無段変速機

無段変速機( CVT )は、連続した範囲のギア比を変更できる自動変速機です。これは、固定ステップで限られた数のギア比を提供する他の変速機とは対照的です。適切な制御を備えた CVT の柔軟性により、車両がさまざまな速度で移動している間、 エンジンを一定の角速度で動作させることができます。

CVT は、自動車、トラクター、サイドバイサイド、モーター スクーター、スノーモービル、自転車、土木機械に使用されています。最も一般的なタイプの CVT は、ベルトまたはチェーンで接続された2 つのプーリーを使用しますが、他の設計も使用されることがあります。

最も一般的なタイプの CVT は、2 つの可変直径プーリの間を走るV ベルトを使用します。 ^[1]プーリは、一緒に動いたり離れたりする 2 つの円錐形の半分で構成されています。V ベルトはこれらの 2 つの半分の間を走るため、プーリの有効直径はプーリの 2 つの半分の間の距離に依存します。ベルトの V 字型の断面により、ベルトは一方のプーリでは高く、もう一方のプーリでは低く乗ります。したがって、ギア比は、一方のプーリの 2 つのシーブを近づけ、もう一方のプーリの 2 つのシーブを遠ざけることで調整されます。^[2]

プーリ間の距離とベルトの長さは変わらないため、ベルトの適切な張力を維持するために、両方のプーリ（一方を大きく、もう一方は小さく）を同時に調整する必要があります。遠心駆動プーリとバネ式従動プーリを組み合わせた単純なCVTでは、従動プーリの適合調整にベルト張力を使用することがよくあります。^[2] Vベルトは、プーリの軸方向に非常に硬くなければならず、プーリから出入りする際に短い半径方向の動きしか発生しません。

ベルトの半径方向の厚さは、最大ギア比とトルクの間の妥協点です。スチール強化 V ベルトは、ユーティリティ ビークルやスノーモービルなどの低質量、低トルクの用途には十分ですが、自動車などの高質量、高トルクの用途にはチェーンが必要です。チェーンの各要素は、ベルトが最も外側の半径で動作しているときにプーリにフィットする円錐形の側面を持っている必要があります。チェーンがプーリ内に入ると、接触面積は小さくなります。接触面積は要素の数に比例するため、チェーン ベルトには非常に小さな要素が多数必要です。

ベルト駆動設計では約88%の効率が得られますが^{[3] 、これは}マニュアルトランスミッションよりも低いですが、車両の速度に関係なくエンジンを最も効率的な回転数で動作させることで相殺できます。パワーが経済性よりも重要な場合は、CVTの比率を変更して、エンジンが最大パワーを生み出す回転数で回転するようにすることができます。

チェーンベースの CVT では、多数のチェーン要素が複数のスチールバンドに沿って配置されており、各スチールバンドは簡単に曲がるほど薄い。ベルトの一部をプーリーに巻き付けると、要素の側面が円錐面を形成する。^{[4] [5]}バンドのスタックでは、各バンドがわずかに異なる駆動比に対応しているため、バンドは互いに滑り、十分な潤滑が必要です。プーリーには追加の潤滑剤の膜が塗布されます。膜は、プーリーとチェーンが直接接触するのを防ぐのに十分な厚さである必要があり、各チェーン要素が膜に入るときに電力を無駄にしないほど薄くする必要があります。^[要出典]

CVTの中には、ベルトの張力（「引っ張る」力）によって出力プーリに動力を伝達するものもあれば、チェーン要素の圧縮（入力プーリがベルトを「押し」、ベルトが出力プーリを押す）を利用するものもあります。^{[6] [7] [8]}

ポジティブ・インフィニティ・バリアブル（PIV）チェーンドライブは、チェーンが円錐プーリと確実に連動するという点で独特です。これは、各チェーンリンクに多数の小さな長方形のプレートを積み重ねて、左右に独立してスライドさせることで実現されます。プレートは非常に薄く、厚さは約 1 ミリメートルです。円錐プーリには放射状の溝があります。プーリの片側の溝は反対側の隆起と接し、スライドプレートはパターンに合わせて前後に押し出され、プーリの間に挟まれたときに正しいピッチの歯が効果的に形成されます。このタイプのドライブは、連動面により大きなトルクを伝達できるため、産業用途で広く使用されています。ただし、最大速度は他のプーリベースの CVT よりも大幅に低くなります。スライドプレートは、長年の使用で徐々に摩耗します。そのため、プレートは必要以上に長く作られ、チェーンの修理または交換が必要になる前に摩耗が進むようにしています。継続的な潤滑が必要なため、ハウジングは通常部分的にオイルで満たされています。^{[9] [10]}

日産セドリック（Y34）^{[11] [12]}やCVTCORP が製造したトロイダル CVT ^[13]は、一連のディスクとローラーで構成されています。ディスクは、2 つのほぼ円錐形の部品が点対点に配置され、側面がくぼんでいるため、2 つの部品がトーラスの中央の穴に収まるように描かれています。1つのディスクが入力で、もう 1 つが出力です。ディスクの間にはローラーがあり、比率を変えて一方から他方に動力を伝達します。ローラーの軸がディスクの軸に垂直な場合、入力ディスクと出力ディスクの有効直径は同じになり、1:1 の駆動比になります。他の比率の場合、ローラーはディスクの表面に沿って回転し、異なる直径の点でディスクと接触するため、駆動比は 1:1 以外のものになります。^[14]

トロイダルCVTの利点は、プーリーベースのCVTよりも高いトルク負荷に耐えられることです。^[15]一部のトロイダルシステムでは、CVT内で推力の方向を反転できるため、リバースギアを提供するための外部デバイスが不要になります。^[16]

ラチェット CVT は、一連のワンウェイ クラッチまたはラチェットを使用して、「前進」運動のみを整流し、合計します。一般的なラチェットのオン/オフ特性により、これらの設計の多くは連続的に動作しません (つまり、技術的には CVT ではありません)。ただし、実際には動作に多くの類似点があり、ラチェット CVT は任意の入力速度からゼロ出力速度を生成できます (無段変速機と同様)。駆動比は、振動要素内のリンケージ ジオメトリを変更することによって調整されるため、平均リンケージ速度が一定であっても、合計最大リンケージ速度が調整されます。

ラチェット CVT は、静的摩擦がトルク スループットに対して実際に増加するため、かなりのトルクを伝達できます。そのため、適切に設計されたシステムではスリップは不可能です。動的摩擦のほとんどは、クラッチ速度のわずかな遷移によって発生するため、効率は一般的に高くなります。ラチェット CVT の欠点は、要素を加速するために必要な速度の連続的な遷移によって発生する振動です。この要素は、それまで動作して減速していた動力伝達要素に取って代わる必要があります。

設計原理は1930年代以前に遡り、当初の設計ではローラークラッチを使用して回転運動を振動運動に変換し、再び回転運動に戻すことを目的としていました。^[17]この設計は、低速電気モーターで使用するために2017年現在も生産されています。^[18]自転車のトランスミッションとして試作された例は、1994年に特許を取得しました。^[19]スコッチヨーク機構を使用して回転運動を振動運動に変換し、非円形ギアを使用して均一な入力と出力の比率を実現するラチェットCVT設計の動作原理は、2014年に特許を取得しました。^[20]

油圧式 CVT は、エンジン駆動の容積式ポンプを使用して、圧力をかけたオイルを 1 台以上の油圧モーターに送り、車両の駆動輪に適用されるトルクを生成します。「油圧式 CVT」という名前は、「油圧」という用語を誤って使用しており、このタイプのトランスミッションを、設計に流体トルク倍増装置 (「トルク コンバーター」) を組み込んだトランスミッションと区別しています。

油圧式 CVT では、エンジンと駆動輪の間の有効な「ギア比」は、ポンプの排気量 (1 回転あたりの立方インチまたは立方センチメートルで表されます) とモーターの排気量の差によって決まります。 クローズド システム、つまり、ポンプの出力がすべてモーターに送られるシステムでは、この比率はGR = Dm ÷ Dpという式で表されます。ここで、Dpはポンプの有効な排気量、Dmはモーターの排気量、GR は「ギア比」です。

油圧式 CVT では、ポンプの有効容量を変えることで有効な「ギア比」が変わり、特定のエンジン速度 (RPM) でモーターに供給されるオイルの量が変化します。これを実現するにはいくつかの方法がありますが、その 1 つは、調整可能なバルブを介してポンプの出力の一部をリザーバーに戻すことです。このような配置では、バルブを開くことでより多くのオイルが迂回されるため、ポンプの有効容量が減少し、モーターに供給されるオイルが少なくなり、モーターの回転が遅くなります。逆に、バルブを閉じると迂回されるオイルの量が減り、ポンプの有効容量が増加し、モーターの回転が速くなります。

もう一つの方法は、可変容量ポンプを使用することです。ポンプが低容量に設定されていると、生成されるオイル量が少なくなり、油圧モーターの回転速度が遅くなります。ポンプの容量が増加すると、任意のエンジン回転数に対して生成されるオイル量が多くなり、モーターの回転速度が速くなります。

油圧式 CVT の利点は次のとおりです。

• 容量の拡張性。油圧式 CVT の動力伝達容量は、適切なサイズのポンプと適合する油圧モーターを使用することで、アプリケーションに合わせて簡単に調整できます。
• 柔軟性。エンジン駆動ポンプから油圧モーターへの動力伝達は流動油を介して行われるため、ポンプからモーターに油を送るホースを使用して、通常は不便な場所にモーターを取り付けることができます。これにより、全輪駆動 連結車両の設計が簡素化されます。
• 滑らかさ。油圧式 CVT の有効な「ギア比」は無限に可変であるため、従来のギア式トランスミッションで生成されるような、トルク増幅の明確な遷移はありません。
• 簡素化された制御。前進速度と後進速度の全範囲にわたる操作は、単一のレバーまたはフットペダルを使用して、転換バルブまたは可変容量ポンプを作動させることによって制御できます。
• 任意に遅いクロール速度。非常に低速で高いトルク増幅が可能なので、負荷がかかった状態でも正確な車両移動が可能になります。

油圧式 CVT の欠点は次のとおりです。

• 効率の低下。ギアは機械的動力伝達の最も効率的な方法の 1 つであり、多くの場合、効率は 90 パーセントにも達します。対照的に、約 65 パーセントを超える効率を達成する油圧伝達システムはほとんどありません。これは、ポンプとモーターの内部損失と、配管とバルブの損失の組み合わせによるものです。
• コストが高い。一定レベルの動力伝達能力の場合、油圧式 CVT は同等のギア式トランスミッションよりも製造コストが高くなります。油圧式システムでは、ポンプとモーターに加えて、オイル リザーバー、配管、そして多くの用途ではオイル クーラーも必要です。この最後のアイテムは、油圧式動力伝達の比較的低い効率から生じる廃熱を放散するために必要です。
• 重量が増します。油圧式 CVT は高い油圧で作動するため、特に最大出力と最大負荷がかかったときに、ポンプとモーターにかなりの機械的ストレスがかかります。したがって、これらの部品は非常に頑丈に作られる必要があり、通常は重量のある部品になります。オイル リザーバーとそのオイル負荷、配管、バルブにも重量が加わります。

油圧式CVTの用途としては、飼料収穫機、コンバイン、小型の車輪式/履帯式/スキッドステアローダー、クローラートラクター、ロードローラーなどがあります。AGCOが製造する農業用の一例では、前進方向の移動では遊星歯車を介して出力軸への油圧伝達と機械伝達の間で動力を分割します（後進時は動力伝達は完全に油圧式です）。この配置により、前進方向ではトルクの大部分をより効率的な固定ギアで伝達することで、トランスミッションの油圧部分にかかる負荷が軽減されます。^[21]

統合油圧トランスアクスル(IHT)と呼ばれるバリエーションでは、油圧要素とギア減速要素の両方に単一のハウジングが使用され、一部の小型トラクターや乗用芝刈り機で使用されています。

2008～2010年のホンダ DN-01 クルーザーバイクは、可変角度スワッシュプレートを備えた可変容量アキシャルピストンポンプの形の油圧 CVT を使用していました。

コーン CVT は、1 つまたは複数の円錐ローラーの軸に沿ってホイールまたはベルトを動かすことで、駆動比を変えます。最もシンプルなタイプのコーン CVT であるシングルコーン バージョンでは、コーンの傾斜に沿って動くホイールを使用して、コーンの狭い直径と広い直径の間に変化を生み出します。

一部のコーンCVT設計では、2つのローラーが使用されています。^{[22] [23]} 1903年、ウィリアム・エバンスとポール・クナウフは、反対方向を向いた2つの平行な円錐ローラーを使用し、ベルトで接続してコーンに沿ってスライドさせることで伝達比を変更できる無段変速機の特許を申請しました。^{[24] [25]} 1920年代に製造されたエバンス可変速カウンターシャフトはよりシンプルで、2つのローラーの間には一定の幅の小さな隙間があり、ローラー間を走る革紐の位置によって伝達比が決まります。^[26]

エピサイクリックCVT（プラネタリーCVTとも呼ばれる）では、球面ローラーの軸を傾けて異なる接触半径を作り、入力ディスクと出力ディスクを駆動することでギア比を変えます。これは原理的にはトロイダルCVTに似ています。量産バージョンにはNuVinci CVTがあります。^[27]

トヨタ プリウス、日産 アルティマ、三菱 アウトランダー PHEV、フォード エスケープ ハイブリッドなど、いくつかのハイブリッド電気自動車は、電動可変トランスミッション (EVT、場合によっては eCVT) を使用して、電動モーターと内燃エンジンからの動力の寄与を制御します。これらは、エンジンに加えて電動モーターによって駆動される点で標準の CVT と異なり、従来の CVT で使用されるベルトの代わりに、多くの場合、遊星歯車を使用して出力を結合します。注目すべき例としては、トヨタハイブリッド シナジー ドライブがあります。

摩擦ディスクトランスミッションは、ランバートやメッツの自動車など、20世紀初頭に製造されたいくつかの車両や小型機関車で使用されていました。今日では除雪機に使用されているこれらのトランスミッションは、転がる入力ディスクの表面を移動する出力ディスクで構成されています。出力ディスクを自身の半径に等しい位置に調整すると、結果として生じる駆動比は1：1になります。出力ディスクを入力ディスクの中心に移動することで、駆動比を無限大（つまり、出力ディスクが固定）に設定できます。出力ディスクを入力ディスクの中心を超えて移動させることで、出力方向を逆にすることもできます。初期のプリマス機関車のトランスミッションはこのように動作しましたが、摩擦ディスクを使用するトラクターでは、後進速度の範囲は通常制限されていました。^[28]

まだ開発中の磁気CVTは、非接触磁気カップリングを使用してトルクを伝達します。^[29]この設計では、永久磁石のリング2つと、その間に鋼鉄の磁極片のリングを使用して、磁石を使用した遊星歯車セットを作成します。^[30]機械式システムと比較して、燃料消費量を3〜5％削減すると主張されています。^[30]

一部の CVT は、無限の低速ギアを提供する無段変速機(IVT)としても機能します(例: 車両を無限に低速で前進させる)。一部の IVT は、高い逆駆動トルクを提供することで逆駆動(ニュートラルの自動車トランスミッションのように、出力軸が自由に回転できる) を防止します。ラチェット タイプなどの他の IVT では、出力軸が自由に回転します。IVT として機能できる CVT のタイプには、エピサイクリック、フリクション ディスク、ラチェット CVT があります。

1879年、ミルトン・リーブスは製材所で使用するためにCVT（当時は可変速トランスミッションと呼ばれていました）を発明しました。1896年、リーブスはこのトランスミッションを自分の車に取り付け始め、^[31]リーブスのCVTは他のいくつかのメーカーでも使用されました。

1911年のゼニス・グラデュア6HPバイクは、プーリーベースのグラデュアCVTを使用していました。^{[32] [33]} 1年後、ラッジ・ウィットワース・マルチギアが、同様の改良されたCVTとともに発売されました。CVTを使用した他の初期の車には、スペインで製造された1913年から1923年までの小型三輪サイクルカーのデビッド、 ^[34]イギリスで製造された1923年のクリノ、イギリスで製造された 1926年のコンスタンティネスコサルーンなどがあります。

CVTを採用した最初の量産車は、1958年にオランダで発売されたDAF 600でした。^[35]そのバリオマチックトランスミッションは、1980年代までDAFとボルボが製造したいくつかの車両に使用されました。^[36]

1987年、初の電子制御スチールベルトCVTであるECVTがスバル ジャスティのオプショントランスミッションとして導入された。^{[37] [38]}ヴァン・ドーンの生産量が限られていたため、生産台数は月間500台に制限されていた。同年6月、供給台数が月間3,000台に増加し、スバルは軽自動車レックス にCVTを搭載するに至った。^[39]スバルは他のメーカーにもCVTを供給している（例：1992年日産マイクラ、フィアット ウーノおよびパンダ）。^[40]また、1987年には、2代目フォード フィエスタと1代目フィアット ウーノにスチールベルトCVTが導入され、フォードとフィアットではそれぞれCTXとUnomaticと呼ばれている。

1996年の第6世代ホンダシビックでは、アイドリングストップを防止するためにトルクコンバータではなく多板クラッチを備えたプーリーベースのホンダマルチマチック（HMM）CVTが導入されました。^[41]

CVTの使用はその後数年間で広がり、1998年式の日産キューブ、1999年式のローバー25、1999年式のアウディA6などのモデルにも採用されました。^[42]

1999年式の日産セドリック（Y34）は、他のメーカーが使用するプーリーベースの設計とは異なり、トルクコンバーターを組み込んだ日産エクストロイドとして販売されたトロイダルCVTを使用していました。日産は2003年にトロイダルからプーリーベースのCVTに切り替えました。 ^[43]第4世代の日産アルティマのVQ35DEエンジンで使用されているCVTのバージョンは、他のベルトCVTよりも高いトルク負荷を伝達できると言われています。^[44]

2019年型トヨタカローラ（E210）には、CVTプーリーの横に物理的な「発進ギア」を備えたCVTが搭載されています。時速40km（25mph）までの速度では、発進ギアを使用して加速を高め、CVTへのストレスを軽減します。この速度を超えると、トランスミッションはCVTに切り替わります。^[45]

CVT のマーケティング用語には、「リニアトロニック」(スバル)、「エクストロニック」(ジャトコ、日産、ルノー)、「INVECS-III」 (三菱)、 「マルチトロニック」 (フォルクスワーゲン、アウディ)、「オートトロニック」(メルセデス・ベンツ)、「IVT」(ヒュンダイ、起亜) などがあります。

アメリカでは、1970年代初頭からF500の オープンホイール レーシングカーにCVTが採用されている。CVTは、研究開発費の高騰やドライバーの車両への関与を一定レベルに維持することへの懸念から、1994年にF1から（他のいくつかの電子システムや運転補助装置とともに）禁止された。^[46]

スノーモービル、ゴルフカート、モータースクーターなどの多くの小型車両は、典型的にはプーリータイプのCVTを使用しています。これらの車両のCVTは、機械的な単純さと使いやすさが比較的効率が悪いことを補うため、さまざまな耐久性と柔軟性の高い材料を使用して製造された、伸縮しない固定周長のゴムベルトを使用することが多いです。一部のモータースクーターには、アイドリング時や手動でスクーターを後進させるときに補助するための遠心クラッチが含まれています。 ^[47]

1974 年型Rokon RT340 TCR オートマチックオフロード バイクには、スノーモービル CVT が搭載されていました。CVT を搭載した最初のATV は、1985 年のPolaris Trail Bossでした。^{[引用が必要]}

コンバインでは、 1950 年代初頭から可変ベルト ドライブが使用されていました。家庭や園芸用の小型トラクターや自走式芝刈り機の多くは、シンプルなゴム ベルト CVT を使用しています。大型のユニットでは、油圧式 CVT がより一般的です。^{[例が必要]}芝刈りや収穫作業では、CVT により、エンジン速度とは無関係に装置の前進速度を調整できます。これにより、オペレーターは作物の厚さの変化に合わせて、必要に応じて速度を遅くしたり速くしたりできます。

油圧式 CVT は、小型から中型の農業機械や土木機械に使用されています。これらの機械のエンジンは通常、一定の出力で稼働するため (油圧動力を供給するため、または機械に動力を供給するため)、機械効率の損失は、向上した操作効率によって相殺されます。たとえば、土木機械では、前進と後進の往復時間が短縮されます。CVT の速度と出力は、移動速度の制御や、場合によっては機械のステアリングの制御に使用されます。後者の場合、機械のステアリングに必要な速度差は、独立した CVT によって供給できるため、他のスキッド ステア方法に関連するいくつかの欠点 (ブレーキ損失や牽引力損失など) なしにステアリングを実現できます。

1965 年型Wheel Horse 875 および 1075 ガーデン トラクターは、油圧式 CVT を搭載した最初の車両でした。この設計では、可変容量スワッシュ プレート ポンプと固定容量ギア型油圧モーターを 1 つのコンパクトなパッケージに組み合わせました。逆比は、スワッシュ プレートのオーバーセンターによってポンプの流れを逆転させることで実現しました。加速は、ポンプとモーターの間にある圧力アキュムレーターとリリーフ バルブを使用して制限され、直接油圧カップリングで起こり得る突然の速度変化を防止しました。その後のバージョンには、固定スワッシュ プレート モーターとボール ポンプが含まれていました。^{[引用が必要]}

1996年型フェント・バリオ926は、 IVTトランスミッションを搭載した最初の大型トラクターでした。これは油圧式CVTとは異なります。このトランスミッションを搭載したトラクターは10万台以上生産されています。^[48]

CVT は 1950 年代から航空機の電力発電システムに使用されています。^{[引用が必要]}

フライホイール付き CVT は、エンジン (例: 風力タービン) と発電機の間の調速機として使用されます^[要出典]。エンジンが十分な電力を生成している場合、発電機は CVT に直接接続され、エンジンの速度を調節します。出力が低すぎる場合、発電機は切断され、エネルギーはフライホイールに蓄えられます。フライホイールの速度が十分な場合にのみ、発電機に必要な速度で断続的に運動エネルギーが電気に変換されます。

一部のドリルプレスやフライス盤には、チャックの速度を制御するためのシンプルなベルト駆動CVTシステムが搭載されており、JetモデルJ-A5816やJ-A5818などがあります。^[49]このシステムでは、出力シャフトプーリの有効直径のみが連続可変です。モーターに接続された入力プーリの直径は通常固定されています（または、速度範囲を選択できるように離散的なステップで固定されている場合もあります）。オペレーターは、プーリの半分の間の隙間の幅を制御するハンドホイールを使用して、ドリルの速度を調整します。ベルトトランスミッションにはテンショナープーリが実装されており、速度の変更に応じてベルトのたるみを巻き取ったり解放したりします。

ウインチやホイストも CVT の応用分野であり、特に伝達比を抵抗トルクに適合させる場合に使用されます。

CVTギアを備えた自転車は商業的にはあまり成功していないが、8速シフターに相当するギア範囲を提供する例が1つある。^[50]自転車の短いギアは上り坂を走るときに役立つが、CVTは自転車の重量を大幅に増加させることが指摘されている。^[51]

電動自転車の台頭により、CVTは、歴史的に人力自転車に適用されてきたギアシステムと比較して、最適なドライブトレイン設定のためのより優れたソリューションとして再評価されています。^{[52] [53]ハンズフリーで連続的に無段階に操作でき、メンテナンスの手間も少ないため、CVTはシティeBikeや}通勤者にとって魅力的なソリューションとなっています。^[54]市販されているeBike用CVTには、ratioXとe2 Drivesがあります。

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