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、自動車など車両用の有段自動変速機の一種で、ギアが2系統ありそれぞれにクラッチがあることからこの名前がある。

略してDCTと表記される。日本では、デュアルクラッチのほかツインクラッチとも称される。またダブルクラッチと呼ばれることもあるが、運転技法の「ダブルクラッチ」[注釈 1]とは異なるので注意が必要である。

概要

手動変速機（マニュアルトランスミッション、MT）と同じ平行軸歯車とクラッチを2系統持つ。片方が奇数段を、もう片方が偶数段を担当し、それらを交互に繋ぎ変えながら変速する。変速時には次のギアが待機状態[注釈 2]にある。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。

2003年に市販車にトルコンレスで初採用されて以降、小排気量過給エンジンによるダウンサイジングコンセプトとの相性の良さから欧州車に採用が拡大している。 おおむねMTの感覚を好む欧州で評価が高い反面、トルクコンバータ+ステップATのスムーズな発進と変速を好む米国と日本で評価が低い。 2014年、トルクコンバータとの組み合わせも発売された。

歴史

レース用として使用したのはポルシェが最初である[1]。

詳細は「ポルシェ・ドッペルクップルング」を参照

実際にスムーズな発進や変速を実現するためには駆動系の高度な電子制御化も必要で、その後ボルグワーナーが開発を続け、市販化されたのは2003年アウディとフォルクスワーゲンによるDSG（Direct-Shift Gearbox ）として4代目ゴルフR32に搭載されたのが最初になった。ポルシェの市販車に採用された最初は2008年のポルシェ・911である。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。

2014年、トルクコンバーターを採用したアキュラ・TLXが発売された。

メカニズム

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。

奇数段・偶数段は、例えば6速の場合は「1-3-5-R」段と、「2-4-6」段を分担する。二組の入力側ドライブギア(駆動側歯車)とクラッチは同軸上に配置され、片方のみが動力を伝える。停止状態から走り出す場合、あらかじめ1速がコンピュータによって選択され、シンクロ動作を終え、奇数段軸に嵌合して待機している。発進のためアクセルを開けると、奇数段軸側のクラッチを半クラッチ状態またはトルコンを経て締結し、車軸に動力を伝え前進する。その間、もう一方の偶数段の2速ギアセットはシンクロ動作を終え、軸に嵌め合わされる。偶数段軸はエンジンと接続されていないので出力軸側から駆動され、カウンターシャフトと入力軸までが空回りをしながら待機している。車が2速で走行する領域に入った時、奇数段軸のクラッチを開放し偶数段軸のクラッチを接合することで短い時間で変速する。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速のシンクロナイザの嵌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。

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が、奇数段と偶数段を交互に使う関係上、ほとんどの機種では一段ずつ上下する。DCTは一段あたりの変速時間自体が短いため、複数段の変速であっても敏速である[2][出典無効]。また急減速時や飛び越し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。

2系統の独立したクラッチディスクの配置方法は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する構造が特許になっている。特許を持つメーカーが組み立てメーカーにクラッチ機構を納入してDCTを生産する。外側のクラッチの回転モーメントだけが大きいので制御が難しい。 もうひとつは筒状の部品で一つ目のクラッチを外側から回避し、二つ目のクラッチ入力面を回転させ、同じ直径のクラッチを同軸線上に二組、並列に配置する方法(入力面だけなら直列に配置されるが、締結機能は並列)となる。同じ形状のクラッチを二組使えるので動作が安定する。ただし軸線方向の変速機外寸が長くなる。 例外的に、入力直後に平行する2つのカウンターシャフトに振り分け、それぞれのカウンターシャフトの入力端にクラッチを設け、カウンターシャフトと出力軸の間で変速機を構成し、クラッチが同軸上に並ばない配置も考案されている。しかし外寸が大きくなるため自動車に使われない。

歯車は従来の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または電動機で作動させて変速する。DCTの変速機構は二倍に複雑なためシンクロメッシュ機構を入力軸とカウンターシャフトの双方に持つものが多い。

クラッチディスクは滑りを制御するために多板式となり、湿式多板と乾式多板がある。湿式多板クラッチは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）。湿式多板クラッチは大トルクに対応しながら滑りを制御しやすいため、大きな車種に用いられる。乾式多板クラッチは対応トルクと滑り時間が制限されるが、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運用コストに優れる。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小型車種に向いている。 クラッチ操作は基本的に油圧を用いる。初期の油圧ポンプは機械式だったが、後に電動式油圧ポンプも使用されるようになった。その他クラッチ操作を電動機で行い油圧フリーとした(二輪車用)電動化DCTも開発されている。

二つのクラッチを切り替える時間は0.05秒以下と短く、エンジン回転数を合わせるために最短でも0.2秒ほどクラッチを滑らせている。 シフトアップ時はエンジンの惰性をパーシャルに駆動軸に伝えながら回転を落とし、完全に締結した後に燃料噴射を再開する。クラッチの負担は多いがエンジン惰性を有効利用して変速中の大部分も緩加速している。 しかし急減速時のシフトダウンはギアの噛み合いは終わっているのにクラッチ部の回転合わせのためブリッピングが必要になり、時間短縮や燃費に効果はない。

利点と課題

MT的な有段変速機の感覚をダイレクトでリニアと言って好む人(多少の変速ショックと連続可変しない感覚を好む人)に評価が高いが、従来のMTやAMTに比べれば変速ショックは少なく、それらの正常進化と考えられる。

加速時のシフトアップの効率が良く、変速中も加速が完全には途切れない[要出典]。加速性能が良く、自動変速でMTより燃費が良い。 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、停止から速度100km/h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。

減速時のシフトダウンに利点はない。トルコンレスでは、ゆっくりの減速時に早く切り替えてもエンジンブレーキがギクシャクと利くだけなので、滑りクラッチをシフトアップ時よりも長く使い、ゆっくりとシフトダウンしている[3]。 さらに急減速時の早いシフトダウンでは回転合わせのため下段のシンクロが嵌合しているにもかかわらずクラッチを開放したままブリッピングするので、デュアルクラッチは無駄になる。またブリッピングが無駄な空ぶかしになる欠点も有段変速に共通である。無段変速機のように常時、車速とエンジン回転数を調整しておくことはできない。

減速時にも断続的にシフトダウンが必要なのでオルタネーターで回生する第三のエコカーでは回生が中断してCVTより不利である。 出力軸側にある電動機で駆動と回生を行うハイブリッドの場合、エンジンブレーキの引きずりがあるので不利、あるいはクラッチを離して回生を優先すると再加速時に大きな飛越しシフトダウンのためブリッピングが必要、またはエンジン再始動を含むタイムラグが大きい。

MTと似た構造を持つため、伝達効率はMTに近いが、アクチュエーターの作動用油圧ポンプによる駆動ロスなどでMTより3%程劣る。 MTよりも燃費が良いのは自動変速の最適化の分である。一方でCVTの伝達効率はDCTより低いがエンジンを含めた連続可変制御の最適化で総合効率はDCTより高い（ただし街中の低速運転に限る。高速直進運転ではDCTが勝る）。また従来のステップATは中間的な伝達効率だが、二組の遊星歯車機構の組み合わせを変えるだけで多段化が容易で、かつロックアップ領域を増やす改良が進んでいる[4]。 このように他方式の改良も進んだ結果、急加速を多用するスポーツ走行にはDCTの特性が適し、効率も高いが、滑らかに走るときにはCVTや遊星歯車式ATの効率を上回ることはない。特にCVTの伝達効率は急速に改善され2012年の伝達効率は遊星歯車式ATに追いつき、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が優位に立っている[5][出典無効]。

DCTは変速中だけ滑りを生じる摩擦伝達を用いる。CVTは常に滑りを生じない摩擦伝達で無段変速する。この特徴の違いから、DCTはCVTより大型化できる。実際、DCTは大型トラックや大型バスに応用済みである一方、CVTは乗用車でさえ大型化には限界がある[6]。なお、遊星歯車式ATはより大型化に適している。

利点

  • MTに準じた高い伝達効率を実現している[1]。
  • 変速指令でクラッチだけを繋ぎ変えるので変速が早い[1]。操作に対するタイムラグが短く、駆動力の途切れる時間を最小限にでき駆動効率が高い[1]ため、燃費が良く加速が速い[1]。
  • MTを超えた多段化が可能[1]。変速差が小さいためショックが小さく[1]、低燃費を実現できる[1]。
  • 道路交通法上ではAT車扱いとなる為、AT限定免許で運転が可能である。
  • ダウンサイジングコンセプトは小径ターボの採用によってターボラグを抑制しているが、エンジン単体ではターボラグの存在が避けられない。DCTは短い変速時間によって、巡航から加速に移る際のターボラグを隠蔽できる[要出典]。ダウンサイジングコンセプトは、巡航時は過給圧を抑えて排気量なりの低燃費を達成する一方、加速時は過給圧を上げて排気量を超えた大トルクを引き出すことで高いドライバビリティの獲得を狙うものである。変速時間の短いDCTはシフトダウンを伴う急加速時において、エンジン回転数を素早く上げることで排気ガス流量を速やかに増加させ、短時間に過給圧を上げることができる。
  • ハイブリッドではないエンジンを回し続ける通常の車種において、ターボなどの過給機付きエンジンの場合、変速が短時間で終了するために過給圧の低下が少なくターボラグが減少する[要出典]（「エンジンのダウンサイジング」の潮流にマッチしている）
  • 減速中のエンジンブレーキの効きが一定で、アクセルペダルによる車速管理が容易である[要出典]。
  • シフトアップ時は滑りクラッチの働きを含めて効率的、変速中も緩加速は続き、シフトショックも少ない
  • 構成要素の多くがMTの既存部品と同じで、信頼性が期待でき、生産ラインを流用できる
  • 高出力の大型車にも使える
  • クラッチ操作が自動制御されるので、クラッチの長寿命が期待できる

欠点

  • MTと比べてクラッチ、フライホイール、ねじりダンパ、変速機構が重複し、大きく重くなる
  • MTと比べて滑りクラッチとシフトフォークの操作に油圧ポンプのエネルギーロスを伴う
  • トルコンレスでは、エンジン回転数と合わせるためクラッチを滑らせる時間が長く摩擦損失を生む
  • トルコンレスでは、ATを期待するユーザーによっては僅かな変速ショックが問題とされる(MT愛好者のようにダイレクトで良いと評価されない)
  • トルコンレスでは、発進がスムーズではなく、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、作動音が出る場合がある。VW製DCTでは不具合により国際的に頻回のリコールが発生している。
  • シフトダウンにDCTは無意味、無駄になる[要出典]
  • CVTの総合効率に達していない（遊星歯車式に対しても、効率上の優位性は観測されない）
  • 急減速時のシフトダウンに空ぶかしが必要となる
  • 減速時にも断続的にシフトダウンが必要なためオルタネーターで回生するエコカーではCVTより回生が中断して不利
  • 出力軸側のハイブリッド用電動機で回生を優先すると大きな飛越しシフトダウンのためブリッピングが必要、または再加速時にタイムラグが大きい
  • クラッチの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

各社のDCT

DCT搭載車種

2013年現在、デュアルクラッチトランスミッションはスポーツカーの代名詞的存在になっており[1]、ポルシェ[1]製品の大多数がPDKを搭載する他、フェラーリ[1]、ランボルギーニ[1]といったスポーツカーブランドだけでなくアウディ[1]、BMW[1]、メルセデス・ベンツ[1]、ボルボ[1]、アルファロメオ[1]、フォード[1]、日産[1]、ルノー[1]など多数のメーカーが公道車用に採用している。

乗用車
ドイツ
  • フォルクスワーゲン - 「DSG（Direct-Shift Gearbox、Direkt-Shalt Getriebe）」の名称で6速と7速のDCTを展開。
  • アウディ - 「Sトロニック（S-tronic ）」の名称で6速と7速のDCTを展開。フォルクスワーゲングループのため、中身はDSGと基本的に同じ。
    • TT - 初代の「3.2 quattro」に6速DSGを初搭載。その後2代目にモデルチェンジすると名称をS-tronicと変えてFFモデルにも採用される。
    • A1 - 初代より採用。7速DCTを搭載。
    • A3 - 2代目より採用。こちらも搭載グレードが拡大しつつある。
    • A4 - 5代目A4、およびその派生車種より採用。縦置きエンジン用に新開発した7速DCT。
    • A4 オールロードクワトロ - ベースとなったA4と同様に7速DCTを採用。
    • A5
    • A6 - 4代目A6より7速DCTを採用。
    • A7 - 7速DCTを採用。
    • R8 - 従来はMTとシングルクラッチAMTの「Rトロニック」のラインナップだったが、2012年7月に登場したマイナーチェンジモデルから、DCTであるSトロニックを搭載。V8にオプション、V10に標準装備となった。
    • Q3
    • Q5
  • BMW - 「M DCT（M Dual Clutch Transmission ）」の名称で7速のDCTを展開。
    • 1シリーズ - 2008年から「135i」で当初から6速MTとトルクコンバータ併用ATから設定されたが、2010年5月頃からは6速MTと7速DCTに変更された。0→100km/hの所要時間がMTに比べ0.2秒短縮されている。
    • M3 - 2008年からM3で6速MTに加え、7速DCTが用意された[7]。0→100km/hの所要時間がMTに比べ0.2秒短縮されている。
    • Z4 - 2009年に発売された「sドライブ 35i」と2010年に発売された「sドライブ 35is」に7速DCTを採用。
    • 3シリーズ - 2009年に発売された「335i」のクーペとカブリオレに7速DCTを採用。
    • M5 - 2011年に発売された5代目M5に、7速DCTを「M DCT Drivelogic(エム・ディーシーティー・ドライブロジック)」の名称で搭載。アイドリングストップ機構に対応。またアクセルペダルを一回軽く踏むだけで最低速度での前進が可能となる「ロー・スピード・アシスタント」を搭載し、渋滞時などの低速域での快適性向上を図っている。
  • ポルシェ - 「ポルシェ・ドッペルクップルング」（PDK）の名称で、ZF製7速DCTを展開。
    ポルシェ全体では当初、NAモデルのみに採用されていたが、2009年発売のパナメーラよりターボモデルへも採用された。
    2012年発表のポルシェ・911のPDK仕様には、Dレンジ走行中にアクセルから足を離すと自動的に惰性走行状態に入ることで駆動系のロスを減らし燃料消費率を低減する機能が搭載されている。
  • メルセデス・ベンツ - 「AMGスピードシフト」の名称で7速のDCTを、「7G-DCT」の名称で7速のDCTをそれぞれ展開。
    • SLS AMG - ゲトラグ製7速DCTを「AMGスピードシフトDCT-7」の名称で採用。
    • Bクラス - 2011年発売の2代目Bクラスに、7速DCTを「7G-DCT」の名称で採用。
イタリア
  • フェラーリ - 7速のDCTを展開。フィアットグループのため、中身はマセラティ等と基本的に同じ。
    • カリフォルニア - 7速DCTを採用。
    • 458イタリア - ゲトラグ製7速DCTを採用。DCTの性能の優位性が社内外ともに認知されたことから、同モデルにはMTの設定が初めからない。フェラーリが市販車からMTの設定を外したのは初めてである（エンツォフェラーリを除く）。
    • FF - 7速DCTを採用。通常は後輪駆動だが、必要時には「パワートランスファーユニット」を介し前輪にも駆動力を配分する4輪駆動システムと組み合わされている。
  • アルファロメオ - 「アルファTCT（アルファ・ツインクラッチ・テクノロジー）」の名称で、ボルグワーナー製6速DCTを展開。
    • ミト - 当初はMTのみの設定であったが、2010年に1.4 MultiAir Turboグレードに6速乾式DCTが採用された。
    • ジュリエッタ - 2010年発表の新型ジュリエッタに、6速DCTを採用。
    • 4C - 6速DCTを搭載。
フランス
イギリス
他欧州車
日本
韓国
トラック・バス

世界で最初の開発・発表・搭載は三菱ふそうトラック・バスである。トラック・バス用DCTは、パフォーマンス面の他にも経済的メリットが大きい（燃費面、乗客・積荷に対するショックの少なさ、クラッチ寿命延命による費用低減）ため、注目されている。

  • 三菱ふそうトラック・バス - 世界初の商用車用DCTとして自社開発の6速DCTを「DUONIC（デュオニック）」の名称で展開。2010年7月に発表した。
二輪車

鉄道車両

北海道旅客鉄道（JR北海道）のキハ160形気動車は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[11]。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、駅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。

注釈

  1. ^ 中吹かしの際のクラッチペダルの操作方法。
  2. ^ 例えば2速走行時に1速または3速のギアの噛み合いが完了し待機している。

出典

[脚注の使い方]
  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t 『Racing On』466号 pp.42-53「テクノロジー詳説&バリエーション」。
  2. ^ 「フォルクスワーゲン ゴルフ TSI トレンドライン 試乗レポート 」 クルマ選びの総合支援ポータル オートックワン 2008年7月17日
  3. ^ ツインクラッチは走りを革新する - 三菱自動車「Twin Clutch SST」(前編) (2) サーキットでのスポーツ走行が可能な耐久性 マイナビニュース
  4. ^ ステップAT、CVT、MT、DCTの重量比較メモ - クルマのミライ~ 山本晋也のブログ~（2013年05月05日版）。一方、VWでは2010年Q3からティグアンに搭載された7速DSGで、許容トルク量を増加させながら、リバースギアシャフトの省略など全体の見直しで、従来の6速型に比べ大幅な軽量化を果たし、競争力を確保しているVWティグアンがマイナーチェンジ 7速DSGを搭載 - Auto Prove（2010年09月11日版）。
  5. ^ ジヤトコ (2013年3月). “自動車の省燃費化を実現する新型無段変速機を開発”. プロジェクト実用化ドキュメント. NEDO. 2015年4月19日閲覧。
  6. ^ CVTは発売当初は小型車に限られた。その後少しずつ中型車にも使われるようになったが、それでも車重2トン程度、排気量3リットル程度が限界である。この限界はCVTのベルトが摩擦不足でスリップすることによる。
  7. ^ BMW M3コンバーチブル、欧州で発売開始（2008年4月25日 カービュー）
  8. ^ プジョーのSUV、4007…新トランスミッション採用(2009年9月11日 Response.掲載記事)
  9. ^ 2010年7月20日 環境性能・経済性能・走行性能を高いレベルで実現する小型トラック用「新型パワートレーン」を開発 ～新型エンジン「4P10」とBlueTec®システムを採用、商用車世界初デュアルクラッチ式トランスミッション「DUONIC」を新開発～（2010年7月20日 三菱ふそうトラック・バス社プレスリリース）
  10. ^ 2010年6月29日 大型二輪スポーツツアラー「VFR1200F Dual Clutch Transmission」を新発売（2010年6月29日 本田技研工業プレスリリース）
  11. ^ 株式会社 日立ニコトランスミッション > HASTドライブの構造と動作モード

参考文献

関連項目

自動車部品
 
エンジン
方式
内部構成部品
補機類
 
動力伝達装置
 
その他の部品・関連項目
安全装置
安全技術
ミラー
セキュリティ
常備品
オプション部品
空調設備
関連項目
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