クラッチ
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乾式クラッチ用摩擦ディスク
プレートクラッチ
コーンクラッチ

クラッチは、回転する入力軸から出力軸を切り離すことができる機械装置です。 [ 1 ]クラッチの入力軸は通常モーターに接続され、クラッチの出力軸は作業を行う機構に接続されます。

自動車において、クラッチはエンジンとトランスミッションを機械的な連結装置として機能します。クラッチを切断すると、エンジン回転数（RPM）は駆動輪の回転数によって決定されなくなります。

クラッチのもう一つの用途は電動ドリルです。[ 2 ]クラッチの入力軸はモーターによって駆動され、出力軸はドリルビット（複数の中間部品を介して）に接続されています。クラッチにより、ドリルビットはモーターと同じ速度で回転する（クラッチ接続）、モーターよりも低い速度で回転する（クラッチスリップ）、またはモーターが回転している間ドリルビットを静止させる（クラッチ解除）ことができます。

種類

乾式クラッチ

乾式クラッチの図

乾式クラッチは乾式摩擦を利用して入力軸から出力軸へ動力を伝達する。例えば、自動車エンジンでは、スプリング機構によって摩擦ディスクがフライホイールに押し付けられる。車輪は、フライホイールが摩擦ディスクに接触しているときのみ駆動する。動力伝達を止めるには、レバー機構によって摩擦ディスクをフライホイールから離す。マニュアルトランスミッションに搭載されている自動車クラッチの大部分は乾式クラッチである。[ 3 ]摩擦クラッチの滑り（クラッチが部分的に接続されていても、シャフトが異なる速度で回転している状態）は、自動車が停止状態から加速するときなど、必要な場合があるが、摩耗率の上昇を避けるために滑りは最小限に抑える必要がある。

プル型クラッチでは、ペダルを踏むとレリーズベアリングが引っ張られ、クラッチが切れます。プッシュ型クラッチでは、ペダルを踏むとレリーズベアリングが押し込まれ、クラッチが切れます。

多板クラッチは、同心円状に配置された複数の摩擦板で構成されています。場合によっては、大径クラッチの代わりに使用されます。ドラッグレースカーでは、発進から加速する際に、車輪への動力伝達率を制御するために多板クラッチが使用されています。

一部のクラッチディスクには、車内のNVH（騒音・振動・ハーシュネス）を低減するために、クラッチディスクの固有振動数を変化させるスプリングが組み込まれています。また、マニュアルトランスミッション車用のクラッチには、クラッチの急激な接続を防ぐために クラッチディレイバルブが採用されているものもあります。

湿式クラッチ

湿式クラッチでは、摩擦材はオイルバス（またはオイルフロースルー）に浸されており、クラッチを冷却・潤滑します。これにより、よりスムーズな接続とクラッチの寿命が長くなりますが、一部のエネルギーがオイルに伝達されるため、湿式クラッチは効率が低下する可能性があります。湿式クラッチの表面は滑りやすいため（エンジンオイルに浸されたオートバイのクラッチのように）、複数のクラッチディスクを積層することで摩擦係数の低さを補い、完全接続時のパワーによる滑りを防止します。

湿式クラッチでは複合紙素材がよく使用されます。

遠心クラッチ

遠心クラッチは、入力軸の速度が上昇すると自動的に作動し、入力軸の速度が低下すると自動的に解除されます。小型オートバイ、スクーター、チェーンソー、一部の旧型自動車などに使用されます。

コーンクラッチ

コーンクラッチは乾式摩擦板クラッチに似ていますが、摩擦材が円錐状の物体の外側に塗布されている点が異なります。この円錐形状により、噛み合い時にくさび作用が発生します。コーンクラッチの一般的な用途は、マニュアルトランスミッションの シンクロナイザーリングです。

ドッグクラッチ

ドッグクラッチは非同期トランスミッションで使用される滑り止め設計のクラッチです。

単回転クラッチ

テレプリンターのカスケード式単回転クラッチ

単回転クラッチは19世紀に、せん断機やプレス機などの機械に動力を供給するために開発されました。操作レバーを1回引く、あるいは（後には）ボタンを押すだけで機構が作動し、動力源と機械のクランクシャフトの間にクラッチが1回転だけ接続された後、クラッチが切断されます。クラッチが切断されると、従動側は静止します。初期の設計では、典型的にはドッグクラッチが採用され、従動側にカムが設けられ、適切な位置でドッグクラッチが切断されます。[ 4 ] [ 5 ]

20世紀には、大幅に簡素化された単回転クラッチが開発され、操作力が大幅に小さくなり、いくつかのバリエーションでは、1回の操作で一定の割合の回転が可能になりました。[ 6 ]一部の用途では、高速摩擦クラッチがドッグクラッチに取って代わり、クラッチが作動するたびにドッグに衝撃荷重がかかるという問題が解消されました。[ 7 ] [ 8 ]

重工業における使用に加えて、単回転クラッチは多くの小型機械にも適用されました。例えば、タビュレーティングマシンでは、操作キーを押すと単回転クラッチが作動し、最後に入力された数字を処理します。 [ 9 ]植字機では、任意のキーを押すと特定の文字が選択され、同時に単回転クラッチが作動して、その文字を植字する機構が作動します。[ 10 ]同様に、テレプリンターでは、文字を受信するたびに単回転クラッチが作動し、印刷機構が1サイクル作動します。[ 11 ]

1928 年、フレデリック G. クリードは、テレプリンターで要求される反復的な始動と停止の動作に特に適したシングルターンラップ スプリング クラッチを開発した。[ 12 ] 1942 年、ピツニー ボウズ郵便メーター カンパニーの 2 人の従業員が、改良されたシングルターン スプリング クラッチを開発した。[ 13 ]これらのクラッチでは、コイル スプリングが従動軸に巻き付けられ、トリップ レバーによって拡張構成で保持される。トリップすると、スプリングはクラッチを噛み合わせる動力軸の周囲で急速に収縮する。1 回転の終わりに、トリップ レバーがリセットされている場合は、スプリングの端 (またはそれに取り付けられた爪) をキャッチし、従動側の角運動量によってスプリングの張力が解放される。これらのクラッチの動作寿命は長く、多くの場合、時々の潤滑以外のメンテナンスを必要とせずに、数千万、場合によっては数億サイクルを実行しています。

カスケード爪式単回転クラッチは、テレタイプ モデル 28およびその後継機を含むテレプリンターなどのページプリンターにおいて、同じ設計原理を用いてラップスプリング式単回転クラッチに取って代わりました。IBMの Selectric タイプライターでも採用されています。これらは通常、従動軸に取り付けられた円盤状のアセンブリです。中空の円盤状の駆動ドラム内には、2 つまたは 3 つの自由に浮遊する爪があり、クラッチが作動すると、爪がドラムブレーキのシューのように外側に跳ね上がるように配置されています。噛み合うと、各爪の負荷トルクが他の爪に伝達され、噛み合った状態が維持されます。これらのクラッチは、一度ロックすると滑らず、数ミリ秒単位の非常に高速に噛み合います。アセンブリからトリップ突起が伸びています。トリップレバーがこの突起に噛み合うと、クラッチは切断されます。トリップレバーがこの突起を解放すると、内部のスプリングと摩擦によってクラッチが噛み合います。その後、クラッチは 1 回転以上回転し、トリップレバーが再びトリップ突起に噛み合うと停止します。

その他のデザイン

  • キックバッククラッチブレーキ：1940年代以前に製造された同期モーター駆動の電気時計の一部に見られ、時計の逆回転を防止するために使用されていました。このクラッチは、巻きバネ式のクラッチブレーキで構成され、1段または2段の減速ギアを介してローターに連結されていました。クラッチブレーキは逆回転するとロックしますが、同時にバネ作用も備えていました。ローターが逆回転する際の慣性によってクラッチが作動し、バネが巻き上がります。バネが解けると、モーターは正しい方向に再始動します。
  • ベルトクラッチ：農業機械、芝刈り機、耕運機、除雪機などに使用されます。エンジンの動力はベルトを介して伝達されます。エンジンがアイドリング状態にあるときはベルトは緩んでいますが、アイドラープーリーによってベルトが締め付けられ、ベルトとプーリー間の摩擦が増加します。
  • BMAクラッチ：1949年にWaldo J Kelleighによって発明され、[ 14 ] 2つのシャフト間でトルクを伝達するために使用されます。このシャフトは、一方のシャフトに固定された固定駆動部材と、複数の凹部を備えた接触面を備えた可動駆動部材で構成されています。
  • 電磁クラッチ：通常はクラッチアセンブリに一体化された電磁石によって作動します。もう一つのタイプである磁性粒子クラッチは、駆動部と従動部の間のチャンバー内に磁気作用を受けた粒子を封入し、直流電流を流すことで粒子が凝集して作動面に付着します。作動とスリップは非常にスムーズです。
  • ラップスプリングクラッチ: 通常は角形の断面を持つワイヤが巻かれたらせん状のスプリングを備えています。これらは 19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて開発されました。[ 15 ] [ 16 ]単純な形では、スプリングの一端は従動側に固定され、もう一端は固定されていません。スプリングは円筒形の駆動側に密着しています。駆動側が巻き戻る方向に回転すると、スプリングはわずかに伸びて滑りますが、多少の抵抗があります。このため、スプリングクラッチは通常、軽油で潤滑する必要があります。駆動側を反対方向に回転させると、スプリングは駆動面にしっかりと巻き付き、クラッチはすぐにロックします。スプリングクラッチを滑らせるために必要なトルクは、スプリングの回転数とともに指数関数的に増加し、キャプスタンの式に従います。

自動車での使用

マニュアルトランスミッション

マニュアルトランスミッションを搭載したほとんどの乗用車やトラックは乾式クラッチを採用しており、ドライバーは左端のペダルでクラッチを操作します。ペダルの動きは、機械式リンク、油圧（マスターシリンダーとスレーブシリンダー）、またはケーブルを介してクラッチに伝達されます。クラッチはドライバーがクラッチペダルを踏んでいる間のみ切断されるため、デフォルトではトランスミッションはエンジンに接続されています。「ニュートラル」ギアポジションが用意されており、車両が停止した状態でクラッチペダルを離すことができます。

クラッチは、発進時に必要であり、また、ギアの歯に重大な損傷を引き起こす可能性のあるギアの「クラッシュ」を回避するために、ギアチェンジ中にエンジンとトランスミッションの速度を一致させる同期手段のないトランスミッションを備えた車両にも必要です。

クラッチは通常、エンジンのフライホイールの表面に直接取り付けられます。これは、クラッチの駆動プレートの1つとして機能する便利な大径スチールディスクを備えているためです。一部のレーシングクラッチでは、フライホイールとは別個の小型マルチプレートディスクパックが使用されています。クラッチとフライホイールは、ギアボックス用の円錐形のベルハウジングに収められています。クラッチディスクに使用される摩擦材は様々ですが、一般的な材料は銅線を表面に施した有機化合物樹脂またはセラミック材料です。[ 17 ]

オートマチックトランスミッション

オートマチックトランスミッションでは、クラッチの役割はトルクコンバータによって担われます。しかし、トランスミッション自体には、トルクコンバータの滑りを防ぐロックアップクラッチなどの内蔵クラッチが組み込まれていることが多く、これによりトランスミッションを通じたエネルギー損失が低減され、燃費が向上します。[ 18 ]

ファンとコンプレッサー

古いベルト駆動式エンジン冷却ファンは、バイメタルストリップ状の熱作動式クラッチを使用していることが多いです。温度が低いときは、スプリングが巻き上がってバルブを閉じ、ファンはクランクシャフト速度の約20～30%で回転します。スプリングの温度が上昇すると、スプリングが解けてバルブが開き、流体がバルブを通過できるようになるため、ファンはクランクシャフト速度の約60～90%で回転します。

車両のエアコンコンプレッサーでは、必要に応じてコンプレッサーを作動させるために磁気クラッチがよく使用されます。

オートバイでの使用

バスケットクラッチ

オートバイには通常、湿式クラッチが採用されており、クラッチはトランスミッションと同じオイルに浸されています。このクラッチは通常、摩擦プレートとスチールプレートを交互に重ねて構成されています。摩擦プレートは外径に突起があり、クランクシャフトによって回転するバスケットに固定されます。スチールプレートは内径に突起があり、トランスミッションの入力軸に固定されます。クラッチが接続されると、コイルスプリングまたはダイヤフラムスプリングプレートによってプレートが押し付けられます。

オートバイでは、クラッチは左ハンドルバーにあるハンドレバーで操作します。レバーに圧力がかかっていないときはクラッチプレートが接続（駆動）されている状態です。レバーをライダーの手前に引くと、ケーブルまたは油圧作動によってクラッチプレートが解除され、ライダーはギアチェンジや惰性走行を行うことができます。レーシングバイクでは、エンジンブレーキの影響を排除するためにスリッパークラッチがよく使用されます。エンジンブレーキは後輪にのみ作用するため、不安定さの原因となることがあります。

参照

ウィキメディア コモンズには、クラッチ (カップリング)に関連するメディアがあります。

参考文献

  1. ^スクレイター、ニール（2011年）『メカニズムと機械装置のソースブック（第5版）』ニューヨーク：マグロウヒル、p.212、ISBN 9780071704427. 2020年12月27日閲覧。
  2. ^ 「クラッチの仕組み」 howstuffworks.com 2007年10月16日. 2020年12月24日閲覧。
  3. ^ 「車のクラッチとは？」 Lou's Car Care . 2025年12月26日閲覧。「湿式クラッチと乾式クラッチ – 湿式マニュアル車のトランスミッションは存在するのか？」 Reddit r/cars 。 2025年12月26日閲覧。
  4. ^ Frank Wheeler、「プレス機のクラッチおよび停止機構」、 US 470797 、1891年12月14日付与。
  5. ^サミュエル・トレザウェイ、クラッチ、 US 495686、1893年4月18日付与。 
  6. ^ Fred. R. Allen、Clutch、 US 1025043、1912年4月30日付与。 
  7. ^ John J. Zeitz、「摩擦クラッチ」、 US 906181、1908年12月8日付与。 
  8. ^ William Lautenschlager、「摩擦クラッチ」、 US 1439314、1922年12月19日付与。 
  9. ^ Fred. M. Carroll、「集計機用キー加算装置」、 US 1848106、1932年3月8日付与。 
  10. ^クリフトン・チザム、植字機、 US 1889914、1932年12月6日付与。 
  11. ^ Arthur H, Adams、「Selecting and Typing means for printing telegraphs」、 US 2161840、1928年6月13日発行。 
  12. ^ Frederick G. Creed、クラッチ機構、 US 1659724、1928年2月21日付与 
  13. ^ Alva G. Russell、Alfred Burkhardt、Samuel E. Calhoun、Spring Clutch、 US 2298970、1942年10月13日付与。 
  14. ^ 「クラッチ特許」。
  15. ^ Analdo M. English、Friction-Clutch、 US 255957、1882年4月4日認可。 
  16. ^ Charles C. Tillotson、動力伝達クラッチ、 US 850981、1907年4月23日付与。 
  17. ^ Yu, Liang; Ma, Biao; Chen, Man; Li, Heyan; Ma, Chengnan; Liu, Jikai (2019年9月15日). 「銅系摩擦材と紙系摩擦材の摩擦・摩耗特性の比較」 . Materials . 12 (18): 2988. Bibcode : 2019Mate...12.2988Y . doi : 10.3390 / ma12182988 . ISSN 1996-1944 . PMC 6766303. PMID 31540186 .   
  18. ^ 「ロックアップクラッチ機構とは？」 Your Online Mechanic . 2014年7月17日閲覧。
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