無段変速機

無段変速機（むだんへんそくき）、または（変速比）連続可変トランスミッション（Continuously Variable Transmission：CVT）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。多くはオートバイや自動車用を指すが、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、摩擦に依らない無段変速機についても触れる。

自動車用途の概要

動力の伝達に歯車を用いない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。しかし、現在のところ採用例は国産車が大半で、輸入車では一部の車種でしか採用されていない。

21世紀初頭時点で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は比較的低トルクエンジンで軽量な車種に、トロイダルCVT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。

構造上、変速機そのもので逆回転を作り出すことは不可能なため、後進を行うときは遊星歯車を組み合わせて逆回転を作り出して行う。

長所

短所

摩擦式の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体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。

ベルト式CVT

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

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。

スチールベルト式CVT

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、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）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（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。

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」と「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。

副変速機付CVT
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[7][8]。このCVTは、CVTのセカンダリープーリー（出力側）に遊星歯車式の副変速機を設置している。この副変速機は前進2段の変速機能と前後進切替機能をもち、従来のスチールベルト式CVTではプライマリープーリー（入力側）と動力断続用のクラッチ機構との間に設置されていた前後進切替用遊星歯車の役割も有している。

基本的には発進時には前進ローギヤで作動し、速度が上がるとに前進ハイギヤに自動変速される。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。また前進ハイギヤ走行時でも低速走行時や中速域での高負荷走行時には自動的に前進ローギヤへシフトダウンを行うため、CVTでありながら有段オートマチックトランスミッションと同様にキックダウンが発生するのが特徴である。

車両重量が重いワンボックスカーやSUV用として開発されたCVTであるが、当初は車両重量が軽いがエンジントルクが小さい軽自動車（スズキ・パレット/パレットSW）用として採用された。2011年11月現在、日産のルークス、マーチ、ジューク、スズキのソリオ、スプラッシュ、スイフト/スイフトスポーツ、MRワゴン、パレット/パレットSW、ワゴンR/ワゴンRスティングレー、アルトラパン、アルト/アルトエコ、マツダのキャロル、AZ-ワゴン/AZ-ワゴン・カスタムスタイル、三菱のデリカD:2に採用されている。

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。

チェーン式CVT

チェーン式CVT

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。スチールベルト式に似て見えるが、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、同じ体格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が「リニアトロニック」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代目レガシィ及びエクシーガの一部グレードに搭載している[9]。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」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[9]。

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

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。

日産がジャトコトランステクノロジー（ジャトコ）、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生産を終了している。

日産・エクストロイドCVT

エクストロイドCVTの内部構成を示す展示

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、ジャ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。

摩擦式CVT以外の無段変速機

ディーゼル・エレクトリック方式

詳細は「ディーゼル・エレクトリック方式」を参照

鉄道車両において、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を利用し、発電機と電動機の併用でトルクと回転数を制御するシステム。電気機関車や電車と同様、ほとんどの場合減速機は一段固定であり、いわゆる変速機に当たるものは無い。

トルクコンバータを用いた液体式変速機が未熟だった時代、総括制御も可能なディーゼル機関車や気動車の変速システムとして各国で広く利用されたが、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、DF50形以外では極小数の採用に留まっていた。

現在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、なおかつ液体式変速機の様な多大な部品点数や、手間のかかる整備の必要も無く、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

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の電気制御によって行っている。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キャリ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、車輪と直結であることから発進時の駆動力を確保するために必然的に高トルク仕様のモーターを必要とする。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。

2代目プリウス（NHW20型）に搭載されていたこの原型「THS」および「THS-II」では、変速機のアウトプット側に直接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、その後のハリアー・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。プリウスでも3代目のZVW30型以降は高回転型モーターに専用のリダクションギアを付けた「リダクション機能付きTHS-II」（トヨタ・アクアにも採用された）に移行した。

なお、THSでもエスティマハイブリッドなどに搭載されている「THS-C」や、クラウン・マイルドハイブリッドなどに搭載されていた「THS-M」は遊星歯車ではなくベルト式CVTや通常のトルコン式ATを併用したシステムで、原理が異なる。

静油圧式無段変速機

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出来る上、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出来る他に、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出来る動力の大きさは、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、乗用田植機等、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、ディーゼル機関車や気動車、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に内燃機関を備える電源車の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

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、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がトラクターと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、陸上自衛隊の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為、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

併用するクラッチ機構の変遷

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りつつある。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。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。

関連項目

脚注

  1. ^ [1]
  2. ^ webCG「4WD車にはなぜCVTが設定されない?」
  3. ^ Nissan vehicle emissions
  4. ^ スバル・サンバー（5代目のみ）ランサーカーゴ（2WD車のみ）等
  5. ^ 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
  6. ^ Honda│クルマ│フィット│スペック
  7. ^ 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
  8. ^ 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
  9. ^ a b 日経Automotive Technology 2009年9月号p.29より
  10. ^ 市販車では6段から8段がみられる
  11. ^ 実験時の映像 YouTubeより