クラッチ
目次
クラッチについて
自動車がエンジンを始動する際には、そのエンジンにかかる負荷を最小限にしないと始動しないようになっている。具体的には、エンジンに常時接続されているトランスミッションからの負荷をゼロにするのだが、マニュアルトランスミッションの場合、エンジンの動力をトランスミッションに伝える役割を担うクラッチの接続を切断することで、エンジンにかかる負荷をゼロにし、エンジンを始動させるような仕組みになっている。
また、マニュアルトランスミッションのシフトチェンジ時においても、このクラッチの接続を切断することで、エンジンとトランスミッション双方にかかる負荷をゼロにして、スムーズなギヤチェンジが行えるようになっている。
クラッチは、このエンジンの動力をトランスミッションに伝えたり、切断したりする際に、エンジンにかかる負荷を必要に応じて断続させる役割を担う装置である。
- 半クラッチ
自動車が停止しているときに、回転しているエンジンの動力を急激に伝えると、その動力が大きい場合には、クルマが急発進したり、動力が小さい場合には、エンジンの回転が伝わらずにクルマは動かない。そのため、クラッチを手動で操作して、エンジンの動力を徐々に接続することが必要になってくる。この時のクラッチの状態を半クラッチと呼んでいる。
クラッチは、エンジンとトランスミッションとの間に設けられ、摩擦や油圧を利用してエンジンの動力を伝達しており、その動力の接続及び遮断が円滑で、確実に操作ができ、動力伝達の際の摩擦熱を放熱する放熱性が優れていることが必要である。
このような機械的摩擦クラッチでは、運転者の操作力を機械式ワイヤや油圧系統を利用して伝達させる操作機構と、その力を受けて動力の伝達を断続するクラッチ本体とから構成されている。
クラッチに要求される性能
クラッチに要求される性能として、次の要素がある。
- 動力の遮断及び接続、半クラッチなどの操作が容易かつ確実にできる構造であること。
- 伝達トルク容量が適正であること。
- クラッチの摩擦による発熱量に対し、熱の吸収及び発散能力が十分で温度が過度に上昇しない性質であること。
- クラッチディスクの慣性力ができるだけ小さく、変速ギヤの切り替えが容易であること。（慣性力を小さくするためには、クラッチディスクの重量をできるだけ小さくする。
伝達トルク容量
図1：クラッチの原理
図1よりクラッチの一般的な構造は、2枚の摩擦板が向かい合うように重なり、スプリングのばね力によって圧着されている構造になっている。
ここで、スプリングによる圧着力とクラッチ板の摩擦力によって、このクラッチを介して、入力側から出力側に伝えられるトルクをT[N・m {kgf・ｍ}]とする。
すると、このT[N・m {kgf・ｍ}]の最大値がクラッチの最大容量であり、伝達トルク容量を表している。この容量は、スプリングによる圧着力とクラッチ板の摩擦係数、摩擦面積に関係してくる。
クラッチの伝達トルク容量が、エンジンのトルクに比べて過大であれば、クラッチの操作が難しくなり、接続が急になりがちで、エンジンが停止しやすくなる。また、クラッチを急につなぐと、クラッチの伝達トルク容量が大きいほどトランスミッション、プロペラシャフトやドライブシャフトなどの動力伝達系統に発生する衝撃的負荷トルクが過大になってしまうので、これらの動力伝達系統の部品の保護のためにも、クラッチ伝達トルク容量は、エンジンのトルクよりも小さくなることが望ましい。
しかし、クラッチの伝達トルク容量が小さすぎると、接続は滑らかになる反面、クラッチの滑りが発生して発熱量が大きくなり、クラッチの表面（フェーシング）の摩耗量が急増しやすくなる。また、温度が上昇して摩擦力が低下すると、ますますクラッチの滑りが増大してしまう。
このため、クラッチの伝達トルク容量は、エンジンの最大トルクやクルマの種類や構造などを考慮して、一般的にエンジンの最大トルクの1.2〜1.5倍に設定している。（これを余裕係数という。）
したがって、乗用車よりもバスやトラックなどの大型車両の方が余裕係数を大きく設定している。（ガソリンエンジンよりもディーゼルエンジンの方が余裕係数が大きい。）
クラッチスプリングについて
図2:クラッチスプリングの特性
クラッチスプリングには、コイルスプリング方式とダイヤフラムスプリング方式とがある。コイルスプリング方式はバスやトラックなどの大型車両に、ダイヤフラムスプリング方式は乗用車などに採用されている。
図2は、コイルスプリング方式とダイヤフラムスプリング方式それぞれのクラッチスプリングの特性を表したものである。図の実線がダイヤフラムスプリング方式の特性であり、点線がコイルスプリング方式の特性である。
図2において、正規の取り付け位置（クラッチペダルをはなした状態）での両者のばね力(P0)を同じにした場合、最大レリーズ位置（クラッチペダルを最大に踏み込んだ場合での位置）でのばね力は、コイルスプリング方式の場合、P2’となるのに対し、ダイヤフラムスプリング方式では、それよりも小さいP2となり、クラッチペダルの踏力は、リンク機構の全てのレバー比が同じであれば、このばね力の差分だけ小さくなる。
一方で、クラッチフェーシングが限度まで摩耗すると、コイルスプリング方式の場合、ばね力がP0からP1’へと減少するが、ダイヤフラムスプリング方式ではP0とP1は同じである。
以上から、ダイヤフラムスプリング方式の特徴は次のようになる。
- クラッチディッスクの摩耗によるばね力の変化が少ない。
- 高速回転時、遠心力によるばね力の減少が少ない。
- プレッシャプレートに作用するばね力が均一である。
ダイヤフラムスプリング方式はクラッチディスクの摩耗や、運転状況にあまり影響されず、安定したクラッチ操作を可能にしているといえる。
クラッチ本体
ダイヤフラムスプリング式クラッチ
図3：ダイヤフラムスプリング式クラッチ
図3は、ダイヤフラムスプリング式クラッチの装置を示したもので、クラッチ本体とクラッチ操作機構に大別されて構成されている。
図4：クラッチ本体の構成部品
クラッチ本体は、図4のように構成されている。左から順に、
- フライホイール
- クラッチディスク
- プレッシャプレート
- ダイヤフラムスプリング
- クラッチカバー
で構成される。
クラッチ交換の際は、3~5の部品はクラッチカバーAssyとして、一体の部品として注文して交換するのが通常である。2のクラッチディスクは1つの部品としてクラッチカバーとは別の注文になるのだが、クラッチディスクだけを交換するのはまれなケースで、クラッチ交換となると、大体は、クラッチディスクとクラッチカバーAssyの2つを同時に交換することがほとんどのケースである。
つまり、クラッチディスクの摩耗や不具合で滑りが発生して、交換の必要がある場合には、クラッチカバーAssy内のダイヤフラムスプリングの衰損や、その他の部品の劣化や摩耗なども考えられるので、2つを同時に交換するということになる。
また、クラッチ交換の際には、エンジン側に取り付けられているフライホイールの摩耗なども考えられるので、点検の結果不具合がある場合には、その都度交換する必要がある。
クラッチ本体を構成する部品の特徴と性質について
- クラッチカバー
クラッチカバーは、鋼板をプレス加工したもので、ダイヤフラムスプリングやプレッシャプレートが組み付けられている。通常は、クラッチディスクを挟んでフライホイールに取り付けられてエンジンのクランクシャフト（フライホイール）と共に回転しているが、クラッチを接続することで、間に挟まれているクラッチディスクとそれに嵌合して接続されているクラッチシャフトが回転して、エンジンの動力をトランスミッションに伝える仕組みになっている。
- ダイヤフラムスプリング
ダイヤフラムスプリングは、ばね鋼板をプレス成形した後、熱処理してある。その構造上、圧力が全周に渡って作用しているので、プレッシャプレートにひずみが発生しにくく、クラッチを断続させる作用が円滑にできるので、クラッチディスクが摩耗してもばね力が低下しないなどの特徴がある。
- プレッシャプレート
プレッシャプレートは、鋳鉄製で、フライホイールと同様、その摩擦面は滑らかに平面仕上げされて、回転バランスが取られている。
- クラッチディスク
図5：クラッチディスク
クラッチディスクは、フライホイール及びプレッシャプレートの摩擦面に対して均一に両面接触して、円滑にトルクを伝える役割を担っている。図5より、鋼板性のクラッチプレートに取り付けられたクッションプレートを介してクラッチフェーシングがリベット止めされており、スプラインハブの円周上には、数個のコイルスプリングが、ダンパスプリングとして組み込まれている。
このダンパスプリングは、エンジンや駆動輪からのトルクが急激に伝えられた場合、その衝撃を吸収して緩和するようになっている。（変速時のショック吸収）
また、クラッチフェーシングは、その用途に応じた摩擦係数を持ち、かつ、温度変化に対する摩擦係数の変化の少ない性質のものが要求される。
- レリーズベアリング
図6：レリーズベアリングと自動調心機能
レリーズベアリングは、クラッチペダルからの力を回転体であるクラッチに伝える働きをする。一般的には図6のように、耐熱性グリースを封入した無給油式アンギュラ式ボールベアリングが用いられ、ベアリングカラーに圧入されている構造のものが主流である。
図6-1：レリーズベアリングと自動調心機能
また、レリーズベアリングには、エンジン側のダイヤフラムスプリングとトランスミッション側のレリーズベアリングの中心軸の微小な心ずれを自動的に補正する機能があり、図6−1のようにレリーズベアリングがダイヤフラムスプリングに押しつけられた際に、レリーズベアリング自体が動くことで心ずれが補正されるようになっている。
ダイヤフラムスプリング式クラッチの作動
図7：ダイヤフラムスプリング式クラッチの機能
- クラッチ接続時
クラッチ接続時には、図7(1)のようにクラッチディスクは、ダイヤフラムスプリングのばね力により、プレッシャープレートを介してフライホイールへ強く押しつけられ、フライホイールとともに回転して、常にエンジンからの動力をトランスミッションに伝えている。
- クラッチ遮断時
エンジンからの動力を遮断するためにクラッチペダルを踏むと、図7(2)のようにレリーズフォークが動くことによって発生する力は、レリーズベアリングに伝わり、ダイヤフラムスプリングの先端部を押す。このとき、ダイヤフラムスプリングの両側に組み込まれているピボットリングが支点となって、ダイヤフラムスプリングの外周が反り返り、リトラクティングスプリングによってプレッシャプレートを移動させるので、（図7の右方向）クラッチディスク摩擦面にすき間ができて、エンジンからの動力は遮断される。
コイルスプリング式クラッチ
図8：コイルスプリング式クラッチ
図8は、コイルスプリング式クラッチを示したもので、中型・大型トラックやバスなどに用いられている。
- クラッチ本体
図9：クラッチ本体の構成部品
図9にコイルスプリング式クラッチの本体を示す。原則的に、ダイヤフラムスプリング式クラッチと同じであるのだが、ダイヤフラムスプリングの代わりに複数のコイルスプリング（クラッチスプリング）が、クラッチカバーとプレッシャープレートの間に組み込まれていて、後述するクラッチの操作機構によりクラッチディスクを接続・遮断する機構になっている。
また、クラッチディスクは、ダイヤフラムスプリング方式と同じで、クラッチシャフトにスプラインで結合されて、フライホイールとプレッシャープレートとの間に挟まれている。
参考までに、大型車などの場合は、クラッチ交換の際に大型車用のクラッチカバー一式を注文すると、クラッチカバーとプレッシャプレートがアッセンブリになっているが、その円周上に内蔵されているクラッチスプリングが、スプリングを貫通するように太いボルトが貫通されて締め込まれることで、クラッチスプリングを圧縮された状態になっている場合が多い。
これをクラッチディスクを挟んでフライホイールに取り付け、円周上のスプリング固定ボルトを少しずつ緩めながらシャフトの中心出しを行う仕組みになっている。
- コイルスプリング式クラッチの作動原理
図10：コイルスプリング式クラッチの作動原理
図10より、(1)のクラッチ接続時には、クラッチスプリングは、クラッチスプリングのばね力でプレッシャープレートを介してフライホイールへ強く押しつけられて、フライホイールと共に回転し、エンジンからの動力をトランスミッションに伝えている。
図10より、(2)のクラッチ遮断時には、動力を遮断するためにクラッチペダルを踏むことで、操作機構が作動してレリーズベアリングがレリーズレバーを押すことで、クラッチスプリングが圧縮されることで、プレッシャプレートが図の右方向に移動して、クラッチディスク摩擦面に隙間がつくられることで動力が遮断される。
クラッチの操作機構
クラッチ操作機構は、運転席のクラッチペダルを操作することにより、クラッチ本体に接続されているレリーズフォークを動かすことで、クラッチを断続させる装置であり、機械式と油圧式がある。
機械式操作機構
図11：機械式操作機構
図11のようにクラッチペダルとレリーズフォークとを直接ケーブルで接続した機械的な方式である。
クラッチペダルを踏むことにより、ケーブルが手前に引っ張られてレリーズフォークも同期して作動する。このとき、レリーズベアリングが動かされることによりダイヤフラムスプリングが作動して、クラッチディスクとフライホイールとの間に隙間ができてエンジンからの動力が遮断される。
クラッチペダルを離すと、ペダルのリターンスプリング、レリーズケーブル、レリーズフォーク、レリーズベアリングの順に、それぞれ元の位置に戻る。これにより、ダイヤフラムスプリングが作動して、クラッチディスクがフライホイールに押しつけられ、エンジンの動力はトランスミッションに伝達される。
この機械式操作機構のメリットは、クラッチペダルの踏力を、直接レリーズフォークへと伝達するので、構造が簡素で保守点検、整備が容易にできることである。
油圧式操作機構
図12：油圧式操作機構
クラッチの油圧式操作機構は、図12のようにクラッチペダルの踏力を油圧に変換して、レリーズフォークへと伝達する方式である。
クラッチペダルを踏むと、マスタシリンダ内に油圧が発生し、レリーズシリンダのプッシュロッドを介してレリーズフォークを押すようになっている。
この油圧式操作機構は、クラッチ操作が確実で、動作は軽く滑らかである。また、油圧のため大きな踏力を必要とする大型車に広く用いられる一方で、スポーツタイプ車のクラッチのように頻繁にクラッチ操作を必要とする場合にも有効な機能を発揮する。
反面、構造が複雑で油圧を用いていることから、クラッチ液内にエアが混入すると、作動が不正確になる点や、クラッチの液量や漏れなどに注意する点がある。
なお、クラッチ液には、ブレーキ液と同じ物が用いられることが多い。
- クラッチペダル
図13：クラッチペダル
クラッチペダルには、図13のようにつり下げ式と立ち上がり式とがある。
一般的な乗用車には、つり下げ式が採用されている。車高が高い大型トラックやバスの一部には、立ち上がり式が採用されている。
- マスタシリンダ
図14は、マスタシリンダの断面を示している。マスタシリンダは大きく2つに分けられる。それは、油圧によりピストンが摺動するシリンダの部分と、クラッチ液を蓄えておくためのリザーブタンクの部分である。
図14：マスタシリンダの作動
マスタシリンダは、クラッチを作動させるための油圧を発生させるものである。
図14(1)において、クラッチペダルを少し踏み込むと、ピストンが押され、シリンダ内のクラッチ液は、リザーブタンクへと送られる。さらにクラッチペダルを踏み込み、ピストンが移動すると、ピストンの先に付いていたスプリングリテーナが、リターンスプリングを最大（これ以上圧縮できない状態）まで圧縮させる。
このとき、コネクティングロッドの動作が自由になるので、ロッドの先端に組み込まれている小さなコニカルスプリングのばね力により、インレットバルブが左方向へと移動して、インレットリターン共用ポートを遮断する。
これと同時に、シリンダ内の油圧は急激に上昇し、クラッチ液はレリーズシリンダへと送られ、レリーズピストンを動作させる。
図14：マスタシリンダの作動
図14(2)において、クラッチペダルを離すと、ピストンは、リターンスプリングの力で戻されて油圧が減少するため、レリーズシリンダ側からクラッチ液がA室に戻ってくる。
同時に、スプリングリテーナがコネクティングロッドを引っ張るので、インレットバルブはインレットリターン共用ポートを開放するため、A室、B室が通じてA室にクラッチ液が充填される。
- レリーズシリンダ
レリーズシリンダは、マスタシリンダで発生した油圧をクラッチに伝達させるもので、クラッチの遊び(注参照)を調整する機構が付いた調整式と、自動調整機構が付いている無調整式とがある。
レリーズシリンダにおいて、マスタシリンダからの油圧は、ピストンを移動させ、プッシュロッドを介してレリーズフォークを作動させる。
図15は、調整式と無調整式のレリーズシリンダの断面を示したものである。
図15：レリーズシリンダ
- 図15(1)調整式：クラッチの遊びを、プッシュロッドの有効長さをアジャストナットで変えることで行っている。
- 図15(2)無調整式：プッシュロッドをシリンダボデーに内蔵されたコニカルスプリングによって、常にレリーズフォークを押した状態を保つことで、レリーズベアリングをダイヤフラムスプリングに接触させているので、クラッチディスクの摩耗量に伴ってプッシュロッドが移動して、クラッチペダルの遊びを自動的に一定に保っている。
(注)：クラッチの遊びとは
クラッチペダルを踏んだときの遊び(移動量)
- マスタシリンダのプッシュロッド先端がピストンを押すまでのクラッチペダルの踏みしろの遊び(移動量)
- マスタシリンダのピストンが油圧を発生させるまでの遊び(移動量)
- 油圧が発生してレリーズベアリングがダイヤフラムスプリング(またはレリーズレバー)に当たるまでの遊び(移動量)
この3つがあり、一般にこの3つの遊び(移動量)をクラッチの遊びという。この遊び(移動量)は常に一定となりうる。
クラッチ倍力装置
クラッチ倍力装置は、クラッチペダルの操作力を軽減させるもので、強力なばね力を持つクラッチスプリングを採用している大型トラックやバスなどの車両に採用されている。
図16：クラッチ倍力装置
図16は、クラッチ倍力装置の一例で、図(1)の圧縮空気式は、マスタシリンダの油圧によって、クラッチブースター内のエア流入を制御するバルブを開閉することにより、エアーを流入させてパワーピストンを作動させる方式である。
図(2)の負圧式はバルブオペレーティングロッドによって、クラッチブースター内のポペットに内蔵されたエアバルブとバキュームバルブを開閉することにより、A室に負圧を、B室に大気圧を掛けてパワーピストンを作動させる方式である。
引用元・参考サイトなど
このサイトのテキストは一部以下の著作・出版物・Webサイトより引用させて頂きました。
- よくわかる 3級自動車整備士シャシ 大保 昇 著 弘文社
- 「国土交通省自動車交通局監修 三級自動車シャシ」社団法人 日本自動車整備振興会連合会
https://www.jaspa.or.jp/association/publication/book_k3shasi.html
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