LGtouringのブログ一覧

自分の様な旧車系ばかりを好んで乗っている人間には馴染みが薄いのですが、最近、というよりはもう20年以上前だと思いますが、クラッチ付きのプーリーを装着したオルタネーターが登場しました。

通常のプーリーはナットで軸に固定されていますが、オルタネーター自身も慣性モーメントが大きいため、エンジンの回転（トルク）変動に併せてフリクションが発生してしまうので、主にはベルト、あとはテンショナーやオルタネーター本体のベアリング等にも悪影響を与えます。
※なので、フリクションを低減する目的でプーリーにワンウェイクラッチを設けた。

元々はディーゼルのようなトルク変動の比較的大きいエンジン向けに使用されていましたが、近年は電動化の進展に伴い電力負荷、つまりオルタネータに掛かる負荷が増えているので（＝オルタネーター自身の慣性モーメントの増大）、ガソリン車、それもコンパクトカーなどにも採用されているようです。
※運転感覚（ドライバリティ）をスムーズにしたいという要求もあったように思う。


ちなみに、このワンウェイクラッチ付きのプーリーに関しては、現役整備士も含めて燃費の為の装置であると書かれているブログ等が結構多いのですが、燃費向上を狙ったものではありません。

中には、これを充電制御システムだとする整備士もいて（例のMHOさん）、曰く「燃費を稼ぐためにオルタネーターの充電を制御してるんです。プーリーにクラッチを入れて、アクセルを踏み込んでパワーが欲しい時などはクラッチを切ってオルタネーターの抵抗をかけないように。逆にブレーキなど減速をするときにクラッチを繋いで、オルタネーターへ回生させる」のだとか・・・
※もう一度整備士学校からやり直してください。

また、知恵袋で自らを電装屋だと名乗る回答者も「本体回転より強い回転力が掛かると滑る。それより小さい回転力だと滑らない。アクセルレスポンスやエンジン上昇負荷軽減と、燃費に貢献の為の機能」などと説明していました・・・
※それでも「当方電装屋です」なる文言が効いたのか、BAに選ばれていたが、知恵袋の回答が当てにならないというより、実際にこの程度の整備士や電装屋が街にも多いのかと思うと、個人的には極力彼らを頼りにしたくない（のでDIY整備せざるを得ない）

（閑話休題）

で、その構造ですが、MHOさんの言う通りなら電磁クラッチである必要が出てきますが、単なる機械的なクラッチであり、減速時にのみプーリーが（ベルトの回転数と合うまで）フリーになります。

なお、加速側ではなく減速側をフリーにする理由についても「電気は流れ続けようとする性質があるため、急激に減速されると抵抗となるから」とする整備士もいましたが、加速側をフリーにした場合、そもそもエンジンを掛けても回転しませんので（笑）
※前出の電装屋共々、ちょっと考えれば解りそうなものだが？


いずれにせよ、従来の固定式プーリーで、ベルトの早期摩耗やテンショナー等の故障がさほど問題になっていた訳ではないのですが、逆にこのクラッチの方が壊れやすく、こっそりと対策部品に変えられるのは当たり前で、それも一度ではなく何度もだったり、車によっては逆に通常のプーリーに戻されたりと、非常に耐久性あるいは信頼性の低い部品のようです。
※ベルトやテンショナー、あるいは本体より先にプーリーが寿命を迎えては、本末転倒。

現にマツダでは、一部車種においてサービスキャンペーンとして保証を延長しています。
※リコール＞サービスキャンペーン＞ヤミ改修（何もしないよりマシだが）

更に、アルファード（ヴェルファイア）などは過去に数十万台規模の大規模リコールを出しています。
※他にもセレナ（ランディ）などもリコールしている。


（画像はグーネットより）

はっきり言ってコレ、採用している全車種でリコールやれって感じですが・・・

もちろん部品メーカーも対策を繰り返して耐久性の向上を図っているようですが、ベルトは元々消耗品だし、今までテンショナーや本体のベアリングが10万キロ未満で壊れて交換とか普通はなかったので、最初にコレをやったのがデンソーなのか三菱電機なのか、或いは外資なのか解りませんが、机上の空論による技術屋の自己満足的な商品だとしか言いようがない（呆）

で、なんでこんな話をしたかと言うと、実は家族が要介護になったのを機に買ったリフトアップシート付きの（新しめの）車が1台だけあるのですが、まだ2万キロしか走行していないにも拘らず、コレの不具合が疑われる状況が発生したので・・・

ところで、ブレーキの分解整備をした人ならすぐに解ると思いますが、ディスクブレーキのピストンに比べると、ドラムブレーキのシリンダ（ピストン）は、かなり小さいです。
※つまり、ドラムブレーキはピストンの表面積も小さい。

ピストンの表面積が小さいということは、（パスカルの法則より）同じ油圧が掛かったときのピストンを押しだす力自体は、ドラムの方が小さくなります。

さて、現実のブレーキの設計段階においては、当然ですが保安基準に適合するように、まず必要な制動トルクを計算し、そこから安全率を見込んだうえで、ディスク（ドラム）径、パッド（ライニング）の押付力や摩擦係数などを決めていきます。

パッドやライニングの押付力については、前回計算した通り、時速100キロからの制動距離などを基に考えると、一般的な乗用車（車両総重量1.5t、タイヤ径600mm）では50,000Nぐらいで、その場合の制動トルクは3,000Nmぐらいになると思われます。
※大型の車であれば、当然もっと大きい必要がある（でないと止めるまで時間が掛かる）

言い換えれば、ディスクにしろドラムにしろ、同クラスの車同士であれば制動トルク自体は概ね同じなのです。
つまり、現実にはディスクもドラムも効きは変わらない。

一方、同じ表面積のピストンを使えば、ドラムの方が自己サーボが働く分だけ押付力は強くなるので、ドラムの方が強力な制動トルクを得られます。
つまり、構造的にはドラムの方が制動トルクを強く出来る。
※乗用車でそんな事したら、カックンブレーキになって乗れたもんじゃないでしょうけど（笑）

以上です。


P.S.
ブレーキが強力なほど（車体の）制動力が上がり、制動距離は短くなると思っている人が評論家を含めて多くいますが、ブレーキの制動力と車体の制動力は別々の話であり、間違った考え方です。

ただブレーキの制動トルクを上げれば、（フルブレーキング時においても）それだけ短い時間でABSが作動する領域にまで持って行けるので、理論上はタイヤの摩擦力を最大限発揮できることになりますが、実際には制動距離に与える影響は殆ど誤差の範囲内であり、むしろ普段乗りではカックンブレーキになって扱いづらくなるだけです。
※むしろ脚力を鍛えた方が良い？

ドイツ車のブレーキの制動力が大きいのは、パッドの摩擦係数が大きい分、同クラスの日本車に比べて制動トルクが大きくなるからですが、フルブレーキング時の制動距離は日本車と差異はないという事実を考えれば、この話も理解できるかと。
※この件については過去ブログで散々書いていますので、この辺で。

なお、いざという時にブレーキを思い切り踏めない人が多い事を考えると、ドイツ車的な考え方の方が正しいとは思う（が、最近ではブレーキアシストなども装備されているし、個人的には微妙な調整が楽に出来る日本車の方が好みではある）

さて、今回は話をもう少し掘り下げてみたいと思います。


（１）慣性モーメントとは

車を止めるのはブレーキではなくタイヤの制動力ですが、その前にローター（タイヤ）の回転を止めないと始まりません。

そこで、まず基本となるローター（タイヤ）の慣性モーメントとトルクですが、
・慣性モーメント　I [kgm^2]＝M×R^2（M：質量[kg]、R：回転半径[m]）
・トルク　T [Nm]＝I×α（α：角加速度[rad/s＾2]）←直線運動の運動方程式F=maの回転運動版
になります。
※厳密に言うと、慣性モーメントには質量（密度）の偏りなども影響する。


（２）等価慣性モーメントとは

上で述べたのは、回転体を単体で考えたときの話であり、これだけでは実際の自動車の場合を説明できません。
※現実には人や荷物を積むほど、回転を停止させるのにより多くのトルクが必要になる。

それを説明するには、直線運動する車両の慣性を、駆動軸に関する慣性モーメントに等価させて考える必要が出てきます（いわゆる等価慣性モーメント）

等価慣性モーメントの式は、直線運動の運動エネルギーと回転運動の運動エネルギーが等しいと置いて求められます。

例えば、一般的な乗用車（車両総重量1,500kg、タイヤ径600mm）の車軸換算の等価慣性モーメントは、
・Ｉ＝M×R^2より、1,500kg×（0.6ｍ/2）^2=135kgｍ^2
になります。


（３）制動トルクとは

ディスクブレーキとドラムブレーキを比較すると、細かい違いはありますが、基本的には摩擦力にブレーキの半径を掛けた値が、ブレーキの制動トルクになります。
・T＝f×R（4輪車なら、この4倍）

ここで、f=μNなので、垂直抗力N（パッドやライニングの押付力の反力）が問題になりますが、ブレーキメーカー等も公表していないので不明です。

そこで、この押付力と制動トルクを、下記の計算例から推測してみたいと思います。


【計算例】

例えば、直径300mmのブレーキドラムにシューを押し付けて軸の回転を止める場合の制動トルクは、ブレーキドラムとシューの間の押付力を50,000N(=kgm/s^2)、摩擦係数を0.4とすると、
・f [N]＝μP [N]より、f=0.4×50,000=20,000N
・T [Nm]＝f [Ｎ]×R [ｍ]より、T=20,000×0.15=3,000Nm
※４輪なのでこれを4倍して、この車の制動トルクは12,000Nm(=kgm^2/s^2)になる。

上記（２）で計算した乗用車の場合、時速100キロ（=1,666ｍ/min）の時の車輪の回転速度nは、
・πdn=1,666より、n=1,666/0.6π≒884rpm

この回転速度を0にするのに掛かる時間tを考えますが、
・運動量変化＝力積
・角運動量：L [kgｍ^2/s]＝Iω（ω：角速度[rad/s]）←直線運動における運動量p=mvの回転運動版
・ω＝2πn/60
なので、
・t [s]＝L [kgｍ^2/s] /T [Nm]より、t=135×2π×884/60/12,000≒1.04s

前回のダウンフォースの話で計算した通り、時速100キロから平均-0.95Gの加速度で減速した時に掛かる時間と距離は、3秒＆41.7mでしたので、ブレーキを踏んで1秒後にホイールがロックすると考えれば、まあ妥当な線かと。

よって、一般的な乗用車の場合、押付力は50,000N、制動トルクは3,000Nmぐらいでしょう。
※なお、車両総重量2,000kg、タイヤ径700mmの車になると、同じ1.04sで止めるには4,670Nmの制動トルクが必要になるので、ブレーキ径や押付力なり摩擦係数をもっと大きくする必要がある。

先日、BYDのラッコの試乗記を見ていたら、「重い車重に合わせて前後ディスクブレーキを採用している。」と書かれていました。
↓
BYD「ラッコ」を正直レビュー! 乗ってわかった中国産軽EVの真価
https://news.mynavi.jp/premium/article/20260810-racco-testdrive/

多分BYDが広報資料でそのことをアピールしていて、それに乗っかって書いただけだと思いますが、この評論家の言う「重い車重に合わせて前後ディスクブレーキを採用している。」には3つの誤解があります（注）

①重い車重の車は止まらない。
②ブレーキを強化すればよく止まるようになる。
③なので、ドラムより強力なディスクを採用した。

このうち、①と②については過去ブログで散々書いているので、今回は③をテーマに取り上げます。


（１）世間一般の認識は？

まず、ディスク派とドラム派のどちらが多いかですが、ネットを見ると、（ディスクの方が高性能というイメージが浸透しているからか）概ねディスク派が多いようです。

特に一般ユーザーの間では、カーメディアの論調が効いているのか、ディスク派が多いようですが、一方で訳知り顔のマニアさんに限定すると、ドラム派が多いのが特徴です。


（２）シューやパッドの接触面積が増えると、効きは強くなる？

で、マニアの支持するドラムですが、なぜディスクより強力なのかというと、割と多いのが、「ドラムの方が（シューの）接触面積を増やせるから」という理由です。

例えばJAFでは、
「ドラムブレーキのライニングは、ディスクブレーキのパッドより面積が大きくできるので、ドラムとディスクローターの直径が同じであれば、制動力そのものはドラムブレーキのほうが上になります。」と解説しています。
↓
[Q]ディスクブレーキとドラムブレーキは何が違うのですか？
https://jaf.or.jp/common/kuruma-qa/category-construction/subcategory-structure/faq075

また、GAZOOでも、
「（ドラムブレーキは）ブレーキシューのサイズも大きいため、制動力も充分でした。」などと解説しています。
↓
仕組みは？ 性能は？ ディスクブレーキとドラムブレーキは何が違う？
https://gazoo.com/column/daily/19/11/17/

実は自動車業界（というかカーメディア）では、紙媒体の時代から「接触面積が大きい方が制動力は大きくなる」という常識がまかり通ってきましたが、クーロンの摩擦法則を考えれば、接触面積は（基本的には）関係ありません。
※JAFもGAZOOもそれなりに影響力は大きいので、もっと精査した記事を載せて戴きたい。


（３）自己サーボ作用とは？

で、ドラムブレーキが強力な本当の理由ですが、自己サーボ作用が働くからです。
※簡単に言うと、押付けたときにリーディング側のシューが回転方向に引き摺り込まれることで、食い込む力が働く。

ドラムブレーキの構造や仕組みについては、説明が面倒なので興味のある方は下記のリンクをご参照ください。
↓
曙ブレーキ工業㈱
https://www.akebono-brake.com/product_technology/product/automotive/drum/

という訳で、ピストンを押す力が一緒なら、ドラムの方が効きが強くなります。
※なぜ下線部分を強調したかは、次回以降に。


【おまけ】

更にベストカーには、ディスクの方が強力というだけでなく、荷重移動についてもおかしな事が書かれていました。

「ブレーキをかけると荷重が前方へ移り、前輪側が大きな制動力を受け持つため、後輪は（効きが弱い）ドラム式でも十分という考え方だ。」
↓
軽EVなのに後輪までディスクブレーキ!!　BYDラッコが4輪ディスクを採用した理由
https://bestcarweb.jp/newcar/1593920

一応正しく解説すると、荷重移動で制動距離が延びるのは、後輪は荷重が減ることで制動力が下がるため（逆に効きを強くしないと十分な制動力を発揮できない）、全体として制動力不足になるからです。
※納得できない人は、EBDの仕組み（なぜ積載時に後輪のブレーキ力配分を増やすのか）を考えて下さい。

もっとも、カーメディア界の夕刊フジ＆ゲンダイに当たるのが、カートップとベストカーなので、あまり難しいことを言っても始まらないですが（笑）


（注釈）
BYDの広報資料を見た訳ではないが、ラッコがディスクを採用した理由は、「（耐フェード性が高まるので）山道などで繰り返しブレーキを踏んでも安心」ということなのだと思うが、この評論家もご多分に漏れず「軽量な軽自動車なら性能的にも（ドラムで）不足なし」などと書いていたように、「ディスクの方が効きが強力だから、重い車でも止まれる」と思いこんでいるようだ。

最後に、ウイングのありなしでの（100km/hからの）制動距離はどう変わるのでしょうか？

その前に、揚力の公式ですが（注1）
・L=Cl×（1/2×ρ×v²）×A
となります。
Cl：揚力係数
1/2×ρ×v²：動圧
A：翼の前面投影面積
つまり、揚力（ダウンフォース）は速度の二乗に比例します。

従って、F1のダウンフォースですが、今や最大で3,500kgあたりに達するようですが、これが300km/h地点の物だとすれば、速度の二乗に比例するので100km/h地点では約390kgになります（注2）


で、市販のスポーツカーの場合ですが、実際のダウンフォースのデータがありませんので、WRXとかランエボのような派手なウイングを付けた車で、100km/h地点で（F1の半分として）約195kgとします。
※以下、ざっくりとした計算です。

これを100→0km/hで積分して平均すれば、約65kgとなり、このスポーツカーの車両総重量を1500kgとすれば、平均で+4.3％と見做せます。

で、このスポーツカーの（ウイングなしの）制動加速度を平均で-1G≒-9.8m/s^2とすれば、ウイングありだと-10.2m/s^2になりますので、
・なしの場合の制動時間：2.84s、制動距離：39.5m
・ありの場合の制動時間：2.73s、制動距離：37.9m
となります。

なので、制動距離のランキング上位にスポーツカーやスーパーカーが多いのは、ハイグリップタイヤと高度なABSシステムに加え、低重心のため荷重移動量が少なくて済むという話だけではなく、風を積極的に利用している面も大きいように思います。


注釈
（注1）
ちなみに抗力（空気抵抗）ですが、D=Cd×（1/2×ρ×v²）×Aとなるので、基本的には揚力が増えれば抗力も増えますが、互いに完全な比例関係にある訳ではないので、揚力が最大で抗力がなるべく少なくなるポイントになるよう設計します。
※詳しくは、揚抗比（L/D比）で検索してみてください。

（注2）
F1の車両総重量は650kgぐらいだそうなので、650kg×2倍のダウンフォースが得られれば、マッハ号やゼロゼロマシンのように、逆さになっても普通に走ることが可能です。
※100km/h地点でダウンフォースが約390kgなら、181.6km/h地点で約1,300kg

なお、ダウンフォースが650kg以上なら逆さで走れると言う人もいますが、例えば750kgでは必要な摩擦力が得られず（タイヤが空転して十分なトラクションが得られず）失速するので、やがて車も落ちてしまいます。
※但し、1,200kgなら可能かもしれません。