ブレーキサーボ～各方式

ブレーキサーボ(ブースター)にはいくつかの方式がありますよね。多く見られるのは真空(バキューム)式、空圧式、液圧式でしょう。

バキューム式は多くの乗用車に使われ、空圧・空圧油圧(エアハイドロ)式は大型のトラック、液圧式は一部の大型車乗用車やRV車に使われているようです。

乗用車の液圧式のサーボというのは珍しいものなのかと思っていたら、日本車でも100系のランクル、最近のパジェロ、Y32，Y33シーマあたりに使われていました。昔の雑誌を眺めると比較的古いBMW各車、Audi100にも採用されていたようです。実はそれほど珍しくもありませんでした。

ところで、一般にサーボの機能というのは、小さな入力で大きな力を制御することです。当然、入力には増減があり、これをできるだけリニアに、かつ、操作する人間に都合の良い倍力比で出力に結びつけるものが、『良いサーボ』です。

結論から言って、応答性良く正確で大きなサーボ出力を得ようとしたら、空圧式よりも液圧(油圧)式のほうが優れているということになるでしょう。空圧式では動作流体として使われる空気が圧縮性流体であるのに対して、液圧式は非圧縮性だからです。動作流体の体積変化を待たずにきちんと圧力を受け、伝え、そして保持するには、動作流体が非圧縮性であることは大きなメリットです。

油圧の方が高圧コンパクトな設計でサーボ比を大きくとれるというのは結果的な話で、そもそも油が非圧縮性流体であるからこそ、高圧の動作流体として使えるわけです。（空圧でも、やろうと思えば数十キロの圧力を得ること自体は難しい事ではありません。）

正確な意味では制御で言う『サーボ』と離れてしまいますが、よく見かける例ということで、バックホー(パワーシャベル)やクレーンのブームを動かしているシリンダーについて考えてみると、それらは私の知る限り、必ず油圧で動いています。伸縮両方向ともに、手元操作弁のわずかな動きに即応して各部を動かすためには、必ず動作流体に非圧縮性の流体を使う必要があるからです。

仮にそれらを空圧で動かそうとしたら･･･

スティックスリップによる振動、不確実な位置保持、破裂の危険、応答性の悪さ、等々、おそらく、とても実用にはなりません。という以上に、荷重変化による変位が大きくてとても危険でしょう。

自動車でも、入力と出力の比例性が厳しく求められる『パワーステアリング』に空圧式はありません。（ステアリングの場合、サーボの限界でロックするという液圧式特有の問題が起こりますが。）

そんなわけで、ブレーキサーボについても、本来のサーボ性能だけを考えれば、おそらく油圧式のほうがその特性は良いのではないでしょうか。

ブレーキに油圧サーボを使うE32の750では、油圧制御弁(スプール弁？)のフリクションのせいか踏み始めの動作こそ渋めですが、そのあとは剛性感のある効き方をします。

言葉ではうまく説明できないのですが、制動力が瞬時に立ち上がって･･･いや、立ち上がりの過渡特性など感じないで･･･『ドスン』と効く感じです。これが油圧サーボ特有の感触なのでしょう。（油圧サーボを使った他の車に乗ったことがないので詳しくは分かりませんが。）

(特許庁ホームページ「標準技術集 自動車・二輪車の ブレーキ・サスペンション部品」より引用)

上の図にあるようなバキューム式の場合、一番サーボ力が欲しい全制動の時に、

①ペダルを踏む　→　②ポペット弁が開く　→　③大気室に大気が入り始める　→　④パワーピストンが動きながら大気室の圧力が徐々に上がる　→　⑤大気室の圧力が大気圧に近くなると空気の流入速度が落ちる　→　⑥サーボ力が最大に達する

という経過をたどるわけで、空気室に出入りする空気の量も多く、それほどレスポンスを上げられる構造ではありません。

ブレーキをガツンと踏み込んだとき、最初の踏み込みではブレーキペダルが重く、遅れてペダルがグッと入って行くのは、おそらく踏み込み速度に対して大気室に大気が入る速度が不足してしまうからでしょう。ブースターが踏み込みの抵抗になっているとも言えると思います。

（バキュームブースターの動作について詳しくは特許庁ホームページの「特許・実用新案検索」で、例えば「特許公開2007-99277」を見ると、実施形態の中にクドクドと書いてありました。）

逆にペダルを放したときも、

①大気室がバキューム側に連接する　→　②エンジンバキュームの能力とリターンスプリングによって徐々に大気室の大気が抜けて行く　→　③もとの位置に戻る

ということになります。実際、ペダルを短い間隔で強く繰り返し踏むと、ペダルが戻りきれずに奥に入ったままになってしまいます。

（バキューム式については、動作圧力源となるバキューム圧力自体が安定していないということも、いまいちな点だと思います。ブレーキに軽く足を乗せたままシフトチェンジしてエンジンブレーキをかけるとペダルがスコッと奥に入ってブレーキが強く効いてしまうあの現象です。）

一方、油圧サーボの場合は、動作流体の圧力が高い(750の場合52～57barらしい)ためにサーボピストンが小さく、かつ、サーボ動作のために出入りする流体の体積もバキューム式とは比較にならないほど少ないので、基本的にはバキューム式と同じ動作経過を辿るものの、その動作は非常に速いものとなります。

ただ、高圧のシールを確実にするため、シールによる各部のフリクションはどうしても大きくなりますから、フェザータッチで効くブレーキを作りたい場合、油圧サーボは向かないでしょう。

そして、油圧サーボの大きな欠点は、油漏れの問題です。空気ならどこに漏れても構いませんが、油はそうも言っていられません。高圧の部分の油漏れは、どうしても付いて回る問題になっているようです。

下にリンクを貼らせていただいたサイトには、E32の7シリーズに使われているH31と呼ばれる油圧サーボの内部の様子、そしてバキューム式への改造の様子が紹介されていました。

【参考資料】　H31システムの構造

設計者に訊かなければ分かりませんが、この車の場合、スペースの都合でバキュームブースターを収める場所がなかったということも、油圧サーボを使った理由のひとつではないかと思います。

レスポンス良く、剛性感のあるサーボ制御を行おうとしたら、どう考えても油圧式のほうが有利であるように思えます。スペース的にもコンパクトで良いと思うのですが･･･。

なぜ油圧サーボがもっと増えないのか不思議です。