デュアルクラッチトランスミッション

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6速DCTのカットモデル。(フォルクスワーゲンのDCT)

デュアルクラッチトランスミッションDual Clutch Transmission)とは、自動車オートバイ用のトランスミッションの一種で、奇数段と偶数段とで2系統のクラッチを持つことを特徴とする。2003年に市販車に初採用されて以降、性能の優位性から採用が急速に拡大している。略してDCTと表記される。日本や欧州などではDCT搭載車両は法規上AT車に分類される[1]

概要[編集]

基本的な構造はマニュアルトランスミッション(MT)と似ており、動力源(エンジン)からの動力を、クラッチを介して歯車(ギア)に伝え、歯車の組合せ(減速比)を変えて車軸に伝達する。クラッチを同心円状(同芯円上)に2系統持つことからこの名前がある。

DCTではクラッチとギアが奇数段・偶数段の2系統に分かれており、2系統を交互に繋ぎ変えながら変速を行う。変速時には次のギアが待機状態(例えば2速走行時には、1速または3速のギアが待機している)であり変速指令でもう1系統のクラッチに繋ぎ変えることで変速するので変速に要する時間が極めて短い。

クラッチの種類により湿式DCTと乾式DCTに大きく分かれ双方にメリットデメリットがある。

クラッチ操作および変速操作はコンピュータ制御により自動的に行われる(手動操作も可能である)。またトルクコンバータ遊星歯車機構を用いたオートマチックトランスミッション(AT)や無段変速機(CVT)などと同様にクラッチペダルがなく、変速操作が自動的に行われるものはオートマチックの一種として扱われるため、日本や欧州など[2]ではオートマチック限定免許で運転が可能である。また、「MTの構造を基本としている」「クラッチ操作が自動である」という点でセミオートマチックトランスミッション(セミAT)と共通しており、DCTをセミATの一種として扱う場合もある。

トルクコンバータを用いないためその損失がなく、またCVTより制御油圧発生のロスが少ないため「燃費面で有利」、「ダイレクト感のある加減速が可能で運動性能、燃費性能が向上する」などのメリットを持つ。最新の制御装置は学習装置を持ち多くのセンサーを用いてショックの少ない自動変速を実現している反面、トルクコンバーターと違って機械的なクラッチの摩耗や発熱でショックが発生するなどの課題も残っている。

元々1985年ポルシェがレーシングカーで試験採用し、その後ボルグワーナーにより開発が進み2003年フォルクスワーゲンにより市販車に初搭載された。

地球環境への適応が一層求められている現代の自動車業界において「燃費の向上」、「エミッションの低減」を実現できダイレクト感のある運転性能がユーザーに認知されたことにより急速に採用が拡大している。なお商用車用は2010年三菱ふそうトラック・バスが世界初のトラックバス用DCTを開発、翌年に搭載車を発売。オートバイ用は2010年本田技研工業が世界初の2輪車用DCTを開発し、その搭載車を発売した。

日本では「DCT」や「デュアルクラッチ」の名称・略称のほか、「ツインクラッチ」と称されることもある。また「ダブルクラッチ」と呼ばれることもありメーカーによっては正式にこの名称を採用しているが、運転技法の「ダブルクラッチ」(中吹かしの際のクラッチペダルの操作方法)とは異なるので注意が必要。

メカニズム[編集]

デュアルクラッチ機構の概念図。左側が入力(エンジン側)、右側が出力(ホイール側)。Kurbelwelleはクランク軸(エンジン)、DoppelKupplungと示しされている部位が2重になっているクラッチ、Hohlwelleは中空の軸、Getriebeが変速器部、Getriebe-ausgang が出力。数字は変速器の段数を、斜線はその段のギアが噛みあう部分を表している。

クラッチとギアのセットを2系統持ち片方のギアセットが奇数段を、もう片方のギアセットが偶数段を担当する。例えば変速段数が6段の場合は「1-3-5-R」段と、「2-4-6」段の2つの系統に別れている(メーカーにより多少異なるが、基本的には奇数段と偶数段を分けていることは変わらない)。 奇数段と偶数段のドライブギア(駆動側歯車)は同軸上に配列され、同じく同軸上に奇数段と偶数段個別のクラッチを持ち、基本的に片方のみが動力を伝える。コンパクトに設計するため、この2系統の軸は2重化(同軸化)されることが多い。例えば停止状態から1速で走り出す場合はあらかじめ1速がコンピュータによってセレクトされ、1速のギアセットすなわち奇数ギアセット側がシンクロ動作を終え軸に噛み合って待機している。ドライバーが発進のためアクセルを開けると、半クラッチ状態を経て奇数ギアセット側のクラッチを締結し車軸に動力が伝わり前進する。その間、もう1系統の偶数段の2速ギアセットはあらかじめシンクロ動作を終え軸に噛合っている。車が2速で走行する領域に入った場合、奇数ギア段のクラッチを開放し偶数ギア段のクラッチが接合することで短い時間で変速が完了する。また2速への変速が完了すると同時に、奇数段ギアセットは次の変速に備えて3速へのシンクロナイザの噛合を終えて待機状態に入る。以後の変速も同様に行われる。つまり、2つの変速系統を専用クラッチで交互に切り替えて変速する機構である。

制御装置はアクセルペダルの踏み込み量や車速などから運転状況を自動的に判断し、シフトアップ側かシフトダウン側かを判断する(例えば3速から2速に切り替えるのか4速に切り替えるのかを自動的に判断する)。まれに変速の予測をコンピューターが誤ることもあるが、即座に訂正され変速に要する時間はわずかに増加するのみである。運転状況により、ギアを飛ばしてシフトアップやシフトダウンする機種もある。また、シフトダウン時はクラッチの回転数とエンジンの回転数を合わせるスロットル動作(ブリッピング)が自動的に行われる機種が多い。

これら動作を滑らかに行うためには、変速制御装置はエンジン制御装置(ECU)との統合制御が必要であり、多くの場合エンジンスロットルバルブはアクセルペダルと電気的に接続されるドライブ・バイ・ワイヤが使われる。

DCTではクラッチを切り替える時間が短く0.05秒以下で終了する機種もあるなど、従来のギア、クラッチが一系統のセミATより短い。多くは変速が多段(6速以上)のために、隣あう変速段の変速比の差が小さい(クロースレシオの)ため、変速ショックが小さく乗り心地と加速を向上できる。変速時間が短いため、過給機を装着したエンジンでも変速時の過給圧低下が少なくターボラグを抑制できるメリットもある。これは環境規制から産まれた「エンジンのダウンサイジング」(=エンジンを小排気量化し環境性能を上げつつ、出力不足分を過給機で補う)の潮流にマッチしている。

また、純粋なMTと異なり誤操作を完全に排除することができる。またドライブ・バイ・ワイヤ採用の副次メリットとして複雑なシフトリンケージ設計から開放され、DCTでは前進7段以上など多段とすることが容易である。これによりエンジンの効率の高い範囲を有効に使うことができるので、燃費や環境面で有意でありスポーツ性も向上する。車種によってはパドルなどにより手動式の変速機として使うモードを備えるものがある。

なお、4輪車用は停止状態からブレーキペダルを離しアクセルペダルに足を移行する間、トルクコンバータ併用ATのクリープ現象と同様の擬似的なクリープ現象を発生するように設計されておりトルクコンバータ併用ATの利用者が乗り換えた際にも違和感がないように配慮されている。ただし渋滞が長く続く環境では半クラッチ状態の維持により発熱することがあり温度センサーなど安全装置が装備されている。なお初期のDCTには(2輪車用DCTと同じく)擬似クリープ現象が用意されておらず、旧来のセミATと同様にニュートラル状態となるものもがあった。

クラッチディスクは乾式のものと湿式のものがあるが、湿式のほうが寿命が長いとされ、オートバイにて実績あるがごとく車速ゼロからの発進制御に優れるが、構造は複雑になる。基本的に無交換で長寿命とされていたが、渋滞など走行条件によっては短時間で摩耗する場合がみられる。多くは摩耗によるストロークやクリアランスの増加は自動調整されるか、あるいは制御装置が再学習機能を持つ(日産・GT-Rは定期調整が指定されている)。 湿式クラッチの方が大きなトルクに対応しやすいため、基本的にトルクが大きな車種には湿式クラッチが用いられる。乾式クラッチは対応トルクが制限されるが、構造がシンプルで部品数や油量が湿式に比べ少ないためコストに優れる。また乾式の伝達効率は湿式に比べ高いため、省燃費性が求められる車種に向いている。 クラッチ操作は基本的に油圧が用いられ、油圧ポンプによって供給される。油圧ポンプは初期のものは機械式だったが、後に電動式油圧ポンプも使用されるようになった。そのほかクラッチ操作をモーターで行い油圧フリーとした電動化DCTも開発されている。

2系統の独立したクラッチディスクの配置方法はいくつか存在するが大別すると以下の二種類となる。まず同心円状に内側と外側に配置される配置で、その機構に関して特許が取得されているため、特許を持つメーカーがDCTの生産を行うメーカーにクラッチ機構を納入してトランスミッションを組み立てるなどの方法をとっている。 もうひとつはクラッチを直列に配置する方法となる。同心円状の内外に2つのクラッチを収める必要がないためクラッチの直径が抑えられる。また同じ直径であればより大トルクへの対応が可能となる。ただし直列に配置するため軸方向の変速機外寸が長くなってしまう。そのほか並列する2つの入力軸それぞれに一組ずつクラッチを設けたケースもあり、別に入力軸からチェーン(ベルト)でクラッチ外周のスプロケットに動力を伝達する構造のDCTも開発されるなど、クラッチが同軸上に並ばない配置も存在する。

ギア部分は従来のMTと同じ構成のシンクロメッシュ機構を持つ常時噛合式で、シフトフォークを油圧アクチュエーターで作動させて変速する。またクラッチ操作と同様にモーターでシフトフォークを操作し油圧フリーとしたDCTも開発されている。シンクロメッシュは短時間で変速を行うために容量の大きなものが使用される。

デュアルクラッチトランスミッションの利点と課題[編集]

従来のコンベンショナルなAT(トルクコンバータ+遊星歯車もしくはトルクコンバータ+平行軸歯車)ではMTのクラッチがトルクコンバータに置き換わったためにクラッチの切断・締結操作が不要となり、また変速操作が自動化されたことでてドライバーの操作負担は軽減された。しかしトルクコンバータの伝達ロスが大きくMTに比べ燃費面で不利であった。また変速が滑らかな反面MTのようなダイレクト感に欠けていた。

一方、クラッチ操作や変速を自動化しMTに近いフィーリングを得ることを目的に開発されたセミATはスポーツカーを中心に広く採用され、多くの車種に設定されているが改良は進んだものの依然として変速時のショックが大きく変速に時間を要するなどの問題があった。

そこで登場したのがこのDCTでありコンベンショナルなAT、MT、セミATの利点を多く持っている。

ギアはMTと同じ機構を持つため、伝達効率はMTに近い。2系統のギア、クラッチセットを交互に繋ぎ変えることにより動力を途切れなく伝達でき、セミATのようなショックや変速に時間を要する違和感を軽減している。トルクコンバータ併用式より燃費が良いなど高い環境性能を有するなど利点も多い。厳密にはMTと比べアクチュエーターの作動用油圧ポンプによる駆動ロスや開放側多板クラッチの引きずりなど伝達ロスはMTよりも1~2%程度劣り、またトルクコンバータ併用ATと比べトータルの重量が現時点[いつ?]では増加するケースがあるが、ドライバーの癖などに左右されずに良好な燃費を得られることからトルクコンバータ併用ATの代替システムとして有望である。ドイツのクラッチメーカーLuK社の調査ではトルクコンバータ併用ATはもちろん、人間が操作するMTより燃費が大幅に向上するという調査結果もある。

また前述の通り、DCTはATに比べてダイレクト感が強く、MTと比較しても変速も素早くかつその際の空走感(トルク抜け)もないことから実際に運動性能も高くなる。一例として、2012年9月に発表されたアウディS3(6速DCTと6速MTの2つがラインナップに用意されている)のデータでは、、停止から時速100kmまでの加速時間がMT車の5.4秒に対して、DCT車では5.1秒となっている。また、100km走行あたりの燃費は、MT車の7.0L(14.2km/L)に対して、DCT車では6.9L(14.4km/L)であり、さらに二酸化炭素排出量はMT車の162g/kmに対して、DCT車では159g/kmとなっており、運動性能、燃費性能、環境性能の全ての面でMTよりも優位となっている。

DCTの変速機部分は旧来のMTと構造が類似することからDCTをベースに設計を変更することで、MT仕様を用意している事例もある。このような工夫により、DCTの製造コストを旧来のトルクコンバータ併用ATやトルクコンバータ併用CVT以下に抑えることに成功しているケースもある[3]

DCTはこれまで多くのスポーツカーに採用されてきたセミATと同様に「MTのクラッチと変速の操作を自動化した」という点では同じで、MT並のダイレクト感を得るという点では共通しているが、セミATでは変速に要するタイムラグがあった。DCTはギア、クラッチを2系統持ちそれらを交互に短時間で繋ぎ変えると構造によりタイムラグを短縮化した。従ってセミATは一部の需要を除き順次DCTに置き換わっていくと推測され、実際に多くのメーカーがセミATからDCTに切り替えている(フェラーリ、ポルシェ、アルファ・ロメオBMWルノーなど)。

今後クラッチ容量を増大させればハイパワー車や大型車などの大トルクを要求する車種にも対応可能である。DCTが登場して間もない2005年にはブガッティ・ヴェイロンが最高出力1,001馬力、最大トルク127.5kgf・mを誇るハイパワーエンジンに7速DCTを組み合わせて登場し、さらに2010年には最高出力を1,200馬力、最大トルクを153kgf・mにまで高めたグレードを設定しDCTが高出力エンジンに耐えうることを実証している。また、同年には三菱ふそうトラック・バスから車両総重量25tを許容するトラック用DCTも開発・搭載され、乗用車より高い耐久性や長期間に渡る信頼性が求められる商用車の分野でも採用が広まっていくものと推定される。

利点[編集]

  • 変速時のタイムラグが極めて小さく、シフトショックも少ない
  • 入力軸側と出力軸側がダイレクトに接続されるので燃費面でも有利
  • 変速が短時間で終了しダイレクト感が強いため、スポーツ走行のタイムアップにつながる
  • ターボなどの過給機付きエンジンとの組み合わせの場合、変速が短時間で終了するために過給器圧の低下が少なくターボラグが減少する(「エンジンのダウンサイジング」の潮流にマッチしている)
  • マニュアルやATに比べ多段化がしやすいため、エンジンのパフォーマンスを有効に使え環境面で有利
  • クラッチ操作と変速操作が自動化されパーキング(P)やリバース(R)などのポジションが設けられているので、従来のATと同じ感覚で運転ができる(AT限定免許での運転が可能)
  • 任意での変速操作が可能なため、スポーツ走行やトラック・バスにおける乗員・積荷・路面などの状況に応じたドライバー意志の通り変速が可能
  • 構成要素の多くが既存部品と同じで信頼性が期待できる
  • 高出力のブガッティ・ヴェイロンへの搭載や、三菱ふそうトラック・バスによる市販化のように大入出力にも耐える
  • クラッチ操作が理想的に制御されれば、クラッチの長寿命が期待でき、メンテナンス・コスト面で有利となる可能性がある

欠点[編集]

  • 旧来のMTと比べた場合は部品点数が多くなる
  • クラッチの配置構造が特許で押さえられているために基幹部品は一社独占であり、製造コストが割高になる場合がある(量産効果で低廉となる可能性がある)
  • 基本的に自動変速するマニュアルトランスミッションのためギア切り替え時の違和感が発生しやすく、ユーザーによっては僅かな変速ショックがクレームとなることがある
  • トルクコンバータ併用式と異なりクラッチフェース摩耗や発熱からストロークが変わりショックやジャダー、作動音が出る可能性がある。ストローク増大やクリアランス増大の自動制御や再学習で軽快しない場合はクラッチ交換が必要になる
  • トルクコンバータ併用ATと異なりクリープ現象が自然に発生する機構ではない。そのためトルクコンバータ併用ATと近い運転感覚を得るために半クラッチ制御でクリープ現象を発生させており、クラッチ表面の状態によってジャダーやショックが発生しやすい。また渋滞などで長時間クリープ状態が続くとクラッチフェースの発熱から制御が不安定になったりシステムエラーとなることがある
  • すでに多くの車種でDCTが採用されているがクラッチの使用条件ではジャダーやショック、制御不良のためにユニット交換されている例が少なくないとされる[要出典]。日本の都市部のように重度な渋滞では課題が残るとされる
  • オートバイにおいては、一部のスクーターに倣いパーキングブレーキや(2013年時点ではNC700シリーズにて採用されている。)変速機内部をロックする機構を別途装備する検討を要する(車重が軽い場合は省略され得る)。コンベンショナルなMTのオートバイに比して、坂道など傾斜地に駐車する際に必要な装備である。

歴史[編集]

元々はレーシングカーにおいて、変速時の駆動力断続ロスを極力なくしてラップタイムを向上させる手段として1980年代にポルシェがレーシングカーポルシェ・962)での採用(ポルシェ・ドッペルクップルンク:Porsche Doppelkupplung、通称:PDK)を試みたが当時の技術ではまだ電子制御スロットルなどが確立されておらず、変速時のショック過大などにより大きな成果を上げることなく実用化は断念された。

その後、ボルグワーナーが開発を続け2003年にフォルクスワーゲンによりDSG(Direct-Shift Gearbox)として市販車(4代目ゴルフR32)に搭載された。それ以降はほかのメーカーからもDCTが採用車が発売、DCT自体も他社によっても開発され採用する車種は増大傾向にある。

DCT搭載車種[編集]

鉄道車両[編集]

北海道旅客鉄道(JR北海道)キハ160形気動車直噴式ディーゼルエンジンとトルコン式ATの組み合わせで落成したが、その後モーターアシスト方式によるハイブリッドシステムの試験のためコモンレール式ディーゼルエンジンと日立ニコトランスミッション製のデュアルクラッチ式4速自動変速機に換装された。

発電機兼用のアシストモーターは変速機の外に架装されておりクラッチを介して2速ギアに繋がれ、運転条件によって断続される。併せてエンジンと2本のギアシャフトの間にある2つのクラッチと変速機とプロペラシャフトの間にある逆転機のクラッチも制御され、間の基本的なパターンはモーターのみで起動してそのまま加速、45km/h以上でエンジンを始動してモーターとの併用で走行、逆転機を中立にして惰行中にエンジンで発電、エンジンを停止して回生ブレーキによるエネルギー回収となっている。

脚注[編集]

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関連項目[編集]