フリーホイール

機械工学または自動車工学において、フリーホイールまたはオーバーランニング クラッチは、従動軸がドライブシャフトよりも速く回転すると、ドライブシャフトを従動軸から切り離すトランスミッション内の装置です。オーバードライブは、誤ってフリーホイールと呼ばれることがありますが、それ以外には関係ありません。

ほとんどの自転車では、ライダーがペダルを踏むのをやめると、従動軸が駆動軸よりも速く回転する状態になります。フリーホイールのない固定ギア自転車では、後輪がペダルを回転させます。

同様の状況は、マニュアルトランスミッションを搭載した自動車で坂を下りるとき、またはドライバーがアクセルペダルから足を離してスロットルを閉じるときにも発生します。車輪がエンジンを駆動し、おそらくより高い RPM で回転します。2ストローク エンジンでは、これは悲惨な結果を招く可能性があります。多くの 2 ストローク エンジンは潤滑に燃料とオイルの 混合物に依存しているため、エンジンへの燃料が不足するとシリンダーからオイルが不足し、ピストンがすぐに固着して大きな損傷を引き起こす可能性があります。このため、サーブは2 ストローク モデルにフリーホイール システムを使用し、サーブ 96 V4と初期のサーブ 99でも燃費向上のためにこれを維持しました。

最も単純なフリーホイール装置は、ラチェットのように、鋸歯状のバネ仕掛けのディスク 2 枚で構成され、歯の面を合わせて互いに押し付けます。一方向に回転すると、駆動ディスクの鋸歯が従動ディスクの歯とロックし、同じ速度で回転します。駆動ディスクの回転速度が遅くなるか停止すると、従動ディスクの歯が駆動ディスクの歯の上を滑り、回転を続けます。これにより、従動ギアと (より遅い) 駆動ギアの速度差に比例した特徴的なカチッという音が発生します。

より洗練された頑丈な設計では、駆動シリンダー内にスプリング式のスチールローラーが組み込まれています。一方向に回転すると、ローラーがシリンダーとロックされ、シリンダーが連動して回転します。回転速度が遅い場合、または反対方向に回転する場合、スチール ローラーはシリンダー内に滑り込みます。

自転車はフリーホイールを使用して、自転車に乗る人がペダルを踏まなくても惰性で走れるようにしています。ホイールまたはカセットをカチッという音がする方向に回転させると、歯の緩やかな傾斜の縁を爪が簡単に滑り上がります。このプロセスは、非公式に「スリップ」と呼ばれることもあります。このシナリオでは、カセットは後輪とは独立して回転します。自転車に乗る人がペダルを踏むのをやめると、カセットが止まってもホイールは回転し続けるためラチェットが滑り、カチッという音がします。その結果、自転車に乗る人が後ろ向きにペダルを踏んでも自転車は後進しません。カセットまたはホイールを反対方向に回転させると、爪が歯の急傾斜の縁に引っ掛かり、ロックが作成されます。自転車に乗る人が前方にペダルを踏むと、スプロケットの本来の性質によりカセットが前方に回転し、爪が歯の急傾斜に引っ掛かり、後輪を前方に駆動します。これは、自転車を前方に押すとペダルが前方に回転する理由も説明しています。

ほとんどの自転車フリーホイールは、荷重を伝達するために、2 つ以上のバネ仕掛けの硬化鋼製爪を備えた内部段付き歯付きドラムを使用しています。爪の数が多いほど摩耗が分散され、信頼性が高まりますが、自転車の部品に通常見られない許容範囲で装置が作られていない限り、2 つ以上の爪が同時に噛み合うことはほとんどありません。

フリーホイール機構は、その性質上、自動クラッチとして機能し、クラッチペダルを踏まなくても、マニュアルギアボックスでギアをアップまたはダウンシフトできます。そのため、マニュアルクラッチの使用は、停止状態からの発進または停止に限定されます。サーブのフリーホイールは、ドライバーがレバーを押すか引くことで、接続または解除できます。これにより、フリーホイールハブでメインシャフトがロックまたはロック解除されます。

フリーホイールは、キャブレター付きエンジン（エンジンブレーキで燃料が切れない）の燃費をわずかに改善し、手動クラッチの摩耗も少なくなりますが、エンジンブレーキをかける能力がなくなるため、ブレーキの摩耗が増えます。これにより、フリーホイールトランスミッションを山岳地帯を走行するトラックや自動車に使用するのは危険になる可能性があります。車両の速度を制限するためにブレーキを長時間連続して使用すると、すぐにブレーキシステムが過熱し、すぐに完全に故障するからです。

農業機械では、オーバーランニング クラッチは、干し草ベーラーや慣性負荷の高いその他の機械で一般的に使用され、特に動力取り出し装置 (PTO)のないトラクターと併用される場合に使用されます。動力取り出し装置 (PTO) がないと、慣性負荷が高いと、フット クラッチを踏んでもトラクターが前進し続け、危険な状態になる可能性があります。このような状況では、オーバーランニング クラッチによって負荷が PTO から切り離されるため、安全性が向上します。同様に、多くの非動力式「プッシュ」シリンダー芝刈り機は、ブレードを駆動するためにフリーホイールを使用しています。ブレードはギアまたはチェーン駆動で高速回転し、フリーホイールは、機械が停止しているときに、ブレードの運動量がドライブを通じて逆方向に伝達されるのを防ぎます。

フリーホイール アセンブリは、エンジン スターターで一種の保護装置としても広く使用されています。スターター モーターは通常、エンジンを始動するために 3,000 RPM で回転する必要があります。エンジンが始動した後、キーがスタート位置に一定時間保持されている場合、スターターはフライホイールに追いつくほど速く回転できません。スターター ギアとフライホイールのギア比が極端に高いため(約 15 または 20:1)、スターター アーマチュアが危険なほど高速で回転し、アーマチュアに巻かれた銅コイルに作用する求心力が、アーマチュアに作用する外向きの力に抵抗できなくなり、爆発を引き起こします。フリーホイールまたはオーバーラン クラッチのないスターターでは、これは大きな問題になります。なぜなら、アイドリング時にフライホイールが約 1,000 RPM で回転しているため、スターターがフライホイールと噛み合うと、15,000 ～ 20,000 RPM で回転せざるを得なくなるからです。エンジンが回転し、始動すると、オーバーラン クラッチがスターターをフライホイールから解放し、エンジンが作動している間にギアが再噛み合うのを防ぎます (イグニッション キーを誤って回した場合など)。フリーホイール クラッチは現在、電動スターター モーターを備えた多くのオートバイで使用されています。これは、始動システムの電気的な要件を軽減するため、ほとんどの自動車スターターで使用されているスターター ソレノイド(または旧式のBendix ドライブ)の代替品として使用されます。 ^{[引用が必要]}

上記の自動車用途（2ストロークエンジン車や初期の4ストロークサーブなど）に加えて、フリーホイールは1930年代から1960年代にかけて、一部の高級車やアップマーケットの従来車（パッカード、ローバー、コードなど）にも使用されていました。また、この時期のエンジンの中には、スロットルが閉じられエンジン回転数が高い状況で、オイルがピストンリングを通過してしまうものもありました。これは、燃焼室内のわずかな真空と高い油圧、高速回転するクランクシャフトからの高度な飛沫潤滑が組み合わさって、オイルが燃焼室に入り込む原因となったためです。

フリーホイールは、オーバーラン時にエンジンがアイドリング回転数に戻ることを意味しており、これによりエンジンとギアボックスの両方からの騒音が大幅に減少し、オイル消費も減少しました。このメカニズムは通常、必要に応じてエンジンブレーキを提供するためにロックできます。フリーホイールは、1948年から1951年までオリジナルのランドローバー車にも使用されていました。フリーホイールは、オーバーラン時に切断されるギアボックスからフロントアクスルへの駆動を制御しました。これにより、トランスミッションの「巻き上げ」力が回避され、車両は永続的な4輪駆動システムを持つことができました。このシステムは機能しましたが、特に滑りやすい状況や牽引時に予測できないハンドリングが発生したため、従来の選択可能な4WDシステムに置き換えられました。

第二次世界大戦中、 KdFが製造した軍用フォルクスワーゲン車両（キューベルワーゲン、シュビムワーゲン）には、2つのフリーホイールで構成されたZFの リミテッドスリップディファレンシャルシステムが搭載されており、エンジンパワーのすべてを2つの車輪の低速回転に送っていました。^[1]

他の自動車メーカーは、自動クラッチの一種として、エンジンとギアボックスの間にフリーホイールを取り付けた。ドライバーがスロットルを離し、車両がオーバーラン状態になると、フリーホイールが解除され、ドライバーはクラッチペダルを使用せずにギアを変更できる。この機能は、フリーホイールによってよりスムーズで静かなシフトが可能になるため、主に重いクラッチとシンクロメッシュのないギアボックスを備えた大型の高級車に搭載されていた。シトロエンは、フリーホイールと遠心クラッチを組み合わせて、いわゆる「TraffiClutch」を製造し、これによりドライバーはクラッチを使用せずに発進、停止、および低速ギアの変更を行うことができる。これはシトロエン 2CVとその派生車種のオプションであり、名前が示すように、混雑した市街地での運転の利点として販売された。同様に、サーブ 93にはオプションのSaxomatクラッチが用意されていた。

フリーホイール機構は、オートマチックトランスミッションでよく使用されます。たとえば、ターボ ハイドラマティック400などの従来のゼネラルモーターズ製油圧トランスミッションでは、選択したギアよりも低いすべてのギアでフリーホイールが機能します。たとえば、3 速トランスミッションのギア セレクターに「ドライブ」(3) - 「スーパー」(2) - 「ロー」(1) と表示されていて、ドライバーが「スーパー」を選択した場合、トランスミッションは 1 速が噛み合っている場合はフリーホイールしますが、2 速または 3 速ではフリーホイールしません。「ドライブ」の場合は 1 速または 2 速でフリーホイールしますが、ローの場合はどのギアでもフリーホイールしません。これにより、ドライバーは、たとえば急な坂を下るときなど、さまざまな速度でエンジン ブレーキをかけるために低いレンジを選択できます。

レイコック・ド・ノーマンヴィル社が製造したオーバードライブユニットは、従来のクラッチペダルを使用せずにロックモード（1:1）とオーバードライブモード間のスムーズなギアチェンジを容易にするためにフリーホイールを使用していました。フリーホイールは、ロックモード解除用の円錐クラッチとオーバードライブモード接続用のクラッチの間の短い移行期間に、出力車軸を出力車軸にロックします。^[2]

フリーホイール機構がギア/スプロケットアセンブリに組み込まれている古いタイプのディレイラーギアでは、そのシステムはフリーホイールと呼ばれ、一方、フリーホイール機構がハブ内にある新しいタイプのディレイラーギアはフリーハブと呼ばれます。

フリーホイールは回転翼航空機にも使用されています。自転車の車輪がペダルよりも速く回転する必要があるのと同様に、回転翼航空機のブレードは駆動エンジンよりも速く回転する必要があります。これは、エンジン故障の際に、メイントランスミッションのフリーホイールによってメインローターシステムとテールローターシステムが駆動システムとは独立して回転し続けることができるため、特に重要です。これにより、飛行制御の継続とオートローテーション着陸が可能になります。

1869年、米国ニューヨーク州ポキプシーのウィリアム・ヴァン・アンデンが自転車用のフリーホイールを発明した。^[3]彼の設計では、前輪（当時の自転車の設計では駆動輪）のハブ にラチェット装置が取り付けられており、これによりライダーはペダルをこぎ続けなくても前進できるようになった。 ^[4]当初、自転車愛好家はフリーホイールのアイデアを拒否した。自転車の機械的機能が複雑になると信じていたためである。^[5] 自転車愛好家は、自転車はフリーホイールなどの追加メカニズムなしで可能な限り単純なままであるべきだと信じていた。^[6]

英国では、ローラーフリーホイールは1881年にコベントリー・マシニスト社のJ.ホワイトとG.デイヴィスによって特許を取得^{[7]され、チェルシーモア三輪車に取り付けられましたが、}安全自転車にフリーホイールを取り付けた先駆者はリンリー・アンド・ビッグス社（ウィペット・サイクル・シンジケートとして取引）であり、彼らは1894年の夏からフリーホイールを取り付け、2速の「プロティアン」ギアの操作を補助する目的でした。

1899年までに、イギリスの自転車製造業ではフリーホイールが広く採用され、通常はバックペダルブレーキと組み合わされ、既存の自転車への改造も提供されました。^{[8] [9]}

1899年、米国では同じシステムが「コースターブレーキ」として知られており、ペダルを後ろ向きに踏むことでブレーキをかけることができ、フリーホイール機構が組み込まれていました。^[10] 世紀の変わり目には、ヨーロッパとアメリカの自転車メーカーはほとんどの自転車にフリーホイール機構を組み込んでいましたが、ヴァン・アンデンの最初の設計とは異なり、フリーホイールは自転車の後部スプロケットに組み込まれました。 ^[11]

1924年、フランスの会社ル・サイクロは、2つのスプロケットのフリーホイールを備えたギアシフト自転車を発表しました。これにより、ライダーは坂をより簡単に登れるようになりました。1920年代後半、ル・サイクロはフロントとリアの両方のディレイラーをダブルチェーンリングと組み合わせて使用​​し始め、自転車のギア数を2倍にしました。1930年代初頭、ル・サイクロは4つのスプロケットのフリーホイールを発明し、数年後には4つのスプロケットのフリーホイールとトリプルチェーンリングを組み合わせて自転車に12のギアを与えました。^[12]

1960年代から1970年代にかけて、日本のメーカーは独自のディレイラーを導入した。サンツアーは1964年に傾斜平行四辺形リアディレイラーの設計を導入した。これは、シフト時にプーリーをフリーホイールの各歯車に近づけるように傾けたもので、ヨーロッパの同等品よりもスムーズで優れたシフトを実現している。このバージョンのディレイラーは、1980年代にサンツアーの特許が失効したときに標準となり、今日の設計のモデルとなっている。^[13]

• スリッパークラッチ
• スプラグクラッチ
• サーブ 96