自動車用油圧ブレーキマスターシリンダーの進化と構造的特徴

1885 年にカール ベンツが最初の単気筒三輪自動車を製造して以来、1 世紀以上にわたり、自動車は人類の社会発展とともに歩んできました。{0}{1}ブレーキシステムは車両の重要な安全システムとして、自動車の進歩とともに進化し続けています。油圧ブレーキ システムのエネルギー供給の中心として、油圧ブレーキ マスター シリンダーは繰り返し再設計され、改良されてきました。

ブレーキ マスター シリンダーの開発軌跡は、単一回路マスター シリンダー、残圧バルブ タイプ、デュアル回路 (タンデム) マスター シリンダー、アンチロック ブレーキ システム (ABS) とエレクトロニック スタビリティ プログラム (ESP) の要件に対応するように設計された構成など、いくつかの主要な段階を通じてたどることができます。-各段階で、特定の設計とパフォーマンスのニーズに対応するためのバリエーションが登場しました。このホワイトペーパーでは、各主要構成の開発パス、構造的特徴、動作原理、製造上の考慮事項について説明します。

1967 年以前は、ほとんどの自動車マスター シリンダーは、1 つのピストンと 1 つのシールを備えた単一のリザーバーという単純なものでした。{1}このアーキテクチャには重大な欠点がありました。ホイール シリンダーに漏れが発生したり、ブレーキ ラインが故障したり、内部シールが 1 つ不良になったりすると、ドライバーは完全にブレーキを利かなくなる可能性があります。

安全冗長性への画期的な進歩は 1962 年に起こり、キャデラックは前後の油圧ラインを分離したデュアル回路ブレーキ システムを導入しました。- 1 つの回路に漏れが発生しても、もう 1 つの回路では車両が停止する可能性があります。アメリカン モーターズも初期にスプリット シリンダー システムを採用しました。ただし、その斜め-スプリット アーキテクチャは、1 つの前輪と 1 つの後輪の間で反対側に回路を分割しており、安全性は向上しましたが、まだ完全な前後分離ではありませんでした。-

複数のメーカーが、冗長性を組み込んだデュアル シリンダー システムを独自に開発しました。{0}{1}{0}{1} Wagner Electric は最初に成功した企業の 1 つです。本当の転換点は 1967 年に到来しました。このとき、米国連邦政府は、ラインの故障やその他の故障に備えて、すべての車両に個別の回路を備えたデュアル ブレーキ マスター シリンダーを装備することを義務付けました。-

現在のデュアル回路マスター シリンダーは通常、フロント ブレーキ回路とリア ブレーキ回路を分離する 2 つの別々のチャンバーを備えていますが、一部の構成は依然として斜めに分割されています。この構成により、1 つのシールが故障した場合や圧力漏れが発生した場合でも、ブレーキが完全に失われることが防止されます。ブレーキの 75% 以上は前輪によって行われます。つまり、後輪ブレーキの故障にドライバーは気付かない可能性がありますが、前輪は完全に機能したままになります。

運用上ブレーキ ペダルを踏むと、プッシュロッドを介してマスター シリンダーのピストンに力が伝わります。-ピストンには 2 つのシールが組み込まれており、各回路専用のラインを備えた 2 つのチャンバー内で移動します。ピストンが前方に押し込まれると、油圧が発生してキャリパーまたはホイールシリンダー内の大きなピストンを動かし、ホイールを停止させます。

1.1 概要

プランジャー{0}}タイプのデュアル-回路ブレーキ マスター シリンダー-は、一部の業界文献ではポートレスまたはセンター フィード タイプ-とも呼ばれています-。これは、従来のマスター シリンダー アーキテクチャからの根本的な脱却を表しています。この設計では、シリンダ ボア壁に補償ポートを配置するのではなく、ピストン自体に補償通路を配置します。この一見単純な位置変更は、システムの統合、ABS/ESP サイクリング時の耐久性、コンパクトなパッケージングに重大な影響を及ぼします。

プランジャー-タイプのマスターシリンダーは構造的にコンパクトです。内部コンポーネントはアンテナ セクションのように伸縮し、アセンブリ全体がスムーズに伸縮することができます。この伸縮式の配置により、軸方向の歪みが大幅に軽減されます。取り付け長さ-通常は約半分従来のマスター シリンダーの性能を満たしながら-同時に厳格な油圧最新の ABS および ESP システムの流量要求に対応します。

1.2 構造的特徴

プランジャー-タイプのマスター シリンダーの最も特徴的な特徴は、補償ポートがシリンダー ボア壁ではなくピストンに配置されていることです。この設計により、従来のプライマリ カップ シールの主な破損箇所であった従来のボア側ポートの鋭いエッジが排除されています。{2}}また、より大きな総補償流域も提供します。-ピストンの周囲に複数のポートを配置できます。

さらに、ピストンの有効長全体がシリンダボア壁とのシール接触に利用されるため、シリンダ本体の全長を大幅に短縮することができる。

1.3 動作原理

静止時には、一次回路と二次回路はピストンに取り付けられた補償ポートを介してリザーバーに開いています。{0}}ドライバーがブレーキペダルを踏むと、プライマリピストンが前進します。補償ポートはプライマリ カップ シールを通過し、滑らかな途切れのないボア表面に接触します。ポートがバイパスされると、圧力チャンバーが密閉され、液圧が高まり、ブレーキ回路に流体が供給されます。

ペダルを放すと、ピストンはバネの力で戻ります。補償ポートは、-プライマリ カップ シールを通過した領域に戻り、圧力チャンバとリザーバ間の連通を再確立し、必要に応じて流体が逆流してチャンバに補充されるようにします。-

1.4 従来のマスターシリンダー設計との主な違い

• 1.4.1 大幅に短縮された軸長

内部コンポーネントが相互に伸縮するため、アセンブリの全長は大幅に短縮された-多くの場合、同等のボア径と出力容積を備えた従来のタンデム マスター シリンダーの約半分になります。このパッケージングの利点は、エンジン コンパートメントのレイアウトが狭い車両にとって非常に重要です。

• 1.4.2 ABS システムとの直接互換性

ボアウォール補正ポートを備えた従来のマスター シリンダーは、ABS と使用すると、プライマリ カップ シールの損傷率が高くなります。{0}その理由は ABS の動作ダイナミクスにあります。アクティブな ABS サイクル中、システムはブレーキ液の放出と再加圧を繰り返します。-これにより、マスターシリンダーのピストンが狭い範囲で振動します。従来の設計では、この振動により主カップシールが補償ポートの位置に正確に配置されることがよくあります。高圧下では、シール カップがポート開口部に押し込まれ、急速なシールの摩耗、切断、または押し出しの失敗につながります。

プランジャー-タイプの設計では、補償ポートはピストンとともに移動します。プライマリ カップ シールは、ストローク範囲全体にわたって滑らかなシリンダ ボア壁にのみ接触します。どのピストン位置でもポートエッジがシールに接触しないため、この故障モードは事実上排除されます。

• 1.4.3 ESP の高フロー要求との互換性-

エレクトロニック・スタビリティ・プログラム（ESP）システムは世界的に義務化が進んでおり、自動ブレーキ介入のためにマスターシリンダーが非常に短い時間間隔で大量のブレーキフルードを供給する必要があります。プランジャー- タイプの設計は、ピストンの周囲に配置された複数の大きな補償ポートを組み込む機能により、この要件に対応します。この設計は、ESP を搭載した車両に推奨されるアーキテクチャになっています。

1.5 プランジャ-タイプのマスターシリンダーの製造仕様

プライマリ カップ シールとピストンの間の適切なシールは、補償段階で流体がカップ シールをバイパスする必要性とのバランスをとらなければなりません。さらに、バインドのないスムーズなスライドを実現するには、ボアの真円度、ピストンの真直度、表面仕上げを正確に制御する必要があります。

2 センターバルブデュアル-サーキットブレーキマスターシリンダー

2.1 概要

センターバルブ-タイプのマスターシリンダーは、ABS-搭載車両用に特別に開発されました。プランジャー-タイプの設計と同様に、従来のボア壁補正ポートが不要ですが、これは別の機構、つまり各ピストンの中心に配置された内部バネ式バルブによって実現されています。-

アンチロック油圧ブレーキ システムのセンター バルブ構成を記述した特許は 1990 年代半ばに遡り、2000 年代初頭にはボッシュなどの大手メーカーが独自の量産バージョンを開発しました。{0}この設計は、実装スペースの制約が少ないものの、ABS の耐久性が引き続き優先される乗用車用途に特に適していることが証明されています。

2.2 構造的特徴

センターバルブマスターシリンダーの特徴は、シリンダーボア壁に補償ポートがまったく存在しないことです。代わりに、各ピストンには、小さなスプリング、バルブ ポペットまたはボール、圧力室とリザーバ間の流体連通を制御するシール シートで構成される軸方向中央バルブ-が組み込まれています。-シリンダーボアは静止位置から全ストローク長にわたって完全に滑らかで、一次カップシールに途切れのないシール面を提供します。

この構造により、従来の設計で一次カップシールを損傷する鋭い補償ポートのエッジが排除されます。

2.3 従来のマスターシリンダー設計との違い

根本的な違いは構造にあります。センター バルブ-タイプのマスター シリンダーにはセンター バルブが組み込まれており、補償ポートはありません。従来のマスターシリンダーには補償ポートがあり、センターバルブはありません。

機能的な結果も同様に重要です。従来の設計では、通常の制動中にプライマリ カップ シールが補償ポートの端を繰り返し通過します。この摩耗メカニズムは、ピストンがポート位置付近で急速に振動する ABS 用途で大幅に加速されます。センターバルブ-タイプの設計では、カップシールがボア壁の開口部に遭遇することがなく、シールとシリンダの寿命が大幅に延長されます。

特に ABS アプリケーションの場合、この違いは重要です。 ABS のアクティブ サイクルによってマスター シリンダーの圧力チャンバー内に圧力脈動が発生すると、センター バルブ設計のプライマリ カップ シールは、従来のシールをポート開口部に押し込むような脈動圧力の影響を受けることなく、滑らかなボア表面を横切るだけです。

2.4 動作原理

静止時には、中央のバルブはバネ力と機械的な停止形状によって開いた状態に保持されます。リザーバからのブレーキ液はバルブを通ってポペットの周りを流れ、圧力室に流れ込みます。ドライバーがブレーキ ペダルを踏み込み、ピストンの動きが始まると、バルブ スプリングの力が徐々に打ち破られ、バルブ シートがポペットに対して閉じます。密閉されると、圧力チャンバーはリザーバーから隔離され、さらにピストンが動くと閉じ込められた流体が加圧され、ブレーキ回路に送られます。

ペダルを放すと、リターン スプリングの圧力が最初に低下し、中央のバルブ スプリングが再びバルブを開き、液体がリザーバから圧力チャンバーに逆流します。{0}}

センターバルブのプリロードスプリング力は慎重に選択する必要があります。予圧力 (F) を有効シール面積で割った結果、逆開き油圧が 0.03 MPa 未満になると、ブレーキ液の補正が加速され、マスター シリンダーの戻り速度が向上し、組み立て中の手動によるブレーキ液の充填が容易になります。-

2.5 センターバルブマスターシリンダーの製造仕様

以下の仕様は、乗用車用途の一般的な要件を表しています。

3 つの主要な構造傾向と観察

3.1 規制主導の開発-

マスターシリンダーの進化の最も重要な唯一の推進力は安全規制です。 1967 年に米国でデュアル回路ブレーキ システムが義務付けられたことにより、業界全体が変革されました。{4}同様に、すべての新型乗用車に 2004 年以降はアンチロック ブレーキ システム（ABS）-、2014 年以降はエレクトロニック スタビリティ プログラム（ESP）-を装備するという欧州連合の要件により、マスター シリンダーが果たすべき役割が根本的に変わりました。

ABS 要件は、マスターシリンダーが早期の摩耗なしに圧力脈動やシールの振動に耐えなければならないことを意味します。 ESP 要件は、マスターシリンダーが自動ブレーキ介入のために大量の流体を瞬時に供給する必要があることを意味します。これらの要件は任意ではありません。-これらの要件は、ほとんどの主要市場における車両認証の法的最低要件です。

3.2 世界的な規制の枠組み

輸出を目的としたブレーキ システム コンポーネントの場合、2 つの主要な規制枠組みを認識することが不可欠です。

• FMVSS 105 (米国): 連邦自動車安全基準 No. 105 は乗用車、多目的乗用車、トラック、バス用の油圧ブレーキ システムを対象としており、停止距離、ブレーキ力の配分、システムの完全性に関するテストが義務付けられています。-
• ECE R13 (EU およびその他の多くの市場): 国連規則 No. 13 は、ブレーキに関するカテゴリー M、N、O の車両の承認に関する統一規定を対象としています。ヨーロッパ、アジア、中東などで広く採用されています。

最新の車両はこれらの規格の一方または両方に準拠する必要があり、マスターシリンダーの設計は対応するテストプロトコルに対応する必要があります。

3.3 ポートレス アーキテクチャへの移行

従来のボア-ウォールポートでは、ABS サイクリング下で信頼性の問題が実証されています。プランジャー- タイプとセンター バルブ- タイプの設計はどちらも、異なるメカニズムによりポート エッジを排除します。最終的にどのアーキテクチャが主流となるかは未解決の問題ですが、プランジャー- タイプの設計は軸方向の長さと流量の点で利点があり、将来のアプリケーションにとって決定的なものとなる可能性があります。

3.4 電子制御システムとの統合

エレクトロニック スタビリティ プログラム（ESP）と新世代のブレーキ バイ ワイヤ システムでは、電子制御ユニットや位置センサーとの統合に加え、迅速かつ大容量の流体供給が可能なマスター シリンダーが求められています。{0}{1}{2}完全自動運転車（レベル 4 およびレベル 5）は、最終的には油圧コンポーネントへの依存を減らし、純粋な電子ブレーキを採用する可能性がありますが、ワイヤーによるブレーキは当面は油圧基盤を維持すると予想されます。{6}

ブレーキマスターシリンダーの進化は、主に 2 つの推進要因に従ってきました。1 つは、世界中の規制によって課せられた車両ブレーキの安全性要件の改善であり、安全性、信頼性、他のブレーキ システム コンポーネントとの互換性の基準を継続的に引き上げてきました。さらに、マスターシリンダーの設計と製造プロセスを継続的に改良し、より優れた性能、より低いコスト、よりコンパクトなパッケージングを実現しています。

ABS は現在、ほとんどの市場のすべての新型乗用車に標準装備されており (2004 年から義務付けられています)、ESP は 2014 年から義務付けられているため、マスターシリンダーは ABS サイクルに確実に耐え、ESP の流れの要求を満たさなければなりません。業界は、ボア壁の補正ポートを排除したポートレス設計-センター バルブとプランジャーの両方-タイプ-に集中しつつあります。{6}}この移行は今後も続くと考えられ、これらのアーキテクチャが新しい車両の従来の設計のほとんどを置き換える可能性があります。

ESP は世界的に採用され続けており、プランジャー{0}タイプのマスター シリンダーは瞬間的に大量の流体量を供給できるため、将来の用途に向けて強力な地位を築いています。一方、電子パーキング ブレーキ システムやその他の電子制御システムの段階的な採用により、ピストン位置センサーを備えたマスター シリンダーの導入はすでに限られています。

参考文献

[1] 自動車ブレーキシステムに関する規制。米国連邦自動車安全基準 No. 105 (FMVSS 105)、国連 ECE 規制 No. 13.

[2] デュアルサーキットマスターシリンダーレギュレーション。-。米国連邦自動車安全基準、1967 年義務化。

[3] ABS および ESP の実装スケジュール。 2004年から新型乗用車にABSが義務付けられ、2014年からESPが義務化。

[4] センターバルブマスターシリンダーテクノロジー。ボッシュのブレーキシステム。 ABS 用途における一次カップシールの損傷を軽減します。

[5] ブレーキマスターシリンダー市場分析2025-2032年。統計MRC。市場規模は 2025 年に 37 億、CAGR 5.5% で 2032 年までに 54 億に達すると予測されています。

[6] ヘインズマニュアル。車のマスターシリンダーを理解する。開発の歴史 1960 年から 1967 年。

[7] SAEインターナショナル。 SAE J1154 自動車ブレーキ用油圧マスターシリンダー - 性能要件 (最新改訂)。

[8] プランジャー-タイプのマスターシリンダーの特許。ヒュンダイモービス、ボッシュ。設計および製造仕様。