ノンシンクロトランスミッション
ノンシンクロトランスミッション(英: non-synchronous transmission)は変速機構に回転速度を同期させる機構(シンクロメッシュ)を持たないマニュアルトランスミッションである。主にトラクターなどの農業機械や大型トレーラー(en:Semi-trailer_truck)などの大型貨物車で用いられている。このうち常時噛合（コンスタントメッシュ）式のものはドグミッションとも呼ばれる。
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概要 [編集]
ノンシンクロトランスミッションはコーンとスリーブを用いたシンクロメッシュ技術を用いていない為、操縦者はスムーズな変速の実現及び変速機そのものを壊さない為に、ギアボックスのギア比、エンジンの馬力とトルク、レンジセレクター、多機能クラッチ、シフトレバーの機能などをよく把握しておく必要がある。
シンクロメッシュが普及した現代において、敢えてノンシンクロトランスミッションを用いる車両は、農業機械や建設機械など極端に運行速度が遅い車両か、総重量が40トン級或いはそれを大きく超える、途方もなく変速機への負荷の大きい車両である。これらの車両の中にはいくつかの異なる構造の変速機を組み合わせて使用する物があり、その一例がパワーテイクオフである。[1]
また、そうした高負荷・重荷重の車両の中でも飛び抜けて車体が大きなモンスタートラックと呼ばれる類の、超大型建設作業用輸送トラックの中には、主変速機は前進と後退を1段のみ持つノンシンクロトランスミッションに、2段副変速機付きトランスファーを2基直列に配置して、実質的な前進後退3段変速を可能としたデュアルトランスファー構成が採られる場合がある[2]。
四輪駆動車のトランスファーに内蔵される副変速機も、構造そのものはノンシンクロトランスミッションである場合が多く、破損防止のためにハイレンジとローレンジの切り替えは一度完全に停止した状態で行う必要がある。こうした副変速機の多くはスタックなどの非常時のみに使用する事が想定されており、走行中の積極的な変速自体が殆ど考慮されていない事が大半の為である。
ほぼ同様の理由により、比較的安価な車両に搭載されるMTの後退ギアにもシンクロメッシュが搭載されていない例が見られる。前進から間断なく後退へ変速すること自体がまず有り得ないためであるが、近年ではある程度以上の価格帯のMT車ではギア入りの際の噛み合い音の発生を無くす目的で、後退ギアにもシンクロメッシュを採用する例が殆どである。
コンスタントメッシュトランスミッションにおいて、ギアセレクターは軸と同じ回転速度で回転し、歯車は軸に対して自由に回転している。あるギアが選択されたときギアセレクターが歯車のひとつと噛み合って軸のトルクを伝達する。ギアセレクターのハブは軸に沿って付けられた多数の溝（スプライン）によって、回転方向には固定され、軸方向にはスライドできるようになっている。ギアセレクターの外周には円周上に溝が切られていて、円弧状のセレクターフォークが組み合わされている。シフトレバーを操作すると対応するセレクターフォークが軸方向に動き、ギアセレクターをスライドさせて歯車とギアセレクターが噛み合う。この噛み合い構造は摩擦などによらず断切を行い、ドグクラッチと呼ばれる。シンクロメッシュ式のトランスミッションではドグクラッチにシンクロナイザーと呼ばれる部品が介在し、摩擦によってギアセレクターと歯車の回転速度を同調させてから噛み合うが、ノンシンクロトランスミッションではシンクロナイザーを介在せずにドグクラッチが直接噛み合う。
シンクロ機構が軸と歯車を同調させるまでにかかる時間が不要で素早い変速が可能であるが、運転者が同調させなければならないためシンクロ機構に比べると操作が難しい。
自動車 [編集]
現代の自動車で一般的なシンクロメッシュ式のトランスミッションとは異なり、シンクロ機構が無いためにそのメリットも持ち合わせない。すなわちエンジンとトランスミッションの回転数が合っていなければギアを入れることができない。このため、扱い方がやや難しい。各種競技車両に採用される例が多いが、大量生産はされておらず、通常のシンクロ式トランスミッションよりも高価である。
しかし、素早い変速が行なえるため、変速時の車両空走時間が短縮できる。テクニックによってはクラッチ操作の時間も不要とすることが可能である。シンクロ機構の主要部品であるシンクロナイザーリングは摩滅消耗を前提とした材質であるため、強大なエンジン出力に見合った強化設計が難しい。同じくシンクロ機構は摩滅消耗を前提としているため、競技に用いるには信頼性において不安定要素となる。シンクロ機構が破損した場合はミッションブローに直結する。シンクロ式トランスミッションに比して部品点数を減らすことができ、競技に用いる場合は信頼性向上に寄与する。部品点数が少ないため、設計によっては軽量化が望める。シーケンシャルシフトパターンとドグミッションとは相性が良く、自動車競技においてもシフトミスを低減する為にシーケンシャルシフトパターンは歓迎され、ほとんどのドグミッションに採用されている。
オートバイ [編集]
現代のオートバイに採用される変速機のうち有段変速機はほぼ例外なく常時噛合式のノンシンクロトランスミッションで、シンクロ式トランスミッションは普及していない。二輪車においてシンクロ機構が普及しなかった理由は小型軽量化とコストメリットという設計要求のほかに、二輪車の変速操作は足で行なうことから、自動車で普及しているHパターンの様な二次元的な操作は困難である。それゆえ一方向の往復動作で一段ずつ変速操作を行うシーケンシャルシフトパターンとなった。結果として4速から2速などの「跳び越し変速」は考慮外となる。跳び越し変速を考慮しないためその際の変速段間の強力な同調性能は不要であり、隣接する変速段間の遷移だけ考慮すればよくそれはドグクラッチ機構で充分賄うことができたという背景がある。
変速ショック [編集]
シンクロ式トランスミッションに比して、変速時の音や振動（いわゆる変速ショック）が大きい。これはシンクロ式が隣り合う変速段の歯車の回転数を擦り合わせるのに対し、ドグミッションは噛み合いクラッチでいきなり結合することに起因する（クラッチの項も参照のこと）。
二輪車では伝達トルクが小さいことと、最終減速機構がチェーン駆動のものが多くある程度の衝撃吸収能力を持つことから、問題視されない。一方、市販の自動車、こと乗用車においてこのデメリットは敬遠され変速装置の発展過程でシンクロ付きトランスミッションに取って代わられた。
歴史 [編集]
1842年、ベルギーで発明され特許が取得された蒸気機関のワルシャート式弁装置に逆転機レバー(reversing lever)が備えられていた。逆転機レバーの構造図はアメリカやイギリスの資料で参照する事が出来る[3]。蒸気機関の逆転機は、複雑に組み合わせられたリンケージの位置関係をレバーで変更する事で車輪を逆回転させるもので、今日のギアの噛み合わせで変速を行う変速機とは異なるものであるが、機関そのものを逆転させることなく車輪の回転をのみを変化させるという概念が初めて登場したという意味では、乗り物の変速機の端緒であるともいえる。
1890年、パナールはダイムラー製内燃機関を搭載しチェーンドライブで駆動する自動車を開発し、en:horseless carriage(馬無し馬車の意)という名で発売した。当時は自動車という概念自体がまだ存在しなかったこともあり、工業界のマーケティング担当はそれ以来、日々生み出されてくる様々な自動車部品に対して何かにつけて壮大で大げさな印象の名前を名づけるようになっていった。そうした状況を変えたのがロコモービル(en:Locomobile Company of America)であり[4]、1906年のレース用自動車に初めてオートモービル(automobile)の名称を用いた。同社は自動車における新技術を販売促進に望ましい魅力としてアピールするために、過剰に誇大な名前を付けるのではなく工学部門が設計段階で用いていた名称をそのまま使用する事にしたのである。
今日見られるようなギアの噛み合わせによる手動変速機は、前述のパナールの創業者であるルイス・ルネ・パナールとEmile Levassorによって19世紀末に発明された。事実上のノンシンクロトランスミッションの登場である。この変速機は複数のギア比を持つ前進ギアと一つの後退ギアを備えていた。ギアは複数の軸上を横にスライドして噛み合うようになっており、スライドするギアはシフティングギア(shifting gears)と呼ばれた。シフティングギアを正確に噛み合わせる(mesh)為には、スピードメーターとタコメーターを監視しながらの正確なスロットル操作が必須であり、これがうまくいかなければシフティングギアは激しい音を立てて噛み合う事を拒んだ。このような機構はスライディングメッシュ(sliding mesh)と呼ばれ、その破壊音にも似た[5]激しい摺動音から俗にクラッシュボックスとも綽名された。
1929年、キャデラックのアール・A・トンプソンによって[6]、自動車の変速機のシンクロナイザー機構(シンクロメッシュ)が発明され、日本車でも1936年のトヨダ・AA型乗用車に採用されるなど世界中の自動車に広まっていった。この機構は変速ギア自体は常に噛み合った状態(コンスタントメッシュ、constant-mesh)でインプットシャフトと共に回りつづけており、車軸に繋がっているメインシャフト(アウトプットシャフト)への回転の伝達を、変速ギア側面にドグクラッチを噛み込ませることで制御していた。当時のシステムは現在でいうところのドグミッションをベースに、ドグクラッチとシフトフォークの間に真鍮製リングを追加して、リングの摩擦抵抗によってインプットシャフトの回転数を加減速させてメインシャフトと同調させるものであり、コーンとスリーブを用いたより近代的なシンクロメッシュは、1952年のポルシェ・356のポルシェシンクロの登場を待たねばならなかった。しかしながらこれ以降、自動車の主要な変速機の分類はオートマチック、マニュアル、そしてノンシンクロトランスミッションの3種類に明確に分割されるようになった。これらの分類は一部の内燃機関車やハイブリッドカー、或いは電気自動車に搭載される無段変速機の登場により更に細分化されるようになった。乗り物の開発の際にはこれらの変速機の中から動力を最も効率よく伝達するために、そして車両総重量とエンジンパワーに見合った耐久性を有する意味でも最適な構造のものが選定される事になる。
ノンシンクロトランスミッションの動作 [編集]
詳細は「マニュアルトランスミッション#ノンシンクロ式トランスミッション」および「シンクロメッシュ」を参照
ノンシンクロトランスミッションは、操作するオペレーターが構造を理解し適切な変速タイミングを訓練によって熟知していることを前提に設計されている[7]。大型商用車のドライバーは自動車学校で教えられるダブルクラッチの技術を使用してノンシンクロトランスミッションの操作を行う。極めて熟練したドライバーになると、一度クラッチを踏まずに強制的にニュートラルレンジにシフトした後にシフトアップの場合にはインプットシャフトの回転数低下を見計らい、シフトダウンの場合にはヒール・アンド・トゥ等の技術も併用してアクセルを煽って回転数を正確に調整してからシフトを行う事で、クラッチを使用せずにシフトチェンジを行うことが出来る。この技術はフロートシフト(ノンクラッチシフト)と呼ばれる。フロートシフトは各段のギア比を完全に熟知し回転数調整を完璧に習得している者であれば、全てのギアシフト方法の中で最も速く変速を行うことが出来る為、レーシングドライバーの中にはフルシンクロトランスミッションの車両であってもこの技術だけを用いてレースを行う者も存在する。
海外の運送業者が用いるノンシンクロトランスミッションを用いる超大型輸送車両は積載重量がショートトレーラーでも36.3トンから40トンを超えるものであり、最高速度70マイルまでの間に24段のギアを用いるようになっている。トラクターやコンバイン等の多くの農業機械で用いられるノンシンクロトランスミッションのギアは、はすば歯車(ヘリカルギア)が用いられる。建設機械に目を移すと、経験の浅いオペレータがフルパワーを用いる為の低速ギアに変速できずに作業中に立ち往生したり、或いは下り坂で変速しようとしてニュートラルに入れた後に他のギアに変速できずに暴走を起こす事故を目にすることがある。これは彼らが変速時の回転同期技術を習得していないことや、機器のトルクとノンシンクロトランスミッションの特性などの問題に起因する。多くの登山道では重機のオペレーターは登坂や下りの中途でシフトの変更を行わずに通過する事が推奨されている。急勾配の中途でどうしても減速や変速などが必要な場合には圧縮開放ブレーキやエンジンブレーキを併用する必要がある。他にもノンシンクロトランスミッションを操作するオペレーターは様々な状況に直面する。車両の安全な運行と適切なシフト操作の為にも、オペレーターはノンシンクロトランスミッションの特性に精通しておく必要がある。
商用車におけるダブルクラッチ [編集]
詳細は「ダブルクラッチ」を参照
「ヒール・アンド・トゥ」も参照
建設機械やトラクターなどの農業機械、或いは18ホイーラーと呼ばれる超大型トレーラーの運転手は、下記のようなダブルクラッチの動作を反復してギアを噛み合わせたり引き抜く操作を繰り返すうちに、ノンシンクロトランスミッションのギアがフロートする[8]状況を学び取っていく。
クラッチペダルを十分に踏み込む事でクラッチプレートはフライホイールから離れてエンジンの回転がインプットシャフトに伝わらなくなる。そして現在のシフティングギアにも余計なトルクが掛からなくなるために容易にニュートラルにギアを引き抜く事が出来るようになる。そして、ニュートラルの状態で、その状態でクラッチペダルを戻していくと半クラッチを経て再びエンジンの回転がインプットシャフトに伝わり始める。クラッチペダルを踏み込みニュートラルレンジに入れるまでの間に、インプットシャフトは変速開始時点のエンジン回転数よりも徐々に遅くなっていくが、エンジン回転はフリーとなったインプットシャフトよりも早く回転数が落ちていくため、ニュートラルレンジでクラッチペダルを戻すことによって、低下したエンジン回転数によってインプットシャフトの回転数はさらに減速される事になる。こうした作用により、シフトアップのために必要なインプットシャフトの減速がより速やかに行われる事になる。
重機の専門オペレーターは安全訓練の一環として、作業に従事する前にこうしたダブルクラッチの演練を行うことになる。18ホイーラーを運転するドライバーは変速に必要な要素である各ギアのギア比とレンジ、エンジン回転数、速度、トルクなどをすべて把握する必要があり、こうした知識と訓練によって無意識のうちにギアのフロートに必要な動作を行い、シフトレバーの感触によって適切な変速時期を予測する事が可能となるのである。
また、いくつかのノンシンクロトランスミッションでは後述のように単なるクラッチとは異なる目的の為にクラッチペダルを使用する事もある為、オペレーターはクラッチペダルの上に足を乗せ続けない方が良いことも学ぶようになる。こうしたノンシンクロトランスミッションではクラッチペダルを深く踏み込むことでオペレーターの回転同調作業を助ける機構が組み込まれている。
クラッチブレーキ [編集]
ノンシンクロトランスミッションは他の形式のトランスミッションと異なり、多くの場合インプットシャフトの回転を遅くしたり、アイドリングの際にはインプットシャフトの回転を完全に止めてしまうための機構を備えている。海外の超大型商用車ではこうした機構をクラッチブレーキ(clutch brake)と呼んでいる。クラッチブレーキはクラッチペダルをクラッチが完全に切れた後も更に深く、床まで踏み込むことで作動する。つまり、超大型商用車のドライバーはこうした機構があることを前提に、半クラッチ、クラッチの完全断絶、そしてクラッチブレーキの作動という3段階のクラッチペダルの踏み込み方を覚える必要があるのである。
この機構は18ホイーラーにおいて、ディーゼルエンジンを始動してパーキングブレーキを解除して発進する際や、交差点等で停止してから再発進する際の発進用ギアへの変速に便利である。但し、クラッチブレーキは単にインプットシャフトの回転を減速したり停止させたりする役目だけを果たすわけではない。走行中のシフトアップにはインプットシャフトを減速させすぎない事も必要になる為、クラッチブレーキを作動させると、床から数インチペダルを戻してクラッチブレーキを解除するまではシフトが行えなくなる場合がある。これを防ぐためには変速を開始した際にはクラッチペダルは床から半分程度の高さまで踏み込むようにして、クラッチブレーキを不用意に作動させないようにする必要がある。
こうした機構を理解していない経験の浅いドライバーの所業によって、メカニックはしばしば極端に摩耗して機能を失ってしまったクラッチブレーキの分解交換が必要となる場合がある。クラッチブレーキはアイドリング付近の回転数からインプットシャフトを停止させる程度の制動力しか持っていないため、走行中高い回転数から余りにも頻繁にクラッチブレーキを作動させるようなペダルの踏み方を繰り返すと、摩擦材が一気に摩耗してしまうのである。
他の方式との比較 [編集]
ノンシンクロトランスミッション[9] は、変速操作をオペレーターの技術と経験に依存する形で設計されている。こうしたトランスミッションの存在は重機械のオペレーターにはよく知られている事であり、この形式を用いる車両が多数存在する国のオペレーターは自動車学校などでこれらのトランスミッションのギアの入れ方と抜き方を十分に教えられる。
全てのオートマチックトランスミッションには回転同調機構が内蔵されており、多くのマニュアルトランスミッションにはシンクロナイザーという機構[10]が備えられている。しかし、ノンシンクロトランスミッションは、海外に多く存在する超重量級の商用車にはいまだに多く存在している。
こうした車両の中にはフルシンクロナス・ハイドロニューマチックシステムと呼ばれる、変速の際のエンジン回転数や速度、車輪回転数やトルクを検出して最適な回転タイミングで変速を行うための機構が備えられている場合がある。このようなトランスミッションはコーンとスリーブを用いるシンクロナイザーが内蔵されているが、人力による変速ではドグクラッチやシンクロのブレーキ機構がすぐに壊れてしまいかねない為に、ECUが変速に必要な各要素を監視しながら、ドライバーの手動によるシフト操作指示の後に、実際のトランスミッションの機構操作は油圧式のアクチュエーターが人力に代わって行うようになっている。
工業用、軍事用、及び農業用の重機械は様々なトルクと車体荷重の問題を抱えている。これらの車両は大出力の馬力と共に、通常とは異なる用途に伴いクラッチやトルクコンバータにせん断力を伴う特殊な応力が掛かる。これらの車両は、機器の信頼性や寿命を確保するためにしばしばノンシンクロトランスミッションが使用される。
それ以外にも、オペレーターが手動でドライブシャフトの回転とエンジンのクランクシャフトの回転を同期させる必要のある変速機は、全てノンシンクロトランスミッションである。
脚注 [編集]
- ^ “6-10 Bolt Mechanical Power Takeoff”. 2007年7月16日閲覧。
- ^ さらに大型でかかる負荷も大きいオフロードダンプでは、動力の伝達と変速に機械式トランスミッションは用いられず、ディーゼル・エレクトリック方式とするのが一般的である。
- ^ The reversing lever, or Johnson Bar 2009年8月14日閲覧。.
- ^ “Edison & Ford Museum”. 2007年7月19日閲覧。
- ^ 実際に極端に腕が劣る者が操作すれば轟音と共にギアボックスは破損した。
- ^ [1]
- ^ “transmission parts news: index”. 2007年7月16日閲覧。
- ^ エンジン側のインプットシャフトと車軸側のアウトプットシャフトのギアの回転が同調している状態
- ^ “Sec.13Pg13-3Vehicles equipped with Non-synchronous transmission (PDF)”. 2007年7月18日閲覧。
- ^ “Synchronizers; graphic illustration of how they work”. 2007年7月18日閲覧。
関連項目 [編集]
外部リンク [編集]
- Core Transmissions-for display only: this is not an endorsement
- ATA - American Trucking Association- not a global reference
- PTDI acronym for Professional Truck Driver Institute - pertains to U.S. only
- Federal Motor Carrier Safety Administration New Hampshire Dept. of Motor Vehicles 2005 Commercial Driver's License Manual, sec. 13.1.11 Section 13 page 13-3 says Double clutch if vehicle is equipped with non-synchronized transmission. (note: this file is a complete manual in Adobe Acrobat format with a file size of over 10 Megabytes).
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