ドラムブレーキ

ドラムブレーキは、ブレーキドラムと呼ばれる回転するボウル状の部品に対して、 シューまたはパッドのセットが外側に押し付けられることによって生じる摩擦を利用するブレーキです。

ドラムブレーキという用語は、通常、シューがドラムの内側の表面を押すブレーキを意味します。シューがドラムの外側を押す場合、通常はクラスプブレーキと呼ばれます。従来のディスクブレーキと同様に、ドラムが2つのシューの間に挟まれる場合、ピンチドラムブレーキと呼ばれることもありますが、そのようなブレーキは比較的まれです。バンドブレーキと呼ばれる関連タイプでは、ドラムの外側に巻き付けられた柔軟なベルトまたは「バンド」を使用します。

現代の自動車用ドラムブレーキは、1900年にマイバッハが製造した車で初めて使用されましたが、その原理は1902年にルイ・ルノーによって特許を取得しました。ルノーはドラムブレーキのライニングにアスベストの織り込みライニングを使用しました。これは、熱を効率的に放散する代替材料がなかったためです。ただし、マイバッハはそれほど洗練されていないドラムブレーキを使用していました。最初のドラムブレーキでは、レバーとロッドまたはケーブルがシューを機械的に操作していました。1930年代半ばからは、小さなホイールシリンダーの油圧とピストン（写真のように）でブレーキを操作するようになりましたが、何十年もの間、完全に機械的なシステムを使用し続けた車両もありました。ホイールシリンダーが2つある設計もあります。

ドラムブレーキのシューは摩耗するため、1950年代に自動調整ドラムブレーキが導入されるまでは、ブレーキを定期的に手動で調整する必要がありました。ドラムブレーキは、繰り返し使用するとブレーキフェードが発生しやすくなります。^[1]

ジャガー・カーズは1953年のル・マンにディスクブレーキを装備した3台の車を送り出し、ドラムブレーキを装備したライバル車よりも優れたブレーキ性能により優勝した。^[2]これにより、乗用車におけるドラムブレーキの終焉が始まった。1960年代から1980年代にかけて、車の前輪（ブレーキ力の大部分を受ける）のドラムブレーキは徐々にディスクブレーキに置き換えられた。現在では、ほぼすべての車が前輪にディスクブレーキを使用し、多くの車が4輪すべてにディスクブレーキを使用している。

アメリカでは、ジープCJ-5 （ AMゼネラル社製）が、1986年に段階的に廃止されたときにフロントドラムブレーキを使用した最後の自動車（米国郵政公社向けに製造）となった。しかし、ドラムブレーキは後輪やパーキングブレーキに今でもよく使用されている。一部の車両は、ドラムとして機能するディスクブレーキローターの中央部分（ハット）の内側にブレーキシューが配置されている「ドラムインハット」パーキングブレーキを使用している。^[3]

初期のブレーキシューにはアスベストが含まれていました。古い車のブレーキシステムを修理するときは、ブレーキアセンブリー内の粉塵を吸い込まないように注意する必要があります。米国連邦政府がアスベスト製造を規制し始めた後、ブレーキメーカーは非アスベストライニングに切り替えなければなりませんでした。所有者は当初、交換品のブレーキ性能が悪いと不満を漏らしましたが、ブレーキ技術は最終的に進歩し、それを補うことができました。日常的に運転される古い車の大半には、アスベストフリーのライニングが取り付けられています。他の多くの国でも、ブレーキでのアスベストの使用が禁止されています。

ドラムブレーキのコンポーネントには、バッキングプレート、ブレーキドラム、シュー、ホイールシリンダー、およびさまざまなスプリングとピンが含まれます。

バックプレートは、他のコンポーネントのベースとなります。また、バックプレートは、セットアップ全体の剛性を高め、ハウジングを支え、ほこりや道路の破片などの異物からハウジングを保護します。バックプレートはブレーキ動作によるトルクを吸収するため、「トルクプレート」とも呼ばれます。すべてのブレーキ操作でバックプレートに圧力がかかるため、バックプレートは強度と耐摩耗性を備えていなければなりません。緊急ブレーキまたはパーキングブレーキ用のレバー、および自動ブレーキシューアジャスターも近年追加されました。

ブレーキ ドラムは、一般的に熱伝導性と耐摩耗性に優れた特殊な鋳鉄で作られています。ブレーキ ドラムは車輪と車軸とともに回転します。ドライバーがブレーキをかけると、ライニングがドラムの内面を放射状に押し、その結果生じる摩擦によって車輪と車軸、ひいては車両の回転が遅くなったり止まったりします。この摩擦​​によってかなりの熱が発生します。

1 つのホイール シリンダーが各ホイールのブレーキを操作します。2 つのピストンがホイール シリンダーの両端に 1 つずつシューを操作します。リーディング シュー (車両の前部に最も近い) はプライマリ シューと呼ばれます。トレーリング シューはセカンダリ シューと呼ばれます。マスター シリンダーからの油圧がピストン カップに作用し、ピストンをシューの方に押し、ドラムに押し付けます。ドライバーがブレーキを離すと、ブレーキ シュー スプリングがシューを元の (解放された) 位置に戻します。ホイール シリンダーの部品は右側に示されています。

ブレーキ シューは通常、2 つの鋼片を溶接して作られています。摩擦材は、ライニング テーブルにリベット留めされるか、接着剤で取り付けられています。三日月形の部分はウェブと呼ばれ、リターン スプリング、固定金具、パーキング ブレーキ リンケージ、自動調整部品用のさまざまな形状の穴とスロットがあります。ホイール シリンダーのすべての適用力は、ウェブを介してライニング テーブルとブレーキ ライニングに適用されます。ライニング テーブルの端には通常、両側に 3 つの V 字型のノッチまたはタブがあり、これらはニブと呼ばれます。ニブは、シューが取り付けられているバッキング プレートのサポート パッドに接しています。各ブレーキ アセンブリには、プライマリ シューとセカンダリ シューの 2 つのシューがあります。プライマリ シューは車両の前部にあり、ライニングの位置はセカンダリ シューとは異なります。2 つのシューは交換可能である場合が多いため、違いがないか注意深く検査することが重要です。

ライニングは、耐熱性と耐摩耗性を備え、温度や湿度の変動に影響されない高い摩擦係数を備えている必要があります。ブレーキシューのライニングを構成する材料には、摩擦調整剤（グラファイトやカシューナッツの殻を含む）、鉛、亜鉛、真鍮、アルミニウムなどの熱による劣化に強い金属粉末、結合剤、硬化剤、ブレーキの騒音を減らすゴムチップなどの充填剤などがあります。

英国では、ブレーキ シューの材質には 2 つの一般的なグレードがありました。DON 202 は、ブレーキ パワー サーボを必要としない高摩擦材質です。欠点は、ライニングが急な坂道で色あせしやすいことです。より硬いライニングとして有名な VG95 も製造されましたが、これにはブレーキ サーボが必要でした。もう 1 つの難点は、高摩擦ライニングをテスト専用に取り付けないと、パーキング ブレーキが毎年の MOT テストに合格しないことが多かったことです。

ブレーキをかけると、マスター シリンダーからホイール シリンダーにブレーキ液が圧力をかけられて押し込まれ、ブレーキ シューがドラムの内側の機械加工された表面に押し付けられます。この摩擦​​作用により、ホイールに連結されたブレーキ ドラムの回転が減ります。そのため、車両の速度が低下します。圧力が解放されると、リターン スプリングがシューを元の位置に引き戻します。

ブレーキ ライニングが摩耗するにつれて、シューがドラムに到達するまでの移動距離が長くなります。自動調整装置を備えたシステムでは、距離が一定のポイントに達すると、自動調整機構が自動的に反応し、シューの静止位置を調整してドラムに近づけます。ここで、調整レバーが十分に揺れて、調整ギアが 1 歯分進みます。調整装置にはボルトのようなねじ山があり、回すと少し緩み、隙間を埋めるように長くなります。ブレーキ シューがもう少し摩耗すると、調整装置が再び前進できるため、シューは常にドラムに近づきます。通常、調整装置は、車両が後進していてブレーキが作動しているときにのみ作動します。

自動調整装置のない車両では、シューとドラムの間の余分な隙間を埋めるために、定期的にブレーキを手動で調整する必要があります。

パーキングブレーキ（または緊急ブレーキ）システムは、ハンドレバーまたはフットペダルに接続された一連のスチールケーブルを介してブレーキを制御します。このシステムは完全に機械式であり、油圧システムを完全にバイパスして、ブレーキが完全に故障した場合でも車両を停止させることができるという考え方です。ここで、ケーブルはブレーキに取り付けられたレバーを引っ張り、ブレーキシューに直接接続されます。これにより、ホイールシリンダーをバイパスしてブレーキを直接制御する効果があります。^[4]

ドラムブレーキには、自然に「自己作動」する特性があり、これは「自己励磁」としてよく知られています。^[5]ドラムの回転により、片方または両方のブレーキシューが摩擦面に引き込まれ、ブレーキの噛み込みが強くなり、ブレーキシューを互いに保持する力が増します。これにより、ドライバーが余分な労力をかけずに制動力が向上しますが、ドライバーがブレーキの感度を調整することが難しくなります。また、ブレーキ摩擦が減少するとブレーキアシストの量も減少するため、 ブレーキはフェードに対してより敏感になります。

ディスクブレーキは、パッドに作用する油圧がディスクの回転方向と垂直であるため、自己作動効果を示さない。^[5]ディスクブレーキシステムは通常、 運転者のペダル操作力を軽減するためのサーボアシスト（「ブレーキブースター」）を備えているが、一部のディスクブレーキ車（特にレースカー）やオートバイ用の小型ブレーキなどでは、サーボを使用する必要がない。^[5]

ドラムブレーキは、通常、リーディング/トレーリング（「シングルリーディング」とも呼ばれる）またはツインリーディングのいずれかとして説明されます。^[5]

リアドラムブレーキは、通常、リーディング/トレーリング設計（非サーボシステムの場合）またはプライマリ/セカンダリ設計（デュオサーボシステムの場合）であり、ブレーキシューは単一の複動油圧シリンダーによって動かされ、同じポイントでヒンジ接続されます。^[5]この設計では、車両が前進しているか後進しているかに関係なく、ブレーキシューの1つが常に自動適用効果を経験します。^[5]これは、パーキングブレーキ（ハンドブレーキまたはフットブレーキ）が車両の後進を止めて坂道に保持するのに十分な力を発揮する必要があるリアブレーキで特に役立ちます。ブレーキシューの接触面積が十分に大きい場合（常にそうであるとは限りませんが）、坂道の傾斜または逆方向の動きにより重量がリアブレーキに移動したときに、自動適用効果によって車両をしっかりと保持できます。リアに単一の油圧シリンダーを使用するさらなる利点は、反対側のピボットを、パーキングブレーキシステムの作用によって回転するダブルローブカムの形で作ることができることです。

フロントドラムブレーキは実際にはどちらの設計でも構いませんが、ツインリーディング設計の方が効果的です。^[5]この設計では、車両が前進しているときに両方のシューが自動適用特性を使用するように配置された2つの作動シリンダーを使用します。^[5]ブレーキシューは互いに反対の点で回転します。^[5]これにより、前進時に最大限のブレーキが得られますが、車両が後進しているときはそれほど効果的ではありません。^[5]

ツインリーディングフロントブレーキとリアのリーディング/トレーリングブレーキの最適な配置により、車両が前進しているときに車両の前部に強い制動力を与え、後部の制動力を低下させることができます。これにより、後輪がロックするのを防ぎながら、後部にも十分なブレーキをかけることができます。^[5]

アルミニウムは鉄よりも摩耗しやすいため、アルミニウム製ドラムの内側の表面に鉄または鋼のライナーが取り付けられ、アルミニウム製の外殻に接着またはリベット留めされることがよくあります。

ドラム ブレーキは、ほとんどの大型トラック、バス、一部の中型および小型トラック、一部の乗用車、ダートバイク、ATV、および電動スクーターなどの小型レクリエーション ビークルで使用されています。ドラム ブレーキは、車両の前輪ブレーキによって停止力のほとんどが生成されるため、後輪で発生する熱が大幅に少なくなるため、後輪によく使用されます。ドラム ブレーキを使用すると、パーキング ブレーキを簡単に組み込むことができます。

後輪のメインブレーキとしてディスクブレーキが使用されている場合でも、ドラムブレーキがパーキングブレーキ（および緊急ブレーキ）として取り付けられることがあります。多くの後部ディスクブレーキシステムでは、キャリパー内のピストンがカムまたはネジによって作動するパーキングブレーキが使用されています。これにより、パッドがローターに対して圧縮されます。ただし、後部ディスクブレーキが固定のマルチピストンキャリパーを使用する場合、このタイプのシステムははるかに複雑になります。この場合、通常、小さなドラムがブレーキディスク内またはブレーキディスクの一部として取り付けられます。このタイプのブレーキは、バンクシアブレーキとも呼ばれます。

ハイブリッド車や電気自動車では、エネルギー回収モータージェネレーター（回生ブレーキを参照）によってブレーキシステムの摩耗が大幅に軽減されるため、トヨタ プリウス（第3世代以前）やフォルクスワーゲン ID.3およびID.4などの一部のハイブリッド車では後輪にドラムブレーキが使用されています。

ディスク ブレーキは、キャリパー シールの柔軟性とわずかな振れによってパッドを解放するため、抵抗、燃費の低下、ディスクの傷の原因となります。ドラム ブレーキのリターン スプリングはより確実な動作をし、正しく調整すると解放時の抵抗が少なくなることがよくあります。ただし、ディスク ブレーキのピストンを引き込む特殊なシールを設計することは可能です。

ドラムブレーキは摩耗粒子がほとんど密封されているため、ディスクブレーキよりも粒子状物質（PM）の排出量が少ない。ただし、この点では摩擦のないブレーキよりも優れているわけではない。^{[6] [7]}

より耐久性の高いドラムブレーキシステムの中には、ホイールシリンダーの圧力を決定する際に負荷を補正するものがあります。これは、ディスクが使用されている場合にはまれな機能です (シトロエンの車両に採用されているハイドロニューマチックサスペンションシステムは、ドラムまたはディスクのどちらが使用されているかに関係なく、負荷に応じてブレーキ圧力を調整します)。そのような車両の 1 つが Jeep Comancheです。Comanche は、負荷の大きさに応じて、自動的にリアドラムに圧力をかけることができます。他のほとんどのブランドは、何十年もの間、後車軸の油圧に負荷感知バルブを使用しています。

ドラムブレーキの摩擦接触領域はブレーキの円周上にあるため、ドラムブレーキは、同じ直径のディスクブレーキよりも高い制動力を発揮します。ドラムブレーキシューのドラムに対する摩擦接触領域が拡大したことにより、ドラムブレーキシューは、同様の寸法と制動力のブレーキシステムで使用されるディスクブレーキパッドよりも長持ちします。ドラムブレーキは熱を保持し、ディスクブレーキよりも複雑ですが、リアブレーキの発熱量が少ないこと、ドラムブレーキの自動作動性、摩擦面接触領域が大きいこと、長寿命の摩耗特性 (使用寿命 % / 制動力 kW) により、リアブレーキ用途ではより経済的で強力なブレーキタイプとなることがよくあります。

ドラムブレーキの利点を列挙すると次のようになります。

• 生産コストが低くなります。
• ディスクに比べて耐腐食性が優れているため、メンテナンスの頻度がわずかに低くなります。
• 内蔵の自己励磁効果により、入力力（油圧など）が少なくて済みます。
• ホイールシリンダーはキャリパーに比べて修理がやや簡単です。
• 主にキャリパーに比べてはるかに小型で軽量な油圧シリンダーにより、わずかな軽量化が実現しました。

ドラムブレーキは、パーキングブレーキとしてトランスミッションのドライブシャフトに組み込むこともできます(例: 1962 年までのクライスラー)。これにより、サービスブレーキから完全に独立するという利点が得られますが、後部にバンパージャッキ (当時は一般的) を使用し、適切なホイールブロックがない場合、差動装置の作用により車両がジャッキから外れてしまうという重大な欠点があります。

ランドローバーは、50 年以上にわたってギアボックスの出力軸にドラム ブレーキを使用しています。その利点は、パーキング ブレーキで 4 つの車輪すべてをブレーキできる点です。

ドラムブレーキは、他のほとんどのブレーキと同様に、摩擦によって運動エネルギーを熱に変換します。^[5]この熱は周囲の空気中に放散されるはずですが、他のブレーキシステムの部品にも簡単に伝わります。ブレーキドラムは、大きな力に耐えられるように大きくする必要があり、大量の熱を吸収して放散できなければなりません。ドラムに冷却フィンを組み込んだり、ドラムの周囲に穴を開けたりすることで、空気への熱伝達を促進できます。ただし、急ブレーキや繰り返しブレーキをかけると過度の加熱が発生し、ドラムが変形してブレーキをかけたときに振動することがあります。

過熱によるもう一つの影響はブレーキフェードです。^[5]これはいくつかのプロセスのうちの1つが原因です。通常はそれらすべての蓄積が原因です。

1. 内部膨張ブレーキドラムは、急ブレーキにより加熱されると、熱膨張によりドラムの直径がわずかに増加するため、シューはさらに移動し、運転者はブレーキペダルをより強く踏む必要があります。
2. 摩擦材の特性は加熱されると変化し、摩擦力が低下する可能性があります。ドラムブレーキではシューがドラム内にあり、冷却用の外気にさらされないため、この問題はディスクブレーキよりもはるかに大きくなります。摩擦力の低下は通常一時的なもので、冷却されると素材の効率が回復しますが、^[5]表面が過熱して艶出し状態になると、ブレーキ効率の低下はより永続的になります。表面の艶出しはブレーキの使用を続けると磨り減りますが、それには時間がかかります。
3. ブレーキドラムが過度に加熱されるとブレーキ液が蒸発し、ブレーキシューにかかる油圧が低下します。 ^[5]そのため、ペダルに一定の圧力をかけるとブレーキの減速効果が低下します。メンテナンスが不十分だと、この影響はさらに悪化します。古くて水分を吸収したブレーキ液は沸点が低くなるため、ブレーキのフェードが早く発生します。^[5]

ブレーキフェードは必ずしも過熱が原因ではありません。摩擦面とドラムの間の水は潤滑剤として機能し、ブレーキ効率を低下させる可能性があります。 ^[5]水は十分に加熱されて蒸発するまで留まる傾向があり、その時点でブレーキ効率が回復します。すべての摩擦ブレーキシステムには、エネルギー変換の理論上の最大速度があります。その速度に達すると、ペダルを強く踏んでも速度は変わりません。実際、前述の効果により速度は大幅に低下します。結局のところ、原因のメカニズムに関係なく、これがブレーキフェードです。ディスクブレーキはこれらのプロセスのいずれにも耐性はありませんが、ドラムブレーキよりも熱と水に効果的に対処します。

ドラムブレーキは、ドラム表面に軽い錆がついたり、ブレーキが冷たくて湿っていてパッドの材質の摩擦が大きくなると、グリップしにくくなります。グリップがひどくなると、タイヤが横滑りし、ペダルを離しても滑り続けます。グリップはフェードの反対で、パッドの摩擦が大きくなると、ドラムブレーキの自己補助特性により、作動力が上がります。パッドの摩擦と自己増幅が十分に高い場合、外部の作動力が解放されても、ブレーキは自己作動により作動したままになります。

ディスク ブレーキ ローターは機械加工して摩擦面をきれいにすることができますが (つまり、「回転」)、ブレーキ ドラムでは通常同じことはできません。ブレーキ ドラムの摩擦面を機械加工すると直径が大きくなり、ドラムとの適切な接触を維持するために特大のシューが必要になる場合があります。ただし、特大のシューはほとんどの用途で入手できないため、摩耗または損傷したドラムは交換する必要があります。

低速旋盤があれば、ブレーキ ドラムの機械加工は非常に簡単です (経験則として、鋳鉄は 1 分間に 50 フィート以上の速度で機械加工してはいけません)。通常は、ブレーキ ドラムの取り外しを困難にする隆起部分を機械加工するだけで済みます (特にブレーキが自動調整式の場合)。ひどい場合には隆起部分によってブレーキ ドラムが動かなくなることもありますが、ほとんどのドラム ブレーキ設計では、ドラムの取り外しとメンテナンスを容易にするために、自動調整機構を外部から解除する方法が用意されています。

ドラムブレーキのもう 1 つの欠点は、比較的複雑なことです。ドラムブレーキの作業を行うには、ドラムブレーキの仕組みを大まかに理解し、ブレーキが正しく再組み立てされていることを確認するための簡単な手順をいくつか実行する必要があります。また、ディスクブレーキに比べて複雑性が増すため、ドラムブレーキのメンテナンスには一般的に時間がかかります。また、部品の数が多いため、ディスクブレーキに比べて故障モードの数が多くなります。摩耗したブレーキシューと一緒に交換しないと、スプリングが疲労で破損する可能性があります。また、ドラム内でさまざまなコンポーネント (破損したスプリングや自動調整装置など) が破損して緩むと、ドラムとシューが傷つき損傷する可能性があります。

スプリングやアジャスターなどのハードウェアの重大な故障も、意図しないブレーキの作動やホイールのロックアップを引き起こす可能性があります。スプリングが破損すると、シューが回転ドラムに自由に落下し、基本的にブレーキが作動します。ドラムブレーキは自己励磁特性があるため、拘束されていないシューによりブレーキがかかり、ホイールがロックされる可能性もあります。また、スプリングやその他のハードウェア (アジャスターなど) の破損した破片がシューとドラムの間に挟まり、ブレーキが意図せず作動する (そして前述のようにブレーキ部品が損傷する) 可能性があります。これらの理由から、ブレーキハードウェア (スプリングやクリップなど) は必ずブレーキシューと交換する必要があります。

また、ドラムブレーキは、ホイールシリンダーが加圧されてもすぐには作動しません。これは、シューがドラムに向かって動き始める前に、リターンスプリングの力に打ち勝つ必要があるためです。つまり、非常に一般的なハイブリッドディスク/ドラムシステムは、追加のハードウェアが追加されていない限り、ペダルを軽く踏んだときにのみ（ほとんどの場合、フロント）ディスクでブレーキをかけます。実際には、圧力がドラムブレーキのリターンスプリングに打ち勝つほど上昇するまで、メータリングバルブが油圧がフロントキャリパーに到達するのを防ぎます。メータリングバルブがない場合は、ドライバーがブレーキペダルを踏んでリアシューのリターンスプリング圧力に打ち勝たない限り、車両はフロントディスクでのみ停止します。

ドラムブレーキにアスベストがよく使われていた頃は、修理や交換作業員がアスベスト繊維を吸い込んで中皮腫を引き起こす危険があった。^[8] アスベスト繊維は時間の経過とともに、またブレーキによる高温により折れたり剥がれたりした。湿らせたブラシやエアゾールスプレーは、粉塵を減らすためによく使われた。安全規制当局は、掃除機のホースを使って粉塵を吸い取ったり、内部に照明があり工具を使えるスペースのある囲いを作ることを推奨することもあったが、これらは稀で扱いにくいものだった。アスベストから身を守るために設計された独特の靴も推奨された。^[9]自動車整備士に中皮腫が不釣り合いなほど多く発生しているという証拠がある。^[8]

ブレーキのメンテナンス作業を行う人も、1,1,1-トリクロロエタンや2-ブトキシエタノール（グリーソフNo.19の主成分）などの溶剤にさらされる可能性がある。これらの溶剤にさらされると、目や粘膜などの炎症を引き起こす可能性がある。1-1-1-トリクロロエタンの蒸気にさらされると、中枢神経系の損傷、めまい、協調運動障害、眠気、反応時間の増加を引き起こす可能性がある。^[9]

1984 年以前は、ブレーキ ドラム内のアークに合わせてブレーキ シューを再アークするのが一般的でした。しかし、この方法は、ブレーキから摩擦材が除去され、シューの寿命が短くなり、有害なアスベスト粉塵が発生するため、議論を呼んでいました。1984 年以降、現在の設計理論は変更され、適切な直径のドラムにシューを使用し、シューを再アークするのではなく、必要に応じてブレーキ ドラムを交換するようになりました。

ブレーキドラムは打楽器として広く使用されています。これは、アメリカの前衛音楽家ジョン・ケージが1939年に作曲した「First Construction (in Metal)」で初めて採用されたと考えられます。最近では、ブレーキドラムはマーチングアートで使用される前部アンサンブルに関連付けられるようになりました。^[10]