クラッチ

クラッチは、出力軸を回転す​​る入力軸から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間の機械的な連結装置の役割を果たします。クラッチを切ると、エンジン速度 (RPM) は駆動輪の速度によって決定されなくなります。

クラッチのもう一つの使用例は電動ドリルです。^[2]クラッチの入力軸はモーターで駆動され、出力軸はドリルビットに接続されています（いくつかの中間部品を介して）。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（クラッチ接続）、モーターよりも低い速度で回転（クラッチスリップ）、またはモーターが回転している間は静止したまま（クラッチ切断）になります。

乾式クラッチは乾式摩擦を利用して入力軸から出力軸に動力を伝達します。たとえば、摩擦ディスクがスプリング機構によって自動車エンジンのフライホイールに押し付けられます。車両の車輪は、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回転します。動力の伝達を止めるには、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します。マニュアルトランスミッションの自動車クラッチの大部分は乾式クラッチです。^[要出典]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場合) は、自動車が停止状態から加速する場合など、時々必要になりますが、摩耗率の増加を避けるために滑りは最小限に抑える必要があります。

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、クラッチが切断されます。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、クラッチが切断されます。

マルチプレートクラッチは、同心円状に配置された複数の摩擦プレートで構成されています。場合によっては、より大きな直径のクラッチの代わりに使用されます。ドラッグレースカーは、車両が停止状態から加速するときに車輪への動力伝達率を制御するためにマルチプレートクラッチを使用します。

一部のクラッチ ディスクには、車内のNVH を低減するために、クラッチディスクの固有振動数を変更するように設計されたスプリングが含まれています。また、マニュアル トランスミッション車用の一部のクラッチでは、クラッチの急激な噛み合いを避けるために クラッチ遅延バルブが使用されています。

湿式クラッチでは、摩擦材は油浴（または油が流れている）にあり、クラッチを冷却して潤滑します。これにより、クラッチの接続がよりスムーズになり、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、湿式クラッチの効率は低下します。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 ディスクを積み重ねると、摩擦係数の低さを補うことができ、完全に接続したときにパワーがかかっても滑りをなくすことができます。

湿式クラッチでは複合紙素材がよく使用されます。^[要出典]

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。用途としては、小型オートバイ、モーター スクーター、チェーンソー、一部の古い自動車などがあります。

コーン クラッチは、摩擦材が円錐形の物体の外側に塗布されている点を除けば、乾式摩擦プレート クラッチに似ています。この円錐形により、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たもので、操作レバーを1回引くか、（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あるクラッチが1回転だけ噛み合った後、クラッチが切れる。クラッチが切れると、駆動側は静止している。初期の設計は、通常、駆動側にカムが付いていて、適切な時点でドッグを外すドッグクラッチだった。 ^{[3] [4]}

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、必要な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。^[5]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が加わる問題がなくなりました。^{[6] [7]}

重工業での使用に加えて、単回転クラッチは多くの小型機械にも適用されました。たとえば、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。 ^[8]植字機では、任意のキーを押すと特定の文字が選択され、単回転クラッチが作動して、その文字を植字する機構が循環します。^[9]同様に、テレプリンターでは、各文字を受信すると単回転クラッチが作動し、印刷機構が1サイクル動作します。^[10]

1928年、フレデリック・G・クリードは、テレタイプ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のラップスプリングクラッチを開発した。^[11] 1942年、ピツニーボウズ郵便料金計量機会社の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。^[12]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係合するパワーシャフトの周りで急速に収縮する。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、従動メンバーの角運動量によってスプリングの張力が解放される。これらのクラッチは動作寿命が長く、多くの場合、時々の潤滑以外のメンテナンスの必要がなく、数千万、場合によっては数億サイクルを実行しました。

カスケード式爪単回転クラッチは、テレタイプ モデル 28やその後継機などのテレプリンターなどのページ プリンターで、同じ設計原理を使用してラップ スプリング単回転クラッチに取って代わりました。IBM Selectric タイプライターでも使用されていました。これらは通常、駆動シャフトに取り付けられたディスク形状のアセンブリです。中空のディスク形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、クラッチがトリップすると、ドラム ブレーキのシューのように爪が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、ロックされると滑らず、数ミリ秒のオーダーで非常に速く噛み合います。トリップ突起がアセンブリから伸びています。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。次に、クラッチが 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。

• 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、時計が逆回転するのを防ぎます。クラッチは、1 段または 2 段の減速ギアでローターに連結されたラップ スプリング クラッチ ブレーキで構成されます。クラッチ ブレーキは逆回転するとロックしますが、スプリングの作用もあります。ローターが逆回転すると、クラッチが作動してスプリングが巻き上がります。スプリングがほどけると、モーターが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、除雪機に使用されます。エンジンの動力は、エンジンがアイドリング状態のときに緩んでいるベルトのセットを介して伝達されますが、アイドラー プーリーによってベルトが締められ、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、^[13] 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2つのシャフトは、一方のシャフトに固定された固定駆動部材と、複数のくぼみのある接触面を持つ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 アセンブリの不可欠な部分である電磁石によって噛み合います。別のタイプである磁性粒子クラッチでは、駆動部材と従動部材の間のチャンバー内に磁気の影響を受ける粒子が含まれており、直流電流を流すと粒子が凝集して動作面に付着します。噛み合いと滑りは非常にスムーズです。
• ラップスプリングクラッチ：通常は角断面の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。^{[14] [15]}単純な形式では、スプリングの一端は駆動側に固定され、他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取り付けられます。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膨張し、多少の抵抗はあるものの滑ります。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、スプリングが駆動面に密着し、クラッチが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、キャプスタン方程式に従います。

マニュアル トランスミッションを搭載したほとんどの自動車やトラックはドライ クラッチを使用しており、ドライバーは左端のペダルを使用してこれを操作します。ペダルの動きは、機械的なリンク、油圧 (マスター シリンダーとスレーブ シリンダー)、またはケーブルを使用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ときのみ切断されるため、トランスミッションはデフォルトでエンジンに接続されています。車両が停止したままクラッチ ペダルを離すことができるように、「ニュートラル」ギア位置が用意されています。

クラッチは、発進時に必要であり、トランスミッションに同期手段がない車両では、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て、ギアの歯に重大な損傷を引き起こす可能性があるギアの「クラッシュ」を回避するために使用されます。

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ています。これは、クラッチの駆動プレートの1つとして機能でき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、フライホイールの一部ではない小さなマルチプレートディスクパックを使用しています。クラッチとフライホイールは両方とも、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さまざまですが、一般的な材料は銅線を表面に付けた有機化合物樹脂またはセラミック材料です。^[16]

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実行されます。しかし、トランスミッション自体には、トランスミッションを通じたエネルギー損失を減らして燃費を向上させるために、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部クラッチが含まれていることがよくあります。 ^[17]

古いベルト駆動エンジン冷却ファンでは、バイメタルストリップの形で熱作動クラッチが使用されることがよくあります。温度が低い場合、スプリングが巻き上がってバルブが閉じ、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、スプリングがほどけてバルブが開き、流体がバルブを通過できるようになり、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。

オートバイでは、通常、クラッチがトランスミッションと同じオイルに浸かっている湿式クラッチが採用されています。これらのクラッチは通常、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。摩擦プレートの外径には突起があり、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 プレートの内径には突起があり、トランスミッションの入力シャフトに固定されます。クラッチが接続されると、コイル スプリングのセットまたはダイヤフラム スプリング プレートがプレートを一緒に押し付けます。

オートバイでは、クラッチは左ハンドルバーの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が、レバーをライダーの方に引くと、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、ライダーはギアをシフトしたり惰性走行したりできます。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適用されるため、不安定になることがあります。

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