無段変速機 摩擦式CVT以外の無段変速機

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無段変速機

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2021/03/27 05:20 UTC 版)

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/ターボ・エレクトリック方式/ガス・エレクトリック方式

鉄道車両船舶などにおいて、電動機が停止状態(起動時)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」、ガソリンエンジンの場合は「ガス・エレクトリック」、蒸気タービンガスタービンの場合は「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基本的には不要である。ただしモーター特性を生かすために変速機構を設ける場合もある。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、スクリュープロペラ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。WW2のドイツにおいてはVK4501(P)いわゆるポルシェティーガー、さらにはそれを流用したエレファント重駆逐戦車においても採用された。現代でも、フランス海軍原子力潜水艦や、各国海軍の統合電気推進技術として現役であり、今後も発展が予定されている。

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が十分享受できるとして、DF200形にこのシステムが採用され、電車向けの技術蓄積・部品・メンテナンス体制が流用できるとして、各JR旅客鉄道向け気動車にも採用が進みつつある。

鉱山用の超大型ダンプカーフォークリフトなど、少数ながら自動車にも採用例がある。

モーターのみで駆動する点からシリーズ・ハイブリッドとも混同される事も多いが、バッテリー等の別途のエネルギー源は存在しないためハイブリッドとはなり得ず形式としては区別される。自動車用においては日産自動車e-POWERがシリーズ・ハイブリッドとして量産されているが、ガス・エレクトリック方式とは一般的には扱われない。バッテリーの有無以外にもエレクトリック方式ではモーター出力に対して相応の出力のエンジンが必要となるが、シリーズ・ハイブリッドではモーター出力よりも低い出力のエンジンでも成立するなどの違いがある。

鉄道や船舶で示された様に、多発それも各々の出力・特性の異なる動力源から受け取った電力を、各駆動輪を含む各所に任意に配分する事で、大規模・複雑な制御や、各動力源の一部停止と最適運転による燃費低減が、鉄道・船舶規模から自動車規模まで容易に実現でき、それを発動発電機+二次電池と駆動モーター+照明空調等間で行ったのが前述のシリーズ・ハイブリッドとなる。

電力・機械併用式無段階変速機

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)[注 4]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[注 5]。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(エンジン・クラッチ・ギア)のみでの発進や変速を実現できず、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、例えば発電機を無負荷で「空回り」させることができるなど、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。

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I(エンジンの回転数がほとんど変動しないため)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」は変化しないため、諸元表には変速比が記載されていない[注 6]

走行の際は下記のように制御する。

エンジン冷間始動時(冷間車両停止時)
メインスイッチをONにすると、準備のため冷間始動時は一時的にエンジンを暖機させる。
エンジンで発進する仕組みを持っていないため、暖機や充電のためエンジンが始動していてもM1の駆動力のみで発進する。
発進前にエンジンが停止した場合も走行を始めるとエンジンが始動する。
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(スターターモーター)として働き、プラネタリキャリアを回してエンジンを始動させる。発電機M2の回転方向は高速走行中と逆になる。
停車中でも発電と充電が可能になる。
発進時(温間時)
温間時でもバッテリー容量が著しく不足している場合は、走行前にエンジンが始動して発電する。
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(クランキング)エンジンを起動する。
エンジンが回り出したら発電を開始してエンジンの負荷(出力)を吸収する。
ハイブリッド走行時
エンジンでM2を駆動(発電)し、電力をM1とバッテリーに送る。
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可変されながら、直接、機械的に駆動軸に伝達される。
THSでは、機械的に決定される特定の変速比以外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「スプリット式」として「パラレル/シリーズ式」と区別される理由である。
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を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て空回りさせ、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に負荷を掛け、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(逆転機)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。後退時は純粋なシリーズ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)アクアなどは電圧を更に上げた上でモーター(M1)を小型高回転化した。これによりトルクは低下したものの、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」とし、結果的にM1の出力は向上、ハイブリッドシステムも軽量化した。2013年(平成25年)現在ではこちらが主流となっている。2015年(平成27年)12月に発売された4代目プリウス(ZVW50型)ではリダクション機構が遊星歯車から平行軸ギヤに変更された。これによりトランスアクスルの全長短縮および減速機構における損失低減がなされたが、呼称は「リダクション機構付THS-II」のままである。

車両総重量が大きく最高速度も高いクラウンレクサスGSLSといったFR用のリダクション機構付THS-IIでは、動力分割機構のリングギア後(出力軸)のリダクション機構を2段変速とする事でモーター出力の変速比幅を拡大している。

2017年(平成29年)に発売されたLC500hではTHS-IIからの出力を4段ギヤにて変速する「マルチステージハイブリッド」が採用された。これにより擬似的な10段変速を可能とし、従来のTHSに欠けていたエンジン回転と同調したダイレクトな運転感覚を実現している。

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

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、何かしらの機械的な伝達も同時に行う。HSTよりも高効率を狙えるが油圧以外の伝達経路が必要となるため設計の自由度は下がる。HMT方式は大きく分けてると遊星歯車とHSTを組み合わせる方式と、流体の反トルクによる伝達(機械的な伝達)と油圧伝達を組み合わせた方式の2つに分けられる[43]

遊星歯車機構を用いる方式の一例としてはサンギヤを入力軸、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る事が可能となる。この組み合わせはあくまで一例であり、どのギヤをどの要素に使うかは設計によって異なるがHSTと遊星歯車機構の関係から2つの方式、すなわち遊星歯車機構からの出力をHSTへ入力する入力分割型(出力結合型)とHSTからの出力を遊星歯車に入力する出力分割型(入力結合型)に分けられる。前述の例でいえばリングギヤがHST(ポンプ)に入力しているなら入力分割型となり、HST(モーター)より出力を受けていれば出力分割型となる。一般的に低速運用では出力分割型、高速運用では入力分割型が効率が良いとされそれぞれに一長一短がある。遊星歯車機構を用いたHMTは既存のHSTの技術やポンプ/モーターを流用することもでき、さらに機械伝達も行うため同規模のHSTよりもポンプ/モーターを小型化も可能となる。大きなトルクにも対応しやすいため重量のある車両に用いられることが多い。反面、機構として大がかりとなるためサイズや重量、コストなどに制限がある用途ではあまり用いられない。また遊星歯車機構による損失が存在する。

遊星歯車機構を用いない方式は流体の反トルク作用による伝達(機械的な伝達)と油圧よるトルク伝達を合成して出力する。後述のホンダのHMTなどはこちらに属する。 一般的な形態においてはポンプ/モーターは斜板式のアキシャルピストンとなりモーターもしくはポンプ側のどちらか[44]の斜板角度を変更する事で可変容量としている。この容量を可変する事で変速比を可変させる。ポンプとモーターは同軸上または同円周上に配されポンプ/モーター両ピストンのシリンダーは一体化した形状として入力軸もしくは出力軸に繋がる[45]。歯車等が無いため機械的な伝達はイメージしにくいが、エンジンから入力され回転する斜板がポンプのピストンを押そうとした場合、流体(オイル)を介してモーターからの反トルクがあるためピストンは容易に動かない。しかし斜板から入力されるためピストンを押す以外にピストンを覆うシリンダー(出力軸)を回そうとする力も発生する。このシリンダーを回した分の力は油圧を発生せずに出力軸へ伝達されるため機械的な伝達として扱われる。そしてピストンが押された事で生じた油圧でモーターに伝達される力が油圧伝達となる。可変容量の容量が大きい(斜板の角度が大きい)場合は油圧伝達の割合が大きくなり変速比も大きくなる。容量がゼロ(斜板が直立)となった場合はオイルの移動はなくなり回転が同期、機械的な伝達のみの直結となる。ただし直結時においても高圧作動油のオイルリークや摺動部のフリクションなど幾つかの損失が生じる。このため後述のホンダHFTではピストン室への高圧油路を遮断する事でロックアップしている。遊星歯車機構がなくサイズ、重量、コストなどの面で有利であり軽量コンパクトに仕上げられるため二輪車といったサイズと重量に制限のある用途にも採用可能となる。一方で大きな出力に対応するにはサイズや製造コストが肥大化しやすく、あまり適さない。その他、構造上単独では回転出力を逆転する事ができないなどのデメリットもある[46]

ホンダでは、1962年にはイタリア・バダリーニ社の特許をベースにHMTとなる「HRD」を採用した革新的なスクータージュノオで量産化。この原理を独自に発展させ、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(初代、現・ヤンマーホールディングス)が2002年にHSTと遊星歯車機構と組み合わせたHMTを実用化、同社の乗用田植機「VPシリーズ」(4条植のVP4を除く[47]全機種)に先行搭載され、2005年にはトラクター「EG700シリーズ」にも搭載したがこれは100馬力以下のトラクターとしては世界初としている。その後も2009年には小型・軽量・高効率化を目指した改良型のI-HMTをトラクター「EG400シリーズ」に先行搭載、後にそれ以外のトラクターにも順次搭載され、乗用田植機「RGシリーズ」(4条植のRG4を除く[48]全機種)にも順次搭載された。このI-HMTを搭載したトランスミッションには遊星歯車機構も含まれているが、油圧ポンプ/モーター自体は構造は異なるもののホンダのHMTと同様で単独で作動油の反トルクにより機械的な伝達も行うものとなる。

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。方式としては合成部(遊星歯車機構)が出力側に配置される出力分割型(入力統合型)となる。遊星歯車機構はプラネタリギアが出力、リングギヤがHSTからの入力を受け、サンギヤがエンジンよりの入力を受けるが直接ではなく3段変速機構を介することで広い変速比幅を確保している。 これにより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。




注釈

  1. ^ 後にデフ前に配置する事でシングルベルトとしたDAF 46(英語版)も開発された。
  2. ^ 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。
  3. ^ 主な損失源は、プーリー制御用のオイルポンプと、プーリー、ベルト間の摩擦。
  4. ^ 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
  5. ^ 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)。
  6. ^ 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。
  7. ^ 市販車では6段から8段がみられる。

出典

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  5. ^ 「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)
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  7. ^ 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】
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  10. ^ 「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)
  11. ^ 第1回「低摩擦損失高効率駆動機器のための材料表面制御技術の開発」(事後評価)分科会 資料5-1事業原簿6(公開版)(6.16MB)
  12. ^ 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)
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  43. ^ 最初のHMTはHSTで駆動しつつ入出力の速度差がなくなった時点で直結しケーシングごと回転させるものだったとされるが、機械伝達となるのは直結時のみとHMTとしては冗長性に欠け、HMTよりもロックアップ機構付HSTといえる。
  44. ^ 例に挙げるとホンダのHMTではモーター側を可変容量、ヤンマーのI-HMTではポンプ側を可変容量としている
  45. ^ シリンダーを内蔵するブロックはホンダのHMTでは出力軸、ヤンマーのI-HMTでは入力軸と繋がっている。
  46. ^ HSTの場合、可変容量ポンプ/モーターの斜板の傾きを反転する事で逆転が可能。
  47. ^ ただしVP4には従来の「GPシリーズ」から引き継がれた乾式クラッチ併用の樹脂ベルト式CVTが搭載された。
  48. ^ こちらもVP4同様、乾式クラッチ併用の樹脂ベルト式CVTが搭載された。
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  52. ^ https://global.toyota/jp/mobility/tnga/powertrain2018/cvt/ 新型無段変速機
  53. ^ ダイハツ工業 DNGA新技術


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