ブレーキあれこれ

マスターシリンダーサイズとレバーレシオ・油圧レシオ・トータルレシオ

バイクを何回乗り換えてもブレーキには色々とあります。
過去のページを読み返してみると、その時々で様々な事を考え試しています。確固とした根拠無く、伝聞や風聞を参考にしてパーツを交換したものの思った程の効果が得られなかった事もありました。
ブレーキという生死にかかわる非常に重要なシステムの変更について、漠然とした不安を抱え始めた頃にRC46とSC45というに逸材に出会い、幅広い考察をする事ができたのは幸運でした。この経験の結果、不満の原因とその解消について多くのノウハウを得て、より本質的な事に考えが及ぶようになり、結果的により多くの安全要素を取り込むことができるようになりました。
RC46のフロント周り移植の際もブレーキは結構頭を悩ませたポイントでした。じっくり考えて「効果が高くコストのかからない」という都合(虫)のいい方法を考えてます。
正しい解答を得るには正確なデータを元に考える必要があり、視覚的に把握しやすい表やグラフを作るのが大好きな私はこんなページを作ってみました。
どこまでデータを生かせるのか不明ですが、自分以外に一人でも「こんなデータが欲しかった」と言う人がいれば嬉しいですね。
注…このページでは特に断りが無い限り、長さと径:mm、面積:muです。


ブレーキシステム
ブレーキは減速する為の機構ですが、具体的には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です。
現行のスポーツバイクに搭載されているブレーキ100%油圧ブレーキで、大雑把にはフルードを送り出すマスターシリンダー、ディスクロータを締め上げるキャリパー、それを繋ぐホースの3点で構成されています。す。

油圧レシオとレバーレシオ
ブレーキ周りの話やチューニングに欠かせない用語を少し。
油圧レシオ
油圧ブレーキはパスカルの法則を利用していますから、ピストンやシリンダーの面積比が重要な要素になります。そこでキャリパー側ピストン総面積÷マスターシリンダーの断面積の値を油圧レシオと呼んでいます。
油圧レシオが20の場合、マスターシリンダーのピストンに1sの力を加えて5o移動させたとすると、キャリパのピストンは20kgの力を発生し、移動量は5/20=0.25oになります。
この事から判るとおり油圧レシオを大きくしすぎると、パッドをローターにしっかり押し付けるのに必要なマスター側ピストンの移動量も大きくなりすぎてフニャフニャで効力が殆ど増加しない危険なブレーキになってしまいます。
この値はピストンレシオと呼んでも良いと思いますが、技術系の雑誌で油圧レシオと書いてあったので、それにならいました。
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レバーレシオ
平たく言うと梃子の比率です。レバーの軸が支点、指かけ部分が力点、ピストンを押し込む部分が作用点に相当し、支点⇔力点間÷支点⇔作用点間の値です。つまり、乱暴な言い方をするとレバーに加えた力を何倍に増幅するかをあらわしているという事になります。
他の部分が変化せずレバーレシオが1に近付くと、ブレーキをかけるのにより大きな力を必要とするようになります。小排気量車ではわざとレバーレシオを1に近づけ、キャリパへの過大な入力を防いでいます。
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トータルレシオ
油圧レシオとレバーレシオをかけ合せた値。マスターシリンダやキャリパを交換する際は、この値を大きく変動させないようにする必要があります。
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キャリパボディの剛性
ロータを締め上げるピストンを内蔵するキャリパ自体の剛性です。キャリパ剛性が低いとロータを締め上げる反作用でキャリパボディが反ってしまい、何割かの力が逃げてしまいます。いわゆる「奥で効かない」とか「握り込んでも効力が増加しない」という現象として現れたりします。
一般にはピンスライド→鋳造2ピースボディ→削り出し2ピースボディ→ワンピースボディの順で剛性が高くなります。
ピンスライドキャリパは一体鋳造なので本来の剛性は鋳造2ピースを上回るのですが、ピストン加工の都合上どうしても固定側のパッドはブリッジ式に両端を支える形式になってしまいます。大きな力が加わるとキャリパボディの限界以前にパッドのバックプレートが反ってしまい、結局キャリパボディの剛性が低いのと同じ事になります。この剛性不足に対する解決方法の一つが、RC46やSuperBlackBirdに採用された鋳造2ピースピンスライドキャリパです。
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キャリパの結合剛性
ブレーキング時にキャリパがロータに対して平行を保ちつづけようとする剛性です。一般的なキャリパは前端でフォークへの取り付けられ、取り付けポイントはロータより車体外側にずれています。その為、ブレーキング時にフォーク取り付け部を中心としてキャリパを車体内側ひねろうとする力が働きます。すると、パットとロータの接触が不均等になる他にロータを歪ませる力が働きます。「効き」や「離れ(リリース)」に影響する為、キャリパの前後を支え結合剛性を高く取れるラジアルマウントが開発されました。
2003年以降市販車にもラジアルマウントを採用する車種が出始めましたが、その結合剛性の恩恵はサーキット以外ではまず体感できないとの事です。
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横置き、ラジアル、セミラジアル
シリンダとハンドルが平行に配置されるタイプを[横置き]と呼びます。ハンドル周囲の空間的制約が少くコスト的に有利で、量産バイクのマスターシリンダはほとんどかこのタイプです。あのモンディアル・ピエガでさえブレンボの[横置きOEMタイプ]を採用しています。
一方、シリンダがハンドルに対して直角に配置される物をラジアルタイプ、ある程度傾けて配置される物をセミラジアルタイプと呼びます(本来ラジアルとは[放射状]という意味なので、直角である必要は無いのですが、ブレンボやロッキードをはじめとした全メーカーが直角配置の物を[ラジアルマスターシリンダー]として製品化しているのでそれに従っています)。
セミラジアルタイプは、SC44やSC45が採用したNISSIN製が横置き基準で約15度、ドカティ999が採用したブレンボ製はラジアル基準で約30度傾けられています。
現在マスターシリンダに対する要求を突き詰めていくとラジアルタイプになる事は、MotoGPなどレースでの装着率が証明しており、2004年モデルの極一部車輌にもラジアルタイプが標準搭載されました。ラジアルタイプのフィーリングは誰もが絶賛する所ですが、弱点もあります。それはハンドルから前方にシリンダやレバー部が突き出す(NISSIN製で130o弱)ので、ハンドル周辺に大きな空間とされる事です。
カウル内にタコメーター以外に無いようなレーサーと違って、市販車では様々な補器類がカウル内に押し込まれています。ラジアルタイプではハンドルを左一杯に切った時、レバーがメーターパネルやカウルが干渉してしまう場合があります。Uターンもしなければならない市販車では、ハンドルの切れ角確保も大切な条件です。
NISSINは横置きタイプ並の空間的要求を優先。一方のブレンボはラジアルタイプの能力を最大限残しつつメーター等との干渉回避、ハンドル切れ角確保の2点と満足させようとしたようです(横置き装備の998よりセミラジアル装備の999の方がハンドル切れ角が大きいのはこの為)。両方を使い比べた事はありませんが、ブレンボ製がよりサーキットユースに重点を置いているようですね。
無効ストローク
マスターシリンダにはパッドの磨耗に対応してフルード量を調整する機構があり、ワイヤ式ドラムブレーキのようにレバーの遊び量が変化する事はありません。具体的にはシリンダ壁にリザーバタンクに通じる穴を開け、レバーを握っていない状態ではピストンカップが穴より下がった位置にしておきます。これでキャリパからリザーバタンクまでフルードがスルー状態になり、毎回必要なブレーキフルードを確実に送り出せる事になります。
このリザーバータンク直通穴をプライマリポートと呼びますが、ヒストンカップがプライマリポートを通過しないと油圧が発生しない事になり、構造量無効ストロークを0にする事はできません。
ピストンの定位置からピストンカップがプラマリポートを通過するまでの距離が無効ストロークで、レーシング用のマスターシリンダで0.8o程度、市販モデルで1.0o程度とされますが、実際に感じる無効ストロークはレバー比に応じて拡大されるので、ずっと大きくなります。
最近のピュアスポーツ系は初心者のパニックブレーキ対策として無効ストロークを大きくする傾向のようで、ベテランライダーの評価は芳しくありません。
とりあえずこれだけ覚えておけば、ブレーキ周りに関する大抵の話はOKだと思います。

まずマスターシリンダ
@呼びサイズ A径の増分 B断面積 C断面積対比
1/2inch 12.70 - 126.68 100.00 79.01 64.00 52.89 44.44
9/16inch 14.29 1.59 160.32 126.56 100.00 81.00 66.94 56.25
5/8inch 15.88 1.59 197.93 156.25 123.46 100.00 82.65 69.44
11/16inch 17.46 1.59 239.50 189.06 149.38 121.00 100.00 84.03
3/4inch 19.05 1.59 286.02 225.00 177.78 144.00 119.01 100.00
※数値はいずれも少数第三位を四捨五入
装着例 RC46→1/2inch SC36→9/16inch RC30→5/8inch VTR SP-2→11/16inch VTR SP-1→3/4inch
上の表について説明すると、
@呼びサイズ
マスターシリンダのボディ等に刻印されているものです。シリンダ内径の実測値が入手できなかったので、呼びサイズを元に計算しています。
Aシリンダ径増分
直上のマスターシリンダに対して、シリンダ径がどれだけ拡大したかを表しています。
Bシリンダの断面積
マスターシリンダの能力を比較する時はシリンダ径と共に参考にする数値ですが、こちらの方がより直感的に比較できます。
Cシリンダ断面積比
任意のシリンダを基準にした場合の比を%で表しています。
11/16inch(17o)と3/4inch(19o)には通常の横置きタイプは生産されていないようです。ラジアルとセミラジアルはレバーレシオが関連してくるので、単純に断面積だけでは比較できず、トータルレシオで考える必要があります。
では次に実際のレバーレシオ、油圧レシオ、トータルレシオの話に進みましょう。観念的な話では説明が難しいので、具体的な数値を挙げます。ブレーキレバー軸中心からレバーを握る位置までを100o、キャリパはSC45純正右側を使ったとします。
SC45純正キャリパのデータは以下の通り。
ピストン径 34.0o×2 ピストン径 32.0o×2 ピストン総面積 3424.30mu
レバーレシオを算出する為には梃子の支点⇔作用点間の距離を求める必要があります。右の図面はRC30用の5/8inchマスターシリンダとSC45用3/4inchマスターシリンダの、レバー軸とピストン周辺を実測に基づいて書き起こした物で、左:RC30用、右:SC45用です。
※RC46用1/2inchiとSC36用9/16inchのマスターシリンダはシリンダ径を除けばRC30用とほぼ同じ数値です。作図段階ではSC36については未確認だったので、RC30/46と記載しています。

データが揃えば後はExcelで簡単に計算できます。
支点作用点間 支点力点間 レバーレシオ マスター面積 ピストン総面積 油圧レシオ トータルレシオ
RC30用
5/8inch
24.95 100 4.01 197.93 3424.30 17.30 69.34
SC45用
3/4inch
19.06 100 5.25 285.02 3424.30 12.01 63.03
131% 69% 91%
トータルレシオをみて判るとおり、両者の「フルードを送り出すポンプ」としての能力には1割程度の差しかありません。またSC45用3/4inchiが油圧レシオを小さくし、その分レバーレシオを大きくしてバランスをとっている事もわかります。これは何もセミラジアルタイプに限った話ではなく、ラジアルタイプでも同じ事です。
ポンプとしての機械的能力に差が無いのであれば、わざわざラジアルもしくはセミラジアル化するのでしょう?
理由の一つに入力ロスの少なさが挙げられます。
右上の図をもう一度見てください。赤い線で円弧が書き入れてありますが、これがポイントです。この線はブレーキレバーを握り込んだ時、作用点がどのように動くかを表していて、当然ながらブレーキレバー軸を中心とした円の一部を描きます。ピストンロッドは直線運動しかできませんから、円弧上を移動する作用点はピストンロッドの頂上部をこじりながら押し込んでいきます。真っ直ぐにしか動けない物に斜めの力を加えながら押していくのですから、当然大きなロスが発生します。このロスを少しでも小さくする為にレバーレシオを大きくとってストロークを減らし、不足する吐出量をシリンダの大径化(油圧レシオを小さく)で補い、トータル的にピストンロッドをこじる量を少なくしています。
※フルードの吐出量を基準にとると5/8inchiでのピストン移動量5oと3/4inchiでの移動量3.5o弱が同等で、こじり量は5/8inchの0.5oに対して3/4inchでは0.32oです。
入力時のロスが大きければ、逆方向つまりフィードバック情報もロスにかき消されてしまうでしょう。するとブレーキをかけた時に得られる情報が乏しく微妙な操作ができず、いわゆるダメなブレーキになってしまうのではないでしょうか。
ちなみにブレンボのレーシングラジアルマスターはシリンダ径×ストロークの刻印がありますが、ここでいうストロークは一般的なピストンの移動量ではなく、レバー支点とシリンダー/ピストン中心の距離を表しています。市販されている19mmシリーズには×20、×18、×16の三種類があります。数字が小さくなるほどレバー比が大きくなり「奥で効く」ブレーキになります。
油圧レシオを一定のままレバー比を大きくすると、トータルレシオを比較的簡単に大きくする事ができますが、ブレンボの狙いはここなのでしょうか…。

次はキャリパ
ピストン径からキャリパに組み込まれているピストンの総面積を出しました。
車 種 RC46 RC30 SC36 SC45
詳 細 純正 改造後 L R L R
L R L R
ピストン
直径
(o)
25.3 27.0 25.3 27.0 32.0 32.0 30.0 30.0 34.0 34.0
- - 22.6 22.6 - - - - - -
22.6 25.3 22.6 25.3 30.0 30.0 27.0 27.0 32.0 32.0
ピストン
面積
(mu
903.87 1075.27 1305.01 1476.42 3022.18 3022.18 2558.80 2558.80 3424.30 3424.30
1979.14 2781.43 6044.36 5117.60 6848.60
注1…ピストン径はRC46のみ実測。RC30とSC45はバイカーズステーションを、SC36はサービスマニュアルを参照。
注2…ピストン面積はπ≒3.14156として計算し、少数第三位を四捨五入。
注3…RC46のみピンスライド方式。その他は対向ピストン方式。

パスカルの法則に従う油圧ブレーキは、ピストン面積が重要なポイントです。作用側であるピストンの面積差は、そのままパッドに加えられる力の差に反映されます。
こうしてみるとRC46用のピストン面積が特に少ないですね。純正同士で比較するとSC45用の30%弱の面積しかありません。これは同じマスターシリンダに接続しても、RC46用のキャリパはSC45用の30%弱しか力を発生させられない事になります。とんでもなく少ないような気がしますが、実際にはピストンが無い側のパッドも反作用でロータに押し付けられるので、反作用分として作用分と同等の30%弱が上乗せされると考えて良いでしょう(注)。つまり、60%程度の力は得られる事になります。更にD−CBSによって自動的にリアブレーキも効力を発揮する事、RC46がスポーツ・ツーリングモデル、SC45がレーサーもしくはサーキット走行メインという事を考え合わせれば、それ程無茶な数値ではないでしょう。

(注)一般的なピンスライドキャリパでは、反作用分をこんなに大きく見込む事はできません。一般的なピンスライドキャリパは加工性優先の為、パッドの両端か両端と中央だけを支える構造になっていて、大きな入力があるとパッドが反ってせっかくの入力が逃げてしまいます(イラスト右)。
RC46に採用されているキャリパは剛性優先の設計です。キャリパボディが2分割され、両者は3本のボルトで強固に結合されています。シリンダ(ピストン穴)加工のしやすさより均等で強力な面圧を確保するように、ピストンが無い固定側も裏面に複数のリブを配し、パッド全体をがっちり支える構造になっています(イラスト左)。

マスターシリンダとキャリパのデータが揃ったので、各レシオを算出しました。
まずは純正の組み合わせで、私が乗ってきた大型4車種をピックアップ。
車種 マスター面積 ピストン総面積 油圧レシオ レバーレシオ トータルレシオ
RC30 197.93 6044.36 30.54 4.01 122.40
RC46 126.68 1979.14 15.62 4.01 62.62
SC36 153.94 5117.60 33.24 4.01 133.25
SC45
SP-1
283.53 6848.60 24.03 5.25 126.07
ツーリングモデルのRC46が一番レシオが小さいですが、こんなに差があるとも思いませんでした。
RC46について補足すると、数値は単純にピストンの面積で計算されているので、上の方で書いている反作用分は考慮されていません。反作用分を含めると倍近い110相当と考えて良いと思います。
その他にピンスライドというキャリパ形式も関係しているかも知れません。オイル・ダストの両シール以外にもスライドピンのブーツによるロールバックが発生するので、一般的対向4ピストンキャリパに比べるとパッドがローターから離れる距離が大きくなります。だから小さ目の油圧レシオでキャリパ自体のロールバック分もカバーするようにしているのでしょう…たぶん。
次はRC46のフロント移植に関連してブレーキを更新していった経緯に沿って各レシオを見てみましょう。
組み合わせ マスター面積 ピストン総面積 油圧レシオ レバーレシオ トータルレシオ
@ RC46MC
0000+RC46純正
126.68 1979.14 15.62 4.01 62.62
(112.72)
A RC46MC
0000+RC46改
126.68 2781.43 21.96 4.01 88.00
(158.40)
B RC30MC
0000+RC46改
197.93 2781.43 14.05 4.01 56.32
(101.38)
C SP-2MC
0000+RC46改
239.50 2781.43 11.61 5.25 60.93
(109.68)
D SP-2MC
0000+SC36純正
239.50 5117.60 31.37 5.25 112.11
※トータルレシオ下段は、反作用分をロスを含めて80%とした場合の補正値。
その他の社外キャリパについてはこちらを参照して下さい。
長い前振りの後でやっと本題に辿り着いた感じですね。
さて、表の@純正仕様からA純正改仕様へ移行した際に、トータルレシオが140.53%に増加してます。この数字はとても大きく、ブレーキフィーリングはかなり悪化しました(→参照)。その後のRC30マスターを導入したBではトータルレシオが純正の89.94%にまで小さくでき、タッチが大幅に改善されました(→参照)。キャリパはそのままでSP-2用マスターを導入したCではトータルレシオは97.3%になりました。最終仕様のDではトータルレシオは99.46%とほぼ純正と同値になると共に、今までのピンスライドキャリパ→対向ピストンキャリパへの移行で入力が無駄なくパッドに伝えられ、コントロール性が云々…という話ができる状態になりました(→参照)。
データと当時のブレーキフィーリングを思い返してみると、トータルレシオが20%以上…特に大きくなる方向に変動すると顕著に悪影響が出るようです。マスターシリンダの交換や6ピストンキャリパへの移行等トータルレシオが大きく変動する可能性がある場合は、予めトータルレシオを計算し悪影響を抑える対策を講じる必要があります。

結果論ですが、RC46に於いて実行した様々なブレーキ関連の試行錯誤は、大筋で正しい方向性だったようです。最終仕様にも不満が残ってはいましたが、310o化を含めて改良途上だった事、可能な限り費用を抑えるという点を考え合わせると及第点でしょう。


RC46最終仕様で感じていたのはブレーキ効力がもうちょっと欲しいという事でした。
これを純正流用で適正化するなら、SC45純正キャリパを導入(ボルトオン)してRC46純正より大きなトータルレシオに設定、パッド面圧を大きくしてブレーキ効力を稼ぐ…という物になったと思われます。まぁ、実際には価格の問題からブレンボの鋳造4ピストンを導入していたでしょう。
NISSIN純正は片側(パッド無し)で\25,000程度ですから、左右+パッドでおよそ\60,000。
ブレンボ鋳造タイプなら片側(パッド付き)約\12,000なので、左右+キャリパサポート+バンジョーボルトでおよそ\40,000。
これならブレンボを選択しますよねぇ。

色々データを揃えてあれこれ考えてもどうしてもわからない部分がフィーリングやコントロールという部分です。
なぜブレンボのラジアルマスターは、あれほどまでにコントロールしやすいのか?
マスター以外を全て同じにしても、ブレンボラジアルは際立ってコントロールしやすいのです。シリンダ径はNISSINのセミラジアルと同等、つまり油圧レシオも同等。レバーレシオもほぼ同じ。でも実際にブレーキング最中の感触はまるっきり違います。
ラジアルとセミラジアルの違い以上の何かがあるのでしょうか?
ブレンボラジアルはレース仕様なので無効ストロークが少ないですが、一度ブレーキがかかり始めてからは関係ないですから、これが影響しているとは思えません。
この謎については、もっと調べて、随時考察等を追加します。
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キャリパー
参考資料
純正以外のキャリパについてのデータ

キャリパ マスターシリンダ マスター面積 ピストン総面積 油圧レシオ レバーレシオ トータルレシオ
ニッシン6ピストン SP-1MC 285.02 6311.39 22.14 5.25 116.18
SP-2MC 239.50 26.35 5.25 138.35
RC30MC 197.93 31.89 4.01 127.80
ブレンボ2ピース SP-1MC 285.02 6459.05 22.66 5.25 118.90
SP-2MC 239.50 26.97 5.25 141.59
RC30MC 197.93 32.63 4.01 130.79
ブレンボ1ピース SP-1MC 285.02 7288.42 25.57 5.25 134.16
SP-2MC 239.85 30.43 5.25 159.77
RC30MC 197.93 36.82 4.01 147.59
NISSIN 6ピストンとBrembo 2ピースには、キャスティングとビレットの2タイプがありますが、ピストン径は同一。