クランク（機構）

クランクは、回転シャフトに直角に取り付けられたアームで、シャフトに円運動を与えたり、シャフトから円運動を受け取ったりします。コネクティング ロッドと組み合わせると、円運動を往復運動に変換したり、その逆を行ったりすることができます。アームはシャフトの曲がった部分である場合もあれば、シャフトに取り付けられた別のアームまたはディスクである場合もあります。クランクの端には、ピボットによってロッドが取り付けられており、通常はコネクティング ロッド(コンロッド) と呼ばれます。

この用語は、自転車の クランクセットやブレースとビットのドリルのように、手動で車軸を回転させるために使用される人力クランクを指すことが多い。この場合、人の腕または脚がコネクティングロッドとして機能し、クランクに往復力を加える。通常、アームのもう一方の端に垂直なバーがあり、自由に回転できるハンドルまたはペダルが取り付けられていることが多い。

よく知られている例としては、次のようなものがあります。

• ペダルを介して自転車を動かすクランクセット。
• 足踏み ミシン

ほぼすべての往復エンジンは、ピストンの前後運動を回転運動に変換するためにクランク（コネクティングロッド付き）を使用します。クランクはクランクシャフトに組み込まれています。

最も古い本物のクランクハンドルの証拠は、遅くとも紀元後200年頃の漢代の施釉陶器の墓の農業用風選機の模型で発見されたと考えられていましたが、 ^{[3] [4]}それ以来、クランクで操作する風選機を備えた類似の陶器の模型が次々と発掘され、そのうちの1つは西漢時代（紀元前202年-紀元後9年）にまで遡ります。^{[5] [6]}中国では、遅くとも西漢時代（紀元前202年-紀元後9年）には、古代の発破装置、繊維機械、農業機械にクランクとコネクティングロッドが使用されていました。最初に手動で操作する石臼とロング（穀物の皮むき器具）に使用され、その後、他の装置に進化しました。 F. LishengとT. Qingjunによると、回転式石臼のハンドクランクは、ハンドクランクと押し引きコネクティングロッドをヒンジで組み合わせたクランクとは異なります。^[7]最終的にクランクとコネクティングロッドは、小麦粉ふるい、足踏み紡ぎ車、水力炉のふいご、絹繰り機などの他の用途で回転運動と往復運動の相互変換に使用されるようになりました。^{[8] [6]}

古代エジプト人は古王国時代（紀元前2686-2181年）にクランクに似た手動ドリルを持っており、その道具を表す象形文字さえありました。^[9]しかし、古代エジプトのドリルは真のクランクとしては機能しませんでした。^[10]

その後、機械内でコネクティングロッドと組み合わされたクランクの証拠は、紀元3世紀のローマ帝国アジアにある古代ギリシャのヒエラポリスの製材所、およびローマ帝国シリアのゲラサとローマ帝国支配下のギリシャイオニアのエフェソス（ともに紀元6世紀）にある2つの石造製材所に見られる。 ^[11]ヒエラポリス製材所のペディメントには、水車が水路から水を送り、歯車列を介して2つのフレームソーに動力を与え、何らかのコネクティングロッドと、機械的な必要性からクランクを介して長方形のブロックを切断する様子が描かれている。付随する碑文はギリシャ語で書かれている。^[12]考古学的に証明されている他の2つの製材所のクランクとコネクティングロッドの機構は、歯車列なしで動作していた。^{[13] [14]}

クランクは、9世紀半ばにバヌー・ムーサ兄弟が著書『巧妙な装置の書』で説明したいくつかの油圧装置に登場します。^[15]しかし、これらの装置は部分的な回転しかできず、大きな動力を伝達できませんでした。^{[16]ただし、}クランクシャフトに変換するにはわずかな改造で済みました。^[17]

アル＝ジャザリ（1136-1206）は、2つの揚水機にクランクとコネクティングロッドのシステムを搭載した回転機械を記述している。^[18]彼のツインシリンダーポンプにはクランクシャフトが組み込まれていた。^{[19]クランクは後に、15世紀初頭の}アレクサンドリアのヘロンの『機械工学』のアラビア語写本にも記述されている。^[20]

最初の回転式手臼、またはロータリー石臼は、スペイン（紀元前600年-紀元前500年）で登場し、^{[21] [22]}その後東に広まりました。^{[21] [22]}回転部分の外縁近くにあるハンドルがクランクとなり、^{[21] [23] [24]}回転を動かす人間の腕がコネクティングロッドとなります。^[21] F. Lisheng と T. Qingjun によると、ロータリー石臼のハンドクランクは、ハンドクランクとヒンジによる押し引きコネクティングロッドの組み合わせであるクランクとは異なります。^[7]

紀元前200年頃のアンティキティラ島の機械^{[25] [26]}は、その機構の一部としてクランクを使用していました。^[27]クランクは、予測の開始日を手動で設定するために使用されました。^{[28] [29]}

その後、機械内でコネクティングロッドと組み合わされたクランクの証拠は、紀元3世紀のローマ帝国アジアにある古代ギリシャのヒエラポリスの製材所、およびローマ帝国シリアのゲラサとローマ帝国支配下のギリシャイオニアのエフェソス（ともに紀元6世紀）にある2つの石造製材所に見られる。 ^[11]ヒエラポリス製材所のペディメントには、水車が水路から水を送り、歯車列を介して2つのフレームソーに動力を与え、何らかのコネクティングロッドと、機械的な必要性からクランクを介して長方形のブロックを切断する様子が描かれている。付随する碑文はギリシャ語で書かれている。^[12]考古学的に証明されている他の2つの製材所のクランクとコネクティングロッドの機構は、歯車列なしで動作していた。^{[13] [14]}

スイスのアウグスタ・ラウリカで、西暦2世紀にさかのぼる、用途不明のローマ時代の鉄製クランクが発掘された。長さ82.5cm（32インチ）のこのクランクの片側には長さ15cm（6インチ）の青銅製のハンドルが取り付けられていたが、もう一方のハンドルは失われている。^{[32] [31]}

ミュンヘン近郊のアシュハイムでは、直径50～65cm（20～26インチ）の砕けた石臼2個と様々な鉄製品とともに、長さ約40cm（16インチ）の本物の鉄製クランクが発掘された。クランクで動くローマ時代の水車は、西暦2世紀後半のものである。^{[33]しかし、}ネミ船の手回し式フライホイールで駆動するバケットチェーンポンプの現代の復元が頻繁に引用されているが、「考古学的空想」として却下されている。^[34]

古代文献には、 4世紀後半の詩人アウソニウスが、現在のドイツ、トリーア近郊で水力で動く大理石のこぎりが使われていたと記している。^[30]同じ頃、アナトリア出身のギリシャ人キリスト教徒の聖人グレゴリウス・オブ・ニュッサも、このタイプの製粉所について言及しているようで、ローマ帝国の多くの地域で水力が多様に利用されていたことを示している。^[35] 3つの発見により、クランクとコネクティングロッドの発明時期が1000年も遡ることになる。^[30]

クランクとコネクティングロッドのシステムにより、蒸気機関（1712年に発明）を構成するすべての要素、すなわちヘロンのアイオロスの球（蒸気動力を発生）、シリンダーとピストン（金属力ポンプ） 、逆止弁（水ポンプ）、歯車（水車や時計）はローマ時代に知られていました。^[36]

回転砥石（最も古い描写）^[37]は、クランクハンドルで操作され、カロリング朝写本『ユトレヒト詩篇』に描かれている。830年頃のペン画は、後期古代の原本に遡る。^[38]クリュニーのオド修道院長（ 878年頃- 942年）に帰せられる音楽小冊子には、樹脂製の車輪をクランクで回して音を出すフレット付き弦楽器について記述されている。この装置は、後に12世紀の彩飾写本2冊にも登場する。^[37]また、この世紀と次の世紀には、運命の車輪を回すフォルトゥナの絵が2枚ある。 ^[37]

1887年版の『古代ギリシャ・ローマ辞典』には、穿孔ドリルにクランクハンドルが使われていることが描かれており、スペインのイスラム教徒外科医アブ・アル＝カシム・アル＝ザフラウィの発明とされている。しかし、オリジナルの照明図ではそのような装置の存在は確認できないため、無視しなければならない。^[20]ベネディクト会修道士テオフィラス・プレスビテル（1070年頃−1125年）は、クランクハンドルを「鋳造コアの回転に使用」したと述べている。^[39]

イタリアの医師グイド・ダ・ヴィジェーヴァノ（1280年頃−1349年）は、新たな十字軍の計画を立て、手動で回転する複合クランクと歯車で推進する外輪船と戦闘用馬車の挿絵を描いた（画像中央）。^{[40] 1340年頃の}ルトレル詩篇には、車軸の両端に1つずつ付いた2つのクランクで回転する砥石について記述されている。1つまたは2つのクランクで作動する歯車付き手臼は、15世紀後半に登場した。^[41]

中世のクレーンは時々クランクで動かされていたが、巻き上げ機で動かされることが多かった。^[42]

クランクは15世紀初頭までにヨーロッパで一般的になり、ドイツの軍事技術者コンラート・キーザーなどの著作によく見られる。^{[41]キーザーの}「ベルフォルティス」に描かれた装置には、攻城兵器のクロスボウを張るためのクランク付き巻き上げ機（スポークホイールの代わりに）、水を汲み上げるためのクランク付きバケツのチェーン、鐘の輪に取り付けられたクランクなどがある。^[41]キーザーは、水を汲み上げるためのアルキメデスのねじにもクランクハンドルを装備した。この革新は、後にパイプを踏みつけて操作する古代の手法に取って代わった。^{[43]井戸の揚水機にクランクが取り付けられた最も古い証拠は}、メンデル財団のドイツの家屋集積所にある1425年頃の細密画に見られる。^[44]

大工の支柱に使われている複合クランクの最初の描写は、1420年から1430年の間に、北欧のさまざまな芸術作品に現れます。^[45]複合クランクが急速に採用された経緯は、当時の軍事技術の状態について書いた無名のドイツ人技術者「フス戦争の匿名者」の著作に遡ることができます。まず、クランクに使われていたコネクティングロッドが再び登場し、次に、ダブル複合クランクにもコネクティングロッドが装備されるようになり、最後に、これらのクランクが「デッドスポット」を越えるためにフライホイールが使われるようになりました。

フス戦争の匿名の人物が描いた絵の1つには、両端に一対の外輪が付いており、複合クランクを操作する人がそれを回す船が描かれている（上記参照）。このコンセプトは1463年にイタリアの技術者で作家のロベルト・ヴァルトゥリオによって大幅に改良され、彼は5組の外輪を持つ船を考案した。この船では、平行なクランクがすべて1本の連結棒で1つの動力源に接続されている。このアイデアは同胞のフランチェスコ・ディ・ジョルジョにも引き継がれた。^[46]

ルネサンス期のイタリアでは、タッコラのスケッチブックに複合クランクとコネクティングロッドの最も古い証拠が見られますが、この装置は今でも機械的に誤解されています。^[47]クランクの動きをしっかりと理解していたのは、少し後のピサネロで、彼は水車で駆動され、2つの単純なクランクと2つのコネクティングロッドで動作するピストンポンプを描いています。^[47]

15世紀には、クランク式のラックとピニオンを備えた装置、いわゆるクレーンキンも導入されました。これはクロスボウのストックに取り付けられ、矢じり武器を振り回す際にさらに大きな力を加えるための手段でした（右図参照）。^[48]繊維産業では、糸束を巻き取るためのクランク式のリールが導入されました。^[41]

1480年頃、中世初期の回転砥石は、踏み車とクランク機構によって改良されました。手押し車に取り付けられたクランクは、1589年のドイツの彫刻に初めて登場します。^[49]

16世紀以降、クランクとコネクティングロッドが機械設計に組み込まれている証拠は、当時の技術論文に豊富に見られるようになった。1588年のアゴスティーノ・ラメッリの『多種多様な人工機械』だけでも18の例が描かれており、ゲオルク・アンドレアス・ベックラーの『新機械劇場』ではその数が45種類に上り、全体の3分の1を占めている。^[50]

20 世紀初頭には、クランクは一部の機械でよく使われていました。たとえば、1930 年代以前のほぼすべての蓄音機は、クランクで巻かれたゼンマイ仕掛けのモーターで動いていました。往復ピストン エンジンは、クランクを使用して直線的なピストン運動を回転運動に変換します。20世紀初頭の自動車の内燃機関は、電動スターターが一般的に使用されるようになるまで、通常は手動クランク (英国ではスターティング ハンドルと呼ばれていました)で始動していました。クランクを組み込んだ最後の車種は、 1948 年から1990 年にかけての Citroën 2CVでした。

1918 年のReoのオーナーズ マニュアルには、自動車を手動でクランクする方法が記載されています。

• まず、ギアシフトレバーがニュートラル位置にあることを確認します。
• 2 番目: クラッチ ペダルが解除され、クラッチが接続されます。ブレーキ ペダルをできるだけ前方に押して、後輪にブレーキをかけます。
• 3 番目: スパーク制御レバー (右側のステアリング ホイールの上にある短いレバー) がドライバーに向かってできるだけ後ろに引かれ、キャブレターを制御するステアリング コラムの上にある長いレバーが遅延位置から約 1 インチ前方に押し出されていることを確認します。
• 4番目：イグニッションスイッチを「B」または「M」とマークされたポイントに回します
• 5 番目: ステアリング コラムのキャブレター コントロールを「START」とマークされた位置に設定します。キャブレターにガソリンが入っていることを確認します。ボウルの前面から突き出ている小さなピンを、キャブレターが満杯になるまで押し下げてテストします。満杯にならない場合は、燃料がキャブレターに適切に供給されていないことを示し、モーターの始動は期待できません。真空タンクの充填については、56 ページの説明を参照してください。
• 6 番目: キャブレターに燃料が供給されていることを確認したら、始動クランクのハンドルを握り、端まで押し込んでラチェットをクランクシャフトのピンにかみ合わせ、素早く上方に引っ張ってモーターを回転させます。決して押し下げないでください。何らかの理由でモーターが反動すると、オペレーターが危険にさらされる恐れがあります。

クランク軸は車軸の役割も果たすクランクシャフトです。内部にシリンダーがある蒸気機関車で使用されます。

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• クランクハイライト: フォードモーターカンパニー提供の 4 気筒内燃エンジンの構造と動作のハイパービデオ
• 設計用運動学モデル デジタル ライブラリ (KMODDL) - コーネル大学で実際に動作する数百の機械システム モデルの動画と写真。機械設計とエンジニアリングに関する古典的なテキストの電子書籍ライブラリも含まれています。