無段変速機
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無段変速機（むだんへんそくき） と呼ばれる （変速比）連続可変トランスミッション (Continuously Variable Transmission: CVT) は、歯車を用いず、摩擦に依って変速比を連続的に変化させる動力伝達機構である。一般にはオートバイや自動車用を指すが、実際にはそれらに限らず、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。
摩擦力を介して動力が伝達されるため、一般に大きなトルクの伝達が難しいとされ、古くはオートバイ（なかでもスクーター）などの小排気量エンジンと組み合わされ普及した。自動車用では、許容トルクの問題から、小型車向けの方式と見られてきたが、金属ベルトの改良により、1990年代後半以降は、排気量2000cc超の中型・大型車にも採用されるようになってきた。
この項では主に、上記の摩擦式自動車用無段変速機を中心に、ハイブリッド車の一部に見られる電力式と、流体により駆動力を伝達する、静油圧式について述べる。
目次 |
[編集] 概要
21世紀初頭時点で、一般に実用化されているCVTには、ベルト式CVTとトロイダルCVTの2種類が存在する。前者は比較的低トルクエンジンで軽量な車種に、後者は高トルクエンジンの重量車用に開発された経緯があるのみ。
[編集] 長所と短所
[編集] 長所
理論上は効率の良い変速機と考えられている。
- 同じトルク許容量の場合、歯車式有段変速機である従来型の自動変速機（以下「AT」）よりも若干軽量となる。
- 理論上は変速比の連続可変が可能であり、走行中のあらゆる状況において、エンジン効率の良い回転域のみを使う変速比が設定できる。
- 変速中の衝撃が無い（無段なのでそもそも変速ショックの表現自体がおかしい）。
- 歯車式有段変速機と比較して、CVTは構造が簡易で、構成部品点数も少なく済み、コストダウンが可能である。
[編集] 短所
熟成の進んだ在来型の歯車式有段自動変速機に対して現状での優位性は顕著とは言えず、日本以外では在来型自動変速機を代替するまでには至っていない。
- 歯車ではなくプーリーとベルトの圧力によって動力が伝達されるため、大トルクが発生する大排気量車や4WD車には採用が少ない[2]。CVTは歯車式有段変速機に比べて、理論上はメリットを備えているが、現実には、常に清浄な潤滑環境を求められる事や、加圧のため複雑な油圧機構を動かすエネルギーロスの存在、ベルトとプーリーの大きな摩擦による発熱を伴った伝達ロスなどの短所をも持ち合わせている。即ち、ベルトとプーリーの摩擦熱はオイルによって冷却している、しかしオイルを用いれば滑る、その滑りを抑える為に高圧をかける、高圧をかけるための余分な力と摩擦熱が発生する、冷やす為にオイルを用いる。つまり、歯車のような噛み合いによらず、あくまで摩擦力で駆動力伝達を図らねばならないという根元のジレンマが、CVT最大の矛盾点と言える。
- 歯車式有段変速機に比べ歴史が浅く、ノウハウの蓄積が少ないことから、絶対的な耐久性・信頼性が確立されていない。そのため、過酷な使用も想定される商用車に関してはランサーカーゴでの採用例（2WD車のみ）を除けば歯車式有段変速機が採用される事例がほとんどである。
- エンジン音、あるいはタコメーターの表示と、軸出力・軸回転数がシンクロしないため、歯車式有段変速機に比べ、運転性（ドライバビリティー）が悪い。これは慣れの問題という一面もあり、改良が進んではいるが、勾配などの負荷変動に対する速度維持が難しい点、アクセルオフ時の一瞬の空走（惰行）、低速時の「しゃくり」などの違和感を嫌うユーザーは依然として多い。
- これも改善されつつあるが、特に小排気量車の場合、加速時やアクセルオフからの再加速の反応では、歯車式有段変速機に劣る。また、過度に反応速度を早めると、速度維持が難しくなるジレンマもある。
- エンジンブレーキが歯車式有段変速機に比べ掛かりにくいという欠点がある。
- 金属ベルト式CVTの場合、走行時に金属的な音（セミが鳴いているようなと表現される場合もある）が生じる。静粛性の面で不利になる。
[編集] 各種のCVT
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。構造は簡単であったが、容積が大きく、空転による動力損失が多いことから、第二次世界大戦以前に廃れた。
[編集] ベルト式CVT
[編集] ゴムベルト式CVT
ベルトと可変径プーリーを組み合わせ、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、ベルトの耐久性も不十分であったため、スクーターなどの低出力のエンジンを搭載した車両に用いられるのみであった。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。
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（現在のDAFトラックス）で、自社で開発した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、1958年に発売した小型車「DAF 600」に搭載した。
[編集] スチールベルト式CVT
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スチールベルト式CVT
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トヨタの小型車用CVTのカットモデル(Super CVT-i)
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その後1970年代に、DAF社出身のオランダ人ファン・ドールネ（Van Doorne バン・ドーネとも）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、日本の富士重工業のECVT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駆動を伝えることである。
他メーカーも、ファン・ドールネのスチールベルトの製造特許に抵触しない技術で類似した方式を開発したことがあった。大手自動変速機メーカーのボルグ・ワーナーによるチェーン式があったが、こちらは一般化せずに終わっている。
スチールベルト式CVTの登場によって許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、更なる大排気量・大トルクに対応できるようになり、現在の主流となった。
[編集] 日産・エクストロニックCVT
エクストロニックCVTとは、日産の中容量金属ベルト式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にも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。 なお、エクストロニックCVTの商標が変わる前までは、ハイパーCVTの商標で呼ばれていた。
[編集] クラッチ機構の改良
初期のベルト式CVTでは、発進・停止時の動力断続には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を排除してイージードライブができるという特徴が生じた。
しかしクリープ現象排除の代償として、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操作の際の必須テクニックである「半クラッチ」に当たる動作が必要となった。これは微細なアクセル操作を行えなければ、発進時にぎくしゃくとして円滑さに欠ける挙動を起こした。富士重工業では三菱電機との共同開発で、より滑らかな作動を求め、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方式を考案したが、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。
1990年代後半以降は、自動クラッチをロックアップ付のトルクコンバータ式クラッチに替える手法が、主流になりつつある。トルクコンバータ式クラッチを使うと、クリープ現象を得ることができ、ATに慣れたユーザーにも扱いやすい。
ホンダ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ず、現在は同社でもロックアップ付のトルクコンバータ式クラッチと組み合わせたCVTを採用している。
[編集] 乾式複合ベルト式CVT
愛知機械工業株式会社が開発した乾式複合ベルトを使い、同社とスズキ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。
[編集] トロイダルCVT
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、極めて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。
日産が日本精工 (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、イギリスの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NSKのハーフトロイダル型が伝達効率が高く、理想に近いとされる。対する光洋精工・トロトラック側は、「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、いまだ開発途上にあり、製品化はされていない。しかし、NSK・日産のハーフトロイダルCVTは、有望視されながら、コスト面から生産を終了している。
[編集] 日産・エクストロイドCVT
日本精工がローラーと軸受けの開発に成功し、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した出光興産の協力もあり、1999年に日産自動車が世界初のトロイダル式変速機を持つ市販車として、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無く、当の日産においても、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。
[編集] その他
CVT車のうち、スポーツ志向のあるモデルの中には、電子制御プログラムにより変速比を数段に分けることで擬似的に6段から7段といった段数を設定し、歯車式有段変速機のように手動変速を可能とした例もあるが、CVTの構造とは相反するものであり、もっぱら運転者の心理的満足感を満たすだけのものにすぎない。
1990年代初期には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[3]。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）ためにエンジンの方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。
[編集] 摩擦式CVT以外の無段変速機
[編集] 電力式無段階変速機
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を利用し、発電機と電動機を併用することでトルク変換効果を得るシステム。流体式トルクコンバータが未熟だった時代に、ディーゼル機関車用の変速システムとして利用された。現在では、電力式無段階変速システムの伝達効率が流体式トルクコンバータよりも高く加速力に優れるため、一部ディーゼル機関車にこのシステムが採用されている。
[編集] 電力・機械併用式無段階変速機
トヨタのプリウスを始めとする、トヨタ・ハイブリッド・システム (THS) は、一般にE-CVTまたはECVT (Electronically-controlled CVT) と呼ばれ、トヨタの商標名はエレクトロマチックである。
エンジンの動力増幅を、一般的な機械式減速機構と、発電機とモーターを電気制御し、電気的に増幅を行っている。変速は１組の遊星歯車のみによって実現される。このため、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。エンジンのクランクシャフトはプラネタリーギアに、発電機はサンギアにそれぞれ接続されており、モーターと車輪は機械的に直結されアウトプットギアに接続されている。このため、車輪が回転している時は常にモーターも回転している。これらのシステムはエンジン･発電機･遊星歯車･モーターの順に直線上に配置されている。走行の際は下記のように制御する事で、機械的にも変速を行う。
- 発進時
- モーターの駆動力のみで発進し、エンジンが停止し回転していないので、発電機は逆回転する。
- エンジン始動時 (車両停止時)
- モーターを回転させると車輪が回転してしまうため、発電機がモーターとして働きエンジンを始動させる、その時に振動を抑えるため、VVT-i(可変バルブタイミング)を協調制御する。
- 通常走行時
- 発電機の回転数を極小回転にする事で、遊星歯車機構により機械的にエンジン出力を伝達して、通常の4速MTでは、4速での直結に近い状態にし効率を高めている。
- 加速時
- 発電機の回転数を高くすると、遊星歯車機構により車速に対してのエンジン回転数も高くなり、発電機の発電による電気的にも遊星歯車を使い機械的にも動力増強を行う、必要に応じてバッテリーからの電力も供給される。
- 減速時・制動時
- モーター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っている。
- 後退時
- バックギヤーは持たず、モーターを逆回転させる事で、後退する。
- バッテリー充電時
- 車速に関係無く、遊星歯車機構を使いエンジン出力を発電機に伝えることで、発電した電力を走行やバッテリー充電に使い分ける。
このシステムでは、変速機のアウトプット側にモーターが付いており、車速に対してのモーターの負担が大きく、ハリアー・クルーガーなどは、もう一組の遊星歯車機構をリダクションギヤーとして使い、モーターの出力トルクを高めてモーターを高回転化したり、クラウン・レクサスGS・LSではもう一つの遊星歯車機構を２段変速機として使い、高速走行時でのモーターの負担を下げている。
[編集] 静油圧式無段変速機
HST：Hydraulic Static Transmission、または単に油圧式無段変速機とも呼ばれ、エンジンで油圧ポンプを駆動し、発生させた油圧を油圧モーターで回転力に変換する方式。
エンジン回転数の変化でポンプ回転数を変え、作動油の流量を変化させて速度の調節を行う。伝達効率が悪く、加減速が難しい欠点があるが、エンジンと駆動軸との間は、機械的にはつながっておらず、プロペラシャフト、デフ、ドライブシャフトなどが不要であり、エンジンと駆動軸の位置関係に制約少ないなど、設計自由度が大きく、スペース効率にも優れる。さらに、使用速度域が狭い場合は、副変速機も省略できるなど、利点も非常に多い。
自動車で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、トラクター､コンバインハーベスター､除雪車など、もともと作業用に油圧装置を備えている車両に採用例が多い。
走行用変速機ではないが、ディーゼル機関車や気動車、あるいは、客室冷暖房、厨房調理器具用などのサービス電源用発電機に内燃機関を備える客車の鉄道車両では、ラジエターファンの駆動に静油圧式を用いているものが多い。
一方、油圧-機械式トランスミッション ( HMT：Hydraulic Mechanical Transmission ) と呼ばれるものでは、HSTとは異なり、油圧ポンプと油圧モーターが機械的に一体化しており、HSTでは油圧ポンプを回すためだけに使われるエンジンのトルクが、HMTでは油圧モーターの発生するトルクに、エンジンからのトルクが加算されるため、変換効率が高まる。
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年に、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2008年に世界初のロックアップ機構を備えて商標をHFT（Human-Friendly Transmission）としてDN-01に搭載し2008年3月7日に発売した。
農業機械では主にヤンマーが一部の大型農業用トラクター（例：エコトラプレミアム EG700HMTシリーズ、エコトラプレミアム EG600シリーズ等）および一部の乗用田植機（例：ペダリスト VP80（ガソリン8条植）／VP80D（ディーゼル8条植））にHMTを採用し、さらに一部の小型トラクター（例：エコトラ EG400シリーズ）には、より進化した最新式のI-HMTを採用している。
[編集] 脚注
- ^ http://www.cvtcorp.com/eng/howVarigenWork_high.html
- ^ webCG「4WD車にはなぜCVTが設定されない?」
- ^ 実験時の映像 YouTubeより
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この「無段変速機」は、自動車に関連した書きかけ項目です。 この記事を加筆・訂正下さる協力者を求めています（自動車ポータル/自動車PJ/乗用車PJ）。 |
