制動力が低下する。フェードと呼ばれる現象で、長い下り坂でブレーキを多用すると利きが悪くなることがよくあった。今でも峠道に行くと「エンジンブレーキ併用」の看板が立っていたり、緊急待避所が設けられていたりする。

カール・ベンツが製作した最初のガソリン自動車「パテント・モトールヴァーゲン」。ドラムと革ベルトの摩擦を用いたブレーキが備えられていた。
カール・ベンツが製作した最初のガソリン自動車「パテント・モトールヴァーゲン」。ドラムと革ベルトの摩擦を用いたブレーキが備えられていた。拡大
薬局で燃料のベンジンを購入するベルタ・ベンツと2人の息子。「パテント・モトールヴァーゲン」で長距離ドライブを敢行したベンツ夫人は、途中で何度も消耗品を交換しなければならなかった。
薬局で燃料のベンジンを購入するベルタ・ベンツと2人の息子。「パテント・モトールヴァーゲン」で長距離ドライブを敢行したベンツ夫人は、途中で何度も消耗品を交換しなければならなかった。拡大
黎明(れいめい)期の自動車のパーツには、馬車からの流用が多く見受けられた。車輪の外側に摩擦材を押し付けるタイプのブレーキも、その例のひとつである。
黎明(れいめい)期の自動車のパーツには、馬車からの流用が多く見受けられた。車輪の外側に摩擦材を押し付けるタイプのブレーキも、その例のひとつである。拡大
金属ドラムの内側に摩擦材を押し付けることで制動力を発生させるドラムブレーキ。自然に強い制動力が得られる反面、放熱性が悪いという欠点を抱えていた。
金属ドラムの内側に摩擦材を押し付けることで制動力を発生させるドラムブレーキ。自然に強い制動力が得られる反面、放熱性が悪いという欠点を抱えていた。拡大

放熱のためにドラムからディスクへ

最近のクルマではフェード現象はほとんど起きないが、昔はブレーキを冷やすために停車しているクルマがよく見られた。ドラムブレーキは構造上熱を逃がすのが難しく、フェードが起こりやすい。アルミ製のドラムの外側に熱を放散するための突起を付けたアルフィンドラムなども使われたが、根本的な解決にはならなかった。まったく異なる発想のもとに作られたのがディスクブレーキである。

ドラムの代わりにディスクローターを使い、それを両側からブレーキパッドで挟む構造だ。ディスクは外側に露出しているので冷えやすく、パッドも高温になりにくい。20世紀初頭にはすでに考案されていたが、実用化は進まなかった。ドラムブレーキのような自己倍力作用を持たないため、操作に強い力を必要としたのである。

1952年、ディスクブレーキを装着した「ジャガーCタイプ」がミッレミリアに参戦する。競技を通してその耐久性をテストしたのである。翌年のルマン24時間レースではワン・ツー・フィニッシュを達成し、優秀な性能を見せつけた。それ以降、モータースポーツの世界ではディスクブレーキが主流となっていく。競技ではハイスピードからの急激な減速が繰り返されるので、耐フェード性が高いことは大きなアドバンテージだった。

タイヤと一緒に回転するディスクに摩擦材を押し付けるディスクブレーキ。放熱性には優れるものの、操作には力が必要だった。倍力装置(サーボアシスト)の普及とともに一般化していった。
タイヤと一緒に回転するディスクに摩擦材を押し付けるディスクブレーキ。放熱性には優れるものの、操作には力が必要だった。倍力装置(サーボアシスト)の普及とともに一般化していった。拡大
1951年に登場したジャガーのレーシングカー「Cタイプ」。2度にわたりルマン24時間レースを制したが、1953年に優勝したモデルにはディスクブレーキが装備されていた。
1951年に登場したジャガーのレーシングカー「Cタイプ」。2度にわたりルマン24時間レースを制したが、1953年に優勝したモデルにはディスクブレーキが装備されていた。拡大
1952年のミッレミリアに参戦する「ジャガーCタイプ」。(写真=Jaguer Historic)
1952年のミッレミリアに参戦する「ジャガーCタイプ」。(写真=Jaguer Historic)拡大

摩擦を使わないまったく新しいブレーキ機構

ジャガーではサルーンの「マーク2」にもディスクブレーキを採用したが、市販車の間で本格的に普及が進むのは、1970年代になってからだ。倍力装置を必要とするためにコストが高くなりやすく、価格競争力の面で不利だったからだ。

市販車も高速化が進んで高性能なブレーキが求められるようになると、主にスポーツタイプのモデルからディスクブレーキが導入されていった。今では、軽自動車でもディスクブレーキが普通となっている。高性能車では、ディスクローターを2重構造にして冷却能力を高めたベンチレーテッドディスクが用いられるようになった。レースでは軽量化と熱対策のために、カーボンセラミック製のディスクを用いるのが普通で、市販のスポーツカーでも採用されるケースが増えている。

また、ハイブリッド車や電気自動車の登場で、まったく新しい形式のブレーキも現れた。モーターを使った回生ブレーキである。磁石の原理を使っているモーターは、発電機と構造が同じだ。車輪から伝わる力でモーターを回転させれば電力が発生し、同時に磁石の反発力を利用して制動も行う。摩擦式ブレーキでは制動エネルギーを熱として捨てるほかなかったが、回生ブレーキは電気エネルギーとして回収し、再びクルマを走らせるパワーとすることができる。

1959年秋に登場したジャガーのスポーツサルーン「マーク2」。2.4~3.8リッターの直6エンジンを搭載し、4輪すべてにディスクブレーキを採用。サルーンカーレースやラリーなどのモータースポーツでも活躍した。
1959年秋に登場したジャガーのスポーツサルーン「マーク2」。2.4~3.8リッターの直6エンジンを搭載し、4輪すべてにディスクブレーキを採用。サルーンカーレースやラリーなどのモータースポーツでも活躍した。拡大
性能の向上に伴いブレーキディスクも複雑化。2重構造としたり、スリットを刻んだり穴を開けたりするなどして、放熱性の向上が図られている。また、素材にカーボンセラミックを用いたものも登場している。写真は2018年型「メルセデスAMG C63S」に採用されたカーボンセラミックブレーキ。
性能の向上に伴いブレーキディスクも複雑化。2重構造としたり、スリットを刻んだり穴を開けたりするなどして、放熱性の向上が図られている。また、素材にカーボンセラミックを用いたものも登場している。写真は2018年型「メルセデスAMG C63S」に採用されたカーボンセラミックブレーキ。拡大
車輪から伝わる力でジェネレーターを回して発電しつつ、磁石の反発力を利用して制動も行う回生ブレーキ。最近の電動車の中には、アクセルワークだけで停車まで可能な「ワンペダルドライブ」を実現したモデルも存在する。
車輪から伝わる力でジェネレーターを回して発電しつつ、磁石の反発力を利用して制動も行う回生ブレーキ。最近の電動車の中には、アクセルワークだけで停車まで可能な「ワンペダルドライブ」を実現したモデルも存在する。拡大

油圧システムを利用したABSが登場

ブレーキの進化を加速させたのは、油圧システムの登場である。初期の自動車では、ブレーキは駆動輪である後輪のみに取り付けられるのが普通だった。制動時に荷重のかかる前輪にも取り付ければより効率が上がるはずだが、4輪すべてにブレーキを付けられない理由があった。ロッドやワイヤーで力を伝える機械式では、ブレーキ力を適切に分配することが難しかったのである。

この問題を解決したのが油圧システムだった。ブレーキペダルを踏むとマスターシリンダーのピストンが押されて油圧が発生し、ホースやパイプを通って各輪に力を伝える仕組みである。力の増幅や分配が容易に行えるようになり、安定した制動が可能になったのだ。

油圧システムを利用し、ブレーキを電子制御で操る技術も生み出された。1980年代から普及が始まったアンチロックブレーキシステム(ABS)である。車輪がロックすることを防ぎ、ステアリング操作を有効にしたまま最大限の制動力を生み出そうとするシステムだった。

急ブレーキで車輪が完全に動かなくなると、クルマの挙動が乱れてコントロール不能に陥ってしまう。それを防ぐためのテクニックがポンピングブレーキで、ドライバーがブレーキペダルの踏力(とうりょく)を微妙に操作して行うものだった。ABSでは、このポンピングブレーキが電子制御で自動的に行われる。

各輪に設けられたセンサーが回転速度の情報をコントロールユニットに送り、ロックしそうな車輪の電磁バルブの油圧を下げて制動力を弱める。回転速度が回復したら油圧を元に戻し、制動力を復活させる仕組みだ。人間よりもはるかに緻密に制御を行うことができるので、安定した姿勢を保ちながら最大限の制動力を発揮することが可能となった。

メルセデス・ベンツによるABSのテスト風景。初期の自動車用ABSは、鉄道車両や航空機用のものと同じシンプルな機械式だった。本格的な普及は、電子制御の進化によって4輪の制動力をコントロールできるようになってからである。
メルセデス・ベンツによるABSのテスト風景。初期の自動車用ABSは、鉄道車両や航空機用のものと同じシンプルな機械式だった。本格的な普及は、電子制御の進化によって4輪の制動力をコントロールできるようになってからである。拡大
世界で初めて電子制御式ABSが搭載された、1978年型「メルセデス・ベンツSクラス」(W116)。
世界で初めて電子制御式ABSが搭載された、1978年型「メルセデス・ベンツSクラス」(W116)。拡大
メルセデス・ベンツの「TELDIXアンチロックブレーキシステム」。(1)の前輪センサーと(4)の後輪センサーから得た情報をもとに、(3)の電子制御ユニットが最適な制動を計算、(2)の油圧ユニットを動かし、ポンピングブレーキを行うという仕組みだった。
メルセデス・ベンツの「TELDIXアンチロックブレーキシステム」。(1)の前輪センサーと(4)の後輪センサーから得た情報をもとに、(3)の電子制御ユニットが最適な制動を計算、(2)の油圧ユニットを動かし、ポンピングブレーキを行うという仕組みだった。拡大
ABSの登場以降、ブレーキは制動だけでなく、クルマの姿勢制御にも用いられるようになっていった。
ABSの登場以降、ブレーキは制動だけでなく、クルマの姿勢制御にも用いられるようになっていった。拡大

電子制御が発展して自動化が可能に

ABSの技術は、エンジンの電子制御と連動する形でトラクションコントロールやスタビリティーコントロールなどにも応用された。トラクションコントロールは発進時や加速時にホイールスピンが発生するのを抑え、適切な駆動力を確保するというもの。スタビリティーコントロールはコーナリング時の姿勢を安定させる機能で、オーバースピードで道の外側にはみ出しそうになると、内側の車輪に自動的にブレーキをかけて進路を修正する。内側にはみ出しそうになれば、逆に外側の車輪にブレーキをかけるわけだ。

ブレーキの電子制御が高度化する中で浮上してきたのが、自動ブレーキである。自動車がミリ波レーダーやカメラでまわりの状況を認識し、危険が迫った時には自動的にブレーキをかける機構だ。契機となったのは2003年のことで、2月に登場した「トヨタ・ハリアー」には、危険を感知するとブレーキの油圧を高め、ドライバーがブレーキペダルを踏むとフルブレーキがかかる世界初のプリクラッシュセーフティーシステムが搭載されていた。6月には、「ホンダ・インスパイア」が衝突被害軽減ブレーキを採用。自動車が自らの判断で減速する機能が登場した。

ただし、このシステムが行うのは減速のみで、完全に停車はしない仕組みとなっていた。ドライバーがシステムを過信することを恐れ、自動停止が規制されていたからだ。しかし、2008年に「ボルボXC60」から自動停止が解禁され、2010年にスバルが「EyeSight(ver.2)」を採用すると、自動ブレーキの普及は加速した。価格も劇的に下がり、今日では軽自動車にも積極的に採用されている。

大型バスや大型トラックでは、自動ブレーキを義務づける動きが進んでいる。日本でも2014年11月から義務化が始まった。安全性を評価するJNCAPでは、自動ブレーキの有無が評価項目に加えられている。装着車は自動車保険で割り引きを受けられるようにもなった。高速で移動する自動車にとってぶつからないことは正義であり、ブレーキは最も重要な装備であり続けている。

(文=webCG/イラスト=日野浦 剛)

今日では、ブレーキの4輪独立制御は、エンジンの制御と連携する形でトラクションコントロールやスタビリティーコントロールにも用いられている。
今日では、ブレーキの4輪独立制御は、エンジンの制御と連携する形でトラクションコントロールやスタビリティーコントロールにも用いられている。拡大
自動緊急ブレーキを搭載した4代目「ホンダ・インスパイア」。当時のシステムは減速するのみで、完全に停車はしなかった。
自動緊急ブレーキを搭載した4代目「ホンダ・インスパイア」。当時のシステムは減速するのみで、完全に停車はしなかった。拡大
完全にクルマを停車させる自動緊急ブレーキは、2008年に初めて「ボルボXC60」に搭載された。
完全にクルマを停車させる自動緊急ブレーキは、2008年に初めて「ボルボXC60」に搭載された。拡大
自動緊急ブレーキは、センサーによって自車前方を監視し、前走車などとの衝突を察知すると自動でブレーキをかけるというもの。センサーにはカメラや赤外線センサー、ミリ波レーダーなどが用いられている。
自動緊急ブレーキは、センサーによって自車前方を監視し、前走車などとの衝突を察知すると自動でブレーキをかけるというもの。センサーにはカメラや赤外線センサー、ミリ波レーダーなどが用いられている。拡大
スバルの「EyeSight(ver.2)」の登場を契機に、日本で急速に普及が始まった自動緊急ブレーキ。今では軽自動車にも装備される予防安全装備となっている。
スバルの「EyeSight(ver.2)」の登場を契機に、日本で急速に普及が始まった自動緊急ブレーキ。今では軽自動車にも装備される予防安全装備となっている。拡大
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