無段変速機

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無段変速機(むだんへんそくき)、または連続可変トランスミッション(れんぞくかへんトランスミッション、Continuously Variable TransmissionCVT)とは、歯車以外の機構を用い変速比を連続的に変化させる動力伝達機構(トランスミッション)である。多くはオートバイ自動車用を指すが、それらに限らず工作機械の軸回転速度を変える機構や発電機の出力を変える機構[1]などにも広く使われている。

この項では自動車用摩擦式無段変速機を中心に述べ、摩擦によらない無段変速機についても触れる。

自動車用途の概要[編集]

変速の原理は摩擦伝達で減速比を連続可変することであり、高効率のカギは潤滑を維持しながら摩擦係数を上げながら摩擦損失と摩耗を減らすことである[出典 1]。潤滑油でぬれた金属間の摩擦係数は0.1程度と低く、自動車への応用には潤滑油、添加剤[2]、金属材料、表面加工、制御システム、生産管理等、多方面での技術開発が必要とされた。定常時の伝達効率向上には伝達要素間の摩擦係数を高くする必要がある一方、変速時には要素同士を滑らす必要がある。両者は相反する要求であり、潤滑油には特に高い技術が求められた。

古くは摩擦によって大きな力を伝達することが難しく、原付自転車や小型自動二輪車(特にスクーター)に普及した。自動車用でも受容トルクの制限のため小型車から採用され、金属ベルトとプーリ間の摩擦係数を大きくする改良により1990年代後半以降は排気量2000cc超の中型車に採用されるようになり、2010年以降は3500ccまたは300ps級の4WDにも使われている。日本メーカー車が大半[3][4]で、日本国内向けと北米向け中心に販売されている。欧州向けはAMTが設定されるケースが多く [5][6]、新興国向けはMTが中心である。日本の国土交通省が2013年3月以降カタログ燃費として義務づけているJC08モード燃費値では、CVT搭載車の燃費は、MTやステップAT等の他方式に比べて良い車種が多い。

21世紀初頭に自動車用として実用化されているCVTはベルト式CVTとチェーン式CVT、トロイダルCVTの3種類に大別できる。ベルト式CVTは比較的低トルクのエンジンで軽量車に、チェーン式CVTとトロイダルCVTは高トルクのエンジン又はハイブリッドの重量車に用いられた。

変速機そのもので逆回転できないため、後進を行うときは遊星歯車等を組み合わせて逆転する。そのため前進と同等の速度で後進できるが、危険防止のためリミッターで制限される。

長所[編集]

  • 変速ショックがなく、スムーズに加減速できる。
  • 車速や加減速状態にかかわらずエンジンを効率の良い回転数と負荷領域で運転できる。また有段変速機に必要な減速時のブリッピングをなくすことで燃費が向上する。
  • 減速時を含む広い運転領域で燃料カットが可能である。この手法はモード燃費向上に有効で、多くのエンジン-CVT統合制御システムに取り入れられている。同様の理由からオルタネータでの回生が容易で、簡易なマイルドハイブリッドシステム[7]として応用されている。
  • 部品点数が少なく小型化に有利である。
  • 多彩な変速プロフィールが実現できる。運転者の操作や運転状況によってプロフィールを切り替え、たとえば6乃至7段の有段変速とすることで、エンジンの吹け上がりを感じられるスポーティーな演出、また低車速、低加速度運転時の低燃費運転を優先する設定など、一台の変速機に複数の性質をもたせることができる。国土交通省による10・15モード燃費JC08モード燃費の測定条件は低車速、低加速度が特徴であるが、これに特化したプロフィールによってエンジンを低回転、高負荷で運転することで優秀なモード燃費を実現できる。
  • ステップATと同等の伝達効率を実現できる。1980年代以降、摩擦と潤滑について研究が進み、今日では定常状態の最高伝達効率は金属ベルト式バリエータで92%程度、トロイダルバリエータの試作品で97%まで改善されている[8]。2013年3月発表のNEDOプロジェクト広報資料では「現在CVTの伝達効率は、ようやく従来の遊星歯車タイプの自動変速機並みに達成したと言われています」[出典 2]とされている。

短所[編集]

  • ステップATと比べてコストが高い[9]。ドライブプーリ接触面の高摩擦係数が必要で、鍛造、熱処理、加工、表面処理にコストを要する。
  • 摩擦係数の向上と摩擦損失の低下を両立することが難しい。
  • 変速動作中の効率が低い。変速比を連続可変する課程ではプーリーと金属ベルトに滑りを発生させてベルトをプーリーの円周方向に移動させる。このときの伝達効率は一般に60%程度 [10]に落ちる。すなわち、自動車用途ではエンジン回転数を変化させることなく車速を加減速するような過渡状況において伝達効率が低下する。
  • ステップATと比較して変速比幅が狭く、最大で変速比幅7.0(Jatco CVT8[11])である。これはZF社のステップAT 9HP[12]の約10と比較して狭い。変速比幅の狭さは高速走行時の燃費に不利にはたらくため、副変速機能を付加して変速比幅7.3を実現するなどの改良が進んでいる。(Jatco CVT7[13])。
  • 金属ベルトから特有のメカノイズが発生するため、遮音だけでなくベルトの「コマ」のサイズに微妙な変化をつけ、一定周波での連続音を発しにくくする改良が採られている。
  • 受容トルクが低く、トラック、バスなどの大型車には使えないため、乗用車を中心に採用されている。
  • 金属ベルト式はプーリ径が大きく、直列エンジン縦置き車に使用される縦長形状のケースに収めにくい。このためトロイダル式やチェーン式が使用されている。
  • MTやステップATといった他のトランスミッションとフィーリングが大きく異なる。
    • アクセルペダルを踏み込んでから加速が始まるまでのタイムラグが大きい[14]。エンジン回転数が先行して上がり車速の上昇が遅れるこの現象はCVTラグと呼ばれる。
    • 有段変速機はエンジン回転数(=エキゾーストサウンド)の変化と車速の変化には関係性がある。一方CVTは変速比を連続可変できるため、エンジン回転数を変化させることなく加減速することが可能である。これは燃費の改善に有効な制御であるが、運転者が車速の変化を感覚的に認識できないことに違和感を感じ、Rubber band feelingと称される。

摩擦式のCVT[編集]

古典的な無段変速機としては2枚の円盤を直角に組み合わせその円盤の摩擦力により駆動を伝えるフリクションドライブが存在し、20世紀初頭から定置工作機械や小型の自動車やガソリン機関車などに用いられた。構造は簡単で、逆転ギアを要さないメリットがあったが、反面で体積が大きく空転による動力損失が多いことから、大きな出力を伝達するには適さず、第二次世界大戦以前に廃れた。

ベルト式CVT[編集]

可変径プーリーとベルト

ベルトと2つの可変径プーリーを組み合わせ無段階に変速を行う機構のCVTで、ベルトの材質や構造で区別される。

ゴムベルト式CVT[編集]

エンジン側プーリーに内蔵されたウエイトローラーという錘が、回転数により生じる遠心力の大小でその位置を変えることで径を変える機構[15]ゴム製ベルトの張力により駆動を伝える無段変速機は20世紀初頭から存在していたが、当初は伝達できるトルクが小さくゴムベルトの耐久性も不十分であったためスクーターや小型車などの低出力エンジンの車両にしか使用できなかった。

自動車でこの方式を本格的に採用した最初はオランダのDAF(のちのDAFトラックス)で、1958年に発売した小型車「DAF 600英語版」に、自社開発のゴムベルト式無段変速システム「ヴァリオマチック」を遠心式クラッチと組み合わせ搭載した。

スクーターの駆動方式では、現代に至るまでこの手法が主流を占めている。Vベルトは曲げ抵抗と発熱が少なく耐久性の高い、コグベルトが用いられる。

  • 2007年現在ではウエイトローラーに代わってプーリー径を電子制御するマニュアルスイッチ付きCVTも現れており、より柔軟な変速が行える。擬似的に通常のマニュアル式変速機のように操作することもでき、これによりシフトチェンジ感を味わえたりエンジンブレーキを用いたりといったスポーティな運転が可能[16]

スチールベルト式CVT[編集]

トヨタの小型車用CVTのカットモデル(Super CVT-i)

その後1970年代に、DAF社出身のオランダ人、ヨーゼフ・ファン・ドールネ(Joseph Josephus Hubert van Doorne 1900-1979)[17]が耐久性の高いスチールベルト式CVTを開発した。最初に採用したのは、DAFを買収したボルボがオランダ(旧・DAF)工場で生産した66英語版である。

ファン・ドールネ式CVTは1980年代以降、フィアットローバーをはじめとした欧州メーカーや日本の富士重工業スバル)のECVT(Electro Continuously Variable Transmission)や日産のNCVTに採用されて小型車に普及しCVTの代表的方式となった。

ファン・ドールネ式のCVTベルトは、強靱な特殊鋼数枚を重ね合わせて形成したスチールベルトにやはり金属製の「コマ」をびっしりと填め込んだものである。プーリーからの駆動力は隣り合ったコマからコマへの圧力として伝達され、スチールベルトは従属的な位置決めガイドとして動作する。ゴムベルト式CVTと決定的に違うのは、ベルトの張力ではなくコマを押すことによる押力により動力を伝えることである。

スチールベルト式CVTの登場によって受容トルクは向上したものの、当初はその信頼性や操作性においてやや難があった。しかしファン・ドールネの特許期限が切れて以降は他メーカーの独自技術開発が一気に進み、さらなる大排気量・大トルクに対応できるようになり現在の主流となった。

日産・エクストロニックCVT[編集]

エクストロニックCVTXTRONIC CVT)とは、日産自動車の中容量スチールベルト式CVTの商標である。プーリー比を変える油圧を車速や負荷に応じ微細に電子制御するもので、単純な油圧制御に比べCVTの欠点であるドライバビリティー(運転性)の悪さを払拭した。

このCVTにはトルクコンバーター式クラッチが組み込まれており坂道発進や車庫入れなどの微速走行が容易になっている。日産はこのシステムでトルクコンバータ式クラッチのCVTの普及に業界での先鞭をつけ、少排気量のモデルから比較的大排気量のモデルにもCVTを採用する実績を挙げている。「ABSの作動」を伴い「3速以上のギヤ比」で停止した場合3速に固定される。解除方法は、発進し時速20km位まで加速すると解除される。

エクストロニックCVTの商標に変わる前までは、ハイパーCVTの商標で呼ばれていた。なお日産には後述するエクストロイドCVTもあり、名称が似ているため混同されやすい。

なお、デイズシリーズでは三菱自動車工業の「INVECS-III CVT」を「副変速機付エクストロニックCVT」と呼ぶ(eKシリーズとの共同開発だが製造自体は三菱のため)。

副変速機付CVT[編集]
副変速機付CVT
ジヤトコ JF015E型

副変速機付CVTとは、日産とジヤトコが共同開発したCVTである[18][19]。この副変速機付CVTはセカンダリープーリー(出力側ドリブンプーリ)の後に遊星歯車式の副変速機を設置している。この遊星歯車は前進2段の変速機能と後退切替機能を共有している。

ステップATと同様に発進時には前進Loで作動し、速度が上がるとに前進Hiに自動変速される。これにより従来のCVTに比べて変速比幅が拡大されて、発進加速と高速走行時の燃費の向上が図られている。また前進Hi状態から減速した場合や中速域での高負荷走行時には自動的に前進Loへシフトダウンを行うため、CVTでありながらキックダウンが発生する。

小型機はプーリー径の制約から、変速比幅が6.0までと狭いために開発された。副変速機付CVTは7速ATをしのぐ変速比幅7.3を実現している。このときのバリエータの変速比幅は4であるため、理論上は変速比幅を11程度まで拡大することも可能。しかし、そんな性能は必要ないので、より小型化する方向で実装された[20]

変速比幅を拡大するために単純に歯車を追加すると伝達段数を増やし伝達効率を悪化させる。このJatco CVT7は元々あった後退用遊星歯車機構に遊星歯車を1セット追加し副変速機を統合している(遊星歯車機構の位置は入力側から出力側へ変更されている)。伝達要素の増加によってコストが増えるが、副変速機の追加によりCVTの変速比を4.1と通常より小さくしているためトータルでのコストは従来取りとメーカーは主張している[21]

小型機なので軽自動車から1.5Lクラスまでをカバーする。まず(スズキ・パレット/パレットSW)用として採用され、2014年2月現在は下記の車種に採用されている。

日産(副変速機付エクストロニックCVT)
ジュークノートマーチルークスデイズルークスデイズ
スズキ(副変速機構付CVT)
ソリオ/ソリオ バンディットスプラッシュスイフト/スイフトスポーツ、パレット/パレットSW、スペーシア/スペーシア カスタムMRワゴン/MRワゴンWitハスラーワゴンR/ワゴンRスティングレーアルトラパン/アルトラパン ショコラアルト/アルトエコ
マツダ(副変速機構付CVT すべてスズキ車のOEM製品)
フレアワゴン/フレアワゴン カスタムスタイルフレア/フレア カスタムスタイルキャロル/キャロルエコ
三菱(INVECS-III CVT)
デリカD:2ミラージュeKスペース/eKスペース カスタムeKワゴン/eKカスタム

乾式複合ベルト式CVT[編集]

スズキ愛知機械工業が共同開発した無段変速機。

ベルト素材はアラミド繊維の芯線を特殊耐熱エラストマーで挟み耐熱帆布でコーティングしたものである。コマはアルミニウム合金をアラミド繊維と炭素繊維で補強した特殊耐熱樹脂で包んだもの。樹脂素材に自己潤滑性があるため金属ベルトCVTのようなフルードは不要となっている。動力の接続には電磁クラッチが採用され、低速域ではベルト式変速ではなくギア駆動となっているのが特徴。

A-CVTとしてスズキとダイハツの軽自動車に採用され小排気量用CVTとして期待されたが、結局この2社以外での採用例はなくこのCVTを採用した両社とも現在はトルクコンバータを組み合わせたCVTを採用している。

チェーン式CVT[編集]

チェーンの張力によって2個の可変径プーリー間で動力を伝達するCVT。押力で作動するスチールベルト式に外観が似て見えるが、力学的には同じく張力で動力を伝達するゴムベルト式に近い。

スチールベルト式よりも、低速側・高速側の変速比における伝達効率が良い。またプーリー巻きかけ半径を小さく出来るため、プーリー径を小型化したり、同じ体積で変速比を拡大できる。欠点はピンとプーリーが点接触して動力を伝達するため、面で接触するスチールベルト式よりも更に騒音が大きくなりがちなことである。

自動車用としては富士重工業スバル)が「リニアトロニック(Lineartronic)」と呼ぶ、シェフラーグループのLuK製チェーンを使ったCVTを5代目レガシィエクシーガの一部グレード、4代目インプレッサ、4代目フォレスターレヴォーグに搭載している[22]。過去にアウディ・A4のFF車に採用されていたチェーン式CVT「Multitronic(マルチトロニック)」も同じくLuk製チェーンを使用している。なお、いずれも許容最大トルクは400N・mとなっている[22]

このほか、過去に大手自動変速機メーカーのボルグ・ワーナーがサイレント・チェーン式CVTを開発した。しかしスズキ・カルタス・コンバーチブルにSCVTという名称で搭載されたのみで、こちらは一般化せずに終わっている(クラッチ機構には、湿式多板クラッチを採用している)。

トロイダルCVT[編集]

フリクションドライブを高度に発展させた形態である。入力側と出力側の2枚のディスクが平行に配置され、その間に複数のパワーローラー(コマのようなもの)が強い力で挟まれている。パワーローラーの傾斜角を変化させるとそれに応じて2枚のディスクの回転数の比も変化し、可変変速比が得られる。着想自体は古くから存在したが、非常に高い圧力の下で摩擦と潤滑を両立させての精密作動が要求されるため、実用化は極めて困難であった。

実用化に至った事例では、日産がジヤトコ・トランステクノロジー(ジヤトコ)、日本精工(NSK)、出光興産と共に開発、1999年に発表した「ハーフトロイダル式」とイギリストロトラック社が光洋精工と共に開発し2003年に発表した「フルトロイダル式」とがある。両者の違いは入・出力ディスクの形状とそれに挟まれたパワーローラーの接し方の違いであり、各ローラー間に強制スリップがほとんど発生しないほぼ「点」で接する球形パワーローラーのハーフトロイダル式が伝達効率が高く理想に近いとされる。対するフルトロイダル式は「線」で接する円盤形パワーローラーを用いており円盤の両端で半径に差ができるため、強制スリップの発生は避けられない。円盤の厚みを抑えることでジレンマを軽減してはいるがいまだ[いつ?]開発途上にあり、製品化はされていない。しかし、ハーフトロイダルCVTは有望視されながらコスト面から自動車用としては生産を終了している。自動車以外の用途では、固定翼哨戒機P-1に搭載される川崎重工製の一定周波数発電装置「T-IDG」に使用されている。

日産・エクストロイドCVT[編集]

NSKがローラーと軸受けの開発に成功し、出光興産が高圧下でのせん断力と潤滑冷却力を兼ね備えた専用オイルを開発、ジヤトコがトランスミッションとして組み上げたトロイダルCVTは1999年に日産自動車が世界初のトロイダル式変速機を搭載する市販車としてY34型セドリックグロリアに搭載、その後V35型スカイラインGT-8にも搭載される。日産ではこのCVTをエクストロイドCVTと呼んでいる。しかし日産以外のメーカーには供給されることはなく、当の日産においても、通常型ATを搭載する車種との価格差が約50万円高となったこともあり2005年に生産が終了している。なおエクストロイドCVTの生産が終了した日産はメルセデス・ベンツに対し、エクストロイドCVTの技術を提供した。

摩擦式CVT以外の無段変速機[編集]

ディーゼル・エレクトリック方式/ターボ・エレクトリック方式[編集]

鉄道車両船舶などにおいて、電動機が停止状態から強力な駆動トルクを発生させることや、電気的回路による制御が容易な特徴を利用し、動力源から最終出力部までの間に発電機と電動機を介在させ、トルクと回転数を制御するシステム。原動力がディーゼルエンジンの場合は「ディーゼル・エレクトリック」、蒸気タービンの場合は「ターボ・エレクトリック」と呼ばれる。広義の無段変速機構ではあるが、いわゆる変速機に当たるものはない。鉄道車両の場合は電気機関車電車と同様、ほとんどの場合減速機は一段固定である。

トルクコンバータを用いた液体式変速機が未熟だった1930年代から、総括制御も可能なディーゼル機関車気動車変速システムとして各国で広く利用され、世界的にはディーゼル機関車の動力伝達システムの主流である。また船舶においては、スクリューを駆動する動力としては高回転過ぎた初期の蒸気タービン動力(減速機が未発達だった)の減速・伝達手段としてアメリカ合衆国海軍軍艦ヨーロッパの一部の商船などで用いられた。

直流発電機の重量ゆえ、日本では線路規格に対して軸重が過大となり、国鉄DF50形が短期間量産された以外はごく少数の採用に留まっていたが、1970年代以降ヨーロッパではブラシレス交流発電機、可変電圧可変周波数制御誘導電動機の組み合わせにより、体積や重量も軽減されたディーゼル機関車が出現、かつての欠点が克服されるようになった。液体式変速機のような多大な部品点数や、手間のかかる整備の必要もなく、国鉄分割民営化後には日本国内でもメリット十分享受できるとして、DF200形にこのシステムが採用されている。

鉱山用の超大型ダンプカーなど、少数ながら自動車にも採用例がある。

電力・機械併用式無段階変速機[編集]

プリウスを始めとするトヨタ自動車ハイブリッドカーに搭載されているトヨタ・ハイブリッド・システム(Toyota Hybrid System、THS)、およびそのマツダ向けライセンス版であるSKYACTIV-HYBRID(スカイアクティブ・ハイブリッド)[23]はE-CVTまたはECVT(Electronically-controlled:CVT、電気式無段変速機)と呼ばれ、それぞれの商標名はトヨタが「エレクトロシフトマチック」、マツダが「エレクトリックシフト」である[24]。変速機としてのTHSは「エンジンを効率の良い回転数に保ってハイブリッド走行するための動力分割機構に付随する変速機能」であり、機械駆動の変速だけを実現できず、必ず電力駆動と併用しなければ機能しない。

変速機は機械的には1段の遊星歯車のみであり、サンギアの発電機とリングギアの電動機の回転数を同時に変化させることでプラネタリーキャリアから見た変速比を連続可変にしている。

通常の遊星歯車機構は3軸のうち、1つを固定し、残りの2つを入力と出力にして固定歯車比で使い、組み合わせを替えて3つ(入力軸と出力軸を逆にできれば6つ)の固定歯車比を作る。これに対しTHSでは入出力軸の切り替えをしない代わりに3軸全てを回転させることもできるため無段変速機となる。

エンジンはプラネタリーキャリアに、発電機(M2)はサンギアに、車輪はリングギアおよび駆動用モーター(兼回生発電機、M1)にそれぞれ接続されている。更に無段変速機にできる前提は回転数に関わらず発電機の負荷を自由に設定できることにある。例えば発電機を「空回り」させることができる。

これでプラネタリーキャリアを停止して他の2軸を動かせばEVモードになる。歯車比は一定でM1とM2は逆回転で互いに比例的に増速する。M2は無負荷状態=空回りさせることでM1だけが回っているのと同じ状態を作り出せる。

ハイブリッド走行では3軸全てが動き出す。同じ走行速度でプラネタリーキャリアを回しエンジンを起動すればM2の回転数が低下するか、場合によってエンジンと逆転する。M2が負荷を吸収して発電する。更にクルマを加速させるとエンジン回転数をほぼ一定に保ったまま、やはりM1とM2が比例的に増加する。すなわちエンジンから見れば無段変速していることになる。ハイブリッド走行時にエンジンから機械的に車輪に伝達される駆動力はほぼ一定で、負荷変動分はM2経由でM1に伝達される。

M2の電気的負荷を変化させながらサンギアの回転数を制御することで「プラネタリキャリアからの見かけの変速比」が連続的に変化する原理であり、発電機、エンジン、モーターの回転数は共線図上では直線で表される。「機械的な歯車比」はほぼ変化しないため、諸元表には変速比が記載されていない[25]

走行の際は下記のように制御する。

エンジン始動時(冷間車両停止時)
暖機後は走行中にエンジンを起動するが、その準備のため冷間停止後は一時的にエンジンを暖機させる。
モーターM1リングギアが停止しており、発電機M2サンギアがモーターとして働き、プラネタリキャリアを回しエンジンを始動させる。高速走行中と発電機M2の回転方向が逆になる。
停車中でも発電と充電が可能になる。
発進時(温間時)
M1の駆動力のみで発進する(EV走行)。
M2は無負荷状態の空回りとする(発電しない)。エンジンは起動していないので変速機として働かない。
エンジン始動時(通常走行時)
M2サンギアの電気負荷を重く(発電を開始)しながら回転数を減らすことで、プラネタリーキャリアを回しエンジンを起動する。
ハイブリッド走行時
エンジンが駆動するM2の出力を電池の充電とM1に伝える。
並行してエンジンからの一部の駆動力は動力分割機構で連続変速されながら、直接、機械的に駆動軸に伝達される。
THSでは所定の変速比を得るためにはエンジン出力の一部が必ずM2とM1を経由する必要があり、これが「パラレル/シリーズ型」と分類される理由である。
緩加速や惰行のように大きなエンジン出力を要しなくなると、再びM2を無負荷にしサンギアの回転数を増加することで、プラネタリーキャリアのエンジンを停止しM1の出力のみで走行する。
加速時
M2の発電負荷を増やしながらサンギアの回転数を増し、増加したエンジン出力を発電量で吸収する。M2の出力は電池の充電およびモーターM1に伝えられるため出力軸も増速する。
機械伝達も連続可変で増速されるが、伝達力はほぼ一定を維持する。伝達力の増加分は電導経路で行われる。
エンジン出力を機械と電気で伝えるだけでなく、バッテリー電力もM1に加えることで、短時間であればエンジン出力を超える加速が即座に得られる。
減速時・制動時
M1が発電機として作動して、バッテリーに充電して運動エネルギーの回生を行う。
M2の電気負荷を無くし空回りさせ、M2サンギアの回転数を上げ、プラネタリーキャリアを停止し、エンジンを停止する。その後M2・M1共に減速する。
条件によってはM2の負荷を掛け、エンジンブレーキを併用する。
後退時
専用の出力軸の反転装置を持っていないので、バッテリーやM2による電力でM1を逆回転させて後退する。後退時は純粋のシリーズ型ハイブリッドとなる。

2代目プリウス(NHW20型)までに搭載されていた原型「THS」および「THS-II」では動力分割機構のリングギアに直接モーターが接続されていたため、M1に強いトルクが要求された。

その後のハリアークルーガー3代目プリウス(ZVW30型)アクアなどはM1の回転を遊星歯車固定減速機で減速して動力分割機構のリングギアに伝える「リダクション機構付THS-II」が搭載され、2013年現在ではこちらが主流となっている。

最高速度が高いクラウンレクサスGSLSでは動力分割機構のリングギアの後(出力軸)に2段変速機を追加し変速比を拡大している。

静油圧式無段変速機[編集]

斜板によってストロークするピストン

静油圧式無段変速機、または単にHST(Hydraulic Static Transmission)とも呼ばれ、エンジンで油圧ポンプを駆動して発生させた油圧を油圧モーターで再び回転力に変換する方式。油圧ポンプのピストンの作動ストロークをそのピストンに接する斜板の角度を変化させることによって、作動油の流量を連続的に増減させて速度の調節を行う。

操作レバーで斜板の角度を操作することによって正転、停止、逆転まで無段変速で制御することができる上、斜板を中立にするとピストンのストロークが停止し、その状態では出力軸から入力軸にタイヤなどからの回転力が逆方向に伝達されずにブレーキをかけたのと同じ効果を生むなど変速機としての操作性は高い。しかしベルト式CVTに比較すると伝達効率が悪く、手荒に操作すると加減速のショックが大きい他、油圧作動油が内部の潤滑と冷却も同時に担うために常に一定以上のエンジン回転数を保たなければならないという欠点がある。また、HSTを備えた農耕用トラクタでは牽引作業には向かないとされている。

一般的にはギヤによる副変速機を別に備えて作業に適する回転速度を得るが、使用速度域が狭い場合は副変速機を省略することもできる。油圧ポンプと油圧モーターを一体としてコンパクトに設計することができる他に、それぞれを油圧ホースで接続して離れた場所に設置することも可能であり、設計自由度が大きくスペース効率にも優れる。また静油圧式無段変速機が伝達できる動力の大きさは、内部での油圧に制限され、過大なトルクが加わるとリリーフバルブで油圧をバイパスすることによって変速機の破損を防いでいる。

静油圧式無段変速機はメルセデスベンツウニモグUX100に使われているほか無限軌道式を含む建設機械ラフテレーンクレーン除雪車など、農業機械ではほぼ全てのコンバイン、芝刈り用途などの牽引力をそれほど要求されないトラクター乗用田植機など、もともと作業用に油圧装置を備えていて低速な車両に採用例が多い。また乗用型の芝刈り機や歩行型の除雪機など、小型の機械にも一般的に採用されるようになった。

走行用変速機ではないが、鉄道車両では、ディーゼル機関車気動車、客室冷暖房と厨房調理機器などのサービス電源用発電機内燃機関を備える電源車ラジエターファンに静油圧駆動を用いているものが多い。

油圧機械式無段変速機[編集]

油圧機械式無段変速機はHMT(Hydraulic Mechanical Transmission)とも呼ばれ、駆動する動力の全てを一旦油圧に変換するHSTとは異なり、遊星歯車とHSTを組み合わせて構成されている。例えばサンギアを入力軸、プラネタリギヤを出力軸とし、リングギヤの回転をHSTで無段階にコントロールすることによって自在に減速比を制御することができ、HSTの無段変速のメリットを生かしつつも変速機全体での伝達効率を高めている。

ホンダでは、1962年には機械式のHMTを採用した革新的なスクータージュノオで量産化。この原理を用い、二輪車用に小型・高圧化したものを開発、HFTと名づけ自社のモトクロッサー・RC250MAに採用し参戦2年目にあたる1991年モトクロス全日本選手権でシリーズチャンピオンを獲得している。2001年にはATVと呼ばれる4輪バギーで、honda maticという商標のこのCVT機構をアメリカで量産車に採用。さらに、世界初のロックアップ機構を備えて商標を「HFT」(Human-Friendly Transmission)とし、2008年3月7日発売のDN-01に搭載した。

農業機械においてはヤンマートラクター乗用田植機の一部にHMTを採用しており、日本国外ではマッセイ・ファーガソン社のトラクタのトランスミッションにDyna-VTという名称で搭載されている。

特殊な用途として、陸上自衛隊10式戦車に採用されている。エンジンを出力の大きい回転数付近で使用できるため、現有戦車に比べてエンジンが小型になったにもかかわらず運動性は向上しているとされる。

自動車用途におけるその他の事項[編集]

  • スポーツ志向の自動車には電子制御プログラムにより擬似的に変速比を数段[26]に固定することでマニュアルトランスミッションのように手動変速を可能とした例もあり、エンジンブレーキなどに活用できる。
  • 一部の車種では、急な下り坂などでアクセルを戻しても速度が上昇する際、ある速度(日本では法定速度となる時速60kmなど)を境に減速比を調節し、自動的にエンジンブレーキを強めて速度を維持する制御が為される。
  • 1990年代初期にF1マシンに無段変速機を搭載することが一部のチームで検討され、実際に試験走行が行われた[27]。結果、通常のトランスミッションを持つマシンよりもサーキット1周回に付き数秒は速くなったという。その際のCVTは市販車用として開発中のものが使われた。耐久性に関してはF1用としても予選、本戦併せて数時間ならば大丈夫であると予想されていた。CVTの耐久性よりも、常にエンジンが最高出力付近で使われる(使える)ためにエンジンの耐久性の方が心配されたという。結局はF1レギュレーションで規制され、実戦には投入されなかった。

併用するスターティングデバイスの変遷[編集]

初期のベルト式CVT車両には、発進・停止時の動力断続に遠心式や電磁式の自動クラッチが使われていた。これによりトルクコンバータ式におけるクリープ現象のデメリットを排除できるという特徴が生じた。しかし流体継手やトルクコンバータを使用しない代償としてクリープ現象のメリットも失われ、これらの自動クラッチにはマニュアルトランスミッション車の運転技術である「半クラッチ」に相当する機能・機構を必要とした。

この機構は、繊細なアクセル操作を行なわなければ発進時にぎくしゃくして円滑さに欠ける車両挙動を示した。富士重工業ではより滑らかな作動を求め三菱電機との共同開発で密閉容器内の鉄粉の流動性を磁力でコントロールする電子制御式電磁クラッチを考案したが、それでもこの問題の解決には至らなかった。富士重工の初期の電磁クラッチ式CVT車では過負荷状態で電磁クラッチを破損させる事態が頻出し、クレーム扱いの保証修理を多発させてもいる。本田技研工業は変速機の出力側に湿式多板クラッチを配置し、これを電子制御することで疑似クリープ現象を得るというシステムを開発したが独自技術で広く普及するまでには至らなかった。

自動クラッチ式は普及せず、1990年代後半以降は発進・停止時の動力断続をロックアップ付のトルクコンバータに委ねる手法が主流になった。トルクコンバータを採用することでクリープ現象を得ることができ、おなじくトルクコンバータを採用する他のオートマチックトランスミッション車に運転感覚が近づいた。ロックアップ非作動時のトルクコンバーターの伝達効率は高くはないが、CVTでは低油温時、発進時、極低速などを除くと基本的にロックアップで運用されるため、全体的なロックアップ作動領域が広く、トルコンを介することでの伝達効率への影響はロックアップ領域が狭い旧式なトルコンATと比較すると少ない。クリープ現象を得ることに着目すれば流体継手でも事足りるがトルクコンバータに比してクリープ現象が弱く、先行して広く普及したトルクコンバータ搭載のオートマチックトランスミッション車に運転感覚を近づけるため、流体継手を採用する車種は少ない。

伝達効率と燃費について[編集]

スチールベルト式CVTにおいて車速が高く、プーリー回転数が高い場合、ベルト自重の遠心力によりベルトとプーリーの密着力が低下し、滑りによる破損の危険が生じる。これを防ぐために大きな油圧が必要となり、高速域で特に伝達効率が低下する問題がある。例として日産マイクラ(マーチ)K13型の場合、欧州複合モード燃費において、MT:65.7MPG, CVT:56.5MPG[28]となり,MTのほうが14%公称燃費が良い。日本のJC08モードと比較し、欧州複合モードは一定負荷の連続運転や高速度の比重が多く、燃費に影響しやすい。この問題の対策としては、2006年に入力側で減速するCVT、2009年に副変速機付きのCVTなどの改良が進み、2013年現在の最新機種ではステップATに並ぶ効率が得られている。

これらの特徴は、低速走行の多い日本ではCVTの比率が多く、高速走行の多いドイツではMTとDCTの比率が多いという市場シェアの違いとして表れている。

脚注[編集]

  1. ^ [1][リンク切れ]
  2. ^ 市橋, 俊彦 (2010), “潤滑油添加剤反応を考慮した自動車用トランスミッションの性能向上策の研究 : 早稲田大学審査学位論文(博士)”, 早稲田大学リポジトリ(DSpace@Waseda University) (2月-2010): 21, http://hdl.handle.net/2065/35011 
  3. ^ 「日本車のCVTは自動車技術のガラパゴス化?」 」 webCG クルマ生活Q&A
  4. ^ 「CVT」の終わりは日本車の始まり 2014年クルマ業界振り返り 」 THE PAGE(ザ・ページ)
  5. ^ ホンダが欧州で新型ジャズ発表、6段2ペダルM/T搭載(2008年07月31日) 」 ネコ・パブリッシングの自動車専門サイト ホビダス・オート
  6. ^ トヨタ・ヤリス AMT仕様 」 【モーターファン・イラストレーテッド 公式ブログ】
  7. ^ 「「ワゴンR」のマイルドハイブリッドシステム、三菱電機のISGを採用」 」 日経テクノロジーオンライン(2014/8/29)
  8. ^ [https://www.jp.nsk.com/company/presslounge/news/2011/press111129.html 世界初、「前輪駆動車用高効率トロイダルバリエータモジュール」を開発 | プレスリリース | ニュース | 企業情報 | 日本精工(NSK)
  9. ^ ヒット作「副変速機付CVT」の誕生の理由 Car Watch 2012年 11月 28日
  10. ^ 『モータファン別冊[トランスミッションバイブル]』 三栄書房、2012年ISBN 978-4-7796-1549-8
  11. ^ Jatco CVT8 中・大型FF車用CVT JF016E/JF017E
  12. ^ [2]
  13. ^ Jatco CVT7 副変速機付 軽・小型FF車用CVT JF015E
  14. ^ 【スバル レヴォーグ 試乗】1.6リットル車と2.0リットル車、どっちを選べばいい? 」 レスポンス 2014年06月30日(月) 22時15分
  15. ^ 『よくわかる最新バイクの基本と仕組み』p.264「8-6 スクーターのクラッチとミッション」、『2007 オールスクーター購入カタログ』pp.117-118
  16. ^ 『2007 オールスクーター購入カタログ』p.14,p.118
  17. ^ 日本では「バン・ドールネ」や「バン・ドーネ」等と表記されることもある
  18. ^ 日産とジヤトコ、次世代の無段変速機を共同開発 日産自動車株式会社ニュースリリース、2009年7月22日
  19. ^ 日産とジヤトコ、次世代の無段変速機を共同開発 ジヤトコ株式会社ニュースリリース、2009年7月22日
  20. ^ [http://car.watch.impress.co.jp/img/car/docs/575/058/html/cvt06.jpg.html ヒット作「副変速機付CVT」の誕生の理由
  21. ^ 日産とジャトコの新CVT、副変速機を付けてもコストは同等 日経Automotive Technology 2009/07/24
  22. ^ a b 日経Automotive Technology 2009年9月号p.29より
  23. ^ SKYACTIV TECHNOLOGYのひとつで、アクセラで初採用された。THSとの相違点はエンジンがマツダ自社製のSKYACTIV-G
  24. ^ とはいえ、これらの名称はいずれも電子制御式のシフトレバーに使う事が多い(カタログでは、プリウスの変速機は「エレクトロシフトマチック」だがカローラアクシオハイブリッドの変速機は「電気式無段変速機」。シフトレバーは、前者は電子式で後者はゲート式)。
  25. ^ ガソリン車の諸元表が併記されている場合はハイブリッド車の変速比は空欄となる。ハイブリッド車のみの諸元表の場合は変速比の一覧自体が存在しない。
  26. ^ 市販車では6段から8段がみられる
  27. ^ 実験時の映像 YouTubeより
  28. ^ Nissan vehicle emissions

出典[編集]

  1. ^ 自動車の省燃費化を実現する新型無段変速機を開発 ジヤトコ株式会社
  2. ^ 自動車の省燃費化を実現する新型無段変速機を開発 ジヤトコ株式会社

参考文献[編集]

  • 齋藤浩(製作プロデューサー)、上野賢一(編集長)、2008、『2007 オールスクーター購入カタログ』、モーターマガジン社
  • 青木タカオ、2010、『図解入門 よくわかる 最新バイクの基本と仕組み』、秀和システム ISBN 978-4-7980-2234-5
  • 『モータファン別冊[トランスミッション・バイブル]』 三栄書房、2012年ISBN 978-4-7796-1549-8
  • 『モータファン別冊[Motor Fan illustrated Vol.84]』 三栄書房、2013年ISBN 978-4-7796-1919-9
  • 『モータファン別冊[トランスミッション・バイブル2]』 三栄書房、2015年ISBN 978-4-7796-2431-5

関連項目[編集]