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キャスター（またはキャスター）とは、より大きな物体（「車両」）の底部に取り付けて、その物体を移動できるように設計された、駆動しない車輪のことです。
キャスターは、ショッピングカート、オフィスチェア、おもちゃのワゴン、病院用ベッド、マテリアルハンドリング機器など、数多くの用途で使用されています。高耐荷重で頑丈なキャスターは、プラットフォームトラック、カート、組立装置、工場内の牽引ラインなど、多くの産業用途で使用されています。
キャスターは、直線経路に沿って転がるように固定することも、ピボットやピントルに取り付けて、車輪が進行方向に合わせて自動的に位置合わせされるようにすることもできる。
基本的な固定式キャスターは、固定されたフォークに取り付けられた車輪で構成されています。車両に対して固定されているフォークの向きは、キャスターが車両に取り付けられたときに決定されます。[ 1 ]北米のショッピングカートの後部にある車輪はその一例です。固定式キャスターは車両の動きを制限する傾向があり、車両は直線に沿って移動します。
シンプルな固定式キャスターと同様に、旋回式キャスターもフォークに車輪が取り付けられていますが、フォークの上部に旋回ジョイントが追加されているため、フォークが約 360° 自由に回転し、車輪がどの方向にも転がるようになります。これにより、車両の向きを変えることなく、どの方向にも簡単に移動できます。旋回式キャスターは、オペレーターが手動で向きを設定できるように、ハンドルに取り付けられている場合もあります。改良された旋回式キャスターは、1920 年にセイバート・チェスナットによって発明され、米国特許第 1341630 号を取得しました。これはプレス加工で簡単に製造でき、長寿命のためにボールベアリングが組み込まれています。基本的な旋回式キャスターは、1840 年代にはすでにチャールズ・ダーウィンの有名な「オフィスチェア」に見られました。
さらに、旋回キャスターは通常、垂直軸の中心軸とキャスターホイールの中心軸との間にわずかなオフセット距離を設ける必要があります。キャスターを移動させた際にホイールが正しい方向を向いていない場合、このオフセットによってホイールアセンブリが垂直軸の軸を中心に回転し、移動方向の後ろを追従します。オフセットがない場合、ホイールが正しい方向を向いていないと回転せず、移動が妨げられたり、地面を引きずったりすることになります。
直線上を移動する際、旋回キャスターは自動的に進行方向と平行に回転する傾向があります。これは、ショッピングカートが通路を移動する際に、前輪キャスターが後輪キャスターと平行に並ぶ様子に見られます。その結果、車両は自然と直進する傾向があります。キャスターが直進運動を維持する傾向があるため、精密な操舵は必要ありません。これは車両の旋回時にも同様です。キャスターは旋回半径に対して垂直に回転し、スムーズな旋回を実現します。これは、ショッピングカートの前輪が異なる速度で回転し、旋回半径が旋回角度によって異なる様子に見られます。
車輪軸と旋回ジョイントの角度と距離は、さまざまなタイプのキャスター性能に合わせて調整できます。[ 2 ]
産業用キャスターは、最大3万ポンド（約1万3千キログラム）もの重荷重を支えるように設計された頑丈なキャスターです。産業用キャスターには、旋回式と固定式の2種類があります。一般的に、産業用キャスターは平らな上板を備えており、上板と荷重をしっかりと固定するためのボルト穴が4つ開いています。台車、組立用ターンテーブル、重量物保管ラック、保管容器、牽引ロープ、メンテナンス機器、マテリアルハンドリング機構など、さまざまな用途で使用されています。
初期の工業用キャスターは、通常、3つの別々のプレス加工された金属部品を上部プレートに溶接して作られていました。今日では、多くの工業用キャスターは、1枚の金属板からレーザーで本体を切断し、プレスブレーキを使用して脚部を必要な90度の角度に成形することで製造されており、より機械的に強度のある製品となっています。
産業用キャスターの性能には様々な要因が影響します。例えば、車輪の直径と幅が大きいほど、荷重の重量がより広い車輪表面積に分散されるため、耐荷重が高くなります。また、硬い車輪素材（鋳鉄、高プロファイルポリウレタンなど）は、床の汚れやゴミの影響を受けにくく、床に付着しにくい傾向があります。
一般的な安価なキャスターには、車輪の回転を阻止するブレーキ機能が付いている場合があります。これは通常、レバーでブレーキカムを車輪に押し付けることで実現されます。ただし、旋回キャスターは、垂直軸とロックされた車輪の中心との間のオフセット距離を中心として、小さな円を描いてわずかに回転することができます。
より複雑なタイプの旋回キャスター（全ロックキャスターとも呼ばれる）は、垂直軸に回転ロック機構が追加されており、軸の旋回も車輪の回転も完全に遮断することで、非常に強固な支持を実現します。これらの2つのロック機構は、併用することも、別々に使用することも可能です。垂直軸がロックされていても車輪が回転できる場合、キャスターは方向制御キャスターとなりますが、水平軸に沿って一方向にのみ回転するようにロックすることができます。
場合によっては、各キャスターの周りを歩き回って個別に機構を操作することなく、すべてのキャスターを同時にブレーキまたはロックできると便利です。これは、各旋回キャスターの車輪の少し上の位置にある剛性リングによって作動する中央ロック機構を使用することで実現できます。このリングは車輪を押し下げて車輪と旋回キャスターの両方の回転を阻止します。別の方法として、各垂直キャスターシャフトの中央に回転カムがあり、それが各キャスターの底部にあるブレーキ機構につながっている中央ロックキャスターがあります。
キングピンレスキャスターは、内側の軌道と、車両に取り付けられる外側の軌道、そして軌道間のボールベアリングで構成されています。この機構にはキングピンがないため、「キングピンレス」と呼ばれています。キングピンがないため、旋回キャスターの故障原因のほとんどが解消され、使用後のシミー現象も軽減または解消されます。密閉型精密ボールベアリングやテーパーベアリングを備えたユニットと同等の耐荷重と耐久性を備え、衝撃の大きい状況では従来の旋回キャスターに代わる実用的な選択肢となります。
キャスターの大きな欠点の1つはフラッターです。キャスターのフラッターの一般的な例は、スーパーマーケットのショッピングカートで、1つのキャスターが左右に激しく揺れる場合です。この振動はシミーとも呼ばれ、特定の速度で自然に発生し、他の車輪付き車両で発生するスピードウォブルに似ています。キャスターのフラッターが発生する速度は、キャスターにかかる重量と車軸と操舵軸間の距離に基づいています。この距離はトレーリング距離と呼ばれ、この距離を長くすることで中速でのフラッターを解消できます。一般的に、フラッターは高速で発生します。
フラッターが危険なのは、車両が意図しない方向に突然動き出す可能性があるためです。フラッターは、キャスターが地面に完全に接触していないときに発生し、そのためキャスターの向きが制御不能になります。キャスターが地面に完全に接触すると、向きはどの方向にもなり得ます。これにより、車両はキャスターが向いている方向に突然動き出す可能性があります。低速走行時は、キャスターの旋回機能によって方向を修正し、目的の方向に走行を続けることができます。しかし、高速走行時は、車輪が十分に速く旋回できない可能性があり、車両がどの方向にも急に揺れる可能性があるため、危険です。
電動車椅子やレーシング車椅子の設計者は、車椅子の安全性を確保するため、フラッター現象を非常に重視しています。キャスターのトレーリング距離を長くすることで、車椅子レースにおける高速走行時の安定性は向上しますが、日常使用における低速走行時にはフラッター現象が発生する可能性があります。残念ながら、キャスターのトレーリング距離が長くなるほど、旋回に必要なスペースも大きくなります。そのため、旋回に必要なスペースを確保するには、フレームを長くしたり、フットレストを延長したりする必要が生じる場合があります。結果として、車椅子が扱いにくくなる傾向があります。
キャスターのフラッターは、ダンパーを追加したり、旋回ジョイントの摩擦を増やしたりすることで制御できます。[ 3 ]これは、旋回ジョイントにワッシャーを追加することで実現できます。摩擦は、椅子の前部の重量が増加するにつれて増加します。キャスターがフラッターし始めると、椅子の速度が遅くなり、重量が前輪に移動します。このように車椅子のキャスターを改造するためのアンチフラッターキットがオンラインでいくつか販売されています。キャスターのフラッターを減らす他の方法としては、旋回リードを増やす、より粘度の高いグリースを使用する、車輪の質量を減らす、または材質を変更して地面との摩擦を増やすなどがあります。[ 4 ]
キャスターカップを使用すれば、キャスターの動きを完全に止めることもできます。
人間工学に基づいたキャスターは、作業環境と作業内容を考慮して設計されており、作業者への有害な影響を最小限に抑えます。抵抗のあるキャスターを長時間繰り返し操作すると、筋挫傷などの怪我につながる可能性があります。また、仕様が不適切だと、キャスターの耐用年数が短くなる原因にもなります。
キャスターの性能には多くのパラメータが影響します。タイヤの硬度、トレッドの幅と形状、後端オフセット（「キャスター」）の長さ、ホイールの直径などのパラメータはすべて、プラットフォームを動かし始めるのに必要な力に影響します。硬いホイールは変形抵抗を減らすことでキャスターの回転を容易にします。空気圧の低いタイヤは変形抵抗が大きいため、取り付けられたプラットフォームを動かすにはより多くの力が必要になります。旋回力はキャスターの量とホイールの直径によって影響を受けます。[ 5 ]
従来のキャスター設計の改良点には、つま先ガード、トラックワイパー、強化された脚、ステアリングチューブ、旋回ロック、ブレーキなどがあり、これらはすべて職場での作業者の負傷を減らすために導入されたものです。[ 6 ]
キャスターホイールの直径は、粒子状、粗い、または不規則な表面上でのキャスターの移動の容易さに影響します。直径の大きいキャスターホイールは、床とエレベーターのかごの間の隙間などを乗り越えることができます。ただし、キャスターホイールの直径が大きいほど、キャスターサポートアームを高くする必要があります。低い位置にある物体の基部をホイールよりも高く持ち上げるか、キャスターを低い位置にある支持対象物をまたぐように両側に突き出す必要があります。旋回キャスターホイールは、垂直軸を中心に回転しながら空間を掃き出します。ホイールが大きいほど、この空間はより広くなります。
接地面積の広い幅広の車輪を使用することで、耐荷重を向上させることができます。しかし、幅広の旋回キャスターをその場で回転させると、車輪と地面の接触面の中央部分は、外側の部分よりも回転速度が遅くなります。この接触面の底面における回転速度の差により、幅広の車輪は旋回軸を中心とした回転に抵抗が生じ、この抵抗は荷重が増加するにつれて大きくなります。
旋回抵抗を抑えつつ積載量を増やす別の方法として、同じ車軸上に複数の細い車輪を直列に配置する方法があります。各車輪の接地面積は、幅広の車輪1つに比べて比較的狭いため、旋回時の抵抗が少なくなります。
車輪には主に4つの分類があります。