Loading article…
無段変速機（CVT）は、連続的なギア比範囲でギア比を変更できる自動変速機であり、一般的にガソリン車において燃費向上につながります。[ 1 ]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、車両が様々な速度で走行している間でも、エンジンを一定の角速度で動作させることができます。したがって、CVTは、理論的には構造がシンプルで、内部部品の寿命が長く、耐久性も高い可能性があります。従来のまたは標準的な自動変速機と比較して、燃費が低く、環境にも優しいです。[ 2 ] [ 3 ]
CVTは、乗用車、トラクター、サイド・バイ・サイド車、スクーター、スノーモービル、自転車、重機などに使用されています。最も一般的な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するタイプですが、その他にも様々な設計が用いられてきました。
最も一般的なタイプのCVTは、直径が可変な2つのプーリーの間を走るVベルトを使用します。 [ 4 ]プーリーは、互いに近づいたり離れたりして動く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2つの半分の間を走るため、プーリーの実効直径はプーリーの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ーでは高く、もう一方のプーリーでは低くなります。したがって、ギア比は、一方のプーリーの2つのシーブを近づけ、もう一方のプーリーの2つのシーブを遠ざけることによって調整されます。[ 5 ]
プーリー間の距離とベルトの長さは変わらないため、ベルトに適切な張力を維持するには、両方のプーリーを同時に調整する必要があります（一方を大きく、もう一方を小さく）。遠心駆動プーリーとスプリング式従動プーリーを組み合わせたシンプルなCVTでは、従動プーリーの適合調整を行うためにベルトの張力を利用することがよくあります。[ 5 ] Vベルトは、プーリーに出入りする際に半径方向の動きが小さいため、プーリーの軸方向に非常に硬くなければなりません。
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。鋼鉄で補強された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回転しているときにプーリーに合う円錐形の側面を持つ必要があります。チェーンがプーリーに近づくにつれて、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になります。
ベルト駆動設計では約88%の効率が得られます[ 6 ]。これはマニュアルトランスミッションより低いものの、車両の速度に関係なくエンジンを最も効率的な速度で動作させることで相殺できます。燃費よりも出力が重要な場合は、CVTのギア比を変更して、エンジンが最大の出力を発生する速度で回転するようにすることができます。
チェーン式CVTでは、多数のチェーン要素が、互いに重なり合った複数のスチールバンドに沿って配置されており、各バンドは容易に曲げられるほど薄くなっています。ベルトの一部がプーリーに巻き付けられると、要素の側面が円錐面を形成します。[ 7 ] [ 8 ]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合い、十分な潤滑が必要です。プーリーには追加の潤滑油膜が塗布されます。この膜は、プーリーとチェーンが直接接触しないように十分な厚さが必要ですが、各チェーン要素が膜に入るときに動力が無駄にならないように十分薄くなければなりません。
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ーに動力を伝達するものもあれば、チェーン要素の圧縮を利用するものもある（入力プーリーがベルトを「押し」、ベルトが出力プーリーを押す）。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
正無比可変（PIV）チェーン駆動は、チェーンが円錐プーリーと確実に噛み合うという点で特徴的です。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、左右に独立してスライドさせることで実現されます。プレートの厚さは1ミリメートル程度と非常に薄い場合があります。円錐プーリーには放射状の溝があります。プーリーの一方の側の溝がもう一方の側の隆起部と接するため、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、プーリー間に挟まれたときに適切なピッチの歯が効果的に形成されます。噛み合う面のおかげで、このタイプの駆動は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ーベースのCVTよりもかなり低くなります。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、チェーンの修理または交換が必要になる前に、より多くの摩耗に対応できるように、プレートは必要な長さよりも長く作られています。常に潤滑が必要なため、ハウジングは通常、オイルで部分的に満たされています。[ 12 ] [ 13 ]
日産セドリック（ Y34） [ 14 ] [ 15 ]やCVTCORP製のもの[ 16 ]に使用されているトロイダルCVTは、一連のディスクとローラーで構成されています。ディスクはペアで配置され、ディスク間の空隙がトーラスを形成するように形状が作られており、円形のローラーがその場で回転できるようになっています。ローラーを回転させると、入力ディスクに沿って接触面が内側に、出力ディスクに沿って外側に移動するか、あるいはその逆になり、トランスミッションの実効ギア比が変わります。[ 17 ]
トロイダルCVTは一般的にプーリー式CVTよりも高いトルク負荷に耐えることができます。[ 18 ]一部のトロイダルシステムでは、CVT内部で推力の方向を反転できるため、逆ギアを提供する外部デバイスが不要になります。[ 19 ]
ラチェット式CVTは、一方向クラッチまたはラチェットを複数使用し、「前進」方向の動きのみを整流・加算します。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動作ではなく（つまり、厳密にはCVTではありません）、実際には動作に多くの類似点があり、ラチェット式CVTは（無段変速機と同様に）任意の入力速度から出力速度をゼロにすることができます。駆動比は、振動要素内のリンク機構の形状を変更することによって調整され、平均リンク速度が一定であっても、合計最大リンク速度が調整されます。
ラチェット式CVTは、静止摩擦がトルク伝達量に対して相対的に増加するため、適切に設計されたシステムでは滑りが発生しず、大きなトルクを伝達できます。動摩擦の大部分は、ごくわずかなクラッチ速度の変化によって発生するため、効率は一般的に高くなります。ラチェット式CVTの欠点は、加速に必要な速度の連続的な変化によって発生する振動です。この加速に必要な速度変化は、それまで作動していた減速中の動力伝達要素に取って代わる必要があるためです。
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。[ 20 ]この設計は2017年現在も低速電気モーターで使用されており、生産が続けられています。[ 21 ]自転車の変速機として試作された例は1994年に特許を取得しました。 [ 22 ]回転運動を振動運動に変換するためにスコッチヨーク機構を使用し、入力と出力の比率を均一にするために非円形ギアを使用するラチェット式CVT設計の動作原理は、2014年に特許を取得しました。[ 23 ]
静油圧式CVTは、エンジン駆動の容積式ポンプを使用して、加圧されたオイルを1つまたは複数の油圧モーターに供給し、これらのモーターが車両の駆動輪にトルクを伝達します。静油圧式CVTという名称は、 「静油圧式」という用語を誤用していますが、このタイプのトランスミッションを、油圧式トルク増幅器（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するために用いられています。
油圧式CVTでは、エンジンと駆動輪間の実効的な「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る）とモーターの排気量の差によって決まります。閉鎖系、つまりポンプの出力がすべてモーターに伝達される系では、この比はGR = Dm ÷ Dpという式で表されます。ここで、Dpはポンプの実効排気量、Dmはモーターの排気量、GRは「ギア比」です。
油圧式CVTでは、ポンプの有効吐出量を変化させることで、エンジン回転数（RPM）に応じたモーターへのオイル供給量を変化させ、実効的な「ギア比」を調整します。この調整にはいくつかの方法がありますが、その一つは、調整弁を通してポンプの出力の一部をリザーバーに戻す方法です。この方法では、弁を開いてオイルの吐出量を増やすと、ポンプの有効吐出量が減少し、モーターへのオイル供給量が減るため、モーターの回転速度が遅くなります。逆に、弁を閉じると吐出量が減り、ポンプの有効吐出量が増えるため、モーターの回転速度が速くなります。
別の方法として、可変容量ポンプを使用する方法があります。ポンプを低容量に設定すると、オイル流量が少なくなり、油圧モーターの回転速度が低下します。ポンプの容量を増やすと、エンジンの回転速度が同じでもオイル流量が多くなり、モーターの回転速度が速くなります。
油圧式CVTの利点は以下のとおりです。
油圧式CVTの欠点は以下のとおりです。
静油圧式CVTの用途には、飼料収穫機、コンバイン収穫機、小型ホイール式/履帯式/スキッドステアローダー、クローラー式トラクター、ロードローラーなどがあります。農業用の一例では、AGCO社製のものが、前進方向では遊星歯車を介して出力軸への動力伝達を静油圧式と機械式に分割しています（後進時は動力伝達は完全に静油圧式です）。この構成により、トルクの大部分をより効率的な固定ギアを介して伝達することで、前進時のトランスミッションの静油圧部分への負荷が軽減されます。[ 24 ]
統合型静油圧トランスアクスル（IHT）と呼ばれる派生型は、油圧要素と減速ギア要素の両方を単一のハウジングに収めており、一部の小型トラクターや乗用芝刈り機に使用されている。
2008年から2010年までのホンダDN-01クルーザーバイクは、可変角度斜板を備えた可変容量軸ピストンポンプの形で油圧式CVTを使用していた。
円錐型CVTは、1つまたは複数の円錐形ローラーの軸に沿ってホイールまたはベルトを移動させることで、駆動比を変化させます。最もシンプルなタイプの円錐型CVTであるシングルコーン型は、円錐の傾斜に沿って移動するホイールを使用し、円錐の狭い直径と広い直径の間で変化を生み出します。
円錐形CVT設計の中には、2つのローラーを使用するものもあります。[ 25 ] [ 26 ] 1903年、ウィリアム・エバンスとポール・クナウフは、互いに反対方向を向いた2つの平行な円錐形ローラーと、円錐に沿ってスライドさせて変速比を変更できるベルトで接続された無段変速機の特許を申請しました。[ 27 ] [ 28 ] 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、ローラーの間を通る革紐の位置によって変速比が決まります。[ 29 ]
トヨタ・プリウス、フォード・フュージョン／リンカーンMKZハイブリッド、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、電気モーターと内燃機関からの動力配分を制御するために、電気式可変トランスミッション（EVT、eCVTと呼ばれることもある）を使用しています。これらは、エンジンに加えて電気モーターによって駆動される点で標準的なCVTとは異なり、従来のCVTで使用されるベルトの代わりに遊星歯車を使用して出力を組み合わせます。注目すべき例としては、トヨタ・ハイブリッド・シナジー・ドライブが挙げられます。
この設計は耐久性で知られており、ニューヨーク市のタクシーとして45万マイル（72万キロ）走行したハイブリッドフォードエスケープのHF45 eCVTを完全に分解した後、エンジニアは内部部品が「完璧な状態であり、さらに何マイルも走行できたはずだ」と報告している。[ 30 ]
摩擦ディスク式変速機は、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に使用されていました。今日では除雪機などに使用されているこの変速機は、入力ディスクの表面上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と同じ位置に調整すると、結果として得られる駆動比は 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させることで、駆動比を無限大 (つまり、出力ディスクが静止している状態) に設定できます。出力ディスクを入力ディスクの中心を過ぎて移動させることで、出力方向を反転させることもできます。初期のプリマス機関車の変速機はこのように動作していましたが、摩擦ディスクを使用するトラクターでは、通常、逆転速度の範囲が制限されていました。[ 31 ]
開発中の磁気式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。[ 32 ]この設計では、永久磁石のリング2つと、その間に鋼鉄製のポールピースのリングを使用して、磁石による遊星歯車機構を形成します。[ 33 ]機械式システムと比較して、燃料消費量を3～5%削減できるとされています。[ 33 ]
一部のCVTは、無段階変速機（IVT）としても機能し、無段階の低速ギア（例えば、車両を無限に遅い速度で前進させる）を提供します。一部のIVTは、高い逆駆動トルクを発生させるため、逆駆動（自動車のトランスミッションのニュートラル状態のように、出力軸が自由に回転できる状態）を防ぎます。ラチェット式などの他のIVTは、出力軸が自由に回転することを許容します。IVTとして機能できるCVTの種類には、遊星歯車式、摩擦ディスク式、ラチェット式CVTなどがあります。
アメリカでは、1879年にミルトン・リーブスが製材用にCVT（当時は「可変速トランスミッション」と呼ばれていた）を発明した。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、[ 34 ]リーブスCVTは他のいくつかのメーカーでも使用された。
1911年のゼニス・グラドゥア6HPオートバイは、プーリー式のグラドゥアCVTを採用していた。[ 35 ] [ 36 ] 1年後、同様の改良型CVTを搭載したラッジ・ウィットワース・マルチギアが発売された。CVTを採用した初期の自動車としては、スペインで製造された1913年から1923年のデイビッド小型三輪サイクルカー[ 37 ] 、英国で製造された1923年のクリノ、英国で製造された1926年のコンスタンティネスコ・サルーンなどがある。
1958年、オランダのDAF 600は、CVTを採用した最初の量産車となった。[ 38 ]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で使用された。[ 39 ]
1987年、電子制御式スチールベルト式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ました。[ 40 ] [ 41 ] DAFからVariomaticの特許を引き継いだVan Doorne Transmissie社の生産能力が限られていたため、生産台数は月500台に制限されていました。同年6月には供給量が月3,000台に増加し、スバルは軽自動車のRex にCVTを搭載するようになりました。[ 42 ]スバルは、他のメーカーにもCVTを供給しています（例：1992年型日産マイクラ、フィアット・ウーノ、パンダ）。[ 43 ]また、1987年には、第2世代フォード・フィエスタと第1世代フィアット・ウーノにスチールベルト式CVTが搭載されました。フォードではCTX、フィアットではUnomaticと呼ばれています。
1996年に登場した第6世代ホンダ・シビックは、アイドリング時のクリープを防ぐためにトルクコンバーターではなく多板クラッチを採用したプーリー式ホンダ・マルチマチック（HMM）CVTを導入した。[ 44 ]
CVTの使用はその後数年間で1998年の日産キューブ、1999年のローバー25、1999年のアウディA6などのモデルに広がった。[ 45 ]
1999年型日産セドリック（Y34）は、他のメーカーが採用しているプーリー式設計とは異なり、トルクコンバーターを組み込んだトロイダルCVTを採用し、日産エクストロイドとして販売された。日産はその後、2003年にトロイダル式からプーリー式CVTに切り替え、日産エクストロニックとして販売した。[ 46 ]第4世代日産アルティマのVQ35DEエンジンで使用されているCVTのバージョンは、他のベルト式CVTよりも高いトルク負荷を伝達できるとされている。[ 47 ]
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「ローンチギア」を備えたCVTが用意されています。時速40km （25mph ）までの速度では、ローンチギアを使用して加速を向上させ、CVTへの負荷を軽減します。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。[ 48 ]
CVTのマーケティング用語には、「Lineartronic」（スバル）、「Xtronic」（ジャトコ、日産、ルノー）、「INVECS-III」（三菱）、 「 Multitronic 」 （フォルクスワーゲン、アウディ）、「Autotronic」（メルセデス・ベンツ）、「Intelligent Variable Transmission (IVT)」（ヒュンダイ、キア）などがあります。
米国では、フォーミュラ500のオープンホイールレーシングカーは1970年代初頭からCVTを使用していた。CVTは、研究開発費の高騰と、車両に対するドライバーの関与の一定レベルの維持への懸念から、1994年にフォーミュラ1で禁止された（他のいくつかの電子システムや運転補助装置とともに）。[ 49 ]
スノーモービル、ゴルフカート、スクーターなどの小型車両の多くは、プーリー式の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非効率な点を上回るため、さまざまな耐久性と柔軟性に優れた素材で作られた、伸びない固定円周のゴムベルトを使用することがよくあります。一部のスクーターには、アイドリング時や手動でスクーターを後退させる際に役立つ遠心クラッチが付属しています。 [ 50 ]
1974年製のオフロードバイク、ロコンRT340 TCRオートマチックには、スノーモービル用のCVTが搭載されていた。CVTを搭載した最初のATVは、1985年のポラリス・トレイルボスだった。
コンバインハーベスターは、 1950年代にはすでに可変ベルト駆動方式を採用していました。家庭用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式CVTを使用しています。大型の機械では、油圧式CVTがより一般的です。芝刈りや収穫作業において、CVTはエンジン回転数とは独立して機械の前進速度を調整できるため、オペレーターは作物の密度の変化に合わせて必要に応じて減速または加速することができます。
油圧式無段変速機（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、一定の出力で運転されるため（油圧動力の供給や機械の動力供給のため）、機械効率の低下は運転効率の向上によって相殺されます。例えば、土木機械では、前進・後進の往復時間が短縮されます。CVTの速度と出力は、走行速度、場合によっては操舵の制御に使用されます。後者の場合、操舵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式に伴ういくつかの欠点（ブレーキ損失や牽引力の低下など）なしに操舵を行うことができます。
1965年製の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、可変容量斜板ポンプと固定容量ギア式油圧モーターを1つのコンパクトなパッケージに組み合わせました。逆減速比は、斜板をオーバーセンタリングすることでポンプの流れを逆転させることで実現しました。ポンプとモーターの間に圧力アキュムレータとリリーフバルブを配置することで加速を制限し、スムーズな動作を実現しました。これは、直接油圧カップリングで発生する可能性のある急激な速度変化を防ぐためです。後継モデルでは、固定斜板モーターとボールポンプが採用されました。
1996年のFendt Vario 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。[ 51 ]
CVT（無段変速機）は、1950年代から航空機の発電システムに用いられてきた。
フライホイール付きCVTは、エンジン（例えば風力タービン）と発電機の間の速度制御器として使用されます。エンジンが十分な出力を生成している場合、発電機はCVTに直接接続され、エンジンの回転速度を制御します。出力が低すぎる場合は、発電機は切り離され、エネルギーはフライホイールに蓄えられます。フライホイールの回転速度が発電機が必要とする速度に達したときにのみ、運動エネルギーが断続的に電気エネルギーに変換されます。
ジェット社のモデル J-A5816 および J-A5818 など、一部のボール盤やフライス盤には、スピンドルの速度を制御するためのシンプルなベルト駆動式 CVT システムが搭載されています。 [ 52 ]このシステムでは、出力軸プーリーの有効直径のみが連続的に変化します。モーターに接続された入力プーリーは通常、直径が固定されています (または、速度範囲を選択できるように段階的に変化する場合もあります)。オペレーターは、プーリーの半分の間の隙間の幅を制御するハンドルを使用して、ドリルの速度を調整します。速度が変更されると、ベルトのたるみを吸収または解放するために、ベルト伝動部にテンショナープーリーが組み込まれています。
ウインチやホイストもCVTの応用例であり、特に抵抗トルクに合わせて変速比を調整する必要がある場合に有効です。
CVTギアを搭載した自転車は商業的に限定的な成功を収めており、ある例では8速シフターに相当するギア比の範囲を提供している。[ 53 ]自転車の短いギア比は上り坂での走行を助けたが、CVTは自転車の重量を大幅に増加させることが指摘された。[ 54 ]
電動自転車の普及が進むにつれ、従来人力自転車に適用されてきたギアシステムと比較して、CVTが従来の駆動系構成の代替として再評価されるようになった。[ 55 ] [ 56 ]ハンズフリーで無段階操作が可能で、メンテナンスも容易なため、CVTは都市型電動自転車や通勤者向けのソリューションとなっている。[ 57 ]
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)2019 トヨタ カローラ ハッチバック: 知っておくべき 5 つのポイント!