クラッチ｜必要に応じて接続を切り離す軸継手

2022.02.28

クラッチ

クラッチ（英語: clutch）とは、原動機（エンジンやモーターなど）から被動軸へ動力を伝達、あるいは遮断するための機械要素である。主に自動車や自動二輪車をはじめとする輸送機械や、各種産業機械、農業用機械などにおいて、動力の断続が必要とされる箇所に広く用いられている。通常、動力源が常に回転を続ける性質を持つ場合、停止状態の機械を動かし始めたり、変速機（トランスミッション）の歯車を切り替えたりする際に、一時的に動力の伝達を絶つ役割を担う。クラッチを操作することで、機械の急激な発進を防ぎ、スムーズな動力伝達が可能となる。工学や製造業の分野において、動力をいかに効率的かつ安全に制御するかは極めて重要な課題であり、クラッチはその要となる部品として長年にわたり研究と改良が重ねられてきた。現代の高度な機械システムにおいても、その基本的な役割が変わることはなく、様々な機構や素材が組み合わされて多様なニーズに応えている。

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クラッチの基本的な仕組みと役割

クラッチの基本的な役割は、回転する二つの軸（入力軸と出力軸）を結合し、必要に応じて切り離すことである。原動機から発生したトルクは、入力軸を通じてクラッチへと伝えられる。運転者や制御装置の操作によってクラッチが接続状態になると、摩擦力や流体の力、あるいは電磁力などを介して出力軸へと動力が伝わる。逆に、切り離し状態にすることで動力は遮断され、被動側は空転するか停止する。これにより、機械の安全な起動、停止、そして変速時のショックの緩和が実現される。さらに、機械に過度な負荷がかかった際に意図的に滑りを生じさせることで、他の高価な機械部品や原動機自体が破損することを防ぐという、安全装置としての役割を担う場合もある。このように、単なる動力の伝達機構という枠を超えて、システム全体の保護と円滑な動作を保証するための不可欠な要素となっているのである。

クラッチに必要な要素

  • 安全性:危険なく安全に使うことができること
  • 操作性：操作が簡易でスムーズにできること
  • フィーリング：支障なく接続でき、振動・騒音がないこと
  • 性能：動力の伝達と遮断が確実に行われること
  • 持続可能性：耐久性、耐熱性、耐摩耗性に優れていること
  • 応答性：変速が容易であること

クラッチの種類

クラッチはその構造により、機械クラッチ、油圧クラッチ、電磁クラッチ、流体クラッチなどがある。

機械クラッチ

機械クラッチとは、カム・レバー・リンクなどで人の手や足による力を拡大し作動させるクラッチである。一方の軸が固定され、他方は軸の上をなめらかに動いてかみ合いのかけ外しが行われる。力の大きさ、断続の回数、連結時間などが限定される。安価なため広く広まっている。

油圧クラッチ

油圧クラッチとは、油圧を利用して押付け力を大きくすることができるので、クラッチの単位体積あたりの伝達トルクは最大で、連結時間も短い。油圧ポンプ・配管・制御弁などが必要である。

電磁クラッチ

電磁クラッチは、回転する鉄の円板に電磁石を取り付けて電流を流すと、もう一方の円板が吸い寄せられて一緒に回転するクラッチで、制御が簡単にでき、遠隔操作をすることができる。電流のON・OFFでクラッチの働きをするので、連結時間は最小で、断続回数も多くとることができる。コンパクトで省スペースに適している。ただし、爆発の危険のあるところでは注意が必要である。

流体クラッチ

流体クラッチとは、風力や液体などの流体を利用したクラッチで、固定軸継手より衝撃力を和らげる。エンジンの動力として用いられるとき、低回転のうちは弱く、高回転では強く作ることができる。また、AT（自動変速装置）につかう、流体クラッチと変速機の働きをするトルクコンバータなどがある。

かみ合いクラッチ

かみあいクラッチは、つめをかみあわせて2軸の連結と切り離しを行い、動力の伝達・遮断を行う。このクラッチは、滑りがないので確実に回転を伝えたい場合に用いる。回転がほぼ一致しないと連結できないため、同じ速度で伝達するときのみ利用することができる。原動側のクラッチ本体を軸に固定し、従動側は滑りキーあるいはスプラインの上を移動させて、つめをかみあわせる。かみあったときは、両方のつめは一体となって回転するため、両者のつめの回転中心が一致している必要がある。つめの摩耗やかみあいのずれの原因になる。また、回転中の急激なかみあわせは、衝撃がともなうので、停止中か低速回転のときにだけ行う。

つめの形

つめの形は三角、角形、台形などがある。のこ歯やスパイラルは1方向のみの回転に用いられる。なお、摩擦クラッチ(下記参照)は面接触の摩擦で回転を止めるためつめはない。

摩擦クラッチ

摩擦クラッチは、原動側と従動側に取りつけた摩擦板を押しつけて接触させ、摩擦力によって動力を伝えるクラッチである。（そのなかでも電磁によって行われるクラッチは、電磁摩擦クラッチという。）摩擦クラッチは、最初は衝撃がなくなめらかに回転するが、摩擦力によって徐々に従動軸が加速し、両軸が一体となって回転する。また、過大な負荷に対しては、摩擦面が滑って安全装置にもなる。摩擦力を利用するため、摩擦の面には、耐熱性や耐摩耗性の高い素材が使われる。使用する円板の枚数によって単板クラッチと多板クラッチに分かれる。また、オイルの使用の有無で乾式・湿式という分類がある。

単板クラッチ

単板クラッチとは、摩擦面が1枚のクラッチディスクによって動力を伝えるクラッチをいう。摩擦面を乾燥状態で使う乾式で用いる。連結や遮断にかかる時間が短い、熱放散がよいなどの長所がある。一方、摩擦部分の摩耗が大きいという短所がある。

多板クラッチ

多板クラッチとは、単板2枚以上のクラッチディスクの摩擦によって動力を伝えるクラッチをいう。多板クラッチには、乾式と摩擦面を潤滑する湿式のに種類がある。湿式クラッチは、連結やしゃ断が滑らか、コンパクトで伝達トルクが大きい。摩耗が少なく寿命が長いなどの長所がある。短所として、熱放散の対策が必要であること、連結・しゃ断時間が長いことなどがあげられる。

自動クラッチ

自動クラッチは、回転状態があらかじめ定められた条件を満たしたとき、自動的に動力の連結・遮断を行うものである。自動クラッチには、定トルククラッチ・一方向クラッチ・ 遠心クラッチなどがある。

定トルククラッチ

あらかじめ定めたトルクを維持するため、自動的にかみあいがはずれたり、摩擦面で滑る構造になっている。 一方向クラッチ| 1方向だけに動力を伝達する構造になっている。

一方向クラッチ

一方向クラッチとは、ある速度を超えると遠心力の作用で原動側と従動側が連結するようになっている。

遠心クラッチ

遠心クラッチは、エンジンの回転がある速度を超えると、遠心力の作用で原動側と従動側が連結する構造になっている。

クラッチの摩耗とメンテナンスの重要性

摩擦を利用するタイプのクラッチは、使用を重ねるごとに摩擦材が徐々に摩耗していく宿命にある消耗部品である。特に半クラッチと呼ばれる、意図的に滑らせながら動力を伝える操作を多用したり、急発進を繰り返したりすると、摩耗は急激に進行する。摩耗が限界に達すると、原動機の回転数が上がっても出力軸に動力が伝わらず速度が上がらない「クラッチ滑り」という現象が発生する。そのため、定期的な点検と、必要に応じたクラッチディスクや関連するボルト、周辺部品の交換が不可欠となる。適切な運転操作を心掛け、定期的なメンテナンスを怠らないことで、クラッチの寿命を大幅に延ばし、機械本来のパフォーマンスを長期間にわたって維持することが可能となるのである。

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